一種基于微環(huán)諧振器的可逆光學(xué)邏輯器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)邏輯計(jì)算領(lǐng)域，涉及一種基于微環(huán)諧振器的可逆光學(xué)邏輯器件， 具體為一種適用于光通信和光計(jì)算領(lǐng)域的基于微環(huán)諧振器的可逆異或光學(xué)邏輯器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，芯片或集成電路的集成度越來(lái)越高，集成元件的尺 寸進(jìn)一步縮小，傳統(tǒng)電學(xué)器件的漏電與散熱問(wèn)題無(wú)法很好的解決。越來(lái)越多的跡象表明，光 信息處理與光計(jì)算作為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電信息處理的一種方案具有非常光明的前景。光信號(hào)傳 輸?shù)牟⑿行允沟霉鈱W(xué)系統(tǒng)有比電學(xué)系統(tǒng)更寬的信息通道；由光纖與各種光學(xué)元件構(gòu)成集成 光路，可以大大提高對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)的能力，而光學(xué)邏輯器件是光計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中必不 可少的元件，此外光子器件的耗能極低，因此光子器件已經(jīng)引起了越來(lái)越多科研人員的注 〇
[0003] 計(jì)算機(jī)運(yùn)算都是二進(jìn)制數(shù)計(jì)算，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)的計(jì)算方式是基于不可逆邏輯器件 實(shí)現(xiàn)的，其主要特征表現(xiàn)為是二位二進(jìn)制數(shù)輸入后計(jì)算結(jié)果為一位二進(jìn)制數(shù)輸出，輸入信 息經(jīng)過(guò)運(yùn)算后就會(huì)丟失一位信息，根據(jù)Landauer原理，不可逆計(jì)算每一次運(yùn)算都會(huì)引起比 特位的丟失，并且每丟失一比特信息就會(huì)有kTln2熱能散發(fā)。而可逆邏輯器件主要特征表 現(xiàn)為是兩位二進(jìn)制數(shù)輸入后計(jì)算結(jié)果為兩位二進(jìn)制數(shù)輸出，并且輸入與輸出是一一對(duì)應(yīng)的 關(guān)系，故輸入信息經(jīng)過(guò)運(yùn)算后不會(huì)丟失信息，由于沒(méi)有比特位的丟失，在結(jié)合了光學(xué)計(jì)算低 功耗的特點(diǎn)之后，可以大大降低了計(jì)算機(jī)工作時(shí)的能耗，并解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)熱量巨大的 瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于微環(huán)諧振器的可逆光學(xué)邏輯器件，不需要使用強(qiáng)激 光作為泵浦光，易于操作。
[0005] 本發(fā)明具體通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種基于微環(huán)諧振器的可逆光學(xué)邏輯器件，由用絕緣體上的半導(dǎo)體材料制成的兩 個(gè)微環(huán)諧振器MRR和一個(gè)Y分支稱合器構(gòu)成。
[0007] 所述的兩個(gè)微環(huán)諧振器MRR為第一微環(huán)諧振器和第二微環(huán)諧振器，第一微環(huán)諧振 器包括第一硅基納米線微環(huán)、第一輸入光波導(dǎo)、第一直通光波導(dǎo)和第一下載光波導(dǎo)，第一微 環(huán)諧振器帶有硅基電光調(diào)制器或硅基熱光調(diào)制器；第二微環(huán)諧振器包括第二硅基納米線微 環(huán)、第二輸入光波導(dǎo)、第二直通光波導(dǎo)、第三輸入光波導(dǎo)和第二輸出光波導(dǎo)，第二輸入光波 導(dǎo)與Y分支直通光波導(dǎo)相連，第三輸入光波導(dǎo)與第一下載光波導(dǎo)相連；第二微環(huán)諧振器帶 有硅基電光調(diào)制器或硅基熱光調(diào)制器。
[0008] 所述的Y分支f禹合器為第一Y分支f禹合器包括第四輸入光波導(dǎo)、第一輸出光波導(dǎo) 和Y分支直通光波導(dǎo)；第四輸入光波導(dǎo)位于Y分支稱合器的主直波導(dǎo)上，且與第二直通光波 導(dǎo)相連，第一輸出光波導(dǎo)和Y分支直通光波導(dǎo)分別位于第一Y分支稱合器的兩個(gè)分支直波 導(dǎo)上。
