專利名稱：基于穩(wěn)定偏振vcsel的光學矢量-矩陣乘法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電計算機，特別涉及一種基于垂直腔面發(fā)射激光器構(gòu)件而成的 光學矢量-矩陣乘法器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光計算由于其并行性、高信息處理速率等優(yōu)點得到了廣泛的研究。其中光學矢 量-矩陣乘法器系統(tǒng)就是光計算機的一類。該系統(tǒng)可以進行大規(guī)模線陣與面陣之間的矢 量-矩陣乘法運算。其原理圖如圖1所示。在該系統(tǒng)中，常采用垂直腔面發(fā)射激光器(以 下簡稱VCSEL)線列或發(fā)光二極管(LED)線列作為輸入矢量，每個光源發(fā)射的光通過一個成 像系統(tǒng)，變成一列光照射到對應的多量子阱空間光調(diào)制器(調(diào)制矩陣)的一列像素上，經(jīng)過 調(diào)制器各個像素的調(diào)制吸收，各像素反射的光強發(fā)生變化，然后再經(jīng)過一個成像系統(tǒng)，調(diào)制 器每一行像素反射回的光成像到一個對應的探測器像素上，被探測器吸收，得到計算結(jié)果。 這樣就完成了一個矢量_矩陣的乘法過程。目前常用的VCSEL陣列都存在一個問題它的 偏振狀態(tài)隨注入電流的增加而變化，即便在同樣大小的注入電流下，VCSEL的偏振也會出現(xiàn) 隨機抖動，這就是VCSEL的偏振噪聲，它的頻率一般在百兆赫茲的量級。在進行計算的過程 中，為了減少鏡子表面來回反射造成的噪聲對計算結(jié)果造成影響，一般在系統(tǒng)中，會添加一 個光學隔離器(由一個偏振分光棱鏡5與一個四分之一波片6的組合)。這樣在計算的過 程中，即使在同樣的注入電流驅(qū)動下，由于偏振噪聲，在每一瞬間經(jīng)過偏振分光棱鏡分光以 后照射到調(diào)制器表面的光強都有區(qū)別，這對于系統(tǒng)進行多灰度級的高速光學計算來說，是 很不利的。同時VCSEL出射光的偏振光光強隨注入電流的增加并不是單調(diào)遞增的關(guān)系(如 圖2所示)，這就不能滿足系統(tǒng)進行多灰度級運算的要求。為了減小偏振噪聲的影響，以色 列Lenslet公司的Enlight256光學矢量-矩陣乘法器系統(tǒng)采用兩路對稱光計算的方式，其 光路示意圖如圖3所示光源31出射的光經(jīng)過成像系統(tǒng)34整形，然后經(jīng)過一個偏振分光 棱鏡35分光，分出的兩束偏振光分別經(jīng)過一個四分之一波片36變?yōu)樽笮?或右旋光) 照射到空間光調(diào)制器32上，經(jīng)過調(diào)制器的調(diào)制吸收，各像素反射回的光由于有半波損失， 變?yōu)橛倚?或左旋光)，再經(jīng)過四分之一波片36變?yōu)榱硪粋€偏振方向的光，通過偏振分 光棱鏡35后沿另一個方向傳播，通過成像系統(tǒng)37收集，再經(jīng)過偏振分光棱鏡分光，最后用 兩個探測器33分別對這兩路偏振光的計算結(jié)果進行探測，然后加和得到計算結(jié)果。在這個 系統(tǒng)里，通過對偏振分光棱鏡分出的兩路光分別進行調(diào)制計算，然后對結(jié)果進行加和來補 償VCSEL偏振噪聲不穩(wěn)定對計算結(jié)果的影響。這種系統(tǒng)設(shè)計的缺點是要求兩路光必須嚴 格對稱，在高速計算的情況下，兩路光的光程要嚴格相等，而且兩路光的各通道像素要分別 絕對對準，兩路光系統(tǒng)的調(diào)制系數(shù)等參量要完全相同，這樣才不會造成計算誤差。這就大大 提高了系統(tǒng)設(shè)計加工裝配與調(diào)試的難度。因此為將光學矢量-矩陣乘法器系統(tǒng)推向?qū)嵱茫?VCSEL偏振的鎖定是其中亟需解決的一個核心問題。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)光學矢量_矩陣乘法器的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種 基于穩(wěn)定偏振垂直腔面發(fā)射激光器的光學矢量_矩陣乘法器，使得光學矢量_矩陣乘法器 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡化，計算精度更加提高，能夠滿足多灰度級運算，同時降低該系統(tǒng)的加 工、裝配與調(diào)試難度。