CN113655674B - 基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，本发明的第一信号发生器输出的信号一路送入可调谐激光器的电压调谐端口，一路送入示波器。可调谐激光器的发射端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与环形谐振腔耦合器输入端之间的光纤上设置有偏振控制器。第二信号发生器发出的电脉冲信号通过环形谐振腔耦合器内部的加热片来控制耦合系数，形成光开关，实现同或和异或逻辑。输出通过光电探测器将光信号转化成电信号，然后用示波器将其波形显示并记录下来。发明具备体积小、集成度高、低损耗、低功耗、抗电磁干扰的优点。

Description

基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门
技术领域
本发明涉及的是一种基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，可对输入系统的电脉冲信号进行异或以及同或的逻辑运算，属于光子器件技术领域。
背景技术
目前电子计算多数都是以串行的形式来处理数据，这使得其处理速度难以提升。相比于电子学，光学计算以其高速性和高并行性的优势，具有快速处理大量数据的潜力。数字光学逻辑是光学计算的重要组成部分。用特定的光交换网络来实现数字光逻辑，其电路延迟比传统逻辑电路小很多。在逻辑运算中，异或运算是所有的编码和解码方案中都是不可缺少的，可用于奇偶校验、数据加密等多种场合。
但是目前的光逻辑门使用光信号操作，限制了输入和输出的波长，导致了系统的不可伸缩性，并且其输入和输出的功率也有着较大的差异，并不适用于高度可扩展的光子集成电路；而用于数字光子学的复杂的全光逻辑门虽然已经被设计出来，但仍处于数值计算阶段，理论和实验还有很大差距，制造误差对于计算结果的影响仍未可知。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门。有着体积小、集成度高、低损耗、低功耗、抗电磁干扰的优点。
第一信号发生器、第二信号发生器、可调谐激光器、衰减器、偏振控制器、环形谐振腔、光电探测器、示波器；所述的环形谐振腔包括第一2×2耦合器、第二2×2 耦合器、第三2×2耦合器、第四2×2耦合器以及第一2×2耦合器加热器、第二2 ×2耦合器加热器、第三2×2耦合器加热器、第四2×2耦合器加热器，第一2×2 耦合器通过用波导或光纤与第二2×2耦合器、第四2×2耦合器连接，第三2×2耦合器通过用波导或光纤与第二2×2耦合器、第四2×2耦合器连接，第二2×2耦合器通过用波导或光纤与第四2×2耦合器连接，形成谐振腔；所述的第一2×2耦合器其中一个臂外侧设有第一2×2耦合器加热器，所述的第二2×2耦合器其中一个臂外侧设有第二2×2耦合器加热器，所述的第三2×2耦合器其中一个臂外侧设有第三2 ×2耦合器加热器，所述的第四2×2耦合器其中一个臂外侧设有第三2×2耦合器加热器；
所述的第一信号发生器输出的两路信号一路送入可调谐激光器的电压调谐端口，一路送入到示波器。第二信号发生器输出的两路信号一路送到2×2第一2×2耦合器加热器和第三2×2耦合器加热器上，一路送到第二2×2耦合器加热器和第四2×2 耦合器加热器上；可调谐激光器的光出射端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与环形谐振腔输入端连接；光纤输入的光场在第一2×2耦合器通过2×2耦合器输入端口进入环形谐振腔，在腔内多次循环后再从第一2×2耦合器的输出端口输出到光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号送入示波器显示。
作为优选，所述的环形谐振腔耦合系统中的内外环周长比例为1∶2。
作为优选，2×2耦合器实际是马赫曾德尔干涉仪，其耦合系数通过调整干涉仪的相位进行调节；选用加热器如电极去改变干涉仪的一个臂的相位，最终导致干涉仪两个输出端口的光强比例变化，进而获得不同的耦合系数。
作为优选，2×2耦合器分别由一个U型波导和一个环形波导组成。