[0009] 所述的第一輸入光波導(dǎo)、第一直通光波導(dǎo)和第四輸入光波導(dǎo)依次位于同一根水平 設(shè)置的直的第一波導(dǎo)上，該第一波導(dǎo)的一端與Y分支耦合器的主直波導(dǎo)相連接；第一下載 光波導(dǎo)和第三輸入光波導(dǎo)位于水平設(shè)置的U形第二波導(dǎo)上，第一下載光波導(dǎo)位于該第一硅 基納米線微環(huán)下方，該分段的端部為第一光卸載端口Tl;第二波導(dǎo)中位于第二硅基納米線 微環(huán)下方的分段上依次設(shè)有第三輸入光波導(dǎo)和第二輸出光波導(dǎo)；U形的第三波導(dǎo)一端與Y 分支直通光波導(dǎo)相連接，靠近第三波導(dǎo)第二硅基納米線微環(huán)上方的分段上依次設(shè)有第二輸 入光波導(dǎo)和第二輸出光波導(dǎo)，該分段的端部為第二光卸載端口。
[0010] 本發(fā)明可逆光學(xué)邏輯器具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0011] 1)利用了光的自然特性實(shí)現(xiàn)的可逆光學(xué)邏輯器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電學(xué)邏輯器件，沒(méi) 有傳統(tǒng)電學(xué)器件的電磁效應(yīng)以及寄生電阻電容的影響，從而可以實(shí)現(xiàn)高速大容量的信息處 理。
[0012] 2)利用了光的自然特性實(shí)現(xiàn)的可逆光學(xué)邏輯器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的邏輯器件，運(yùn)算輸出 結(jié)果與輸入結(jié)果一一對(duì)應(yīng)，沒(méi)有傳統(tǒng)邏輯器件比特位丟失引起的熱能散發(fā)，從而可以大大 降低計(jì)算機(jī)的能耗。
[0013] 3)采用的是絕緣襯底上的硅材料S0I，是指在SiO2絕緣層上生長(zhǎng)一層具有一定 厚度的單晶硅薄膜，利用SOI材料制成的硅波導(dǎo)，其芯層是Si(折射率為3. 45)，包層是 SiO2(折射率為1.45)，這樣包層和芯層的折射率差很大，所以該波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)的限制能力很 強(qiáng)使得其彎曲半徑可以很小，利于大規(guī)模集成。
[0014] 4)僅由二個(gè)微環(huán)諧振器和一個(gè)Y分支耦合器、兩根直波導(dǎo)、兩根彎曲波導(dǎo)構(gòu)成，其 中沒(méi)有交叉，故整體器件損耗較小。
[0015] 5)采用現(xiàn)有的CMOS工藝制成，使得器件體積小，功耗低，擴(kuò)展性好，便于與其他元 件整合。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明光學(xué)可逆邏輯器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明光學(xué)可逆邏輯器件中第一微環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明光學(xué)可逆邏輯器件中第二微環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明光學(xué)可逆邏輯器件中Y分支耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖5是本發(fā)明光學(xué)可逆邏輯器件中帶硅基熱光調(diào)制器的微環(huán)諧振器MRR的電極的 結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖6是本發(fā)明光學(xué)可逆邏輯器件中帶硅基電光調(diào)制器的微環(huán)諧振器MRR的電極的 結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 附圖中標(biāo)示說(shuō)明：1、第一微環(huán)諧振器，2、第二微環(huán)諧振器，3、Y分支耦合器，4、Si 襯底，5、SiO2層，6、發(fā)熱電極，7、娃基光波導(dǎo)，10、第一娃基納米線微環(huán)，11、第一輸入光波 導(dǎo)，12、第一直通光波導(dǎo)，13、第一下載光波導(dǎo)，20、第二娃基納米線微環(huán)，21、第二輸入光波 導(dǎo)，22、第二直通光波導(dǎo)，23、第三輸入光波導(dǎo)，24、第二輸出光波導(dǎo)，31、第四輸入光波導(dǎo)， 32、第一輸出光波導(dǎo)，33、Y分支直通光波導(dǎo)。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明光學(xué)可逆邏輯器件做進(jìn)一步的解釋說(shuō)明。
[0024] 如圖1所示，本發(fā)明光學(xué)可逆異或邏輯器件，包括第一微環(huán)諧振器、第二微環(huán)諧振 器，Y分支稱合器為第一Y分支稱合器（3)。
