專利名稱：一種硅基集成化光學異或及同或運算單元及其陣列的制作方法
技術領域：
本發明涉及用集成光學方式實現的邏輯運算單元及其陣列，特別涉及一種硅基集成化光學異或及同或運算單元及其陣列。
背景技術：
本發明利用一種簡單的集成光學元件——微環諧振器(Micro-Ring Resonator, MRR)，實現了光信號與電信號的異或(XOR)及同或(XNOR)運算。若采用特殊的非線性光學 材料制作，該器件可以進行全光的異或及同或運算。異或及同或這兩種邏輯運算在信息編碼與解碼、信號奇偶校驗、數據加密解密、圖 像處理、隨機數產生等眾多場合都有重要應用。隨著這些應用對處理速度的要求越來越高， 依靠集成電路方式進行處理已經越來越困難，借助光學手段進行處理的做法逐漸得到青 睞。實際上，由于光信號的高帶寬和高并行性，將光學原理應用到信息處理領域的研究一直 未曾間斷。歷史上曾經有兩次大規模的光計算的研究熱潮。當時集成光學還未得到充分發 展，體光學元件實現的光信息處理系統往往體積龐大而且可編程性極低，與突飛猛進的微 電子技術相比優勢非常少。時至今日，在光通信產業的推動下，集成光學工藝與器件技術已 經有了長足進步，能實現的功能越來越豐富，工作模式也越來越靈活。基于這些集成光學器 件的光計算研究重新獲得了重視。& 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馬 赫-曾德爾干涉儀(MZI)實現全光異或及同或邏輯門的方法。兩個光信號A和B分別照射 到MZI的兩臂上，引起MZI兩臂的相位差，所以二者相同則輸出一種結果，相異則輸出另一 種結果。該方法的主要缺點在于，需要較強的光信號激勵，而且其輸入方式難以進行平面集 成。公開于 2002年的專禾lj“All-optical XOR gate by using semiconductor optical amplifiers”(United States Patent 6930826)提出了一種利用兩個半導體光放大器 (S0A, Semiconductor Optical Amplifier)實現全光異或邏輯門的方法。該方法利用了非 線性光學效應，需要較高的光能量輸入，且SOA對輸入光的偏振要求嚴格。韓國首爾國立大學的Young Jin Jung等科學家發表于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 了他們利用半導體光放大器構建光學異或邏輯門，并用它來實現IOGbps的數據加密與解 密系統。該研究都表明，在某些特定應用中，光邏輯與光計算具有比集成電路更大的發展潛 力。用集成光學邏輯單元來構建的系統，可能在不久的將來被用于高性能的專門任務 處理器，也可能在集成電路芯片的光互聯中發揮作用。
發明內容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種硅基集成化光學異或及同或運算單元 及其陣列，以解決集成電路方式實現異或及同或運算所碰到的速度瓶頸問題，達到提高信 息編解碼等應用中信息處理速度的目的。(二)技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種硅基集成化光學異或及同或運算單元，該光 學異或及同或運算單元由單個納米線微環諧振器MRR實現，一次光的傳播與收集即可同時 得到兩個邏輯變量的異或及同或運算結果。上述方案中，該光學異或及同或運算單元采用絕緣體上硅材料制備，基本單元為 帶熱調制機構的納米線微環諧振器。上述方案中，所述納米線微環諧振器是直波導相互交叉的微環諧振器，由兩個相 互交叉的直波導和一個環形波導構成，該環形波導的外邊緣同時與相互交叉的兩個直波導 相切。上述方案中，該光學異或及同或運算單元實現兩個邏輯變量的異或及同或運算的 過程是一個邏輯變量決定MRR的兩個直波導輸入端口的激光脈沖輸入，另一個邏輯變量 決定環形波導的諧振狀態，一次光的傳播與收集過程即可同時得到二邏輯變量的異或及同 或運算結果。上述方案中，在兩個邏輯變量給定的情況下，輸入方式一共有四種，在其中兩種輸 入情形下會在一個端口得到異或運算結果，在另一個端口得到同或結果；而在另外兩種輸 入情形下會在上述得到異或結果的端口得到同或結果，在上述得到同或結果的端口得到異 或結果。