作为优选，所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输。
作为优选，所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。
作为优选，四组耦合系数取值满足下列四种状态，即可进行所设定的同或和异或逻辑运算；其中，光透过率低于设定值认为输出为0，光透过率高于设定值认为输出为1；
状态一：r＝0.10，r1＝0.10；四个2×2耦合器的耦合系数都较小，其归一化的光透过率约为3.2％，认为输出结果为0；
状态二：r＝0.90，r1＝0.10；一端其在耦合较浅处，另一端接近临界耦合，其输出功率于输入功率之比为97.62％，输出结果为1；
状态三：r＝0.10，r1＝0.95；一端其在耦合较浅处，另一端接近临界耦合，其输出功率于输入功率之比为66.91％，输出结果为1；
状态四：r＝0.9，r1＝0.95；其接近临界耦合，其输出功率于输入功率之比为16.53％，输出结果为0。
作为优选，2×2耦合器(6a)和(6c)的初始耦合系数r为0.10，2×2耦合器(6b) 和(6d)的初始耦合系数r1为0.10。如果要实现异或门逻辑，首先给第一2×2耦合器加热器(6e)、第二2×2耦合器加热器(6f)、第三2×2耦合器加热器(6g)、第四2 ×2耦合器加热器(6h)初始电压，使得r和r1分别为0.9、0.95，此时为异或门的初始态，输入X＝Y＝0。如果要实现同或门逻辑首先给第二2×2耦合器加热器(6f)和第四2×2耦合器加热器(6h)初始电压，使得其耦合系数为0.95，此时为同或门的初始态，输入X＝Y＝0。
作为优选，耦合系数r和r1不需要严格要求上述状态的耦合系数值，只需要其组合满足状态的输出结果。
本发明提出了一种基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，可执行异或和同或运算，由于其逻辑电路不存在波导的交叉，降低了内部的损耗和串扰。此外，由于微环谐振器的紧凑的平面结构，有利于光子集成电路的发展。
附图说明
图1为发明的基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门示意图；
图2为同或/异或逻辑的运算真值图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
具体实施方式一：如图1所示，信号发生器、可调谐激光器3、衰减器4、偏振控制器5、环形谐振腔、光电探测器7、示波器8。第一信号发生器1第一路信号发送到可调谐激光器的电压调谐端，使调谐激光器输出连续的光信号。第一信号发生器的第二路信号送入示波器。第二信号发生器2第一路信号发送到耦合系统的第一和第三2×2耦合器，用于控制其谐振器的耦合系数r。第二信号发生器的第二路信号发送到耦合系统的第二和第四2×2耦合器，用于控制其谐振器的耦合系数r1，从而形成光开关。可调谐激光器的信号经过衰减器和偏振控制器后进入耦合系统逻辑门，通过对r1和r的值变化，来实现同或和异或的逻辑操作，并用光电探测器将光信号转化成电信号，然后用示波器将其波形记录下来。其中第一2×2耦合器6a其中一个臂外侧设有第一2×2耦合器加热器6e，所述的第二2×2耦合器6b其中一个臂外侧设有第二2×2耦合器加热器6f，所述的第三2×2耦合器6c其中一个臂外侧设有第三 2×2耦合器加热器6g，所述的第四2×2耦合器6d其中一个臂外侧设有第三2×2耦合器加热器6h；
本发明的工作原理为:
基于环形谐振腔光学系统的2×2耦合器分别由一个U型波导和一个环形波导组成，通过设计U型波导和环形波导的长度，从输入端口进入的光信号从第一2×2耦合器6a的输入端口进入耦合系统，在内环与外环中多次传输经第一2×2耦合器6a 的输出端口输出到探测器中。在2×2耦合器中，为了对耦合系数进行控制，采用了不对称马赫-曾德尔干涉仪和一个加热器，通过对加热器施加电压信号来调控耦合器的耦合系数，其中2×2耦合器6a和6c共用一个电压信号，耦合系数为r；2×2耦合器6b和6d共用一个电压信号，耦合系数为r1，实现对输入电信号进行运算，转换为光输出信号。环形谐振腔光学系统的透射光场可以通过传输矩阵理论进行计算，选取不同的耦合系数可以获得对应的较低或较高的透射光场输出，光强的强弱对应逻辑的0和1。
