本發(fā)明屬于光計算，涉及一種面向高性能光計算的集成光學導向邏輯運算器，在光計算、光通信和光互聯(lián)等光電子領域都具有很高的應用潛力。

背景技術：

1、邏輯運算是集成電路芯片最基本最關鍵的功能之一。傳統(tǒng)電子邏輯芯片通過基本邏輯門級聯(lián)實現(xiàn)計算和信息處理的方式，面臨著時延累積影響芯片性能、摩爾定律瓶頸、量子不確定性、成本與工藝等問題。相較于電子邏輯芯片，光學導向邏輯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號進行信息傳輸和處理，將光子學和計算相結合。

2、電光導向邏輯的操作數(shù)是電子，而運算結果是光子，其中電信號用于控制光網(wǎng)絡中光開關的狀態(tài)，參與運算的是光信號，以實現(xiàn)電控光的邏輯功能。光網(wǎng)絡中的所有電信號是并行加載的，因此所有開關可以同時完成切換實現(xiàn)相應的計算。計算結果通過芯片上的光子傳輸，因此計算速度非常快，且光開關切換延遲不會累積。由于導向邏輯沒有光功率要求，因而能夠進行級聯(lián)以實現(xiàn)大規(guī)模計算。更重要的是，電可以很方便地進行控制與存儲，光可以用非常高的頻率進行調制，并且有許多復用技術可以用來進行并行計算，因此，導向邏輯機制有望成為下一代超高速、超大容量“電子光子數(shù)字計算機”的理想方案。導向邏輯的發(fā)展對于實現(xiàn)更大規(guī)模、更高性能、更通用的電光計算機制至關重要。

3、2007年，美國愛達荷州立大學和康乃爾大學團隊同時提出了光電混合邏輯的概念和方案，通過調制器或者光開關控制光路的通斷來表示邏輯1和0，從而實現(xiàn)光電混合邏輯運算。2012年美國萊斯大學團隊進一步利用硅基微環(huán)或者微盤實現(xiàn)可重構的光電混合邏輯。2017年，加拿大卡爾頓大學團隊提出了多功能微盤導向邏輯結構，并實現(xiàn)了加法器、比較器等復雜邏輯功能。2020年，美國德克薩斯大學奧斯汀分校團隊提出了可拓展到多比特的光電混合加法器、數(shù)據(jù)分配器和比較器架構。中國科學院半導體研究所團隊自2011年以來，以微環(huán)調制器為基礎構建各種光學邏輯回路，實現(xiàn)各種基礎邏輯單元以及譯碼器等功能。2020年，被譽為“硅光之父”的著名光子學專家richard?soref教授在其文章中評價光學導向邏輯機制時認為，它是實現(xiàn)下一代“數(shù)字電子-光子計算機”（electronic-photonicdigital?computer,?epdc）的可行方案，因為導向邏輯將光學邏輯芯片的低延時與高性能完美結合到電子計算機中，使得計算機具有更高的性能指標。因此，光電導向邏輯方案融合了電子和光子的優(yōu)點，將光的高性能嵌入到邏輯運算中，進而提升其性能指標，同時有效地避免了電子的缺點。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種能實現(xiàn)多比特位高級邏輯運算的基于微環(huán)諧振器的可重構光電邏輯運算器。

2、本發(fā)明所采用的技術方案是：一種基于微環(huán)諧振器的可重構光電邏輯運算器，由反向偏置pn結調制結構的微環(huán)諧振器光開關構成，包括四個波導和多個可調微環(huán)，該四個波導包括3個輸入波導和1個未輸入波導，其中的第一波導和第二波導經(jīng)過兩次交叉，每個交叉處均設置有一個微環(huán)，且該兩個微環(huán)同時與第一波導和第二波導相切，以實現(xiàn)復雜的同或異或邏輯運算，第一波導與依次設置的第三微環(huán)、第四微環(huán)、第五微環(huán)和第六微環(huán)分別相切，第二波導與依次設置的第七微環(huán)、第八微環(huán)、第九微環(huán)和第十微環(huán)分別相切；第三波導和第四波導也經(jīng)過了兩次交叉，每個交叉處均設置有一個另外的微環(huán)，且該兩個另外的微環(huán)同時與第三波導和第四波導相切，第四波導的尾部與第五微環(huán)和第六微環(huán)也相切。

