专利摘要

本发明提供了种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件，其特征在于，该控制交换门光学逻辑器件由用绝缘体上的半导体材料制成的四个微环谐振器MRR和5根Y分支耦合器构成，其中三个输入是待运算的电信号和一个处于工作波长处的连续光信号，输出的结果是对电学信号进行控制交换门计算后的光信号，该光信号可以在光纤中传输直接进入下一级进行光信息处理。该控制交换门光学逻辑器件有三个待计算的电脉冲序列输入，输出的是经过计算后的光脉冲序列，本发明控制交换门光学逻辑器件制作工艺与COMS工艺完全兼容，使得器件体积小、速度快、功耗低、便于集成，有望在光子计算机中发挥重要的作用。

说明书

技术领域

本发明属于光学逻辑计算领域，涉及一种适用于光通信和光计算领域的基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件。

背景技术

现有的计算机由电子传递和处理信息。随着半导体工艺技术的进步，晶体管的尺寸越来越小，芯片上可集成的晶体管数目越来越多，在CPU获得更高主频的同时，功耗急剧上升，并且漏电与散热问题无法解决。从发展高速率计算机来说，采用电子做输运信息载体已不能满足人们对计算机更快的处理速度的要求，表明提高现有的计算机运算速度的能力有限。这也就是说用集成电路方式实现的微处理器的发展，已经难以继续沿着摩尔定律指出的路线走下去。

光子计算机用光互连代替导线互连，光硬件代替电子硬件，光运算代替电运算，以光子作为传递信息的载体，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路进行数据运算、传输和存储，光子计算机表现出更优越的性能。在光子计算机中，用光学方式实现信息处理的最大优点是并行性高，数据吞吐量大——这是由光的物理属性决定的。光子计算机可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

计算机运算都是二进制数计算，而现有的传统不可逆逻辑器件，主要是二输入一输出的非可逆逻辑门，输入信息经过该门就会丢失一个输出信息位，早在1960年R.Landauer就已经证明了不可逆计算每一次运算都会引起比特位的丢失，并且每丢失一比特信息就会有kTln2热能散发，室温下虽然能量散失很少，但对于低功耗器件设计不能忽略。同时，能耗产生的热量会极大地限制芯片的性能和计算速度。而可逆逻辑器件由于既能传递逻辑门的输出值，也能传递它的输入值，不会有信息位丢失，因此没有比特位丢失，这样可以很好的解决由比特位丢失引起的热能散发问题，从而大大降低计算机在逻辑上的能耗，提高计算速度。

控制交换门的真值表输入与输出是一一对应的关系，给定输入可以确定其输出，同时给定输出可以找到唯一的输入与之对应，从而根据可逆逻辑的定义可以知道该门是可逆逻辑门。与此同时，控制交换门还是一个通用逻辑门，因为它可以模拟任意经典线路如：与、或、非等。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件，不需要使用强激光作为泵浦光，易于操作。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件，由用绝缘体上的半导体材料制成的四个微环谐振器MRR和5根Y分支耦合器构成，其中三个输入是待运算的电信号和一个处于工作波长处的连续光信号，输出的结果是对电学信号进行控制交换门计算后的光信号，该光信号可以在光纤中传输直接进入下一级进行光信息处理。

本发明控制交换门光学逻辑器件具有如下优点：

1、利用光的自然特性实现的控制交换门光学逻辑器件代替传统的电学逻辑器件，没有传统电学器件的电磁效应以及寄生电阻电容的影响，从而可以实现高速大容量的信息处理。

2、利用光的自然特性实现的控制交换门光学逻辑器件代替传统的逻辑器件，可以实现控制交换门逻辑运算，且没有传统逻辑器件比特位丢失引起的热能散发，从而可以大大降低计算机在逻辑上的能耗。

3、采用的是绝缘衬底上的硅材料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，利用SOI材料制成的硅波导，其芯层是Si（折射率为3.45），包层是SiO₂（折射率为1.45），这样包层和芯层的折射率差很大，所以该波导对光场的限制能力很强使得其弯曲半径可以很小，利于大规模集成。

4、采用现有的CMOS工艺制成，使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与其他元件整合。

5、该控制交换门光学逻辑器件有三个待计算的电脉冲序列输入，输出的是经过计算后的光脉冲序列，该交换门光学逻辑器件制作工艺与COMS工艺完全兼容，使得器件体积小、速度快、功耗低、便于集成，有望在光子计算机中发挥重要的作用。

