CN112859392B - 一种利用电光晶体进行光计算的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用电光晶体进行光计算的装置，包括：上电路板，下电路板，以及位于上、下电路板之间的多个电光计算单元，每个电光计算单元包括电光晶体，以及位于电光晶体上下表面的上电极片和下电极片，所述上下电路板能够对上下电极片进行实时控制，从而实现光路的导通、截止和偏移；多个电光计算单元相互配合，从而实现电路控制下的光计算。本发明避免了电磁干扰，且计算速度快，控制方便；采用DKDP晶体作为电光晶体进行光计算，实现高效通光；可以通过制作微光学器件，压缩光计算装置的整体大小，提高集成度，使得大规模集成压缩成小体积的复杂光路控制成为可能，提高了光计算装置的集成度。

Description

一种利用电光晶体进行光计算的装置

技术领域

本发明属于光电领域，具体的，涉及一种利用电光晶体进行光计算的装置。

背景技术

光计算技术采用光学方法来实现运算处理和数据传输的技术和设备。光计算技术广义上包括光学外部设备、光存储、光互联和光处理器等。

光计算具有二维并行处理、高速度、大容量、空间传输和抗电磁干扰等优点，一般可归纳为数字光计算和模拟－数字光计算。数字光计算考虑采用光存储、光互联和光处理器。

在光计算中主要采用的就是光路，光路是指光的传播路径，包括光传播中的折射，反射后的路线，而常规的光路平台需要大量的棱镜、透镜、波片和窗片等光学原器件，其存在平台体积大，光学设计复杂的特点；故需要一种像电子芯片PN结一样简单可复制的单元结构的光开关，使得光路和电子芯片中电路一样方便控制和设计。

目前利用在电光晶体上施加电压可以改变晶体的折射率，从而达到改变光的偏振状态，与偏振片一起使用可实现光开关的作用；但其体积相对较大，无法大规模使用，故需要一种集成度高的电光结合的装置，利用电光晶体进行光计算，使得大规模集成压缩成小体积的复杂光路控制成为可能，成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用电光晶体进行光计算的装置，压缩光计算装置的体积，促进大规模集成压缩成小体积的复杂光路控制。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用电光晶体进行光计算的装置，其特征在于，包括：

上电路板，下电路板，以及位于上、下电路板之间的多个电光计算单元，

每个所述电光计算单元包括电光晶体，以及位于所述电光晶体上下表面的上电极片和下电极片，所述上电路板与所述上电极片电性连接，并能够对上电极片的电压进行实时控制，所述下电路板与所述下电极片电性连接，并能够对所述下电极片的电压进行实时控制，所述电光计算单元在上下电极片的控制下，能够实现光路的导通、截止和偏移；

多个电光计算单元相互配合，从而实现电路控制下的光计算。

可选的，所述上电路板和下电路板通过电线连接为一个总电路板，对下电极片和上电极片的电压值进行实时控制。

可选的，所述电光晶体为DKDP晶体。

可选的，当施加于所述电光计算单元的上下电极片的电压为0KV，光线按原路径通过电光晶体传播，形成通路；

当施加于所述电光计算单元的上下电极片的电压为四分之一波电压，此时光线无法通过电光晶体，形成断路；

当施加于所述电光计算单元的上下电极片的电压为0KV至四分之一波电压之间的某一个稳定的电压值，此时电光晶体会由于电压的存在改变折射率，从而使得通入所述电光晶体的光线在输出时发生偏移，形成折射。

可选的，所述对下电极片和上电极片的电压值进行实时控制具体包括以下三种情况中的任意一种：

使得上电极片保持一个固定电压，下电极片的电压实时变化；

使得下电极片保持一个固定电压，上电极片的电压实时变化；或者上下电极片的电压均实时变化，实现对上下电极片电压的控制。

可选的，所述装置具有多个光路入口和多个光路出口，

所述光计算具体为：光量子从不同的光路入口进入表示不同的输入数字，光量子从不同的光路出口出射表示不同的输出数字。

可选的，所述光路入口和所述光路出口可以变化，从而提高所述装置的计算量。

本发明进一步公开了一种上述的利用电光晶体进行光计算的装置的制备方法，具体为：

将所述电光晶体固定在上电路板或者下电路板中的一块的电极片上来实现籽晶的种植，然后将种植好籽晶的电路板浸入DKDP溶液，通过降低溶液温度使溶液饱和点降低，从而让电光晶体的籽晶生长为相应尺寸的光电晶体，而后将上电路板或者下电路板的另外一块的电极片与电光晶体的另外一面相固定，从而使得电光晶体和上下电路板结合为一个整体。

