專利名稱：光學暫存器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學器件領域，尤其涉及一種光學暫存器。
背景技術：
暫存器是有限存貯容量的高速存貯部件，可用來暫存指令、數據和位址，它是中央處理器的組成部分。暫存器的響應速度、靈敏度和延時時間均會直接影響到中央處理器的處理速度。特別是為適應未來高速計算機的發展，更需要提出一種響應速度快，靈敏度高， 延遲時間短的光學暫存器。
發明內容
為此，本發明提供一種新型的光學暫存器，該光學暫存器響應速度快，靈敏度高， 延遲時間短，并且整個過程的功耗幾乎為零。為達到上述目的，本發明所述光學暫存器，包括第一回路，響應于存儲命令控制信號，將輸入的光脈沖信號經相位強度整形后以兩路輸出，其中，第一光脈沖輸出信號返回至該第一回路的存儲命令控制信號的接收端；第二光脈沖輸出信號輸出；第二回路，響應于延時時間控制信號以及恒定有效光脈沖信號，接收所述第一回路輸出的第二光脈沖輸出信號，并對其進行相位強度整形后以兩路輸出，其中，第三光脈沖輸出信號返回至所述第一回路的光脈沖信號輸入端，第四光脈沖輸出信號輸出；以及，輸出光路，響應于讀出時間控制信號，接收所述第二回路輸出的第四光脈沖輸出信號，輸出暫存的光脈沖信號。進一步地，所述第一回路和所述第二回路的光學回路長度相等。進一步地，所述的光學回路長度具體為1 = nXc/f，其中，η為暫存位數，c為光速，f為所述光學暫存器的主頻；所述第一回路和第二回路構成以所述主頻為頻率的自相關耦合循環。特別地，所述第一回路，包括第一光傳輸元件、第二光傳輸元件，第一光合束元件、第一門光路元件、第二光合束元件以及第一光分束元件；其中，所述第一光傳輸元件，用于傳輸存儲命令控制信號，其一端接入光源，另一端與所述第一光合束元件的第一輸入端相連接；所述第二光傳輸元件，用于傳輸光脈沖信號，其一端接入光源，另一端與所述第二光合束元件的第一輸入端相連接；第一光合束元件，其第二輸入端與所述第一光分束元件的第一輸出端相連接，將第一輸入端和第二輸入端輸入的光脈沖信號合束后輸出；所述第一門光路元件，其控制端與所述第一光合束元件的合束輸出端連接，輸入端連接所述第二光合束元件的輸出端，輸出端連接所述第一光分束元件的輸入端；所述第二光合束元件，其第二輸入端與所述第二回路的輸出端相連；
所述第一光分束元件，其第二輸出端與所述第二回路的輸入端相連。進一步地，所述第一光傳輸元件和所述第二光傳輸元件均為偏振光纖或其他波導；所述第一光合束元件和第二光合束元件均為光纖或在有S^2膜的硅片上刻蝕以實現光路合束的光合束槽；所述第一光分束元件為光纖或在有SiA膜的硅片上刻蝕以實現光路分束的光分束槽；所述第一門光路元件通過刻蝕有SiA膜的硅片形成圓形微腔結構或者在硅片上鑲嵌具有表面等離子體功能的納米金屬結構來實現。特別地，所述第二回路，包括第三光傳輸元件、第四光傳輸元件、第二門光路元件、第二光分束元件以及第三門光路元件；其中，所述第三光傳輸元件，用于傳輸延時時間控制信號，其一端接入光源，另一端與所述第二門光路元件的輸入端相連；所述第四光傳輸元件，用于傳輸恒定有效光脈沖信號，其一端接入光源，另一端與所述第三門光路元件的輸入端相連；所述第二門光路元件，其控制端與所述第一回路的輸出端相連接，輸出端與所述第二光分束元件的輸入端相連接；所述第二光分束元件，其第一輸出端與所述第三門光路元件的控制端相連接，第二輸出端與所述輸出光路的輸入端相連接；所述第三門光路元件，其輸出端與所述第一回路的接入端相連接。