[发明专利]基于稳定偏振VCSEL的光学矢量-矩阵乘法器

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；