為達到上述目的，本發明還提供了一種硅基集成化光學異或及同或運算陣列，該 光學異或及同或運算陣列由多個光學異或及同或運算單元構成，由該光學異或及同或運算 單元組成的一維陣列可同時得到兩個向量的異或及同或運算結果，其二維陣列可同時得到 向量與矩陣的異或及同或運算結果。上述方案中，該光學異或及同或運算陣列采用絕緣體上硅材料制備，基本單元為 帶熱調制機構的納米線微環諧振器，其一維陣列為1XN排布的帶熱調制機構的MRR，其二 維陣列為NXN排布的帶熱調制機構的MRR。上述方案中，兩個1XN邏輯向量的異或及同或運算的實現過程是一個向量的 元素決定了一維MRR陣列中相應單元的直波導端口的輸入，另一個向量的元素決定了一維 MRR陣列中相應單元的環形波導的諧振狀態，一次光的傳播與收集過程即可同時得到二邏 輯向量的異或及同或運算結果。上述方案中，在兩個1XN邏輯向量給定的情況下，輸入方式一共有四種，在其中 兩種輸入情形下會在N個端口得到異或運算結果向量的N個元素，在另一個端口得到同或 運算結果向量的元素和；而在另外兩種輸入情形下會在上述得到異或結果向量元素的N個 端口得到同或結果向量的N個元素，在上述得到同或運算結果向量元素和的端口得到異或 結果向量的元素和。
上述方案中，IXN邏輯向量與NXN邏輯矩陣的異或及同或實現過程是向量的元 素決定了二維MRR陣列中相應單元的直波導端口的輸入，矩陣的元素決定了二維MRR陣列 中相應單元的環形波導的諧振狀態，一次光的傳播與收集過程即可同時得到邏輯向量與邏 輯矩陣的異或及同或運算結果。上述方案中，在IXN邏輯向量與NXN邏輯矩 陣給定的情況下，輸入方式一共有四 種，在其中兩種輸入情形下會在N個輸出端口得到向量與矩陣的N個行向量進行異或運算 所得N個結果向量的和向量的N個元素，在另外N個輸出端口得到向量與矩陣的N個行向 量進行同或運算所得N個結果向量的自身元素和；而在另外兩種輸入情形下會在上述得到 異或結果的N個端口得到同或結果向量的和向量的N個元素，在上述得到同或運算結果向 量元素和的端口得到N個異或結果向量的自身元素和。上述方案中，該光學異或及同或運算陣列作為運算器，與外圍集成的寄存器、控制 器一起，構成協處理器或通用微處理器。(三)有益效果本發明的突出優點是利用現成的工藝技術，使得器件體積小，功耗低，擴展性好， 便于與電學元件集成；利用激光脈沖傳遞信息，速率高，延遲小；用數字方式進行信號處 理，避免了模擬光學系統的精度差、可編程能力弱的缺點。對本發明進行結構及工藝優化， 它進行異或及同或運算的速度有望超越集成電路手段實現的速度，從而為更高速的信息處 理任務提供支持。本發明提出的集成化邏輯運算單元及其陣列之所以具有這樣的優點與潛 力，與它所采用的材料屬性及器件工作原理關系密切。
為使本發明的方案得到更清楚地闡述，解釋附圖如下圖1為交叉結構的微環諧振器(MRR)；圖2為用來對MRR進行調諧的電極結構；圖3為單個MRR實現異或/同或運算的工作原理示意圖；圖4為一維MRR陣列實現向量_向量異或/同或運算的工作原理示意圖；圖5為二維MRR陣列實現向量_矩陣異或/同或運算的工作原理示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。本發明的基本結構為微環諧振器(Micro-Ring Resonator，MRR)，采用硅基納米線 波導制作。該邏輯運算單元用激光脈沖表示一個邏輯變量，用電調制信號表示另一個邏輯 變量，同時完成二者的異或及同或運算。由該邏輯運算單元組成的陣列則可以完成向量與 向量的異或/同或運算，以及向量與矩陣的異或/同或運算。首先，在材料方面，本發明采用的是絕緣襯底上的硅(Silicon-On-Insulator， S0I)材料。SOI是指在SiO2絕緣層上生長一層具有一定厚度的單晶硅薄膜，其制備及加工 工藝與廣泛使用的 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor, CMOS) 工藝兼容。SOI波導的芯區為硅，材料折射率為3. 5，包層為空氣(或二氧化硅)，材料折射率為1 (或1. 44)。由于芯區和包層的折射率差很高，SOI波導的光場限制能力很強。高的 折射率差使得彎曲波導的彎曲損耗很低，彎曲半徑為5微米時的彎曲損耗仍然很小，這使 得在一個芯片上實現多個不同形狀與功能的SOI波導器件的集成成為可能；而傳統波導器 件的彎曲半徑普遍在毫米甚至厘米量級，極大的占用了芯片面積，一塊芯片上通常只能放 下一個器件。 