直波导型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法与流程

1.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，涉及一种直波导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：

2.近代以来，人类社会对信息计算和存储的需求发生了指数型的增长，而传统的冯诺依曼计算架构存在着难以突破的瓶颈，计算与存储分立而存在着效率不匹配。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。以硫系化合物为代表的相变材料及其存在晶态和非晶态两种稳定状态，且可以通过电学、光学等方法在二者间转换，具有非易失性，在存算一体化研究领域，是打破传统冯诺依曼计算架构的有力竞争者。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。
3.与此同时，摩尔定律面临着难以跨越的物理鸿沟，电子器件的速度响应无法满足越来越高的生产生活需要，此外许多光电设备存在着光学与电学信号转换效率过低的问题。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。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
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电
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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。
4.相变材料的晶态与非晶态之间存在着巨大的光学性质差异，且可通过光脉冲对其状态进行调控，具有高度的可重复性和稳定性，存在可用其进行全光器件设计的可能性。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全光逻辑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。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种直波导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全光逻辑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。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种直波导型相变全光布尔逻辑器件，包括：直波导、两个相变功能单元以及布拉格光栅；
7.所述直波导上端具有一条脊，两个相变功能单元和布拉格光栅均置于脊上；所述布拉格光栅位于两个相变功能单元之间，与两个相变功能单元连成一条直线；基于倏逝波
耦合效应，在直波导中输入较大功率光脉冲信号，相变功能单元将吸收部分光功率并产生晶化或非晶化的相变，实现写入操作；利用相变功能单元在晶态或非晶态时对检测光信号的透过率不同，实现对其结晶状态的读取；对相变功能单元进行写入操作时，从布拉格光栅一侧透过的光脉冲信号不对另一侧的相变功能单元产生作用；
8.通过对相变功能单元的写入和读取操作，所述直波导型相变全光布尔逻辑器件可实现全部16种二元布尔逻辑计算功能。
9.其中，需要说明的是，上述段落中提及的较大功率光脉冲信号，指的是能够使得相变功能单元产生晶化或非晶化相变的光脉冲信号。
10.在一个可能的示例中，所述相变功能单元的材料为在不同光脉冲作用下可产生晶化或非晶化可逆相变的硫系化合物。
11.在一个可能的示例中，所述相变功能单元复折射率的实部大于直波导复折射率的实部，使得直波导中传播的光有一部分进入相变功能单元传播；所述相变功能单元复折射率的虚部不为0，使得相变功能单元对其传播的光有吸收。
12.在一个可能的示例中，所述16种二元布尔逻辑运算包括：逻辑真、逻辑假、p、q、非p、非q、p与q、p与非q、p或q、p或非q、p蕴涵q、p蕴涵非q、p逆蕴涵q、p逆蕴涵非q、p异或q以及p同或q逻辑运算。
13.在一个可能的示例中，向所述相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号，所述相变功能单元按照其吸收的光功率情况进行升温，进而可能产生晶化或非晶化的相变，使得相变功能单元最终处于晶态或者非晶态，以对相变功能单元进行写入操作；通过设置布拉格光栅的参数，使得从直波导一端入射的光脉冲信号透过布拉格光栅后，透过的光脉冲信号对直波导另一侧的相变功能单元不产生作用。
14.在一个可能的示例中，向所述直波导的一端输入一个检测信号，通过检测从直波导另一端输出的光信号的强度，并与输入检测信号的强度对比，以确定两个相变功能单元的透过率，以对两个相变功能单元进行读取操作，所述检测信号为功率较小的不会改变相变功能单元状态的光脉冲或连续光；通过设置布拉格光栅的参数使得所述检测信号不受布拉格光栅的影响。
15.在一个可能的示例中，每个相变功能单元由下至上包括：相变功能单元层和保护层；所述保护层用于防止相变功能单元被氧化。
16.在一个可能的示例中，所述相变功能单元复折射率的实部大于直波导复折射率的实部以及所述相变功能单元复折射率的虚部不为0中所提到的复折射率，指的是相变功能单元和直波导在泵浦光脉冲信号和检测信号两种信号波长下的复折射率。
17.在一个可选的示例中，所述光脉冲信号为第一光脉冲信号或第二光脉冲信号之一；所述第一光脉冲信号为可以使相变功能单元由非晶态进行部分晶化或使相变功能单元由部分晶态进行非晶化的光信号；所述第二光脉冲信号为可以使相变功能单元由非晶态维持在非晶态或使相变功能单元由部分晶态进行非晶化的光信号。
18.在一个可选的示例中，每个相变功能单元由下至上包括：gst相变功能单元层和氧化铟锡保护层；所述gst相变功能单元层的材料为ge2sb2te5。
19.可以理解的是，本发明实施例中以ge2sb2te5为可产生晶化或非晶化可逆相变的硫系化合物进行举例说明，但并不用作对本发明保护范围的任何限定，凡是可产生晶化或非
