一种基于2×2微环开关阵列的光逻辑器件

本发明属于光学逻辑计算领域，具体涉及一种适用于光计算领域的基于2×2微环开关阵列的光逻辑器件。

背景技术：

1、由于大数据、人工智能(ai)和云计算的快速发展，全球通信流量呈现指数式增长。面对通信数据的爆炸式增加，传统的电交换结节在实现数据中心互联时会面临功耗、时延和带宽等诸多技术瓶颈，并且ai算力需求的增长速度已经远超摩尔定律的增长速度，集成电路的信息处理能力已经接近物理极限。因此，人们迫切需要一种新的信息处理方案来解决这些问题。近年来越来越多的研究表明，将光子作为信息载体的集成光路，有望替代集成电路来实现更大规模的互联和计算。与电子相比，通过光子来进行信息传输和处理，可以获得更快的传输速率、更低的延迟和更大的带宽。

2、光逻辑器件作为集成光路中的重要元件，近年来受到了越来越多的关注。实现光逻辑运算主要有两种方案：一种是通过光的非线性效应，利用半导体放大器或者光子晶体来进行逻辑运算，输入信号和输出信号都是光子；另一种是通过热光效应或者电光效应，来调制微环谐振器或马赫曾德尔干涉仪完成逻辑运算，输入信号为电子，输出信号为光子。前者虽然有着极快的调制速率，但需要高功率的输入光，不利于大规模集成。而后者通过电子进行的逻辑操作运算是并行的，计算的结果通过光子输出，避免了传统电子逻辑器件中串行运算的延迟积累，并且可以进行大规模集成。但基于微环谐振器和马赫曾德尔干涉仪的光逻辑器件通常只能实现单一的逻辑运算，且结构较为复杂，不易于进行拓展。

技术实现思路

1、为了解决背景技术所述的问题，本发明提出了一种适用于光计算领域的基于2×2微环开关阵列的光逻辑器件。本发明利用微环开关阵列中的多个端口，实现了多种逻辑运算。

2、如图1所示，本发明所述的基于2×2微环开关阵列的光逻辑器件，从下至上由si衬底(1)、sio2下包层(2)、si芯层(3)、sio2上包层(4)和金属电极(5)组成；si芯层(3)位于sio2下包层(2)之上，被sio2上包层(4)覆盖；si衬底(1)的厚度为200nm，sio2下包层(2)的厚度为2μm，sio2上包层(4)的厚度为1μm；si芯层(3)为“底部平板层+顶部脊层”的脊型结构，平板层宽度与si衬底(1)宽度相同，平板层厚度为70nm；脊层宽度为500nm，脊层厚度为150nm，金属电极(5)制作在sio2上包层(4)之上，为70μm×70μm的正方形结构，材料为alcu合金。

