一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元的制作方法

本发明属于光学逻辑运算与信号处理技术领域，涉及一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元。

背景技术：

异或和同或这两种逻辑运算在信息的编码与解码、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，信息容量越来越大、集成度越来越高、海量数据处理等需求导致系统运行环境温升明显。而用光学方式实现逻辑运算具有发热量低、速率高、延迟小等特点，是一种具有潜力的新型信号处理方式。因此，借助光学手段进行处理的做法逐渐得到青睐。由于光信号本征具有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。

在过去的研究中，研究者利用微环谐振器构建了异或和同或的逻辑运算单元，通过调谐器件的特征工作波长来实现逻辑运算功能。然而，由于谐振结构本征的波长敏感性和温度敏感性，逻辑单元对于波长的精度要求较高，对于环境温度的稳定性要求较高，同时，实现多路运算需要多路波长，因而对于激光器的要求也较高。此外，也有基于双臂干涉结构的逻辑运算单元，但具有器件体积较大等缺点。

光学模式作为波导中可调控的另一种物理量，近年来在集成光学器件加工工艺与技术取得长足进步的背景下，精确的调控波导中的模式成为现实，能实现的调控功能越来越丰富和灵活。与调谐波长相比，控制波导中的模式主要依赖调控波导的形貌，因而实现成本要低的多。同一模式中可容纳不同的波长，因而可以进一步增大信息系统的容量，同时，光学模式对于材料折射率的变化相对不敏感，具有较好的温度变化抗性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元，利用波导可调控另一种物理自由度，实现低成本、波长不敏感、温度稳定性好的光学逻辑运算单元。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元，包括一组支持多模式传输的输入波导和输出波导以及两组受操作数信号控制的动态模式变换器件；单一模式的输入光源作为载波，依次经过两组模式变换器件，通过每个操作数分别控制模式变换器件对输入模式是否发生转换为另一种模式，在输出波导处分别探测每种模式的分量，通过一次光的传播与收集，同时获得异或和同或的逻辑运算结果。

本发明采用对波导中模式物理量的变换来构建异或和同或逻辑运算单元，对激光器波长的要求低，可在相同的波长内使用不同的波导模式来计算，降低整个光逻辑回路的成本。同时，该逻辑运算单元对输入的波长及环境温度变化均不敏感。可采用多种材料平台实现，并根据调制方式的不同可实现电光与全光的异或和同或的并行逻辑运算。

附图说明

图1是本发明逻辑运算单元第一种实施例的示意图。

图2是图1所示第一种实施例功能实现光场示意图。

图3是本发明逻辑运算单元第二种实施例的示意图。

图中：1.多模输入波导，2.第一光学模式变换器件，3.第二光学模式变换器件，4.多模输出波导，5.第三光学模式变换器件，6.第四光学模式变换器件；

101.第一传输波导，102.第一调相器，301.第二传输波导，302.第二调相器，501.第一分支，502.第一调制臂，503.第二分支，601.第三分支，602.第二调制臂，603.第四分支。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元，该逻辑运算单元用可调模式变换器的调制信号表示两个逻辑操作数变量，用输出结果中相应模式的有无表示运算结果逻辑变量，用电信号或光信号，同时完成二操作数的异或和同或运算。

如图1，本发明逻辑运算单元第一种实施例，该第一种实施例是在硅-光学相变材料平台上的一种实施例，由依次相连的多模输入波导1、第一光学模式变换器件2、第二光学模式变换器件3以及多模输出波导4组成。该第一种实施例的整体结构构建在绝缘体上的硅（soi）衬底上，硅波导层为下层，包括依次相连的多模输入波导1、第一传输波导101、第二传输波导301和多模输出波导4；由光学相变材料构建相移的结构位于该硅波导层的上方，包括第一调相器102和第二调相器302。其中，常用的光学相变材料有ge2se2te5(gst-225)、sb2s3等，这些光学相变材料存在晶态和无定型态，光学相变材料两种状态的折射率差存在很大的差异（可在1e0数量级）。

本发明逻辑运算单元第一种实施例中，采用顶层硅厚度为220nm的绝缘体上的硅衬底，于是硅波导层的厚度为220nm，为了支持至少2种模式的传输，如te0和te1两种横电场模式，其多模输入波导1和输出波导4的宽度取大于1微米。模式变换的区域，即第一光学模式变换器件2和第二光学模式变换器件3，均由底层硅波导和上层的相变材料构成的渐变相移结构构成。两层材料形状均为分段渐变结构（一般分为5-10段），每段宽度均不同。设定该区域在每种逻辑操作时的输出的模式的能量值为评价函数，在每段宽度的解空间里采用多参数优化算法调整每段宽度的数值，计算评价函数并通过结果作为反馈修改继续调整每段的宽度的数值，最终得到参数使得所设定的评价函数取得其极大值，从而得到该区域的底层硅波导和上层相变材料的形状，如图1所示。

