一种光学逻辑与门装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种光学逻辑与门装置，用于实现波长分别为λ和2λ的两束输入光的逻辑与，其中，波长为λ的光代表逻辑值“1”，波长为2λ的光代表逻辑值“0”；所述光学逻辑与门装置的特征在于包括λ滤波器F1(λ)、2λ滤波器F1(2λ)、λ滤波器F2(λ)、2λ滤波器F2(2λ)、波长转换装置T1和光控制装置。本发明仅需要用电子电路来驱动半导体激光器，不需要用电子电路来控制空间光调制器，实现全光逻辑与。
【专利说明】一种光学逻辑与门装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用光子晶体实现逻辑与的光学装置。
【背景技术】
[0002]与电子相比，光作为信息载体有很多优势，因此光计算机成为了一个值得深入讨论的有市场的问题。经过一段时间，将光计算机作为一个有潜力的技术来研究。如今，越来越多的人意识到光计算机使用光子已成为实际应用中所需要的新技术。在未来，它将在运算速度、数据存储、实时能力和人工智能等方面超过电子计算机。
[0003]在每一个电子计算机系统的阶段，应用传统的电子互联已经成为限制计算机流通量的瓶颈。为了设计高性能的计算机，我们采用光互连，即应用一些能够以光速来处理信息的电路去取代一般的电子线路。这种互联能够应用于门、芯片、电路板、甚至是长距离的处理器。这种方法可能使电脑的处理速度提高100倍，消耗的能量可能是电子计算机的百分
之一 O
[0004]为了设计真正的光计算机，通常需要设计出可以用一个光束去控制另一个光束的光学晶体管。如今人们能够生产出这种晶体管，但是生产这种晶体管所需要的条件很严格，如温度等等，因此很难应用这种设备。我们认为生产这种晶体管的想法是受电子集成电路设计的传统观念所影响，它并没有充分利用一些光的特性，例如光频率和极化。
【发明内容】
[0005]为解决现有光学逻辑电路的设计受电子集成电路设计传统观念的影响，并没充分利用光的特点(例如光频率和极化等)的技术问题，本发明提出一种光学逻辑与门装置，用于实现波长分别为λ和2λ的两束输入光的逻辑与，其中，波长为λ的光代表逻辑值“1”，波长为2 λ的光代表逻辑值“O” ;所述光学逻辑与门装置的特征在于包括:
入滤波器F1U):用于接收输入光L1并让其中波长为λ的光通过后再输出至光控制装置的输入口 IN1 ；
2入滤波器F1 (2 λ):用于接收输入光L1并让其中波长为2 λ的光通过后再输出至波长转换装置T1 ；
入滤波器F2U):用于接收输入光L2并让其中波长为λ的光通过后再输出至光控制装置的输入口 IN1 ；
2入滤波器F2 (2 λ):用于输入光L2并让其中波长为2 λ的光通过后再输出至波长转换装置T1 ；
波长转换装置T1:用于将两个2λ滤波器输出的波长为2λ的光转换为波长为λ的光后再输出至光控制装置的输入口 IN2 ;和
光控制装置:用于当输入口 IN2有波长为λ的光输入时，输出口 OUT输出波长为2 λ的光，且当输入口 IN2无信号输入而输入口 IN1有波长λ的光输入时，输出口 OUT输出波长为λ的光。[0006]进一步的，所述光控制装置包括:
SBSA-NLC:
用于接收由所述输入口 IN1从正向入射的光L11和接收由所述输入口 IN2从反向入射的光L12，且当仅输入所述光L11时输出透射光Lra、当仅输入所述光L12时输出透射光Ltj2以及当同时输入所述光L11和所述光L12时产生受激布里渊散射放大效应输出能量被减弱的透射光Lra和被放大的透射光LtJ2 ；
幅度阈值门限装置:
用于接收所述光Lm并仅在该光Lm的幅度高于门限阈值时才允许其通过，并将通过后的光由所述输出口 OUT输出；和波长转换装置T2:
用于将所述光Ltj2的波长由λ转换为2 λ，并将转换后的光由所述输出口 OUT输出。
[0007]所述光控制装置还包括:
反光镜 Rsbsa1:用于将所述光L12反射至反光镜
^SBSA2 ?
