光学二进制进位加法器

摘要

光学二进制进位加法器属于光加法器的技术领域。其特征在于，它是一个使用相干光束作为信息载体的加法器，利用光的可叠加性和光程差形成的干涉实现计算的加法器，由6个光输入元件、2个光输出元件、5个光分束槽、5个光合束槽和3个门光路元件组成，与传统电子加法器相比，具有计算速度更快，功耗更低和可扩展性更强的特点。

说明书

技术领域

光学二进制进位加法器属于光加法器的技术领域。

背景技术

现有的技术中，加法器的实现主要以电信号作为信号的载体，二进制单位带进位加法器(如图1所示)的输入为A，B，Cin，其中A、B是参与计算的两个输入，Cin是上一位的进位；输出为S，Cout，其中S为本位计算结果，Cout为进入下一位的进位。计算方式见表1：

表1

在光学数字计算中，使用相干光束作为信息的载体。相干光束可以用振幅A，波长λ，偏振方向θ，以及相位φ来完全描述其状态，

使用初始相位全同(φ全部为0)的固定单(λ相同)，且具有标准振幅(假设A为1)的线偏振光↑(假设全部是y方向，即θ＝90度)来表示信息1，没有光强表示信息0。

在现实中，单纵模偏振激光器发出的光束，在某一波阵面上，即具信息1的性质。因此，在实验上，可以用单纵模偏振激光器作为光源，有光即为1，无光即为0，有光无光之间的切换速率即为该计算元件的主频。我们利用光的可叠加性以及光程差形成的干涉来实现计算，下面介绍以下几种光学元件。

1、光输入元件(如图2所示)光输出元件(如图3所示)：在传统光学设计中，输入信号可由同一激光器等光程分束来获得。而在微纳光学中，输入输出可由偏振光纤或者波导来实现，并灵活的从上端输入，下端输出。

2、光分束槽(如图4所示)：每次分束之后，其相位信息不变，振幅变为原来的1/2，即原本为↑的信号，变成了1/2↑。

3、光合束槽(如图5所示)：计算功能主要由光合束槽进行，即相干叠加。由于光的波动传输特性，其相位在前进方向上以波长为周期变化着，所以当波阵面移动了λ/2的距离时，其相位变成完全相反，即为↓。如果振幅相同，一束↑和↓进行叠加，由于其波动性干涉相消，显现出的光强为0；当两束光光程差为λ的整数倍，则出现相干增强，振幅为2。表现在计算上，如下表所示：

表2

表3

因此可以看出，λ/2奇数倍光程差的合束，强度上给出了两个数值运算的本位计算结果，但是相位并不统一，用↑↓符号来表示。

在传统光学中，光束的分束和合束主要由半透半反片来实现，即一片镀膜的光学玻璃，将入射光在透射和反射方向分成两束；或者将两束以九十度夹角入射的光在投射和反射方向合在一起。在近年来发展的光纤光学和微纳光学中，通过控制两路光在波导(光纤或刻蚀的光路)中的传输模式，通过分叉或者相交，即可实现光束的分束和合束。此类器件已经具有较为成熟的产品，目前我们主要通过在硅片上刻蚀SiO₂膜的方式来实现的光路的光分束槽和光合束槽，即“槽”工艺，可使用电子束曝光或离子束刻蚀等微加工方式实现。

光学波导可以分为两类，一类是实心的，如光纤，纳米线等；一类是空心的，如空心光纤，槽状波导等。考虑到将来的工艺发展，则也有可能使用纳米线，二维光子晶体等作为波导，那么就不再局限于“槽”工艺。比如在表面刻蚀二维点阵形成光子晶体，其中预留波导通道，Y型结构自然就形成分束和合束的器件。也可以使用微探针操作直接摆放纳米线，将一定尺寸的纳米线互相靠近成Y型结构，也就成为一个分束或者合束的器件。

究其根本原理，分束和合束其实是一回事，因为光路可逆，所以它们是同一种器件。

4、门光路元件(如图6所示)。门光路元件有四个端口，较粗的一端是控制端，与其垂直的两个端口为标准信号1↑的输入输出端，剩下一个端口是控制输出，暂时弃之不用，如有需要可作为反馈监控。门光路元件只对控制输入的光强有响应，当控制输入有光时，无论是↑还是↓，其中央的光学门都会打开，让标准振幅的1↑信号通过。因此，光学门将不规律↑↓偏振的信息统一为标准振幅、↑偏振的信号，从而保持了0，1的信息。门光路元件的主要功能在于信号相位强度整形。

门光路元件是该加法器设计中最为关键的一个器件，其相应速度和灵敏度，都将影响加法器的运算速度和出错率。现有的光学器件工艺中，实现门光路设计始终是个挑战。如非线性效应开关，等离子体开关等，响应速度非常快，与光震荡频率相同，但是需要的光强非常高。而微纳光学器件中，微腔结构、纳米金属颗粒的表面等离子体等同样可以实现光学开关的功能。不仅能够保持快速响应的优势，还可将调控的光强下降到单光子的量级。因此，如何使用纳米加工技术设计实现光学门元件，保持运行的灵敏性与稳定性，始终是一个纳米光学发展方向的热点。

