[发明专利]可重构的动态全光混沌逻辑门

说明书

本发明涉及光子设备领域，尤其是可重构的动态全光混沌逻辑门，包括可调谐分布反馈式激光器、光分束器、垂直腔表面发射激光器、光隔离器、偏振分束器、第一减法器、第二减法器。本发明提供的可重构的动态全光混沌逻辑门，实现了全光混沌逻辑门运算及各逻辑门运算间的转换，具体能够实现“与”门、“与非”门、“或”门、“或非”门、“异或”门、“同或”门运算及其间的相互转换，可重构的动态全光混沌逻辑门可推广应用到全光数字混沌组合逻辑运算。

技术领域

本发明涉及光子设备领域，尤其是可重构的动态全光混沌逻辑门。

背景技术

混沌吸引子是无数个不稳定周期轨道的集合,混沌吸引子的丰富动力学行为是各态历经的,这表明在混沌系统的时间演化过程中,系统可以到达嵌入在混沌吸引子内部的任何不稳定周期轨道邻域内的每个点，混沌系统为控制和利用混沌提供了这样一种灵活性,即通过利用嵌入到非线性动力系统中丰富的模式执行逻辑计算功能,如实现基本的逻辑门。混沌计算能够提供一个新的重构数字逻辑计算方案。通过系统参数轻微改变，混沌系统可以在不同逻辑门之间的转换，从而实现一个动态的逻辑计算体系结构。这里，在逻辑计算过程中，系统结构本身发生动态改变。与传统逻辑器件(如数字电路逻辑器件，光电逻辑器件，全光逻辑器件)相比，混沌逻辑计算器件有着更加安全性，更加灵活，更低的功率代价。

目前，许多理论和实验工作通过非线性电路混沌系统(Chua电路和Logistic电路)实现了基本逻辑计算(如AND，NAND，OR，XOR，NOR，NOT)。例如，基于Logistic映射，通过设计三个阈值，并对输出信号采用不同模拟-逻辑映射关系，可以构建动态逻辑门；基于两个互补的JFET构成的离散的混沌迭代系统，可以实现NOR、NAND、AND、OR和XOR五种逻辑运算；利用非线性电路的驱动-响应混沌同步系统，可以实现混沌逻辑计算。

与电路混沌逻辑计算相比，半导体激光混沌逻辑计算具有高速(频率在GHz或THz范围)，响应速度快，更高的安全性(更高的混沌维度)，更低的功率代价(更低的阈值电流)，它是未来光混沌网络保密通信中的最为关键的技术。然而，对于基于半导体激光器非线性系统的混沌逻辑计算技术发展相对滞后，相关研究工作者对此方向的研究关注较小，处于刚刚起步的阶段。光混沌信号的复用，解复用，交换，再生，存储，计算等逻辑处理的必要条件是：具备低功耗和高速的全光数字混沌逻辑器件和时序逻辑器件。垂直腔表面发射激光器(VCSEL)作为一种微型的半导体激光器，相对于边缘发射激光器，具有发散角度小，阈值电流低，单纵模工作，易于实现二维阵列，动态调制频率高等优点。另外，这种激光器在泵浦电流注入，以及外部光注入和外部光反馈条件下，很容易导致两个混沌偏振模转换。这种偏振转换比吸收和色散双稳态有很更快的响应时间，有利于形成低功耗和高速的全光混沌逻辑门。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，逻辑输入通过泵浦电流来编译，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(如泵浦电流，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，上述的激光混沌逻辑门的实现方案都是在静态条件下实现的，并没有充分利用激光混沌丰富的模式来实现可重构的动态混沌逻辑门。同时，上述的基本的逻辑门运算只能应用于组合逻辑光子设备，不能推广应用到全光数字混沌组合(比特位)逻辑运算(如全光混沌加法器，译码器等)。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种可重构的动态全光混沌逻辑门，在不同的时间段，通过改变频率失谐与两个逻辑输入之间的逻辑运算，系统可以实现不同的逻辑功能之间的转换。