本发明进一步公开了一种上述的利用电光晶体进行光计算的装置的制备方法，具体为：

将所述电光晶体的固定在上电路板或者下电路板中的一块的电极片上来实现籽晶的种植，然后再将上电路板与下电路板固定连接为一体，再将种植好籽晶的电路板浸入DKDP溶液，通过降低溶液温度使溶液饱和点降低，从而让光电晶体的籽晶生长为相应尺寸的光电晶体，并确保了电光晶体紧贴于下电极片和上电极片的表面，从而使得各晶体和上下电路板结合为一个整体。

本发明具有如下优点：

1、通过电光晶体控制所要通过的光量子的通过、截止和折射，避免了电磁干扰，且计算速度快，控制方便；

2、采用DKDP作为电光晶体进行光计算，晶体Z向截面为方形，晶体的4个自然侧面即可高效通光；

3、先将电光晶体籽晶种植于集成电路板的电极片上，而后再通过晶体的定向生长使得各晶体和电路板结合为一个整体，特别是通过上下电路板形成整体后，再生长晶体，使得电光晶体与电极片结合的更加紧密；

4、可以通过制作微光学器件，压缩光计算装置的整体大小，提高集成度，使得大规模集成压缩成小体积的复杂光路控制成为可能，提高了光计算装置的集成度。

附图说明

图1是根据本发明具体实施例的利用电光晶体进行光计算的装置的剖面结构的示意图；

图2是根据本发明具体实施例的利用电光晶体进行光计算的装置的第一基础控制单元的示意图；

图3是根据本发明具体实施例的利用电光晶体进行光计算的装置的第二基础控制单元的示意图；

图4是根据本发明具体实施例的利用电光晶体进行光计算的装置的第三基础控制单元的示意图；

图5是根据本发明具体实施例的利用电光晶体进行光计算的装置的光路控制的示意图。

图中的附图标记所分别指代的技术特征为：

1、电光晶体；21、下电极片；22、上电极片；31、下电路板；32、上电极片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明在于，利用电光晶体和电极片制备得到类似电子芯片PN结的电光计算单元，来控制所要通过的光量子的通过、截止和折射，在光计算装置中包括若干个电光计算单元，从而实现不同的光学计算功能，进而控制光量子通过各个电光晶体的光路变化，形成通过电路控制的具有神经网络结构的光学芯片。

参见图1，示出了是根据本发明具体实施例的利用电光晶体进行光计算的装置的剖面结构的示意图，

其包括

上电路板32，下电路板31，以及位于上、下电路板之间的多个电光计算单元，

每个所述电光计算单元包括电光晶体1，以及位于所述电光晶体1上下表面的上电极片22和下电极片21，所述上电路板32与所述上电极片22电性连接，并能够对上电极片22的电压进行实时控制，所述下电路板31与所述下电极片21电性连接，并能够对所述下电极片21的电压进行实时控制，所述电光计算单元在上下电极片的控制下，能够实现光路的导通、截止和偏移；

多个电光计算单元相互配合，从而实现电路控制下的光计算。

在上电路板和下电路板中具有多个电子芯片、二极管、电阻和电容等电子零部件，表面露出金属电极片，例如上电极片22和下电极片21。上下电路板（32和31）可通过电线连接为一个总电路板，通过电子芯片对下电极片21和上电极片22的电压值进行实时控制。

例如，可以使得上电极片保持一个固定电压，下电极片的电压实时变化，从而实现对上下电极片电压的控制；也可以使得下电极片保持一个固定电压，上电极片的电压实时变化，从而实现对上下电极片电压的控制；或者上下电极片的电压均实时变化，实现对上下电极片电压的控制。

在本发明中，所述电光晶体能够在电压的控制下，通过电光效应实现折射率的变化，从而实现光路的导通、截止和偏移。

具体的，所述电光晶体优选为DKDP等水溶液生长法生长的光电晶体，特别是DKDP晶体，由于DKDP晶体是4方晶系晶体，晶体Z向截面为方形，晶体的4个自然侧面即可高效通光。