[0025] 如圖2所不，第一微環(huán)諧振器1包括第一娃基納米線微環(huán)10、第一輸入光波導(dǎo)11、 第一直通光波導(dǎo)12和第一下載光波導(dǎo)13,第一微環(huán)諧振器1帶有娃基電光調(diào)制器或娃基熱 光調(diào)制器。
[0026] 如圖3所示，第二微環(huán)諧振器2包括第二硅基納米線微環(huán)20、第二輸入光波導(dǎo)21、 第二輸出光波導(dǎo)22、第三輸入光波導(dǎo)23、第二直通光波導(dǎo)24,第二輸入光波導(dǎo)21與Y分支 直通光波導(dǎo)相連，第三輸入光波導(dǎo)23與第一微環(huán)諧振器1第一下載光波導(dǎo)13相連；第二微 環(huán)諧振器2帶有硅基電光調(diào)制器或硅基熱光調(diào)制器。
[0027] 如圖4所不，Y分支f禹合器3,Y分支f禹合器3包括第四輸入光波導(dǎo)31、第一輸出光 波導(dǎo)32和Y分支直通光波導(dǎo)33 ;第四輸入光波導(dǎo)31位于Y分支稱合器3的主直波導(dǎo)上， 且與第一直通光波導(dǎo)12相連，第一輸出光波導(dǎo)32和Y分支直通光波導(dǎo)33分別位于Y分支 耦合器3的兩個(gè)分支直波導(dǎo)上。
[0028] 第一輸入光波導(dǎo)11、第一直通光波導(dǎo)12和第四輸入光波導(dǎo)31依次位于同一根水 平設(shè)置的直的第一波導(dǎo)上，該第一波導(dǎo)的一端與Y分支耦合器3的主直波導(dǎo)相連接；第一下 載光波導(dǎo)13和第三輸入光波導(dǎo)23位于水平設(shè)置的"U"形的第二波導(dǎo)上，第一下載光波導(dǎo) 13位于該第一娃基納米線微環(huán)10下方，該分段的端部為第一光卸載端口Tl;第二波導(dǎo)中位 于第二娃基納米線微環(huán)20下方的分段上依次設(shè)有第三輸入光波導(dǎo)23和第二輸出光波導(dǎo)； "U"形的第三波導(dǎo)一端與Y分支直通光波導(dǎo)33相連接，靠近第三波導(dǎo)第二硅基納米線微環(huán) 20上方的分段上依次設(shè)有第二輸入光波導(dǎo)21和第二輸出光波導(dǎo)22,該分段的端部為第二 光卸載端口T2。
[0029] 硅基熱光調(diào)制器的微環(huán)諧振器MRR的電極，如圖5所示，Si襯底4上有SiOJf5， 3;102層5上有娃基光波導(dǎo)7,在娃基光波7的上方鋪設(shè)了一層發(fā)熱電極6。在發(fā)熱電極6的 引線上施加電壓，會(huì)有電流通過(guò)電極，該電流會(huì)產(chǎn)生熱量通過(guò)熱輻射的方式改變硅基光波 導(dǎo)7的溫度，從而改變環(huán)形波導(dǎo)的有效折射率NefT，繼而改變MRR的諧振波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)濾 波。
[0030] 可以看出硅基熱光調(diào)制器和圖6所示的硅基電光調(diào)制器的調(diào)制原理是不相同的， 硅基熱光調(diào)制器是依靠改變硅基光波導(dǎo)的溫度來(lái)改變波導(dǎo)的有效折射率。硅基電光調(diào)制 器是依靠改變軌跡光波導(dǎo)中的載流子濃度來(lái)改變波導(dǎo)的折射率；由于熱輻射的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢 于載流子湮滅的速度。所以電光調(diào)制的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱光調(diào)制的速度，但因?yàn)閷?duì)波導(dǎo)摻雜 的原因，電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)要比熱光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，制作過(guò)程也更簡(jiǎn)單。故一般在需 要高速的情形下使用硅基電光調(diào)制，而在對(duì)器件響應(yīng)速度要求不高的場(chǎng)合采用硅基熱光調(diào) 制。
[0031] 第一硅基納米線微環(huán)10的結(jié)構(gòu)參數(shù)與第二硅基納米線微環(huán)20的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相 同，當(dāng)入射的光信號(hào)滿足諧振條件（mXA=NrffX2Xr)時(shí)，光信號(hào)會(huì)通過(guò)倏逝場(chǎng)耦合作 用從波導(dǎo)耦合進(jìn)入微環(huán)，此時(shí)，如有除入射以外的光波導(dǎo)存在，微環(huán)中的光信號(hào)同樣會(huì)通過(guò) 倏逝場(chǎng)耦合作用從微環(huán)耦合進(jìn)波導(dǎo)；諧振條件（mXA=NrffX2Xr)中的m表示微環(huán)諧 振級(jí)次，其值為正整數(shù)，A為諧振波長(zhǎng)，NefT為波導(dǎo)的有效折射率，r為微環(huán)的半徑。