基于微环谐振器的可重构光电逻辑运算器

本发明属于光计算，涉及一种面向高性能光计算的集成光学导向逻辑运算器，在光计算、光通信和光互联等光电子领域都具有很高的应用潜力。

背景技术：

1、逻辑运算是集成电路芯片最基本最关键的功能之一。传统电子逻辑芯片通过基本逻辑门级联实现计算和信息处理的方式，面临着时延累积影响芯片性能、摩尔定律瓶颈、量子不确定性、成本与工艺等问题。相较于电子逻辑芯片，光学导向逻辑芯片具有更快的速度、更低的功耗和更高的集成度，其基本思想是利用光信号进行信息传输和处理，将光子学和计算相结合。

2、电光导向逻辑的操作数是电子，而运算结果是光子，其中电信号用于控制光网络中光开关的状态，参与运算的是光信号，以实现电控光的逻辑功能。光网络中的所有电信号是并行加载的，因此所有开关可以同时完成切换实现相应的计算。计算结果通过芯片上的光子传输，因此计算速度非常快，且光开关切换延迟不会累积。由于导向逻辑没有光功率要求，因而能够进行级联以实现大规模计算。更重要的是，电可以很方便地进行控制与存储，光可以用非常高的频率进行调制，并且有许多复用技术可以用来进行并行计算，因此，导向逻辑机制有望成为下一代超高速、超大容量“电子光子数字计算机”的理想方案。导向逻辑的发展对于实现更大规模、更高性能、更通用的电光计算机制至关重要。

3、2007年，美国爱达荷州立大学和康乃尔大学团队同时提出了光电混合逻辑的概念和方案，通过调制器或者光开关控制光路的通断来表示逻辑1和0，从而实现光电混合逻辑运算。2012年美国莱斯大学团队进一步利用硅基微环或者微盘实现可重构的光电混合逻辑。2017年，加拿大卡尔顿大学团队提出了多功能微盘导向逻辑结构，并实现了加法器、比较器等复杂逻辑功能。2020年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校团队提出了可拓展到多比特的光电混合加法器、数据分配器和比较器架构。中国科学院半导体研究所团队自2011年以来，以微环调制器为基础构建各种光学逻辑回路，实现各种基础逻辑单元以及译码器等功能。2020年，被誉为“硅光之父”的著名光子学专家richard soref教授在其文章中评价光学导向逻辑机制时认为，它是实现下一代“数字电子-光子计算机”（electronic-photonicdigital computer, epdc）的可行方案，因为导向逻辑将光学逻辑芯片的低延时与高性能完美结合到电子计算机中，使得计算机具有更高的性能指标。因此，光电导向逻辑方案融合了电子和光子的优点，将光的高性能嵌入到逻辑运算中，进而提升其性能指标，同时有效地避免了电子的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种能实现多比特位高级逻辑运算的基于微环谐振器的可重构光电逻辑运算器。

2、本发明所采用的技术方案是：一种基于微环谐振器的可重构光电逻辑运算器，由反向偏置pn结调制结构的微环谐振器光开关构成，包括四个波导和多个可调微环，该四个波导包括3个输入波导和1个未输入波导，其中的第一波导和第二波导经过两次交叉，每个交叉处均设置有一个微环，且该两个微环同时与第一波导和第二波导相切，以实现复杂的同或异或逻辑运算，第一波导与依次设置的第三微环、第四微环、第五微环和第六微环分别相切，第二波导与依次设置的第七微环、第八微环、第九微环和第十微环分别相切；第三波导和第四波导也经过了两次交叉，每个交叉处均设置有一个另外的微环，且该两个另外的微环同时与第三波导和第四波导相切，第四波导的尾部与第五微环和第六微环也相切。

