可控的全光隨機邏輯門的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及光子設備，具體為可控的全光隨機邏輯門。
【背景技術】
[0002] 由于垂直腔半導體激光器(VCSEL)的有源腔為對稱的圓柱形，它比較容易激射兩 個線性偏振光。當光的偏振方向沿有源腔的坐標軸的X軸方向時稱為X偏振光，偏振方向沿Y 軸的光Y軸稱為Y偏振光，且X偏振光與Y偏振光相互垂直。改變栗浦電流、注入能量，或者改 變失諧的注入光能導致偏振轉換和偏振雙穩(wěn)態(tài)的產生。在最近相關的報道中，使用光注入 激光器中的偏振轉換和偏振雙穩(wěn)態(tài)，不同類型的光電邏輯門以及全光邏輯門運算可以被獲 得。例如，在自由運行的VCSEL系統(tǒng)中，邏輯輸入通過栗浦電流來編譯，邏輯輸出通過VCSEL 發(fā)射的兩線性偏振光來解碼，可以得到隨機邏輯"或"門，"或非"門以及"與非"門；在相干光 注入VCSEL中，邏輯輸入通過注入光強來編譯，邏輯輸出通過VCSEL發(fā)射的兩線性偏振光來 解碼，可以獲得邏輯"與"門和"或"門；在可調諧光注入VCSEL中，邏輯輸入通過外部光頻率 失諧來編譯，邏輯輸出通過激光器輸出的兩線性偏振光來解碼，可以實現全光隨機邏輯 "或"門。然而，在上述的方法中，一些重要的參數（如栗浦電流，光注入能量和失諧的注入 光）的輕微變化會改變輸出偏振的狀態(tài)。同時，由于偏振轉換的不穩(wěn)定，導致了在上述方法 中的邏輯門有很差的穩(wěn)定性。另外，由于全光數字邏輯信號在延時存儲方面存在一定的技 術困難，因此，上述的基本的邏輯門運算只能應用于組合邏輯光子設備，但是不能推廣應用 于時序邏輯光子設備。

【發(fā)明內容】

[0003] 針對上述技術問題，本發(fā)明提供一種可控的全光隨機邏輯門，通過控制外加電場 與兩邏輯輸入的邏輯關系，可以實現可控的不全光隨機邏輯門，如"非"門、"與"門、"與非" 門、"或"門、"異或"門、"或非"門、"異或非"門運算及其延時存儲。
[0004] 本發(fā)明通過如下技術方案實現：
[0005] 可控的全光隨機邏輯門，依次包括:可調諧連續(xù)激光器、第一光隔離器、光學衰減 器、分束器、主垂直腔表面發(fā)射激光器、第二光隔離器、第一偏振分束器、周期性極鈮酸鋰晶 體、第三光隔離器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、光學放大器、從垂直腔表面發(fā)射激光 器、第四偏振分束器；
[0006] 所述的分束器和主垂直腔表面發(fā)射激光器之間還并聯有第一平面鏡、第一半波片 和第二半波片；
[0007] 所述的第一偏振分束器與周期性極鈮酸鋰晶體之間還并聯有第二平面鏡、第一法 拉第旋轉器、第三半波片；
[0008] 所述的第二偏振分束器與第三偏振分束器之間還并聯有第四半波片、第二法拉第 旋轉器；
[0009] 周期性極鈮酸鋰晶體上加有橫向電場E〇。
[0010] 本發(fā)明提供的可控的全光隨機邏輯門，實現了全光隨機邏輯門運算及其延時存 儲，具體能夠實現"非"門、"與"門、"與非"門、"或"門、"異或"門、"或非"門、"異或非"門運算 及其延時存儲。該可控的全光隨機邏輯門的運算速度比電光邏輯門的運算速度要快，而且 這些裝置可以推廣應用于時序光子邏輯設備。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
[0012] 圖2為實施例在不同外加電場的作用下偏振雙穩(wěn)態(tài)滯后回歸線；
[0013] 圖3為實施例邏輯"非"門、"異或"門、"異或非"門運算及其延時存儲；
[0014] 圖4為實施例羅輯"與"門、"與非"門、"或"門和"或非"門運算及其延時存儲。
【具體實施方式】
[0015] 以下結合附圖對本
【發(fā)明內容】
做進一步說明：
[0016] 如圖1所示，可控的全光隨機邏輯門，依次包括:可調諧連續(xù)激光器1、第一光隔離 器2、光學衰減器3、分束器4、主垂直腔表面發(fā)射激光器5、第二光隔離器6、第一偏振分束器 7、周期性極鈮酸鋰晶體8、第三光隔離器9、第二偏振分束器10、第三偏振分束器11、光學放 大器12、從垂直腔表面發(fā)射激光器13、第四偏振分束器14;
[0017] 所述的分束器4和主垂直腔表面發(fā)射激光器5之間還并聯有第一平面鏡15、第一半 波片16和第二半波片17;
[0018] 所述的第一偏振分束器7與周期性極鈮酸鋰晶體8之間還并聯有第二平面鏡18、第 一法拉第旋轉器19、第三半波片20;
[0019] 所述的第二偏振分束器10與第三偏振分束器11之間還并聯有第四半波片21、第二 法拉第旋轉器22;
