Полностью оптический логический базис на основе микрокольцевого резонатора
Владельцы патента RU 2677119:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Изобретение относится к полностью оптическим логическим элементам (ОЛЭ) на основе микрокольцевых резонаторов и может быть использовано в качестве логического базиса в оптических вычислительных устройствах. Полностью оптический логический базис на основе микрокольцевого резонатора содержит логические элементы И, НЕ, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, каждый из которых состоит из микрокольцевого резонатора и первого волновода, соединенного с кольцевым резонатором с помощью первого направленного разветвителя, вход первого волновода является первым оптическим входом любого логического элемента, а выход является первым оптическим выходом любого логического элемента. Введен второй волновод, расположенный параллельно первому волноводу в том же направлении и соединенный с кольцевым резонатором с помощью второго направленного разветвителя, вход второго волновода является вторым оптическим входом любого логического элемента, а выход - вторым оптическим выходом, причем первый выход для логических элементов И и НЕ является выходом этих элементов, у логического элемента НЕ на первый вход подается логическая единица, а выходы элементов ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены между собой с помощью Y-образного разветвителя, выход которого является выходом логических элементов ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, радиусы микрорезонатора в элементах И: ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ, НЕ: ИЛИ выбирают из условия, при котором исходный сдвиг резонансной длины волны от рабочей длины волны находится в соотношении 1:2:2,5. Достигаемым техническим результатом является создание полностью оптических логических элементов на одном МКР с одинаковым направлением входов и выходов. 4 ил., 1 табл.
Изобретение относится к полностью оптическим логическим элементам (ОЛЭ) на основе микрокольцевых резонаторов (МКР) и может быть использовано в качестве логического базиса в оптических вычислительных устройствах.
Известен полностью оптический логический базис (смотри A. Kumar. Implementation of all-optical NAND logic gate and half adder using the micro-ring resonator structures. Optical and Quantum Electronics. October. 2016), состоящий из ОЛЭ И (AND), НЕ (NOT) и ИЛИ (OR).
Логический элемент AND состоит из двух МКР, последовательно соединенных первым волноводом, на вход которого подается постоянное излучение накачки. Выход волновода является выходом ОЛЭ. Волновод соединен с первым и вторым МКР с помощью направленных разветвителей. Входные оптические сигналы подаются по второму и третьему оптическим волноводам, соединенных с первым и вторым МКР с помощью направленных разветвителей. Причем направления второго и третьего волноводов противоположно первому волноводу.
Логический элемент NOT состоит из одного МКР и двух волноводов противоположных направлений, соединенных с МКР с помощью направленных разветвителей. На первый волновод постоянно подается оптическое излучение накачки. Вход второго волновода является входом ОЛЭ, а выход - выходом логического элемента.
Логический элемент XOR состоит из двух МКР, соединенных между собой первым волноводом, на вход которого постоянно подается оптическое излучение накачки. Выход волновода является выходом ОЛЭ. Волновод соединен с первым и вторым МКР с помощью направленных разветвителей. Входные оптические сигналы подаются по второму и третьему оптическим волноводам, соединенных с первым и вторым МКР, с помощью направленных разветвителей. Причем направления второго и третьего волноводов противоположно первому волноводу. Выход второго волновода соединен с входом третьего волновода.
Работа вышеуказанных устройств соответствует таблицам истинности, представленным в таблице 1.
Устройства являются наиболее близкими по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбраны в качестве прототипа.
Недостатками вышеуказанных устройств являются:
- использование противоположных направлений для ввода и вывода оптических сигналов, что затрудняет соединение ОЛЭ между собой;
- использование двух МКР на один логический элемент;
- применение постоянного оптического излучения накачки, которое требует дополнительного источника и увеличивает энергопотребление ОЛЭ.
Решаемой технической задачей является создание экономичного полностью оптического логического базиса, имеющего одинаковое направление входов и выходов.
Достигаемым техническим результатом является создание полностью оптических логических элементов на одном МКР с одинаковым направлением входов и выходов.
Для достижения технического результата в полностью оптический логический базис на основе МКР, содержащий логические элементы И, НЕ, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, каждый из которых состоит из МКР и первого волновода, соединенного с кольцевым резонатором с помощью первого направленного разветвителя, вход первого волновода является первым оптическим входом любого логического элемента, а выход является первым оптическим выходом любого логического элемента; дополнительно введен второй волновод, расположенный параллельно первому волноводу в том же направлении и соединенный с кольцевым резонатором с помощью второго направленного разветвителя, вход второго волновода является вторым оптическим входом любого логического элемента, а выход - вторым оптическим выходом, причем первый выход для логических элементов И и НЕ является выходом этих элементов, на первом входе логического элемент НЕ присутствует логическая единица, а выходы элементов ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены между собой с помощью Y-образного разветвителя, выход которого является выходом логических элементов ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, радиусы микрорезонатора в элементах И: ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, НЕ: ИЛИ выбирают из условия, при котором исходный сдвиг резонансной длины волны от рабочей длины волны находится в соотношении 1:2:2,5.