反光镜Rsbsa2:用于将自所述反光镜Rsbsai反射而至的光再次反射后反向射向所述SBSA-NLC ；
反光镜Rsbsa3:用于将自所述SBSA-NLC透射的所述光LtJ2反射至反光镜Rsbsa4 ；
反光镜Rsbsa4:用于将所述反光镜Rsbsa3反射而至的光再次反射后射向所述波长转换装置T2 ;和
耦合器Csbsa:用于将所述幅度阈值门限装置和所述波长转换装置T2输出的光耦合后由所述输出口 OUT输出。
[0008]所述SBSA-NLC为LAP晶体、DLAP晶体或石英玻璃。
[0009]或者，所述光控制装置包括:
FWM-NLC:
用于接收沿某一直线正向入射的光Lm、接收沿所述某一直线反向入射的光L112、接收由所述输入口 IN2沿另一直线入射的光L12，其中，所述光L111和所述光L112由所述输入口 INi输入的同一束光L11分光所得；且当仅输入所述光L11时输出透射光Lra、当仅输入所述光Lk时输出透射光Lre以及当同时输入所述光L11和所述光L12时发生四波混频输出透射光Lm、透射光和反向输出光Lk ；
幅度阈值门限装置:
用于接收所述光Lm并仅在该光Lm的幅度高于门限阈值时才允许其通过，并将通过后的光由所述输出口 OUT输出；和波长转换装置T2:
用于将所述光Ltj2的波长由λ转换为2 λ，并将转换后的光由所述输出口 OUT输出。
[0010]所述光学控制装置还包括:
分光镜Sfwm1:用于将所述光Ln中的部分光L111透射至反光镜Rfwmi，其余部分光L112反射至反光镜Rfik ; 反光镜Rfwm1:用于将自所述分光镜Sfwmi透射而至的光L111反射后沿所述某一直线的正方向射向所述FWM-NLC ；
反光镜Rfwm2:用于将自所述分光镜Sfwmi反射而至的光L112反射后射向反光镜Rfwm3 ；反光镜Rfwm3:用于将自所述反光镜Rfwk反射而至的光L112反射后射向分光镜Sfwm2 ；分光镜Sfwm2:用于将自所述反光镜Rfwm3反射而至的光透射后自所述某一直线的反方向射向所述FWM-NLC，还用于将所述FWM-NLC透射的光Lra反射至所述幅度阈值门限装置；和耦合器Cfwm:用于将所述幅度阈值门限装置和所述波长转换装置T2输出的光耦合后由所述输出口 OUT输出。
[0011]所述FWM-NLC为BSO晶体、SBN晶体或Cr晶体。
[0012]更进一步的，所述波长转换装置T2包括沿光路依次布置的偏振片、谐振腔的腔镜Mm、0P0-NLC、谐振腔的腔镜Mh2和2 λ滤波器F3 (2 λ )，其中，所述腔镜Mm和所述腔镜Mh2的光程差为λ/2的偶数倍。
[0013]进一步的，所述波长转换装置T1包括沿光路依次布置的偏振片、倍频晶体和λ滤波器F3 ( λ )。
[0014]进一步的，所述的光学逻辑与门装置还包括:
分光镜S1:用于将所述输入光L1中的部分光透射至2 λ滤波器Fi(2 λ )，部分光反射至反光镜R1 ；
反光镜R1:用于将所述分光镜S1反射而至的光反射至λ滤波器F1U)；
分光镜S2:用于将所述输入光L2中的部分光透射至所述2 λ滤波器F2 (2 λ )，部分反射至反光镜R2 ;
反光镜R2:用于将所述分光镜S2反射而至的光反射至所述λ滤波器F2U)；
耦合器C1:用于将所述2 λ滤波器F1 (2 λ )和所述2 λ滤波器F2 (2 λ )输出的光耦合后输出至所述波长转换装置T1 ;和
率禹合器C2:用于将所述λ滤波器Fj λ)和所述λ滤波器F2O)输出的光f禹合后输出至所述光控制装置的输入口 IN115
