可重构的动态全光混沌逻辑门的制作方法

本发明涉及光子设备领域，尤其是可重构的动态全光混沌逻辑门。

背景技术：

混沌吸引子是无数个不稳定周期轨道的集合,混沌吸引子的丰富动力学行为是各态历经的,这表明在混沌系统的时间演化过程中,系统可以到达嵌入在混沌吸引子内部的任何不稳定周期轨道邻域内的每个点，混沌系统为控制和利用混沌提供了这样一种灵活性,即通过利用嵌入到非线性动力系统中丰富的模式执行逻辑计算功能,如实现基本的逻辑门。混沌计算能够提供一个新的重构数字逻辑计算方案。通过系统参数轻微改变，混沌系统可以在不同逻辑门之间的转换，从而实现一个动态的逻辑计算体系结构。这里，在逻辑计算过程中，系统结构本身发生动态改变。与传统逻辑器件(如数字电路逻辑器件，光电逻辑器件，全光逻辑器件)相比，混沌逻辑计算器件有着更加安全性，更加灵活，更低的功率代价。

目前，许多理论和实验工作通过非线性电路混沌系统(chua电路和logistic电路)实现了基本逻辑计算(如and，nand，or，xor，nor，not)。例如，基于logistic映射，通过设计三个阈值，并对输出信号采用不同模拟-逻辑映射关系，可以构建动态逻辑门；基于两个互补的jfet构成的离散的混沌迭代系统，可以实现nor、nand、and、or和xor五种逻辑运算；利用非线性电路的驱动-响应混沌同步系统，可以实现混沌逻辑计算。

与电路混沌逻辑计算相比，半导体激光混沌逻辑计算具有高速(频率在ghz或thz范围)，响应速度快，更高的安全性(更高的混沌维度)，更低的功率代价(更低的阈值电流)，它是未来光混沌网络保密通信中的最为关键的技术。然而，对于基于半导体激光器非线性系统的混沌逻辑计算技术发展相对滞后，相关研究工作者对此方向的研究关注较小，处于刚刚起步的阶段。光混沌信号的复用，解复用，交换，再生，存储，计算等逻辑处理的必要条件是：具备低功耗和高速的全光数字混沌逻辑器件和时序逻辑器件。垂直腔表面发射激光器(vcsel)作为一种微型的半导体激光器，相对于边缘发射激光器，具有发散角度小，阈值电流低，单纵模工作，易于实现二维阵列，动态调制频率高等优点。另外，这种激光器在泵浦电流注入，以及外部光注入和外部光反馈条件下，很容易导致两个混沌偏振模转换。这种偏振转换比吸收和色散双稳态有很更快的响应时间，有利于形成低功耗和高速的全光混沌逻辑门。在最近相关的报道中，使用光注入激光器中的偏振转换和偏振双稳态，不同类型的光电逻辑门以及全光逻辑门运算可以被获得。例如，在自由运行的vcsel系统中，逻辑输入通过泵浦电流来编译，逻辑输出通过vcsel发射的两线性偏振光来解码，可以得到随机逻辑“或”门，“或非”门以及“与非”门；在相干光注入vcsel中，逻辑输入通过注入光强来编译，逻辑输出通过vcsel发射的两线性偏振光来解码，可以获得逻辑“与”门和“或”门；在可调谐光注入vcsel中，逻辑输入通过外部光频率失谐来编译，逻辑输出通过激光器输出的两线性偏振光来解码，可以实现全光随机逻辑“或”门。

然而在上述的方法中，一些重要的参数(如泵浦电流，光注入能量和失谐的注入光)的轻微变化会改变输出偏振的状态。同时，由于偏振转换的不稳定，导致了在上述方法中的逻辑门有很差的稳定性。另外，上述的激光混沌逻辑门的实现方案都是在静态条件下实现的，并没有充分利用激光混沌丰富的模式来实现可重构的动态混沌逻辑门。同时，上述的基本的逻辑门运算只能应用于组合逻辑光子设备，不能推广应用到全光数字混沌组合(比特位)逻辑运算(如全光混沌加法器，译码器等)。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种可重构的动态全光混沌逻辑门，在不同的时间段，通过改变频率失谐与两个逻辑输入之间的逻辑运算，系统可以实现不同的逻辑功能之间的转换。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