Новая совокупность существенных признаков в заявляемом устройстве позволяет обеспечить в полностью оптических логических устройствах на одном МКР одинаковую направленность входов и выходов и устранить постоянное излучение накачки.
На фигуре 1 приведены схемы ОЛЭ, составляющих полный логический базис: «И» (AND), «НЕ» (NOT), «Исключающее ИЛИ» (XOR), «ИЛИ» (OR).
На фигуре 2 приведены спектральные характеристики для ОЛЭ AND для трех комбинаций входных сигналов «00», «01,10» и «11».
На фигуре 3 представлены спектральные характеристики для ОЛЭ XOR и NOT для трех комбинаций входных сигналов «00», «01,10» и «11».
На фигуре 4 представлены спектральные характеристики для ОЛЭ OR трех комбинаций входных сигналов «00», «01,10» и «11»,
В таблице 1 приведены таблицы истинности элементов. Способ кодирования информации ООК («On-Off Key»): логическая «1» кодируется оптическим импульсом, логический «0» - отсутствием оптического импульса.
Полностью оптический логический базис на основе микрокольцевого резонатора, содержащий логические элементы И, НЕ, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (смотри фиг. 1), каждый из которых состоит из микрокольцевого резонатора 1 и первого волновода 2, соединенного с кольцевым резонатором с помощью первого направленного разветвителя 3, вход первого волновода X1 является первым оптическим входом любого логического элемента, а выход Y является первым оптическим выходом любого логического элемента. Второй волновод 4, расположенный параллельно первому волноводу 2 в том же направлении и соединенный с кольцевым резонатором 1 с помощью второго направленного разветвителя 5, вход второго волновода Х2 является вторым оптическим входом любого логического элемента, а выход - вторым оптическим выходом, причем первый выход Y для логических элементов И и НЕ является выходом этих элементов. На первом входе логического элемента НЕ присутствует логическая единица, а выходы элементов ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены между собой с помощью Y-образного разветвителя 6, выход которого является выходом логических элементов ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Радиусы микрорезонатора в элементах И: ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, НЕ: ИЛИ выбирают из условия, при котором исходный сдвиг резонансной длины волны от рабочей длины волны находится в соотношении 1:2:2,5.
Устройство работает следующим образом.
На фигуре 2 представлены спектральные зависимости коэффициента пропускания Т с входного порта X1 на выходной порт Y для ОЛЭ AND.
При отсутствии сигналов на входных портах («00») положение спектров сигналов представлено на фигуре 2А, соответственно на выходе сигнал соответствующий логическому «0» (см. фиг. 2А). При появлении сигнала логической «1» мощностью Wx на одном из входов (логические комбинации («01», «10»)), мощность сигнала в кольце обеспечивает смещение резонанса на величину Δλp так, что рабочая длина волны совпадает с резонансной длиной волны: λo=λp (см. фиг. 2Б). Коэффициент пропускания Т в этом случае близок к нулю, соответственно на выходном порту логический «0». При появлении на обоих входах логических единиц (логическая комбинация «11») суммарная входная мощность, вводимая в кольцо составит 2Wx.. Произойдет смещение резонансной длины волны еще на Δλp (см. фиг. 2В). При этом резонансная длина волны λp должна быть сдвинута относительно рабочей длины волны λo на величину Δλp, которая должна быть больше или равна ширины спектра информационного импульса Δλp≥Δλ0,5.
Таким образом, ОЛЭ обеспечивает работу в соответствии с таблицей истинности элемента AND (см. таблицу 1).
На фигуре 3 представлены спектральные зависимости коэффициента пропускания Т с входного порта X1 на выходной порт Y для ОЛЭ XOR.
При отсутствии сигналов на входных портах (логическая комбинация «00») положение спектров резонанса и входных сигналов представлено на рисунке 2А, на выходе логический «0» (см. фиг. 2А). При появлении сигнала логической «1» мощностью Wx на одном из входов («01», «10»), мощность сигнала в кольце увеличивается и обеспечивает смещение резонанса на величину Δλp так, что резонансная длина волны λp отстоит от рабочей длины волны λo на Δλp (см. фиг. 2Б). При появлении на обоих входах логических «1» суммарная входная мощность, вводимая в кольцо, составит 2Wx. Произойдет смещение резонансной длины волны еще на величину Δλp (см. фиг. 2В) таким образом, что резонансная длина волны совпадет с рабочей длиной волны (см. фиг. 3В). Таблица истинности ОЛЭ XOR соответствует таблице 1.