實現(xiàn)上述本發(fā)明的技術(shù)方案為基于垂直腔面發(fā)射激光器的光學矢量-矩陣乘法器，包括作為光源的垂直腔面發(fā) 射激光器，以及按一定空間位置和光路設(shè)置的成像系統(tǒng)、偏振分光棱鏡、空間光調(diào)制器、光 探測器及四分之一波片，其特征在于所述垂直腔面發(fā)射激光器的出射孔處加工設(shè)有一個 亞波長光柵。進一步地，前述基于垂直腔面發(fā)射激光器的光學矢量_矩陣乘法器，其中該光學 矢量_矩陣乘法器僅具有一路用于光學運算的成像系統(tǒng)、偏振分光棱鏡、空間光調(diào)制器、光 探測器及四分之一波片。本發(fā)明基于穩(wěn)定偏振的垂直墻面發(fā)射激光器的光學矢量_矩陣乘法器系統(tǒng)，其實 施后顯著優(yōu)點為本發(fā)明用一路偏振光便可實現(xiàn)光學矢量-矩陣乘法的過程，大大簡化了系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)，實現(xiàn)多灰度級的計算，提高了系統(tǒng)計算的精度，同時也降低了系統(tǒng)的加工裝配與調(diào)試的難 度，降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。該光學矢量_矩陣乘法器可廣泛的實際運用在光電計算領(lǐng)域。以下便結(jié)合實施例附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳述，以使本發(fā)明 技術(shù)方案更易于理解、掌握。


圖1是現(xiàn)有光學矢量-矩陣乘法器的工作原理示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)VCSEL的光學矢量-矩陣乘法器系統(tǒng)中VCSEL出射光的偏振光光 強與注入電流強度之間的變化關(guān)系示意圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)對稱雙光路實現(xiàn)光學矢量_矩陣乘法器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明垂直腔面發(fā)射激光器的光學矢量-矩陣乘法器的出射孔亞波長光柵 的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明采用圖4所示垂直腔面發(fā)射激光器的光學矢量-矩陣乘法器的結(jié)構(gòu) 示意圖；圖6是圖5所示實施例中VCSEL光源出射光的偏振光光強與注入電流強度之間的 變化關(guān)系示意圖；上述附圖中各附圖標記的含義如下31. VCSEL光源；32.空間光調(diào)制器；33.探測器；34.成像系統(tǒng)；35.偏振分光棱鏡； 36.四分之一波片；37.成像系統(tǒng)；61. VCSEL光源；62.空間光調(diào)制器；63.探測器；64.成像系統(tǒng)；65.偏振分光棱鏡； 66.四分之一波片；67.成像系統(tǒng)。
具體實施例方式為使光計算機的應用進一步深化，解決VCSEL光源的偏振穩(wěn)定性問題是一個重要 關(guān)鍵，同時用一路偏振光就能完成計算過程，從而無需對兩路光分別進行調(diào)制，這樣系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)也將會大大簡化，計算精度更加提高，能夠滿足多灰度級運算，同時降低該系統(tǒng)的加 工、裝配與調(diào)試難度。如圖4所示，該VCSEL光源用于光學矢量_矩陣乘法器實現(xiàn)穩(wěn)定偏振的途徑是通 過在VCSEL光源61出射孔設(shè)置一亞波長光柵。這個亞波長光柵的作用是穩(wěn)定VCSEL光源 的偏振，同時又不改變VCSEL的出射總光強隨電流的變化。將其應用于光學矢量_矩陣乘 法系統(tǒng)作為光源，可以很好的避免在不同電流驅(qū)動下，VCSEL出射光偏振不穩(wěn)定的問題，同 時也滿足了在多灰度級運算時，VCSEL出射光強與驅(qū)動電流之間是單調(diào)遞增的關(guān)系。其工作 原理如下亞波長光柵就相當于一個外部耦合器的反射，當VCSEL出射的光照射到亞波長 光柵上時，由于VCSEL出射光的偏振在不停的變化，所以外部耦合器(也就是亞波長光柵) 反射回的光的偏振也在不停變化，在亞波長光柵和VCSEL出射孔之間就形成了類似諧振腔 內(nèi)部的振蕩。