如果采用电信号来控制该上层相变材料的状态，可在其上覆盖微加热器，通过电信号控制加热脉冲和冷却的速度，可使得该材料在晶态和无定型态之间切换。这两种物态间折射率差不同，对应的两种状态可分别实现使得通过该区域的光的模式保持原输入模式不变（即对te0的输入，输出仍为te0，对te1的输入，输出仍为te1）以及使得通过该区域的光的模式发生交换（即对te0的输入转换为te1输出，对te1的输入转换为te0输出）的功能。如果采用光信号来控制该上层相变材料的状态，可将光能量通过透镜投射于覆盖该上层相变材料的区域，通过控制光脉冲的强度和波形，同样可实现材料在晶态和无定型态之间切换，从而实现同样的功能。在这两种方式中，两种不同的电脉冲或者光脉冲的波形即对应到输入的操作数的逻辑“0”和“1”。在多模输出波导4，可根据输入逻辑操作数得到相应的模式输出，即得到运算的结果。根据所采用的控制信号为电信号或光信号，其逻辑分别为电光逻辑或全光逻辑。

本发明逻辑运算单元第一种实施例进行逻辑运算的光场传播和分布图，如图2所示。结合前述的第一种实施例的逻辑实施方式可以看到，该第一种实施例成功的完成了所述的逻辑运算功能。逻辑单元的输入为te0模式的光，对四种操作数的组合，在输出端的te0和te1模式分别实现了异或和同或逻辑功能。

本发明逻辑运算单元第一种实施例实现异或和同或逻辑运算的方式为：连续激射激光通过耦合结构由多模输入波导1进入，并耦合进多模输入波导1所支持的一种模式m1，两个光学模式变换器件在所加载的逻辑操作数为“0”时，流过相应部分的光模式保持不变，在加载的逻辑操作数为“1”时，流过相应部分的光模式发生转换，即若进入的光模式为m1，则将其转换为另一种光模式m2；若进入的光模式为m2，则将其转换为光模式m1。具体的说，当两个输入操作数均为0时，多模输出波导4中的光模式为m1；当两个操作数分别为0,1或者1,0时，多模输出波导4中的光模式为m2；当两个操作数均为1时，多模输出波导4中的光模式为m1。以输出的光模式m1和光模式m2模式通道的信号存在作为输出逻辑”1”，信号不存在作为输出逻辑“0”，见表1。

表1输入操作数与模式输出逻辑值的关系

从表1可知，本发明逻辑运算单元在输出的光模式m1模式通道完成对两个输入操作数的同或逻辑，输出的光模式m2模式通道同时完成对两个输入操作数的异或逻辑，即通过一次光的传播与收集过程可同时得到二逻辑操作数的异或及同或运算结果。

多模输入波导1和多模输出波导4所支持的模式数量n不小于2，以满足上述异或与同或并行计算的功能。在波导支持大于2的模式时，完成单一异或和同或操作时所使用的模式数量同样为2，分别用前述的m1和m2来标记。m1和m2为多模输入和输出波导所支持的任意正交传输模式，如常见硅波导中的te0和te1，或者tm0和tm3等模式成分，此时，其他所被波导支持的模式通道可不使用，也可供其他运算使用。

本发明逻辑运算单元中多模输入波导1所用的输入信号使用单模光纤通过一般的光纤-端面或者光栅耦合结构由光纤输入多模输入波导1中，或通过棱镜由激光器直接耦合进多模输入波导1中，采用不同的耦合方式可激发为多模输入波导1所支持的任意某种模式m1。为简化耦合结构的设计并提高信号传输的稳定性，一般使用单模光纤将输入激光耦合为多模输入波导1中的基模模式，即m1通常选择为该波导的基模。经过逻辑运算单元运算后的信号由多模输出波导4输出，输出信号可级联模式解复用器来分离和鉴别不同的模式阶次，并将它们转换为波导中的基模，然后通过一般的光纤-端面或者光栅耦合结构将其耦合到普通单模光纤中，以便送入探测器中获得光强数据，或通过棱镜将波导端面的光斑直接耦合到图像探测器中，通过程序辨别模式为m1或m2，并取得光强数据。