可重构的动态全光混沌逻辑门,包括可调谐分布反馈式激光器、光分束器、垂直腔表面发射激光器、光隔离器、偏振分束器、第一减法器、第二减法器；所述的光分束器和垂直腔表面发射激光器之间还并联有第一光学衰减器、第二光学衰减器和半波片，所述可调谐分布反馈式激光器通过光分束器分别连接第一光学衰减器和第二光学衰减器，所述第一光学衰减器连接垂直腔表面发射激光器，所述第二光学衰减器通过半波片连接垂直腔表面发射激光器，所述垂直腔表面发射激光器通过光隔离器连接偏振分束器，所述偏振分束器还分别连接第一减法器和第二减法器，所述垂直腔表面发射激光器3的中心波长为850nm，阈值电流为6.8ma。

可重构的动态全光混沌逻辑门,其方法为；利用外部光注入vcsel混沌系统的丰富模式给出了一个全光混沌逻辑计算，考虑vcsel偏振混沌系统作为混沌处理器，基于自旋理论模型，两个偏振分量混沌状态改变取决于如下速率方程组：

混沌处理器接受外部光的输入，然后改变内部的混沌状态，这时，系统输出两个偏振分量作为两个逻辑输出x和y；假定两偏振输出的ex(t)和ey(t)的均方差分别为σx和σy，在分别给定两个偏振分量的门限值ex^*和ey^*条件下，如果σx-ex^*≤0和σy-ey^*≤0，则x＝0，y＝0；σx-ex^*>0和σy-ey^*>0，则x＝1，y＝1；

其中，符号f表示函数；下标x和y分别表示vcsel激射的x和y混沌偏振分量；i＝i1+i2为输入逻辑信号，i1和i2分别为两个逻辑输入序列；c＝c1+c2为控制逻辑信号，它是外部激光器与vcsel的频率失谐，或vcsel的偏置电流等，c1和c2作为控制逻辑信号两个逻辑序列；n是价带和导带之间的总的反转粒子数；n是上旋和下旋辐射通道之间的反转粒子数差。

优选地，所述全光混沌逻辑计算的方法步骤为：

第一步：给定不同的外部光注入光强的初始值i0和控制逻辑参数初试值c0，计算速率方程组，然后根据偏振双稳态理论，计算和分析激光器混沌偏振双稳态。根据偏振双稳态的演变规律，选取最优的i0和c0；

第二步：增加外部注入和控制参数，对于混沌逻辑and，or，nand，nor，xor，xnor运算，让i(t)＝i1(t)+i2(t)+i0，c＝c1(t)+c2(t)+c0；对于混沌逻辑not运算，让i(t)＝i1(t)+i0，c(t)＝c1(t)+c2(t)+c0(t)；

第三步：重新计算速率方程组(1)-(4)，得到输出x，y偏振分量的混沌态ex(t)和ey(t)，并计算它们的均方差σx和σy；

第四步：根据门限机制，得到逻辑输出，给定x和y偏振分量的门限值ex^*和ey^*，如果σx-ex^*≤0和σy-ey^*≤0，则x＝0，y＝0；σx-ex^*>0和σy-ey^*>0，则x＝1，y＝1。；

第五步：当逻辑控制参数c与两个逻辑输入信号i1和i2满足一定的逻辑关系时，可获得一种基本的全光混沌逻辑运算，改变c与i1和i2的逻辑关系，重复步骤2-4，可以获得其他全光混沌逻辑运算。