3、如图2所示，si芯层(3)是由4个带硅基电光调制器的微环(r1、r2、r3和r4)和4条直波导按照crossbar架构构成的2×2开关阵列，4条直波导两横两纵垂直交叉设置，形成四个交叉点，微环r1、r2、r3、r4分别放置在四个交叉点的左上方，与2条垂直的直波导分别都留有一段相同的耦合距离，在耦合处形成微环r1第一耦合区z1、微环r1第二耦合区z2、微环r2第一耦合区z3、微环r2第二耦合区z4、微环r3第一耦合区z5、微环r3第二耦合区z6、微环r4第一耦合区z7和微环r4第二耦合区z8等8个耦合区域；为描述方便，微环r1第一耦合区z1前面的直波导为微环r1第一输入si波导(101)，微环r1第一耦合区z1后面的直波导为微环r1第一输出si波导(102)，微环r1第二耦合区z2前面的直波导为微环r1第二输入si波导(103)、微环r1第二耦合区z2后面的直波导为微环r1第二输出si波导(104)；微环r2第一耦合区z3前面的直波导为微环r2第一输入si波导(201)，微环r2第一耦合区z3后面的直波导为微环r2第一输出si波导(202)，微环r2第二耦合区z4前面的直波导为微环r2第二输入si波导(203)、微环r2第二耦合区z4后面的直波导为微环r2第二输出si波导(204)；微环r3第一耦合区z5前面的直波导为微环r3第一输入si波导(301)，微环r3第一耦合区z5后面的直波导为微环r3第一输出si波导(302)，微环r3第二耦合区z6前面的直波导为微环r3第二输入si波导(303)、微环r3第二耦合区z6后面的直波导为微环r3第二输出si波导(304)；微环r4第一耦合区z7前面的直波导为微环r4第一输入si波导(401)，微环r4第一耦合区z7后面的直波导为微环r4第一输出si波导(402)，微环r4第二耦合区z8前面的直波导为微环r4第二输入si波导(403)、微环r4第二耦合区z8后面的直波导为微环r4第二输出si波导(404)；微环r1第一输出si波导(102)和微环r1第二输入si波导(103)相垂直，微环r2第一输出si波导(202)和微环r2第二输入si波导(203)相垂直，微环r3第一输出si波导(302)和微环r3第二输入si波导(303)相垂直，微环r4第一输出si波导(402)和微环r4第二输入si波导(403)相垂直；4条直波导的两端构成开关阵列的输入端口1、输入端口2、输入端口3和输入端口4(即图2中的input1、input2、input3和input4)和输出端口1、输出端口2、输出端口3和输出端口4(即图2中的output1、output2、output3和output4)；输入端口1与微环r1的第一输入波导(101)相连接，微环r1第一输出波导(102)和微环r2第一输入波导(201)相连接，微环r1第二输入波导(103)与微环r3第二输出波导(304)相连接，微环r1第二输出波导(104)与输出端口1相连接；微环r2第一输出波导(202)与输出端口2相连接，微环r2第二输入波导(203)与微环r4第二输出波导(404)相连接，微环r2第二输出波导(204)与输出端口2相连接；输入端口2与微环r3第一输入波导(301)相连接，微环r3第一输出波导(302)和微环r4第一输入波导(401)相连接，微环r3第二输入波导(303)与输入端口3相连接；微环r4第一输出波导(402)与输出端口4相连接，微环r4第二输入波导(403)与输出端口4相连接。

4、所述的si波导和微环r1、r2、r3和r4均工作在单模条件，为简化模型，不考虑由于波长变化带来的si波导折射率变化(即色散)，微环的有效折射率n恒定为2.53。微环r1、r2、r3和r4的结构参数完全一致，半径均为30μm，以确保它们有着相同的谐振波长。选择一个谐振波长λw作为工作波长，微环r1、r2、r3和r4均在该工作波长(1548.356nm)处发生谐振。

5、如图3所示，直波导和微环耦合区域内的振幅耦合系数和振幅透射系数分别被标记为k和t。耦合系数k与耦合距离有关，耦合距离越小则耦合系数越大，为模拟方便，设置所有微环与直波导之间的耦合系数k均为0.1。在理想情况下，即不考虑耦合损耗的前提下，透射系数t和耦合系数k满足：t2+k2＝1。

6、如图4所示，通过金属电极将电信号施加在各个微环上对其进行调制，改变微环的有效折射率，从而实现谐振波长的偏移。如图4所示，为本发明所述带有硅基电光调制器的微环谐振器(mrr)及横截面示意图，在1个微环半圆两侧的si平板层中通过掺杂形成p++区和n++区(通过离子注入的方式在设定的位置注入n、p、as则为n类型掺杂，p类型则掺杂为b、ga、in，这里的掺杂浓度均为1.7×1020/cm3)，p++区和n++区通过介质通孔(介质通孔填充的材料为钨)与位于二氧化硅上包层(4)上方的2个金属电极(一个微环和两个矩形电极对应，4个微环对应8个电极)分别相连接；通过在相应的金属电极上施加电压，就会在相应的微环中产生一个由正极到负极的电场，该电场会改变微环中的载流子浓度，使微环的有效折射率n发生变化，继而改变微环的谐振波长，从而实现光逻辑开关功能。为模拟方便，设定施加电压后有效折射率变化δn为0.002。当从输入端口输入信号光时，只有一部分满足谐振条件(m×λ＝2π×r×n，r是微环半径)的信号光会从下载端(当微环不发生谐振，光就会直接经过微环从一个端口输出，也就是直通过去，所以把这个端口称为“直通端”；相反，当微环在特定情况下发生谐振时，光信号就会从另一个端口进行输出，有类似提取、下载的意思，所以这个端口称为“下载端”)进行输出，其余不满足谐振条件(m×λ＝2π×r×n)的信号光则直接从直通端进行输出。

