一种硅基集成化光学异或及同或运算单元及其阵列的制作方法

专利名称：一种硅基集成化光学异或及同或运算单元及其阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及用集成光学方式实现的逻辑运算单元及其阵列，特别涉及一种硅基集成化光学异或及同或运算单元及其阵列。
背景技术：
本发明利用一种简单的集成光学元件——微环谐振器(Micro-Ring Resonator, MRR)，实现了光信号与电信号的异或(XOR)及同或(XNOR)运算。若采用特殊的非线性光学 材料制作，该器件可以进行全光的异或及同或运算。异或及同或这两种逻辑运算在信息编码与解码、信号奇偶校验、数据加密解密、图 像处理、随机数产生等众多场合都有重要应用。随着这些应用对处理速度的要求越来越高， 依靠集成电路方式进行处理已经越来越困难，借助光学手段进行处理的做法逐渐得到青 睐。实际上，由于光信号的高带宽和高并行性，将光学原理应用到信息处理领域的研究一直 未曾间断。历史上曾经有两次大规模的光计算的研究热潮。当时集成光学还未得到充分发 展，体光学元件实现的光信息处理系统往往体积庞大而且可编程性极低，与突飞猛进的微 电子技术相比优势非常少。时至今日，在光通信产业的推动下，集成光学工艺与器件技术已 经有了长足进步，能实现的功能越来越丰富，工作模式也越来越灵活。基于这些集成光学器 件的光计算研究重新获得了重视。& Jf 1993 $ 白勺 # 禾Ij “Optical Mach-Zehnder type logic element which performs an XOR operation” (United States Patent 5315422)描述了利用集成化的马 赫-曾德尔干涉仪(MZI)实现全光异或及同或逻辑门的方法。两个光信号A和B分别照射 到MZI的两臂上，引起MZI两臂的相位差，所以二者相同则输出一种结果，相异则输出另一 种结果。该方法的主要缺点在于，需要较强的光信号激励，而且其输入方式难以进行平面集 成。公开于 2002年的专禾lj“All-optical XOR gate by using semiconductor optical amplifiers”(United States Patent 6930826)提出了一种利用两个半导体光放大器 (S0A, Semiconductor Optical Amplifier)实现全光异或逻辑门的方法。该方法利用了非 线性光学效应，需要较高的光能量输入，且SOA对输入光的偏振要求严格。韩国首尔国立大学的Young Jin Jung等科学家发表于2008年的“Demonstration of 10 Gbps,all-optical encryption and decryption system utilizing SOA XOR logic gates” (Source :0PTICAL AND QUANTUM ELECTRONICS, Volume -AO, Pages :425_430)描述 了他们利用半导体光放大器构建光学异或逻辑门，并用它来实现IOGbps的数据加密与解 密系统。该研究都表明，在某些特定应用中，光逻辑与光计算具有比集成电路更大的发展潜 力。用集成光学逻辑单元来构建的系统，可能在不久的将来被用于高性能的专门任务 处理器，也可能在集成电路芯片的光互联中发挥作用。

发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅基集成化光学异或及同或运算单元 及其阵列，以解决集成电路方式实现异或及同或运算所碰到的速度瓶颈问题，达到提高信 息编解码等应用中信息处理速度的目的。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种硅基集成化光学异或及同或运算单元，该光 学异或及同或运算单元由单个纳米线微环谐振器MRR实现，一次光的传播与收集即可同时 得到两个逻辑变量的异或及同或运算结果。上述方案中，该光学异或及同或运算单元采用绝缘体上硅材料制备，基本单元为 带热调制机构的纳米线微环谐振器。上述方案中，所述纳米线微环谐振器是直波导相互交叉的微环谐振器，由两个相 互交叉的直波导和一个环形波导构成，该环形波导的外边缘同时与相互交叉的两个直波导 相切。上述方案中，该光学异或及同或运算单元实现两个逻辑变量的异或及同或运算的 过程是一个逻辑变量决定MRR的两个直波导输入端口的激光脉冲输入，另一个逻辑变量 决定环形波导的谐振状态，一次光的传播与收集过程即可同时得到二逻辑变量的异或及同 或运算结果。