延迟光逻辑门 |
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| 申请号 | CN200780101813.8 | 申请日 | 2007-12-26 | 公开(公告)号 | CN101884181B | 公开(公告)日 | 2013-05-29 |
| 申请人 | 仁荷大学校产学协力团; | 发明人 | 咸炳承; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种使用至少一个包括非线性光介质的延迟光路由器来操作 逻辑 门 的方法，其中非线性光介质包括：两个紧密间隔的基态，使得所述两个基态之间的跃迁被偶极子禁止；以及激发态，使得允许在所述两个基态之间经由所述激发态产生两 光子 跃迁，该方法包括：使用慢光(S)和非简并四波混频 信号 (D)中的至少一个作为布尔代数的结果；其中，通过将对应于在两个基态中的第一基态和激发态之间的第一跃迁的第一 频率 的第一 激光束 (P)以及对应于在两个基态中的第二基态和激发态之间的第二跃迁的第二频率的第二激光束(C)施加于非线性光介质来产生慢光(S)；以及通过将第一频率的第一激光束(P)、第二频率的第二激光束(C)和对应于第二跃迁的第三频率的第三激光束(A)施加于非线性光介质来产生非简并四波混频信号(D)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种使用至少一个包括非线性光介质的延迟光路由器来操作逻辑门的方法，其中非线性光介质包括：紧密间隔的两个基态，使得所述两个基态之间的跃迁被偶极子禁止；以及激发态，使得允许在所述两个基态之间经由所述激发态产生两光子跃迁，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 延迟光逻辑门技术领域背景技术[0002] 在电子晶体管中，开关时间由载波通过门电路的传输时间来确定，其中晶体管门电路的尺寸在最近三十年一直在减小。这被称为摩尔定律并已取得成功。当今的硅半导体技术正移植到光子学中，并且这种趋势被称为硅光子学。在光纤通信中，大多数光器件通过电流或电压来控制，其中控制电路是基于硅的电子器件。但是，电子器件比光学器件慢得多。这样，电光器件的速度约束在于电子器件。近来，引入了量子开关和光子逻辑门来克服交换技术中的这种限制：B.S.Ham，美国专利6628453(2003)；B.S.Ham，PCT专利，提交号PCT/KR2007/001130(2007)。 [0003] 另一方面，在光纤通信中，光交换技术针对更快的交换部件而快速发展。在该光电子领域，电子对应部本身在速度上落后。这样，所有光交换器件的整体性能降低。显然，基于计算机的电光器件在电子器件上具有速度约束。 [0004] 为了克服光学器件和电子器件的这种不平衡，引入了缓冲技术。该缓冲方法是：针对相对慢的电子部件，按需延迟快速光数据业务。因此期望可调整的缓冲存储器技术。遗憾的是，全光有源缓冲存储器还未实现。而提出的大部分想法、发明或器件是无源的，如使用硅波导上的环形谐振腔和光缆束。 [0005] 众所周知，谐振两色电磁场可以引起由三个或更多能级构成的非线性光学介质中的折射率变化。在由两个紧密间隔的基态构成的三级光系统中折射率变化不仅可以导致线中心的吸收相消，还导致基级上的两光子相干激发。这种现象称为光密介质环境下的暗共振或电磁诱导透明(EIT)现象：S.E.Harris，Phys.Today，Vol.50(No.7)，p.36(1997)；Phys.Rev.Lett. Vol.62，pp.1033-1036(1989))。由于EIT修改了光介质的吸收光谱，所以还需要通过克拉默斯-克勒尼希关系来修改介质色散。修改后的色散分布直接影响移动光脉冲通过光介质的群速率。这就是所谓的慢光现象。近来，慢光现象已经在冷原子(Hau et al.，Nature Vol.397，pp.594-598(1999))、缺陷固体(B.S.Ham et al.Phys.Rev.Lett.Vol.88，p.236024(2002))、s光纤耦合谐振腔(Totsuka et al.，Phys.Rev.Lett.Vol.98，p.213904(2007))，以及半导体(Wang et al.，Opt.Lett.Vol.29，pp.2291-2293(2004))中被观察到。 [0006] 光路由器是一种交换器件，用于基于或不基于相同频率将光信号转换成不同传播方向的另一个光信号。光路由器是光交换机的子范畴，通常用于将光信号分、插、复用或转换为另一个光信号。在光纤通信中，随着要求更多的数据业务，需要更大的信息带宽。