第09章-光計(jì)算機(jī)ppt課件(全)

1、第9章 光計(jì)算機(jī)9.1 光計(jì)算機(jī)概述9.2 光計(jì)算機(jī)基本原理9.3 激光通信9.4 光量子計(jì)算機(jī)習(xí)題9第9章 光計(jì)算機(jī) 光計(jì)算機(jī)（Optical Computer），也叫光子計(jì)算機(jī)（Photon computer）、全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，是一種由光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計(jì)算機(jī)。上個(gè)世紀(jì)40年代，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父馮諾依曼就考慮過(guò)使用光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)算的可能性，但是由于當(dāng)時(shí)光學(xué)的技術(shù)十分落后，他最終也就沒(méi)能往這個(gè)方向做深入的研究。根據(jù)其原理，不難總結(jié)出光計(jì)算機(jī)有以下特點(diǎn)：（1）光子不帶電荷（2）光子沒(méi)有靜止質(zhì)量（3）光子并行運(yùn)算速度高（4）超大規(guī)模的信息存儲(chǔ)容量（5）能量消

2、耗小，散發(fā)熱量低9.1 光計(jì)算機(jī)概述數(shù)字光計(jì)算是指以光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算的軟件和硬件的通稱(chēng)。技術(shù)路線上以列陣光學(xué)非線性器件為基礎(chǔ)，構(gòu)想通用性或?qū)Ｓ眯匀鈱W(xué)計(jì)算機(jī)。光計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)包括以下主要組成部件：（1）光學(xué)雙穩(wěn)和開(kāi)關(guān)器件（2）光學(xué)數(shù)字處理器（3）并行處理體系結(jié)構(gòu)（4）光學(xué)互連網(wǎng)絡(luò)（5）數(shù)字光計(jì)算的支撐硬件（6）圖案變換并行光邏輯（7）光電混合信息處理9.2 光計(jì)算機(jī)基本原理9.2.1 數(shù)字光計(jì)算（1）透鏡的傅里葉變換性質(zhì)9.2.2 光學(xué)傅里葉變換圖9.1 光學(xué)傅里葉變換實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖中P0表示輸入平面，P1表示傅里葉變換平面，它們的坐標(biāo)分別為 和 ，物體位于透鏡L的前方，與透鏡之間的距

3、離為 ，那么在單位振幅的平面光波垂直照射下，P0后表面的光場(chǎng)的復(fù)振幅分布可表示如下：（2）Vander Lugt匹配濾波相關(guān)識(shí)別如果一個(gè)濾波器的振幅透射系數(shù) 與輸入信號(hào)的頻譜 共扼，則這種濾波器稱(chēng)為匹配濾波器。設(shè)濾波器的振幅透射系數(shù)為 ，則有：由式（9.5）可見(jiàn)，當(dāng)用原輸入信號(hào)的頻譜照射該匹配濾波器時(shí)，透過(guò)濾波器的光場(chǎng)分布正比于FF*，這個(gè)量完全是一個(gè)實(shí)數(shù)。也就是說(shuō)，透過(guò)濾波器后的光場(chǎng)是平面光波。該平面光波通過(guò)透鏡L2之后將會(huì)聚在后焦面上形成一個(gè)亮點(diǎn)。圖9.2 匹配濾波器示意圖基于匹配濾波器的相關(guān)器也稱(chēng)作Vander Lugt匹配濾波相關(guān)器(Vander Lugt Correlator，縮寫(xiě)為

4、VLC)。原理如圖9.3所示：圖9.3 Vander Lugt匹配濾波相關(guān)識(shí)別示意圖它是根據(jù)自相關(guān)理論和透鏡、相干光的傅里葉變換特性完成對(duì)目標(biāo)圖像g(x0, y0)和參考圖像r(x0, y0)的相關(guān)運(yùn)算。9.2.3 三值光學(xué)計(jì)算機(jī)目前在該研究方向上最成功的實(shí)例是三值光學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它以“傳輸時(shí)穩(wěn)定，而易于用簡(jiǎn)單器件改變的物理狀態(tài)適合于光學(xué)計(jì)算機(jī)”來(lái)選擇光狀態(tài)。2007年，上海大學(xué)建成的360位三值光學(xué)計(jì)算機(jī)原理研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，顯示了光學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)位數(shù)眾多的優(yōu)勢(shì)。百位三值光學(xué)計(jì)算機(jī)原理研究實(shí)驗(yàn)箱激光通信是利用激光進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，按不同傳輸媒介可分為自由空間激光通信和光纖激光通信。光纖通信（