[0015]本发明带来的有益效果是:本发明提出了一种利用光特性设计逻辑与门的构思，通过区分不同光的频率来设计逻辑与门，此结构利用了倍频技术和光学参量振荡来实现光波的频率转换，利用受激布里渊散射放大效应或四波混频的非线性光学效应来设计光控制光的光学组件，最后完成逻辑运算功能。基于此，可以考虑将此构思与光子晶体滤波器和光子晶体纤维相结合，然后提出进一步的关于设计数字集成光学电路的方案。与传统的设计理念不同，我们的所有系统仅需要用电子电路来驱动半导体激光器，但不需要用电子电路来控制空间光调制器，即可实现全光逻辑与。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明实施例光学逻辑与门装置中波长转换装置T1的结构示意图；
图2为本发明实施例光学逻辑与门装置中波长转换装置T2的结构示意图；
图3为本发明实施例光学逻辑与门装置中利用受激布里渊散射放大效应实现的光控制装置的结构示意图；
图4为本发明实施例光学逻辑与门装置中利用四波混频实现的光控制装置的结构示意图；
图5为本发明实施例光学逻辑与门装置的结构示意图。【具体实施方式】
[0017]下面结合【专利附图】
【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0018]本发明将光波中波长为λ的光代表逻辑值“1”，波长为2 λ的光代表逻辑值“O”。对于与门来说，两束输入光:光L1和光L2,仅当两束光的波长同时为λ时,输出光的波长才为λ，否则输出光的波长为2λ。
[0019]为了实现本发明实施例的光学与门，需要设计如下的光学基本组件。
[0020]1.波长的转换装置T1:实现波长2 λ — λ的转换
将波长为2λ的输入光转换成波长为λ输出光，实际上是一个倍频的过程。本发明实施例中使用非线性光学晶体(Nonlinear Optical Crystal 或 Nonlinear Crystal,NLC)中的倍频晶体来实现这种功能。以掺钕钇铝石榴石(YAG)脉冲激光为例，它的输出激光的波长为1064nm，用磷酸钛氧钾(KTP)晶体作为非线性光学倍频介质，波长为1064nm绿色光波的红外激光波经过倍频之后，波长转换为532nm。
[0021]如图1所示，波长转换装置T1包括沿光路依次布置的偏振片、倍频晶体和λ滤波器&(入)。偏振片用于限定光的入射方向，倍频晶体用于实现光的倍频，λ滤波器F3U)仅允许波长为λ的光通过。
[0022]也可以加谐振腔更好实现倍频，为了简易起见，直接通过非线性晶体就可以实现。
[0023]2.波长转换装置T2:实现波长λ — 2 λ的转换
为了将波长为λ的输入光转换为波长为2λ的输出光，需要考虑混频过程，这种过程能够产生不同频率的光波，可以利用光学参量振荡器来实现这个功能。例如，输入光波的波长为532nm，在光学参量振荡器中，用磷酸钛氧钾(KTP)晶体作为非线性光学介质，当在一定方向削减KTP晶体，它将通过非线性光学参量过程，产生波长为1064nm的输出光波。
[0024]如图2所示，波长转换装置T2包括沿光路依次布置的偏振片、腔镜Mm、OPO-NLC(Optical Parametric Oscillator—Nonlinear Crystal,即能实现光学参量振荡的非线性光学晶体)、腔镜Mh2和2 λ滤波器F3 (2 λ )，其中，偏振片是限定光的入射方向，保证相位匹配，腔镜Mhi和腔镜Mh2之间的光程差为λ/2的偶数倍。