在这种情况下，显然期望更宽带宽的光交换机。到目前为止，光交换的速度已经超过了60GHz，这比奔腾CPU快得多。这样，为了一些数据处理的目的，更经常地在光纤通信线路中的数据业务需要被暂时延迟。显然，光缓冲存储器变为光数据处理单元的基本部件。 [0007] 已经提出了延迟光路由器。根据延迟光路由器，慢光被用于通过非简并四波混频处理来进行路由。这样，延迟光路由器能够将输入数据延迟至群延迟时间，该群延迟时间是可以通过调整图1中的耦合光强度C来控制的延迟时间：Ham et al.，Physical Review Letters，Vol.88，p.236024(2002)。 发明内容[0008] 本发明的主要目的是提供一种用于延迟光逻辑门的方法和装置。该延迟光逻辑门的主要特征在于：逻辑运算基于慢光以及非简并四波混频处理，其中慢光在基态上激发量子相干，并且该量子相干通过波混频处理而被恢复成光子分量。这里，应该注意到，减速因素根本不会降低整体数据业务速率，因为在延迟光交换机/路由器两边的数据业务速率应该相同。这意味着在本发明中交换/路由带宽相对于减速因素来说是不变的。而且，慢群速率是由于EIT或相干布居振荡导致的介质的色散修改的直接结果(Boyd et al.，Science Vol.301，pp.200-202(2003))。因此，本发明的延迟 光逻辑门的光延迟时间是可以主动控制的。实际上，这种减速功能是光缓冲存储器的主要功能。因此，本发明的延迟光逻辑门也包括光缓冲存储器的功能。 [0009] 为了更好地理解延迟光逻辑运算，需要仔细研究进入的光数据业务在用于该延迟光逻辑门的非线性光介质的接口处是如何表现的。在非线性光介质的前接口处，入射的数据业务取决于群速率而减慢。更具体地说，入射到延迟光路由器的光介质的光脉冲包络的前部开始在空间和时间上被压缩，直到该脉冲包络的后端进入该介质中。压缩的光脉冲现在通过介质低速传播，直到该光脉冲到达介质的后端。这里，应该注意到，即使传播速率很大不同，进入非线性介质的连续光脉冲在接口处也不会彼此碰撞。当光脉冲离开介质后端时，光脉冲包络的前部现在开始以非常高的速度向前传送，直到脉冲包络的后端离开该介质。因此，数据业务速率在延迟光逻辑门的两边是不变的。 [0010] 在本发明的延迟光逻辑门中，要求全光延迟方式的几种布尔逻辑门：非、或、或非、异或、与和与非。本发明的主要目的是提供一种用于基于慢光和非简并四波混频处理的延迟光逻辑门的方法和装置。 [0011] 延迟光逻辑门具有可以使用慢光现象来动态控制进入的信号光的延迟时间的功能，其中，逻辑门的延迟时间可以通过调整另一耦合光强度以影响慢光的群延迟来控制。每个信号光脉冲的交换时间限于光非线性介质的相位衰减时间(B.S.Ham，Applied Physics Letters，Vol.85(No.6)，pp.893-895(2004)；Physical Review B，Vol.68(No.7)，pp.023811(2003)；美国专利No.6628453)。但是，延迟光逻辑门的带宽或整体选通速度是慢光的群延迟的不变量，因为用于延迟光逻辑门的非线性介质两边的“IN”和“OUT”的带宽相同。本发明的延迟光逻辑门的主要优点是对于慢的电子器件使其处理能力易于接受高速光数据速率来说有用的数据延迟时间的可控性。 [0012] 简而言之，本发明的延迟光逻辑门系统由通过非线性光介质构成的多重连接的延迟光路由器以及相干光脉冲来提供。延迟光逻辑门的非线性光介质由至少三个能级构成。这三个能级中的两个应该在基态上紧密间隔，而第三个能级应该是激发态。激光C和A的频率取决于目的而相同或不同：参见图1。光脉冲A被用来控制非简并四波混频处理以产生输出脉冲D。非简并四波混频输出D可以被用作至第二非线性介质的输入，以配置本发明的延迟光逻辑门。在图1中，输出S是输入光P的慢光。根据非简并四波混频处理，S和D是可替选的。每个光脉冲可以通过光波导、自由空间或表面等离子体激光光波导(plasmon optical waveguide)来引导。光波导不是本发明的部分。通过连接两个或更多个延迟光路由器，本发明的延迟光逻辑门执行布尔逻辑：非、与非、与、或、异或和或非。延迟光逻辑门可以应用于可量测的目的。两个延迟光逻辑门之间的传输时间可以被忽略，这是因为光脉冲基本上以光速运动。 [0013] 为了实现上述这些和其它优点以及根据本发明的目的，本说明书提供了一种使用至少一个包括非线性光介质的延迟光路由器来操作逻辑门的方法，其中非线性光介质包括：两个紧密间隔的基态，使得所述两个基态之间的跃迁被偶极子(dipole)禁止；以及激发态，使得允许在所述两个基态之间经由所述激发态产生两光子跃迁，该方法包括： [0014] 使用慢光(S)和非简并四波混频信号(D)中的至少一个作为布尔代数的结果， [0015] 其中，通过将对应于在两个基态中的第一基态和激发态之间的第一跃迁的第一频率的第一激光束(P)以及对应于在两个基态中的第二基态和激发态之间的第二跃迁的第二频率的第二激光束(C)施加于非线性光介质来产生慢光(S)；以及通过将第一频率的第一激光束(P)、第二频率的第二激光束(C)和对应于第二跃迁的第三频率的第三激光束(A)施加于非线性光介质来产生非简并四波混频信号(D)。 [0016] 本说明书还提供一种使用至少一个包括非线性光介质的延迟光路由器来操作逻辑门的方法，其中非线性光介质包括：两个紧密间隔的基态，使得所述两个基态之间的跃迁被偶极子禁止；以及激发态，使得允许在所述两个基态之间经由所述激发态产生两光子跃迁，该方法包括：a)将对应于在所述两个基态中的第一基态和所述激发态之间的第一跃迁的第一频率的第一激光束(P)施加于所述非线性光介质；b)将对应于在所述两个基态中的第二基态和所述激发态之间的第二跃迁的第二频率的第二激光束(C)施加于非线性光介质；c)将对应于在所述两个基态中的第二基态和所述激发态之间的第二跃迁的第三频率的第三激光束(A)施加于所述非线性光介质；d)调整所述第二激光束(C)的强度以产生慢光(S)，其中所述慢光(S)对应于所述第一激光束(P)的群速率降低；e)调整所述第一激光束(P)、所述第二激光束(C)和所述第三激光束(A)的强度中的至少一个，以产生对应于两光子相干激发的频率的非简并四波混频信号(D)，其中所述慢光(S)响应于所述非简并四波混频信号(D)的产生而消失；以及f)使用所述产生的慢光(S)和所述非简并四波混频信号(D)中的至少一个作为逻辑门的结果。 [0017] 本说明书还提供一种用于光逻辑门的装置，包括： [0018] 至少一个延迟光路由器，该延迟光路由器包括至少一个非线性光介质，其中非线性光介质包括：两个紧密间隔的基态，使得所述两个基态之间的跃迁被偶极子禁止；以及激发态，使得允许在所述两个基态之间经由所述激发态产生两光子跃迁； [0019] 至少一个端口，用于输出光逻辑门的结果， [0020] 其中该结果被表示为慢光和非简并四波混频信号(D)中的至少一个或多个， [0021] 通过将对应于在两个基态中的第一基态和激发态之间的第一跃迁的第一频率的第一激光束(P)以及对应于在两个基态中的第二基态和激发态之间的第二跃迁的第二频率的第二激光束(C)施加于非线性光介质来产生慢光(S)；以及 [0022] 通过将第一频率的第一激光束(P)、第二频率的第二激光束(C)和对应于第二跃迁的第三频率的第三激光束(A)施加于非线性光介质来产生非简并四波混频信号(D)。 [0023] 根据以下结合附图对本发明的详细描述，本发明的前述和其它目的、特征、方面以及优点将变得更加明显。 附图说明[0024] 附图示出了本发明的几个实施例，其与描述一起用于解释本发明的原理。这些附图仅用于说明本发明的优选实施例的目的而不被解释成限制本发明。 [0025] 图1(a)示出了本发明的延迟光逻辑门(非)的框图。图1(b)示出了光脉冲序列。104(S)和105(D)之间的关系是切换开关。 [0026] 图2(a)示出了本发明的延迟光逻辑门的能级图；图2(b)示出了针对102(C)和103(A)之间的时间延迟方案的光的传播方案。 [0027] 图3(a)示出了慢光S，图3(b)示出了基于非简并四波混频处理：延迟光交换/路由的路由后的光D。输出光S和D的空间方向通过图1中 的输入光P、C和A的相位匹配条件来确定。 [0028] 图4示出了本发明的延迟光逻辑门(或非)的示意图。字母DR代表由图1中的非线性光介质106构成的延迟光路由器，其通过用于激光束P、C1、A、C2、B、S、D、X和Y的光波导、自由空间或等离子体激光光波导来连接。 [0029] 图5示出了本发明的光子逻辑门(与)的示意图。字母DR代表由图1中的非线性光介质106构成的延迟光路由器，其通过用于激光束P、C1、C2、A、B、S、D、X和Y的光波导、自由空间或等离子体激光光波导来连接。 [0030] 图6示出了本发明的延迟光逻辑门(与非/或)的示意图。字母DR代表由图1中的非线性光介质106构成的延迟光路由器，其通过用于激光束P、C1、C2、S、D、S1、D1、S2、D2、X和Y的光波导、自由空间或等离子体激光光波导来连接。 [0031] 图7示出了本发明的延迟光逻辑门(或非/异或/与)的示意图。字母DR代表由图1中的非线性光介质106构成的延迟光路由器，其通过用于激光束P、C0、C1、C2、A、B、S、D、S1、D1、S2、D2、X、Y和Z的光波导、自由空间或等离子体激光光波导来连接。 