晶化可逆相变的硫系化合物均应当属于本发明所采用的相变功能单元材料的保护范围内。
20.在一个可选的示例中，所述直波导的材料为si3n4。
21.在一个可选的示例中，所述布拉格光栅的材料与直波导的材料相同。
22.在一个可选的示例中，所述光脉冲信号的波长为1550nm，所述检测信号的波长为1650nm，所述布拉格光栅的深度为400nm，周期长度为380nm，周期数为16。
23.可以理解的是，光脉冲信号的波长和检测信号的波长，以及布拉格光栅的具体参数可以是其他情况，只要满足：直波导一端入射的光脉冲信号透过布拉格光栅后，透过的光脉冲信号对直波导另一侧的相变功能单元不产生作用，以及检测信号不受布拉格光栅的影响这两个条件即可。
24.第二方面，本发明提供了一种上述第一方面给出的直波导型相变全光布尔逻辑器件的全二元逻辑实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
25.预设检测信号检测到两个相变功能单元均处于非晶态时，检测信号对两个相变功能单元读取后输出的逻辑值为1，其余情况输出的逻辑值均为0；
26.预设三步操作以向两个相变功能单元分别输入对应的逻辑值；预设16种二元布尔逻辑运算的操作方式，结合所述三步操作向两个相变功能单元分别输入逻辑值，之后向直波导的一侧输入检测信号，以通过检测另一侧输出信号的强度，并与输入检测信号的强度对比，读取两个相变功能单元的状态，得到布尔逻辑运算之后的结果，实现全二元布尔逻辑运算；其中，向相变功能单元输入逻辑值指的是利用上述三步操作向相变功能单元输入对应的写入光脉冲信号。
27.具体地，预设三步操作以向两个相变功能单元分别输入对应的逻辑值；当向第一个相变功能单元输入逻辑0时，在第一步操作中向第一个相变功能单元所在的直波导侧输入第一光脉冲信号，在第二步操作中向第一个相变功能单元所在的直波导侧输入第二光脉冲信号，在第三步操作中向第一个相变功能单元所在的直波导侧输入第一光脉冲信号；当向第一个相变功能单元输入逻辑1时，在第一步操作中向第一个相变功能单元所在的直波导侧输入第二光脉冲信号，在第二步操作和第三步操作中均不向第一个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；当向第二个相变功能单元输入逻辑0时，在第一步操作中向第二个相变功能单元所在的直波导侧输入第二光脉冲信号，在第二步操作和第三步操作中均不向第二个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；当向第二个相变功能单元输入逻辑1时，在第一步操作、第二步操作以及第三步操作中均向第二个相变功能单元所在的直波导侧输入第一光脉冲信号。
28.在一个可选的示例中，所述三步操作中每一步操作若采用光脉冲信号，则光脉冲信号作用预设有效时间；所述预设有效时间指足以使得相变功能单元按照其吸收的光功率情况进行升温，进而产生可能的晶化或非晶化的相变。
29.在一个可选的示例中，所述预设16种二元布尔逻辑运算的操作方式，结合所述三步操作向两个相变功能单元分别输入逻辑值，具体包括：
30.(1)逻辑真运算：在第一步操作中，将逻辑0和逻辑1分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作和第三步操作中均不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
31.(2)逻辑假运算：在第一步操作中，将逻辑1和逻辑0分别输入到第一个相变功能单
元和第二个相变功能单元；在第二步操作和第三步操作中均不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
32.(3)p运算：在第一步操作中，将逻辑0和p的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作和第三步操作中均不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
33.(4)q运算：在第一步操作中，将逻辑0和q的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作和第三步操作中均不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
34.(5)非p运算：在第一步操作中，将p的逻辑值和逻辑1分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作和第三步操作中均不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
35.(6)非q运算：在第一步操作中，将q的逻辑值和逻辑1分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作和第三步操作中均不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
36.(7)p与q运算：在第一步操作中，将逻辑0和q的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作中，将逻辑p输入到第一个相变功能单元，且不向第二个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；在第三步操作中不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
37.(8)p与非q运算：在第一步操作中，将逻辑0和的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作中，将的逻辑值输入到第二个相变功能单元，且不向第一个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；在第三步操作中不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