附图说明

图1是本发明光学逻辑器件的结构示意图。

图2是本发明光学逻辑器件中第一Y分支耦合器的结构示意图。

图3是本发明光学逻辑器件中第一微环谐振器的结构示意图。

图4是本发明光学逻辑器件中第二微环谐振器的结构示意图。

图5是本发明光学逻辑器件中第二Y分支耦合器的结构示意图。

图6是本发明光学逻辑器件中第三Y分支耦合器的结构示意图。

图7是本发明光学逻辑器件中第三微环谐振器的结构示意图。

图8是本发明光学逻辑器件中第四微环谐振器的结构示意图。

图9是本发明光学逻辑器件中第四Y分支耦合器的结构示意图。

图10是本发明光学逻辑器件中第五Y分支耦合器的结构示意图。

图11是本发明光学逻辑器件中带硅基热光调制器的微环谐振器MRR的电极的结构示意图。

图12是本发明光学逻辑器件中带硅基电光调制器的微环谐振MRR的电极的结构示意图。

图中：1.第一Y分支耦合器，2.第一微环谐振器，3.第二微环谐振器，4.第二Y分支耦合器，5.第三Y分支耦合器，6.第三微环谐振器，7.第四微环谐振器，8.第四Y分支耦合器，9.第五Y分支耦合器，10.Si衬底，14.SiO2层，15.发热电极，16.硅基光波导，T.光卸载端口；

11.第一输入光波导，12.第一直通光波导，13.第二直通光波导，41.第二输入光波导，42.第三直通光波导，43.第四直通光波导，51.第三输入光波导，52.第五直通光波导，53.第六直通光波导，81.第七直通光波导，82.第八直通光波导，83.第一输出光波导，91.第九直通光波导，92.第十直通光波导，93.第二输出光波导。

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。

如图1所示，本发明光学逻辑器件，包括结构如图2所示的第一Y分支耦合器1，第一Y分支耦合器1由第一输入光波导11、第一直通光波导12和第二直通光波导13构成，第一输入光波导11的一端接光信号输入，第一输入光波导11的另一端分别与第一直通光波导12的一端和第二直通光波导13的一端相连接；

结构如图3所示的第一微环谐振器2，第一微环谐振器2由第一硅基纳米线微环R1和第一直波导组成，该第一直波导输入端21与第一直通光波导12的另一端相连接，第一直波导直通端22为本发明光学逻辑器件的光输出端X；第一微环谐振器2带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；

结构如图4所示第二微环谐振器3，第二微环谐振器3由第二硅基纳米线微环R2、第二直波导和第三直波导组成，第二直波导和第三直波导平行设置，第二硅基纳米线微环R2位于第二直波导和第三直波导之间，第二直波导输入端31与第二直通光波导13相连，第二直波导直通端32与第三Y分支耦合器5相连；第三直波导下载端33与第二Y分支耦合器4相连，第三直波导上还设有光卸载端口T；第二微环谐振器3带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；

结构如图5所示的第二Y分支耦合器4，第二Y分支耦合器4由第二输入光波导41、第三直通光波导42和第四直通光波导43组成，第二输入光波导41的一端与第三直波导下载端33相连，第二输入光波导41的另一端分别与第三直通光波导42的一端和第四直通光波导43的一端相连，第三直通光波导42的另一端与第三微环谐振器6相连，第四直通光波导的另一端43与第四微环谐振器7相连；

结构如图6所示的第三Y分支耦合器5，第三Y分支耦合器5由第三输入光波导51、第五直通光波导52和第六直通光波导53组成，第三输入光波导51一端与第二直波导直通端32相连，第三输入光波导51的另一端分别与第五直通光波导52的一端和第六直通光波导53的一端相连，第五直通光波导52的另一端与第三微环谐振器6相连，第六直通光波导53的另一端与第四谐振器7相连；

结构如图7所示的第三微环谐振器6，第三微环谐振器6由第三硅基纳米线微环R3以及平行设置的第四直波导和第五直波导组成，第三硅基纳米线微环R3位于第四直波导和第五直波导之间，第四直波导下载端63与第三直通光波导42的另一端相连，第四直波导直通端64与第四Y分支耦合器8相连，第五直波导下载端61与第五直通光波导52的另一端相连，第五直波导直通端62与第五Y分支耦合器9相连；

结构如图8所示的第四微环谐振器7，第四微环谐振器7由第四硅基纳米线微环R4以及平行设置的第六直波导和第七直波导相连，第四硅基纳米线微环R4位于第六直波导和第七直波导之间，第六直波导输入端71与第六直通光波导53的另一端相连，第六直波导直通端72与第四Y分支耦合器8相连，第七直波导下载端73与第四直通光波导43的另一端相连，第七直波导直通端74与第五Y分支耦合器9相连；