[0020] 周期性極鈮酸鋰晶體8上加有橫向電場Eq23。
[0021] 工作原理：
[0022] 主垂直腔表面發(fā)射激光器5和從垂直腔表面發(fā)射激光器13的工作波長均為850nm， 閾值電流為6.8mA，其溫度精確控制在±0.01°C。第一光隔離器2的作用是確保可調諧連續(xù) 激光器1發(fā)出的光單向注入主垂直腔表面發(fā)射激光器5。第二光隔離器6的作用是避免從第 一偏振分束器7的光反饋注入到主垂直腔表面發(fā)射激光器5。第三光隔離器9保證從周期性 極鈮酸鋰晶體8輸出的光單向注入到從垂直腔表面發(fā)射激光器13。放置在可調諧連續(xù)激光 器1右邊的光學衰減器3用來調諧光注入的能量。放在從垂直腔表面發(fā)射激光器13的左邊光 學放大器12是增強從垂直腔表面發(fā)射激光器13的注入光強。外加的橫向電場E〇23沿著周期 性極鈮酸鋰晶體8坐標系的X軸方向。可調諧連續(xù)激光器1發(fā)出X偏振光，其被分離成兩束光， 一束直接注入到主垂直腔表面發(fā)射激光器5中，另一束被第一半波片16和第二半波片17轉 化成e偏振光，再注入到主垂直腔表面發(fā)射激光器5中。固定一定的栗浦電流，主垂直腔表面 發(fā)射激光器5激射X偏振光和y偏振光，它們被第一偏振分束器7分離。從第一偏振分束器7分 離的X偏振光被認為是周期性極鈮酸鋰晶體8中0光的初始輸入，因為它是沿著0光的偏振方 向。當通過第一法拉第旋轉器19和第三半波片20，使從第一偏振分束器7分離的y偏振光與e 光的偏振方向平行時，它考慮為周期性極鈮酸鋰晶體8中e光的初始輸入。在外加橫向電場 E〇23的作用下，x和y偏振光在周期性極鈮酸鋰晶體8中經歷電光幅度調制。從周期性極鈮酸 鋰晶體8輸出0光，在延遲時間T后，作為X偏振光，通過第三偏振分束器11和光學放大器12 后，注入到從垂直腔表面發(fā)射激光器13。并且它被考慮為邏輯輸出X:。輸出e光，首先通過延 時T后，再通過第四半波片21和第二法拉第旋轉器22。這時，它的偏振方向沿著y偏振方向。 在這種條件下，它作為y偏振光，通過第三偏振分束器11和光學放大器12后，注入到從垂直 腔表面發(fā)射激光器13。另外，它被定義為邏輯輸出￥:。從垂直腔表面發(fā)射激光器13輸出的X 偏振光和y偏振光分別考慮為邏輯輸出X2和Y2。
[0023] 激光器的一些重要參數如下：主垂直腔表面發(fā)射激光器5與從垂直腔表面發(fā)射激 光器13有相同的栗浦電流，即μΜ=μ5 = 1.2;主垂直腔表面發(fā)射激光器5的X偏振和Y偏振的注 入光強度:Κμχ = Κμυ = ΙΟη?Γ1;從激光器的X偏振和Υ偏振的注入光強度:KSx = KSy = 5Κμχ;外部 光振幅:Einj = 0.6。這里，假設頻率失諧值Δ 均為方波），并且用來 編譯成兩個邏輯輸入。針對頻率失諧d ω i，邏輯輸入定義為Ai;針對失諧d ω 2，邏輯輸入定義 為Α2。在這個條件下，邏輯輸入有四個序列：（0,0)，（0，1)，（1，0)和（1，1)。對于(0，1)和（1， 〇)，有相同的頻率失諧Α ωπ。因此，四個邏輯輸入序列可以用三個標準頻率失諧（△ ωι，Δ ω π，Δ ωΙΠ )來編譯，這里，( Δ?%-Δω。)代表(〇,〇)，( Δ^+Δω。)代表（1，1)。對于 邏輯非門設計，邏輯輸入Αι用頻率失諧d ω :來編譯。假定當d ω : = 75GHz時，Ai = 1;假如d ω χ = -140GHz，A2 = 0。對于其它邏輯門，Δ ωπ被設定為-65rad GHz，Aoc考慮為215rad GHz。邏 輯輸出解碼如下：周期性極鈮酸鋰晶體8只輸出X偏振光，記Xi = 1，￥: = 0,輸出Y偏振光，則Xi =0，Yi = 1;從VCSEL只輸出X偏振光，X2 = 1，Y2 = 0，若從垂直腔表面發(fā)射激光器13輸出Y偏振 光，貝狀2 = 〇，丫2=1。
[0024] 基于眾所周知的垂直腔表面發(fā)射激光器的自旋反轉模型，考慮外部光注入，得到 主垂直腔表面發(fā)射激光器的速率方程組如下：
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 這里，下標Μ指的是主垂直腔表面發(fā)射激光器，下標X和y分別表示X and y線性偏 振分量;E是慢變振幅;N是在介帶和導帶之間的反轉粒子數;N為上旋和下旋輻射載流子數 差;k是場損耗速率；ye是N的衰減速率；丫 3是自旋反轉弛豫速率;a線寬增強因子； 分別表示各向異性光場振幅損耗速率和有源介質線性雙折射效應;μΜ主垂直腔表面發(fā)射激 光器的歸一化栗浦電流;噪聲強度參量D定義為，&Ρ是自發(fā)輻射因子;ξ4Ρξγ分別為 兩個高斯噪聲，他們的時間關系是 入強度;Einj是注入光場振幅;注入光場失諧