3、本发明可重构光电逻辑运算器是一种基于微环谐振的可重构光电导向逻辑芯片。

4、本发明可重构光电逻辑运算器具有如下优点：

5、1、利用光优异性质能够实现逻辑运算的高速低损耗的传输计算；由于光电导向逻辑芯片的制作工艺与cmos 技术高度契合，使得其能够在片上高度集成，有体积小、功耗低的优点，并且光子学和计算相结合，电信号用于控制光网络中光开关的状态，参与运算的是光信号，以实现电控光的逻辑功能。电可以很方便地进行控制与存储，光可以用非常高的频率进行调制，并且有许多复用技术可以用来进行并行计算，因此，本发明在下一代超高速、超大容量“电子光子数字计算机”中会发挥出重要的作用。

6、2、在功能方面，本发明提供的基于双环构建的基本单元可以实现基本的逻辑运算，采用多个并行、高速调制的微环谐振器光电逻辑门结构经过特定的排序组合后可以实现2比特全加器、全减器、数字比较器的复杂逻辑运算功能，极大地提高了芯片的计算能力和数据处理效率。因此，本发明为光计算技术的应用提供了可靠和高效的基础支持，且在未来光计算领域有巨大的应用潜力。

7、3、本发明所设计的芯片具有出色的性能，能够处理速率高达20 gbit/s的输入信号，且逻辑输出过程中损耗控制在小于20 db的范围内。这一优化设计确保了芯片在数据传输和处理过程中具备高速、稳定和低损耗的功能。无论是在高速通信领域，还是在其他需要快速且可靠数据处理的应用场景中，都能够发挥重要作用。

技术特征：

1.一种基于微环谐振器的可重构光电逻辑运算器，其特征在于，该光电逻辑运算器由反向偏置pn结调制结构的微环谐振器光开关构成，包括四个波导和多个可调微环，该四个波导包括3个输入波导和1个未输入波导，其中的第一波导和第二波导经过两次交叉，每个交叉处均设置有一个微环，且该两个微环同时与第一波导和第二波导相切，以实现复杂的同或异或逻辑运算，第一波导与依次设置的第三微环、第四微环、第五微环和第六微环分别相切，第二波导与依次设置的第七微环、第八微环、第九微环和第十微环分别相切；第三波导和第四波导也经过了两次交叉，每个交叉处均设置有一个另外的微环，且该两个另外的微环同时与第三波导和第四波导相切，第四波导的尾部与第五微环和第六微环也相切。

2.如权利要求1所述的基于微环谐振器的可重构光电逻辑运算器，其特征在于，在光域上采用多个双环实现多种特定的乘法运算，通过不同的波长进行累加实现加法操作，最终实现了多个高级光电逻辑运算，为光学计算、信号处理和通信系统提供重要支持。

3.如权利要求1所述的基于微环谐振器的可重构光电逻辑运算器，其特征在于，采用一种通用的结构实现可重构的光电逻辑运算，该通用的结构包括2比特全加器、全减器、数字比较器；使用多个2比特全加器、全减器、数字比较器进行级联，可以分别实现多比特的全加器、全减器、数字比较器，进而实现可重构多比特高级光电逻辑回路芯片，提高计算芯片算力并解决光子逻辑运算的扩展性和级联性难题。

技术总结本发明公开了一种基于微环谐振器的可重构光电逻辑运算器，它是基于反向偏置PN结调制结构的微环谐振器光开关构成的，包括四个波导和多个微环。通过串联和并联的组合方案，两个微环谐振器能够实现与、非、同或和异或等不同逻辑运算。同时，多个双环组合可实现可重构的高级光电逻辑运算，如2比特全加器、全减器和数字比较器。该器件的设计结构紧凑，能够实现高速、低功耗的高级光电逻辑运算功能。通过精心设计微环谐振器的参数和布局，可以实现多种逻辑运算的灵活组合，为光电集成电路的发展提供了新的思路和解决方案。该可重构光电逻辑运算器在光通信、光计算等领域具有重要的应用前景，有望推动光电子技术的发展，促进信息处理速度和效率的提升。技术研发人员：田永辉,孟帅,周旭东,袁明瑞,肖恢芙,蒋永恒,张朴,尹若宇受保护的技术使用者：兰州大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10