ОЛЭ NOT работает точно так же как ОЛЭ XOR, только на вход X1 постоянно подается логическая «1». Таблица истинности ОЛЭ NOT соответствует таблице 1.
По такой же схеме может быть выполнен элемент OR. Если задать начальное смещение не 2, а 2,5 Δλp то спектральные характеристики будут такими, как показано на фигуре 4.
Качественное отличие от характеристик, приведенных на фигуре 3 состоит в том, что на (см. фиг. 4В) длины волн не совпадают на величину 0,5Δλp, что обеспечивает коэффициент пропускания 0,5 для обоих входных портов X1 и Х2. Мощность суммарного сигнала на выходном порту Y будет соответствовать логической «1». Таблица истинности ОЛЭ OR соответствует таблице 1.
Для проверки работоспособности ОЛЭ был проведен расчет параметров МКР по известным формулам (смотри диссертацию Tarek A. Ibrahim «Nonnear optical semiconductor micro-ring resonators»). МКР характеризуется следующим условием резонанса:
где neff - эффективный показатель преломления материала кольца;
L=2πR - длина кольца;
λp - резонансная длина волны;
m - целое число.
Ширина спектра резонансной длины волны по уровню 0,5 составит:
где k - коэффициент передачи поля (k1=k2=k);
L=2πR - длина кольца;
λp - резонансная длина волны.
neff - эффективный коэффициент преломления.
Эффективный показатель преломления в материале определяется по формуле:
где n0 - линейный показатель преломления, от. ед.;
n2 - нелинейный показатель преломления, см2/Вт;
W - мощность оптического сигнала в кольце, Вт;
Aeff - эффективная площадь сечения волновода кольца.
При отсутствии мощности в кольце neff=no, при появлении мощности Wp произойдет увеличение показателя преломления на величину:
Соответственно произойдет сдвиг длины волны резонанса на величину:
За счет многократного прохождения сигнала по кольцу мощность в кольце увеличивается в FE2 раз:
где Wx - мощность входных сигналов;
FE - фактор усиления поля, который при ϕ=0, 2π, 4π … 2mπ равен:
Таким образом, изменяя мощность оптических сигналов на входах можно обеспечить два режима работы МКР в резонансе или нет.
Коэффициент пропускания МКР при отсутствии резонанса Т=(1-k)2, а в резонансе при ϕ=2πm и τ1=τ2=τ:
При отсутствии потерь в условиях резонанса а=1 Т=0.
Потери в резонаторе при отсутствии резонанса составят (дБ):
Время жизни фотона в резонаторе составит:
где с - скорость света в вакууме;
neff - эффективный показатель преломления материала кольца;
L=2πR - длина кольца.
Острота спектральной характеристики:
где τ - коэффициент пропускания поля из волновода на выход;
a=e-αL/2 - коэффициент передачи в кольце.
Для ОЛЭ на МКР при коэффициенте ответвления k1=k2=0,2, эффективной площадью Aeff=0,25 мкм2 из материала Al0,18Ga0,82As с показателями преломления no=3,28; n2=1,43 10-13 см2/Вт; А=0,18 дБ; F=77; FE=5,0; τф=60 пс. Таким образом, полностью оптический логический базис может быть реализован в интегральном исполнении.
Полностью оптический логический базис на основе микрокольцевого резонатора, содержащий логические элементы И, НЕ, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, каждый из которых состоит из микрокольцевого резонатора и первого волновода, соединенного с кольцевым резонатором с помощью первого направленного разветвителя, вход первого волновода является первым оптическим входом любого логического элемента, а выход является первым оптическим выходом любого логического элемента, отличающийся тем, что дополнительно введен второй волновод, расположенный параллельно первому волноводу в том же направлении и соединенный с кольцевым резонатором с помощью второго направленного разветвителя, вход второго волновода является вторым оптическим входом любого логического элемента, а выход - вторым оптическим выходом, причем первый выход для логических элементов И и НЕ является выходом этих элементов, на первом входе логического элемента НЕ присутствует логическая единица, а выходы элементов ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены между собой с помощью Y-образного разветвителя, выход которого является выходом логических элементов ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, радиусы микрорезонатора в элементах И: ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, НЕ: ИЛИ выбирают из условия, при котором исходный сдвиг резонансной длины волны от рабочей длины волны находится в соотношении 1:2:2,5.