其次，在器件方面，本發明的基本單元為基于硅基納米線波導的微環諧振器，它是 一種功能多樣，性能優越，近年來被廣泛研究的集成光學元件。圖1為交叉結構的微環諧振 器結構圖，它由兩個相互交叉的直波導和一個環形波導組成。利用微環諧振器結構可以實 現光開關、光調制器、光濾波器、光分插復用器等很多光通信用功能部件。由于環形波導的 半徑可以小至5微米，其器件結構非常緊湊，可以實現器件密度為105/cm2以上的高集成度， 減少分立器件耦合時的損耗，同時降低器件的封裝成本。下面通過分析光信號在圖1所示的MRR中的傳輸過程，簡要說明其工作原理(1、3 端口之間的直波導稱為a，2、4端口之間的直波導稱為b)(1) 一定波長的激光脈沖信號由1端口輸入，進入MRR后在直波導中向前傳播。盡 管SOI納米線波導折射率差大，光場限制能力強，但仍有倏逝場彌散到直波導之外；(2)在光信號經過環形波導時，由于環形波導材料折射率比周圍材料高，根據電磁 場傳播的基本規律，光場將向折射率高的區域傳播，所以彌散到直波導a之外的光場將有 一部分耦合進環形波導中；(3)如果光信號的波長滿足諧振條件(mX λ = NgX2 π XR，其中m為整數，稱為 諧振階數，λ為光信號波長，Ng為環形波導的群折射率，R為環形波導半徑)，那么光脈沖在 環形波導中傳播若干圈之后，其能量將幾乎全部由a耦合進環形波導，并由環形波導耦合 進b，最終由4端口輸出(4端口稱為下路端，上述過程稱為下路)。而如果光信號的波長不 滿足上面所謂的諧振條件，那么盡管部分光場會從a進入環形波導，但最終仍會回到a中， 然后幾乎全部由3端口輸出(3端口稱為直通端，上述過程稱為直通)。如若信號由端口 2 輸入，那么端口 3是相應的下路端，端口 4是相應的直通端，工作原理與上面描述的由端口 1輸入時完全相同。上面分析的是MRR的靜態工作特性，即MRR固定地使某些波長信號下路，某些波長 信號直通。實際工作時，需要MRR諧振波長動態可調(即動態濾波)以實現更加復雜的功 能。下面對諧振波長計算公式mX λ =Ν8Χ2π XR進行分析，從而得出如何調節MRR使得 它的下路波長動態可調。通過上面的諧振條件公式可以看到，要調節諧振波長以實現動態濾波，可以改變 的物理量有環形波導的半徑R及其群折射率Ng。前者在工藝完成之后就確定下來，無法進 行調節。所以只能通過調節環形波導的群折射率Ng，來改變MRR的諧振波長。硅材料的折射率隨溫度變化而變化，此即為硅材料的熱光效應，利用這一效應可 以實現對群折射率Ng的調節。利用金屬有機化學氣相淀積(Metal-Organic Chemical Vapour Deposition, MOCVD)技術在微環上生長金屬電極，加電后金屬電極發熱，熱場傳導 至波導，使波導的溫度發生變化，環形波導的群折射率Ng隨之變化，帶來MRR諧振波長的改 變，從而實現動態濾波——即對于某一特定波長，可以通過電信號控制使它或者從下路端， 或者從直通端輸出。電極結構如圖2所示。
硅材料的熱光效應可以用下式表示
dn/dT = 9. 48X 10_5+3. 47 X IO-7XT-I. 49 X IO^10T2+. . .(1)其中dn為折射率變化量，dT為溫度變化量，T為環境溫度。在常溫下(Τ = 300K)， dn/dT = 1. 86X 10_4/K，折射率隨溫度的升高而增大。Si的大熱光系數和高熱導率(^si = 1. 49ff/cm ·Κ)可以保證SOI的熱光調節有較快的響應速度。同時，埋層SiO2的熱導率很小， 只有Si的百分之一，可以有效的起到絕熱的作用，減少熱量散失，降低開關功耗。因此SOI 是很好的熱光效應材料。另外，從諧振波長計算公式mX λ = NgX2 π XR還可以看出，由于m只能取整數 值，微環形諧振器的諧振波長是離散的，相鄰兩個諧振波長的間隔稱為自由光譜范圍(Free Spectral Range，FSR)，其值可以表示為FSR = Am2/(NgX2 π XR)(2)其中λ m為諧振波長計算公式中整數m對應的諧振波長，FSR是諧振階數(m-1)與 (m+1)所對應諧振波長與間隔，由⑵可見FSR與環的半徑成反比。受彎曲損耗的限 制，微環的半徑通常不小于5微米，此時FSR的通常為十幾個納米。本發明擬采用的波段為光通信中常用的1.55μπι區域，信道間隔為100GHz，對應 的波長間隔約為0. Snm0由諧振波長計算公式可以得到諧振波長變化與折射率變化的關系ANg = NgX Δ λ/λ(3)如果想調節諧振波長至相鄰的一個信道波長，即波長變化0. 8nm，那么對應的折射 率變化大約為0. 0023 (計算時采用Ng的近似值4. 5——群折射率不同于材料折射率)，對 應的溫度變化約為12K。根據(4)與(5)式可以分別對器件的功耗和響應時間進行計算， P為器件功耗，τ為響應時間。對單個邏輯運算單元，其最大功耗約為3mW，響應時間約為
