Πύλη οπτικής πλειονότητας βασισμένη σε λέιζερ κλειδωμένο με έγχυση

Επιστημονικές εκθέσεις 9 , αριθμός άρθρου: 14576 ( 2019 ) | Κατεβάστε την παραπομπή

202 Πρόσβαση

Αφηρημένη

Ένας ολοσχερής οπτικός υπολογιστής παρέμεινε μια φευγαλέα έννοια. Για να κατασκευαστεί ένα πρακτικό υπολογιστών πρωτόγονη ισοδυναμεί με ένα ηλεκτρονικό Boolean λογική, θα πρέπει να χρησιμοποιούν μη γραμμικότητα που ξεπερνά τις αδυναμίες που μαστίζουν πολλές οπτικές συστήματα επεξεργασίας. Μία πλεονεκτική μη γραμμικότητα παρέχει ένα πλήρες σύνολο των λογικών πράξεων και επιτρέπει την κλιμάκωση λειτουργίες χωρίς αλλαγές στο μήκος κύματος ή σε μορφή κωδικοποίησης σήματος. Εδώ δείχνουμε μια πύλη πλήρως οπτικές πλειοψηφία βασίζεται σε μια επιφάνεια εκπομπής λέιζερ κάθετη-κοιλότητα (VCSEL). Με τη χρήση μιγαδικής ζεύξης σήματος, η διάταξη παρέχει αναλογία σφάλματος δυαδικών ψηφίων (BER) 10-6με ρυθμό 1 GHz χωρίς αλλαγές στο μήκος κύματος ή στη μορφή κωδικοποίησης σήματος. Η λειτουργία με κασέτα της πύλης πλειοψηφίας με λέιζερ κλειδωμένη με έγχυση προσομοιώνεται σε πλήρες αθροιστή και κυκλώματα αθροιστή 3-bit. Τέλος, χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις ταχύτητας λέιζερ ημιαγωγών τύπου spin-flip, αποδεικνύουμε ότι τα λέιζερ κλειδωμένα με έγχυση μπορούν να εκτελούν λειτουργίες κανονικοποίησης σε σταθερή κατάσταση με αυθαίρετη γραμμική κατάσταση πόλωσης.

Εισαγωγή

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων τεσσάρων δεκαετιών, η επιτυχής κλιμάκωση της τεχνολογίας CMOS επέτρεψε μια πληθώρα υπολογιστικών συσκευών, όπως κινητά τηλέφωνα και προσωπικούς υπολογιστές, που περιέχουν τρανζίστορ αριθμούς από εκατοντάδες εκατομμύρια σε εκατομμύρια. Πρόσφατα, ωστόσο, η σμίκρυνση των επιδράσεων του πεδίου των τρανζίστορ έχει γίνει όλο και πιο δύσκολη λόγω των τεράστιων μηχανικών αποτελεσμάτων, των προκλήσεων του ντόπινγκ και των ορίων των θερμικών απωλειών. Κατά συνέπεια, η πληροφορική κοινότητα έχει ψάξει για εναλλακτικά παραδείγματα επεξεργασίας, όπως spintronic κυκλώματα πλειφία πύλη1 .

Οπτικών υπολογιστών έχει μελετηθεί ως εναλλακτική λύση για τις τεχνολογίες που βασίζονται στην πυρίτιο. Οι οπτικοί επεξεργαστές υπάρχουν, αλλά έχουν βρεθεί μόνο μερικές εφαρμογές εκτός των μετασχηματισμών Fourier, αναγνώριση προτύπων, και οπτική συσχέτιση2; Ωστόσο, η οπτική επεξεργασία παραμένει ενεργό πεδίο έρευνας ακόμη και σήμερα3. Η βασική πρόκληση στον τομέα των οπτικών υπολογιστών είναι η φύση των φωτονίων που δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους στο κενό, αλλά απαιτούν ένα μη γραμμικό μέσο. Έχουν οπτικά τρανζίστορ προταθεί σε ορισμένες ρυθμίσεις, όπως στην ατομική σύνολα4 , 5 , 6 και σε ένα ημιαγωγό μικροκλίματος 7. Έχουν οπτικά πύλες και διακόπτες που έχουν μελετηθεί με διάφορα μη γραμμικά εξαρτήματα, όπως ημιαγωγούς ενισχυτές οπτικών σημάτων8 , 9 , 10 , 11 , 12 , και κυματοδηγοί και αντηχεία 13 , 14 , 15 , 16 , 17. Επιπλέον, τα μετα-υλικά έχουν διερευνηθεί τόσο για την αναλογική όσο και για την ψηφιακή υπολογιστική18 , 19 , 20 .