根据线性电光效应或普克尔效应，DKDP晶体的折射率在外电场的作用下发生正比的改变，从而实现光束的偏移。

参见图2-图4，以DKDP晶体为例，示出了所述电光计算单元的多种状态。

参见图2，为电光计算单元的导通状态，此时，施加于电光晶体10的上下电极片（21和22）的电压为0KV，光线按原路径通过晶体传播，形成通路。

参见图3，为电光计算单元的截止状态，此时，施加于电光晶体13的上下电极片（21和22）的电压为四分之一波电压，如 3KV，此时光线无法通过晶体，形成断路。

参见图4，为电光计算单元的偏移状态，此时，施加于电光晶体10的上下电极片（21和22）的电压为0KV至四分之一波电压之间的某一个稳定的电压值，例如，为0-3KV之间的某一个稳定电压值，此时晶体17会由于电压的存在改变折射率，从而使得通入晶体17的光线在输出时发生偏移，形成折射。

上下电路板（31和32）能够控制各电极片电压值，使得不同电极片上的电光晶体1呈现相应的折射率，从而控制光量子能否通过电光晶体或改变通过电光晶体的光量子的运动方向，进而控制光量子通过各个电光晶体的光路变化；形成通过电路控制的具有神经网络结构的光学芯片。

进一步的，本发明公开了一种利用电光晶体进行光计算的装置的制备方法，将所述电光晶体1固定在上电路板或者下电路板中的一块的电极片上来实现籽晶的种植，例如通过采用数控机床通过胶水将籽晶粘结于电路板相应的电极片上，然后将种植好籽晶的电路板浸入DKDP溶液，通过降低溶液温度使溶液饱和点降低，从而让电光晶体1的籽晶生长为相应尺寸的光电晶体1，而后将上电路板或者下电路板的另外一块的电极片与电光晶体1的另外一面相固定，从而使得电光晶体和上下电路板（32和31）结合为一个整体。

或者，将所述电光晶体1固定在上电路板或者下电路板中的一块的电极片上来实现籽晶的种植，例如通过采用数控机床通过胶水将籽晶粘结于电路板相应的电极片上，然后再将上电路板32与下电路板31固定连接为一体，再将种植好籽晶的电路板浸入DKDP溶液，通过降低溶液温度使溶液饱和点降低，从而让光电晶体1的籽晶生长为相应尺寸的光电晶体1，并确保了电光晶体1紧贴于下电极片21和上电极片22的表面，从而使得各晶体1和上下电路板（32和31）结合为一个整体。该方法相对于上一种方法，电光晶体与上下电路板的接触更加致密。

通过上述方法制备的装置，能够通过上下电路板中内置的集成电路控制各电极片电压值，使得不同电极片上的电光晶体1呈现相应的折射率，从而控制光量子能否通过电光晶体或改变通过电光晶体的光量子的运动方向，进而控制光量子通过各个电光晶体的光路变化；形成通过电路控制的具有神经网络结构的光学芯片。

参见图5，示出了一个根据本发明具体实施例的利用电光晶体进行光计算的装置的光路控制的示意图。

光量子从光路入口A、光路入口B、光路入口C输入，数值标示为：111（对应的入口有光量子输入标示为“1”，无光量子输入标示为“0”）；经过电路板控制的光路进行量子计算，从光路出口X、光路出口Y、光路出口Z输出，数值标示为：011（对应的出口有光量子输出标示为“1”，无光量子输出标示为“0”）；其中光路控制计算过程为在晶体11的电极片上施加2KV电压使得通过晶体11的光线发生严重偏移，在晶体12的电极片上施加1KV电压使得通过晶体12的光线发生轻微偏移，在晶体13的电极片上施加四分之一波电压 3KV使得光线无法通过晶体13，在晶体14的电极片上施加1.5KV电压使得通过晶体14的光线发生轻微偏移，在晶体15的电极片上施加1KV电压使得通过晶体15的光线发生轻微偏移，在晶体16的电极片上不施加电压使得通过晶体16的光线沿原线传播，在晶体17的电极片上施加2KV电压使得通过晶体17的光线发生严重偏移；各晶体对应的电极片电压值均由上下电路板（31、32）内的电子芯片进行实时控制，从而实现实时改变光路情况。

在附图5中，仅仅示出了三端口输入和三端口输出的示例。

根据本发明，可以通过增加光路入口和光路出口的数量即可非常方便的提高计算量，通过提高控制光路过程的晶体量及晶体排布复杂度即可模仿神经网络结构对光量子数据进行复杂处理运算。