0. 1 μ S。 (4)中Δ T為溫度變化量，σ SiQ2為SiO2的熱導率，有效加熱面積Srff = WXL，W為 波導寬度，L為整個熱極的長度，dSi02為上包層SiO2厚度；(5)中H為波導高度，P Si與cSi 分別為Si的密度和比熱容。圖2為電極結構的截面示意圖，硅基波導外包裹著一層SiO2, 一方面是對光場起到限制作用，防止光場向襯底泄漏以及杜絕上面加熱電極金屬對光場的 吸收，減小損耗；另一方面，由于SiO2的熱導率低，可以隔絕芯層向襯底傳導的熱量，保證功 耗較小。 (6)式和(7)式是本發明所要利用的基本關系式，"Θ"和“ ”分別為異或及同或
運算符，大寫字母表示邏輯變量，小寫字母為相應的算術量(比如邏輯變量X = 1對應的算 術量為χ= 1)。二式中的“ · ”表示邏輯“與”，操作數是邏輯變量；“X”則是普通的算術乘法，操作數是普通的十進制數；“ + ”在連接邏輯變量時表示邏輯“或”，在連接算術量時表 示算術加法。此二式說明，異或/同或邏輯運算可以通過普通的算術乘加運算實現。在本發明中，用輸入端口激光脈沖的有無表示一個操作數，用MRR是否處于諧振 狀態表示另一個操作數。下面結合圖3說明，一個MRR是怎樣同時完成X與Y的異或/同 或運算的。如果x = 1，則在端口 1輸入一個波長為入的激光脈沖，如果x = 0則不輸入激光 脈沖——為表述方便，以后將此種輸入方式記為x@入。對MRR進行調諧，如果y = 1，則使MRR在入處諧振，如果y = 0，則使MRR在入 處不諧振——為表述方便，以后將此種對MRR的調諧方式記為y@入。根據MRR的工作原理，在上述輸入下，端口 3處的光強為xX (1-y)——也就是說， 當且僅當x = 1 (端口 1有光脈沖輸入)和y = 0 (MRR在入處不諧振)時，端口 3才有光 脈沖出現。同時，端口 4處的光強為xXy——也就是說，當且僅當x= 1(端口 1有光脈沖 輸入)和y = 1 (MRR在\處諧振)時，端口 4才有光脈沖出現。以上描述的過程在端口 3得到了 xX (1-y)，在端口 4得到了 xXy，完成了(6)式 和(7)式右端算術運算式的一半。另一半運算需要依靠端口 2的輸入來完成。在端口 2輸 入(l-x)@X (即如果x = 0則輸入一個波長為入的激光脈沖，如果x = 1則不輸入激光脈 沖)。對MRR的調諧與上面的做法一致(y@入，即如果y = 1，則使MRR在\處諧振，如果y =0，則使MRR在\處不諧振)。這樣的輸入將使得端口 3處得到的輸出為(l-x)Xy，在端 口 4處得到的輸出為(1-x) X (1-y)。綜上所述，如果端口 1輸入x@ X，同時端口 2輸入為(1-x) iA ,MRR的調諧方式為 y@入，那么端口 3將得到xX (l-y)+yX (l_x)，端口 4將得到XXy+(l_X) X (1-y)——此即 為邏輯變量X與Y的異或及同或運算結果。如果端口 1的輸入為(1-x) @ X，而端口 2的輸入為x@ X，MRR的調諧方式為(l_y) i 入。那么可以得到與上面相同的結果，即在端口 3得到X與Y的異或，在端口 4得到X與Y 的同或。如果端口 1的輸入為x@ X，而端口 2的輸入為(1-x) iA ,MRR的調諧方式為(l_y) i 入。那么將在端口 3得到X與Y的同或，在端口 4得到X與Y的異或。如果端口 1的輸入為(1-x) @ X，而端口 2的輸入為x@ X，MRR的調諧方式為y@入。 那么將在端口 3得到X與Y的同或，在端口 4得到X與Y的異或。上面四個段落依次列舉了 4種輸入方式(包括調諧方式)及相應的運算結果，為 了表述的簡潔，在下文中將第一和第二種輸入方式稱為模式1，第三和第四種輸入方式稱為 模式2。上面說明了如何利用一個MRR實現兩個邏輯變量的異或/同或運算，并對輸入方 式進行了歸納。下面說明如何通過MRR的一維陣列完成向量與向量的異或/同或運算。首先需要解釋這里所謂向量與向量的異或/同或運算是如何定義的。兩個向量的 異或/同或運算，可以是兩向量對應元素進行異或/同或運算得到一個新的向量(稱為結 果向量)；進一步，也可以是該結果向量的元素和。在不同的應用場合，有時需要利用結果 向量，有時只需要結果向量的元素和——這兩種結果都可以用本發明來得到。如圖4所示，MRRi的端口 2與MRR2的端口 4相連組成一維MRR陣列；圖中輸入方式為模式1。下面說明此種結構如何實現向量[Xl，X2]與[y1; Y2]的異或/同或運算。