38.(9)p或q运算：在第一步操作中，将逻辑0和p的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作中，将q的逻辑值输入到第二个相变功能单元，且不向第一个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；在第三步操作中不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
39.(10)p或非q运算：在第一步操作中，将逻辑0和的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作中，将的逻辑值输入到第一个相变功能单元，且不向第二个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；在第三步操作中不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
40.(11)p蕴涵q运算：在第一步操作中，将逻辑0和的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作中，将q的逻辑值输入到第二个相变功能单元，且不向第一个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；在第三步操作中不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
41.(12)p蕴涵非q运算：在第一步操作中，将逻辑0和的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作中，将p的逻辑值输入到第一个相变功能单元，且不向第二个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；在第三步操作中不向
两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
42.(13)p逆蕴涵q运算：在第一步操作中，将逻辑0和p的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作中，将的逻辑值输入到第二个相变功能单元，且不向第一个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；在第三步操作中不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
43.(14)p逆蕴涵非q运算：在第一步操作中，将逻辑0和q的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作中，将的逻辑值输入到第一个相变功能单元，且不向第二个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；在第三步操作中不向两个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
44.(15)p异或q运算：在第一步操作中，将p的逻辑值和p的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作中，将q的逻辑值输入到第二个相变功能单元，且不向第一个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；在第三步操作中，将q的逻辑值输入到第一个相变功能单元，且不向第二个相变功能单元所在的直波导侧输入光脉冲信号；
45.(16)p同或q运算：在第一步操作中，将逻辑0和的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第二步操作中，将p的逻辑值和q的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元；在第三步操作中，将q的逻辑值和的逻辑值分别输入到第一个相变功能单元和第二个相变功能单元。
46.在一个可选的示例中，每进行一次二元布尔逻辑运算之前，向直波导的两侧分别输入第二光脉冲信号，使得两个相变功能单元均达到非晶态，以对两个相变功能单元进行复位操作。
47.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
48.本发明提供一种直波导型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法，相比于电学逻辑门，光学器件逻辑门具有速度快，对电磁干扰不敏感，可并行操作等特点；同时在目前的应用中可以避免光
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电
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光转换过程，进一步提高系统带宽，降低系统功耗。采用相变材料作为存储介质，具有良好的长时间的非易失性，将相变材料独特的相变特性与可重构计算的概念相结合，这样不仅具有可重构计算的灵活性，还兼具了相变材料的切换速度快，良好的非易失性的特点，对存算一体化研究具有重要意义。对于目前已经出现的一些相变光逻辑器件而言，本发明提供了一种简单的直波导结构，工艺简单，器件只有两个端口，从而使操作上较为简单，且由于具有对称性，在输出时，输入输出端口可以互换而不影响所要进行的操作。通过三个操作步骤即可实现16种二元布尔逻辑计算功能，大大提高了器件的工作效率。
附图说明
49.图1为本发明提供的全光逻辑器件结构示意图，直波导结构上有m1、m2两个带有保护层的相变功能单元以及波导布拉格光栅结构。
50.图2为本发明提供的相变功能单元处，垂直于光传播方向剖面图。由下至上采用的
材料分别为：二氧化硅(sio2)，氮化硅(si3n4)，相变材料，氧化铟锡(ito)。
51.图3为本发明提供的不同参数下，波导布拉格光栅结构对1550nm波长的te模式光源透过率和反射率(相对于光源的百分比)统计，(a)为透过率，(b)为反射率。
52.图4为本发明提供的波导布拉格光栅周期数目优化扫描透过率统计图。
53.图5为本发明提供的波导布拉格光栅1000nm
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2000nm波段透过率光谱扫描图。
