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1、9.1 9.1 光计算机概述光计算机概述9.2 9.2 光计算机基本原理光计算机基本原理9.3 9.3 激光激光通信通信9.4 9.4 光量子计算机光量子计算机习题习题9 9 光计算机光计算机（Optical Computer），也叫光子计算机光子计算机（Photon computer）、全光数字计算机全光数字计算机，是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。上个世纪40年代，现代电子计算机之父冯诺依曼就考虑过使用光学元件实现数字计算的可能性，但是由于当时光学的技术十分落后，他最终也就没能往这个方向做深入的研究。根据其原理，不难总结出光计算机有以下特点：（1）光子不带电
2、荷（2）光子没有静止质量（3）光子并行运算速度高（4）超大规模的信息存储容量（5）能量消耗小，散发热量低数字光计算数字光计算是指以光学手段实现数字运算的软件和硬件的通称。技术路线上以列阵光学非线性器件为基础，构想通用性或专用性全光学计算机。光计算机的体系结构包括以下主要组成部件：（1）光学双稳和开关器件（2）光学数字处理器（3）并行处理体系结构（4）光学互连网络（5）数字光计算的支撑硬件（6）图案变换并行光逻辑（7）光电混合信息处理（1）透镜的傅里叶变换性质图9.1 光学傅里叶变换实验装置示意图图中P0表示输入平面，P1表示傅里叶变换平面，它们的坐标分别为 和 ，物体位于透镜L的前方，与透镜之
3、间的距离为 ，那么在单位振幅的平面光波垂直照射下，P0后表面的光场的复振幅分布可表示如下：（2）Vander Lugt匹配滤波相关识别如果一个滤波器的振幅透射系数 与输入信号的频谱 共扼，则这种滤波器称为匹配滤波器匹配滤波器。设滤波器的振幅透射系数为 ，则有：由式（9.5）可见，当用原输入信号的频谱照射该匹配滤波器时，透过滤波器的光场分布正比于FF*，这个量完全是一个实数。也就是说，透过滤波器后的光场是平面光波。该平面光波通过透镜L2之后将会聚在后焦面上形成一个亮点。图9.2 匹配滤波器示意图基于匹配滤波器的相关器也称作Vander Lugt匹配滤波相关器(Vander Lugt Correl
4、ator，缩写为VLC)。原理如图9.3所示：图9.3 Vander Lugt匹配滤波相关识别示意图它是根据自相关理论和透镜、相干光的傅里叶变换特性完成对目标图像g(x0, y0)和参考图像r(x0, y0)的相关运算。目前在该研究方向上最成功的实例是三值光学计算机系统，它以“传输时稳定，而易于用简单器件改变的物理状态适合于光学计算机”来选择光状态。2007年，上海大学建成的360位三值光学计算机原理研究实验系统，显示了光学计算机数据位数众多的优势。百位三值光学计算机原理研究实验箱激光通信是利用激光进行信息传输的通信方式，按不同传输媒介可分为自由空间激光通信和光纤激光通信。光纤通信（Fiber
5、 Optic Communications）的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。1966年，美籍华人高琨（Charles Kuen Kao）等预见了低损耗的光纤能够用于通信，被称为“光纤之父”。2009年，76岁的高琨因“开创性的研究与发展光纤通讯系统中低损耗光纤”而获得诺贝尔奖。技术优势：（1）频带极宽，传输容量大（2）损耗低，中继距离长（3）抗电磁干扰能力强（4）光纤重量轻，节约有色金属（5）保密性能好1977年，美国芝加哥市两个相距7千米的电信局之间进行了数字光纤通信传输试验，采用铝镓砷半导体激光器光源和硅材料光电探测器，光纤工作波长850nm，速率44.736Mb/s，衰减为2.54
6、dB/km，成为第一代光纤通信的标志。1980年，进入了工作波长在1310nm、使用多模光纤传输的第二代光纤通信时代。1983年实现了使用单模光纤在1310nm波长传输的第三代光纤通信。20世纪80年代后期，进入了使用单模光纤在1550nm波 段 上 传 输 的 第 四 代 光 纤 通 信 阶 段 。 波 分 复 用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）在光纤通信系统应用，使光纤通信进入了高速光纤通信阶段。自1995年以来，光纤通信的发展进入了第五代，其主要特征是采用了密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexin
7、g，DWDM）对光纤系统传输容量进行扩容。光纤通信则首先要在发射端将需传送的信号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收端，接收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成消息。图9.5 光纤通信系统 基本单元为三个部分：光发射机、光纤和光接收机。光发射机和光接收机也称为光端机，光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在。在光纤通信系统中还包括大量的有源、无源光器件。 信道容量与信道带宽之间的关系可由香农香农- -哈特利哈特利（Shannon-HartleyShannon-Hartley）定理）定理决定：式中，C为信道容量（单位为比特/秒，bps），B为信道带宽（单位为赫兹，Hz），SN