具体实施方式 [0032] 为了更好地进行理解，现在参考示出了本发明的优选实施例的附图。 [0033] 图1(a)示出了作为基本构建块用于本发明的延迟光逻辑门的延迟光路由器。 [0034] 图1(a)描述了使用单个延迟光路由器的延迟光逻辑门(非)。字母P、C、A、S和D分别代表在不同传播方向kP、kC、kA、kS和kD的光脉冲。从101到105的数字代表用于激光束的光以及物理信道(如光波导或自由空间)。数字106代表非线性光介质。根据延迟光路由器(将在下文对其进行解释)，每当逻辑输入光A(103)切换为ON(开)，输出S(104)总是OFF(关)，并且反之亦然。这里，应该注意到，如果光C的频率与光A不同，则光C可以是连续的。表1示出了图1中作为结果的布尔代数“非”：光C总是ON。同时，图1(b)示出了脉冲序列。 [0035] 表1 [0036] 【表1】 [0037]P A S(非) D 1 0 1 0 1 1 0 1 [0038] 图2示出了图1的非线性光介质106的能级图。较低的两个紧密间隔的能级是由大部分原子或稀土掺杂晶体的超精细分裂产生的。图2的能级结构还可以在使用重空穴和轻空穴以便于激子(exciton)跃迁或带电激子(trion)跃迁的半导体量子阱或量子点中容易地获得。图1的非线性光介质106具有三个能态：|1＞、|2＞和|3＞或四个能态：|1＞、|2＞、|3＞和|4＞，其中能级|4＞是虚拟或真实的。图2的能态|3＞在能量上高于|1＞和|2＞。实际上，图1的非线性光介质106可以具有三个以上的能级，但只有所提及的图2中示出的能级有助于本发明的光子逻辑机制。 [0039] 在频率ωD处输出光D通过非简并四波混频处理来产生，其中三个激光相互作用P、C和A分别在频率ωP、ωC和ωA处与非线性光介质相关。 [0040] 类似地，在频率ωS处输出光S通过由于修改的吸收光谱或色散光谱导致的电磁诱导透明(EIT)或相干布居振荡(CPO)而产生：Refer S.E.Harris，Physical Review Letters，Vol.64，pp.1107-1110(1991)for EIT，以及R.Boyd et al.，Science Vol.301，pp.200-202(2003)for CPO。 [0041] 光的传播方向在图2(b)中示出，并分别通过相位匹配条件来确定：kD＝kC-kP+kA。这里，非简并四波混频的产生由于暗共振或EIT而被大大增强：Harris in Physical Review Letters，Vol.64，pp.1107-1110(1991)；Jain et al.in Optics Letters Vol.18，pp.98-101(1993)；Ham et al.in OpticsLetters，Vol.22，pp.1138-1140(1997)。针对非简并四波混频处理、使用原子气体的信号放大和高转换效率也分别被Hemmer at al.in Optics Letters，Vol.20，pp.982-984(1995)和Jain et al.in Physical Review Letters，Vol.77，pp.4326-4329(1996)以试验方式证明。离子掺杂固体中的非简并四波混频处理的高转换效率也被Ham et al.in Physical Review A，Vol.59，pp.R2583-2586(1999)以试验方式阐明。非简并四波混频处理的增强是基于分别由于相消和相长量子干涉而产生的减小的一阶线性极化率(susceptibility)和增强的三阶非线性极化率。 [0042] 为了显示输入信号光P和非简并四波混频输出光D之间的更加详细的关系，应该理解相干映射。参见图2中的相干激发，需要讨论密度矩阵 p。密度矩阵一直是显示系统宏观整体的有用工具：Quantum optics，Cambridge University Press，New York，N.Y.(1997)，Edited by Scully andZubairy。 [0043] 在图2(a)中，两个激光束C和P可以通过受激态|3＞在跃迁|1＞-|2＞上诱导双光子相干p12。如果包含暗共振或EIT，则双光子相干被大大增强。这里，暗共振或EIT是相同的物理现象，但是术语EIT来源于吸收相消，因此谐振电磁场能够通过光学上的厚介质而不经历任何吸收。当相干光A在进行针对EIT的相互作用之后与非线性光介质相互作用时，如果D的频率与C的频率相同，则可以获得朝向光P的双光子相干或暗共振：Ham et al.Opt.Lett.Vol.22，pp.1138-1140(1997)。