一种硅基集成电光或-与逻辑器件制造技术

本发明专利技术公开了一种硅基集成化的电光或-与逻辑器件，该器件可以实现两个输入变量的任意逻辑函数，包括“与”、“与非”、“或”、“或非”、“同或”、“异或”。该集成电光或-与逻辑器件由两个最大项结构通过过渡波导级联而成。其中，最大项结构由两个微环谐振器和两条直波导构成，用以实现两输入变量的最大项。该电光或-与逻辑器件采用绝缘体上硅材料制备，利用现成的CMOS工艺进行加工，器件体积小、功耗低、成本低，便于与电学元件集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光信息处理和光计算领域，尤其涉及一种基于硅基纳米线波导的可实 现两输入变量任意逻辑函数的集成电光或与逻辑器件。
技术介绍
光信息处理技术具有处理并行度高、串扰低、带宽大、功耗低等优点，将在未来的 大规模数据处理和数据互连中扮演着重要的角色。光逻辑器件作为未来光计算机的重要单 元，近年来得到了长足的发展。2007年，美国科学家JamesHardy和以色列科学家Joseph Shamir提出了电光导向逻辑（"Opticsinspiredlogicarchitecture"，OpticsExpress， Vol. 15,IssueI，2007,pp. 150-165)的概念，该逻辑运算构架的基本思想是利用电信号操 作数控制光开关网络中的开关状态来改变光的传播方向，最终将逻辑运算结果以光的形式 在特定的端口输出。电光导向逻辑利用光开关网络来控制光的传播完成逻辑运算，操作数 对光开关的作用是同时完成的，不会产生逐级的处理延迟，其运算过程依赖于光的传播，可 以实现高速的逻辑运算。 电光导向逻辑器件的基本单元是光开关，基于硅基微纳波导微环谐振器的光开 关，具有功耗低、结构紧凑、与CMOS工艺兼容等优点，利于实现光电混合集成。目前文献所 报道的导向逻辑结构大多是采用硅基微环谐振光开关实现的，如电光与/与非门、或/或非 门、同或/异或门、译码器/编码器、半加器等逻辑器件，这些器件采用热光效应或等离子色 散效应，可完成不同速率条件下多个电输入逻辑变量的特定逻辑函数。这些逻辑器件结构 是针对某种特定功能的逻辑运算而设计的，因此不具有普适性。【专利技术内容】 有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于硅基纳米线波导的片上集成电光 或-与逻辑器件，通过该电光逻辑器件，实现两个输入变量的任意逻辑函数（包括"与"、"与 非"、"或"、"或非"、"同或"、"异或")。该电光逻辑器件由四个硅基微环谐振器构成，可以解决 两输入变量的导向逻辑的可重构问题。该电光逻辑器件充分发挥了硅基波导结构紧凑、功 耗低、与CMOS工艺兼容等优点，解决了可重构电光导向逻辑器件的集成化和小型化问题。 为了达到上述目的，本专利技术提供了一种实现两输入变量任意逻辑函数的硅基集成 化的电光或-与逻辑器件，该电光或-与逻辑器件采用绝缘体上硅（SOI)材料制备，该电光 或-与逻辑器件的基本单元为硅基纳米线微环谐振器。 上述方案中，微环谐振器的调制方式为基于热光效应的热光调制或者基于自由载 流子等离子色散效应的电光调制。 上述方案中，实现两输入变量A和B任意逻辑函数的硅基集成化的电光或-与逻 辑器件由两个最大项结构级联而成。第一最大项结构中直波导L2的下载通过过渡波导L6 与第二最大项结构中直波导L3的输入端相连。由第二最大项结构中直波导L4的下载端得 到A和B的任意逻辑函数。 上述方案中，最大项结构由两段直波导（LI和L2)和两个微环谐振器（R11和R12) 组成，输入变量A加载在Rll上，输入变量B加载在R12上。由Ll的输入端输入的是一个 波长固定、功率恒定的连续光信号，L2的下载端得到两个输入逻辑变量A和B的最大项。 上述方案中，将Rll和R12的初始谐振波长设置于A1，工作波长置于A2，其中A1 <入2，可实现A和B的最大项Yl=A+B。 上述方案中，将Rll的初始谐振波长设置于A2，将R12的初始谐振波长设置于 A1，工作波长置于X2，其中A2，可实现A和B的最大项Y1 =X+B。 上述方案中，将Rll的初始谐振波长设置于A1，将R12的初始谐振波长设置于 入2，工作波长置于X2，其中AA2，可实现A和B的最大项Yl= 上述方案中，将Rll和R12的初始谐振波长设置于A2，工作波长置于A2，可实现A和B的最大项Yl=A+ 5。 上述方案中，通过第一最大项结构实现（A+0)，第二最大项结构实现（B+0)，娃基 集成化的电光或-与逻辑器件可以输出A和B的"与"运算结果。 