A?_?inj_?ref，ω inj是注入光场的角频率;参考频 率〇ref定义为（ω χ+ω y)/2，ω x &和叫分别是独立运行垂直腔表面发射激光器的χ和y偏振 分量的角频率。
[0030] 如图1所示，X偏振分量沿周期性极化铌酸锂晶体〇光方向传播，y偏振分量通过第 一法拉第旋转器19和第一半波片16与e光平行。在这些条件下，X和y偏振分量考虑为晶体的 〇光和e光初始输入。因此有
[0031]
[0032] 这里，Ux和Uy分别表不〇光和e光振幅；A是Planck常数;Sa是光斑的有效面积;V是垂 直腔表面发射激光器有源层体积;W为真空中的光速;T L = 2nguc/Lv是光在激光腔内一次循 环时间；ω〇是从主垂直腔半导体激光器发射激光脉冲的中心频率; njPn2分别是〇光和e光 的未扰动的折射率。由于相位失配，二阶非线性效应非常弱。因此，两线性偏振分量在周期 性极铌酸锂晶体8中的线性电光效应耦合波方程的解析解为：
[0033] Ux,y(L，t)=px,y(L，t)exp(i0oL)exp[i <i>x,y(L，t)] (6)
[0034] 这里：
[0041] 这里，系数di，cb，cb和cU详见参考文献：J · Zamora-Munt，and C · Maso 11 er， "Numerical implementation of a VCSEL-based stochastic logic gate via polarization bistability，"0pt Express 18(16)，16418-16429(2010) ;L是晶体长度；波 矢失配Δ k = kx-ky+Ki，Ki = 23r/A是晶体的第一阶倒格矢，Λ是极化周期，kx和ky分别表不x 和y偏振分量在中心频率处的波矢。这里，考虑心接近波矢失配量kx-ky，由于相位失配，忽略 哪些对线性电光效应无影响的分量。
[0042] 当两个经历线性电光调制的偏振分量首先延时τ，然后注入到从垂直腔表面发射 激光器时，有：
[0043]
[0044]其中，ΕΡΧ和EPy分别为经历电光调制的1和7偏振分量的振幅。在这个条件下，延时
[0045] 光注入的从垂直腔表面发射激光器的速率方程组被描述为：
[0046]
[0047]
[0048] 这里下标S指的是从垂直腔表面发射激光器;Δω3是主和从垂直腔表面发射激光器 之间的中心频率失谐;KSx(KSy)是x(y)偏振分量注入强度;μ5是归一化栗浦电流。
[0049] 从图1可以看见，当从垂直腔表面发射激光器受到来自于周期性极化铌酸锂晶体 输出光强注入时，从垂直腔表面发射激光器发射的X (y)偏振分量与带有延时注入光中的X (y)偏振分量有广义混沌同步，即
[0050] Isx(t) ? Cilpx(t-T) (16)
[0051] Isy(t) ? C2Ipy(t-T) (17)
[0052] 其中，iSx(t)= |Esx(t) |2;Isy(t)= |Esy(t) |2;Ipx(t)= |Epx(t) |2;IPy(t)= |EPy(t) 2;& =〈Ι5χ(〇>/〈ΙΡχα-τ)>;(：2 =〈Ι5γα)>/〈ΙΡγα-τ)>.当广义混沌同步方程（16)和（17)运 用到逻辑门设计时，可以实现全光逻辑门的延时存诸。
[0053] 如图2给出了针对外加电场Eo = OkV/mm和Eo = 85kV/mm，偏振双稳态滞后回归线，这 个双稳态曲线是频率失谐与两线性偏振光强之间的函数。其中，点线表示为X偏振光，实线 为Y偏振光。轨迹(a)和(b)表不在两个不同外加电场作用下，PPLN晶体输出的偏振双稳态 环;轨迹(c)和(d)表示在两个不同外加电场作用下，从VCSEL输出的偏振双稳态环。箭头所 示的三个频率失谐d ω用来编译逻辑输入。
[0054] 表1给出了逻辑非运算的输入与输出的逻辑关系，以及外加电场与逻辑输入的逻 辑关系。逻辑输入用频率失谐(1ωι来编译，其定义为Μ。外加电场逻辑符号用e来表示。当逻 辑信号e为"0"时，表示外加电场Eo为OkV/mm，当它为1时，外加电场Eo为85kV/mm;当逻辑信号 e与逻辑输入A2相同时，由表1可知：K = 4,? =為。