由于耦合光C改变了图1的非线性光介质106的折射率，所以色散分布也被改变，使得信号光P的群速率可以被降低：Hau et al.，Nature Vol.397，pp.594-598(1999)和B.S.Ham et al.，Phys.Rev.Lett.Vol.88，p 236024(2002)。该慢光由S来表示。光P和S的光传播矢量彼此相同。 [0044] 基于图2，图3(a)示出了在Pr3+:YSO中观察的慢光S，图3(b)示出了在Pr3+:YSO中观察的路由后的光D。这证明了延迟的非简并四波混频信号D以及延迟光S可以用于延迟光路由。E-P(E-A)代表P(A)的电参考。 [0045] 图4(a)描述了延迟光逻辑门，即或非门，其中，两个延迟光路由器串联连接。这里，左侧(第一)延迟光路由器(DR1)的输出S被馈入右侧(第二)延迟光路由器(DR2)作为输入光(参见图1中的P)。来自DR1的A(402)和来自DR2的B(407)这两个逻辑输入光执行光逻辑输入并在输出X(410)产生布尔代数“或非”。表2示出了通过结合两个逻辑输入A(402)和B(407)而在输出X(406)产生的布尔代数“或非”。图4(b)示出了脉冲序列。 [0046] 表2 [0047] [表2] [0048]P A B S D X(或非) Y 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 [0049] 图5(a)示出了延迟光逻辑门，即与门，其中该逻辑门由两个串联连接的延迟光路由器构成。这里，左侧延迟光路由器DR1(502)的输出D(506)被馈入右侧延迟光路由器DR2(507)作为输入P(参见图1中的P)。来自DR1的A(503)和来自DR2的B(508)这两个逻辑输入光的结合产生布尔代数“与”至输出Y(511)。表3根据两个逻辑输入A(503)和B(508)示出了出现在输出Y(511)的作为结果的布尔代数“与”。图5(b)示出了脉冲序列。 [0050] 表3 [0051] [表3] [0052]P A B S D X Y(与) 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 [0053] 图6(a)示出了延迟光逻辑门，即与非/或门。该系统由并联连接的两个延迟光路由器构成，其中输入光P(601)被共享。来自上部延迟光路由器DR1的输出S1(605)和来自下部延迟光路由器DR2的S2(610)被结合在一起以引导逻辑输出X(612)。输出D1(606)和D2(611)被结合以引导逻辑输出Y(613)。信号光P(601)通过光分路器/组合器如Y分支器或光束分离器而被分成两个分量。在两个输入A(603)和B(608)的作用下，输出逻辑X(612)和Y(613)分别执行布尔逻辑运算“与非”和“或”：参见表4。图6示出了脉冲序列。 [0054] 表4 [0055] [表4] [0056]P A B S1 D1 S2 D2 X(与非) Y(或) 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 [0057] 图7(a)示出了延迟光逻辑门，即，或非/异或/与门。该系统由三个延迟光路由器构成，它们之中的两个光路由器与第三个光路由器连接。延迟光路由器DR0的每个输出S(705)和D(706)分别被用作延迟光路由器DR1和DR2的输入。DR1的输出S1(709)被用作逻辑输出X。输出D1(710)和S2(715)被结合在一起以引导逻辑输出Z(717)。DR2的输出D2(716)被用作逻辑输出Y。存在两个逻辑输入A(702)和B(708，712)，其中A用于DR0，B用于DR1和DR2。如在表5中所见，两个逻辑输入A和B同时在输出X执行布尔代数“或非”，在输出Z执行“异或”，在输出Y执行“与”。图7(b)示出了脉冲序列。 [0058] 表5 [0059]S A B S D X D1 S2 Y X(或非) Y(与) Z(异 或) 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 [0060] 虽然本发明可以体现为若干形式而不脱离本发明的精神或本质特征，但是也应该理解，上述实施例并不限于前面描述的任何细节(除非另有说明)，而是应该在如所附权利要求中限定的本发明的精神和范围内广泛解释，因此，落在权利要求的界限内或该界限的等同物内的所有改变和修改旨在被所附权利要求包含。 |
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