专利名称：一种硅基集成化光学异或及同或运算阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及用集成光学方式实现的逻辑运算阵列技术领域，特别涉及一种硅基集成化光学异或及同或运算阵列。
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O(OR)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 T 1993 ip ^ # ^lJ "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年的专利‘‘All-opticalXOR 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^ung Jin Jung等科学家发表于2008年的“Demonstration of IOGbps,all-optical encryption and decryption system utilizing SOA XOR logic gates” (Source :0PTICAL AND QUANTUM ELECTRONICS, Volume :40, 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10(ibpS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
3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IXN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IXN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IXN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G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(T = 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SW2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_l)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
权利要求
1.一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。
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IXN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。
3.根据权利要求1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 IXN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。
4.根据权利要求3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。
5.根据权利要求1所述的硅基集成化光学异或及同或运算阵列，其特征在于，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。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求1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。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G02F1/35GK102436116SQ20111043945
公开日2012年5月2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