7、微环阵列的相关优选参数如表1所示。

8、表1：微环阵列的相关优选参数

9、 <![cdata[微环半径r_i(i＝1、2、3、4)]]> 30μm <![cdata[耦合系数k_i(i＝1、2……7、8)]]> 0.1 <![cdata[透射系数t_i(i＝1、2……7、8)]]> 0.994 有效折射率n 2.53 有效折射率变化δn 0.002 <![cdata[谐振波长λ_w]]> 1548.356nm si平板层厚度 70nm si脊层厚度 150nm si脊层宽度 500nm 101、301、303、403波导长度 80μm 104、204、202、402波导长度 80μm 102、201、302、401波导长度 68μm 304、103、404、203波导长度 68μm

10、本器件是采用180nm深紫外(uv)光刻技术和等离子体刻蚀(icp)的标准工艺在硅绝缘体(soi)晶圆上制造的(wafer-scale demonstration of low-loss(～0.43db/cm),high-bandwidth(>38ghz),silicon photonics platform operating at the c-band；ieee photonics journal,vol.14,no.3,june 2022)，晶圆顶层为220纳米厚的硅(等于si平板层(70nm)和si脊层(150nm)的厚度总和)，并埋有2μm厚的二氧化硅，顶部沉积了1μm厚的二氧化硅作为上包层。

11、施加在阵列中各个微环上的电信号为输入逻辑数，不施加电信号时为输入逻辑“0”，微环在工作波长处发生谐振；施加电信号使微环有效折射率变化时为输入逻辑“1”，此时微环的谐振波长发生偏移，微环在工作波长处不发生谐振。输出端口输出的光为输出逻辑数，输出端口光强较强时为输出逻辑“1”，输出端口光强较弱时为输出逻辑“0”。

12、将波长为λw的信号光输入到输入端口1，分别对微环r1和微环r2施加两个电信号，此时把施加在微环r1的电信号定义为输入逻辑a、施加在微环r2上的电信号定义为输入逻辑b，定义输出端口3输出的光强为输出逻辑e1，此时在输出端口3实现与运算。由于crossbar架构的对称性，将波长为λw的信号光输入到输入端口4，分别对微环r4和微环r2施加两个电信号，在输出端口2也能实现与运算。

13、将波长为λw的信号光输入到输入端口2，分别对微环r2和微环r3施加两个电信号，此时把施加在微环r3的电信号定义为输入逻辑c、施加在微环r2上的电信号定义为输入逻辑b，定义输出端口2输出的光强为输出逻辑n1，实现同或运算。由于crossbar架构的对称性，将波长为λw的信号光输入到输入端口3，分别对微环r2和微环r3施加两个电信号，在输出端口3也能实现同或运算。

14、将波长为λw的信号光输入到输入端口2，分别对微环r2和微环r3施加电信号，此时把施加在微环r3的电信号定义为输入逻辑c、施加在微环r2上的电信号定义为输入逻辑b，定义输出端口3输出的光强为输出逻辑e1，实现异或运算。由于crossbar架构的对称性，将波长为λw的信号光输入到输入端口3，分别对微环r2和微环r3施加两个电信号，在输出端口2也能实现异或运算。

15、将波长为λw的信号光输入到输入端口2，将一个电信号施加在微环r3上，并将另一个电信号同时施加在微环r2和r4上，对微环r2和r4进行同步调制，此时把施加在微环r3的电信号定义为输入逻辑c、施加在微环r2和r4上的电信号定义为输入逻辑d，定义输出端口3输出的光强为输出逻辑e1、定义输出端口4输出的光强为输出逻辑e2，其中输出逻辑e1为和输出，输出逻辑e2为进位输出，整体实现半加运算。由于crossbar架构的对称性，将波长为λw的信号光输入到输入端口3，将一个电信号施加在微环r3上，并将另一个电信号同时施加在微环r2和r1上，在输出端口2的输出逻辑为和输出，在输出端口1的输出逻辑为进位输出，整体也能实现半加运算。

16、与现有技术相比，本发明的创新之处在于：

17、1、该器件是在硅基soi平台上制作的，得益于硅基soi平台的高折射率差，硅波导有着纳米级的尺寸以及较强的光场限制能力，较小的弯曲半径使得器件易于集成和拓展。

18、2、利用光子器件实现逻辑运算，避免了传统电子器件带来的电磁干扰和寄生电容的影响，并且有着较低的功耗。

19、3、该光逻辑器件输入为四个待计算的电脉冲序列，输出为光脉冲序列。

20、4、该光逻辑器件可以在不同的输出端口实现多种逻辑运算。

21、5、该光逻辑器件采用crossbar架构，结构简单，易于设计和拓展。