上述方案中，在两个逻辑变量给定的情况下，输入方式一共有四种，在其中两种输 入情形下会在一个端口得到异或运算结果，在另一个端口得到同或结果；而在另外两种输 入情形下会在上述得到异或结果的端口得到同或结果，在上述得到同或结果的端口得到异 或结果。为达到上述目的，本发明还提供了一种硅基集成化光学异或及同或运算阵列，该 光学异或及同或运算阵列由多个光学异或及同或运算单元构成，由该光学异或及同或运算 单元组成的一维阵列可同时得到两个向量的异或及同或运算结果，其二维阵列可同时得到 向量与矩阵的异或及同或运算结果。上述方案中，该光学异或及同或运算阵列采用绝缘体上硅材料制备，基本单元为 带热调制机构的纳米线微环谐振器，其一维阵列为1XN排布的带热调制机构的MRR，其二 维阵列为NXN排布的带热调制机构的MRR。上述方案中，两个1XN逻辑向量的异或及同或运算的实现过程是一个向量的 元素决定了一维MRR阵列中相应单元的直波导端口的输入，另一个向量的元素决定了一维 MRR阵列中相应单元的环形波导的谐振状态，一次光的传播与收集过程即可同时得到二逻 辑向量的异或及同或运算结果。上述方案中，在两个1XN逻辑向量给定的情况下，输入方式一共有四种，在其中 两种输入情形下会在N个端口得到异或运算结果向量的N个元素，在另一个端口得到同或 运算结果向量的元素和；而在另外两种输入情形下会在上述得到异或结果向量元素的N个 端口得到同或结果向量的N个元素，在上述得到同或运算结果向量元素和的端口得到异或 结果向量的元素和。
上述方案中，IXN逻辑向量与NXN逻辑矩阵的异或及同或实现过程是向量的元 素决定了二维MRR阵列中相应单元的直波导端口的输入，矩阵的元素决定了二维MRR阵列 中相应单元的环形波导的谐振状态，一次光的传播与收集过程即可同时得到逻辑向量与逻 辑矩阵的异或及同或运算结果。上述方案中，在IXN逻辑向量与NXN逻辑矩 阵给定的情况下，输入方式一共有四 种，在其中两种输入情形下会在N个输出端口得到向量与矩阵的N个行向量进行异或运算 所得N个结果向量的和向量的N个元素，在另外N个输出端口得到向量与矩阵的N个行向 量进行同或运算所得N个结果向量的自身元素和；而在另外两种输入情形下会在上述得到 异或结果的N个端口得到同或结果向量的和向量的N个元素，在上述得到同或运算结果向 量元素和的端口得到N个异或结果向量的自身元素和。上述方案中，该光学异或及同或运算阵列作为运算器，与外围集成的寄存器、控制 器一起，构成协处理器或通用微处理器。(三)有益效果本发明的突出优点是利用现成的工艺技术，使得器件体积小，功耗低，扩展性好， 便于与电学元件集成；利用激光脉冲传递信息，速率高，延迟小；用数字方式进行信号处 理，避免了模拟光学系统的精度差、可编程能力弱的缺点。对本发明进行结构及工艺优化， 它进行异或及同或运算的速度有望超越集成电路手段实现的速度，从而为更高速的信息处 理任务提供支持。本发明提出的集成化逻辑运算单元及其阵列之所以具有这样的优点与潜 力，与它所采用的材料属性及器件工作原理关系密切。


为使本发明的方案得到更清楚地阐述，解释附图如下图1为交叉结构的微环谐振器(MRR)；图2为用来对MRR进行调谐的电极结构；图3为单个MRR实现异或/同或运算的工作原理示意图；图4为一维MRR阵列实现向量_向量异或/同或运算的工作原理示意图；图5为二维MRR阵列实现向量_矩阵异或/同或运算的工作原理示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。本发明的基本结构为微环谐振器(Micro-Ring Resonator，MRR)，采用硅基纳米线 波导制作。该逻辑运算单元用激光脉冲表示一个逻辑变量，用电调制信号表示另一个逻辑 变量，同时完成二者的异或及同或运算。由该逻辑运算单元组成的阵列则可以完成向量与 向量的异或/同或运算，以及向量与矩阵的异或/同或运算。首先，在材料方面，本发明采用的是绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator， S0I)材料。SOI是指在SiO2绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜，其制备及加工 工艺与广泛使用的 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor, CMOS) 工艺兼容。