基于稳定偏振VCSEL的光学矢量-矩阵乘法器

摘要

本发明公开了一种基于稳定偏振VCSEL为光源的光学矢量-矩阵乘法器系统，属于光计算机领域。本发明通过在VCSEL出射孔处加工一个亚波长光栅，从而大大减小了VCSEL光源出射光的偏振噪声，使其达到稳定，从而消除VCSEL光源偏振不稳定对光学矢量-矩阵乘法器运算造成的影响，同时用一路偏振光就可完成光学矢量-矩阵乘法的运算过程，大大简化了光学矢量-矩阵乘法器系统的结构。本发明实现了多灰度级的计算，提高了系统的计算精度，降低了系统设计加工与调节的难度，同时还降低了系统的生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电计算机，特别涉及一种基于垂直腔面发射激光器构件而成的光学矢量-矩阵乘法器系统。

背景技术

光计算由于其并行性、高信息处理速率等优点得到了广泛的研究。其中光学矢量-矩阵乘法器系统就是光计算机的一类。该系统可以进行大规模线阵与面阵之间的矢量-矩阵乘法运算。其原理图如图1所示。在该系统中，常采用垂直腔面发射激光器(以下简称VCSEL)线列或发光二极管(LED)线列作为输入矢量，每个光源发射的光通过一个成像系统，变成一列光照射到对应的多量子阱空间光调制器(调制矩阵)的一列像素上，经过调制器各个像素的调制吸收，各像素反射的光强发生变化，然后再经过一个成像系统，调制器每一行像素反射回的光成像到一个对应的探测器像素上，被探测器吸收，得到计算结果。这样就完成了一个矢量-矩阵的乘法过程。目前常用的VCSEL阵列都存在一个问题：它的偏振状态随注入电流的增加而变化，即便在同样大小的注入电流下，VCSEL的偏振也会出现随机抖动，这就是VCSEL的偏振噪声，它的频率一般在百兆赫兹的量级。在进行计算的过程中，为了减少镜子表面来回反射造成的噪声对计算结果造成影响，一般在系统中，会添加一个光学隔离器(由一个偏振分光棱镜5与一个四分之一波片6的组合)。这样在计算的过程中，即使在同样的注入电流驱动下，由于偏振噪声，在每一瞬间经过偏振分光棱镜分光以后照射到调制器表面的光强都有区别，这对于系统进行多灰度级的高速光学计算来说，是很不利的。同时VCSEL出射光的偏振光光强随注入电流的增加并不是单调递增的关系(如图2所示)，这就不能满足系统进行多灰度级运算的要求。为了减小偏振噪声的影响，以色列Lenslet公司的Enlight256光学矢量-矩阵乘法器系统采用两路对称光计算的方式，其光路示意图如图3所示：光源31出射的光经过成像系统34整形，然后经过一个偏振分光棱镜35分光，分出的两束偏振光分别经过一个四分之一波片36变为左旋光(或右旋光)照射到空间光调制器32上，经过调制器的调制吸收，各像素反射回的光由于有半波损失，变为右旋光(或左旋光)，再经过四分之一波片36变为另一个偏振方向的光，通过偏振分光棱镜35后沿另一个方向传播，通过成像系统37收集，再经过偏振分光棱镜分光，最后用两个探测器33分别对这两路偏振光的计算结果进行探测，然后加和得到计算结果。在这个系统里，通过对偏振分光棱镜分出的两路光分别进行调制计算，然后对结果进行加和来补偿VCSEL偏振噪声不稳定对计算结果的影响。这种系统设计的缺点是：要求两路光必须严格对称，在高速计算的情况下，两路光的光程要严格相等，而且两路光的各通道像素要分别绝对对准，两路光系统的调制系数等参量要完全相同，这样才不会造成计算误差。这就大大提高了系统设计加工装配与调试的难度。因此为将光学矢量-矩阵乘法器系统推向实用，VCSEL偏振的锁定是其中亟需解决的一个核心问题。

发明内容

为克服上述现有技术光学矢量-矩阵乘法器的不足，本发明的目的在于提供一种基于稳定偏振垂直腔面发射激光器的光学矢量-矩阵乘法器，使得光学矢量-矩阵乘法器系统的结构更加简化，计算精度更加提高，能够满足多灰度级运算，同时降低该系统的加工、装配与调试难度。

实现上述本发明的技术方案为：

基于垂直腔面发射激光器的光学矢量-矩阵乘法器，包括作为光源的垂直腔面发射激光器，以及按一定空间位置和光路设置的成像系统、偏振分光棱镜、空间光调制器、光探测器及四分之一波片，其特征在于：所述垂直腔面发射激光器的出射孔处加工设有一个亚波长光栅。

进一步地，前述基于垂直腔面发射激光器的光学矢量-矩阵乘法器，其中该光学矢量-矩阵乘法器仅具有一路用于光学运算的成像系统、偏振分光棱镜、空间光调制器、光探测器及四分之一波片。

