集成的全光邏輯器件的制作方法

本發(fā)明屬于光計(jì)算領(lǐng)域，特別涉及一種集成的全光邏輯器件。
背景技術(shù)：
：以半導(dǎo)體晶體管為基礎(chǔ)的集成電路的發(fā)展帶動(dòng)了人類向電子時(shí)代和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，現(xiàn)如今隨著光通信的發(fā)展，人們正在向光子時(shí)代飛速發(fā)展。與電子信息相比光信息具有高帶寬、低延時(shí)、低損耗的優(yōu)點(diǎn)會(huì)為人們帶來更加高速高效的數(shù)據(jù)連接，但同時(shí)無法存儲(chǔ)、無光邏輯器件等缺點(diǎn)限制了光在信息處理和計(jì)算領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此全光邏輯器件的研究受到了廣泛的關(guān)注，研究者利用材料和器件的非線性效應(yīng)提出了基于SOA和非線性材料的光開關(guān)和光邏輯單元，但這些器件均需要很高的光功率密度激發(fā)非線性效應(yīng)，功耗很高。研究者還提出了一種介于光邏輯器件和電邏輯器件之間的電光導(dǎo)向邏輯器件，雖然能將輸入電信號(hào)的邏輯運(yùn)算結(jié)果表達(dá)在光上輸出，但無法實(shí)現(xiàn)輸入輸出均為光信號(hào)的全光邏輯運(yùn)算。本發(fā)明提出一種輸入輸出均為光信號(hào)的全光邏輯器件的設(shè)計(jì)，包括三種基本邏輯運(yùn)算門單元，邏輯單元、與門、或門。設(shè)計(jì)的器件基于集成光子器件，其效率高，體積小，功耗低，成本低，易于大規(guī)模光電集成。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于，提供一種集成的全光邏輯器件，利用集成光子器件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的輸入輸出均為光信號(hào)的全光邏輯單元，具有效率高，體積小，功耗低，成本低，全集成的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供一種集成的全光邏輯器件，包括：一第一邏輯單元器件和第二邏輯單元器件，該第一邏輯單元器件的輸出端口2與該第二邏輯單元器件的端口5連接，形成與門，所述第一邏輯單元器件和第二邏輯單元器件的端口1為輸入端口，第二邏輯單元器件的端口2作為與門的輸出端。本發(fā)明還提供一種集成的全光邏輯器件，包括：一第三邏輯單元器件和第四邏輯單元器件，該第三邏輯單元器件的輸出端口2與該第四邏輯單元器件的端口4連接，該第三邏輯單元器件的輸出端口3與該第四邏輯單元器件的端口3合并輸出，形成或門，所述第三邏輯單元器件和第四邏輯單元器件的端口1為輸入端口，第三邏輯單元器件的端口3和第四邏輯單元器件的端口3作為或門的輸出端。本發(fā)明的有益效果是，在集成光子器件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，具有效率高，體積小，功耗低，成本低，全集成的優(yōu)點(diǎn)。附圖說明為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中：圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是是本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是圖1或圖2中的邏輯單元器件的結(jié)構(gòu)框圖；具體實(shí)施方式請參閱圖1和圖3所示，是本發(fā)明的第一實(shí)施例，本發(fā)明提供一種集成的全光邏輯器件，包括：一第一邏輯單元器件U1和第二邏輯單元器件U2，該第一邏輯單元器件U1的輸出端口2與該第二邏輯單元器件U2的端口5連接，形成與門，所述第一邏輯單元器件U1和第二邏輯單元器件U2的端口1為輸入端口，第二邏輯單元器件U2的端口2作為與門的輸出端。其中所述的邏輯單元器件U1和邏輯單元器件U2又可作為非門器件。