SOI波导的芯区为硅，材料折射率为3. 5，包层为空气(或二氧化硅)，材料折射率为1 (或1. 44)。由于芯区和包层的折射率差很高，SOI波导的光场限制能力很强。高的 折射率差使得弯曲波导的弯曲损耗很低，弯曲半径为5微米时的弯曲损耗仍然很小，这使 得在一个芯片上实现多个不同形状与功能的SOI波导器件的集成成为可能；而传统波导器 件的弯曲半径普遍在毫米甚至厘米量级，极大的占用了芯片面积，一块芯片上通常只能放 下一个器件。 其次，在器件方面，本发明的基本单元为基于硅基纳米线波导的微环谐振器，它是 一种功能多样，性能优越，近年来被广泛研究的集成光学元件。图1为交叉结构的微环谐振 器结构图，它由两个相互交叉的直波导和一个环形波导组成。利用微环谐振器结构可以实 现光开关、光调制器、光滤波器、光分插复用器等很多光通信用功能部件。由于环形波导的 半径可以小至5微米，其器件结构非常紧凑，可以实现器件密度为105/cm2以上的高集成度， 减少分立器件耦合时的损耗，同时降低器件的封装成本。下面通过分析光信号在图1所示的MRR中的传输过程，简要说明其工作原理(1、3 端口之间的直波导称为a，2、4端口之间的直波导称为b)(1) 一定波长的激光脉冲信号由1端口输入，进入MRR后在直波导中向前传播。尽 管SOI纳米线波导折射率差大，光场限制能力强，但仍有倏逝场弥散到直波导之外；(2)在光信号经过环形波导时，由于环形波导材料折射率比周围材料高，根据电磁 场传播的基本规律，光场将向折射率高的区域传播，所以弥散到直波导a之外的光场将有 一部分耦合进环形波导中；(3)如果光信号的波长满足谐振条件(mX λ = NgX2 π XR，其中m为整数，称为 谐振阶数，λ为光信号波长，Ng为环形波导的群折射率，R为环形波导半径)，那么光脉冲在 环形波导中传播若干圈之后，其能量将几乎全部由a耦合进环形波导，并由环形波导耦合 进b，最终由4端口输出(4端口称为下路端，上述过程称为下路)。而如果光信号的波长不 满足上面所谓的谐振条件，那么尽管部分光场会从a进入环形波导，但最终仍会回到a中， 然后几乎全部由3端口输出(3端口称为直通端，上述过程称为直通)。如若信号由端口 2 输入，那么端口 3是相应的下路端，端口 4是相应的直通端，工作原理与上面描述的由端口 1输入时完全相同。上面分析的是MRR的静态工作特性，即MRR固定地使某些波长信号下路，某些波长 信号直通。实际工作时，需要MRR谐振波长动态可调(即动态滤波)以实现更加复杂的功 能。下面对谐振波长计算公式mX λ =Ν8Χ2π XR进行分析，从而得出如何调节MRR使得 它的下路波长动态可调。通过上面的谐振条件公式可以看到，要调节谐振波长以实现动态滤波，可以改变 的物理量有环形波导的半径R及其群折射率Ng。前者在工艺完成之后就确定下来，无法进 行调节。所以只能通过调节环形波导的群折射率Ng，来改变MRR的谐振波长。硅材料的折射率随温度变化而变化，此即为硅材料的热光效应，利用这一效应可 以实现对群折射率Ng的调节。利用金属有机化学气相淀积(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition, MOCVD)技术在微环上生长金属电极，加电后金属电极发热，热场传导 至波导，使波导的温度发生变化，环形波导的群折射率Ng随之变化，带来MRR谐振波长的改 变，从而实现动态滤波——即对于某一特定波长，可以通过电信号控制使它或者从下路端， 或者从直通端输出。电极结构如图2所示。
硅材料的热光效应可以用下式表示
dn/dT = 9. 48X 10_5+3. 47 X IO-7XT-I. 49 X IO^10T2+. . .(1)其中dn为折射率变化量，dT为温度变化量，T为环境温度。在常温下(Τ = 300K)， dn/dT = 1. 86X 10_4/K，折射率随温度的升高而增大。Si的大热光系数和高热导率(^si = 1. 49ff/cm ·Κ)可以保证SOI的热光调节有较快的响应速度。同时，埋层SiO2的热导率很小， 只有Si的百分之一，可以有效的起到绝热的作用，减少热量散失，降低开关功耗。因此SOI 是很好的热光效应材料。另外，从谐振波长计算公式mX λ = NgX2 π XR还可以看出，由于m只能取整数 值，微环形谐振器的谐振波长是离散的，相邻两个谐振波长的间隔称为自由光谱范围(Free Spectral Range，FSR)，其值可以表示为FSR = Am2/(NgX2 π XR)(2)其中λ m为谐振波长计算公式中整数m对应的谐振波长，FSR是谐振阶数(m-1)与 (m+1)所对应谐振波长与间隔，由⑵可见FSR与环的半径成反比。