54.图6为本发明提供的常温下，相变材料ge2sb2te5在晶态和非晶态下复折射率光谱图。
55.图7为本发明提供的相变功能单元输入光脉冲前后电场强度对比仿真示意图。
56.图8为本发明提供的非晶态与晶态下p1，p0作用后相变功能单元温度分布图(温度单位为k)，(a)为p1脉冲作用于非晶态，(b)为p0脉冲作用于非晶态，(c)为p1脉冲作用于部分晶态，(d)为p0脉冲作用于部分晶态。
具体实施方式
57.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
58.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于相变材料的直波导双向输入全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法，使用更具优势的光学方法，解决目前全光存算一体所遇到的技术瓶颈，提高相变光逻辑器件的可重构性和逻辑集成度。
59.本发明包括但不限于基于布拉格光栅的双向输入相变全光逻辑器件结构，及其全部逻辑实现操作方法，器件结构由直波导、相变功能单元、波导布拉格光栅所构成。
60.由于光在不同的材料中传输时，倾向于进入复折射率实部较大的材料，因此当我们在折射率较小的波导材料上方覆盖有折射率较大的相变材料时，会有一部分光进入相变材料中进行传播，即倏逝波耦合。相变材料在合适的光脉冲作用下，能够实现在晶态和非晶态之间的转换，且这两种状态均能稳定保持，具有非易失性，据此我们可以通过代表不同逻辑信号的泵浦光脉冲，对相变功能单元进行状态切换。在晶态和非晶态下，相变材料折射率具有较大的差异，其中部分虚部相差大于十倍，这意味着不同状态下的相变材料对光的透过率具有较大差异，因此我们可以通过，发射功率较小，不足以改变相变材料状态的光脉冲或连续光作为探测光，并检测其透过率，对相变材料状态进行读取。
61.实现全光操作必然需要基于一些光学结构，本发明中主要涉及到波导布拉格光栅结构。波导布拉格光栅是通过对波导进行周期性的折射率调制，从而对光的传播进行控制。硅基光子集成中，许多光子器件都会用到波导光栅的滤波特性，如调制器、交换器、光栅耦合器等。通过改变光栅的周期结构，即光栅形貌，可以得到不同功能的光栅器件。
62.为简化器件结构，本发明中使用直波导上的布拉格光栅对双端输入的光脉冲进行滤波，在波导上方覆盖周期性的光栅结构，本质上是形成波导模式有效折射率的周期性调制。对其光栅结构参数进行优化，使该结构满足，对直波导两端输入的特定波长的泵浦光脉冲进行反射，因此从不同端输入泵浦光脉冲时可实现对相应相变功能单元的写入操作；而光栅结构对另一波长的探测光无明显影响，因此探测光可以从直波导的一端输入、从另一端输出。
63.可重构计算是指能够实现算法到计算引擎的空间映射的一种计算组织形式，本发明的操作方式包括，通过控制一定功率的写入光脉冲的宽度，得到不同脉宽的脉冲从而模拟信号值为“0”和“1”的光脉冲信号。优选的，采用两种不同功率的脉冲分别控制相变单元的写入和读取操作。写脉冲功率值较大，可通过倏逝波耦合使相变功能单元产生晶化或非晶化；读脉冲(或连续光)功率较小，不足以通过倏逝波耦合使相变功能单元产生晶化或非晶化，只用于读取相变功能单元的状态。
64.需要说明的是，本发明中选用的相变功能单元复折射率的实部大于直波导复折射率的实部以及相变功能单元复折射率的虚部不为0，其中，本发明所提到的复折射率，指的是相变功能单元和直波导在光脉冲信号和检测信号两种信号波长下的复折射率。更具体地，本发明中所选用的光脉冲信号和检测信号的波长参数、以及相变功能单元、保护层或直波导的材料参数，均为举例说明，并不对本发明的保护范围做任何限定。凡是满足相变功能单元和直波导在光脉冲信号和检测信号两种信号波长下的复折射率关系为：相变功能单元复折射率的实部大于直波导复折射率的实部以及相变功能单元复折射率的虚部不为0的光波长和对应的材料均应当属于本发明的保护范围。
65.可以理解的是，本发明所选用的布拉格光栅的结构参数也仅为举例说明，凡是满足从直波导一端入射的光脉冲信号透过布拉格光栅后，透过的光脉冲信号对直波导另一侧的相变功能单元不产生作用，且检测信号不受布拉格光栅影响的布拉格光栅参数均应当属于本发明的保护范围。
66.实施例一：
67.本实施例如附图1、图2所示，图1为器件结构示意图，直波导两端分别为两个输入端，m1、m2分别为两个相变功能单元，直波导中间段覆盖有周期性的布拉格光栅结构。图2为相变功能单元处垂直于光脉冲入射方向的剖视图。相变光逻辑器件包括二氧化硅(sio2)衬底，氮化硅脊形直波导(si3n4)以及其上的布拉格光栅结构，ge2sb2te5相变功能单元层，氧化铟锡(ito)保护层，本发明的实施例均选择较为常见的相变材料ge2sb2te5，而不仅仅限于此种相变材料，其制备过程如下：
68.第一步，使用磁控溅射的方法在0.5mm厚二氧化硅衬底上溅射一层厚度为150nm的氮化硅。
69.第二步，在制得薄膜表面旋涂光刻胶，使用所设计的掩模版，通过光刻、显影、磁控溅射、剥离，获得所需要的直波导图形。在制作过程中，先制备脊形波导，再在上面套刻出光栅的结构，光栅主要通过光刻与刻蚀工艺制得，由于光栅尺寸在制备过程中容易出现误差，因此对工艺得精确度要求极高。
70.第三步，光刻制备所需要的ge2sb2te5功能单元区域图形和氧化铟锡(ito)保护层。
71.第四步，利用该ge2sb2te5相变光逻辑器件构建逻辑运算器，在泵浦
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探测光测试系统下对器件的逻辑功能进行检验测试。测试温度为室温，按照所设计的输入操作模式以泵浦光输入对器件进行晶化与非晶化的操作，通过探测光进行器件状态的读取。
72.需要说明的是，上述制备方法不是唯一的，只要是能制备得到图1和图2所示的结构的方法均应当属于本发明的保护范围之内。
73.实施例二：
74.在该器件结构中，我们采用了波导布拉格光栅结构，对特定波长的泵浦光进行反