進一步地，所述第三光傳輸元件和所述第四光傳輸元件均為偏振光纖或其他波導；所述第二光分束元件為光纖或在有S^2膜的硅片上刻蝕以實現光路分束的光分束槽；所述第二門光路元件和第三門光路元件均通過刻蝕有SiA膜的硅片形成圓形微腔結構或者在硅片上鑲嵌具有表面等離子體功能的納米金屬結構來實現。特別地，所述的輸出光路，包括第五光傳輸元件、第四門光路元件和光傳輸元件； 其中，所述第五光傳輸元件，用于傳輸讀出時間控制信號，其一端接入光源，另一端與所述第四門光路元件的輸入端相連接；所述第四門光路元件，其控制端與所述第二控制回路的輸出端相連，輸出端與所述光傳輸元件相連；所述光傳輸元件，用于向外輸出暫存的光脈沖信號。進一步地，所述第五光傳輸元件為偏振光纖或其他波導；所述第四門光路元件通過刻蝕有SW2膜的硅片形成圓形微腔結構或者在硅片上鑲嵌具有表面等離子體功能的納米金屬結構來實現。本發明的有益效果1、本發明利用光學元件進行延時實現光暫存器，其響應速度快，靈敏度高，延遲時間短，并且整個過程的功耗幾乎為零。
2、本發明所述光暫存器的所有元件都是光學元件，避免了任何電學元件的引入， 因此避免了電學元件存在的諸多缺陷。3、本發明所述光暫存器中各元件及各元件之間的光路距離均可做到數個微米量級，其主頻可以達到很高，更適合高主頻多位的存儲；另外，由于各元件尺寸及各元件之間的距離均非常的小，因此在室溫變化范圍內，熱膨脹所造成的光程差變化也極小。
圖1是本發明所述光學暫存器的一具體實施例的原理圖；
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本發明做進一步的描述。如圖1所示，本發明所述的光學暫存器，包括第一回路1，響應于存儲命令控制信號，將輸入的光脈沖信號經相位強度整形后以兩路輸出，其中，第一光脈沖輸出信號返回至該第一回路1的存儲命令控制信號的接收端； 第二光脈沖輸出信號輸出；第二回路2，響應于延時時間控制信號以及恒定有效光脈沖信號，接收所述第一回路輸出的第二光脈沖輸出信號，并對其進行相位強度整形后以兩路輸出，其中，第三光脈沖輸出信號返回至所述第一回路1的光脈沖信號輸入端，第四光脈沖輸出信號輸出；以及，輸出光路3，響應于讀出時間控制信號，接收所述第二回路2輸出的第四光脈沖輸出信號，輸出暫存的光脈沖信號。其中，所述第一回路和所述第二回路的光學回路長度相等。所述的光學回路長度具體為1 = nXc/f，其中，η為暫存位數(bit)，C為光速，f為所述光學暫存器的主頻；所述第一回路1和第二回路2構成了以所述主頻為頻率的自相關耦合循環。若為單bit暫存器，其內光學回路中僅有1個光脈沖信號，若為多bit暫存器，其內光路中同時循環脈沖序列。在實際操作過程中，可通過調整各光學器件間的延時線長度來實現第一回路和所述第二回路的光學回路長度相等。若采用現有的GHz重復頻率的脈沖激光器作為光源，單bit暫存器的第一回路和第二回路的長度需要1ns，即1 = 30cm，在微加工范圍內是非常巨大的尺度。所以本發明所述的光學暫存器更適用于未來的高主頻光學計算機，如其響應時間限制為10ps，光學暫存器主頻可達100GHz，則第一回路和第二回路的長度需要3mm長。考慮到光學門器件材料的進一步發展，其響應時間達到表面等離基元的響應速度，即小于20fs，則光學暫存器主頻可達50THz，第一回路和第二回路的長度則為6um，這個尺度非常適合進行微加工，也恰好達到超快激光脈沖目前可以看到的極限。因而，高主頻對多位存儲更加合適。