在MRR1和MRR2的端口 1分別輸入X1O λ丄禾口 χ2@ λ 2。MRR1調諧方式為y^A MRR2 調諧方式為y2@X2。在MRR2的端口 2同時輸入(I-X1)OX1禾口(1-χ2)@λ2。這樣，在MRR1 的端口 4 得到的光強將為[X1X Y1+(I-X1) X (I-Y1) ] + [X2Xy2+(1-χ2) X (l-y2)]，此即為向 量[X1, X2]與[y1; y2]的同或運算結果向量的元素和。同時，MRR1的端口 3的輸出光強為 X1X (I-Y1)+Y1X (I-X1), MRR2 的端口 3 的輸出光強為 x2X (l-y2)+y2X (1_χ2)，此即為向量 [X1, X2]與[y” y2]異或運算所得結果向量的兩個元素；若利用合束器將兩個MRR的端口 3 的光強進行疊加，將得到[X1X (I-Y1)+Y1X (I-X1)]+ [χ2X (l-y2)+y2X (1_χ2)]，此即為向量 [X1, X2]與[yi，Y2]異或運算所得結果向量的元素和。若將輸入方式改為模式2，例如在MRR1和MRR2的端口 1輸入X1O λ工和λ 2，使 MRR1調諧為(I-Y1) @ λ ” MRR1調諧為(l-y2) @ λ 2，在MRR2的端口 2同時輸入(I-X1) @ λ丄和 (I-X2)@ A20那么，在MRR1的端口 4得到的為向量[χι，χ2]與[yi，y2]異或運算結果向量的 元素和。同時，在MRR1的端口 3和MRR2的端口 3將得到向量[Xl，x2]與[y1; y2]同或運算 所得結果向量的兩個元素；若利用合束器將兩個MRR的端口 3的光強進行疊加，將得到向量 [X1, X2]與[yi，y2]的同或運算結果向量的元素和。
上述運算方法可擴展至更高維向量的異或/同或運算，只需增加一維MRR陣列中 MRR單元的個數和需要利用的波長數。下面說明如何用二維MRR陣列實現向量_矩陣的同或/異或運算。首先需要給出 這里所謂的向量-矩陣同或/異或運算的定義。本發明進行的向量-矩陣同或/異或運算， 是向量與矩陣的各個行向量進行同或/異或運算后得到的各個結果向量自身元素的和，或 者是向量與矩陣的各個行向量進行同或/異或運算后得到的各個結果向量的和向量。如圖5所示，以一個1X4向量與一個4X4矩陣的同或/異或運算為例； 輸入方式為模式1。輸出端O1至O4的輸出，是向量與矩陣的4個行向量進行同或 運算所得4個結果向量的自身元素和(即每個結果向量的自身元素相加)——例 如，O1 = X1 Θ yn+x2 Θ y12+x3 Θ y13+x4 Θ y14。而輸出端δ,至δ4的輸出，是向量與矩 陣的4個行向量進行異或運算所得4個結果向量的和向量的4個元素——例如， O1 =X1十凡+X1十少21 +X1十；;31 +X1十;^。需要指出，此處G的上標橫線并不代表它是O1的 “否”，二者并無直接聯系。如果將輸入方式改為模式2，那么輸出端O1至O4的輸出，是向量與矩陣的4個行 向量進行異或運算所得4個結果向量的自身元素和。而輸出端0,至54的輸出，是向量與矩 陣的4個行向量進行同或運算所得4個結果向量的和向量的4個元素。圖5中的二維MRR矩陣中16個MRR的諧振波長分布特點是每一行或每一列的4 個MRR諧振波長都不相同。根據操作數及輸入模式的不同，各個MRR可能在圖5中標注的 波長處諧振，也可能會被調諧至另一處(非入^入‘四個波長中的任何一個)。假設X1-X4 波長兩兩間隔為Δ λ，那么在調諧時只需將諧振波長調離原位置Δ λ/2(當然也可以是其 它位置，比如調離原位置3 Δ λ /2)。上面的描述表明，本發明可以用集成光學方式進行兩個邏輯變量的異或/同或運 算，以及特定意義下的向量與向量及向量與矩陣的異或/同或運算。如果在本發明提出的結構外圍集成合適的控制器與存儲器及其它必要功能組件，并為其設計特殊的指令集，這一結構將可能作為核心單元實現光電集成微處理器，它能被 設計為處理特殊任務的協處理器，或者被設計為進行一般任務處理的通用型微處理器。