可控的全光随机逻辑门的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及光子设备，具体为可控的全光随机逻辑门。
【背景技术】
[0002] 由于垂直腔半导体激光器(VCSEL)的有源腔为对称的圆柱形，它比较容易激射两 个线性偏振光。当光的偏振方向沿有源腔的坐标轴的X轴方向时称为X偏振光，偏振方向沿Y 轴的光Y轴称为Y偏振光，且X偏振光与Y偏振光相互垂直。改变栗浦电流、注入能量，或者改 变失谐的注入光能导致偏振转换和偏振双稳态的产生。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，逻辑输入通过栗浦电流来编译，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（如栗浦电流，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，由于全光数字逻辑信号在延时存储方面存在一定的技 术困难，因此，上述的基本的逻辑门运算只能应用于组合逻辑光子设备，但是不能推广应用 于时序逻辑光子设备。
【发明内容】
[0003] 针对上述技术问题，本发明提供一种可控的全光随机逻辑门，通过控制外加电场 与两逻辑输入的逻辑关系，可以实现可控的不全光随机逻辑门，如"非"门、"与"门、"与非" 门、"或"门、"异或"门、"或非"门、"异或非"门运算及其延时存储。
[0004] 本发明通过如下技术方案实现：
[0005] 可控的全光随机逻辑门，依次包括:可调谐连续激光器、第一光隔离器、光学衰减 器、分束器、主垂直腔表面发射激光器、第二光隔离器、第一偏振分束器、周期性极铌酸锂晶 体、第三光隔离器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、光学放大器、从垂直腔表面发射激光 器、第四偏振分束器；
[0006] 所述的分束器和主垂直腔表面发射激光器之间还并联有第一平面镜、第一半波片 和第二半波片；
[0007] 所述的第一偏振分束器与周期性极铌酸锂晶体之间还并联有第二平面镜、第一法 拉第旋转器、第三半波片；
[0008] 所述的第二偏振分束器与第三偏振分束器之间还并联有第四半波片、第二法拉第 旋转器；
[0009] 周期性极铌酸锂晶体上加有横向电场E〇。
[0010] 本发明提供的可控的全光随机逻辑门，实现了全光随机逻辑门运算及其延时存 储，具体能够实现"非"门、"与"门、"与非"门、"或"门、"异或"门、"或非"门、"异或非"门运算 及其延时存储。该可控的全光随机逻辑门的运算速度比电光逻辑门的运算速度要快，而且 这些装置可以推广应用于时序光子逻辑设备。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明的结构示意图；
[0012] 图2为实施例在不同外加电场的作用下偏振双稳态滞后回归线；
[0013] 图3为实施例逻辑"非"门、"异或"门、"异或非"门运算及其延时存储；
[0014] 图4为实施例罗辑"与"门、"与非"门、"或"门和"或非"门运算及其延时存储。
【具体实施方式】
[0015] 以下结合附图对本
【发明内容】
做进一步说明：
[0016] 如图1所示，可控的全光随机逻辑门，依次包括:可调谐连续激光器1、第一光隔离 器2、光学衰减器3、分束器4、主垂直腔表面发射激光器5、第二光隔离器6、第一偏振分束器 7、周期性极铌酸锂晶体8、第三光隔离器9、第二偏振分束器10、第三偏振分束器11、光学放 大器12、从垂直腔表面发射激光器13、第四偏振分束器14;
[0017] 所述的分束器4和主垂直腔表面发射激光器5之间还并联有第一平面镜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与周期性极铌酸锂晶体8之间还并联有第二平面镜18、第 一法拉第旋转器19、第三半波片20;
[0019] 所述的第二偏振分束器10与第三偏振分束器11之间还并联有第四半波片21、第二 法拉第旋转器22;
[0020] 周期性极铌酸锂晶体8上加有横向电场Eq23。
[0021] 工作原理：
