基于微环谐振器的新型可重构光学导向逻辑器件的研究
发布时间：2021-02-06 17:56
为了解决人们对高速大容量信息处理的迫切需求与当前传统集成电路发展所遇到瓶颈之间的矛盾,国内外越来越多的研究者把目光投往以光代替电作为信息载体的光信息处理技术。基于硅基微环谐振器的光学导向逻辑器件是片上光信息处理技术的重要组成部分之一,它综合了电子易于控制、光子速度快的特点,具有低信号延迟、大带宽、易于控制、能与电学元件大规模集成等一系列优点而被认为是解决目前摩尔定律“电子瓶颈”的有效方案之一。目前国内外报道的光学导向逻辑器件绝大部分只能实现一种或几种逻辑运算,少数几个能实现任意逻辑运算的器件都是基于多波长的波分复用技术来完成的,在器件的实用性和制造成本上有较大限制。本论文所研究的基于微环谐振器的新型可重构光学导向逻辑器件,首次提出利用光的模式复用技术,结合可调谐的微环谐振器来完成可重构光学导向逻辑运算,不但能根据实际需求实现任意的逻辑函数还能避免波分复用带来的片上多波长问题,使得器件具有良好的可重构、可拓展的能力,充分提升器件的灵活性、实用性。器件的核心构成部分为微环谐振器和模式复用器/解复用器,因此本文首先对光波导以及微环谐振器相关理论进行了介绍。在光波导相关理论方面,本文主要探讨波...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
信息处理系统与光学导向逻辑器件的关系结构示意图[24]
兰州大学硕士学位论文基于微环谐振器的新型可重构光学导向逻辑器件的研究3状态是互不影响的，每个逻辑操作数的作用可以同时进行，因此具有一定的并行特性。此外，光学导向逻辑器件还具有低信号延迟、带宽大、易于控制、能与电学元件大规模集成等优点，能大幅度地降低器件制作成本，未来有望在大规模光电混合集成电路中发挥重要的作用，为研发突破冯·诺依曼计算结构的新型信息处理技术提供了重要参考。图1.2几种比较典型的光学导向逻辑器件：（a）为基于并联微环结构的与/与非逻辑器件[31]，（b）为基于并联微环结构的或/或非逻辑器件[32]，（c）为基于电光调制方案的异或/同或逻辑器件[33]，（d）为基于硅基微盘谐振器的电光逻辑全加器[34]早在2007年，以色列科学家JamesHardly等人就提出了光学导向逻辑的概念[30]。在随后几年的时间里，有关光学导向逻辑器件的研究在国内外众多院所和企业中迅速开展了起来[31-40]。图1.2所示的是近几年国内外研究者报道的几种常见光学导向逻辑器件。这些导向逻辑器件都是利用微环/微盘谐振器的可调谐性质，通过加载电信号操作数的形式改变微环的折射率，进而改变光开关网络的状态，达到完成某种特定的逻辑函数运算的目的，一定程度上推动了光学导向逻辑器件方面的研究。微环谐振器也因为具有功耗低、结构紧凑、良好的滤波特性、易于调制等众多独特优势成为光学导向逻辑器件的重要组成部分。然而上述的这些光学导向逻辑器件大多针对系统的要求只能实现某种特定的逻辑运算功能，无
兰州大学硕士学位论文基于微环谐振器的新型可重构光学导向逻辑器件的研究4法满足功能日益庞大、日益复杂的光电混合集成系统海量信息处理的需求而输出任意的逻辑函数，这显然是不够灵活的。图1.3两种典型的可重构光学导向逻辑器件：（a）为基于微环谐振器阵列的可重构光学导向逻辑芯片[41]，（b）为基于单波导级联多微环结构的可重构光学导向逻辑器件[42]为了适应需求，国内外的研究者们致力于研究出一种能产生任意逻辑函数的可重构光学导向逻辑器件。我们知道，对于逻辑运算而言，最基本的逻辑操作就是“与”、“或”、“非”三种，通过对这三种逻辑运算进行任意形式的组合，可以获得所有的逻辑函数。2011年相关研究团队报道了利用光的波长特性来实现一种具有可重构特性的光学导向逻辑芯片，并通过实现8位优先编码器、比较器等五种逻辑功能来验证器件的可重构特性[41]。如图1.3（a）所示为器件的结构示意图，该器件从功能上来说可以按照系统需求获得任意逻辑函数。但是该器件在工作时需要使用光电转换器，使得器件较为繁琐而且增加成本，不利于大规模集成。而且对于同一列的微环，不具备独立调谐的能力。此外，本课题组于2016年提出利用波分复用技术来实现能够产生任意逻辑组合的可重构光学导向逻辑器件[42]。如图1.3（b）所示，该器件利用一根“S”形波导串起多个与之耦合的微环谐振器，利用微环谐振器对光信号的开关作用，就可以实现输出光信号相对于操作电压的逻辑运算，在输入端输入多个工作波长，每个波长对应一组微环的谐振波长，通过改变微环开关阵列的状态即可在输出端获得想要的任意逻辑组合。上述几个可重构光学导向逻辑器件虽然能根据实际需求产生任意逻辑运算，但却需要依靠多个波长的激光协同作用才能完成，这就意味着需要
【参考文献】：
期刊论文
[1]On-chip silicon photonic 2 × 2 mode-and polarization-selective switch with low inter-modal crosstalk[J]. YONG ZHANG,YU HE,QINGMING ZHU,CIYUAN QIU,YIKAI SU. Photonics Research. 2017(05)