3、本發(fā)明可重構光電邏輯運算器是一種基于微環(huán)諧振的可重構光電導向邏輯芯片。

4、本發(fā)明可重構光電邏輯運算器具有如下優(yōu)點：

5、1、利用光優(yōu)異性質能夠實現(xiàn)邏輯運算的高速低損耗的傳輸計算；由于光電導向邏輯芯片的制作工藝與cmos?技術高度契合，使得其能夠在片上高度集成，有體積小、功耗低的優(yōu)點，并且光子學和計算相結合，電信號用于控制光網(wǎng)絡中光開關的狀態(tài)，參與運算的是光信號，以實現(xiàn)電控光的邏輯功能。電可以很方便地進行控制與存儲，光可以用非常高的頻率進行調制，并且有許多復用技術可以用來進行并行計算，因此，本發(fā)明在下一代超高速、超大容量“電子光子數(shù)字計算機”中會發(fā)揮出重要的作用。

6、2、在功能方面，本發(fā)明提供的基于雙環(huán)構建的基本單元可以實現(xiàn)基本的邏輯運算，采用多個并行、高速調制的微環(huán)諧振器光電邏輯門結構經(jīng)過特定的排序組合后可以實現(xiàn)2比特全加器、全減器、數(shù)字比較器的復雜邏輯運算功能，極大地提高了芯片的計算能力和數(shù)據(jù)處理效率。因此，本發(fā)明為光計算技術的應用提供了可靠和高效的基礎支持，且在未來光計算領域有巨大的應用潛力。

7、3、本發(fā)明所設計的芯片具有出色的性能，能夠處理速率高達20?gbit/s的輸入信號，且邏輯輸出過程中損耗控制在小于20?db的范圍內。這一優(yōu)化設計確保了芯片在數(shù)據(jù)傳輸和處理過程中具備高速、穩(wěn)定和低損耗的功能。無論是在高速通信領域，還是在其他需要快速且可靠數(shù)據(jù)處理的應用場景中，都能夠發(fā)揮重要作用。

技術特征：

1.一種基于微環(huán)諧振器的可重構光電邏輯運算器，其特征在于，該光電邏輯運算器由反向偏置pn結調制結構的微環(huán)諧振器光開關構成，包括四個波導和多個可調微環(huán)，該四個波導包括3個輸入波導和1個未輸入波導，其中的第一波導和第二波導經(jīng)過兩次交叉，每個交叉處均設置有一個微環(huán)，且該兩個微環(huán)同時與第一波導和第二波導相切，以實現(xiàn)復雜的同或異或邏輯運算，第一波導與依次設置的第三微環(huán)、第四微環(huán)、第五微環(huán)和第六微環(huán)分別相切，第二波導與依次設置的第七微環(huán)、第八微環(huán)、第九微環(huán)和第十微環(huán)分別相切；第三波導和第四波導也經(jīng)過了兩次交叉，每個交叉處均設置有一個另外的微環(huán)，且該兩個另外的微環(huán)同時與第三波導和第四波導相切，第四波導的尾部與第五微環(huán)和第六微環(huán)也相切。

2.如權利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的可重構光電邏輯運算器，其特征在于，在光域上采用多個雙環(huán)實現(xiàn)多種特定的乘法運算，通過不同的波長進行累加實現(xiàn)加法操作，最終實現(xiàn)了多個高級光電邏輯運算，為光學計算、信號處理和通信系統(tǒng)提供重要支持。

3.如權利要求1所述的基于微環(huán)諧振器的可重構光電邏輯運算器，其特征在于，采用一種通用的結構實現(xiàn)可重構的光電邏輯運算，該通用的結構包括2比特全加器、全減器、數(shù)字比較器；使用多個2比特全加器、全減器、數(shù)字比較器進行級聯(lián)，可以分別實現(xiàn)多比特的全加器、全減器、數(shù)字比較器，進而實現(xiàn)可重構多比特高級光電邏輯回路芯片，提高計算芯片算力并解決光子邏輯運算的擴展性和級聯(lián)性難題。

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于微環(huán)諧振器的可重構光電邏輯運算器，它是基于反向偏置PN結調制結構的微環(huán)諧振器光開關構成的，包括四個波導和多個微環(huán)。通過串聯(lián)和并聯(lián)的組合方案，兩個微環(huán)諧振器能夠實現(xiàn)與、非、同或和異或等不同邏輯運算。同時，多個雙環(huán)組合可實現(xiàn)可重構的高級光電邏輯運算，如2比特全加器、全減器和數(shù)字比較器。該器件的設計結構緊湊，能夠實現(xiàn)高速、低功耗的高級光電邏輯運算功能。通過精心設計微環(huán)諧振器的參數(shù)和布局，可以實現(xiàn)多種邏輯運算的靈活組合，為光電集成電路的發(fā)展提供了新的思路和解決方案。該可重構光電邏輯運算器在光通信、光計算等領域具有重要的應用前景，有望推動光電子技術的發(fā)展，促進信息處理速度和效率的提升。

技術研發(fā)人員：田永輝,孟帥,周旭東,袁明瑞,肖恢芙,蔣永恒,張樸,尹若宇
受保護的技術使用者：蘭州大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/10