一种全光逻辑门的制作方法

本申请涉及集成电路技术领域，特别涉及一种全光逻辑门。

背景技术：

在数字电路中，逻辑门是数字电路中最基本的组成结构，有了各种逻辑门便可以实现各种复杂的计算。一般来说，逻辑门包括与门、或门、非门、与非门、或非门等多种。

传统中的逻辑门都是以电计算来实现的，传递的是电信号。但是随着半导体工艺水平的提高，集成电路朝着集成度高、功耗低以及速度快等方向发展，目前为止，集成电路依然遵循着摩尔定律的规律。但是，无论集成电路如何发展，电计算的速度不可能无限发展下去，并且目前电计算的带宽依然无法满足一些领域的要求，集成电路的集成度也会在不久的将来达到极限。因此，需要提供一种新的计算方式，来支持计算速度和带宽的进一步提高。

由于光在速度和宽度上都有优势，因此，光计算可以替代电计算以适应时代的需要。

目前某些学者提出了用光学导向逻辑制作逻辑门，但其大部分方案都不全是由光信号来实现的，实质上是电信号输入，光信号输出的形式。这种结构在逻辑门的级联时，需要在中间插入一级光电转换，使得上一级输出的光信号转换为电信号，作为下一级的输入。这样结构上比较复杂，并且也不是全部由光信号来实现。

因此，本领域技术人员需要提供一种光逻辑门来代替现有技术中的电逻辑门来提高计算的速度和带宽。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种全光逻辑门，以提高计算的速度和带宽。

第一方面，提供一种全光逻辑门，该全光逻辑门为与非门，包括四个输入光源、三个分束器、五个合束器和一个光控光开关；所述光控光开关为高有效；

所述四个输入光源分别为第一变量A、第二变量B、光强与逻辑1对应光强相等的第一光信号和光强与逻辑1对应光强的1/2相等的第二光信号；所述第一光信号和第二光信号的初始相位相同；所述四个输入光源的波长均相等；

所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述A输入第一分束器的输入端，所述第一分束器的第一输出端连接所述第一合束器的第一输入端；第一分束器的第一输出端和第一合束器的第一输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述第一光信号输入第二分束器的输入端，所述第二分束器的第一输出端连接所述第一合束器的第二输入端，第二分束器的第一输出端和第一合束器的第二输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述第二分束器的第二输出端连接第二合束器的第一输入端，第二分束器的第二输出端和第二合束器的第一输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述B输入第三分束器的输入端，所述第三分束器的第一输出端连接所述第二合束器的第二输入端，第三分束器的第一输出端和第二合束器的第二输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述第三分束器的第二输出端连接第三合束器的第一输入端，第三分束器的第二输出端和第三合束器的第一输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述第一分束器的第二输出端连接第三合束器的第二输入端，第一分束器的第二输出端和第三合束器的第二输入端的距离为所述输入光源1/2波长的奇数倍；

所述第一合束器的输出端和第二合束器的输出端分别连接第四合束器的两个输入端，第一合束器的输出端和第四合束器的输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；第二合束器的输出端和第四合束器的输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述第三合束器的输出端连接所述光控光开关的控制端，所述光控光开关的输入端连接所述第二光信号，所述第四合束器的输出端和所述光控光开关的输出端连接第五合束器的两个输入端，第四合束器的输出端和第五合束器的输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；所述光控光开关的输出端和第五合束器的输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；第五合束器的输出端作为该与非门的输出端。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，所述输入光源为单波长单模激光器发出的光束。

第二方面，提供一种全光逻辑门，该全光逻辑门为或门，包括：两个输入光源，一个合束器和一个光控光开关；

所述光控光开关为低有效；

所述两个输入光源分别为第一变量A和第二变量B；所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述光控光开关的输入端连接所述A；所述光控光开关的输出端连接所述合束器的第一输入端；

所述光控光开关的控制端连接所述B；

所述合束器的第二输入端连接所述B；

所述合束器的输出端作为该或门的输出端。

第三方面，提供一种全光逻辑门，该全光逻辑门为或非门，包括：三个输入光源、一个合束器和一个光控光开关；

所述光控光开关为低有效；

所述三个输入光源分别为第一变量A、第二变量B和光强与逻辑1对应光强相等的第一光信号；

所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述合束器的第一输入端连接所述A，所述合束器的第二输入端连接所述第一光信号；所述A和所述第一光信号的初始相位相反；