结构如图9所示的第四Y分支耦合器8，第四Y分支耦合器8由第七直通光波导81、第八直通光波导82和第一输出光波导83组成，第一输出光波导83的一端分别与第七直通光波导81的一端和第八直通光波导82的一端相连，第七直通光波导81的另一端第四直波导直通端64相连，第八直通光波导82的另一端与第六直波导直通端72相连，第一输出光波导83的另一端为本发明光学逻辑器件的光输出端Y；

结构如图10所示的第五Y分支耦合器9，第五Y分支耦合器9由第九直通光波导91、第十直通光波导92和第二输出光波导93组成，第二输出光波导93的一端分别与第九直通光波导91的一端和第十直通光波导92的一端相连，第九直通光波导91的另一端与第五直波导直通端62的另一端相连，第十直通光波导92的另一端与第七直波导直通端74相连，第二输出光波导93的另一端为本发明光学逻辑器件的光输出端Z。

硅基热光调制器的微环谐振器MRR的电极，如图11所示，Si衬底10上有SiO₂层14，SiO₂层14上有硅基光波导15，在硅基光波导15的上方铺设了一层发热电极16。在发热电极16的引线上施加电压，会有电流通过电极，该电流会产生热量通过热辐射的方式改变硅基光波导15的温度，从而改变环形波导的有效折射率N_eff，继而改变微环谐振器MRR的谐振波长，实现动态滤波。

硅基电光调制器的调制原理图，如图12所示。从图11和图12可以看出硅基热光调制器和硅基电光调制器的调制原理是不相同的。硅基热光调制器是依靠改变硅基光波导的温度来改变波导的有效折射率。硅基电光调制器是依靠改变轨迹光波导中的载流子浓度来改变波导的折射率；由于热辐射的速度远远慢于载流子湮灭的速度。所以电光调制的速度远远大于热光调制的速度，但因为对波导掺杂的原因，电光调制器的结构要比热光调制器的结构更复杂，制作过程也更简单。故一般在需要高速的情形下使用硅基电光调制，而在对器件响应速度要求不高的场合采用硅基热光调制。

第一硅基纳米线微环R1的结构参数、第二硅基纳米线微环R2的结构参数、第三硅基纳米线微环R3的结构参数、第四硅基纳米线微环R4的结构参数稍有不同，但通过对其中一个微环热调制或者p-i-n机构光电调制将该微环工作谐振波与另一微环工作波长调制一致，此波长即为输入光信号的波长。当入射的光信号满足谐振条件（m×λ=N_eff×2π×r）时，光信号会通过倏逝场耦合作用从波导耦合进入硅基纳米线微环，此时，如有除入射以外的光波导存在，硅基纳米线微环中的光信号同样会通过倏逝场耦合作用从硅基纳米线微环耦合进波导；谐振条件（m×λ=N_eff×2π×r）中的m表示硅基纳米线微环谐振级次，其值为正整数，λ为谐振波长，N_eff为波导的有效折射率，r为硅基纳米线微环的半径。

微环谐振器有两种不同的结构：第一种是由一根直波导和一个硅基纳米线微环构成的微环谐振器；第二种是由两个相互平行的直波导和一个硅基纳米线微环构成的微环谐振器，这两种结构的微环谐振器中的硅基纳米线微环和相应的直波导之间都有一预定的耦合距离。

下面通过分析光信号在图2、图3、图6和图7所示的微环谐振器以及图2、图5、图6、图9和图10所示的Y分支耦合器中的传输过程，简要说明本发明控制交换门光学逻辑器件的工作原理：

对于图2所示的第一Y分支耦合器1，光信号从第一输入光波导11输入后，第一Y分支耦合器1将该光信号均分为两束，分别从第一直通光波导12和第二直通光波导13输出；

对于图3所示的第一微环谐振器2，若在第一直波导输入端21输入满足谐振条件的信号光，该信号光会被第一微环谐振器2下载；若在第一直波导输入端21输入不满足谐振条件的信号光，则该信号光会毫无影响的在第一直波导直通端22输出。

对于图4所示的第二微环谐振器3，若在第二直波导输入端31输入满足谐振条件的信号光，该信号光会被第二微环谐振器3下载，并在第三直波导下载端33输出；若在第二直波导输入端31输入不满足谐振条件的信号光，则该信号光会毫无影响的在第二直波导直通端32输出。