国际上现有的各种光学开关设计(如波导，纳米线、金属量子点等等)，虽然各有优劣，但已经初步具备了实现该功能的雏形。如圆形微腔结构，将一定模式的光束缚在微腔之内，当操控光进入该系统，导致结构的动力学性质(如震动模式等)发生微小变化，影响腔膜的状态，从而获得信号输出。在这个过程中，微腔始终处于激发状态(标准信号供应)，外部刺激(控制端)改变其腔模以达到瞬间耦合输出(整型后结果)。其运行模式类似一个微型脉冲激光器，随时布居数反转的激发态，但没有合适的模式输出，直到出现外部刺激使其模式瞬间达到耦合条件，得以输出一个脉冲，能量释放之后自然进入下一个循环。一般来说，这样的微腔结构如果是圆环，则为SiO₂表面刻蚀而来，如果是蘑菇盘型，则属于多次曝光刻蚀并使用离子束修饰表面的制作工艺。

实现上述器件的具体刻蚀加工有很多方式，如电子束曝光，离子束刻蚀，光刻等等，都可以达到我们所需的几十nm量级精度要求。以800nm波长为例，半波长光程差要求在400nm，其加工精度以10％误差计算，为40nm，即便是电子束曝光这种成本较低的大批量微加工，也基本可以满足要求。现在广泛应用的光通讯中主流波长段为850nm、1310nm和1550nm，因此目前的微加工工艺不仅可以满足该波段的加工要求，还可在将来进一步推进到可见光范围。

发明内容

本发明的目的是设计一个以光为信息载体的加法器(如图7所示)。它是基于使用相干光束作为信息的载体，使其比传统电子加法器的计算速度更快，功耗更低，同时具备广阔的扩展空间。此发明突破传统的信息载体，开辟了新的技术领域，为今后更多的相关技术奠定了基础。

光学二进制进位加法器，其特征在于，含有：6个光输入元件(I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆)，2个光输出元件(O₁、O₂)，5个光分束槽(D₁、D₂、D₃、D₄、D₅)，5个光合束槽(C₁、C₂、C₃、C₄、C₅)和3个门光路元件(S₁、S₂、S₃)组成，所述各元件之间的距离为所用相干光束的一个波长的整数倍或半个波长的奇数倍，其中：

所述光输入元件、光输出元件采用偏振光纤或波导；

所述光分束槽、光合束槽是一种刻蚀有SiO₂膜以分别实现光路的分束或合束的硅片；

所述门光路元件是在圆形微腔结构或者纳米金属颗粒的表面等离子体上使用纳米加工技术实现的；

其中：

第一个光输入元件I₁与第一个光分束槽D₁的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第二个光输入元件I₂与第二个光分束槽D₂的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第三个光输入元件I₃与第三个光分束槽D₃的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第四个光输入元件I₄与第一个门光路元件S₁的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第五个光输入元件I₅与第二个门光路元件S₂的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第六个光输入元件I₆与第三个门光路元件S₃的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第一个光分束槽D₁的第一个输出端与第一个光合束槽C₁的第一个输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍，而该第一个光分束槽D₁的第二个输出端与第二个光合束槽C₂的第二个输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第二个光分束槽D₂的第一个输出端与第一个光合束槽C₁的第二个输入端相连，距离为相干光的半个波长的奇数倍，而该第二个光分束槽D₂的第二个输出端与第二个光合束槽C₂的第一个输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第三个光分束槽D₃的第一个输出端与第三个光合束槽C₃的第二个输入端相连，距离为相干光的半个波长的奇数倍，而该第三个光分束槽D₃的第二个输出端与第四个光合束槽C₄的第一个输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第四个光分束槽D₄的输入端与第一个门光路元件S₁的输出端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍，而该第四个光分束槽D₄的一个输出端与所述第三个光合束槽C₃的第一个输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第五个光分束槽D₅的输入端与第二个门光路元件S₂的输出端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍，而该第五个光分束槽D₅的第一个输出端与第五个光合束槽C₅的第二个输入端相连，距离为相干光的半个波长的奇数倍，而该第五个光分束槽D₅的第二个输出端和第三个门光路元件S₃的控制端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第一个光合束槽C₁的输出端与所述第一个门光路元件S₁的控制端相连，距离任意；

第二个光合束槽C₂的输出端与所述第四个光合束槽C₄的第二个输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第三个光合束槽C₃的输出端与所述第二个门光路元件S₂的控制端相连，距离任意；

第四个光合束槽C₄的输出端与所述第五个光合束槽C₅的第一个输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第五个光合束槽C₅的输出端与第一个光输出元件O₁相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