[0025]0P0-NLC的两边是腔镜Mm和腔镜Mh2，这三部分构成谐振腔。谐振腔本身并不会使光增强，使光增强的是其中的增益介质。如果将光放大到足够强，增益介质需要做的很长。所以采用光学谐振腔，在增益介质两端加腔镜，使光在其中往复循环，从而得到足够大的增益。谐振腔本身具有选频的作用，即具有特定波长的光才能在一个谐振腔中谐振。具体来说，光在谐振腔中往复循环一次其光程差必须是半波长的偶数倍从而形成相长干涉，光程差为半波长的奇数倍形成相消干涉。这样，需要的光波干涉增强，不需要的光波长干涉减弱。谐振腔对光束方向具有选择作用，使光沿着特定的方向传播。
[0026]3.光控制装置(Light Control Device, LCD)
如果我们想实现与门的逻辑运算功能，我们需要进行相关的限制控制，为此，本发明需设计一个光控制装置。
[0027]假设光控制装置有波长均为λ的两束输入光L11和L12，光L11自光控制装置的输入口 IN1射入光控制装置，光L11自光控制装置的输入口 IN2射入光控制装置，其中输入口IN2优先于输入口 IN1，也就是说，当光L11和光L12这两束光都不存在时，光控制装置的输出口 OUT就没有光输出；只要光波L12存在，那么光控制装置的输出口 OUT将输出波长为2 λ的光。即，光控制装置的真值表如下: __
【权利要求】
1.一种光学逻辑与门装置，用于实现波长分别为λ和2λ的两束输入光的逻辑与，其中，波长为λ的光代表逻辑值“1”，波长为2 λ的光代表逻辑值“O”;所述光学逻辑与门装置的特征在于包括: λ滤波器F1U):用于接收输入光L1并让其中波长为λ的光通过后再输出至光控制装置的输入口 IN1 ； 2λ滤波器F1 (2 λ):用于接收输入光L1并让其中波长为2 λ的光通过后再输出至波长转换装置T1 ； λ滤波器F2U):用于接收输入光L2并让其中波长为λ的光通过后再输出至光控制装置的输入口 IN1 ； 2λ滤波器F2 (2 λ):用于输入光L2并让其中波长为2 λ的光通过后再输出至波长转换装置T1 ； 波长转换装置T1:用于将两个2λ滤波器输出的波长为2λ的光转换为波长为λ的光后再输出至光控制装置的输入口 IN2 ;和 光控制装置:用于当输入口 IN2有波长为λ的光输入时，输出口 OUT输出波长为2 λ的光，且当输入口 IN2无信号输入而输入口 IN1有波长λ的光输入时，输出口 OUT输出波长为λ的光。
2.根据权利要求1所述的光学逻辑与门装置，其特征在于所述光控制装置包括:
SBSA-NLC: 用于接收由所述输入口 IN1从正向入射的光L11和接收由所述输入口 IN2从反向入射的光L12，且当仅输入所述光L11时输出透射光Lra、当仅输入所述光L12时输出透射光Ltj2以及当同时输入所述光L11和所述光L12时产生受激布里渊散射放大效应，输出能量减弱的透射光Lra和被放大的透射光LtJ2 ； 幅度阈值门限装置: 用于接收所述光Lm并仅在该光Lm的幅度高于门限阈值时才允许其通过，并将通过后的光由所述输出口 OUT输出；和 波长转换装置T2: 用于将所述光Ltj2的波长由λ转换为2 λ，并将转换后的光由所述输出口 OUT输出。
3.根据权利要求2所述的光学逻辑与门装置，其特征在于所述光控制装置还包括: 反光镜 Rsbsa1:用于将所述光L12反射至反光镜
^SBSA2 ? 反光镜Rsbsa2:用于将自所述反光镜Rsbsai反射而至的光再次反射后反向射向所述SBSA-NLC ； 反光镜Rsbsa3:用于将自所述SBSA-NLC透射的所述光LtJ2反射至反光镜Rsbsa4 ； 反光镜Rsbsa4:用于将所述反光镜Rsbsa3反射而至的光再次反射后射向所述波长转换装置T2 ;和 耦合器Csbsa:用于将所述幅度阈值门限装置和所述波长转换装置T2输出的光耦合后由所述输出口 OUT输出。