本发明提供的可重构的动态全光混沌逻辑门，实现了全光混沌逻辑门运算及各逻辑门运算间的转换，具体能够实现“与”门、“与非”门、“或”门、“或非”门、“异或”门、“同或”门运算及其间的相互转换，可重构的动态全光混沌逻辑门可推广应用到全光数字混沌组合(比特位)逻辑运算(如全光混沌加法器，译码器等)。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例在不同频率失谐的作用下x偏振模和y偏振模的双稳态；

图3为实施例逻辑“与”门、“与非”门运算；

图4为实施例逻辑“或”门、“或非”门、“同或”门和“异或”门运算；

图5为实施例动态的“与”门、“与非”门、“或”门、“或非”门、“同或”门和“异或”门运算。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，可重构的动态全光混沌逻辑门,包括可调谐分布反馈式激光器1、光分束器2、垂直腔表面发射激光器3、光隔离器4、偏振分束器5、第一减法器6、第二减法器7；所述的光分束器2和垂直腔表面发射激光器3之间还并联有第一光学衰减器8、第二光学衰减器9和半波片10，所述可调谐分布反馈式激光器1通过光分束器2分别连接第一光学衰减器8和第二光学衰减器9，所述第一光学衰减器8连接垂直腔表面发射激光器3，所述第二光学衰减器9通过半波片10连接垂直腔表面发射激光器3，所述垂直腔表面发射激光器3通过光隔离器4连接偏振分束器5，所述偏振分束器5还分别连接第一减法器6和第二减法器7，所述垂直腔表面发射激光器3的中心波长为850nm，阈值电流为6.8ma。

可重构的动态全光混沌逻辑门,其方法为；利用外部光注入vcsel混沌系统的丰富模式给出了一个全光混沌逻辑计算，考虑vcsel偏振混沌系统作为混沌处理器，基于自旋理论模型，两个偏振分量混沌状态改变取决于如下速率方程组：

混沌处理器接受外部光的输入，然后改变内部的混沌状态，这时，系统输出两个偏振分量作为两个逻辑输出x和y；假定两偏振输出的ex(t)和ey(t)的均方差分别为σx和σy，在分别给定两个偏振分量的门限值ex^*和ey^*条件下，如果σx-ex^*≤0和σy-ey^*≤0，则x＝0，y＝0；σx-ex^*>0和σy-ey^*>0，则x＝1，y＝1；

其中，符号f表示函数；下标x和y分别表示vcsel激射的x和y混沌偏振分量；i＝i1+i2为输入逻辑信号，i1和i2分别为两个逻辑输入序列；c＝c1+c2为控制逻辑信号，它是外部激光器与vcsel的频率失谐，或vcsel的偏置电流等，c1和c2作为控制逻辑信号两个逻辑序列；n是价带和导带之间的总的反转粒子数；n是上旋和下旋辐射通道之间的反转粒子数差。

进一步的，所述全光混沌逻辑计算的方法步骤为：

第一步：给定不同的外部光注入光强的初始值i0和控制逻辑参数初试值c0，计算速率方程组，然后根据偏振双稳态理论，计算和分析激光器混沌偏振双稳态。根据偏振双稳态的演变规律，选取最优的i0和c0；

第二步：增加外部注入和控制参数，对于混沌逻辑and，or，nand，nor，xor，xnor运算，让i(t)＝i1(t)+i2(t)+i0，c＝c1(t)+c2(t)+c0；对于混沌逻辑not运算，让i(t)＝i1(t)+i0，c(t)＝c1(t)+c2(t)+c0(t)；

第三步：重新计算速率方程组(1)-(4)，得到输出x，y偏振分量的混沌态ex(t)和ey(t)，并计算它们的均方差σx和σy；

第四步：根据门限机制，得到逻辑输出。给定x和y偏振分量的门限值ex^*和ey^*，如果σx-ex^*≤0和σy-ey^*≤0，则x＝0，y＝0；σx-ex^*>0和σy-ey^*>0，则x＝1，y＝1；