[0022] 主垂直腔表面发射激光器5和从垂直腔表面发射激光器13的工作波长均为850nm， 阈值电流为6.8mA，其温度精确控制在±0.01°C。第一光隔离器2的作用是确保可调谐连续 激光器1发出的光单向注入主垂直腔表面发射激光器5。第二光隔离器6的作用是避免从第 一偏振分束器7的光反馈注入到主垂直腔表面发射激光器5。第三光隔离器9保证从周期性 极铌酸锂晶体8输出的光单向注入到从垂直腔表面发射激光器13。放置在可调谐连续激光 器1右边的光学衰减器3用来调谐光注入的能量。放在从垂直腔表面发射激光器13的左边光 学放大器12是增强从垂直腔表面发射激光器13的注入光强。外加的横向电场E〇23沿着周期 性极铌酸锂晶体8坐标系的X轴方向。可调谐连续激光器1发出X偏振光，其被分离成两束光， 一束直接注入到主垂直腔表面发射激光器5中，另一束被第一半波片16和第二半波片17转 化成e偏振光，再注入到主垂直腔表面发射激光器5中。固定一定的栗浦电流，主垂直腔表面 发射激光器5激射X偏振光和y偏振光，它们被第一偏振分束器7分离。从第一偏振分束器7分 离的X偏振光被认为是周期性极铌酸锂晶体8中0光的初始输入，因为它是沿着0光的偏振方 向。当通过第一法拉第旋转器19和第三半波片20，使从第一偏振分束器7分离的y偏振光与e 光的偏振方向平行时，它考虑为周期性极铌酸锂晶体8中e光的初始输入。在外加横向电场 E〇23的作用下，x和y偏振光在周期性极铌酸锂晶体8中经历电光幅度调制。从周期性极铌酸 锂晶体8输出0光，在延迟时间T后，作为X偏振光，通过第三偏振分束器11和光学放大器12 后，注入到从垂直腔表面发射激光器13。并且它被考虑为逻辑输出X:。输出e光，首先通过延 时T后，再通过第四半波片21和第二法拉第旋转器22。这时，它的偏振方向沿着y偏振方向。 在这种条件下，它作为y偏振光，通过第三偏振分束器11和光学放大器12后，注入到从垂直 腔表面发射激光器13。另外，它被定义为逻辑输出￥:。从垂直腔表面发射激光器13输出的X 偏振光和y偏振光分别考虑为逻辑输出X2和Y2。
[0023] 激光器的一些重要参数如下：主垂直腔表面发射激光器5与从垂直腔表面发射激 光器13有相同的栗浦电流，即μΜ=μ5 = 1.2;主垂直腔表面发射激光器5的X偏振和Y偏振的注 入光强度:Κμχ = Κμυ = ΙΟη?Γ1;从激光器的X偏振和Υ偏振的注入光强度:KSx = KSy = 5Κμχ;外部 光振幅:Einj = 0.6。这里，假设频率失谐值Δ 均为方波），并且用来 编译成两个逻辑输入。针对频率失谐d ω i，逻辑输入定义为Ai;针对失谐d ω 2，逻辑输入定义 为Α2。在这个条件下，逻辑输入有四个序列：（0,0)，（0，1)，（1，0)和（1，1)。对于(0，1)和（1， 〇)，有相同的频率失谐Α ωπ。因此，四个逻辑输入序列可以用三个标准频率失谐（△ ωι，Δ ω π，Δ ωΙΠ )来编译，这里，( Δ?%-Δω。)代表(〇,〇)，( Δ^+Δω。)代表（1，1)。对于 逻辑非门设计，逻辑输入Αι用频率失谐d ω :来编译。假定当d ω : = 75GHz时，Ai = 1;假如d ω χ = -140GHz，A2 = 0。对于其它逻辑门，Δ ωπ被设定为-65rad GHz，Aoc考虑为215rad GHz。逻 辑输出解码如下：周期性极铌酸锂晶体8只输出X偏振光，记Xi = 1，￥: = 0,输出Y偏振光，则Xi =0，Yi = 1;从VCSEL只输出X偏振光，X2 = 1，Y2 = 0，若从垂直腔表面发射激光器13输出Y偏振 光，贝狀2 = 〇，丫2=1。
[0024] 基于众所周知的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 主垂直腔表面发射激光器的速率方程组如下：
[0025]
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[0027]
[0028]
[0029] 这里，下标Μ指的是主垂直腔表面发射激光器，下标X和y分别表示X and y线性偏 振分量;E是慢变振幅;N是在介带和导带之间的反转粒子数;N为上旋和下旋辐射载流子数 差;k是场损耗速率；ye是N的衰减速率；丫 3是自旋反转弛豫速率;a线宽增强因子； 分别表示各向异性光场振幅损耗速率和有源介质线性双折射效应;μΜ主垂直腔表面发射激 光器的归一化栗浦电流;噪声强度参量D定义为，&Ρ是自发辐射因子;ξ4Ρξγ分别为 两个高斯噪声，他们的时间关系是 入强度;Einj是注入光场振幅;注入光场失谐