以下結合附圖描述本發明的具體實施例。如圖1所示的微環諧振器(MRR)是本發明實現異或/同或運算的基本單元。MRR有兩種基本結構，圖1所示的直波導相互交叉是其中之一，另外還有直波導相互平行的結 構(環形波導處在兩平行波導之間)。交叉結構的MRR具有的二維擴展性好的優點，主要缺 點在于交叉節點會引入一定損耗。下面介紹單個MRR的制造工藝。首先依照諧振波長、偏振與損耗特性、調諧特性等 方面的要求，設計好MRR的幾何結構(包括截面尺寸、環與直波導的間距)和熱調制結構 (電極形狀與尺寸)。然后就可以利用半導體工藝在SOI材料上制作MRR及其熱調諧單元， 下面介紹具體步驟(1)將設計好的MRR版圖制成光刻版；(2)依照設計，選擇SOI片進行清潔處理，得到待處理的SOI片，其頂層Si厚度依 設計選定，為波導芯層的厚度。埋層SiO2的厚度則要保證以頂層Si為芯區的波導中光場 不會泄露到襯底Si中，一般埋層SiO2的厚度在1 3 μ m ；(3)在SOI片上均勻涂敷光刻膠層，對其進行烘焙、堅膜，并在光刻機中用紫外光 機將光刻版的線條方向與硅片的參考邊調整至平行，對光刻膠曝光；(4)在顯影液中對光刻膠顯影形成光刻膠圖形，并再次烘焙；(5)以光刻膠層的剩余部分為掩模，采用反應離子刻蝕(RIE，Reactive Ion Etching)工藝去除腐蝕窗口的頂層Si。反應離子刻蝕是指利用能與被刻蝕材料起化學反 應的氣體，通過輝光放電使之形成低溫等離子體，對晶片表面未被掩蔽部分進行腐蝕。它利 用活性離子對襯底的物理轟擊與化學反應的雙重作用進行刻蝕，具有良好的形貌控制能力 (各向異性)；較高的選擇比和較快的刻蝕速率。正是它的這些優越性使得它成為目前應用 范圍最為廣泛的干法刻蝕。反應離子刻蝕工藝包括六個步驟1)刻蝕物質的產生射頻電 源施加在一個充滿刻蝕氣體的反應腔上，通過等離子體輝光放電產生電子、離子、活性反應 基團；2)刻蝕物質向硅片表面擴散；3)刻蝕物質吸附在硅片表面上；4)在離子轟擊下刻蝕 物質和硅片表面被刻蝕材料發生反應；5)刻蝕反應副產物在離子轟擊下解吸附離開硅片 表面；6)揮發性刻蝕副產物和其它未參加反應的物質被真空泵抽出反應腔。整個過程中有 諸多的參數影響刻蝕工藝，其中最重要的是壓力、氣體比率、氣體流速、射頻電源。另外硅 片的位置和刻蝕設備的結構也會對刻蝕工藝。在這一步中，需要嚴格控制刻蝕條件，避免側 向鉆蝕；(6)去除光刻膠層的剩余部分，得到圖形轉移之后的二維MRR結構；(7)利用 MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition)技術在 MRR 的相 應部位生長用于熱調制的金屬電極。經過上面這些步驟，精確控制工藝過程，就可以得到預先設計的MRR及其調制結 構。圖2所示為MRR的熱調制機構，加電后金屬電極發熱，熱場傳導至波導，使波導的 溫度發生變化，環形波導的折射率Ng發生變化，MRR的諧振波長λ隨之變化。圖4和圖5所示即為一維及二維排布的MRR組成的向量-向量、向量-矩陣異或/同或運算單元，它也采用SOI材料制造，工藝過程與上面介紹的單個MRR的制造工藝一樣， 只是其中的每個MRR都擁有自己的諧振波長，這可通過不同的波導尺寸(包括MRR中環形 波導的半徑及截面尺寸、直波導與環形波導的間距)來實現。上面介紹了用于實現異或/同或運算的MRR器件制造過程，下面通過舉例介紹利用這些器件實現異或與同或邏輯運算的具體過程。首先是兩個邏輯變量的異或/同或運算。假設需要計算X = 1與Y = 0的異或/ 同或運算結果。參照圖3，輸入方式采用模式1。χ = 1，故在MRR的端口 1輸入一個波長為 λ的激光脈沖(激光脈沖通過錐形光纖耦合進波導中)；1-x = 0，故端口 2不輸入激光信 號；y = 0，故加熱電極，將MRR調諧為不在λ處諧振。這樣，端口 1輸入的光會到達端口 3， 此處連接的探測器會接收到一個激光脈沖，得到異或運算結果1，而端口 4則沒有光到達， 得到同或運算結果0。如果輸入方式采用模式2，則會在端口 3得到同或結果0，在端口 4得到異或結果