由于亞波長光柵本身的不對稱性，就可以通過亞波長光柵選擇出射光的偏振 在某個特定的偏振方向，于是出射光的偏振就通過這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了穩(wěn)定。這種VCSEL光源 可以出射線性偏振光，它的出射光強隨注入電流的變化趨勢曲線如圖6所示，其具有較佳 的線性遞增關(guān)系。如圖5所示為本發(fā)明的一種基于垂直腔面發(fā)射激光器的光學矢量-矩陣乘法器的 結(jié)構(gòu)示意圖。從該進化了的光學矢量-矩陣乘法器系統(tǒng)可見，其包括的各主要功能單元與 現(xiàn)有技術(shù)基本相同，即包括垂直腔面發(fā)射激光器的光源61、空間光調(diào)制器62、探測器63、成 像系統(tǒng)64和67、偏振分光棱鏡65，四分之一波片66。但是其簡化性從圖示上可見，由于不 用考慮光源偏振噪聲的影響，該乘法器系統(tǒng)只需采用一路上述器件架構(gòu)就可完成矢量-矩 陣乘法過程。該光學矢量-矩陣乘法器的工作原理為=VCSEL光源61出射的線偏振光經(jīng)過一個 成像系統(tǒng)64對光束整形，經(jīng)過一個偏振分光棱鏡65分光，分出的一束偏振光經(jīng)過一個四 分之一波片66，變?yōu)樽笮?或右旋光)照射到空間光調(diào)制器62上，然后經(jīng)過調(diào)制器各像 素的調(diào)制吸收，反射回的光由于有半波損失，變?yōu)橛倚?或左旋光)，再經(jīng)過四分之一波 片66變?yōu)榱硪粋€偏振方向的光，通過偏振分光棱鏡65后沿另一個方向傳播，最后經(jīng)過成 像系統(tǒng)67的整形，照射到探測器63的對應像素上得到計算結(jié)果。本發(fā)明該乘法器系統(tǒng)與 EnLight256系統(tǒng)相比，調(diào)制器、探測器和四分之一波片都只需一個，最后的偏振分光棱鏡也 不再需要，同時不再需要兩路光的嚴格對稱性，以及光程嚴格相等等要求。本發(fā)明基于垂直腔面發(fā)射激光器的光學矢量-矩陣乘法器，用一路偏振光即可實 現(xiàn)有效克服偏振噪音的光學矢量_矩陣乘法器運算過程，大大簡化了沿光路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 可以實現(xiàn)多灰度級的計算；提高了系統(tǒng)計算精度的同時也降低了系統(tǒng)的加工裝配與調(diào)試難 度，為該光學計算系統(tǒng)推向?qū)嶋H應用提供了依據(jù)。
權(quán)利要求
基于穩(wěn)定偏振VCSEL的光學矢量 矩陣乘法器，包括作為光源的垂直腔面發(fā)射激光器，以及按一定空間位置和光路設(shè)置的成像系統(tǒng)、偏振分光棱鏡、空間光調(diào)制器、光探測器及四分之一波片，其特征在于所述垂直腔面發(fā)射激光器的出射孔處加工設(shè)有一個亞波長光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穩(wěn)定偏振VCSEL的光學矢量-矩陣乘法器，其特征在于 所述光學矢量_矩陣乘法器僅具有一路用于光學運算的成像系統(tǒng)、偏振分光棱鏡、空間光 調(diào)制器、光探測器及四分之一波片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于穩(wěn)定偏振VCSEL為光源的光學矢量-矩陣乘法器系統(tǒng)，屬于光計算機領(lǐng)域。本發(fā)明通過在VCSEL出射孔處加工一個亞波長光柵，從而大大減小了VCSEL光源出射光的偏振噪聲，使其達到穩(wěn)定，從而消除VCSEL光源偏振不穩(wěn)定對光學矢量-矩陣乘法器運算造成的影響，同時用一路偏振光就可完成光學矢量-矩陣乘法的運算過程，大大簡化了光學矢量-矩陣乘法器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實現(xiàn)了多灰度級的計算，提高了系統(tǒng)的計算精度，降低了系統(tǒng)設(shè)計加工與調(diào)節(jié)的難度，同時還降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。
文檔編號G02B27/28GK101957629SQ20101026862
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者崔國新, 張耀輝, 楊晨, 殷志珍, 黃寓洋 申請人:中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所