[發明專利]可重構的動態全光混沌邏輯門

有效

• 申請號: 201710236019.X
• 申請日: 2017-04-12
• 公開（公告）號: CN107065392B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 鐘東洲;許葛亮;羅偉;肖珍珍
• 申請（專利權）人: 五邑大學
• 主分類號: G02F3/02
• 分類號: G02F3/02;H04L9/00
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 董芙蓉

本發明涉及光子設備領域，尤其是可重構的動態全光混沌邏輯門，包括可調諧分布反饋式激光器、光分束器、垂直腔表面發射激光器、光隔離器、偏振分束器、第一減法器、第二減法器。本發明提供的可重構的動態全光混沌邏輯門，實現了全光混沌邏輯門運算及各邏輯門運算間的轉換，具體能夠實現“與”門、“與非”門、“或”門、“或非”門、“異或”門、“同或”門運算及其間的相互轉換，可重構的動態全光混沌邏輯門可推廣應用到全光數字混沌組合邏輯運算。

技術領域

本發明涉及光子設備領域，尤其是可重構的動態全光混沌邏輯門。

背景技術

混沌吸引子是無數個不穩定周期軌道的集合,混沌吸引子的豐富動力學行為是各態歷經的,這表明在混沌系統的時間演化過程中,系統可以到達嵌入在混沌吸引子內部的任何不穩定周期軌道鄰域內的每個點，混沌系統為控制和利用混沌提供了這樣一種靈活性,即通過利用嵌入到非線性動力系統中豐富的模式執行邏輯計算功能,如實現基本的邏輯門。混沌計算能夠提供一個新的重構數字邏輯計算方案。通過系統參數輕微改變，混沌系統可以在不同邏輯門之間的轉換，從而實現一個動態的邏輯計算體系結構。這里，在邏輯計算過程中，系統結構本身發生動態改變。與傳統邏輯器件(如數字電路邏輯器件，光電邏輯器件，全光邏輯器件)相比，混沌邏輯計算器件有著更加安全性，更加靈活，更低的功率代價。

目前，許多理論和實驗工作通過非線性電路混沌系統(Chua電路和Logistic電路)實現了基本邏輯計算(如AND，NAND，OR，XOR，NOR，NOT)。例如，基于Logistic映射，通過設計三個閾值，并對輸出信號采用不同模擬-邏輯映射關系，可以構建動態邏輯門；基于兩個互補的JFET構成的離散的混沌迭代系統，可以實現NOR、NAND、AND、OR和XOR五種邏輯運算；利用非線性電路的驅動-響應混沌同步系統，可以實現混沌邏輯計算。

與電路混沌邏輯計算相比，半導體激光混沌邏輯計算具有高速(頻率在GHz或THz范圍)，響應速度快，更高的安全性(更高的混沌維度)，更低的功率代價(更低的閾值電流)，它是未來光混沌網絡保密通信中的最為關鍵的技術。然而，對于基于半導體激光器非線性系統的混沌邏輯計算技術發展相對滯后，相關研究工作者對此方向的研究關注較小，處于剛剛起步的階段。光混沌信號的復用，解復用，交換，再生，存儲，計算等邏輯處理的必要條件是：具備低功耗和高速的全光數字混沌邏輯器件和時序邏輯器件。垂直腔表面發射激光器(VCSEL)作為一種微型的半導體激光器，相對于邊緣發射激光器，具有發散角度小，閾值電流低，單縱模工作，易于實現二維陣列，動態調制頻率高等優點。另外，這種激光器在泵浦電流注入，以及外部光注入和外部光反饋條件下，很容易導致兩個混沌偏振模轉換。這種偏振轉換比吸收和色散雙穩態有很更快的響應時間，有利于形成低功耗和高速的全光混沌邏輯門。在最近相關的報道中，使用光注入激光器中的偏振轉換和偏振雙穩態，不同類型的光電邏輯門以及全光邏輯門運算可以被獲得。例如，在自由運行的VCSEL系統中，邏輯輸入通過泵浦電流來編譯，邏輯輸出通過VCSEL發射的兩線性偏振光來解碼，可以得到隨機邏輯“或”門，“或非”門以及“與非”門；在相干光注入VCSEL中，邏輯輸入通過注入光強來編譯，邏輯輸出通過VCSEL發射的兩線性偏振光來解碼，可以獲得邏輯“與”門和“或”門；在可調諧光注入VCSEL中，邏輯輸入通過外部光頻率失諧來編譯，邏輯輸出通過激光器輸出的兩線性偏振光來解碼，可以實現全光隨機邏輯“或”門。

然而在上述的方法中，一些重要的參數(如泵浦電流，光注入能量和失諧的注入光)的輕微變化會改變輸出偏振的狀態。同時，由于偏振轉換的不穩定，導致了在上述方法中的邏輯門有很差的穩定性。另外，上述的激光混沌邏輯門的實現方案都是在靜態條件下實現的，并沒有充分利用激光混沌豐富的模式來實現可重構的動態混沌邏輯門。同時，上述的基本的邏輯門運算只能應用于組合邏輯光子設備，不能推廣應用到全光數字混沌組合(比特位)邏輯運算(如全光混沌加法器，譯碼器等)。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提供一種可重構的動態全光混沌邏輯門，在不同的時間段，通過改變頻率失諧與兩個邏輯輸入之間的邏輯運算，系統可以實現不同的邏輯功能之間的轉換。