4.根据权利要求2或3所述的光学逻辑与门装置，其特征在于:所述SBSA-NLC为LAP晶体、DLAP晶体或石英玻璃。
5.根据权利要求1所述的光学逻辑与门装置，其特征在于所述光控制装置包括:FWM-NLC: 用于接收沿某一直线正向入射的光Lm、接收沿所述某一直线反向入射的光L112、接收由所述输入口 IN2沿另一直线入射的光L12，其中，所述光L111和所述光L112由所述输入口 INi输入的同一束光L11分光所得；且当仅输入所述光L11时输出透射光Lra、当仅输入所述光Lk时输出透射光Lre以及当同时输入所述光L11和所述光L12时发生四波混频输出透射光Lm、透射光和反向输出光Lk ； 幅度阈值门限装置: 用于接收所述光Lm并仅在该光Lm的幅度高于门限阈值时才允许其通过，并将通过后的光由所述输出口 OUT输出；和波长转换装置T2: 用于将所述光Ltj2的波长由λ转换为2 λ，并将转换后的光由所述输出口 OUT输出。
6.根据权利要求5所述的光学逻辑与门装置，其特征在于所述光学控制装置还包括: 分光镜Sfwm1:用于将所述光Ln中的部分光L111透射至反光镜Rfwmi，其余部分光L112反射至反光镜Rfik ； 反光镜Rfwm1:用于将自所述分光镜Sfwmi透射而至的光L111反射后沿所述某一直线的正方向射向所述FWM-NLC ；反光镜Rfwm2:用于将自所述分光镜Sfwmi反射而至的光L112反射后射向反光镜Rfwm3 ；反光镜Rfwm3:用于将自所述反光镜Rfwk反射而至的光L112反射后射向分光镜Sfwm2 ；分光镜Sfwm2:用于将自所述反光镜Rfwm3反射而至的光透射后自所述某一直线的反方向射向所述FWM-NLC，还用于将所述FWM-NLC透射的光Lra反射至所述幅度阈值门限装置；和耦合器Cfwm:用于将所述幅度阈值门限装置和所述波长转换装置T2输出的光耦合后由所述输出口 OUT输出。
7.根据权利要求5或6所述的光学逻辑与门装置，其特征在于:所述FWM-NLC为BSO晶体、SBN晶体或Cr晶体。
8.根据权利要求2或5所述的光学逻辑与门装置，其特征在于:所述波长转换装置T2包括沿光路依次布置的偏振片、谐振腔的腔镜Mm、0P0-NLC、谐振腔的腔镜Mh2和2 λ滤波器F3 (2 λ )，其中，所述腔镜Mhi和所述腔镜Mh2的光程差为λ /2的偶数倍。
9.根据权利要求1所述的光学逻辑与门装置，其特征在于:所述波长转换装置T1包括沿光路依次布置的偏振片、倍频晶体和λ滤波器F3U)。
10.根据权利要求1所述的光学逻辑与门装置，其特征在于还包括: 分光镜S1:用于将所述输入光L1中的部分光透射至2 λ滤波器Fi(2 λ )，部分光反射至反光镜R1 ； 反光镜R1:用于将所述分光镜S1反射而至的光反射至λ滤波器F1U)； 分光镜S2:用于将所述输入光L2中的部分光透射至所述2 λ滤波器F2 (2 λ )，部分反射至反光镜R2 ； 反光镜R2:用于将所述分光镜S2反射而至的光反射至所述λ滤波器F2U)； 耦合器C1:用于将所述2 λ滤波器F1 (2 λ )和所述2 λ滤波器F2 (2 λ )输出的光耦合后输出至所述波长转换装置T1 ;和 率禹合器C2:用于将所述λ滤波器Fj λ)和所述λ滤波器F2O)输出的光f禹合后输出至所述光控制装置的输入口 IN115
【文档编号】G02F3/00GK103792756SQ201410029088
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】代明军, 王岩, 沈丹 申请人:深圳大学