受弯曲损耗的限 制，微环的半径通常不小于5微米，此时FSR的通常为十几个纳米。本发明拟采用的波段为光通信中常用的1.55μπι区域，信道间隔为100GHz，对应 的波长间隔约为0. Snm0由谐振波长计算公式可以得到谐振波长变化与折射率变化的关系ANg = NgX Δ λ/λ(3)如果想调节谐振波长至相邻的一个信道波长，即波长变化0. 8nm，那么对应的折射 率变化大约为0. 0023 (计算时采用Ng的近似值4. 5——群折射率不同于材料折射率)，对 应的温度变化约为12K。根据(4)与(5)式可以分别对器件的功耗和响应时间进行计算， P为器件功耗，τ为响应时间。对单个逻辑运算单元，其最大功耗约为3mW，响应时间约为
0. 1 μ S。 (4)中Δ T为温度变化量，σ SiQ2为SiO2的热导率，有效加热面积Srff = WXL，W为 波导宽度，L为整个热极的长度，dSi02为上包层SiO2厚度；(5)中H为波导高度，P Si与cSi 分别为Si的密度和比热容。图2为电极结构的截面示意图，硅基波导外包裹着一层SiO2, 一方面是对光场起到限制作用，防止光场向衬底泄漏以及杜绝上面加热电极金属对光场的 吸收，减小损耗；另一方面，由于SiO2的热导率低，可以隔绝芯层向衬底传导的热量，保证功 耗较小。 (6)式和(7)式是本发明所要利用的基本关系式，"Θ"和“ ”分别为异或及同或
运算符，大写字母表示逻辑变量，小写字母为相应的算术量(比如逻辑变量X = 1对应的算 术量为χ= 1)。二式中的“ · ”表示逻辑“与”，操作数是逻辑变量；“X”则是普通的算术乘法，操作数是普通的十进制数；“ + ”在连接逻辑变量时表示逻辑“或”，在连接算术量时表 示算术加法。此二式说明，异或/同或逻辑运算可以通过普通的算术乘加运算实现。在本发明中，用输入端口激光脉冲的有无表示一个操作数，用MRR是否处于谐振 状态表示另一个操作数。下面结合图3说明，一个MRR是怎样同时完成X与Y的异或/同 或运算的。如果x = 1，则在端口 1输入一个波长为入的激光脉冲，如果x = 0则不输入激光 脉冲——为表述方便，以后将此种输入方式记为x@入。对MRR进行调谐，如果y = 1，则使MRR在入处谐振，如果y = 0，则使MRR在入 处不谐振——为表述方便，以后将此种对MRR的调谐方式记为y@入。根据MRR的工作原理，在上述输入下，端口 3处的光强为xX (1-y)——也就是说， 当且仅当x = 1 (端口 1有光脉冲输入)和y = 0 (MRR在入处不谐振)时，端口 3才有光 脉冲出现。同时，端口 4处的光强为xXy——也就是说，当且仅当x= 1(端口 1有光脉冲 输入)和y = 1 (MRR在\处谐振)时，端口 4才有光脉冲出现。以上描述的过程在端口 3得到了 xX (1-y)，在端口 4得到了 xXy，完成了(6)式 和(7)式右端算术运算式的一半。另一半运算需要依靠端口 2的输入来完成。在端口 2输 入(l-x)@X (即如果x = 0则输入一个波长为入的激光脉冲，如果x = 1则不输入激光脉 冲)。对MRR的调谐与上面的做法一致(y@入，即如果y = 1，则使MRR在\处谐振，如果y =0，则使MRR在\处不谐振)。这样的输入将使得端口 3处得到的输出为(l-x)Xy，在端 口 4处得到的输出为(1-x) X (1-y)。综上所述，如果端口 1输入x@ X，同时端口 2输入为(1-x) iA ,MRR的调谐方式为 y@入，那么端口 3将得到xX (l-y)+yX (l_x)，端口 4将得到XXy+(l_X) X (1-y)——此即 为逻辑变量X与Y的异或及同或运算结果。如果端口 1的输入为(1-x) @ X，而端口 2的输入为x@ X，MRR的调谐方式为(l_y) i 入。那么可以得到与上面相同的结果，即在端口 3得到X与Y的异或，在端口 4得到X与Y 的同或。如果端口 1的输入为x@ X，而端口 2的输入为(1-x) iA ,MRR的调谐方式为(l_y) i 入。那么将在端口 3得到X与Y的同或，在端口 4得到X与Y的异或。如果端口 1的输入为(1-x) @ X，而端口 2的输入为x@ X，MRR的调谐方式为y@入。 那么将在端口 3得到X与Y的同或，在端口 4得到X与Y的异或。