其中所述邏輯單元器件U1、邏輯單元器件U2包括：一光電流探測器10，所述光電流探測器10是鍺硅材料的光探測器或者三五族材料的光探測器；光電流探測器10的作用是將光控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)光開關(guān)，改變光開關(guān)的工作狀態(tài)。光電流探測器的原理是利用材料的光吸收特性，產(chǎn)生光生載流子，在外加電場的驅(qū)動(dòng)下形成光電流，從而將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；常見的器件結(jié)構(gòu)有PIN型、APD型和MSM型探測器，這些不同結(jié)構(gòu)的探測器均能將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電流信號(hào)；鍺硅材料以及三五族材料的探測器是目前成熟的用于通信波段的光電探測器件，其器件尺寸小，轉(zhuǎn)換效率高，集成度高。所述光開關(guān)20，其控制端端與光電流探測器10的輸出端連接(參閱圖3)，所述光開關(guān)20是電流驅(qū)動(dòng)型光開關(guān)，其工作原理是利用注入載流子改變器件中波導(dǎo)材料的折射率或吸收增益系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)光開關(guān)光路切換或者通斷。所述光開關(guān)20是硅基或三五族材料的光開關(guān)。三五族材料是目前較為成熟的集成光子器件材料平臺(tái)，三五族材料的電流驅(qū)動(dòng)型光開關(guān)利用注入載流子濃度的變化，改變光波導(dǎo)的折射率或者增益吸收系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)光路的切換或通斷。硅基材料的光開關(guān)由2個(gè)3dB分光耦合器以及PIN結(jié)構(gòu)的相移臂波導(dǎo)組成。其中PTN相移臂波導(dǎo)利用載流子色散效應(yīng)改變硅基光波導(dǎo)折射率，從而改變光路。所述光開關(guān)20的光學(xué)結(jié)構(gòu)是MZI型光開關(guān)，或者是微環(huán)型光開關(guān)。硅基MZI型光開關(guān)由2個(gè)3dB分光耦合器以及相移臂波導(dǎo)組成。通過改變相移臂波導(dǎo)折射率，從而改變光路的相位差，實(shí)現(xiàn)光路的通斷和切換。硅基微環(huán)型光開關(guān)由直波導(dǎo)和封閉的環(huán)形波導(dǎo)組成，根據(jù)環(huán)形波導(dǎo)的諧振特性，某些特定波長的光在環(huán)內(nèi)產(chǎn)生諧振，改變其傳播方向。通過改變環(huán)內(nèi)波導(dǎo)的折射率，進(jìn)而改變諧振的波長。其中所述光電流探測器10和光開關(guān)20的結(jié)構(gòu)等效為兩個(gè)反向串聯(lián)的二極管，光開關(guān)20的P極與光電流探測器10的P極相連，光開關(guān)20的N極與地連接，光電流探測器10的N極與電源正極相連。簡單描述工作過程基本邏輯單元的構(gòu)成以及工作原理：如圖3所示，光電流探測器10和光開關(guān)20從工作原理上可以等效為兩個(gè)二極管。在外加電源的電場作用下，光電流探測器10工作在二極管反偏狀態(tài)，光開關(guān)20工作在二極管正偏狀態(tài)。輸入光信號(hào)A通過波導(dǎo)進(jìn)入光電流探測器10產(chǎn)生光電流驅(qū)動(dòng)光開關(guān)20工作。輸入光信號(hào)關(guān)閉即A＝0時(shí)，光電流探測器10只產(chǎn)生微弱的暗電流流過整個(gè)鏈路，對(duì)光開關(guān)20作用忽略不計(jì)，光開關(guān)20的狀態(tài)不發(fā)生改變，工作在交叉狀態(tài)，即5端口輸入的光從端口3輸出，4端口輸入的光從端口2輸出。輸入光信號(hào)打開即A＝1時(shí)，光電流探測器10產(chǎn)生光電流經(jīng)過光開關(guān)20的相移臂，使光開關(guān)20的狀態(tài)發(fā)生變化，使其工作在直通狀態(tài)，即5端口輸入的光從端口2，4端口輸入的光從端口3輸出。