本发明具有如下优点：

1、通过电光晶体控制所要通过的光量子的通过、截止和折射，避免了电磁干扰，且计算速度快，控制方便；

2、采用DKDP作为电光晶体进行光计算，晶体Z向截面为方形，晶体的4个自然侧面即可高效通光；

3、先将电光晶体籽晶种植于集成电路板的电极片上，而后再通过晶体的定向生长使得各晶体和电路板结合为一个整体，特别是通过上下电路板形成整体后，再生长晶体，使得电光晶体与电极片结合的更加紧密；

4、可以通过制作微光学器件，压缩光计算装置的整体大小，提高集成度，使得大规模集成压缩成小体积的复杂光路控制成为可能，提高了光计算装置的集成度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (9)

1.一种利用电光晶体进行光计算的装置，其特征在于，包括：

上电路板，下电路板，以及位于上、下电路板之间的多个电光计算单元，

每个所述电光计算单元包括电光晶体，以及位于所述电光晶体上下表面的上电极片和下电极片，所述上电路板与所述上电极片电性连接，并能够对上电极片的电压进行实时控制，所述下电路板与所述下电极片电性连接，并能够对所述下电极片的电压进行实时控制，所述电光计算单元在上下电极片的控制下，能够实现光路的导通、截止和偏移；

多个电光计算单元相互配合，从而实现电路控制下的光计算。

2.根据权利要求1所述的利用电光晶体进行光计算的装置，其特征在于：

所述上电路板和下电路板通过电线连接为一个总电路板，对下电极片和上电极片的电压值进行实时控制。

3.根据权利要求1所述的利用电光晶体进行光计算的装置，其特征在于：

所述电光晶体为DKDP晶体。

4.根据权利要求3所述的利用电光晶体进行光计算的装置，其特征在于：

当施加于所述电光计算单元的上下电极片的电压为0KV，光线按原路径通过电光晶体传播，形成通路；

当施加于所述电光计算单元的上下电极片的电压为四分之一波电压，此时光线无法通过电光晶体，形成断路；

当施加于所述电光计算单元的上下电极片的电压为0KV至四分之一波电压之间的某一个稳定的电压值，此时电光晶体会由于电压的存在改变折射率，从而使得通入所述电光晶体的光线在输出时发生偏移，形成折射。

5.根据权利要求2所述的利用电光晶体进行光计算的装置，其特征在于：

所述对下电极片和上电极片的电压值进行实时控制具体包括以下三种情况中的任意一种：

使得上电极片保持一个固定电压，下电极片的电压实时变化；

使得下电极片保持一个固定电压，上电极片的电压实时变化；或者上下电极片的电压均实时变化，实现对上下电极片电压的控制。

6.根据权利要求3所述的利用电光晶体进行光计算的装置，其特征在于：

所述装置具有多个光路入口和多个光路出口，

所述光计算具体为：光量子从不同的光路入口进入表示不同的输入数字，光量子从不同的光路出口出射表示不同的输出数字。

7.根据权利要求6所述的利用电光晶体进行光计算的装置，其特征在于：

所述光路入口和所述光路出口可以变化，从而提高所述装置的计算量。

8.一种权利要求1-7中任意一项所述的利用电光晶体进行光计算的装置的制备方法，具体为：

将所述电光晶体固定在上电路板或者下电路板中的一块的电极片上来实现籽晶的种植，然后将种植好籽晶的电路板浸入DKDP溶液，通过降低溶液温度使溶液饱和点降低，从而让电光晶体的籽晶生长为相应尺寸的光电晶体，而后将上电路板或者下电路板的另外一块的电极片与电光晶体的另外一面相固定，从而使得电光晶体和上下电路板结合为一个整体。

9.一种权利要求1-7中任意一项所述的利用电光晶体进行光计算的装置的制备方法，具体为：

将所述电光晶体的固定在上电路板或者下电路板中的一块的电极片上来实现籽晶的种植，然后再将上电路板与下电路板固定连接为一体，再将种植好籽晶的电路板浸入DKDP溶液，通过降低溶液温度使溶液饱和点降低，从而让光电晶体的籽晶生长为相应尺寸的光电晶体，并确保了电光晶体紧贴于下电极片和上电极片的表面，从而使得各晶体和上下电路板结合为一个整体。

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