本发明涉及一种硅基光逻辑与/与非门，尤其是涉及一种硅基电光逻辑与/与非门。
背景技术：
随着现代信息量的迅猛增长，人们对处理器信息处理能力要求越来越高，因此现有的处理器大都采用并行的多核结构。而如何在核与核以及核与外部的存储单元之间实现高效的数据交换与处理成为了亟待解决的问题。虽然速度、功耗以及带宽局限了电互连在现代高性能信息传输和处理系统中的应用，形成所谓的“电子瓶颈”。但是光是理想的信息载体，具有高速、大容量及并行的内在特性，作为目前的优势技术，硅基光子学可为解决这一问题提供了有效的途径。
光逻辑器件在光交换、光计算以及光互连中扮演着重要角色，近年来受到了越来越多的关注。光逻辑与/与非门是基本的光逻辑器件。现有的硅基光逻辑与/与非门，根据处理光信息的方式不同，可分为硅基全光逻辑与/与非门、硅基热光逻辑与/与非门和硅基电光逻辑与/与非门。硅基全光逻辑与/与非门通过利用泵浦光来控制信号光的输出，其工作原理主要是直接或间接地利用波导的非线性效应，譬如硅材料中的双光子吸收效应。虽然硅基全光逻辑与/与非门可以快速的运行，但是通过非线性效应实现逻辑功能时需要大脉冲使其不便于大规模集成。硅基热光逻辑与/与非门是利用硅材料中的热光效应实现电信号控制信号光，没有伴随的附加损耗，便于大规模集成，但是其速度比较慢，处于毫秒量级，远不能满足高速光交换、光计算和光互连的要求。硅基电光逻辑与/与非门利用硅材料具有较强的载流子色散效应来弥补硅基热光逻辑与/与非门速度慢的缺陷。载流子色散效应是硅材料中间接的电光效应，利用外加电压引起载流子浓度发生变化从而改变吸收系数和有效折射率。微环谐振腔具有灵活、紧凑以及低功耗等优势，所以被认为是构建硅基电光逻辑与/与非门的理想基本光学结构单元。但是，采用微环谐振腔结构的硅基电光逻辑与/与非门，由于环与环之间的耦合以及不同波长调谐转换时，容易出现毛刺而导致消光比较低，而且受其客观结构限制带宽较窄，制作容差较小。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高消光比、高速、大带宽和大制作容差的硅基电光逻辑与/与非门。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种硅基电光逻辑与/与非门，包括两个结构相同的2×2MZI型电光开关和一个2×1MMI耦合器，所述的2×2MZI型电光开关具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述的2×1MMI耦合器具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述的两个结构相同的2×2MZI型电光开关分别为第一2×2MZI型电光开关和第二2×2MZI型电光开关；所述的第一2×2MZI型电光开关的第一输出端和所述的第二2×2MZI型电光开关的第一输入端连接，所述的第二2×2MZI型电光开关的第一输出端为与逻辑输出端，所述的第二2×2MZI型电光开关的第二输出端和所述的2×1MMI耦合器的第一输入端连接，所述的第一2×2MZI型电光开关的第二输出端和所述的2×1MMI耦合器的第二输入端连接，所述的2×1MMI耦合器的输出端为与非逻辑输出端。
所述的2×2MZI型电光开关包括两个结构相同的相移臂和两个结构相同的2×2MMI耦合器，所述的2×2MMI耦合器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述的两个结构相同的2×2MMI耦合器分别为第一2×2MMI耦合器和第二2×2MMI耦合器，所述的两个结构相同的相移臂分别为第一相移臂和第二相移臂；所述的第一2×2MMI耦合器的第一输入端为所述的2×2MZI的第一输入端，所述的第一2×2MMI耦合器的第二输入端为所述的2×2MZI型电光开关的第二输入端，所述的第一2×2MMI耦合器的第一输出端通过所述的第一相移臂和所述的第二2×2MMI耦合器的第一输入端连接，所述的第一2×2MMI耦合器的第二输出端通过所述的第二相移臂和所述的第二2×2MMI耦合器的第二输入端连接，所述的第二2×2MMI耦合器的第一输出端为所述的2×2MZI型电光开关的第一输出端，所述的第二2×2MMI耦合器的第二输出端为所述的2×2MZI型电光开关的第二输出端。该结构通过两个结构相同的基于干涉效应的MZI型电光开关和一个基于自镜像效应的2×1MMI耦合器组合，并利用基于自镜像效应的2×2MMI耦合器作为MZI型电光开关的分束和合束功能单元，可以进一步拓展带宽速度和提高消光比，且具有较大制作容差。
