论文部分内容阅读
目前，集成电路中芯片特征尺寸的进一步缩小受到量子隧穿效应等基本物理原理的限制从而导致了集成电路很难按照摩尔定律继续发展下去。电了信息处理能力的提升空间遇到了瓶颈，但是随着人们生活水平的提高，人们对信息处理提出了更高的要求，例如在视频广播、可视电话、视频会议等方面对信息处理提出了更高速度更高性能的要求。这样，一方面电子信息处理性能的提高遇到瓶颈，另一方面人们对信息处理的能力提出了更高的要求，如何解决这两方面的矛盾成了科研人员待以解决的首要问题。针对大容量高速信息处理的需求研究开发新型信息处理方式已经成为普遍的共识。 本论文的主要目的是研究一种称为“导向逻辑”的新型光信息处理方案。导向逻辑的概念最初由美国科学家James Hardy和以色列科学家Joseph Shamir于2007年提出，其基本思想是利用逻辑操作数控制光开关网络中的开关状态来控制光的传播方向，最终将逻辑运算结果以光的形式在特定的输出端口输出。导向逻辑利用光开关网络来控制光的传播完成逻辑运算，其具有一下优势:一，导向逻辑的控制信号为电，运算信号为光，因此导向逻辑合理的利用了光和电的优势避免了它们的劣势;二，逻辑操作数对光开关的作用是同时完成的，这有别于传统电学逻辑的运算方式，在那里后级电路需要等待前级电路的运算结果;三，其运算过程依赖于光的传播，天然具有高带宽与低延迟的特点;四，导向逻辑可以同时计算一个函数和其函数的“非”。 导向逻辑器件的基本单元为光开关，它有多种实现方式，本文要研究的是基于硅基微纳波导的微环谐振器(MRR，Micro-Ring Resonator)的光开关，它具有工艺成熟、集成度高及可实现光电混合集成的优点。本文的主要工作是对基于MRR光开关的各种导向逻辑器件进行原理性验证，并利用等离子色散效应实现了更高运算速度的导向逻辑器件。在本文的最后，提出了几种基于MRR的可重构导向逻辑器件。 第一章介绍了电信息处理所面临的问题及光信息处理的优势。首先指出电信息处理能力的提升已经面临了物理瓶颈，电信息处理很难继续按照摩尔定律而发展。随后介绍了基于半导体光放大器、周期极化铌酸锂波导、高非线性光纤及平面光波回路的光信息处理方案。在简要介绍了新兴的硅基光子学研究进展之后，介绍了本文要研究的导向逻辑的概念，以及本文的目的、主要内容与创新点。 第二章介绍了各种结构的微环谐振器。首先介绍了微环谐振器的优势所在，随后描述MRR的几个重要概念与参数，它们是谐振条件、自由光谱区、光学带宽、精细度、光了寿命与品质因子。利用散射矩阵模型分析了各种MRR的传输特性给出了其传输谱线。 第三章介绍了由MRR构成的一系列可实现各种逻辑运算的导向逻辑回路，包括“与/与非”、“或/或非”、“同或/异或”、译码器、编码器及半加器等。分析了它们的工作原理及光谱特性。作为概念验证，利用硅的热光调制效应实现了各种光学导向逻辑器件，给出了动态试验结果，最后讨论了利用硅材料的电光调制效应实现更高工作速度的可能性。 第四章介绍了基于电光效应的硅基光学导向逻辑器件。硅具有很弱的电光系数使得硅材料无法直接利用电光效应实现高速调制，但是硅材料是很好的微电子材料，加工工艺成熟。作为一个示例，我们成功演示了利用硅的等离子色散效应实现了高速的硅基导向逻辑器件，其工作速度为100Mbps，比基于热光的硅基光学导向逻辑器件的工作速度提高了5个量级。最后讨论了利用其他高级调制方案实现更高工作速度的可能性。 第五章介绍了简单的逻辑运算原理，提出几种可重构导向逻辑结构，分析了各自的优点与不足。 最后一章对全文进行了总结，并针对存在的问题给出了可能的解决途径。