所述合束器的输出端连接所述光控光开关的输入端；

所述光控光开关的控制端连接所述B；

所述光控光开关的输出端作为该或非门的输出端。

第三方面，提供一种全光逻辑门，该全光逻辑门为同或门，包括：三个输入光源、一个合束器和一个光控光开关；

所述光控光开关为低有效；

所述三个光源分别为第一变量A、第二变量B和光强与逻辑1对应光强相等的第一光信号；

所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述A和B的初始相位相反；

所述合束器的两个输入端分别连接A和B；

所述合束器的输出端连接所述光控光开关的控制端；

所述光控光开关的输出端作为该同或门的输出端。

第四方面，提供一种全光逻辑门，该全光逻辑门为同或门，包括：四个输入光源、两个合束器和一个光控光开关；

所述光控光开关为高有效；

所述四个输入光源分别为第一变量A、第二变量B、光强与逻辑1对应光强相等的第一光信号和第二光信号；

所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述A和B的初始相位相同，所述第一光信号的初始相位和A的初始相位相反；

所述第一光信号和A分别连接第一合束器的两个输入端；

第一合束器的输出端连接第二合束器的第一输入端，所述B连接第二合束器的第二输入端；

所述第二合束器的输出端连接所述光控光开关的控制端；

所述光控光开关的输入端连接所述第二光信号，所述光控光开关的输出端作为该同或门的输出端。

第五方面，提供一种全光逻辑门，该全光逻辑门为与门，包括：两个输入光源和一个光控光开关；

所述光控光开关为高有效；

所述两个输入光源分别为：第一变量A和第二变量B；

所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述A连接所述光控光开关的输入端；

所述B连接所述光控光开关的控制端；

所述光控光开关的输出端作为该与门的输出端。

第六方面，提供一种全光逻辑门，该全光逻辑门为非门，包括：两个输入光源和一个光控光开关；

所述光控光开关为低有效；

所述两个输入光源一个为第一变量A，另一个为光强与逻辑1对应光强相等的第一光信号；

所述A有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述A连接所述光控光开关的控制端；

所述第一光信号连接所述光控光开关的输入端；

所述光控光开关的输出端为该非门的输出端。

由上述实施例可以看出，与现有技术相比，本申请具有如下优点：

利用光的合束器、分束器、光控光开关以及光的可叠加性、光的干涉原理来实现逻辑运算，并且利用调节光波导的长度(即距离)来调节光波的相位，从而满足计算的要求，提供了多种全光逻辑门，这些全光逻辑门可以有利于硅基集成，并且实现简单。本申请提供的全光逻辑门包括：与非门、或门、或非门、同或门、与门、非门；光逻辑门在功耗、速度和面积上比电逻辑门均有优势，并且应用这些全光逻辑门可以直接搭建各种计算功能模块，例如小的有加法器，大的有CPU等。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的分束器示意图；

图2是本申请提供的合束器的示意图；

图3a是本申请提供的一种光控光开关的示意图；

图3b是本申请提供的另一种光控光开关的示意图；

图4是本申请提供的全光逻辑门为与非门时的示意图

图5a是图4中当A为0，B为0的对应图；

图5b是图4中当A为0，B为1的对应图；

图5c是图4中当A为1，B为0的对应图；

图5d是图4中当A为1，B为1的对应图；

图6是本申请提供的全光逻辑门为或门时的示意图；

图7是本申请提供的全光逻辑门为或非门的示意图；

图8a是本申请提供的全光逻辑门为同或门时一实施例示意图；

图8b是本申请提供的全光逻辑门为同或门的另一实施例示意图；

图9是本申请提供的全光逻辑门为与门时的示意图；

图10是本申请提供的全光逻辑门为非门时的示意图；

图11是本申请提供的光控光开关的示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能够更好地理解和实施本发明的技术方案，下面首先介绍本领域的几个基本概念。

参见图1，该图为分束器示意图。

分束器的输入端的光信号为A，则输出端分为两个光信号，分别为A1和A2，A1和A2的光强分别是A的1/2，A1和A2的相位与A相同。

参见图2，该图为合束器示意图。

顾名思义，合束器与图1所示的分束器是作用正好相反的器件，两个输入的光信号分别为B1和B2，则输出端的信号合成为一个信号B，B为B1和B2两个光信号相干叠加。

参见图3a和3b，该图为光控光开关示意图。

光控光开关是光路传输中的控制开关器件，包括三个端，分别为输入端，输出端和控制端，当控制端的信号为有效信号时，输入端的光信号传送到输出端输出；当控制端的信号为无效信号时，输入端的光信号不会被传送到输出端。