射。当m1输入端泵浦光进入波导，作用于m1相变功能单元后，经过波导布拉格光栅的反射，使达到m2相变功能单元处的光强大大减小，无法使m2相变功能单元产生变化。因此从m1输入端输入的泵浦光将只对m1相变功能单元产生作用，从m2输入端输入的泵浦光同理，从而每个相变功能单元只受到一个泵浦光脉冲的调制，在读取时，采用与1550nm不同波长的探测光在其中一端输入，并从另一端检测其功率变化即可。在本实施例中，我们选取泵浦光脉冲的波长为1550nm，在此前提下对波导布拉格光栅的结构进行优化，以满足所需条件，并选取了合适波长的探测光脉冲。
75.光栅的材料与波导相同，均采用氮化硅，因此可以进行优化的光栅结构参数主要为光栅周期长度，周期数，光栅深度，在fdtd solution仿真软件中，对光栅周期长度与光栅深度进行了嵌套扫描，然后单独对光栅周期数目进行扫描。后文与附图中，z表示光栅深度，单位为nm，period表示光栅周期长度，单位为nm，nperiod代表光栅周期数，wavelength代表波长，单位为nm。
76.我们首先对光栅周期长度与光栅深度这两个参数进行优化，如附图3中(a)(b)分别为不同参数下，波导布拉格光栅结构对1550nm波长的te模式光源透过率和反射率(相对于光源的百分比)统计。由(a)图可知，在z＝290nm，period＝470nm；z＝370nm，period＝460nm；z＝400nm，period＝380nm三个点处均存在透过率最低值，为11％左右，由(b)图可知，在z＝400nm，period＝380nm处存在反射率最高值，为40％左右，综合上述结果我们确定两个优化参数分别为光栅深度z＝400nm，周期长度period＝380nm。
77.由于过多的光栅周期数会导致直波导过长，使器件长度大幅度增长，因此我们对光栅周期数nperiod在4到20的范围内，布拉格光栅对1550nm波长的光源透过率进行扫描，附图4为光栅周期数目优化扫描透过率统计图，可以看到透过率总体上随着光栅周期数的增多而下降，不过在16个周期以后的下降速率明显降低，综合器件尺寸考虑，采用光栅周期数为16的布拉格光栅。此时，对三个结构参数优化完成，分别为光栅深度z＝400nm，周期长度period＝380nm，光栅周期数为16，在直波导中通过布拉格的反射，1550nm波长的光透过率可以达到最低接近5％。由于波导上布拉格光栅是倏逝波耦合进行反射，因此无法完全消除特定波长的光，透过率接近5％而不是为0。
78.对1000nm
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2000nm波长范围内的光在此结构下的透过率进行扫描，以找到不受光栅影响，透过率最大的波长作为探测光。由附图5可知，波长为1650nm时，透过率最高，达到50％以上(波导介质本身对光具有衰减)，是1550nm波长光的十倍，可以视作不受光栅影响，因此我们可选择1650nm波长的探测光对该器件状态进行读取。
79.实施例三：
80.由于光在不同的材料中传输时，倾向于进入复折射率实部较大的材料，因此当我们在折射率较小的波导材料上方覆盖有折射率较大的相变材料时，会有一部分光进入相变材料中进行传播，即倏逝波耦合；通过这种方式，一方面由于相变材料的复折射率虚部不为0，因此对光有吸收，从而会受到一定功率脉冲光的影响，温度升高产生相变(晶化或者非晶化)，利用这一点我们可以输入功率较大的光脉冲，实现对相变功能单元的写入操作；另一方面，相变材料晶态与非晶态时，由于正入射情况下，透射率t＝1
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r
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a，附图6为相变材料ge2sb2te5在晶态和非晶态下复折射率光谱图，由其可知，在1550nm附近波段，晶态相变材料的折射率r，吸收率a(与虚部正相关)均大于非晶态，因此晶态的透过率小于非晶态，从而一
部分在相变单元中传输的光会受到其透过率变化的影响，相同功率的光入射的情况下，与晶态相变材料进行耦合的输出光功率会较小，与非晶态相变材料进行耦合的输出光功率会较大，利用这一点我们可以输入功率较小的光脉冲，并采集其经过倏逝波耦合后的出射光，分析相变材料的状态，实现对相变功能单元状态的读取操作。
81.附图7为相变功能单元中(以ge2sb2te5为例)，当相变材料分别为晶态和非晶态时，波导中1550nm光脉冲经过相变单元前后，相变层处的归一化电场强度对比仿真，可以明显看出，非晶态下相变材料透过率高，电场强度基本没有明显的衰减，晶态下相变材料透过率低，光脉冲出射后其幅值有大幅度的衰减现象。
82.附图8(以ge2sb2te5为例)为相变功能单元在非晶态和晶态的初始态下，分别施加不同脉冲后得到的温度变化仿真结果，ge2sb2te5的熔化温度为900k左右，晶化温度为430k。设脉宽为26ns，幅值为10mw的脉冲为p1，脉冲为13ns，幅值为10mw的脉冲为p0。附图8中(a)(b)中相变功能单元初始态为非晶态，分别受到p1，p0脉冲作用，(c)(d)中相变功能单元初始态为部分晶态，分别受到p1，p0脉冲作用。其最高温度与相变情况统计如下表一所示。
83.表一 非晶态与部分晶态于p1，p0脉冲作用下相变情况统计表
[0084] 非晶态非晶态部分晶态部分晶态激励脉冲p1p0p1p0最高温度458k419k1490k1190k相变情况部分晶化维持非晶态非晶化非晶化
[0085]
相变功能单元初始态为非晶时，在p1脉冲作用下部分区域温度超过晶化温度，产生部分晶化，在p0脉冲作用下温度不足以达到晶化温度，因此维持非晶态；初始态为部分晶态时，在p1、p0脉冲作用下均能非晶化。可以看到在两种初始态下，经过p0脉冲作用，最终均能达到非晶态，因此我们选p0作为相变功能单元的复位脉冲，在每一次逻辑计算开始前对其进行复位操作，复位脉冲从附图1中直波导的m1输入端，m2输入端分别输入。我们规定当m1，m2均为非晶态时，探测光读取后输出逻辑值为1，其余情况均代表输出逻辑值0，对应关系可参考下表二。
[0086]
表二 相变单元状态与逻辑输出对应关系表
[0087]
m1m2输出逻辑值晶态(低透过率)晶态(低透过率)0晶态(低透过率)非晶态(高透过率)0非晶态(高透过率)晶态(低透过率)0非晶态(高透过率)非晶态(高透过率)1
[0088]