Io然后是兩個向量的異或/同或運算。假設需要計算X= [1,0]與Y= [1,1]的異 或/同或運算結果。參照圖4，輸入方式采用模式1。X1 = 1，在MRR1的端口 1輸入一個波 長為λ工的激光脈沖；I-X1 = 0，所以MRR2的端口 2不輸入波長為λ工的激光信號；x2 = 0， 在MRR2的端口 1不輸入波長為λ 2的激光脈沖；I-X2 = 1，所以MRR2的端口 2輸入一個波 長為λ 2的激光信號；由于yi = y2 = 1，所以MRR1和MRR2分別被調諧為在λ工和λ 2處諧 振。這樣，MRR1的端口 1輸入的波長為λ工的激光脈沖會到達端口 4，此處連接的探測器會 接收到一個激光脈沖，得到兩向量同或運算結果向量[1，0]的元素和1。MRR1的端口 3將沒 有光信號到達，MRR2的端口 2輸入的波長為λ 2的激光脈沖會到達MRR2的端口 3，所以MRR1 和MRR2的端口 3得到的是[1，0]與[1，1]的異或運算的結果向量W，l]。如果輸入方式采用模式2，則會在MRR1的端口 4得到兩向量異或運算結果向量W， 1]的元素和1，在MRR1*MRR2的端口 3得到的是[1，0]與[1，1]的同或運算的結果向量 [1，0]。最后是向量與矩陣異或/同或運算。假設需要計算的是X= [1，0，0，1]與Y= [1， 1,0,0 ；1,0,0,0 ；0,1,1,0 ；0,0,0,1]的異或/同或運算結果。參照圖5，輸入方式采用模式 1。X= [1，0，0，1]，故在標記為R11和R14的兩個MRR的端口 I(Ijni4)分別輸入一個含有 λ ρ λ 2、λ 3、λ 4四個波長的激光脈沖，I2和I3不輸入信號。根據矩陣Y的每一行的數值來 確定二維MRR中各個MRR的諧振狀態——第一行中的R11和R12被分別調諧為在入工和λ2 處諧振；第二行中的R21被調諧為在λ 2處諧振；第三行中的R32和R33被分別調諧為在λ 4 和λ工處諧振；第四行中的R44被調諧為在λ工處諧振。I處輸入一個含有λ 2、λ 3兩個波長 的激光脈沖；了2處輸入一個含有λ ρ λ 4兩個波長的激光脈沖；處輸入一個含有λ 4、λ工兩 個波長的激光脈沖；了4處輸入一個含有λ3、λ 2兩個波長的激光脈沖。O1至O4的輸出結果為[2，3，0，3]，這是向量X = [1,0,0,1]與矩陣Y = [1,1,0, 0 ；1,0,0,0 ；0,1,1,0 ；0,0,0,1]的四個行向量進行同或之后，4個結果向量的自身元素和。5,至54的輸出結果為[2，2，1，3]，這是向量X = [1,0,0,1]與矩陣Y = [1,1,0,0 ； 1,0,0,0 ；0,1,1,0 ；0,0,0,1]的四個行向量進行異或之后，4個結果向量的和向量。如果輸入方式采用模式2，仍以 X= [1,0,0,1]與 Y= [1,1,0,0 ；1,0,0,0 ；0,1,1,0；0,0,0,1]的異或/同或運算為例。、至^的輸入不變，I；至了4的輸入也不變。MRR的諧振 狀態為第一行中的r13和R14被分別調諧為在入3和入4處諧振；第二行中的R22、R23和R24 被調諧為在、、入4和入3處諧振；第三行中的R31和R34被分別調諧為在入3和入2處諧振； 第四行中的r41、R42和R43被調諧為在X 4、X 3和X 2處諧振。(^至^的輸出結果為[2，1，4，1]，這是向量父=[1,0,0,1]與矩陣Y= [1,1,0, 0 ；1,0,0,0 ；0,1,1,0 ；0,0,0,1]的四個行向量進行異或之后，4個結果向量的自身元素和。&至54的輸出結果為[2，2，3，1]，這是向量X= [1,0,0,1]與矩陣Y= [1,1,0,0 ； 1,0,0,0 ；0,1,1,0 ；0,0,0,1]的四個行向量進行同或之后，4個結果向量的和向量。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
權利要求
一種硅基集成化光學異或及同或運算單元，其特征在于，該光學異或及同或運算單元由單個納米線微環諧振器MRR實現，一次光的傳播與收集即可同時得到兩個邏輯變量的異或及同或運算結果。
2.根據權利要求1所述的硅基集成化光學異或及同或運算單元，其特征在于，該光學 異或及同或運算單元采用絕緣體上硅材料制備，基本單元為帶熱調制機構的納米線微環諧 振器。
3.根據權利要求2所述的硅基集成化光學異或及同或運算單元，其特征在于，所述納 米線微環諧振器是直波導相互交叉的微環諧振器，由兩個相互交叉的直波導和一個環形波 導構成，該環形波導的外邊緣同時與相互交叉的兩個直波導相切。