8、R是信号功率与噪声功率的比值，称之为信噪比信噪比（Signal Noise Ratio）。由（9.8）式可见，增加信道带宽可以有效地提高信道容量。光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成，而光源是光发射机的核心部件。常用的光源有发光二极管（Light Emitting Diode，LED）和激光二极管（Laser Diode，LD）两种。表9.1 LED与LD的比较项目项目LEDLEDLDLD发光原理发光原理自发辐射，荧光有谐振腔，激光调制速率调制速率较低，兆赫级较高，吉赫级输出光功率输出光功率几毫瓦，光效较低几十毫瓦，光效较高光谱宽度光谱宽度宽，非相
9、干光窄，色散小驱动电路驱动电路简单复杂温度影响温度影响小，温度特性较好大，温度特性较差寿命寿命长，维修少短，易损坏适用场合适用场合低速、短距离高速、长距离光纤是通信系统的传输介质，是由两种不同折射率的石英玻璃（SiO2）在高温下拉制而成的，基本结构包括纤芯、包层、涂敷层。其中内层为纤芯，作用是传输光信号；外层为包层，作用是使光信号尽可能封闭在纤芯中传输。为了将信号限制在纤芯中，必须在纤芯和包层的界面实现光的全内反射。图9.8 光纤的全反射 为此，要求纤芯的折射率比包层的折射率略大，在纤芯中掺入极少量的杂质（如GeO2）就可达到这个目的。设全反射的临界入射角为c，则由光学计算公式可知： 式中n1
10、，n2分别为纤芯和包层的折射率。图中c称为临界传播角，它是光线发生全反射时与光纤纵向轴线之间的夹角。 要保证光线在光纤内全反射，必须有传播角：按照传送光的模式的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤。 单模光纤单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)光在光纤内传输时只有一种模式，纤芯直径大约几个微米，用于长距离干路传输，通常使用波长为1310nm或1550nm的光进行传输。 多模光纤多模光纤(Multi Mode Fiber，MMF)光在光纤内传输时有一种以上模式，一般有效传输距离在2公里以内。通常使用波长为850nm或1300nm的光进行传输。根据折射率径向分布不同，可分为渐变光纤和
11、突变光纤。 渐变光纤渐变光纤(Graded Index Fiber，GIF)纤芯折射率nl随半径增加而按一定规律逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2，适用于中容量中距离通信。 突变型突变型光纤光纤(Step Index Fiber，SIF)突 变型光纤纤芯折射率保持常数，而在纤芯与包层的界面折射率发生突变。图9.9 模拟光接收机光接收机的主要作用是将接收到的微弱光信号转变为电信号，放大并处理，恢复为原来的形式。光接收机由光电检测器、放大器、信号恢复电路等相关电路组成。根据应用不同，光接收机又分为模拟光接收机和数字光接收机。图9.10 光放大器的原理光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤
12、的衰减特性而减弱，从而使传输距离受到限制。通常，对于多模光纤，无中继距离约为20多公里，对于单模光纤，不到80公里。为了使信号传送的距离更大，就必须增强光信号。光纤通信早期使用的是光-电-光再生中继器，需要进行光电转换、电放大、再定时脉冲整形及电光转换。（1）比特率假设输入光脉冲是宽度为T的矩形，到达接收端的延迟和展宽分别是和，为将相邻的两个脉冲分辨出来，要求它们间距不小于2。于是得到最大比特率的计算式为（2）传输距离f为光纤的损耗，单位为dB/km，包括熔接和连接损耗，Pout为光源最大平均输出功率，Prec为接收机探测器的最小平均接收光功率，两者单位均为mW。（3）通信容量光纤通信系统的通
13、信容量用比特率-距离积BL表示；通信容量也可以用带宽-距离积来表示，单位是MHzkm。光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）是美国国家标准学会制定的在光缆上发送数字信号的一组协议。虽然FDDI逻辑上是基于令牌环（Token Ring-Based）架构，但是却不是以IEEE 802.5协定为基础定义的，取而代之的是衍生自IEEE 802.4 Token Bus协定。FDDI是光纤数据在200公里内局域网内传输的标准，不但可以支持长距离传输，而且还支持多用户。FDDI用于环型网，以光缆作为传输介质，数据传输速率可达到100Mbit/s。FD
