[发明专利]Y分支型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法

说明书

本发明公开了一种Y分支型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法，包括一个Y分支结构的波导和覆盖于波导上方的相变功能单元；逻辑实现方法上采用功率较大的光脉冲对相变功能单元进行写入操作，使之升温并产生晶化或非晶化的相变，从而出现两种状态下光学性质上的差异；采用功率较小的光脉冲对相变功能单元的状态进行读取，同时不改变相变材料的状态。通过对输入逻辑信号分别进行定义，以及定义三个操作步骤，可以实现操作方式可重构逻辑，通过分步操作，在该简单结构中实现全16种二元布尔逻辑计算。本发明通过操作方式可重构的解决方法，实现16种二元布尔逻辑计算功能，大大提高了逻辑计算的工作效率。

技术领域

本发明属于光学、微电子学以及逻辑运算交叉技术领域，更具体地，涉及一种Y分支型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法。

背景技术

从计算机的发明，到互联网的诞生，再到如今智能手机的普及以及物联网的兴起，信息技术的发展从根本上改变了人们的生活、生产和交流方式。信息技术在给人们带来越来越多便利的同时也产生了爆炸式增长的数据，这对数据存储和计算技术提出了越来越高的要求。而作为人类信息社会基础的半导体技术，在经过了几十年蓬勃发展之后，其工艺水平已经逼近物理极限，摩尔定律即将到达终点，下一代存储与计算技术成为当今工业界与学术界的研究热点。直接利用存储器进行计算操作的存内计算技术，被认为是突破当今计算技术瓶颈的最有前景的方案之一。

基于忆阻器、相变存储器等新型非易失性存储器的逻辑运算器件研究是存内计算的基础。比如相变存储器随着输入电脉冲的不同可以在晶态和非晶态之间可逆切换，利用两种相态之间电阻的巨大差异来表征逻辑“0”和“1”，而且在外部输入撤销之后，物理状态可以保持，信息的存储具有非易失性。顺应半导体发展而出现的可重构计算技术，可实现算法到计算引擎的空间映射，能够兼容基本处理器驱动方式和高性能的计算，其基本理念在于强调资源的复用，目前已有将可重构概念与忆阻器的非易失性结合而实现多种电学布尔逻辑计算。

但是电子器件的带宽限制了电子技术发展的上限。光学器件相比于电学器件，有着速度快、带宽大、可以并行操作(波分复用)、对电磁干扰不敏感等优点。目前数据的处理和存储主要还是通过电学器件实现的，互联网数据的传输与处理需要经过光-电-光的转换过程，这不仅限制了系统的运行速度，也产生了大量的功耗，严重制约了信息技术的发展。如果可以通过光学方法进行数据存储和处理，即全光信号处理，则可以避免光-电-光转换过程，实现低功耗、高速、高带宽、高可靠、大容量的全光信息技术。

光学方法是突破未来摩尔定律瓶颈的最佳方案之一，具有高速，高带宽等优点。近年来，基于相变材料的光学存储因其非易失性广受关注，相变材料具有两个稳定状态：晶态和非晶态，在这两个状态下相变材料表现出较大的电学与光学性质差异，并且能够在电、热、光的作用下实现两个状态之间的可逆转变，具有高度的可重复性与稳定性。目前，相变光逻辑的研究处于刚刚起步的阶段，虽然已有提出使用相变材料实现光逻辑功能的先例，但是在实现过程中用到了部分电学器件，不属于全光逻辑，其输出也是电学逻辑信号，无法实现在全光路中的级联，在器件组合实现复杂逻辑功能上有所缺陷；并且在一种器件结构中，只能实现两到三种二元布尔逻辑，集成度还有待提升。也有研究工作已经证明了利用单个相变单元实现部分二元光布尔逻辑运算，但是至今仍然无法在单个器件中实现全部的二元全光布尔逻辑运算，这种情况严重阻碍了相变光逻辑的实用化进程。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种Y分支型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法，旨在解决至今仍然无法在单个器件中实现全部的二元全光布尔逻辑运算，这种情况严重阻碍了相变光逻辑的实用化进程的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种Y分支型相变全光布尔逻辑器件，包括：一个Y分支型波导和两个相变功能单元；