[2]Tunable optical filter using second-order micro-ring resonator[J]. 邓林,李德钊,刘子龙,孟英昊,郭小男,田永辉. Chinese Physics B. 2017(02)
[3]基于光学向量矩阵乘法器的光学信息处理系统研究[J]. 卢洋洋,周平,朱巍巍,张磊,杨林. 光电子.激光. 2013(09)
本文编号：3020857
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
信息处理系统与光学导向逻辑器件的关系结构示意图[24]
兰州大学硕士学位论文基于微环谐振器的新型可重构光学导向逻辑器件的研究3状态是互不影响的，每个逻辑操作数的作用可以同时进行，因此具有一定的并行特性。此外，光学导向逻辑器件还具有低信号延迟、带宽大、易于控制、能与电学元件大规模集成等优点，能大幅度地降低器件制作成本，未来有望在大规模光电混合集成电路中发挥重要的作用，为研发突破冯·诺依曼计算结构的新型信息处理技术提供了重要参考。图1.2几种比较典型的光学导向逻辑器件：（a）为基于并联微环结构的与/与非逻辑器件[31]，（b）为基于并联微环结构的或/或非逻辑器件[32]，（c）为基于电光调制方案的异或/同或逻辑器件[33]，（d）为基于硅基微盘谐振器的电光逻辑全加器[34]早在2007年，以色列科学家JamesHardly等人就提出了光学导向逻辑的概念[30]。在随后几年的时间里，有关光学导向逻辑器件的研究在国内外众多院所和企业中迅速开展了起来[31-40]。图1.2所示的是近几年国内外研究者报道的几种常见光学导向逻辑器件。这些导向逻辑器件都是利用微环/微盘谐振器的可调谐性质，通过加载电信号操作数的形式改变微环的折射率，进而改变光开关网络的状态，达到完成某种特定的逻辑函数运算的目的，一定程度上推动了光学导向逻辑器件方面的研究。微环谐振器也因为具有功耗低、结构紧凑、良好的滤波特性、易于调制等众多独特优势成为光学导向逻辑器件的重要组成部分。然而上述的这些光学导向逻辑器件大多针对系统的要求只能实现某种特定的逻辑运算功能，无
兰州大学硕士学位论文基于微环谐振器的新型可重构光学导向逻辑器件的研究4法满足功能日益庞大、日益复杂的光电混合集成系统海量信息处理的需求而输出任意的逻辑函数，这显然是不够灵活的。图1.3两种典型的可重构光学导向逻辑器件：（a）为基于微环谐振器阵列的可重构光学导向逻辑芯片[41]，（b）为基于单波导级联多微环结构的可重构光学导向逻辑器件[42]为了适应需求，国内外的研究者们致力于研究出一种能产生任意逻辑函数的可重构光学导向逻辑器件。我们知道，对于逻辑运算而言，最基本的逻辑操作就是“与”、“或”、“非”三种，通过对这三种逻辑运算进行任意形式的组合，可以获得所有的逻辑函数。2011年相关研究团队报道了利用光的波长特性来实现一种具有可重构特性的光学导向逻辑芯片，并通过实现8位优先编码器、比较器等五种逻辑功能来验证器件的可重构特性[41]。如图1.3（a）所示为器件的结构示意图，该器件从功能上来说可以按照系统需求获得任意逻辑函数。但是该器件在工作时需要使用光电转换器，使得器件较为繁琐而且增加成本，不利于大规模集成。而且对于同一列的微环，不具备独立调谐的能力。此外，本课题组于2016年提出利用波分复用技术来实现能够产生任意逻辑组合的可重构光学导向逻辑器件[42]。如图1.3（b）所示，该器件利用一根“S”形波导串起多个与之耦合的微环谐振器，利用微环谐振器对光信号的开关作用，就可以实现输出光信号相对于操作电压的逻辑运算，在输入端输入多个工作波长，每个波长对应一组微环的谐振波长，通过改变微环开关阵列的状态即可在输出端获得想要的任意逻辑组合。上述几个可重构光学导向逻辑器件虽然能根据实际需求产生任意逻辑运算，但却需要依靠多个波长的激光协同作用才能完成，这就意味着需要
【参考文献】：
期刊论文
[1]On-chip silicon photonic 2 × 2 mode-and polarization-selective switch with low inter-modal crosstalk[J]. YONG ZHANG,YU HE,QINGMING ZHU,CIYUAN QIU,YIKAI SU. Photonics Research. 2017(05)
[2]Tunable optical filter using second-order micro-ring resonator[J]. 邓林,李德钊,刘子龙,孟英昊,郭小男,田永辉. Chinese Physics B. 2017(02)
[3]基于光学向量矩阵乘法器的光学信息处理系统研究[J]. 卢洋洋,周平,朱巍巍,张磊,杨林. 光电子.激光. 2013(09)
本文编号：3020857
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3020857.html