5、Fiber Optic Communications）的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要革命。1966年，美籍華人高琨（Charles Kuen Kao）等預(yù)見(jiàn)了低損耗的光纖能夠用于通信，被稱(chēng)為“光纖之父”。2009年，76歲的高琨因“開(kāi)創(chuàng)性的研究與發(fā)展光纖通訊系統(tǒng)中低損耗光纖”而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）頻帶極寬，傳輸容量大（2）損耗低，中繼距離長(zhǎng)（3）抗電磁干擾能力強(qiáng)（4）光纖重量輕，節(jié)約有色金屬（5）保密性能好9.3 激光通信9.3.1 激光通信概述1977年，美國(guó)芝加哥市兩個(gè)相距7千米的電信局之間進(jìn)行了數(shù)字光纖通信傳輸試驗(yàn)，采用鋁鎵砷半導(dǎo)體激光器光源和硅材料光電探測(cè)器，光纖工作波長(zhǎng)8

6、50nm，速率44.736Mb/s，衰減為2.54dB/km，成為第一代光纖通信的標(biāo)志。1980年，進(jìn)入了工作波長(zhǎng)在1310nm、使用多模光纖傳輸?shù)牡诙饫w通信時(shí)代。1983年實(shí)現(xiàn)了使用單模光纖在1310nm波長(zhǎng)傳輸?shù)牡谌饫w通信。20世紀(jì)80年代后期，進(jìn)入了使用單模光纖在1550nm波段上傳輸?shù)牡谒拇饫w通信階段。波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）在光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用，使光纖通信進(jìn)入了高速光纖通信階段。自1995年以來(lái)，光纖通信的發(fā)展進(jìn)入了第五代，其主要特征是采用了密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multi

7、plexing，DWDM）對(duì)光纖系統(tǒng)傳輸容量進(jìn)行擴(kuò)容。光纖通信則首先要在發(fā)射端將需傳送的信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即將電信號(hào)變成光信號(hào)，再經(jīng)光纖傳輸?shù)浇邮斩耍邮斩藢⒔邮盏降墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后還原成消息。9.3.2 激光通信的基本架構(gòu)圖9.5 光纖通信系統(tǒng) 基本單元為三個(gè)部分：光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)。光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)也稱(chēng)為光端機(jī)，光纖在實(shí)用系統(tǒng)中一般以光纜的形式存在。在光纖通信系統(tǒng)中還包括大量的有源、無(wú)源光器件。 信道容量與信道帶寬之間的關(guān)系可由香農(nóng)-哈特利（Shannon-Hartley）定理決定：式中，C為信道容量（單位為比特/秒，bps），B為信道帶寬（單位為赫茲，Hz），SNR是信號(hào)

8、功率與噪聲功率的比值，稱(chēng)之為信噪比（Signal Noise Ratio）。由（9.8）式可見(jiàn)，增加信道帶寬可以有效地提高信道容量。光發(fā)射機(jī)由將帶有信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和將光信號(hào)送入光纖的傳輸裝置組成，而光源是光發(fā)射機(jī)的核心部件。常用的光源有發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）和激光二極管（Laser Diode，LD）兩種。表9.1 LED與LD的比較9.3.3 光發(fā)射機(jī)項(xiàng)目LEDLD發(fā)光原理自發(fā)輻射，熒光有諧振腔，激光調(diào)制速率較低，兆赫級(jí)較高，吉赫級(jí)輸出光功率幾毫瓦，光效較低幾十毫瓦，光效較高光譜寬度寬，非相干光窄，色散小驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單復(fù)雜溫度影響小，

9、溫度特性較好大，溫度特性較差壽命長(zhǎng)，維修少短，易損壞適用場(chǎng)合低速、短距離高速、長(zhǎng)距離光纖是通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)，是由兩種不同折射率的石英玻璃（SiO2）在高溫下拉制而成的，基本結(jié)構(gòu)包括纖芯、包層、涂敷層。其中內(nèi)層為纖芯，作用是傳輸光信號(hào)；外層為包層，作用是使光信號(hào)盡可能封閉在纖芯中傳輸。為了將信號(hào)限制在纖芯中，必須在纖芯和包層的界面實(shí)現(xiàn)光的全內(nèi)反射。圖9.8 光纖的全反射9.3.4 光纖 為此，要求纖芯的折射率比包層的折射率略大，在纖芯中摻入極少量的雜質(zhì)（如GeO2）就可達(dá)到這個(gè)目的。設(shè)全反射的臨界入射角為c，則由光學(xué)計(jì)算公式可知： 式中n1，n2分別為纖芯和包層的折射率。圖中c稱(chēng)為臨界傳播角，