光控光开关的控制端分为高有效和低有效，图3a所示的是高有效，即控制端的信号为1时，输入端的光信号被输出到输出端，反之地有效，指的是控制端的信号是0时，输入端的光信号被输出到输出端，这种如图3b所示。

下面介绍本发明所应用的原理。

第一：利用单波长单模激光器发出的光束，有光强表示信号1，无光强表示信号0。

第二：假设输入的光信号的初始相位用箭头向上↑表示，由于光的波动传输特性，输入的光信号的相位在前进方向上以波长为周期变化，当前进的距离为一个波长的整数倍时，相位保持不变，当前进的距离为半个波长的奇数倍时，相位变为相反，用箭头向下↓表示。此处的相反指的是与初始相位相差180度，可以理解的是也可以是相差180度的奇数倍。

第三：如果两束光的振幅相同，且相位相反，由于其波动性干涉相消，叠加后的光强为0；如果两束光的振幅相同，当两束光的距离相差是波长的整数倍时，则出现相干增强，振幅为单束光强的2倍。

本申请实施例中利用光的合束器、分束器、光控光开关以及光的可叠加性、光的干涉原理来实现逻辑运算，并且利用调节光波导的长度(即距离)来调节光波的相位，从而满足计算的要求，提供了多种全光逻辑门，这些全光逻辑门可以有利于硅基集成，并且实现简单。在功耗、速度和面积上比电逻辑门均有优势，并且应用这些全光逻辑门可以直接搭建各种计算功能模块，例如小的有加法器，大的有CPU等。

下面结合附图及实施例，对本申请实施例进行详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

下面结合附图逐一对本申请实施例提供的各种全光逻辑门进行介绍。需要说明的是，以下实施例中的各个光逻辑门的输入光源均是单波长单模激光器发出的光束。

与非门实施例一：

参见图4，该图为本申请提供的全光逻辑门为与非门时的示意图。

本实施例提供的全光逻辑门为与非门，包括四个输入光源、三个分束器、五个合束器和一个光控光开关；所述光控光开关为高有效；

所述四个输入光源分别为第一变量A、第二变量B、光强与逻辑1对应光强相等的第一光信号和光强与逻辑1对应光强的1/2相等的第二光信号；所述第一光信号和第二光信号的初始相位相同；所述四个输入光源的波长均相等；

如图所示，第一光信号用1↓来表示，第二光信号用1/2↓来表示；第一光信号和第二光信号的箭头均向下表示相同的初始相位。

所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

需要说明的是，光强I可以根据具体需要来设置具体的强度，在本申请的各个实施例中不做具体限定。

所述A输入第一分束器的输入端，所述第一分束器的第一输出端连接所述第一合束器的第一输入端；第一分束器的第一输出端和第一合束器的第一输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

需要说明的是，当光波导的距离为所述输入光源波长的整数倍时，不会改变光源的相位，即相位保持不变。

所述第一光信号输入第二分束器的输入端，所述第二分束器的第一输出端连接所述第一合束器的第二输入端，第二分束器的第一输出端和第一合束器的第二输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述第二分束器的第二输出端连接第二合束器的第一输入端，第二分束器的第二输出端和第二合束器的第一输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述B输入第三分束器的输入端，所述第三分束器的第一输出端连接所述第二合束器的第二输入端，第三分束器的第一输出端和第二合束器的第二输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述第三分束器的第二输出端连接第三合束器的第一输入端，第三分束器的第二输出端和第三合束器的第一输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述第一分束器的第二输出端连接第三合束器的第二输入端，第一分束器的第二输出端和第三合束器的第二输入端的距离为所述输入光源1/2波长的奇数倍；

当光波导的距离为所述输入光源1/2波长的奇数倍时，将改变相位，相位变成完全相反，即相差180度。

所述第一合束器的输出端和第二合束器的输出端分别连接第四合束器的两个输入端，第一合束器的输出端和第四合束器的输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；第二合束器的输出端和第四合束器的输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；

所述第三合束器的输出端连接所述光控光开关的控制端，所述光控光开关的输入端连接所述第二光信号，所述第四合束器的输出端和所述光控光开关的输出端连接第五合束器的两个输入端，第四合束器的输出端和第五合束器的输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；所述光控光开关的输出端和第五合束器的输入端的距离为所述输入光源波长的整数倍；第五合束器的输出端作为该与非门的输出端。