14、DI的技术规格有FDDI-I和FDDI-II，通常FDDI指的是前者。采用五类双绞线作为传输介质的FDDI，称为CDDI。FDDI使用双环令牌传递网络拓扑结构，两环方向相反（以两机来说，一条接收用，一条发送用。），可以在100公里以上的距离支持500台计算机。光纤传输除前面讲到的几何光学法，还有麦克斯韦（Maxwell）波动方程法。几何光学方法对光纤中光线的传播可提供直观的图像，但是对传输特性只是提供近似的结果。必须用电磁理论分析电磁场的分布性质，才能更准确地获得光纤的传输特性。表9.2 几何光学与波动理论 几何光学几何光学波动理论波动理论使用条件使用条件dd适用光纤适用光纤多模光纤单模和各种
15、光纤基本方程基本方程射线方程，粒子性波动方程，波动性研究内容研究内容光线轨迹模式分布从韦克斯韦方程组出发，电矢量与磁矢量分离，可得到只与电场强度E(x,y,z,t)有关的方程式，及只与磁场强度H(x,y,z,t)有关的方程式。设光纤为无损耗，传播的为角频率的单色光，电磁场与时间t的关系为exp(jt)，则波动方程为：以上两式为矢量的亥姆霍兹方程（Helmholtz equation），其中，k0为真空中的波数：可以得到波动理论方法的最基本方程，它是一个典型的本征方程：其中，为相移常数，也称为传播常数。通常将本征解定义为“模式模式”，相应的场为模式场模式场。量子也称为光子（photon），和牛顿
16、力学质点概念类似，光子具有能量和动量方面的特性，其含义是频率为、传播矢量为 单色光波，其能量和动量 是某一个值的整数倍，能量最小值正比于光频率 ，动量 最小值正比于波矢 。其中h称为普朗克常数普朗克常数（Plancks constant），2017年美国国家标准技术研究所（NIST）的研究者得出了普朗克常数的最精确测定，h=6.62606993410-34Js。称为约化普朗克常量约化普朗克常量或合理化合理化普朗克常量普朗克常量，或者狄拉克狄拉克常数常数，是角动量的最小衡量单位。kppk为了解释黑体辐射能量分布曲线，1900年12月，德国科学家普朗克提出了普朗克假设，明确包含了光能量不连续的量子
17、概念。所以黑体辐射是光量子最早实验证据。所谓黑体（Blank body）是一种假想的物体，这种物体能够完全吸收所有波长电磁辐射。相对于黑体，其它物体称为灰体（grey body）。普朗克假设普朗克假设：空腔中某模式（特定频率v）的电磁波，其能量为某一最小值的整数倍，如0, 1, 2, 3, , n, ，该最小值正比于光频率v。 最后得到单位频率间距内的能量频率分布：代入普朗克常数值时，上式给出的频率分布函数和实验曲线符合。普朗克把能量不能再分的最小能量称为量子量子（quantum）。1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）指出，普朗克的量子理论能够用来解释光电效应。所谓光电效应，
18、就是光照射到金属时，表面发射电子现象。光强一定时，光电流不再增加，而是达到一饱和值。饱和现象说明这时单位时间内从阴极逸出的光电子已全部被阳极接收了。实验还表明，饱和电流和光强I成正比。另外，当加速电压减小到零并逐渐变负时，光电流并不为零，仅当反向电压等于一个值时光电流才等于零，这个电压值Vc称为截止电压。不同金属有不同的极限频率，几种金属如表9.3所示。表9.3 几种金属的极限频率金属金属钨钨锌锌钙钙钠钠钾钾铷铷铯铯极极限限频率频率v v0 0/10/101414HzHz10.95 8.065 7.73 5.535.445.15 4.69逸出功逸出功WW0 0/eV/eV4.543.34 3.
19、20 2.292.252.13 1.94按照光子假说，并根据能量守恒定律，当金属中一个电子从入射光中吸收一个光子后，获得能量h，如果h大于该金属的电子逸出功W0，这个电子就能从金属中逸出。这就是爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程，式中 是光电子的最大初动能。图9.13 康普顿散射实验 光量子另一个实验证据是康普顿散射。1923年，美国物理学家康普顿（Arthur Holly Compton）观察X射线经过物质散射后的光的角度分布，实验结果发现光子除了能量外，光子还有动量。图9.15 光的双缝实验 黑体辐射和光电效应揭示了光子能量与频率的关系，康普顿效应则进一步揭示了光子动量与波长的关系。
20、但是，后来量子力学和量子光学的发展，表明光的量子特性和光微粒学说有本质不同光具有波粒二象性。2017年5月3日，中国科学技术大学潘建伟院士在上海宣布，中国科研团队成功构建了光量子计算机，十个超导量子比特纠缠首次成功实现，首次演示了超越早期经典计算机的量子计算能力。 中科大研究团队与德国海德堡大学合作，首先把超冷铷原子的玻色爱因斯坦凝聚态装载到三维光晶格中的一层，进一步蒸发冷却原子到低于10纳开（比零下273.15摄氏度高1亿分之一摄氏度）的超低温，并实现了这层二维晶格中的超流态到莫特绝缘态的量子相变，从而获得了每个格点上只有一个原子的人工晶体。9.19.1，9.29.2Thank you!Thank you!