第三个门光路元件S₃的输出端与第二个光输出元件O₂相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

所述光学二进制进位加法器使用相干光束作为信息的载体，有光即为1，无光即为0，光源为单纵模偏振激光器；

所述光分束槽在每次分束之后，其相位信息不变，振幅变为原来的一半；

所述光合束槽进行相干叠加：

若：两束输入光束的振幅相同，但在纵轴上相位相反，则输出光强为0；

若：两束输入光束的振幅相同，光程差为波长λ的整数倍，则相干增强。

本发明具有以下的特点：

1、实现了纯光学的加法器。此发明的设计中，所有元件都是光学元件，避免了任何电学元件的引入。

2、信号切换速率高，计算速度快。世界现有的超快激光器的重复频率可以达到GHz范围，因此在有条件的实验室测试中，该器件预期可以达到GHz的计算速度。从响应时间考虑，超快激光器的脉宽可以达到5-20fs量级，因此该器件的相应速度理论可达fs量级。

3、各元件响应速度快，灵敏度高，计算延迟时间短。光学元件中最关键的门光路元件是由表面等离子体效应或者非线性光学效应完成的，而因此其响应速度与光震荡频率相当。而信号在元件之间以光速传播，因此此发明的理论计算延迟时间约为1E-13s。

4、功耗低。由于所有的元件都是光学元件，所以整个运算过程的功耗几乎为零。

5、拓展空间大。由于不同的光波长之间不会进行有效的叠加计算，所以同一器件可以获得不同波长的并行运算能力。比如，这里进行的是线偏振单相位的计算，而不同相位之间选取不同的带宽，同样可以获得并行运算的能力。

附图说明

图1：传统电子学中二进制单位带进位加法器示意图。

图2：光输入元件。

图3：光输出元件。

图4：光分束槽。

图5：光合束槽。

图6：门光路元件。

图7：利用光的可叠加性以及光程差形成的干涉来实现计算的光路设计。

图8：光学二进制进位加法器的运算过程图。

具体实施方式

本发明是以相干光束作为信息载体，利用光的可叠加性以及光程差形成的干涉来实现计算；

本发明的特征又在于：

它是由6个光输入元件、2个光输出元件、5个光分束槽、5个光合束槽和3个门光路元件组成；

以上所述的元件之间的距离为所用相干光束的一个波长的整数倍或半个波长的奇数倍。

本发明的特征还在于：

光输入元件I₁与光分束槽D₁的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

光输入元件I₂与光分束槽D₂的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

光输入元件I₃与光分束槽D₃的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

光输入元件I₄与门光路元件S₁的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

光输入元件I₅与门光路元件S₂的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

光输入元件I₆与门光路元件S₃的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

光分束槽D₁的输出端分别与光合束槽C₁、C₂的输入端相连，距离各为相干光的一个波长的整数倍；

光分束槽D₂的输出端分别与光合束槽C₁、C₂的输入端相连，距离分别为相干光的半个波长的奇数倍和一个波长的整数倍；

光分束槽D₂的输出端分别与光合束槽C₃、C₄的输入端相连，距离分别为相干光的半个波长的奇数倍和一个波长的整数倍；

光分束槽D₄的输入端与门光路元件S₁的输出端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍，输出端与光合束槽C₃的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

光分束槽D₅的输入端与门光路元件S₂的输出端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍，输出端分别与光合束槽C₅的输入端和门光路元件S₃的控制端相连，距离分别为相干光的半个波长的奇数倍和一个波长的整数倍；

光合束槽C₁的输出端与门光路元件S₁的控制端相连，距离任意；

光合束槽C₂的输出端与光合束槽C₄的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

光合束槽C₃的输出端与门光路元件S₂的控制端相连，距离任意；

光合束槽C₄的输出端与光合束槽C₅的输入端相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

光合束槽C₅的输出端与光输出元件O₁相连，距离为相干光的一个波长的整数倍；

门光路元件S₃的输出端与光输出元件O₂相连，距离为相干光的一个波长的整数倍。

此光学二进制进位加法器是基于以上描述的各种光学器件逐渐成型成熟的基础上设计的。

如图8所示，首先，x₀，y₀，c₀输入之后分别进行分束，变成两束1/2↑。每个分支向下的部分，进行简单的等光程合束，先进行x₀和y₀的合束，再和c₀合束，其结果将成为3/2↑。

x₀，y₀的另一半向上分束的光束进行λ/2合束，其结果为本位强度结果，包含了↑↓偏振。将其使用门光路元件整形，输出结果为标准振幅的↑偏振，再将其分束使其强度衰减1/2，以便与c₀的上半光束进行运算。同样该运算使用λ/2合束，得到本位的↑↓运算，同样整形之。至此获得的是本位的运算结果。

为了将进位结果的强度进行调整，需要进一步计算。将第二次光学门整形的结果分束，一半用来重新整形，获得本位运算结果s₀。另一半同刚才的3/2↑进行λ/2合束，3/2↑+1/2↓＝1↑，因此这里获得的即为进位运算结果c₁。

总的计算表如下：

表4