上述方案中，通过第一最大项结构实现i+i,硅基集成化的电光或与逻辑器件可 以输出A和B的"与非"运算结果。 上述方案中，通过第一最大项结构实现A+B，硅基集成化的电光或-与逻辑器件可 以输出A和B的"或"运算结果。 上述方案中，通过第一最大项结构实现(1+〇)，第二最大项结构实现(f+O)，硅 基集成化的电光或-与逻辑器件可以输出A和B的"或非"运算结果。 上述方案中，通过第一最大项结构实现(A+ 第二最大项结构实现硅 基集成化的电光或-与逻辑器件可以输出A和B的"同或"运算结果。 上述方案中，通过第一最大项结构实现（A+B)，第二最大项结构实现(6[+ ，硅 基集成化的电光或-与逻辑器件可以输出A和B的"异或"运算结果。 从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果： (1)本专利技术提出的硅基集成电光或-与逻辑器件，可以实现两个电学输入变量的 任意逻辑函数，包括"与"、"与非"、"或"、"或非"、"同或"、"异或"，具有较好的灵活性和普适 性。 (2)本专利技术提出的硅基集成电光或-与逻辑器件，由硅基微环谐振器和硅波导构 成，加工工艺方面与CMOS工艺是兼容的，可以利用现成的CMOS工艺技术，使得器件体积小、 功耗低、成本低，便于与电学元件进行集成。【附图说明】 为使本专利技术的目的、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，对本专利技术进一步详细说明，其中： 图1是依照本专利技术实施例的实现两个输入变量（A和B)的最大项的最大项结构示 意图； 图2是依照本专利技术实施例中微环谐振器环形波导热调制机构的剖面图； 图3是依照本专利技术实施例的实现两个输入变量A和B的函数Yl=A+B时，最大项 结构中微环谐振器Rll和R12在初始状态（即A和B均为低电平）的光谱响应曲线； 图4是依照本专利技术实施例的实现两个输入变量A和B的函数Yl=A+B时，最大 项结构中微环谐振器Rll和R12在初始状态（即A和B均为低电平）的光谱响应曲线； 图5是依照本专利技术实施例的实现两个输入变量A和B的函数丨Yl=A+B时，最大 项结构中微环谐振器Rll和R12在初始状态（即A和B均为低电平）的光谱响应曲线； 图6是依照本专利技术实施例的实现两个输入变量A和B的函数Yl=S+B时，最大 项结构中微环谐振器Rll和R12在初始状态（即A和B均为低电平）的光谱响应曲线； 图7是依照本专利技术实施例的实现两个输入变量（A和B)任意逻辑函数的电光 或-与逻辑器件结构示意图。【具体实施方式】 需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附 图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本 文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接 受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如 "上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来 说明并非用来限制本专利技术。 本专利技术在材料加工方面采用的是绝缘体上娃（SilicononInsulator，SOI)技 术，SOI波导芯层硅的材料折射率为3. 5,包层为空气或二氧化硅，二者的折射率分别为I和 1.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基集成电光或与逻辑器件，能够实现两输入变量A和B的任意逻辑函数，由两个最大项结构级联而成，第一最大项结构中直波导L2的下载端通过过渡波导L6与第二最大项结构中直波导L3的输入端相连，由第二最大项结构中直波导L4的下载端得到A和B的任意逻辑函数，其特征在于，所述第一最大项结构由两段直波导L1、L2和两个微环谐振器R11、R12组成，输入变量A加载在R11上，输入变量B加载在R12上，由L1的输入端输入的是一个波长固定、功率恒定的连续光信号，L2的下载端得到两个输入逻辑变量A和B的最大项Y1。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周平，杨林，张磊，丁建峰，陈乔杉，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11