上面四个段落依次列举了 4种输入方式(包括调谐方式)及相应的运算结果，为 了表述的简洁，在下文中将第一和第二种输入方式称为模式1，第三和第四种输入方式称为 模式2。上面说明了如何利用一个MRR实现两个逻辑变量的异或/同或运算，并对输入方 式进行了归纳。下面说明如何通过MRR的一维阵列完成向量与向量的异或/同或运算。首先需要解释这里所谓向量与向量的异或/同或运算是如何定义的。两个向量的 异或/同或运算，可以是两向量对应元素进行异或/同或运算得到一个新的向量(称为结 果向量)；进一步，也可以是该结果向量的元素和。在不同的应用场合，有时需要利用结果 向量，有时只需要结果向量的元素和——这两种结果都可以用本发明来得到。如图4所示，MRRi的端口 2与MRR2的端口 4相连组成一维MRR阵列；图中输入方式为模式1。下面说明此种结构如何实现向量[Xl，X2]与[y1; Y2]的异或/同或运算。
在MRR1和MRR2的端口 1分别输入X1O λ丄禾口 χ2@ λ 2。MRR1调谐方式为y^A MRR2 调谐方式为y2@X2。在MRR2的端口 2同时输入(I-X1)OX1禾口(1-χ2)@λ2。这样，在MRR1 的端口 4 得到的光强将为[X1X Y1+(I-X1) X (I-Y1) ] + [X2Xy2+(1-χ2) X (l-y2)]，此即为向 量[X1, X2]与[y1; y2]的同或运算结果向量的元素和。同时，MRR1的端口 3的输出光强为 X1X (I-Y1)+Y1X (I-X1), MRR2 的端口 3 的输出光强为 x2X (l-y2)+y2X (1_χ2)，此即为向量 [X1, X2]与[y” y2]异或运算所得结果向量的两个元素；若利用合束器将两个MRR的端口 3 的光强进行叠加，将得到[X1X (I-Y1)+Y1X (I-X1)]+ [χ2X (l-y2)+y2X (1_χ2)]，此即为向量 [X1, X2]与[yi，Y2]异或运算所得结果向量的元素和。若将输入方式改为模式2，例如在MRR1和MRR2的端口 1输入X1O λ工和λ 2，使 MRR1调谐为(I-Y1) @ λ ” MRR1调谐为(l-y2) @ λ 2，在MRR2的端口 2同时输入(I-X1) @ λ丄和 (I-X2)@ A20那么，在MRR1的端口 4得到的为向量[χι，χ2]与[yi，y2]异或运算结果向量的 元素和。同时，在MRR1的端口 3和MRR2的端口 3将得到向量[Xl，x2]与[y1; y2]同或运算 所得结果向量的两个元素；若利用合束器将两个MRR的端口 3的光强进行叠加，将得到向量 [X1, X2]与[yi，y2]的同或运算结果向量的元素和。
上述运算方法可扩展至更高维向量的异或/同或运算，只需增加一维MRR阵列中 MRR单元的个数和需要利用的波长数。下面说明如何用二维MRR阵列实现向量_矩阵的同或/异或运算。首先需要给出 这里所谓的向量-矩阵同或/异或运算的定义。本发明进行的向量-矩阵同或/异或运算， 是向量与矩阵的各个行向量进行同或/异或运算后得到的各个结果向量自身元素的和，或 者是向量与矩阵的各个行向量进行同或/异或运算后得到的各个结果向量的和向量。如图5所示，以一个1X4向量与一个4X4矩阵的同或/异或运算为例； 输入方式为模式1。输出端O1至O4的输出，是向量与矩阵的4个行向量进行同或 运算所得4个结果向量的自身元素和(即每个结果向量的自身元素相加)——例 如，O1 = X1 Θ yn+x2 Θ y12+x3 Θ y13+x4 Θ y14。而输出端δ,至δ4的输出，是向量与矩 阵的4个行向量进行异或运算所得4个结果向量的和向量的4个元素——例如， O1 =X1十凡+X1十少21 +X1十；;31 +X1十;^。需要指出，此处G的上标横线并不代表它是O1的 “否”，二者并无直接联系。如果将输入方式改为模式2，那么输出端O1至O4的输出，是向量与矩阵的4个行 向量进行异或运算所得4个结果向量的自身元素和。而输出端0,至54的输出，是向量与矩 阵的4个行向量进行同或运算所得4个结果向量的和向量的4个元素。图5中的二维MRR矩阵中16个MRR的谐振波长分布特点是每一行或每一列的4 个MRR谐振波长都不相同。根据操作数及输入模式的不同，各个MRR可能在图5中标注的 波长处谐振，也可能会被调谐至另一处(非入^入‘四个波长中的任何一个)。假设X1-X4 波长两两间隔为Δ λ，那么在调谐时只需将谐振波长调离原位置Δ λ/2(当然也可以是其 它位置，比如调离原位置3 Δ λ /2)。