Έχει προταθεί μια ευρεία ποικιλία ρυθμίσεων επεξεργασίας σημάτων λέιζερ με έγχυση κλειστού τύπου για τις τηλεπικοινωνίες και όλες τις οπτικές υπολογιστές. Για παράδειγμα, στον τομέα των τηλεπικοινωνιών, τα λέιζερ έχουν χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση της διαμόρφωσης ζωνών εύρους21 , ανάκτηση φάσης φορέας και αναγέννησης 22 , πλάτος-φάσης-διατήρησης περιορισμού 23 , και ορθογώνιοι ο διαχωρισμός των πλατιών και των φάσεων 24. Στον τομέα όλων των οπτικών υπολογιστών, η αποδομημένη διαμορφωμένη κλειστή έγχυση λέιζερ (που αναφέρεται αργότερα ως μέθοδος κέρδους- μορφοποίησης έχει) έχει χρησιμοποιηθεί για να δείξει έναν αριθμό λογικών πυλών (ΌΧΙ25 , 26 , 27 , NOR 25 , 26, 27 , 28 , ΚΑΙ 26 , 28 , Ή 26 , 28 , NAND 26 , 29 , 30 , 31 , XNOR 29 , XOR 28 ), διακόπτες 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , μια οθόνη εσφαλμένων δυφίων 37 , ένας ψηφιακός αθροιστής 29 , ένας συγκριτής 38 , σαγιονάρες 39 , 40 , 41 , και της κεφαλίδας πακετο επεξεργασίας δεδομένων 33 , 34.

Οι ρυθμίσεις της μεθόδου κέρδους διαμόρφωσης μοιράζονται τις ίδιες βασικές αρχές λειτουργίας. Η εκπομπή μεταβάλλεται από την αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων του δεδομένου σήματος (κάποιου μήκους κύματος λ 1 ), των φυσικώς υπαρχουσών περιοχών μέσα στην κοιλότητα και άλλων ενδεχομένως εγχέει πεδία (σήματα ελέγχου, άλλα δεδομένα ροής, κ.λπ.), κάθε να έχει το δικό του ιδιαίτερο μήκος κύματος του λ i . Αυτή η διαδικασία λειτουργίας-ανταγωνισμού είναι έντονα μη γραμμική και παρέχει χρήσιμα φαινόμενα, όπως η υστερία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εναλλαγή.Οι αλλαγές στην λειτουργία της λειτουργίας-ανταγωνισμού, και έτσι οι αλλαγές της αποδοχής για ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος φωτός, βασίζονται στις διαφορετικές παραλλαγές των εμπλουτισμένων αρμοδιοτήτων. Το όνομα, η εγχέεται το φως, τα δεδομένα και οι έλεγχοι των σημάτων, είναι πλάτος-διαμορφώσεως μετατόπισης (ASK). Όταν η εκπομπή λέιζερ συνδέεται με ένα κατάλληλο φίλτρο διέλευσης ζώνης, η έξοδος θα εκδηλώνεται ASK που κωδικοποιεί επίπεδα ισχύος, ακόμα, συχνά με μετατροπή μήκους κύματος. Λαμβάνοντας υπόψη την ορθή διαχείριση των μακρών σημείων και την ενδυνάμωση των σημάτων, οι λειτουργίες μπορούν να συνδυαστούν και να πραγματοποιηθούν ακόμα και πολύπλοκες λειτουργίες.