对于图5所示的第二Y分支耦合器4，光信号从第二输入光波导41输入后，第二Y分支耦合器4将该光信号均分为两束，分别从第三直通光波导42和第四直通光波导43输出。

对于图6所示的第三Y分支耦合器5，光信号从第三输入光波导51输入后，第三Y分支耦合器5将该光信号均分为两束，分别从第五直通光波导52和第六直通光波导53输出。

对于图7所示的第三微环谐振器6，若在第五直波导输入端61输入满足谐振条件的信号光，该信号光会被第三微环谐振器3下载，并在第四直波导下载端63输出最终到达光卸载端口T；对于不满足谐振条件的信号光会毫无影响的在第五直波导直通端62输出，最终在端口Z输出。同时第四直波导下载端63亦可以为输入端，对于满足谐振条件的信号光，会被微环谐振器下载从而在第五直波导下载端61输出，最终到达光卸载端口T，而不满足谐振条件的信号光会毫无影响的在第四直波导直通端64输出，最终在端口Y输出。第三微环谐振器6带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；

对于图8所示的第四微环谐振器7：在第六直波导输入端71输入满足谐振条件的信号光，该信号光会被第四微环谐振器7下载从而在第七直波导下载端73输出最终到达光卸载端口T；在第六直波导输入端71输入不满足谐振条件的信号光，该信号光会毫无影响的在第六直波导直通端72输出，最终在端口Y输出。同时第七直波导下载端73亦可以为输入端，满足谐振条件的信号光会被微环谐振器下载从而在第六直波导下载端71输出，最终到达光卸载端口T，而不满足谐振条件的信号光会毫无影响的在第七直波导直通端74输出，最终在端口Z输出。第三微环谐振器6带有硅基电光调制器或硅基热光调制器；

对于图9所示的第四Y分支耦合器8：当光分别从第四直波导直通端64和第六直波导直通端72输入，通过第四Y分支耦合器8将光信号合为一束从第二输出光波导83输出；

对于图10所示的第五Y分支耦合器9：当光分别从第五直波导直通端62和第七直波导直通端74输入，通过第五Y分支耦合器9将光信号合为一束从第三输出光波导93输出；

上面分析的是静态的微环谐振器工作特性，总结而言，微环谐振器会固定的是某些波长（满足谐振条件的波长）的信号被下载，某些波长的信号直通（不满足谐振条件的波长）；本器件工作时，还需要微环谐振器的谐振波长动态可调。由谐振条件（m×λ=N_eff×2π×r）看出，改变硅基纳米线微环的半径r和波导的有效折射率N_eff都将改变微环谐振器的谐振波长。此处通过调节波导的有效折射率N_eff来改变微环谐振器的谐振波长。波导的有效折射率与制造微环谐振器材料的折射率有关，而改变该材料的折射率有两种方法：一是对材料加热，改变材料的温度，利用热光效应改变材料折射率，即上述的硅基热光调制器；二是利用电光效应通过载流子注入改变材料的折射率，即上述的硅基电光调制器。由于热调制速度受热对流速度影响，而电调制速度取决于载流子寿命，故电调制速度较快，在高速系统中采用电调制。

下面以热调制机构为例说明本发明控制交换门光学逻辑器件的工作过程：

首先，定义第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2、第三硅基纳米线微环R3和第四硅基纳米线微环R4的谐振波长λ为工作波长。

对于图1所示的控制交换门光学逻辑器件，在光信号输入端（input）输入处于工作波长为λ的连续信号光（cw），然后分别对四个硅基纳米线微环加上调制电压对硅基纳米线微环加热从而改变硅基纳米线微环的谐振波长，设定第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2（第一硅基纳米线微环R1和第二硅基纳米线微环R2所加调制电压完全同步）、第三硅基纳米线微环R3和第四硅基纳米线微环R4在工作波长处谐振，并假定输出端口有光输出时用逻辑“1”表示，输出端口无光输出时用逻辑“0”表示，该控制交换门光学逻辑器件共有八种工作状态。

下面结合结构图详细分析本发明控制交换门光学逻辑器件的工作原理：

当第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2、第三硅基纳米线微环R3和第四硅基纳米线微环R4上均加低电平（逻辑“0”）时，四个微环都处于谐振状态，在光的输出端口X、Y和Z都没有光输出（逻辑值都为“0”）。

当第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2和第三硅基纳米线微环R3上加低电平（逻辑“0”），第四硅基纳米线微环R4上加高电平（逻辑“1”）时，第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2和第三硅基纳米线微环R3都处于谐振状态，第四硅基纳米线微环R4处于非谐振状态，在光的输出端口X、Y都没有光输出（逻辑值都为“0”），在输出端口Z有光输出（逻辑值为“1”）。