第五步：当逻辑控制参数c与两个逻辑输入信号i1和i2满足一定的逻辑关系时，可获得一种基本的全光混沌逻辑运算，改变c与i1和i2的逻辑关系，重复步骤2-4，可以获得其他全光混沌逻辑运算。

工作原理：

垂直腔表面发射激光器3的中心波长为850nm，阈值电流为6.8ma；光隔离器4是用来避免光从偏振分束器5反馈回垂直腔表面发射激光器3；第一光学衰减器8和第二光学衰减器9分别用来控制注入到垂直腔表面发射激光器3的两偏振分量的光强。由于可调谐分布反馈式激光器1，作为一个边缘发射激光器，激射不同频率的te模(定义为x偏振光)。可调谐分布反馈式激光器1发射的x偏振光被光分束器2分成两束光，其中一束光通过半波片10转换成y偏振光(tm模)。在一定偏置电流下，受到外部光注入的垂直腔表面发射激光器3的输出为数字混沌载波，然后，它通过偏振分束器5分离出x和y混沌偏振分量。

激光器的一些重要参数如下：垂直腔表面发射激光器3的泵浦电流；垂直腔表面发射激光器3的x偏振和y偏振的注入光强度；这里，假定注入光强等于两个方波之和，它用来编译两个逻辑输入，这里，注入光强的逻辑符号定义为i，输入的逻辑被定义为i1，的逻辑被定义为i2，此时有i＝i1+i2。在这个条件下，四个逻辑输入序列有：(0,0)，(0,1)，(1,0)和(1,1)。用三个标准信号()来编译四个逻辑输入。其中，用同样的注入光强用来编译子集(0，1)和(1，0)，用注入光强编译子集(0，0)，用注入光强编译子集(1，1)。三个标准信号用来表示，在一个比特位持续时间t内，它是常数。假定当＝＝0.31时，i1＝i2＝0；＝＝0.36时，i1＝i2＝1。另外，可调谐分布反馈式激光器1与垂直腔表面发射激光器3的频率失谐作为控制逻辑信号c，两个逻辑输出x和y分别用输出的两偏振分量的均方差与它们各自的门限阈值之差来译码。

基于垂直腔表面发射激光器的自旋反转模型，考虑外部光注入，得到垂垂直腔表面发射激光器的速率方程组如下：

(4)这里，e是归一化振幅，是差分材料增益，a是慢变振幅；k是场衰减速率；n的衰减速率；自旋弛豫速率，线性增强因子，线性偏振二向色性，线性双折射效应；归一化泵浦电流；噪声强度参数d＝，是自发辐射因子；和分别是两个独立高斯白噪声，其平均值为0和方差为1，它们的相关系数是<>＝。这里，以上提及的参数被考虑在阈值之上。和分别是x和y偏振分量的注入强度；注入光场的归一化振幅＝，是注入场的慢变振幅；注入场频率失谐，是注入场光角频率。并且参考角频率被定义为，和分别是自由运行vcsel的x和y偏振分量的角频率。

如图2给出了针对频率失谐和，x偏振模和y偏振模双稳态，这个双稳态曲线是注入光强与两线性偏振光强之间的函数。其中，点线表示为y偏振光，实线为x偏振光。轨迹(a)和(b)表示在两个不同频率失谐作用下，从vcsel输出的偏振双稳态环，箭头所示的三个注入光强用来编译逻辑输入。

根据图2给出的两偏振分量双稳态不同频率失谐下的动态演变，选取用来编译两个逻辑输入的三个标准值＝0.62，＝0.67，＝0.72。表1给出了各种基本逻辑门的逻辑输出状态分别为0和1的最大均方差和最小均方差，从表1得到当这些逻辑门输出为1时，其最小均方差中的最小值(σxmin，σymin)min为0.1182；对于逻辑输出为0，其最大均方差中的最大值(σxmax，σymax)max为0.0617.假设输出x和y偏振分量，作为逻辑输出，有相同门限值，即ex^*＝ey^*＝m，为了使各种逻辑门有相同的阈值标准，有(σxmax，σymax)max<m<(σxmin，σymin)min。因此，选取m＝0.09。