Όταν ο στόχος για ένα ολοκληρωμένο σήμα επεξεργασίας σε μεγάλη κλίμακα, μια ιδιαίτερη πρόκληση πολλών συστημάτων οπτικής επεξεργασίας είναι η καταστροφή λειτουργιών οικονομικά. Ένα πρακτικό οπτικό καταρράκτη απαιτεί αποκατάσταση λογικού επιπέδου, αναλλοίωτης μήκους κύματος λειτουργίας, και μη τροποποιημένων σημάτων κωδικοποίησης42 , 43 .

f : R^{n} \to R^{m}

) Και εμείς προσομοιώνουμε έναν οπτικό πλήρες αθροιστή και έναν 3-bit κυματισμό-μεταφοράς αθροιστή (Συμπληρωματική S2 ).

Λειτουργική αρχή

Μία έγχυση-κλειδωμένο υποβρύχιο λέιζερ είναι γνωστό να υιοθετεί και να διατηρεί τη φάση του κύριου, ενώ θα εξαλείψει παραλλαγές στο εγχυμένο εύρος σήματος. Ποιοτικά, αυτό μπορεί να αποδειχθεί με ένα ζεύγος ρυθμού-εξισώσεων44

γ_{c}^{- 1} \dot{E} = - (1 + i α) (1 - N) E + u_{η}

(1)

γ^{- 1} \dot{N} = - (1 + | E |^{2}) N + μ,

(2)

όπου Ε και u η είναι η αργά μεταβαλλόμενη ομάδα πλάτους των εκπεμπόμενων και εντατικών πεδίων, αντίστοιχα; Ν ΕΙΝΑΙ Το κανονικοποιημένο συνολική πυκνότητα φορέα, γ- γ- ΕΙΝΑΙ ο Ρυθμός διάσπασης κοιλότητα φωτονίων, γ- ΕΙΝΑΙ ο Ρυθμός ανασυνδυασμού Φορέας, α ΕΙΝΑΙ ο αυξητικός Συντελεστής Πλάτος γραμμής, ΚΑΙ μ ΕΙΝΑΙ Το κανονικοποιημένο ρυθμό άντλησης. Εδώ υποθέτουμε ένα γραμμικά πολωμένο εκπομπή έξω από, και την ίδια κατάσταση της έγχυσης έγχυσης σε ένα λέιζερ με απουσία ανισοτροπιών πόλωσης. Η αύξηση της έντασης του εκπεμπόμενου πεδίου Ε της Εξ. ( 1) Οδηγεί σε μείωση της πυκνότητας φορέα Ν

\dot{E} = 0

\dot{N} = 0

Σε γενικές γραμμές, ο σχεδιασμός των εξελιγμένων κυκλωμάτων απαιτεί μια αρχή λειτουργίας που μπορεί να περιγραφεί με απλή και σύντομη διατύπωση. Για παράδειγμα, οι ψηφιακές ηλεκτρονικές κυκλώματα είναι κανονικά εκφρασμένες με Boolean αλγεβρα που επιτρέπει την ορθολογική χειραγώγηση και τη χρήση των βιβλιοθηκών στο σχεδιασμό σύνθετων κυκλωμάτων. Για το σκοπό αυτό σκοπίμως εκφράζουν την περιγραφόμενη προσέγγιση προσέγγισης των λέιζερ εγχύσεως-κλειδωμένη με μια λειτουργία κανονικοποίηση ως

y = p \frac{x}{‖ x ‖},

(3)

όπου χ και y είναι πολύπλοκες πλάτος των κύριων και δευτερευόντων ηλεκτρικών πεδίων, αντίστοιχα; και ρ είναι μια αδιάστατη συντελεστή ενίσχυσης που καθορίζεται από την υποτελή μονάδα. Το Σχήμα 1α απεικονίζει σχηματικά πλάτη ενός κύριου (μπλε γραμμή) και ένα ασθενώς-συζευγμένο υποτελών (κόκκινη γραμμή). Μετά από μια διαταραχή, το πλάτος του υποτελούς επιστρέφει σε ένα σταθερό ενώ η φάση παραμένει κλειδωμένη με τον κύριο. Η λειτουργία κανονικοποίησης μπορεί να γίνει περαιτέρω στη λειτουργία Signum (βλέπε εικόνα 1β ) εάν η φάση του κύριου ισούται με ένα ακέραιο από π .