作為本發明再進一步地實施例，如圖1所示，所述第一回路1，包括第一光傳輸元件11、第二光傳輸元件12，第一光合束元件21、第一門光路元件41、第二光合束元件22以及第一光分束元件31 ；其中，所述第一光傳輸元件11，用于傳輸存儲命令控制信號，其一端接入光源，另一端與所述第一光合束元件21的第一輸入端相連接；所述第二光傳輸元件12，用于傳輸光脈沖信號，其一端接入光源，另一端與所述第二光合束元件22的第一輸入端相連接；第一光合束元件21，其第一輸入端與所述第一光傳輸元件11相連接，第二輸入端與所述第一光分束元件31的第一輸出端相連接，將兩輸入端輸入的光脈沖信號合束后輸出；所述第一門光路元件41，其控制端411與所述第一光合束元件21的合束輸出端連接，輸入端連接所述第二光合束元件22的輸出端，輸出端連接所述第一光分束元件31的輸入端；所述第二光合束元件22，其第一輸入端與所述第二光傳輸元件12相連接，第二輸入端與所述第二回路2的輸出端相連；所述第一光分束元件31，其第二輸出端與所述第二回路2的輸入端相連。其中，上述實施例中，所述光源可以是單縱模偏振激光器；所述第一光傳輸元件 11和所述第二光傳輸元件12均為偏振光纖或其他波導；所述第一光合束元件21和第二光合束元件22均為光纖或在有S^2膜的硅片上刻蝕以實現光路合束的光合束槽；所述第一光分束元件31為光纖或在有S^2膜的硅片上刻蝕以實現光路分束的光分束槽；所述第一門光路元件41通過刻蝕有SW2膜的硅片形成圓形微腔結構或者在硅片上鑲嵌具有表面等離子體功能的納米金屬結構來實現。作為本發明再進一步地實施例，如圖1所示，所述第二回路2，包括第三光傳輸元件13、第四光傳輸元件14、第二門光路元件42、第二光分束元件32以及第三門光路元件 43;其中，所述第三光傳輸元件13，用于傳輸延時時間控制信號，其一端接入光源，另一端與所述第二門光路元件42的輸入端相連；所述第四光傳輸元件14，用于傳輸恒定有效光脈沖信號，其一端接入光源，另一端與所述第三門光路元件43的輸入端相連；所述第二門光路元件42，其控制端421與所述第一回路1的輸出端(從圖中看出該輸出端即第一分束元件31的第二輸出端)相連接，輸入端與所述第三光傳輸元件13相連接，輸出端與所述第二光分束元件32的輸入端相連接；所述第二光分束元件32，其第一輸出端與所述第三門光路元件43的控制端431相連接，第二輸出端與所述輸出光路3的輸入端(從圖中可以看出該輸入端即第四門光路元件44的控制端441)相連接；所述第三門光路元件43，其輸入端與所述第四光傳輸元件14相連接，輸出端與所述第一回路1的接入端(從圖中可以看出該輸入端即第二光合束單元22的第二輸入端) 相連接。其中，上述實施例中，所述光源可以是單縱模偏振激光器；所述第三光傳輸元件 13和所述第四光傳輸元件14均為偏振光纖或其他波導；所述第二光分束元件32為光纖或在有SW2膜的硅片上刻蝕以實現光路分束的光分束槽；所述第二門光路元件42和第三門光路元件43通過刻蝕有SW2膜的硅片形成圓形微腔結構或者在硅片上鑲嵌具有表面等離子體功能的納米金屬結構來實現。作為本發明更進一步地實施例，如圖1所示，所述的輸出光路3，包括第五光傳輸元件15、第四門光路元件44和光傳輸元件50 ；其中，