上面的描述表明，本发明可以用集成光学方式进行两个逻辑变量的异或/同或运 算，以及特定意义下的向量与向量及向量与矩阵的异或/同或运算。如果在本发明提出的结构外围集成合适的控制器与存储器及其它必要功能组件，并为其设计特殊的指令集，这一结构将可能作为核心单元实现光电集成微处理器，它能被 设计为处理特殊任务的协处理器，或者被设计为进行一般任务处理的通用型微处理器。以下结合附图描述本发明的具体实施例。如图1所示的微环谐振器(MRR)是本发明实现异或/同或运算的基本单元。MRR有两种基本结构，图1所示的直波导相互交叉是其中之一，另外还有直波导相互平行的结 构(环形波导处在两平行波导之间)。交叉结构的MRR具有的二维扩展性好的优点，主要缺 点在于交叉节点会引入一定损耗。下面介绍单个MRR的制造工艺。首先依照谐振波长、偏振与损耗特性、调谐特性等 方面的要求，设计好MRR的几何结构(包括截面尺寸、环与直波导的间距)和热调制结构 (电极形状与尺寸)。然后就可以利用半导体工艺在SOI材料上制作MRR及其热调谐单元， 下面介绍具体步骤(1)将设计好的MRR版图制成光刻版；(2)依照设计，选择SOI片进行清洁处理，得到待处理的SOI片，其顶层Si厚度依 设计选定，为波导芯层的厚度。埋层SiO2的厚度则要保证以顶层Si为芯区的波导中光场 不会泄露到衬底Si中，一般埋层SiO2的厚度在1 3 μ m ；(3)在SOI片上均勻涂敷光刻胶层，对其进行烘焙、坚膜，并在光刻机中用紫外光 机将光刻版的线条方向与硅片的参考边调整至平行，对光刻胶曝光；(4)在显影液中对光刻胶显影形成光刻胶图形，并再次烘焙；(5)以光刻胶层的剩余部分为掩模，采用反应离子刻蚀(RIE，Reactive Ion Etching)工艺去除腐蚀窗口的顶层Si。反应离子刻蚀是指利用能与被刻蚀材料起化学反 应的气体，通过辉光放电使之形成低温等离子体，对晶片表面未被掩蔽部分进行腐蚀。它利 用活性离子对衬底的物理轰击与化学反应的双重作用进行刻蚀，具有良好的形貌控制能力 (各向异性)；较高的选择比和较快的刻蚀速率。正是它的这些优越性使得它成为目前应用 范围最为广泛的干法刻蚀。反应离子刻蚀工艺包括六个步骤1)刻蚀物质的产生射频电 源施加在一个充满刻蚀气体的反应腔上，通过等离子体辉光放电产生电子、离子、活性反应 基团；2)刻蚀物质向硅片表面扩散；3)刻蚀物质吸附在硅片表面上；4)在离子轰击下刻蚀 物质和硅片表面被刻蚀材料发生反应；5)刻蚀反应副产物在离子轰击下解吸附离开硅片 表面；6)挥发性刻蚀副产物和其它未参加反应的物质被真空泵抽出反应腔。整个过程中有 诸多的参数影响刻蚀工艺，其中最重要的是压力、气体比率、气体流速、射频电源。另外硅 片的位置和刻蚀设备的结构也会对刻蚀工艺。在这一步中，需要严格控制刻蚀条件，避免侧 向钻蚀；(6)去除光刻胶层的剩余部分，得到图形转移之后的二维MRR结构；(7)利用 MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition)技术在 MRR 的相 应部位生长用于热调制的金属电极。经过上面这些步骤，精确控制工艺过程，就可以得到预先设计的MRR及其调制结 构。图2所示为MRR的热调制机构，加电后金属电极发热，热场传导至波导，使波导的 温度发生变化，环形波导的折射率Ng发生变化，MRR的谐振波长λ随之变化。图4和图5所示即为一维及二维排布的MRR组成的向量-向量、向量-矩阵异或/同或运算单元，它也采用SOI材料制造，工艺过程与上面介绍的单个MRR的制造工艺一样， 只是其中的每个MRR都拥有自己的谐振波长，这可通过不同的波导尺寸(包括MRR中环形 波导的半径及截面尺寸、直波导与环形波导的间距)来实现。上面介绍了用于实现异或/同或运算的MRR器件制造过程，下面通过举例介绍利用这些器件实现异或与同或逻辑运算的具体过程。首先是两个逻辑变量的异或/同或运算。假设需要计算X = 1与Y = 0的异或/ 同或运算结果。参照图3，输入方式采用模式1。χ = 1，故在MRR的端口 1输入一个波长为 λ的激光脉冲(激光脉冲通过锥形光纤耦合进波导中)；1-x = 0，故端口 2不输入激光信 号；y = 0，故加热电极，将MRR调谐为不在λ处谐振。这样，端口 1输入的光会到达端口 3， 此处连接的探测器会接收到一个激光脉冲，得到异或运算结果1，而端口 4则没有光到达， 得到同或运算结果0。如果输入方式采用模式2，则会在端口 3得到同或结果0，在端口 4得到异或结果