下面结合真值表1来分析图4的工作原理。

表1

参见图5a，该图为图4中当A为0，B为0的对应图。

从图5a中可以看出，当A对应的逻辑为0，B对应的逻辑也为0时，光的路径在第一合束器、第二分束器、第四合束器和第五合束器上，最终输出结果的逻辑为1。

参见图5b，该图为图4中当A为0，B为1的对应图。

从图5b中可以看出，当A对应的逻辑为0，B对应的逻辑为1时，光的路径在第一合束器、第二分束器、第二合束器、第三分束器、第三合束器、第四合束器、光控光开关和第五合束器上，最终输出结果为逻辑1。

参见图5c，该图为图4中当A为1，B为0的对应图。

从图5c中可以看出，当A对应的逻辑为1，B对应的逻辑为0时，光的路径除了不在第三分束器上传播外，其他器件上均有传播，最终输出的结果为逻辑1。

参见图5d，该图为图4中当A为1，B为1的对应图。

从图5d中可以看出，当A对应的逻辑为1，B对应的逻辑为1时，光的路径在第一分束器、第一合束器、第二分束器、第二合束器、第三分束器、第三合束器上，最终输出的结果为逻辑0。

以上实施例是本申请提供的与非门实施例，从以上分析可知，本申请中的与非门全部是由光信号来实现的，这样可以完成目前电系统中的与非门的功能。

或门实施例一：

参见图6，该图为本申请提供的全光逻辑门为或门时的示意图。

本实施例提供的全光逻辑门为或门；包括：两个输入光源，一个合束器和一个光控光开关；

所述光控光开关为低有效；即光控光开关的控制端为0时，光控光开关的输入信号被输出到输出端；

所述两个输入光源分别为第一变量A和第二变量B；所述第一变量A和第二变量B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；第一变量A和第二变量B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述光控光开关的输入端连接所述A；所述光控光开关的输出端连接所述合束器的第一输入端；

所述光控光开关的控制端连接所述B；

所述合束器的第二输入端连接所述B；

所述合束器的输出端作为该或门的输出端。

参见表2，表2为或门的真值表。

表2

在图6中并没有标明相位的信息，没有任何箭头，这样是说明对所有相位都可以实现或门的功能。

下面结合图6分析一种，例如A为0，B为1时，由于光控光开关为低有效，因此B为1时，该光控光开关不会导通，即光控光开关的输出端没有信号，B为1输入到合束器的一个输入端，合束器的输出端输出为1，从而实现了或门的功能。

或非门实施例一：

参见图7，该图为本申请提供的全光逻辑门为或非门的示意图。

本实施例提供的全光逻辑门为或非门，包括：三个输入光源、一个合束器和一个光控光开关；

所述光控光开关为低有效；

所述三个输入光源分别为第一变量A、第二变量B和光强与逻辑1对应光强相等的第一光信号；

所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述合束器的第一输入端连接所述A，所述合束器的第二输入端连接所述第一光信号；所述A和所述第一光信号的初始相位相反；

所述合束器的输出端连接所述光控光开关的输入端；

所述光控光开关的控制端连接所述B；

所述光控光开关的输出端作为该或非门的输出端。

参见表3，表3为或非门的真值表。

表3

下面以A为1，B为0为例来说明图7所示的或非门的工作原理。

由于合束器的一个输入信号A为1，另一个输入信号也为1，并且两个输入信号的相位相反，这样互相抵消，合束器输出的信号为0。当B为0时，光控光开关导通，光控光开关的输入信号0被输出到输出端，因此最终输出的结果为逻辑0。

同或门实施例一：

参见图8a，该图为本申请提供的全光逻辑门为同或门时一实施例示意图。

本实施例提供的全光逻辑门为同或门，包括：三个输入光源、一个合束器和一个光控光开关；

所述光控光开关为低有效；

所述三个光源分别为第一变量A、第二变量B和光强与逻辑1对应光强相等的第一光信号；

所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述A和B的初始相位相反；

所述合束器的两个输入端分别连接A和B；

所述合束器的输出端连接所述光控光开关的控制端；

所述光控光开关的输出端作为该同或门的输出端。

参见表4，表4为同或门的真值表。

表4

下面以A为1，B为0为例介绍图8a所示的同或门的工作原理。

合束器的一个输入信号为A，另一个输入信号为B，由于B为0，所以合束器的输出信号为A，由于A为1，而光控光开关为低有效，因此，光控光开关不导通，最终的输出结果为逻辑0。图8a中对A和B的相位是有要求的，要求这两个输入变量的初始相位相反。