所述第五光傳輸元件15，用于傳輸讀出時間控制信號，其一端接入光源，另一端與所述第四門光路元件44的輸入端相連接；所述第四門光路元件44，其控制端441與所述第二控制回路2的輸出端相連，輸入端與所述第五光傳輸元件15相連接，輸出端與所述光傳輸元件50相連；所述光傳輸元件50，向外輸出暫存的光脈沖信號。其中，上述實施例中，所述光源可以是單縱模偏振激光器；所述第五光傳輸元件為偏振光纖或其他波導。所述第四門光路元件是通過刻蝕有SiO2膜的硅片形成圓形微腔結構或者在硅片上鑲嵌具有表面等離子體功能的納米金屬結構來實現。為便于清楚本發明所述光學暫存器工作原理，這里分別對上述各實施例中所述的各元件的工作原理進行詳細的描述。單波長單縱模偏振激光器作為光源，有光強時即為1，無光強時即為0，有光無光之間的切換速率即為該元件的主頻。光輸入元件和光輸出元件在傳統光學設計中，信號的輸入和輸出可直接由同一激光器等光程分束通過光線的傳輸來實現。而在微納光學設計中，信號的輸入和輸出可由偏振光纖或者波導的傳輸來實現。光分束元件和光合束元件在傳統光學中，可主要由半透半反片來實現，即一片鍍膜的光學玻璃，將入射光在透射和反射方向分成兩束；或者將兩束以九十度夾角入射的光在透射和反射方向合在一起。而在光纖光學和微納光學設計中，光束的分束和合束可通過控制兩路光在波導(光纖或刻蝕的光路)中的傳輸模式(分叉或者相交)來實現。本發明主要通過在硅片上刻蝕SiO2膜的方式來實現的光路的光分束槽和光合束槽，其中“槽”工藝，可使用電子束曝光或離子束刻蝕等微加工方式實現。另外需要說明的是光分束槽是將一束光平均分成兩束，兩束光的相位信息不變， 振幅為原來的1/2。光合束槽主要用于實現計算功能，即實現兩束光的相干疊加。由于光的波動傳輸特性，其相位在前進方向上以波長為周期變化著，若當兩光波的光程差為λ/2 的奇數倍距離時，兩光波的相位完全相反，若振幅(假設為1)又相同，由于其波動性干涉相消，兩光波合束后顯現出的光強即為0;若兩束光光程差為λ的整數倍，兩光波的相位相同，則出現相干增強，振幅為2。如下表1和表2所示，其中符號“丨”和“丨”用于表示相位。表 權利要求
1.一種光學暫存器，其特征在于，包括第一回路，響應于存儲命令控制信號，將輸入的光脈沖信號經相位強度整形后以兩路輸出，其中，第一光脈沖輸出信號返回至該第一回路的存儲命令控制信號的接收端；第二光脈沖輸出信號輸出；第二回路，響應于延時時間控制信號以及恒定有效光脈沖信號，接收所述第一回路輸出的第二光脈沖輸出信號，并對其進行相位強度整形后以兩路輸出，其中，第三光脈沖輸出信號返回至所述第一回路的光脈沖信號輸入端，第四光脈沖輸出信號輸出；以及，輸出光路，響應于讀出時間控制信號，接收所述第二回路輸出的第四光脈沖輸出信號， 輸出暫存的光脈沖信號。
2.根據權利要求1所述光學暫存器，其特征在于，所述第一回路和所述第二回路的光學回路長度相等。
3.根據權利要求2所述光學暫存器，其特征在于，所述的光學回路長度具體為1= nXc/f，其中，η為暫存位數，c為光速，f為所述光學暫存器的主頻；所述第一回路和第二回路構成以所述主頻為頻率的自相關耦合循環。
4.根據權利要求1、2或3所述光學暫存器，其特征在于，所述第一回路，包括第一光傳輸元件、第二光傳輸元件，第一光合束元件、第一門光路元件、第二光合束元件以及第一光分束元件；其中，所述第一光傳輸元件，用于傳輸存儲命令控制信號，其一端接入光源，另一端與所述第一光合束元件的第一輸入端相連接；所述第二光傳輸元件，用于傳輸光脈沖信號，其一端接入光源，另一端與所述第二光合束元件的第一輸入端相連接；第一光合束元件，其第二輸入端與所述第一光分束元件的第一輸出端相連接，將第一輸入端和第二輸入端輸入的光脈沖信號合束后輸出；所述第一門光路元件，其控制端與所述第一光合束元件的合束輸出端連接，輸入端連接所述第二光合束元件的輸出端，輸出端連接所述第一光分束元件的輸入端； 所述第二光合束元件，其第二輸入端與所述第二回路的輸出端相連； 所述第一光分束元件，其第二輸出端與所述第二回路的輸入端相連。