为了实现同或和异或的光逻辑运算，使用了四个耦合系数的组合，对应四种不同的输入输出状态。其中，光透过率低于设定值认为输出为0，光透过率高于设定值认为输出为1。状态一：r＝0.10，r1＝0.10；四个2×2耦合器的耦合系数都较小，其归一化的光透过率约为3.2％，可以认为输出结果为0；
状态二：r＝0.90，r1＝0.10；一端其在耦合较浅处，另一端接近临界耦合，其输出功率于输入功率之比为97.62％，输出结果为1；
状态三：r＝0.10，r1＝0.95；一端其在耦合较浅处，另一端接近临界耦合,其输出功率于输入功率之比为66.91％，输出结果为1；
状态四：r＝0.9，r1＝0.95；其接近临界耦合,其输出功率于输入功率之比为16.53％，输出结果为0。
2×2耦合器(6a)和(6c)的初始耦合系数r为0.10，2×2耦合器(6b)和(6d)的初始耦合系数r1为0.10；
除了上述给出的示例状态，还可以选取其他的耦合系数，只要耦合系数的取值能够满足上述的四种状态，即可进行所设定的同或和异或逻辑运算。
根据不同耦合系数组合的状态，可以设计一个的光电异或和同或逻辑门，如图2所示，包括下列步骤：
第一信号发生器产生的信号输入到可调谐激光器中，并由激光器产生相应的激光通过耦合进入到系统中，第二信号发生器的第一路信号和第二路信号分别通过加热器来控制耦合系数的变化，其中第一路信号设为输入X，发送到耦合系统的第一和第三微环谐振器，用于控制其谐振器的耦合系数r。第四路信号设为输入Y，发送到耦合系统的第二和第四微环谐振器，用于控制其谐振器的耦合系数r1，形成光开关，如果要实现同或门逻辑，首先给r1初始电压，使得其耦合系数为0.95；此时X＝Y＝0，对应的状态为状态三，此时即为同或门的初始状态，输出为1；然后给r1施加电压，使得其耦合系数为0.1，此时X＝0,Y＝1,对应的状态为状态一，输出为0；然后回到初始状态，给r施加电压，使得其耦合系数为0.9，此时X＝1,Y＝0，对应的状态为状态四，输出为0，然后再回到初始状态，给r和r1施加电压，使得其耦合系数分别为 0.9、0.1，此时X＝1,Y＝1，对应的状态为状态二，输出为1。即完成同或逻辑运算。
要实现异或门逻辑，首先给r和r1初始电压，使得其耦合系数分别为0.9、0.95，此时X＝Y＝0，对应的状态为状态四，此时即为异或门的初始状态，输出为0；然后给 r1施加电压，使得其耦合系数为0.1，此时X＝0,Y＝1,对应的状态为状态二，输出为1；然后回到初始状态，给r施加电压，使得其耦合系数为0.1，此时X＝1,Y＝0，对应的状态为状态三，输出为1，然后再回到初始状态，给r和r1施加电压，使得其耦合系数都为0.1，此时X＝1,Y＝1，对应的状态为状态一，输出为0。即完成同或逻辑运算。
使用示波器记录异或逻辑门、同或逻辑门的波形。

Claims (8)

1.基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，其特征在于：第一信号发生器(1)、第二信号发生器(2)、可调谐激光器(3)、衰减器(4)、偏振控制器(5)、环形谐振腔(6)、光电探测器(7)、示波器(8)；所述的环形谐振腔(6)包括第一2×2耦合器(6a)、第二2×2耦合器(6b)、第三2×2耦合器(6c)、第四2×2耦合器(6d)以及第一2×2耦合器加热器(6e)、第二2×2耦合器加热器(6f)、第三2×2耦合器加热器(6g)、第四2×2耦合器加热器(6h)，第一2×2耦合器(6a)通过用波导或光纤与第二2×2耦合器(6b)、第四2×2耦合器(6d)连接，第三2×2耦合器(6c)通过用波导或光纤与第二2×2耦合器(6b)、第四2×2耦合器(6d)连接，第二2×2耦合器(6b)通过用波导或光纤与第四2×2耦合器(6d)连接，形成谐振腔；所述的第一2×2耦合器(6a)其中一个臂外侧设有第一2×2耦合器加热器(6e)，所述的第二2×2耦合器(6b)其中一个臂外侧设有第二2×2耦合器加热器(6f)，所述的第三2×2耦合器(6c)其中一个臂外侧设有第三2×2耦合器加热器(6g)，所述的第四2×2耦合器(6d)其中一个臂外侧设有第四2×2耦合器加热器(6h)；