10、它是光線發(fā)生全反射時(shí)與光纖縱向軸線之間的夾角。 要保證光線在光纖內(nèi)全反射，必須有傳播角：按照傳送光的模式的不同，光纖分為單模光纖和多模光纖。單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)光在光纖內(nèi)傳輸時(shí)只有一種模式，纖芯直徑大約幾個(gè)微米，用于長(zhǎng)距離干路傳輸，通常使用波長(zhǎng)為1310nm或1550nm的光進(jìn)行傳輸。多模光纖(Multi Mode Fiber，MMF)光在光纖內(nèi)傳輸時(shí)有一種以上模式，一般有效傳輸距離在2公里以內(nèi)。通常使用波長(zhǎng)為850nm或1300nm的光進(jìn)行傳輸。根據(jù)折射率徑向分布不同，可分為漸變光纖和突變光纖。漸變光纖(Graded Index Fiber，GIF)纖芯折射

11、率nl隨半徑增加而按一定規(guī)律逐漸減少，到纖芯與包層交界處為包層折射率n2，適用于中容量中距離通信。突變型光纖(Step Index Fiber，SIF)突變型光纖纖芯折射率保持常數(shù)，而在纖芯與包層的界面折射率發(fā)生突變。9.3.5 光接收機(jī)圖9.9 模擬光接收機(jī)光接收機(jī)的主要作用是將接收到的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，放大并處理，恢復(fù)為原來(lái)的形式。光接收機(jī)由光電檢測(cè)器、放大器、信號(hào)恢復(fù)電路等相關(guān)電路組成。根據(jù)應(yīng)用不同，光接收機(jī)又分為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)。9.3.6 光放大器圖9.10 光放大器的原理光信號(hào)沿光纖傳輸一定距離后，會(huì)因?yàn)楣饫w的衰減特性而減弱，從而使傳輸距離受到限制。通常，對(duì)于多模光

12、纖，無(wú)中繼距離約為20多公里，對(duì)于單模光纖，不到80公里。為了使信號(hào)傳送的距離更大，就必須增強(qiáng)光信號(hào)。光纖通信早期使用的是光-電-光再生中繼器，需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、電放大、再定時(shí)脈沖整形及電光轉(zhuǎn)換。（1）比特率假設(shè)輸入光脈沖是寬度為T(mén)的矩形，到達(dá)接收端的延遲和展寬分別是和，為將相鄰的兩個(gè)脈沖分辨出來(lái)，要求它們間距不小于2。于是得到最大比特率的計(jì)算式為9.3.7 光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)（2）傳輸距離f為光纖的損耗，單位為dB/km，包括熔接和連接損耗，Pout為光源最大平均輸出功率，Prec為接收機(jī)探測(cè)器的最小平均接收光功率，兩者單位均為mW。（3）通信容量光纖通信系統(tǒng)的通信容量用比特率-距離

13、積BL表示；通信容量也可以用帶寬-距離積來(lái)表示，單位是MHzkm。光纖分布式數(shù)據(jù)接口（Fiber Distributed Data Interface，F(xiàn)DDI）是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)制定的在光纜上發(fā)送數(shù)字信號(hào)的一組協(xié)議。雖然FDDI邏輯上是基于令牌環(huán)（Token Ring-Based）架構(gòu)，但是卻不是以IEEE 802.5協(xié)定為基礎(chǔ)定義的，取而代之的是衍生自IEEE 802.4 Token Bus協(xié)定。FDDI是光纖數(shù)據(jù)在200公里內(nèi)局域網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，不但可以支持長(zhǎng)距離傳輸，而且還支持多用戶。FDDI用于環(huán)型網(wǎng)，以光纜作為傳輸介質(zhì)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到100Mbit/s。FDDI的技術(shù)規(guī)格有FD

14、DI-I和FDDI-II，通常FDDI指的是前者。采用五類(lèi)雙絞線作為傳輸介質(zhì)的FDDI，稱(chēng)為CDDI。FDDI使用雙環(huán)令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩環(huán)方向相反（以兩機(jī)來(lái)說(shuō)，一條接收用，一條發(fā)送用。），可以在100公里以上的距離支持500臺(tái)計(jì)算機(jī)。9.3.8 FDDI協(xié)議光纖傳輸除前面講到的幾何光學(xué)法，還有麥克斯韋（Maxwell）波動(dòng)方程法。幾何光學(xué)方法對(duì)光纖中光線的傳播可提供直觀的圖像，但是對(duì)傳輸特性只是提供近似的結(jié)果。必須用電磁理論分析電磁場(chǎng)的分布性質(zhì)，才能更準(zhǔn)確地獲得光纖的傳輸特性。表9.2 幾何光學(xué)與波動(dòng)理論9.3.9 光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論幾何光學(xué)波動(dòng)理論使用條件dd適用光纖多模光纖單模和各種