同或门实施例二：

下面介绍本申请提供了另一种全光逻辑门实现的同或门。

参见图8b，该图为本申请提供的全光逻辑门为同或门的另一实施例示意图。

本实施例提供的全光逻辑门为同或门，包括：四个输入光源、两个合束器和一个光控光开关；

所述光控光开关为高有效；

所述四个输入光源分别为第一变量A、第二变量B、光强与逻辑1对应光强相等的第一光信号和第二光信号；

所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述A和B的初始相位相同，所述第一光信号的初始相位和A的初始相位相反；

所述第一光信号和A分别连接第一合束器的两个输入端；

第一合束器的输出端连接第二合束器的第一输入端，所述B连接第二合束器的第二输入端；

所述第二合束器的输出端连接所述光控光开关的控制端；

所述光控光开关的输入端连接所述第二光信号，所述光控光开关的输出端作为该同或门的输出端。

真值表同样参见表4，下面以A为1，B为0说明图8b所示的同或门的工作原理。由于A为1，所以第一合束器的两个输入端为1↑和1↓，这样两个输入信号互相抵消，第一合束器的输出为0，即第二合束器的一个输入为0，另一个输入信号B为0，这样第二合束器的输出为0，由于光控光开关为高有效，因此，最终的输出结果为逻辑0，与真值表的结果相符合。

与门实施例一：

参见图9，该图为本申请提供的全光逻辑门为与门时的示意图。

本实施例提供的全光逻辑门为与门，包括：两个输入光源和一个光控光开关；

所述光控光开关为高有效；

所述两个输入光源分别为：第一变量A和第二变量B；

所述A和B有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A和B无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述A连接所述光控光开关的输入端；

所述B连接所述光控光开关的控制端；

所述光控光开关的输出端作为该与门的输出端。

本实施例提供的与门很简单，只需要利用一个光控光开关就可以实现，并且对于A和B也没有相位的要求。

参见表5，表5为与门的真值表。

表5

下面结合图9以A为1，B为1为例介绍本申请提供的与门的工作原理。由于该光控光开关为高有效，因此，B为1时，该光控光开关导通，即A被输出到输出端，因此输出为1，与真值表一致。

非门实施例一：

参见图10，该图为本申请提供的全光逻辑门为非门时的示意图。

本实施例提供的全光逻辑门为非门，包括：两个输入光源和一个光控光开关；

所述光控光开关为低有效；

所述两个输入光源一个为第一变量A，另一个为光强与逻辑1对应光强相等的第一光信号；

所述A有光强时，对应的光强为I，I对应逻辑1；所述A无光强时，对应的光强为0，对应逻辑0；

所述A连接所述光控光开关的控制端；

所述第一光信号连接所述光控光开关的输入端；

所述光控光开关的输出端为该非门的输出端。

本实施例提供的非门仅用一个光控光开关就可以实现，并且对A和1和没有相位的要求。

参见表6，表6为本申请提供的非门的真值表。

表6

下面结合图10以A为1为例来介绍，由于该实施例中光控光开关是低有效，因此，当A是1时，该光控光开关不导通，因此输出为0，实现了非门的功能，与真值表一致。

以上实施例中提供的各种逻辑门均是全部由光逻辑门来实现的，由于光信号比电信号在计算速度和带宽上均有优势，并且，在功耗低、面积小，由以上实施例提供的基本逻辑门可以实现数字电路中的各种计算功能。

以上实施例中均是介绍本申请实施例提供的光逻辑门，下面介绍光逻辑门中应用的光控光开关的一种实现方式。

参见图11，该图为本申请提供的光控光开关的示意图。

光控光开关400的作用就是控制光路的通断，光控光开关400的控制端与光控制信号的相位无关。

光控光开关400的输入端一般由两束光组成，其中一束用于改变微腔的谐振条件，称为抽运光1000；另一束光载有信号，称为探测光2000。

光控光开关400的输出光为5000。

光控光开关400的工作原理与电光开关类似，但是不同的是，光控光开关400中的载流子的注入方式主要依赖于抽运光照射硅波导时产生光生载流子。载流子浓度变化所导致的材料折射率以及吸收系数变化最终反映为微腔谐振条件变化，从而对特定波长的光实现开关。

以上对本发明所提供的一种全光逻辑门进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。