所述的第一信号发生器(1)输出的两路信号一路送入可调谐激光器的电压调谐端口，一路送入到示波器；第二信号发生器(2)输出的两路信号一路送到第一2×2耦合器加热器(6e)和第三2×2耦合器加热器(6g)上，一路送到第二2×2耦合器加热器(6f)和第四2×2耦合器加热器(6h)上；可调谐激光器(3)的光出射端与衰减器(4)的输入端连接，衰减器(4)的输出端与偏振控制器(5)的输入端连接，偏振控制器(5)的输出端与环形谐振腔(6)输入端连接；光纤输入的光场在第一2×2耦合器(6a)通过2×2耦合器输入端口进入环形谐振腔(6)，在腔内多次循环后再从第一2×2耦合器(6a)的输出端口输出到光电探测器(7)的接收端，光电探测器(7)输出的信号送入示波器(8)显示。
2.根据权利要求1所述的基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，其特征在于：所述的环形谐振腔中的内外环周长比例为1∶2。
3.根据权利要求1所述的基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，其特征在于：2×2耦合器实际是马赫曾德尔干涉仪，其耦合系数通过调整干涉仪的相位进行调节；选用加热器去改变干涉仪的一个臂的相位，最终导致干涉仪两个输出端口的光强比例变化，进而获得不同的耦合系数。
4.根据权利要求1所述的基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，其特征在于：所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输。
5.根据权利要求1所述的基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，其特征在于：所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。
6.根据权利要求1所述的基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，其特征在于：四组耦合系数取值满足下列四种状态，即可进行所设定的同或和异或逻辑运算；其中，光透过率低于设定值认为输出为0，光透过率高于设定值认为输出为1；第一2×2耦合器(6a)和第三2×2耦合器(6c)的耦合系数为r，第二2×2耦合器(6b)和第四2×2耦合器(6d)的耦合系数为r1；
状态一：r＝0.10，r1＝0.10；四个2×2耦合器的耦合系数都较小，其归一化的光透过率为3.2％，认为输出结果为0；
状态二：r＝0.90，r1＝0.10；一端其在耦合较浅处，另一端接近临界耦合，其输出功率于输入功率之比为97.62％，输出结果认作为1；
状态三：r＝0.10，r1＝0.95；一端其在耦合较浅处，另一端接近临界耦合，其输出功率于输入功率之比为66.91％，输出结果认作为1；
状态四：r＝0.9，r1＝0.95；其接近临界耦合，其输出功率于输入功率之比为16.53％，输出结果认作为0。
7.根据权利要求1或6所述的基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，其特征在于：第一2×2耦合器(6a)和第三2×2耦合器(6c)的初始耦合系数r为0.10，第二2×2耦合器(6b)和第四2×2耦合器(6d)的初始耦合系数r1为0.10；如果要实现异或门逻辑，首先给第一2×2耦合器加热器(6e)、第二2×2耦合器加热器(6f)、第三2×2耦合器加热器(6g)、第四2×2耦合器加热器(6h)初始电压，使得r和r1分别为0.9、0.95，此时为异或门的初始态，输入X＝Y＝0；如果要实现同或门逻辑首先给第二2×2耦合器加热器(6f)和第四2×2耦合器加热器(6h)初始电压，使得耦合系数r1为0.95，此时为同或门的初始态，输入X＝Y＝0。
8.根据权利要求6所述的基于环形谐振腔光学系统的异或和同或逻辑门，其特征在于：耦合系数r和r1只需要其组合满足状态的输出结果。
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