[发明专利]一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元

说明书

本发明公开了一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元，包括一组支持多模式传输的输入波导和输出波导以及两组受操作数信号控制的动态模式变换器件；单一模式的输入光源作为载波，依次经过两组模式变换器件，通过每个操作数分别控制模式变换器件对输入模式是否发生转换为另一种模式，在输出波导处分别探测每种模式的分量，通过一次光的传播与收集即可同时获得异或和同或的逻辑运算结果。该逻辑运算单元可在相同的波长内使用不同的波导模式来计算，降低整个光逻辑回路的成本；同时，对输入的波长及环境温度变化均不敏感。可采用多种材料平台实现，并根据调制方式的不同可实现电光与全光的异或和同或的并行逻辑运算。

技术领域

本发明属于光学逻辑运算与信号处理技术领域，涉及一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元。

背景技术

异或和同或这两种逻辑运算在信息的编码与解码、信号奇偶校验、数据加密解密、图像处理、随机数产生等众多场合都有重要应用。随着这些应用，信息容量越来越大、集成度越来越高、海量数据处理等需求导致系统运行环境温升明显。而用光学方式实现逻辑运算具有发热量低、速率高、延迟小等特点，是一种具有潜力的新型信号处理方式。因此，借助光学手段进行处理的做法逐渐得到青睐。由于光信号本征具有的高带宽和高并行性，将光学原理应用到信息处理领域的研究一直未曾间断。

在过去的研究中，研究者利用微环谐振器构建了异或和同或的逻辑运算单元，通过调谐器件的特征工作波长来实现逻辑运算功能。然而，由于谐振结构本征的波长敏感性和温度敏感性，逻辑单元对于波长的精度要求较高，对于环境温度的稳定性要求较高，同时，实现多路运算需要多路波长，因而对于激光器的要求也较高。此外，也有基于双臂干涉结构的逻辑运算单元，但具有器件体积较大等缺点。

光学模式作为波导中可调控的另一种物理量，近年来在集成光学器件加工工艺与技术取得长足进步的背景下，精确的调控波导中的模式成为现实，能实现的调控功能越来越丰富和灵活。与调谐波长相比，控制波导中的模式主要依赖调控波导的形貌，因而实现成本要低的多。同一模式中可容纳不同的波长，因而可以进一步增大信息系统的容量，同时，光学模式对于材料折射率的变化相对不敏感，具有较好的温度变化抗性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元，利用波导可调控另一种物理自由度，实现低成本、波长不敏感、温度稳定性好的光学逻辑运算单元。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于光学模式的异或和同或逻辑运算单元，包括一组支持多模式传输的输入波导和输出波导以及两组受操作数信号控制的动态模式变换器件；单一模式的输入光源作为载波，依次经过两组模式变换器件，通过每个操作数分别控制模式变换器件对输入模式是否发生转换为另一种模式，在输出波导处分别探测每种模式的分量，通过一次光的传播与收集，同时获得异或和同或的逻辑运算结果。

本发明采用对波导中模式物理量的变换来构建异或和同或逻辑运算单元，对激光器波长的要求低，可在相同的波长内使用不同的波导模式来计算，降低整个光逻辑回路的成本。同时，该逻辑运算单元对输入的波长及环境温度变化均不敏感。可采用多种材料平台实现，并根据调制方式的不同可实现电光与全光的异或和同或的并行逻辑运算。

附图说明

图1是本发明逻辑运算单元第一种实施例的示意图。

图2 是图1所示第一种实施例功能实现光场示意图。

图3是本发明逻辑运算单元第二种实施例的示意图。

图中：1.多模输入波导，2.第一光学模式变换器件，3.第二光学模式变换器件，4.多模输出波导，5.第三光学模式变换器件，6.第四光学模式变换器件；

101.第一传输波导，102.第一调相器，301.第二传输波导，302.第二调相器，501.第一分支，502.第一调制臂，503.第二分支，601.第三分支，602.第二调制臂，603.第四分支。

具体实施方式