所述的相移臂为矩形波导，所述的矩形波导包括波导主体和衬底，所述的波导主体包括芯层和包覆在所述的芯层外侧的包层，所述的衬底固定在所述的包层的底部，所述的包层的材料为纯二氧化硅，所述的芯层包括从上到下依次连接的上层、中间层和下层，所述的上层和所述的下层的厚度相等且其材料均为硅，所述的中间层由三片厚度相同的石墨烯片和四片厚度相同的电介质片组成，每相邻两片所述的电介质片之间插入一片所述的石墨烯片。该结构中通过材料为硅的上层、中间层和材料为硅的下层来构成芯层，中间层由三片厚度相同的石墨烯片和四片厚度相同的电介质片组成，石墨烯片和电介质片与硅(上层和下层)结合在一起，在施加外部电压时，引起石墨烯片中石墨烯的化学势发生变化，从而改变等效折射率，降低了插入损耗，进一步提高消光比和速度，增大带宽和制作容差。
所述的上层和所述的下层的厚度均为170nm；所述的石墨烯片的厚度为0.34nm；所述的电介质片的材料为二氧化铪，所述的电介质片的厚度为5nm。该结构在维持高消光比、高速、大带宽和大制作容差优势的同时进一步降低功耗、缩短器件长度，便于未来的大规模集成。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过两个结构相同的基于干涉效应的2×2MZI型电光开关和一个基于自镜像效应的2×1MMI耦合器来构造硅基电光逻辑与/与非门，2×2MZI型电光开关具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，2×1MMI耦合器具有第一输入端、第二输入端和输出端，两个结构相同的2×2MZI型电光开关分别为第一2×2MZI型电光开关和第二2×2MZI型电光开关；第一2×2MZI型电光开关的第一输出端和第二2×2MZI型电光开关的第一输入端连接，第二2×2MZI型电光开关的第一输出端为与逻辑输出端，第二2×2MZI型电光开关的第二输出端和2×1MMI耦合器的第一输入端连接，第一2×2MZI型电光开关的第二输出端和2×1MMI耦合器的第二输入端连接，2×1MMI耦合器的输出端为与非逻辑输出端；当输入光从第一2×2MZI型电光开关的第一输入端输入，若加载在第一2×2MZI型电光开关的电压信号处于低电平时，第一2×2MZI型电光开关处于交叉工作状态，光信号从第一2×2MZI型电光开关的第二输出端输出，并经2×1MMI耦合器的第二输入端输入，2×1MMI耦合器对光信号进行耦合处理后从与非逻辑输出端输出；当输入光从第一2×2MZI型电光开关的第一输入端输入，若加载在第一2×2MZI型电光开关的电压信号处于高电平时，第一2×2MZI型电光开关处于直通工作状态，光信号从第一2×2MZI型电光开关的第一输出端输出，并经第二2×2MZI型电光开关的第一输入端输入，若加载在第二2×2MZI型电光开关的电压信号处于低电平时，第二2×2MZI型电光开关处于交叉工作状态，光信号从第二2×2MZI型电光开关的第二输出端输出，并经2×1MMI耦合器的第一输入端输入，2×1MMI耦合器对光信号进行耦合处理后从与非逻辑输出端输出；当输入光从第一2×2MZI型电光开关的第一输入端输入，若加载在第一2×2MZI型电光开关的电压信号处于高电平时，第一2×2MZI型电光开关处于直通工作状态，光信号从第一2×2MZI型电光开关的第一输出端输出，并经第二2×2MZI型电光开关的第一输入端输入，若加载在第二2×2MZI型电光开关的电压信号处于高电平时，第二2×2MZI型电光开关处于直通工作状态，光信号从第二2×2MZI型电光开关的第一输出端输出，即从与逻辑输出端输出；基于干涉效应的MZI型电光开关和基于自镜像效应的MMI耦合器具有高速，大带宽和大制作容差的优势，采用两者实现的硅基电光逻辑与/与非门具有高速，大带宽和大制作容差的特性，同时2×1MMI耦合器具有合束作用，可以补偿两个2×2MZI型电光开关客观存在的无法关断现象对消光比造成的不良影响，从而提高电光逻辑与/与非门的消光比，最终使本发明的硅基电光逻辑与/与非门具有高消光比、高速、大带宽和大制作容差。
附图说明
图1为本发明的硅基电光逻辑与/与非门的结构图；
图2为本发明的硅基电光逻辑与/与非门的2×2MZI型电光开关的结构图；
图3为本发明的硅基电光逻辑与/与非门的相移臂的剖视图；
图4为本发明的硅基电光逻辑与/与非门的2×2MZI型电光开关在化学势为0.5eV时的输出光谱图；
图5为本发明的硅基电光逻辑与/与非门的2×2MZI型电光开关在化学势为0.6eV时的输出光谱图；