本发明基于稳定偏振的垂直墙面发射激光器的光学矢量-矩阵乘法器系统，其实施后显著优点为：

本发明用一路偏振光便可实现光学矢量-矩阵乘法的过程，大大简化了系统的结构，实现多灰度级的计算，提高了系统计算的精度，同时也降低了系统的加工装配与调试的难度，降低了系统的生产成本。该光学矢量-矩阵乘法器可广泛的实际运用在光电计算领域。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是现有光学矢量-矩阵乘法器的工作原理示意图；

图2是现有技术VCSEL的光学矢量-矩阵乘法器系统中VCSEL出射光的偏振光光强与注入电流强度之间的变化关系示意图；

图3是现有技术对称双光路实现光学矢量-矩阵乘法器的结构示意图；

图4是本发明垂直腔面发射激光器的光学矢量-矩阵乘法器的出射孔亚波长光栅的结构示意图；

图5是本发明采用图4所示垂直腔面发射激光器的光学矢量-矩阵乘法器的结构示意图；

图6是图5所示实施例中VCSEL光源出射光的偏振光光强与注入电流强度之间的变化关系示意图；

上述附图中各附图标记的含义如下：

31.VCSEL光源；32.空间光调制器；33.探测器；34.成像系统；35.偏振分光棱镜；36.四分之一波片；37.成像系统；

61.VCSEL光源；62.空间光调制器；63.探测器；64.成像系统；65.偏振分光棱镜；66.四分之一波片；67.成像系统。

具体实施方式

为使光计算机的应用进一步深化，解决VCSEL光源的偏振稳定性问题是一个重要关键，同时用一路偏振光就能完成计算过程，从而无需对两路光分别进行调制，这样系统的结构也将会大大简化，计算精度更加提高，能够满足多灰度级运算，同时降低该系统的加工、装配与调试难度。

如图4所示，该VCSEL光源用于光学矢量-矩阵乘法器实现稳定偏振的途径是：通过在VCSEL光源61出射孔设置一亚波长光栅。这个亚波长光栅的作用是稳定VCSEL光源的偏振，同时又不改变VCSEL的出射总光强随电流的变化。将其应用于光学矢量-矩阵乘法系统作为光源，可以很好的避免在不同电流驱动下，VCSEL出射光偏振不稳定的问题，同时也满足了在多灰度级运算时，VCSEL出射光强与驱动电流之间是单调递增的关系。其工作原理如下：亚波长光栅就相当于一个外部耦合器的反射，当VCSEL出射的光照射到亚波长光栅上时，由于VCSEL出射光的偏振在不停的变化，所以外部耦合器(也就是亚波长光栅)反射回的光的偏振也在不停变化，在亚波长光栅和VCSEL出射孔之间就形成了类似谐振腔内部的振荡。由于亚波长光栅本身的不对称性，就可以通过亚波长光栅选择出射光的偏振在某个特定的偏振方向，于是出射光的偏振就通过这种结构实现了稳定。这种VCSEL光源可以出射线性偏振光，它的出射光强随注入电流的变化趋势曲线如图6所示，其具有较佳的线性递增关系。

如图5所示为本发明的一种基于垂直腔面发射激光器的光学矢量-矩阵乘法器的结构示意图。从该进化了的光学矢量-矩阵乘法器系统可见，其包括的各主要功能单元与现有技术基本相同，即包括垂直腔面发射激光器的光源61、空间光调制器62、探测器63、成像系统64和67、偏振分光棱镜65，四分之一波片66。但是其简化性从图示上可见，由于不用考虑光源偏振噪声的影响，该乘法器系统只需采用一路上述器件架构就可完成矢量-矩阵乘法过程。

该光学矢量-矩阵乘法器的工作原理为：VCSEL光源61出射的线偏振光经过一个成像系统64对光束整形，经过一个偏振分光棱镜65分光，分出的一束偏振光经过一个四分之一波片66，变为左旋光(或右旋光)照射到空间光调制器62上，然后经过调制器各像素的调制吸收，反射回的光由于有半波损失，变为右旋光(或左旋光)，再经过四分之一波片66变为另一个偏振方向的光，通过偏振分光棱镜65后沿另一个方向传播，最后经过成像系统67的整形，照射到探测器63的对应像素上得到计算结果。本发明该乘法器系统与EnLight256系统相比，调制器、探测器和四分之一波片都只需一个，最后的偏振分光棱镜也不再需要，同时不再需要两路光的严格对称性，以及光程严格相等等要求。

本发明基于垂直腔面发射激光器的光学矢量-矩阵乘法器，用一路偏振光即可实现有效克服偏振噪音的光学矢量-矩阵乘法器运算过程，大大简化了沿光路的系统结构，可以实现多灰度级的计算；提高了系统计算精度的同时也降低了系统的加工装配与调试难度，为该光学计算系统推向实际应用提供了依据。