Io然后是两个向量的异或/同或运算。假设需要计算X= [1,0]与Y= [1,1]的异 或/同或运算结果。参照图4，输入方式采用模式1。X1 = 1，在MRR1的端口 1输入一个波 长为λ工的激光脉冲；I-X1 = 0，所以MRR2的端口 2不输入波长为λ工的激光信号；x2 = 0， 在MRR2的端口 1不输入波长为λ 2的激光脉冲；I-X2 = 1，所以MRR2的端口 2输入一个波 长为λ 2的激光信号；由于yi = y2 = 1，所以MRR1和MRR2分别被调谐为在λ工和λ 2处谐 振。这样，MRR1的端口 1输入的波长为λ工的激光脉冲会到达端口 4，此处连接的探测器会 接收到一个激光脉冲，得到两向量同或运算结果向量[1，0]的元素和1。MRR1的端口 3将没 有光信号到达，MRR2的端口 2输入的波长为λ 2的激光脉冲会到达MRR2的端口 3，所以MRR1 和MRR2的端口 3得到的是[1，0]与[1，1]的异或运算的结果向量W，l]。如果输入方式采用模式2，则会在MRR1的端口 4得到两向量异或运算结果向量W， 1]的元素和1，在MRR1*MRR2的端口 3得到的是[1，0]与[1，1]的同或运算的结果向量 [1，0]。最后是向量与矩阵异或/同或运算。假设需要计算的是X= [1，0，0，1]与Y= [1， 1,0,0 ；1,0,0,0 ；0,1,1,0 ；0,0,0,1]的异或/同或运算结果。参照图5，输入方式采用模式 1。X= [1，0，0，1]，故在标记为R11和R14的两个MRR的端口 I(Ijni4)分别输入一个含有 λ ρ λ 2、λ 3、λ 4四个波长的激光脉冲，I2和I3不输入信号。根据矩阵Y的每一行的数值来 确定二维MRR中各个MRR的谐振状态——第一行中的R11和R12被分别调谐为在入工和λ2 处谐振；第二行中的R21被调谐为在λ 2处谐振；第三行中的R32和R33被分别调谐为在λ 4 和λ工处谐振；第四行中的R44被调谐为在λ工处谐振。I处输入一个含有λ 2、λ 3两个波长 的激光脉冲；了2处输入一个含有λ ρ λ 4两个波长的激光脉冲；处输入一个含有λ 4、λ工两 个波长的激光脉冲；了4处输入一个含有λ3、λ 2两个波长的激光脉冲。O1至O4的输出结果为[2，3，0，3]，这是向量X = [1,0,0,1]与矩阵Y = [1,1,0, 0 ；1,0,0,0 ；0,1,1,0 ；0,0,0,1]的四个行向量进行同或之后，4个结果向量的自身元素和。5,至54的输出结果为[2，2，1，3]，这是向量X = [1,0,0,1]与矩阵Y = [1,1,0,0 ； 1,0,0,0 ；0,1,1,0 ；0,0,0,1]的四个行向量进行异或之后，4个结果向量的和向量。如果输入方式采用模式2，仍以 X= [1,0,0,1]与 Y= [1,1,0,0 ；1,0,0,0 ；0,1,1,0；0,0,0,1]的异或/同或运算为例。、至^的输入不变，I；至了4的输入也不变。MRR的谐振 状态为第一行中的r13和R14被分别调谐为在入3和入4处谐振；第二行中的R22、R23和R24 被调谐为在、、入4和入3处谐振；第三行中的R31和R34被分别调谐为在入3和入2处谐振； 第四行中的r41、R42和R43被调谐为在X 4、X 3和X 2处谐振。(^至^的输出结果为[2，1，4，1]，这是向量父=[1,0,0,1]与矩阵Y= [1,1,0, 0 ；1,0,0,0 ；0,1,1,0 ；0,0,0,1]的四个行向量进行异或之后，4个结果向量的自身元素和。&至54的输出结果为[2，2，3，1]，这是向量X= [1,0,0,1]与矩阵Y= [1,1,0,0 ； 1,0,0,0 ；0,1,1,0 ；0,0,0,1]的四个行向量进行同或之后，4个结果向量的和向量。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种硅基集成化光学异或及同或运算单元，其特征在于，该光学异或及同或运算单元由单个纳米线微环谐振器MRR实现，一次光的传播与收集即可同时得到两个逻辑变量的异或及同或运算结果。
2.根据权利要求1所述的硅基集成化光学异或及同或运算单元，其特征在于，该光学 异或及同或运算单元采用绝缘体上硅材料制备，基本单元为带热调制机构的纳米线微环谐 振器。
3.根据权利要求2所述的硅基集成化光学异或及同或运算单元，其特征在于，所述纳 米线微环谐振器是直波导相互交叉的微环谐振器，由两个相互交叉的直波导和一个环形波 导构成，该环形波导的外边缘同时与相互交叉的两个直波导相切。