图6为本发明的硅基电光逻辑与/与非门在10Gbit/s运行速度下的动态响应结果图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：如图1所示，一种硅基电光逻辑与/与非门，包括两个结构相同的2×2MZI型电光开关和一个2×1MMI耦合器1，2×2MZI型电光开关具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，2×1MMI耦合器1(多模干涉耦合器)具有第一输入端、第二输入端和输出端，两个结构相同的2×2MZI型电光开关分别为第一2×2MZI型电光开关2和第二2×2MZI型电光开关3；第一2×2MZI型电光开关2的第一输出端和第二2×2MZI型电光开关3的第一输入端连接，第二2×2MZI型电光开关3的第一输出端为与逻辑输出端，第二2×2MZI型电光开关3的第二输出端和2×1MMI耦合器1的第一输入端连接，第一2×2MZI型电光开关2的第二输出端和2×1MMI耦合器1的第二输入端连接，2×1MMI耦合器1的输出端为与非逻辑输出端。
本实施例中，2×2MZI型电光开关和2×1MMI耦合器1均采用其技术领域的成熟产品。
实施例二：如图1所示，一种硅基电光逻辑与/与非门，包括两个结构相同的2×2MZI型电光开关和一个2×1MMI耦合器1，2×2MZI型电光开关具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，2×1MMI耦合器1具有第一输入端、第二输入端和输出端，两个结构相同的2×2MZI型电光开关分别为第一2×2MZI型电光开关2和第二2×2MZI型电光开关3；第一2×2MZI型电光开关2的第一输出端和第二2×2MZI型电光开关3的第一输入端连接，第二2×2MZI型电光开关3的第一输出端为与逻辑输出端，第二2×2MZI型电光开关3的第二输出端和2×1MMI耦合器1的第一输入端连接，第一2×2MZI型电光开关2的第二输出端和2×1MMI耦合器1的第二输入端连接，2×1MMI耦合器1的输出端为与非逻辑输出端。
如图2所示，本实施例中，2×2MZI型电光开关包括两个结构相同的相移臂和两个结构相同的2×2MMI耦合器，2×2MMI耦合器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，两个结构相同的2×2MMI耦合器分别为第一2×2MMI耦合器4和第二2×2MMI耦合器5，两个结构相同的相移臂分别为第一相移臂6和第二相移臂7；第一2×2MMI耦合器4的第一输入端为2×2MZI型电光开关的第一输入端，第一2×2MMI耦合器4的第二输入端为2×2MZI型电光开关的第二输入端，第一2×2MMI耦合器4的第一输出端通过第一相移臂6和第二2×2MMI耦合器5的第一输入端连接，第一2×2MMI耦合器4的第二输出端通过第二相移臂7和第二2×2MMI耦合器5的第二输入端连接，第二2×2MMI耦合器5的第一输出端为2×2MZI型电光开关的第一输出端，第二2×2MMI耦合器5的第二输出端为2×2MZI型电光开关的第二输出端。
本实施例中，2×1MMI耦合器1、2×2MMI耦合器和相移臂均采用其技术领域的成熟产品。
实施例三:如图1所示，一种硅基电光逻辑与/与非门，包括两个结构相同的2×2MZI型电光开关和一个2×1MMI耦合器1，2×2MZI型电光开关具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，2×1MMI耦合器1具有第一输入端、第二输入端和输出端，两个结构相同的2×2MZI型电光开关分别为第一2×2MZI型电光开关2和第二2×2MZI型电光开关3；第一2×2MZI型电光开关2的第一输出端和第二2×2MZI型电光开关3的第一输入端连接，第二2×2MZI型电光开关3的第一输出端为与逻辑输出端，第二2×2MZI型电光开关3的第二输出端和2×1MMI耦合器1的第一输入端连接，第一2×2MZI型电光开关2的第二输出端和2×1MMI耦合器1的第二输入端连接，2×1MMI耦合器1的输出端为与非逻辑输出端。
如图2所示，本实施例中，2×2MZI型电光开关包括两个结构相同的相移臂和两个结构相同的2×2MMI耦合器，2×2MMI耦合器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，两个结构相同的2×2MMI耦合器分别为第一2×2MMI耦合器4和第二2×2MMI耦合器5，两个结构相同的相移臂分别为第一相移臂6和第二相移臂7；第一2×2MMI耦合器4的第一输入端为2×2MZI型电光开关的第一输入端，第一2×2MMI耦合器4的第二输入端为2×2MZI型电光开关的第二输入端，第一2×2MMI耦合器4的第一输出端通过第一相移臂6和第二2×2MMI耦合器5的第一输入端连接，第一2×2MMI耦合器4的第二输出端通过第二相移臂7和第二2×2MMI耦合器5的第二输入端连接，第二2×2MMI耦合器5的第一输出端为2×2MZI型电光开关的第一输出端，第二2×2MMI耦合器5的第二输出端为2×2MZI型电光开关的第二输出端。