表1

表2给出了逻辑“与”运算的输入与输出的逻辑关系，以及频率失谐与逻辑输入的逻辑关系。频率失谐逻辑符号用c来表示。当逻辑信号c为“0”时，表示频率失谐为-20ghz，当它为1时，频率失谐为40ghz；逻辑输入用三个标准注入光强来编译，逻辑输出x和y分别用输出的两偏振分量的均方差与它们各自的门限阈值之差来译码。由表2可知：若c＝i1·i2，则x＝i1·i2，y＝i1·i2。

表2

表3给出了逻辑“与非”运算的输入与输出的逻辑关系，以及频率失谐与逻辑输入的逻辑关系。逻辑输入用三个标准注入光强来编译，逻辑输出x和y分别用输出的两偏振分量的均方差与它们各自的门限阈值之差来译码。

表3

图3显示了逻辑“与”、“与非”门运算。频率失谐和从vcsel输出的x、y偏振光幅度的时间变化轨迹。(a)：虚线：频率失谐；实线：三个标准注入光强()。(b)虚线：频率失谐；实线：三个标准注入光强。

表4给出了逻辑“或”运算输入与输出的逻辑关系，以及频率失谐与逻辑输入的逻辑关系。逻辑输入用三个标准注入光强来编译，逻辑输出x和y分别用输出的两偏振分量的均方差与它们各自的门限阈值之差来译码。

表4

表5给出了逻辑“或非”运算输入与输出的逻辑关系，以及频率失谐与逻辑输入的逻辑关系。逻辑输入用三个标准注入光强来编译，逻辑输出x和y分别用输出的两偏振分量的均方差与它们各自的门限阈值之差来译码。

表5

表6给出了逻辑“异或”运算输入与输出的逻辑关系，以及频率失谐与逻辑输入的逻辑关系。逻辑输入用三个标准注入光强来编译，逻辑输出x和y分别用输出的两偏振分量的均方差与它们各自的门限阈值之差来译码。

表6

表7给出了逻辑“同或”运算输入与输出的逻辑关系，以及频率失谐与逻辑输入的逻辑关系。逻辑输入用三个标准注入光强来编译，逻辑输出x和y分别用输出的两偏振分量的均方差与它们各自的门限阈值之差来译码。

表7

图4显示了逻辑“或”，“或非”，“异或”，以及“同或”运算。频率失谐，从vcsel输出的x、y偏振光强度的时间变化轨迹。图中，虚线：频率失谐；黑色实线：三个标准注入光强。

图5显示了动态的逻辑“与”、“与非”、“或”、“或非”、“异或”、“同或”运算。频率失谐和从vcsel输出的x、y偏振光强度的时间变化轨迹。图中，虚线：频率失谐；黑色实线：三个标准注入光强。在时间t介于100ns至200ns之间时，使控制逻辑信号与两个逻辑输入满足如下关系：c＝i1·i2，可以得到逻辑“与”运算，即x＝i1·i2，y＝i1·i2；在200ns至300ns的时间范围内，可以实现逻辑“与非”运算；在300ns至400ns的时间段内，改变c并使，系统可以实现逻辑“或”运算；在400ns≤t≤500ns时，在的条件下，两个逻辑输出变为逻辑“或非”运算：x＝，y＝；在500ns至600ns的时间范围内，两个逻辑输出转换为“同或”运算：x＝，y＝；最后，当t在600ns至700ns范围内,逻辑输出又转换为逻辑“异或”运算。

本发明提供的可重构的动态全光混沌逻辑门，实现了全光混沌逻辑门运算及各逻辑门运算间的转换，具体能够实现“与”门、“与非”门、“或”门、“或非”门、“异或”门、“同或”门运算及其间的相互转换。可重构的动态全光混沌逻辑门可推广应用到全光数字混沌组合(比特位)逻辑运算(如全光混沌加法器，译码器等)。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。