4.根據權利要求1所述的硅基集成化光學異或及同或運算單元，其特征在于，該光學 異或及同或運算單元實現兩個邏輯變量的異或及同或運算的過程是一個邏輯變量決定 MRR的兩個直波導輸入端口的激光脈沖輸入，另一個邏輯變量決定環形波導的諧振狀態，一 次光的傳播與收集過程即可同時得到二邏輯變量的異或及同或運算結果。
5.根據權利要求4所述的硅基集成化光學異或及同或運算單元，其特征在于，在兩個 邏輯變量給定的情況下，輸入方式一共有四種，在其中兩種輸入情形下會在一個端口得到 異或運算結果，在另一個端口得到同或結果；而在另外兩種輸入情形下會在上述得到異或 結果的端口得到同或結果，在上述得到同或結果的端口得到異或結果。
6.一種硅基集成化光學異或及同或運算陣列，其特征在于，該光學異或及同或運算陣 列由多個光學異或及同或運算單元構成，由該光學異或及同或運算單元組成的一維陣列可 同時得到兩個向量的異或及同或運算結果，其二維陣列可同時得到向量與矩陣的異或及同 或運算結果。
7.根據權利要求6所述的硅基集成化光學異或及同或運算陣列，其特征在于，該光學 異或及同或運算陣列采用絕緣體上硅材料制備，基本單元為帶熱調制機構的納米線微環諧 振器，其一維陣列為1XN排布的帶熱調制機構的MRR，其二維陣列為NXN排布的帶熱調制 機構的MRR。
8.根據權利要求6所述的硅基集成化光學異或及同或運算陣列，其特征在于，兩個 1XN邏輯向量的異或及同或運算的實現過程是一個向量的元素決定了一維MRR陣列中 相應單元的直波導端口的輸入，另一個向量的元素決定了一維MRR陣列中相應單元的環形 波導的諧振狀態，一次光的傳播與收集過程即可同時得到二邏輯向量的異或及同或運算結^ o
9.根據權利要求8所述的硅基集成化光學異或及同或運算陣列，其特征在于，在兩個 1 XN邏輯向量給定的情況下，輸入方式一共有四種，在其中兩種輸入情形下會在N個端口 得到異或運算結果向量的N個元素，在另一個端口得到同或運算結果向量的元素和；而在 另外兩種輸入情形下會在上述得到異或結果向量元素的N個端口得到同或結果向量的N個 元素，在上述得到同或運算結果向量元素和的端口得到異或結果向量的元素和。
10.根據權利要求6所述的硅基集成化光學異或及同或運算陣列，其特征在于，1XN邏 輯向量與NXN邏輯矩陣的異或及同或實現過程是向量的元素決定了二維MRR陣列中相 應單元的直波導端口的輸入，矩陣的元素決定了二維MRR陣列中相應單元的環形波導的諧 振狀態，一次光的傳播與收集過程即可同時得到邏輯向量與邏輯矩陣的異或及同或運算結果。
11.根據權利要求10所述的硅基集成化光學異或及同或運算陣列，其特征在于，在 1 XN邏輯向量與NXN邏輯矩陣給定的情況下，輸入方式一共有四種，在其中兩種輸入情形 下會在N個輸出端口得到向量與矩陣的N個行向量進行異或運算所得N個結果向量的和向 量的N個元素，在另外N個輸出端口得到向量與矩陣的N個行向量進行同或運算所得N個 結果向量的自身元素和；而在另外兩種輸入情形下會在上述得到異或結果的N個端口得到 同或結果向量的和向量的N個元素，在上述得到同或運算結果向量元素和的端口得到N個 異或結果向量的自身元素和。
12.根據權利要求6所述的硅基集成化光學異或及同或運算陣列，其特征在于，該光學 異或及同或運算陣列作為運算器，與外圍集成的寄存器、控制器一起，構成協處理器或通用 微處理器。
全文摘要
本發明公開了一種硅基集成化光學異或及同或運算單元及其陣列，基本結構為微環諧振器，采用硅基納米線波導制作。該邏輯運算單元用激光脈沖表示一個邏輯變量，用電調制信號表示另一個邏輯變量，同時完成二者的異或及同或運算。由該邏輯運算單元組成的陣列則可以完成向量與向量的異或/同或運算，以及向量與矩陣的異或/同或運算。本發明的突出優點是利用現成的工藝技術，使得器件體積小，功耗低，擴展性好，便于與電學元件集成；利用激光脈沖傳遞信息，速率高，延遲小；用數字方式進行信號處理，避免了模擬光學系統的精度差、可編程能力弱的缺點。經過結構及工藝優化，本發明對異或及同或運算的處理速度將可能超越集成電路處理方式的速度，為更高速的應用提供支持。
文檔編號G02F1/35GK101872101SQ20091008208
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者冀瑞強, 劉育梁, 張磊, 楊林, 耿敏明, 賈連希, 陳平 申請人:中國科學院半導體研究所