5.根據權利要求4所述光學暫存器，其特征在于，所述第一光傳輸元件和所述第二光傳輸元件均為偏振光纖；所述第一光合束元件和第二光合束元件均為光纖或在有S^2膜的硅片上刻蝕以實現光路合束的光合束槽；所述第一光分束元件為光纖或在有SiO2膜的硅片上刻蝕以實現光路分束的光分束槽；所述第一門光路元件通過刻蝕有S^2膜的硅片形成圓形微腔結構或者在硅片上鑲嵌具有表面等離子體功能的納米金屬結構來實現。
6.根據權利要求1、2或3所述光學暫存器，其特征在于，所述第二回路，包括第三光傳輸元件、第四光傳輸元件、第二門光路元件、第二光分束元件以及第三門光路元件；其中，所述第三光傳輸元件，用于傳輸延時時間控制信號，其一端接入光源，另一端與所述第二門光路元件的輸入端相連；所述第四光傳輸元件，用于傳輸恒定有效光脈沖信號，其一端接入光源，另一端與所述第三門光路元件的輸入端相連；所述第二門光路元件，其控制端與所述第一回路的輸出端相連接，輸出端與所述第二光分束元件的輸入端相連接；所述第二光分束元件，其第一輸出端與所述第三門光路元件的控制端相連接，第二輸出端與所述輸出光路的輸入端相連接；所述第三門光路元件，其輸出端與所述第一回路的接入端相連接。
7.根據權利要求6所述光學暫存器，其特征在于，所述第三光傳輸元件和所述第四光傳輸元件均為偏振光纖；所述第二光分束元件為光纖或在有S^2膜的硅片上刻蝕以實現光路分束的光分束槽；所述第二門光路元件和第三門光路元件均通過刻蝕有SiO2膜的硅片形成圓形微腔結構或者在硅片上鑲嵌具有表面等離子體功能的納米金屬結構來實現。
8.根據權利要求1、2或3所述光學暫存器，其特征在于，所述的輸出光路，包括第五光傳輸元件、第四門光路元件和光傳輸元件；其中，所述第五光傳輸元件，用于傳輸讀出時間控制信號，其一端接入光源，另一端與所述第四門光路元件的輸入端相連接；所述第四門光路元件，其控制端與所述第二控制回路的輸出端相連，輸出端與所述光傳輸元件相連；所述光傳輸元件，用于向外輸出暫存的光脈沖信號。
9.根據權利要求8所述光學暫存器，其特征在于， 所述第五光傳輸元件為偏振光纖；所述第四門光路元件通過刻蝕有SiO2膜的硅片形成圓形微腔結構或者在硅片上鑲嵌具有表面等離子體功能的納米金屬結構來實現。
全文摘要
本發明公開一種光學暫存器，主要是為了提供一種響應速度快，靈敏度高及延遲時間短的暫存器而設計。本發明光學暫存器包括第一回路，響應于存儲命令控制信號，將輸入的光脈沖信號經相位強度整形后以兩路輸出，其中，第一光脈沖輸出信號返回至該第一回路的存儲命令控制信號的接收端；第二光脈沖輸出信號輸出；第二回路，響應于延時時間控制信號以及恒定有效光脈沖信號，接收第一回路輸出的第二光脈沖輸出信號，并對其進行相位強度整形后以兩路輸出，其中，第三光脈沖輸出信號返回至第一回路的光脈沖信號輸入端，第四光脈沖輸出信號輸出；以及，輸出光路，響應于讀出時間控制信號，接收第二回路輸出的第四光脈沖輸出信號，輸出暫存的光脈沖信號。
文檔編號G11C13/04GK102411986SQ20111030743
公開日2012年4月11日 申請日期2011年10月12日 優先權日2011年10月12日
發明者劉亞楠, 單欣巖, 張衛華, 張小平 申請人:清華大學