當(dāng)邏輯單元作為非門器件使用時(shí)，如圖3所示，連續(xù)光等效為邏輯狀態(tài)1從端口5進(jìn)入，輸入信號(hào)A從端口1輸入，端口2作為邏輯輸出結(jié)果Y。當(dāng)輸入信號(hào)A＝0時(shí)，光開關(guān)20處于交叉狀態(tài)，端口2此時(shí)通光，輸出信號(hào)Y＝1.當(dāng)輸入信號(hào)A＝1時(shí)，開關(guān)處于直通狀態(tài)，端口2此時(shí)無光，輸出信號(hào)Y＝0.輸出結(jié)果Y正是輸入光信號(hào)A的非，真值表由表1給出。表1非門真值表AY0110如圖1所示，第一邏輯單元器件U1和第二邏輯單元器件U2組成與門器件。輸入光信號(hào)A從單元U1的端口1輸入，另一路輸入光信號(hào)B從單元U2的端口1輸入，連續(xù)光作為邏輯1由端口5輸入U(xiǎn)1，U2中的端口2作為運(yùn)算結(jié)果Y輸出端口。當(dāng)A＝0時(shí)，無光輸入，U1工作在交叉狀態(tài)，U1的端口2處于消光狀態(tài)，無光進(jìn)入U(xiǎn)2，因此最終的輸出Y＝0.當(dāng)A＝1時(shí)，有光輸入，U1工作在直通狀態(tài)，U1的端口2有光輸出并進(jìn)入U(xiǎn)2的端口5，最終輸出的結(jié)果由B的取值決定。當(dāng)B＝0時(shí)，U2工作在交叉狀態(tài)，端口2無光輸出，最終輸出Y＝0；當(dāng)B＝1時(shí)，U2工作在直通狀態(tài)，端口2有光輸出，最終輸出Y＝1。輸出結(jié)果Y正是輸入光信號(hào)A與輸入光信號(hào)B的運(yùn)算結(jié)果A·B，真值表由表2給出。表2與門真值表ABY000010100111請參閱圖2、圖3所示，是本發(fā)明的第二實(shí)施例，本發(fā)明提供一種集成的全光邏輯器件，包括：一第三邏輯單元器件U3和第四邏輯單元器件U4，該第三邏輯單元器件U3的輸出端口2與該第四邏輯單元器件U4的端口4連接，該第三邏輯單元器件U3的輸出端口3與該第四邏輯單元器件U4的端口3合并輸出，形成或門，所述第三邏輯單元器件U3和第四邏輯單元器件U4的端口1為輸入端口，第三邏輯單元器件U3的端口3和第四邏輯單元器件U4的端口3作為或門的輸出端。本發(fā)明的第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的其他結(jié)構(gòu)基本相同，在此不重復(fù)描述。簡單描述工作過程如圖2所示，第三邏輯單元器件U3和第四邏輯單元器件U4組成或門器件。當(dāng)A＝0時(shí)，無光輸入，U1工作在交叉狀態(tài)，U1的輸出為端口1’并且由端口2進(jìn)入U(xiǎn)2，最終輸出的結(jié)果由B的取值決定。當(dāng)B＝0時(shí)，光從U2的空閑端口1’輸出，最終端口無信號(hào)。當(dāng)B＝1時(shí)，光從U2的端口2’輸出進(jìn)入合束器從最終端口輸出。當(dāng)A＝1時(shí)，有光輸入，U1工作在直通狀態(tài)，U1的輸出為2’，不與U2相連，不受信號(hào)B的影響，直接進(jìn)入合束器從最終端口輸出。輸入光信號(hào)A從單元U3的端口1輸入，另一路輸入光信號(hào)B從單元U4的端口1輸入，連續(xù)光作為邏輯1由端口4輸入U(xiǎn)3，U4和U3中的端口3合并作為運(yùn)算結(jié)果Y輸出端口。當(dāng)A＝0時(shí)，無光輸入，U3工作在交叉狀態(tài)，U3的端口2有光輸出并進(jìn)入U(xiǎn)4的端口4，最終輸出的結(jié)果Y由B的取值決定。當(dāng)B＝0時(shí)，U4工作在交叉狀態(tài)，端口3無光輸出，最終輸出Y＝0；當(dāng)B＝1時(shí)，U4工作在直通狀態(tài)，端口3有光輸出，最終輸出Y＝1。當(dāng)A＝1時(shí)，有光輸入，U3工作在直通狀態(tài)，U3的端口3有光輸出，不經(jīng)過U4直接輸出，最終結(jié)果Y＝1。輸出結(jié)果Y正是輸入光信號(hào)A與輸入光信號(hào)B的運(yùn)算結(jié)果A+B，真值表由表2給出。表3或門真值表以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3