[发明专利]一种基于梯度下降算法的全光逻辑异或门及其实现方法

权利要求书

1.一种基于梯度下降算法的全光逻辑异或门的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)将光传输器件的二维截面分割成M×N个周期紧密排列的正方形的基本单元，并选择两个实际的线性材料，两种线性材料的折射率的值分别为n₁和n₂；

2)将每一基本单元的折射率的初始值设置为相同的固定值；

3)在第一输入波导的位置放置第一信号光源，通过时域有限差分FDTD方法求解麦克斯韦方程组，计算得到光传输器件中每一基本单元的电场分布；

4)在第二输入波导的位置放置第二信号光源，通过FDTD方法求解麦克斯韦方程组，计算得到光传输器件中每一基本单元的电场分布，其中，第一信号光源与第二信号光源的相位相差π；

5)在出射波导的位置放置伴随光源，通过FDTD方法求解麦克斯韦方程组，计算得到光传输器件中每一基本单元的电场分布；

6)求解第一信号光源的基本单元的电场分布和伴随光源的基本单元的电场分布，实现全光逻辑异或门要求第一和第二信号光源同时入射时出射波导处的电场为零，第一信号光源和第二信号光源的相位相差π，其余参数相同，因此实现全光逻辑异或门的打开要求电场变大，目标函数变大，利用梯度下降算法得到每一个基本单元的第一线性梯度G₁；求解第二信号光源的基本单元的电场分布和伴随光源的基本单元的电场分布，利用梯度下降算法得到每一个基本单元的第二线性梯度G₂，将第一线性梯度G₁和第二线性梯度G₂求和，得到每一个基本单元的最终梯度G；

7)设置偏置因子β，沿最终梯度方向改变每一个基本单元的折射率，并且按照偏置因子控制折射率改变的快慢和大小，从而通过偏置因子控制离散化程度，提高计算的效率；重复步骤3)～6)得到当前的每一个基本单元的最终梯度，再按照当前的最终梯度方向在偏置因子的控制下改变每一个基本单元的折射率，直至完成预先设定的迭代次数，实现对折射率进行优化；

当达到迭代次数时，每一个基本单元的折射率强制趋近于实际的两种线性材料对应的折射率；

8)得到每一个基本单元的最终的折射率，最终的折射率的值离散化成两种线性材料的折射率的值n₁和n₂；

9)相应的基本单元采用与计算得到的折射率的值相对应的两种线性材料；

10)全光逻辑异或门共有四种情况：

a)第一和第二入射波导都无信号光入射时，出射波导无信号光输出；

b)信号光从第一入射波导入射且无信号光从第二入射波导入射，经光传输器件传输至出射波导，出射波导输出信号光；

c)信号光从第二入射波导入射且无信号光从第一入射波导入射，经光传输器件传输至出射波导，出射波导输出信号光；

d)信号光从第一入射波导和第二入射波导同时入射，传输至光传输器件，由于光的线性叠加原理，在光传输器件位于出射波导的端口处，两路信号光的相位相差π，相干相消，使得光强为零，出射波导无信号光输出；

从而实现全光逻辑异或门。

2.如权利要求1所述的实现方法，其特征在于，在步骤1)中，光传输器件的二维截面的二维尺寸的长和宽为2μm～5μm；每一个基本正方形单元的边长为40nm～80nm。

3.如权利要求1所述的实现方法，其特征在于，第一信号光源和第二信号光源为高斯光源，中心波长为全光逻辑异或门实现的波长，在通讯波段，第二信号光源的相位与第一信号光源的相位相差π。