15、光纖基本方程射線方程，粒子性波動(dòng)方程，波動(dòng)性研究?jī)?nèi)容光線軌跡模式分布從韋克斯韋方程組出發(fā)，電矢量與磁矢量分離，可得到只與電場(chǎng)強(qiáng)度E(x,y,z,t)有關(guān)的方程式，及只與磁場(chǎng)強(qiáng)度H(x,y,z,t)有關(guān)的方程式。設(shè)光纖為無(wú)損耗，傳播的為角頻率的單色光，電磁場(chǎng)與時(shí)間t的關(guān)系為exp(jt)，則波動(dòng)方程為：以上兩式為矢量的亥姆霍茲方程（Helmholtz equation），其中，k0為真空中的波數(shù)：可以得到波動(dòng)理論方法的最基本方程，它是一個(gè)典型的本征方程：其中，為相移常數(shù)，也稱(chēng)為傳播常數(shù)。通常將本征解定義為“模式”，相應(yīng)的場(chǎng)為模式場(chǎng)。量子也稱(chēng)為光子（photon），和牛頓力學(xué)質(zhì)點(diǎn)概念類(lèi)似，光子具有

16、能量和動(dòng)量方面的特性，其含義是頻率為、傳播矢量為 單色光波，其能量和動(dòng)量 是某一個(gè)值的整數(shù)倍，能量最小值正比于光頻率 ，動(dòng)量 最小值正比于波矢 。其中h稱(chēng)為普朗克常數(shù)（Plancks constant），2017年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的研究者得出了普朗克常數(shù)的最精確測(cè)定，h=6.62606993410-34Js。稱(chēng)為約化普朗克常量或合理化普朗克常量，或者狄拉克常數(shù)，是角動(dòng)量的最小衡量單位。9.4 光量子計(jì)算機(jī)9.4.1 普朗克黑體輻射理論為了解釋黑體輻射能量分布曲線，1900年12月，德國(guó)科學(xué)家普朗克提出了普朗克假設(shè)，明確包含了光能量不連續(xù)的量子概念。所以黑體輻射是光量子最早實(shí)驗(yàn)

17、證據(jù)。所謂黑體（Blank body）是一種假想的物體，這種物體能夠完全吸收所有波長(zhǎng)電磁輻射。相對(duì)于黑體，其它物體稱(chēng)為灰體（grey body）。普朗克假設(shè)：空腔中某模式（特定頻率v）的電磁波，其能量為某一最小值的整數(shù)倍，如0, 1, 2, 3, , n, ，該最小值正比于光頻率v。 最后得到單位頻率間距內(nèi)的能量頻率分布：代入普朗克常數(shù)值時(shí)，上式給出的頻率分布函數(shù)和實(shí)驗(yàn)曲線符合。普朗克把能量不能再分的最小能量稱(chēng)為量子（quantum）。1905年，愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）指出，普朗克的量子理論能夠用來(lái)解釋光電效應(yīng)。所謂光電效應(yīng)，就是光照射到金屬時(shí)，表面發(fā)射電子現(xiàn)象。光強(qiáng)一定時(shí)

18、，光電流不再增加，而是達(dá)到一飽和值。飽和現(xiàn)象說(shuō)明這時(shí)單位時(shí)間內(nèi)從陰極逸出的光電子已全部被陽(yáng)極接收了。9.4.2 愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程實(shí)驗(yàn)還表明，飽和電流和光強(qiáng)I成正比。另外，當(dāng)加速電壓減小到零并逐漸變負(fù)時(shí)，光電流并不為零，僅當(dāng)反向電壓等于一個(gè)值時(shí)光電流才等于零，這個(gè)電壓值Vc稱(chēng)為截止電壓。不同金屬有不同的極限頻率，幾種金屬如表9.3所示。表9.3 幾種金屬的極限頻率金屬鎢鋅鈣鈉鉀銣銫極限頻率v0/1014Hz10.958.0657.735.535.445.154.69逸出功W0/eV4.543.343.202.292.252.131.94按照光子假說(shuō)，并根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)金屬中一個(gè)電子從入射光中吸收一個(gè)光子后，獲得能量h，如果h大于該金屬的電子逸出功W0，這個(gè)電子就能從金屬中逸出。這就是愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，式中 是光電子的最大初動(dòng)能。圖9.13 康普頓散射實(shí)驗(yàn)9.4.3 康普頓散射 光量子另一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)是康普頓散射。1923年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓（Arthur Holly Compton）觀察X射線經(jīng)過(guò)物質(zhì)散射后的光的角度分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)光子除了能量外，光子還有動(dòng)量。圖9.15 光的雙縫實(shí)驗(yàn)9.4.4 光的波粒二象性 黑體輻射和光電效應(yīng)揭示了光子能量與頻率的關(guān)系，康普頓效應(yīng)則進(jìn)一步揭示了光子動(dòng)量與波長(zhǎng)的關(guān)系。但是，后來(lái)量子力學(xué)和量子