第一光学模式变换器件2及第二光学模式变换器件3的功能相同，均为根据加载在其上的逻辑操作数完成对流经其的模式可控模式变换功能，即完成从逻辑操作数到光学模式变换特性的映射。当加载的操作数为逻辑“0”时，流经它的光学模式保持不变，即对m1模式输入，输出仍为m1模式，对m2模式输入，输出仍为m2模式；当加载的操作数为逻辑“1”时，流经它的模式发生特定交换，即对m1模式输入，输出变为m2模式，对m2模式输入，输出变为m1模式。根据实现上述功能的物理机理不同，可采用干涉结构和相移结构，超构表面结构等来实现几十纳米及以上的光学带宽和较好的温度稳定性。

本发明逻辑运算单元中光学模式变换器件调控模式动态切换的机制主要是通过动态改变器件某部分的折射率来实现对于模式阶次的调节。而折射率的变化可利用材料的热光效应、电光效应以及材料相变引起的空间构型变化等物理效应来实现。为利用这几种物理效应，可采用的控制信号可以为电信号或者光信号。逻辑运算单元的输出为光信号的强度，因此，对应于电信号和光信号输入方式的逻辑操作数，该单元可实现为电-光逻辑或全光逻辑。

多模输出波导4中m1模式通道和m2模式通道的信号，通过设定检测到光强的阈值判定其存在与否，大于阈值判定为该模式存在，即结果为逻辑“1”，否则判定为该模式不存在，即结果为逻辑“0”。一般情况中光学模式变换器件均具有较高的信噪比（通常大于10db）和较小的光学损耗，因此，阈值可选择为输入多模输入波导1光强的20～70%，具有较大的选择范围。

本发明逻辑运算单元的工作波长可根据制作的材料改变。根据在波导材料使用绝缘体上的硅、磷化铟、氮化硅等材料的不同时，其工作波长可覆盖从近红外到可见光波段。在相应材料及逻辑运算单元光学损耗可接受的范围内的任意波长均可实现异或和同或逻辑运算功能。

如图3，本发明逻辑运算单元第二种实施例，该实施例的结构构建在绝缘体上的硅平台上，由依次相连的多模输入波导1、第三光学模式变换器件5、第四光学模式变换器件6以及多模输出波导4组成。在该第二种实施例中，硅波导的参数同第一种实施例中硅波导的参数相同，所采用的光仍然为波导中的te0和te1两种模式的光。在第三光学模式变换器件5和第四光学模式变换器件6上，使用了y分支和干涉结构来实现模式变换的功能。第三光学模式变换器件5为y分支，该y分支的两个支臂均由依次相连的第一分支501、第一调制臂502和第二分支503组成，两个第一分支501的另一端均与多模输入波导1的输出端相连；两个第二分支503的另一端均与第四光学模式变换器件6相连；第四光学模式变换器件6也为y分支，该y分支的两个支臂均由依次相连的第三分支601、第二调制臂602和第四分支603组成，两个第三分支601的另一端均与两个第二分503的另一端相连，两个第四分支603的另一端均与多模输出波导4相连。

通过在第三光学模式变换器件5中的一个第一调制臂502和第四光学模式变换器件6中的一个第二调制臂602上覆盖微加热器或者对波导进行掺杂并制作电极，通过硅的热光和电光效应改变材料的折射率，从而改变两个第一调制臂502之间的光束的相位差以及两个第二调制臂602之间的光束的相位差。根据相位差为2π的整数倍或者π的奇数倍，即可分别实现对输入该光学模式变换器件中的光保持其输入的模式阶次不变（te0输入仍为te0输出，te1输入仍为te1输出），或对te0输入转换为te1输出，对te1输入转换为te0输出的功能。于是，本发明逻辑运算单元第二种实施例的逻辑功能与第一种实施例的逻辑功能完全相同。

本发明逻辑运算单元通过调谐波导中的光学模式来实现电光及全光的异或和同或逻辑运算。该逻辑运算单元包括一组支持多模式传输的输入波导（多模输入波导1）和输出波导（多模输出波导4）以及两组受操作数信号控制的动态模式变换器件（在第一种实施例中为第一光学模式变换器件2和第二光学模式变换器件3；在第二种实施例中为第三光学模式变换器件5和第四光学模式变换器件6）。单一模式的输入光源作为载波，依次经过两组模式变换器件，通过每个操作数分别控制模式变换器件对输入模式是否发生转换为另一种模式，在输出波导处分别探测每种模式的分量，通过一次光的传播与收集即可同时获得异或和同或的逻辑运算结果。也就是说，本发明逻辑运算单元的逻辑运算基于对光学模式的变换来实现，对输入的波长及环境温度变化均不敏感。可采用多种材料平台实现，并根据调制方式的不同可实现电光与全光的逻辑运算。