逻辑计算过程通过s1，s2，s3三步操作实现，根据所需要代入计算的逻辑值对m1，m2的相变状态进行调制，表三为每一步操作中，逻辑信号值对应输入的脉冲，其中x代表输入为空，即无输入，表四为进行不同逻辑计算时的具体操作方式。进行逻辑操作时，首先判断是何种逻辑计算，在表四中找到对应的每一步对m1，m2的输入逻辑值，然后按照表三将各步骤中逻辑值对应的脉冲(p1，p0或x)分别对m1，m2进行输入。
[0089]
表三 逻辑信号对应物理输入规则表
[0090][0091]
表四 全光逻辑器件全十六种布尔逻辑操作方式表
[0092]
[0093]
[0094][0095]
优选的，16种二元布尔逻辑运算包括：逻辑真true、逻辑假false、p、q、非p(not p)、非q(not q)、p与q(p and q)、p与非q(p nand q)、p或q(p or q)、p或非q(p nor q)、p蕴涵q(p imp q)、p蕴涵非q(pnimp q)、p逆蕴涵q(p rimp q)、p逆蕴涵非q(p rnimp q)、p异或q(p xor q)以及p同或q(p xnor q)逻辑运算；具体参见表四，十六种二元逻辑运算操作方式为：
[0096]
(1)true：在s1操作中，0和1分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0097]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算true＝1。
[0098]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算true＝1。
[0099]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算true＝1。
[0100]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算true＝1。
[0101]
(2)false：在s1操作中，1和0分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和x分别输
入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0102]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算false＝0。
[0103]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算false＝0。
[0104]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算false＝0。
[0105]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算false＝0。
[0106]
(3)p：在s1操作中，0和p分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0107]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p＝0。
[0108]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p＝0。
[0109]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p＝1。
[0110]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p＝1。
[0111]
(4)q：在s1操作中，0和q分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0112]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算q＝0。
[0113]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算q＝1。
[0114]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算q＝0。
[0115]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算q＝1。
[0116]
(5)not p：在s1操作中，p和1分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0117]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算not p＝1。
[0118]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算not p＝1。
[0119]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算not p＝0。
[0120]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算not p＝0。
[0121]
(6)not q：在s1操作中，q和1分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0122]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算not q＝1。
[0123]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算not q＝0。
[0124]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算not q＝1。
[0125]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算not q＝0。
[0126]
