第09章-光計算機(jī)ppt課件(全)

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

2、耗小，散發(fā)熱量低9.1 光計算機(jī)概述數(shù)字光計算是指以光學(xué)手段實現(xiàn)數(shù)字運算的軟件和硬件的通稱。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)計算機(jī)。光計算機(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 光計算機(jī)基本原理9.2.1 數(shù)字光計算（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)傅里葉變換實驗裝置示意圖圖中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后表面的光場的復(fù)振幅分布可表示如下：（2）Vander Lugt匹配濾波相關(guān)識別如果一個濾波器的振幅透射系數(shù) 與輸入信號的頻譜 共扼，則這種濾波器稱為匹配濾波器。設(shè)濾波器的振幅透射系數(shù)為 ，則有：由式（9.5）可見，當(dāng)用原輸入信號的頻譜照射該匹配濾波器時，透過濾波器的光場分布正比于FF*，這個量完全是一個實數(shù)。也就是說，透過濾波器后的光場是平面光波。該平面光波通過透鏡L2之后將會聚在后焦面上形成一個亮點。圖9.2 匹配濾波器示意圖基于匹配濾波器的相關(guān)器也稱作Vander Lugt匹配濾波相關(guān)器(Vander Lugt Correlator，縮寫為

4、VLC)。原理如圖9.3所示：圖9.3 Vander Lugt匹配濾波相關(guān)識別示意圖它是根據(jù)自相關(guān)理論和透鏡、相干光的傅里葉變換特性完成對目標(biāo)圖像g(x0, y0)和參考圖像r(x0, y0)的相關(guān)運算。9.2.3 三值光學(xué)計算機(jī)目前在該研究方向上最成功的實例是三值光學(xué)計算機(jī)系統(tǒng)，它以“傳輸時穩(wěn)定，而易于用簡單器件改變的物理狀態(tài)適合于光學(xué)計算機(jī)”來選擇光狀態(tài)。2007年，上海大學(xué)建成的360位三值光學(xué)計算機(jī)原理研究實驗系統(tǒng)，顯示了光學(xué)計算機(jī)數(shù)據(jù)位數(shù)眾多的優(yōu)勢。百位三值光學(xué)計算機(jī)原理研究實驗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)見了低損耗的光纖能夠用于通信，被稱為“光纖之父”。2009年，76歲的高琨因“開創(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。技術(shù)優(yōu)勢：（1）頻帶極寬，傳輸容量大（2）損耗低，中繼距離長（3）抗電磁干擾能力強（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，美國芝加哥市兩個相距7千米的電信局之間進(jìn)行了數(shù)字光纖通信傳輸試驗，采用鋁鎵砷半導(dǎo)體激光器光源和硅材料光電探測器，光纖工作波長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)入了工作波長在1310nm、使用多模光纖傳輸?shù)牡诙饫w通信時代。1983年實現(xiàn)了使用單模光纖在1310nm波長傳輸?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，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進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即將電信號變成光信號，再經(jīng)光纖傳輸?shù)浇邮斩?，接收端將接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，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)也稱為光端機(jī)，光纖在實用系統(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

8、功率與噪聲功率的比值，稱之為信噪比（Signal Noise Ratio）。由（9.8）式可見，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轉(zhuǎn)換成光信號的轉(zhuǎn)換裝置和將光信號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，兆赫級較高，吉赫級輸出光功率幾毫瓦，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)動電路簡單復(fù)雜溫度影響小，

9、溫度特性較好大，溫度特性較差壽命長，維修少短，易損壞適用場合低速、短距離高速、長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；外層為包層，作用是使光信號盡可能封閉在纖芯中傳輸。為了將信號限制在纖芯中，必須在纖芯和包層的界面實現(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)到這個目的。設(shè)全反射的臨界入射角為c，則由光學(xué)計算公式可知： 式中n1，n2分別為纖芯和包層的折射率。圖中c稱為臨界傳播角，