当第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2和第四硅基纳米线微环R4上加低电平（逻辑“0”），第三硅基纳米线微环R3加高电平（逻辑“1”）时，第三硅基纳米线微环R3处于非谐振状态，第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2和第四硅基纳米线微环R4都处于谐振状态，在光的输出端口Y有光输出（逻辑值为“1”），在光的输出端口X、Z无光输出（逻辑值为“0”）。

当第一硅基纳米线微环R1和第二硅基纳米线微环R2加低电平（逻辑“0”），第三硅基纳米线微环R3和第四硅基纳米线微环R4加高电平（逻辑“1”）、时，第三硅基纳米线微环R3和第四硅基纳米线微环R4均处于非谐振状态，第一硅基纳米线微环R1和第二硅基纳米线微环R2处于谐振状态，在光的输出端口Y、Z有光输出（逻辑值为“1”），在光的输出端口X无光输出（逻辑值为“0”）。

当第一硅基纳米线微环R1和第二硅基纳米线微环R2加高电平（逻辑“1”），第三硅基纳米线微环R3和第四硅基纳米线微环R4加低电平（逻辑“0”）时，第一硅基纳米线微环R1和第二硅基纳米线微环R2处于非谐振状态，第三硅基纳米线微环R3和第四硅基纳米线微环R4处于谐振状态，在光的输出端口X有光输出（逻辑值为“1”），在光的输出端口Y、Z无光输出（逻辑值为“0”）。

当第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2和第四硅基纳米线微环加高电平（逻辑“1”），第三硅基纳米线微环R3加低电平（逻辑“0”）时，第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2和第四硅基纳米线微环处于非谐振状态，第三硅基纳米线微环R3处于谐振状态，在光的输出端口X、Y有光输出（逻辑值为“1”），在光的输出端口Z无光输出（逻辑值为“0”）。

当第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2和第三硅基纳米线微环R3加高电平（逻辑“1”），第四硅基纳米线微环R4加低电平（逻辑“0”）时，第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2和第三硅基纳米线微环R3都处于非谐振状态，第四硅基纳米线微环R4处于谐振状态，在光的输出端口X、Z有光输出（逻辑值为“1”），在光的输出端口Y无光输出（逻辑值为“0”）。

当第一硅基纳米线微环R1、第二硅基纳米线微环R2、第三硅基纳米线微环R3和第四硅基纳米线微环均加高电平（逻辑“1”）时，这四个微环都处于非谐振状态，在光的输出端口X、Y、Z都有光输出（逻辑值为“1”）。本发明光学可逆器件完成控制交换门计算的真值表如表1所示。

表1控制交换门光学逻辑器件的真值表

注：表1中的A、B、C分别表示对第一硅基纳米线微环R1（第二硅基纳米线微环R2）、第三硅基纳米线微环R3、第四硅基纳米线微环R4所施加的高低电平电信号。由于第一硅基纳米线微环R1和第二硅基纳米线微环R2同时施加高电平电信号或者低电平电信号，故第一硅基纳米线微环R1和第二硅基纳米线微环R2的电平电信号统一采用A表示。

可以看出本发明光学逻辑器件输入的是三个待计算的一位二进制高低电平电信号和一个处于工作波长处的连续激光信号，输出的是经过控制交换门的光信号；待译码的三个电信号（第一微环谐振器与第二微环谐振器同步）的逻辑值在时间上要精确对齐，即各个逻辑值在时间上精确同步。因此本光学可逆器件可以完成三个一位二进制数的控制交换门运算。各微环谐振器MRR的基本单元为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器MRR光开关，待计算的3位电信号对各自的MRR的作用方式如下：设定硅基纳米线微环R1（R2）、R3、R4在未加调制的谐振波长为工作波长，因此当加在硅基纳米线微环R1（R2）、R3、R4上的调制电信号为高电平时，硅基纳米线微环的谐振频率发生偏移，在输入激光的波长处失谐；当加在硅基纳米线微环R1（R2）、R3、R4上的调制电信号为低电平时，硅基纳米线微环R1（R2）、R3、R4在输入激光的波长处谐振，光信号被下载。在本控制交换门光学逻辑器件的一个光学端口输入特定工作波长的连续激光，待计算的3位高低电平电信号分别作用于第一硅基纳米线微环R1（第二硅基纳米线微环R2）、第三硅基纳米线微环R3和第四硅基纳米线微环R4，在三个信号输出端口就以光逻辑的形式输出与3位输入的电信号相对应的控制交换门计算结果，从而完成了控制交换门光学逻辑器件的功能。

一种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。