(7)p and q：在s1操作中，0和q分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，p和x分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0127]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p and q＝0and 0＝0。
[0128]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p and q＝0and 1＝0。
[0129]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p and q＝1and 0＝0。
[0130]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p and q＝1and 1＝1。
[0131]
(8)p nand q：在s1操作中，0和分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0132]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p nand q＝0nand 0＝1。
[0133]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p nand q＝0nand 1＝1。
[0134]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p nand q＝1nand 0＝1。
[0135]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p and q＝1and 1＝0。
[0136]
(9)p or q：在s1操作中，0和p分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和q分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0137]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p or q＝0or 0＝0。
[0138]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p or q＝0or 1＝1。
[0139]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p or q＝1or 0＝1。
[0140]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p or q＝1or 1＝1。
[0141]
(10)p nor q：在s1操作中，0和分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，和x分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0142]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p nor q＝0nor 0＝1。
[0143]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p nor q＝0nor 1＝0。
[0144]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p nor q＝1nor 0＝0。
[0145]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p nor q＝1nor 1＝0。
[0146]
(11)p imp q：在s1操作中，0和分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和q分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0147]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p imp q＝0imp 0＝1。
[0148]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p imp q
＝0imp 1＝1。
[0149]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p imp q＝1imp 0＝0。
[0150]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p imp q＝1imp 1＝1。
[0151]
(12)p nimp q：在s1操作中，0和分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，p和x分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0152]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p nimp q＝0nimp 0＝0。
[0153]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p nimp q＝0nimp 1＝0。
[0154]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值1。实现逻辑运算p nimp q＝1nimp 0＝1。
[0155]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p nimp q＝1nimp 1＝0。
[0156]
(13)p rimp q：在s1操作中，0和p分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0157]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p rimp q＝0rimp 0＝1。