10、它是光線發(fā)生全反射時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)傳輸時只有一種模式，纖芯直徑大約幾個微米，用于長距離干路傳輸，通常使用波長為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轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺糯蟛⑻幚?，恢?fù)為原來的形式。光接收機(jī)由光電檢測器、放大器、信號恢復(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沿光纖傳輸一定距離后，會因為光纖的衰減特性而減弱，從而使傳輸距離受到限制。通常，對于多模光

12、纖，無中繼距離約為20多公里，對于單模光纖，不到80公里。為了使信號傳送的距離更大，就必須增強光信號。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，為將相鄰的兩個脈沖分辨出來，要求它們間距不小于2。于是得到最大比特率的計算式為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）是美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會制定的在光纜上發(fā)送數(shù)字信號的一組協(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。采用五類雙絞線作為傳輸介質(zhì)的FDDI，稱為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)來說，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臺計算機(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）波動方程法。幾何光學(xué)方法對光纖中光線的傳播可提供直觀的圖像，但是對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)與波動理論9.3.9 光纖傳輸?shù)牟▌永碚搸缀喂鈱W(xué)波動理論使用條件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，粒子性波動方程，波動性研究內(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，可得到只與電場強度E(x,y,z,t)有關(guān)的方程式，及只與磁場強度H(x,y,z,t)有關(guān)的方程式。設(shè)光纖為無損耗，傳播的為角頻率的單色光，電磁場與時間t的關(guān)系為exp(jt)，則波動方程為：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)：可以得到波動理論方法的最基本方程，它是一個典型的本征方程：其中，為相移常數(shù)，也稱為傳播常數(shù)。通常將本征解定義為“模式”，相應(yīng)的場為模式場。量子也稱為光子（photon），和牛頓力學(xué)質(zhì)點概念類似，光子具有

16、能量和動量方面的特性，其含義是頻率為、傳播矢量為 單色光波，其能量和動量 是某一個值的整數(shù)倍，能量最小值正比于光頻率 ，動量 最小值正比于波矢 。其中h稱為普朗克常數(shù)（Plancks constant），2017年美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的研究者得出了普朗克常數(shù)的最精確測定，h=6.62606993410-34Js。稱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)，是角動量的最小衡量單位。9.4 光量子計算機(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驗

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電磁輻射。相對于黑體，其它物體稱為灰體（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，上式給出的頻率分布函數(shù)和實驗曲線符合。普朗克把能量不能再分的最小能量稱為量子（quantum）。1905年，愛因斯坦（Albert Einstein）指出，普朗克的量子理論能夠用來解釋光電效應(yīng)。所謂光電效應(yīng)，就是光照射到金屬時，表面發(fā)射電子現(xiàn)象。光強一定時

18、，光電流不再增加，而是達(dá)到一飽和值。飽和現(xiàn)象說明這時單位時間內(nèi)從陰極逸出的光電子已全部被陽極接收了。9.4.2 愛因斯坦光電效應(yīng)方程實驗還表明，飽和電流和光強I成正比。另外，當(dāng)加速電壓減小到零并逐漸變負(fù)時，光電流并不為零，僅當(dāng)反向電壓等于一個值時光電流才等于零，這個電壓值Vc稱為截止電壓。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，并根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)金屬中一個電子從入射光中吸收一個光子后，獲得能量h，如果h大于該金屬的電子逸出功W0，這個電子就能從金屬中逸出。這就是愛因斯坦光電效應(yīng)方程，式中 是光電子的最大初動能。圖9.13 康普頓散射實驗9.4.3 康普頓散射 光量子另一個實驗證據(jù)是康普頓散射。1923年，美國物理學(xué)家康普頓（Arthur Holly Compton）觀察X射線經(jīng)過物質(zhì)散射后的光的角度分布，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)光子除了能量外，光子還有動量。圖9.15 光的雙縫實驗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)一步揭示了光子動量與波長的關(guān)系。但是，后來量子力學(xué)和量子