[0055] 表 1
[0056]
[0057] 表2给出了逻辑异或，以及异或非运算的输入与输出的逻辑关系，以及外加电场与 逻辑输入的逻辑关系。逻辑输入用三个标准频率失谐（Α ωι，Δ ωπ，Δ ωι")来编译，逻辑 输出XjPYi通过PPLN输出的一定比例和延时两线性偏振光强来解码，逻辑输出Χ#ΡΥ 2通过 从VCSEL输出的两线性偏振光强来解码。由表2可知：4 = A十32,= A十32，Yi = A1 〇 Α2，Υ2 = Α1 θ A2〇
[0058] 表2
[0059]
[0060] 图3显示了逻辑"非"、"异或"、"异或非"门运算及其延时存储。外加电场，从VCSEL 输出的Χ、γ偏振光强度，以及周期性极化铌酸锂晶体输出的一定比例和延时的Χ、γ偏振光强 度的时间变化轨迹。（a):点线：逻辑输入d ω 2 ;虚点线：逻辑输入d ω 1;实线：外加电场Ε〇。 (b)外加电场Ε〇为OkV/mm;虚点线；三个标准频率失谐Δ ω〗，Δ ωπ，Δ co"I(3(c)外加电场Ε〇 为OkV/mm;虚点线:三个标准频率失谐Δ ω〗，Δ ω π，Δ ω m。
[0061] 表3给出了逻辑与，以及逻辑与非输入与输出的逻辑关系，以及外加电场与逻辑输 入的逻辑关系。逻辑输入用三个标准频率失谐（Α ωι，Δ ωπ，Δ ωΙΠ )来编译，逻辑输出心和 Υ!通过PPLN输出的一定比例和延时两线性偏振光强来解码，逻辑输出XdPY2通过从VCSEL输 出的两线性偏振光强来解码。从表3可得:Χι = Α1 · Α2，Χ2=Α1 · A2, X =」1·ν42，：Γ2 = J1· J2。
[0062] 表 3
[0063]
[0064] 表4给出了逻辑与，以及逻辑与非输入与输出的逻辑关系，以及外加电场与逻辑输 入的逻辑关系。逻辑输入用三个标准频率失谐（Α ωι，Δ ωπ，Δ ωΙΠ )来编译，逻辑输出心和 Υ!通过PPLN输出的一定比例和延时两线性偏振光强来解码，逻辑输出XdPY2通过从VCSEL输 出的两线性偏振光强来解码。由表4可得:Xi = A1+A2，X2=A1+A2，X = Jl + d2，r2 = J1 +J2。
[0065] 表 4
[0066]
[0067]图4显示了逻辑与，与非，或，以及或非运算及其延时存储。外加电场，从VCSEL输出 的X、Y偏振光强度，以及周期性极化铌酸锂晶体输出的一定比例和延时的X、Y偏振光强度的 时间变化轨迹。图中，虚点线:三个标准频率失谐Α ωι，Δ ωπ，Δ ω"Ι;黑色实线:外加电场 Εο〇
【主权项】
1.可控的全光随机逻辑门，其特征在于: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); 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); 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); 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); 周期性极铌酸锂晶体(8)上加有横向电场E〇(23)。
【专利摘要】本发明涉及光子设备，具体为可控的全光随机逻辑门，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；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；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；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；周期性极铌酸锂晶体上加有横向电场E0。该逻辑门实现了全光随机逻辑门运算及其延时存储。
【IPC分类】G02F3/02
【公开号】CN105676560
【申请号】CN201610170114
【发明人】钟东洲, 许葛亮, 罗伟
【申请人】五邑大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年3月22日