[0158]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p rimp q＝0rimp 1＝0。
[0159]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p rimp q＝1rimp 0＝1。
[0160]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p rimp q＝1rimp 1＝1。
[0161]
(14)p rnimp q：在s1操作中，0和q分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，和x分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，x和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0162]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为
晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p rnmp q＝0rnimp 0＝0。
[0163]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p rnimp q＝0rnimp 1＝1。
[0164]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p rnimp q＝1rnimp 0＝0。
[0165]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p rnimp q＝1rnimp 1＝0。
[0166]
(15)p xor q：在s1操作中，p和p分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，x和q分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，q和x分别输入到m1，m2的输入端。
[0167]
p＝0，q＝0时，s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p xor q＝0xor 0＝0。
[0168]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p xor q＝0xor 1＝1。
[0169]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p xor q＝1xor 0＝1。
[0170]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p xor q＝1xor 1＝0。
[0171]
(16)p xnor q：在s1操作中，0和分别输入到m1，m2的输入端；在s2操作中，p和q分别输入到m1，m2的输入端；在s3操作中，q和分别输入到m1，m2的输入端。
[0172]
p＝0，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p xnor q＝0xnor 0＝1。
[0173]
p＝0，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s2操作后，m1为晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p xnor q＝0xnor 1＝0。
[0174]
p＝1，q＝0时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为晶态，因此输出信号值为0。实现逻辑运算p xnor q＝1xnor 0＝0。
[0175]
p＝1，q＝1时，可得s1操作后，m1为非晶态，m2为晶态；s2操作后，m1为非晶态，m2为非晶态；s3操作后，m1为非晶态，m2为非晶态，因此输出信号值为1。实现逻辑运算p xnor q＝1xnor 1＝1。
[0176]
本发明公开了一种直波导型相变全光布尔逻辑器件及其全二元逻辑实现方法，器件包括直波导结构，覆盖于波导上方的相变功能单元及其保护层，波导布拉格光栅结构；逻辑实现方法上，使用光脉冲从器件两端分别输入，对相变功能单元状态进行调制：采用特定波长、功率较大的泵浦光脉冲分别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；对状态进行读取时，探测光从器件的一端输入，另一端输出并检测其功率变化，采用另一特定波长、功率较小的探测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；设定波导布拉格光栅结构参数以对泵浦光脉冲所在波长进行反射，使从两端输入的写入脉冲分别只对离该端口最近的相变功能单元作用，选取特定波长的探测光脉冲，在该波长下探测光受到波导布拉格光栅的反射作用较小，不影响器件状态的读取。在对相变功能单元复位后，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。该结构具有对称性，在读取过程中输入输出端口可以互换，相对于电学逻辑门，本发明具有抗电磁干扰，可并行操作等优势，相变材料作为存储介质具有良好的长时间的非易失性，将存储与计算相结合，对存算一体化研究具有重要意义，且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。
[0177]
上述各实例仅用于说明本发明，其中各部件的结构参数、材料、制作工艺及逻辑操作参数等都是可以有变化的，凡是在本发明基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
[0178]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。