本发明专利技术公开了一种硅基集成化光学异或及同或运算单元及其阵列，基本结构为微环谐振器，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。本发明专利技术的突出优点是：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，本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用集成光学方式实现的逻辑运算单元及其阵列，特别涉及一种硅基集成化光学异或及同或运算单元及其阵列。
技术介绍
本专利技术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(XOR)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 1993 $ 白勺 # 禾Ij “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年的专禾lj“All-optical XOR 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Young Jin Jung等科学家发表于2008年的“Demonstration of 10 Gbps,all-optical encryption and decryption system utilizing SOA XOR logic gates” (Source :0PTICAL AND QUANTUM ELECTRONICS, Volume -AO, 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IOGbps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 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。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术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单元 及其阵列，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，本专利技术提供了一种硅基集成化光学异或及同或运算单元，该光 学异或及同或运算单元由单个纳米线微环谐振器MRR实现，一次光的传播与收集即可同时 得到两个逻辑变量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单元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。上述方案中，所述纳米线微环谐振器是直波导相互交叉的微环谐振器，由两个相 互交叉的直波导和一个环形波导构成，该环形波导的外边缘同时与相互交叉的两个直波导 相切。上述方案中，该光学异或及同或运算单元实现两个逻辑变量的异或及同或运算的 过程是一个逻辑变量决定MRR的两个直波导输入端口的激光脉冲输入，另一个逻辑变量 决定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变量的异或及同 或运算结果。上述方案中，在两个逻辑变量给定的情况下，输入方式一共有四种，在其中两种输 入情形下会在一个端口得到异或运算结果，在另一个端口得到同或结果；而在另外两种输 入情形下会在上述得到异或结果的端口得到同或结果，在上述得到同或结果的端口得到异 或结果。为达到上述目的，本专利技术还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1XN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1XN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1XN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)有益效果本专利技术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。对本专利技术进行结构及工艺本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种硅基集成化光学异或及同或运算单元，其特征在于，该光学异或及同或运算单元由单个纳米线微环谐振器ＭＲＲ实现，一次光的传播与收集即可同时得到两个逻辑变量的异或及同或运算结果。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，耿敏明，陈平，冀瑞强，杨林，贾连希，刘育梁，
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：11[中国|北京]
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