如图3所示，本实施例中，相移臂为矩形波导，矩形波导包括波导主体和衬底，波导主体包括芯层和包覆在芯层外侧的包层8，衬底固定在包层8的底部，包层8的材料为纯二氧化硅，芯层包括从上到下依次连接的上层9、中间层和下层10，上层9和下层10的厚度相等且其材料均为硅，中间层由三片厚度相同的石墨烯片11和四片厚度相同的电介质片12组成，每相邻两片电介质片12之间插入一片石墨烯片11。
本实施例中，2×1MMI耦合器1和2×2MMI耦合器均采用其技术领域的成熟产品。
实施例四:如图1所示，一种硅基电光逻辑与/与非门，包括两个结构相同的2×2MZI型电光开关和一个2×1MMI耦合器1，2×2MZI型电光开关具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，2×1MMI耦合器1具有第一输入端、第二输入端和输出端，两个结构相同的2×2MZI型电光开关分别为第一2×2MZI型电光开关2和第二2×2MZI型电光开关3；第一2×2MZI型电光开关2的第一输出端和第二2×2MZI型电光开关3的第一输入端连接，第二2×2MZI型电光开关3的第一输出端为与逻辑输出端，第二2×2MZI型电光开关3的第二输出端和2×1MMI耦合器1的第一输入端连接，第一2×2MZI型电光开关2的第二输出端和2×1MMI耦合器1的第二输入端连接，2×1MMI耦合器1的输出端为与非逻辑输出端。
如图2所示，本实施例中，2×2MZI型电光开关包括两个结构相同的相移臂和两个结构相同的2×2MMI耦合器，2×2MMI耦合器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，两个结构相同的2×2MMI耦合器分别为第一2×2MMI耦合器4和第二2×2MMI耦合器5，两个结构相同的相移臂分别为第一相移臂6和第二相移臂7；第一2×2MMI耦合器4的第一输入端为2×2MZI型电光开关的第一输入端，第一2×2MMI耦合器4的第二输入端为2×2MZI型电光开关的第二输入端，第一2×2MMI耦合器4的第一输出端通过第一相移臂6和第二2×2MMI耦合器5的第一输入端连接，第一2×2MMI耦合器4的第二输出端通过第二相移臂7和第二2×2MMI耦合器5的第二输入端连接，第二2×2MMI耦合器5的第一输出端为2×2MZI型电光开关的第一输出端，第二2×2MMI耦合器5的第二输出端为2×2MZI型电光开关的第二输出端。
如图3所示，本实施例中，相移臂为矩形波导，矩形波导包括波导主体和衬底，波导主体包括芯层和包覆在芯层外侧的包层8，衬底固定在包层8的底部，包层8的材料为纯二氧化硅，芯层包括从上到下依次连接的上层9、中间层和下层10，上层9和下层10的厚度相等且其材料均为硅，中间层由三片厚度相同的石墨烯片11和四片厚度相同的电介质片12组成，每相邻两片电介质片12之间插入一片石墨烯片11。
本实施例中，2×1MMI耦合器1和2×2MMI耦合器均采用其技术领域的成熟产品。
本实施例中，上层9和下层10的厚度均为170nm；石墨烯片11的厚度为0.34nm；电介质片12的材料为二氧化铪，电介质片12的厚度为5nm。
本实施例的硅基电光逻辑与/与非门中2×2MZI型电光开关在化学势为0.5eV时的输出光谱图如图4所示，在化学势为0.6eV时的输出光谱图如图5所示。分析图4和图5可知，2×2MZI型电光开关的串扰在1510nm至1600nm内低至-22.2dB，在1531nm至1600nm内小于-24.7dB，插入损耗小于0.08dB。
本实施例的硅基电光逻辑与/与非门在10Gbit/s运行速度下的动态响应结果图如图6所示；两个输入电压信号分别为“00011111100011111110”(电压信号1)和“11100100110110010011”(电压信号2)，经过逻辑与运算结果为“00000100100010010010”，逻辑与非运算结果为“11111011011101101101”。分析图6可知与/与非逻辑同时正确地在本实施例的硅基电光逻辑与/与非门的与逻辑输出端和与非逻辑输出端输出正确结果，而且本实施例的硅基电光逻辑与/与非门在1550nm工作波长下实现了最小消光比38.5dB和最大插入损耗0.21dB。