4.根据权利要求1所述的硅基集成化光学异或及同或运算单元，其特征在于，该光学 异或及同或运算单元实现两个逻辑变量的异或及同或运算的过程是一个逻辑变量决定 MRR的两个直波导输入端口的激光脉冲输入，另一个逻辑变量决定环形波导的谐振状态，一 次光的传播与收集过程即可同时得到二逻辑变量的异或及同或运算结果。
5.根据权利要求4所述的硅基集成化光学异或及同或运算单元，其特征在于，在两个 逻辑变量给定的情况下，输入方式一共有四种，在其中两种输入情形下会在一个端口得到 异或运算结果，在另一个端口得到同或结果；而在另外两种输入情形下会在上述得到异或 结果的端口得到同或结果，在上述得到同或结果的端口得到异或结果。
6.一种硅基集成化光学异或及同或运算阵列，其特征在于，该光学异或及同或运算阵 列由多个光学异或及同或运算单元构成，由该光学异或及同或运算单元组成的一维阵列可 同时得到两个向量的异或及同或运算结果，其二维阵列可同时得到向量与矩阵的异或及同 或运算结果。
7.根据权利要求6所述的硅基集成化光学异或及同或运算阵列，其特征在于，该光学 异或及同或运算阵列采用绝缘体上硅材料制备，基本单元为带热调制机构的纳米线微环谐 振器，其一维阵列为1XN排布的带热调制机构的MRR，其二维阵列为NXN排布的带热调制 机构的MRR。
8.根据权利要求6所述的硅基集成化光学异或及同或运算阵列，其特征在于，两个 1XN逻辑向量的异或及同或运算的实现过程是一个向量的元素决定了一维MRR阵列中 相应单元的直波导端口的输入，另一个向量的元素决定了一维MRR阵列中相应单元的环形 波导的谐振状态，一次光的传播与收集过程即可同时得到二逻辑向量的异或及同或运算结^ o
9.根据权利要求8所述的硅基集成化光学异或及同或运算阵列，其特征在于，在两个 1 XN逻辑向量给定的情况下，输入方式一共有四种，在其中两种输入情形下会在N个端口 得到异或运算结果向量的N个元素，在另一个端口得到同或运算结果向量的元素和；而在 另外两种输入情形下会在上述得到异或结果向量元素的N个端口得到同或结果向量的N个 元素，在上述得到同或运算结果向量元素和的端口得到异或结果向量的元素和。
10.根据权利要求6所述的硅基集成化光学异或及同或运算阵列，其特征在于，1XN逻 辑向量与NXN逻辑矩阵的异或及同或实现过程是向量的元素决定了二维MRR阵列中相 应单元的直波导端口的输入，矩阵的元素决定了二维MRR阵列中相应单元的环形波导的谐 振状态，一次光的传播与收集过程即可同时得到逻辑向量与逻辑矩阵的异或及同或运算结果。
11.根据权利要求10所述的硅基集成化光学异或及同或运算阵列，其特征在于，在 1 XN逻辑向量与NXN逻辑矩阵给定的情况下，输入方式一共有四种，在其中两种输入情形 下会在N个输出端口得到向量与矩阵的N个行向量进行异或运算所得N个结果向量的和向 量的N个元素，在另外N个输出端口得到向量与矩阵的N个行向量进行同或运算所得N个 结果向量的自身元素和；而在另外两种输入情形下会在上述得到异或结果的N个端口得到 同或结果向量的和向量的N个元素，在上述得到同或运算结果向量元素和的端口得到N个 异或结果向量的自身元素和。
12.根据权利要求6所述的硅基集成化光学异或及同或运算阵列，其特征在于，该光学 异或及同或运算阵列作为运算器，与外围集成的寄存器、控制器一起，构成协处理器或通用 微处理器。
全文摘要
本发明公开了一种硅基集成化光学异或及同或运算单元及其阵列，基本结构为微环谐振器，采用硅基纳米线波导制作。该逻辑运算单元用激光脉冲表示一个逻辑变量，用电调制信号表示另一个逻辑变量，同时完成二者的异或及同或运算。由该逻辑运算单元组成的阵列则可以完成向量与向量的异或/同或运算，以及向量与矩阵的异或/同或运算。本发明的突出优点是利用现成的工艺技术，使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成；利用激光脉冲传递信息，速率高，延迟小；用数字方式进行信号处理，避免了模拟光学系统的精度差、可编程能力弱的缺点。经过结构及工艺优化，本发明对异或及同或运算的处理速度将可能超越集成电路处理方式的速度，为更高速的应用提供支持。
文档编号G02F1/35GK101872101SQ20091008208
公开日2010年10月27日 申请日期2009年4月22日 优先权日2009年4月22日
发明者冀瑞强, 刘育梁, 张磊, 杨林, 耿敏明, 贾连希, 陈平 申请人:中国科学院半导体研究所