[發明專利]一種對光信號執行微積分運算的裝置

有效

• 申請號: 201710445240.6
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN109033015B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 戴存禮;楊宏偉;趙志剛
• 申請（專利權）人: 南京農業大學
• 主分類號: G06F17/11
• 分類號: G06F17/11;G06F17/13
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種對光信號執行微積分運算的裝置由信號源1、微積分運算器2、信號接收器3組成。其特征在于：信號源1發出的光信號可以直接照射在微積分運算器2上，微積分運算器2利用材料的特殊物理性質(漸變折射率)和巧妙的結構實現對電場強度振幅和相位的調控，進而在光信號傳播過程中實現對輸入信號輪廓的一階導數、二階導數及積分運算，信號源1發出的信號輪廓和信號接收器3接收到的信號輪廓成數學微積分關系。

技術領域

本裝置利用材料的物理屬性和特殊結構在光信號傳播過程中實現對輸入信號振幅和相位的控制，從而實現對輸入光信號輪廓的微積分運算，屬于超材料領域。

背景技術

當前的微積分運算要靠微積分電路來實現。輸出電壓與輸入電壓成微分關系的電路為微分電路，通常由電容和電阻組成；輸出電壓與輸入電壓成積分關系的電路為積分電路，通常由電阻和電容組成。微積分運算電路廣泛用于計算機、自動控制和電子儀器中。但電路存在需要外加能源、會發熱、速度慢等缺點，為了適應信息化時代高速計算的需要，急需一種新的運算機制。

發明內容

本發明的目的正是為了解決上述微積分運算電路的不足，利用漸變折射率材料的性質，通過巧妙的結構，實現對輸入光信號輪廓的微積分運算。本裝置具有原理新穎、結構簡單、運算快速、無外加能源、沒有中間過程等優點。

本發明是通過以下技術方案實現的：

如圖1所示，該裝置由信號源1、微積分運算器2、信號接收器3組成。其特征在于：信號源1發出的光信號可以直接照射在微積分運算器2上，微積分運算器2在光信號傳播過程中實現對輸入信號的一階導數、二階導數及積分運算。該裝置利用材料的物理屬性(折射率)和結構尺寸實現對輸入光信號振幅和相位的控制，從而實現微積分運算。

本發明的有益效果是：該裝置結構簡單，信號處理速度快，無外加能源、適用范圍廣，在光子計算機、照片及圖像存儲、信號傳遞等方面有著廣泛的應用。

附圖說明

圖1是本發明一種對光信號執行微積分運算裝置的結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，該裝置由信號源1、微積分運算器2、信號接收器3組成。信號源1發出的光信號可以直接照射在微積分運算器2上，微積分運算器2的材料屬性和結構尺寸滿足一定的條件，不改變其它參數，只調節微積分運算器2中材料II的折射率就可以實現對輸入信號的一階導數、二階導數及積分運算，信號接收器3接收到的信號輪廓與信號源1發出的信號輪廓成數學微積分關系。

理論依據

如果光沿x軸正向在某一介質中傳播，該介質的折射率在y方向按的規律變化，這種材料稱為漸變折射率材料，其中η₁為y＝0處的折射率，η₂/η₁＝[π/(2Lg)]²，Lg為介質中傳播的距離。當光波在具有漸變折射率的材料中傳播時，漸變折射率材料將會在特征長度Lg上對電場進行傅里葉變換，利用該性質，可以設計具有微積分運算功能的超材料。如圖1所示，微積分運算器2由三層材料(I，II和III)組成，設入射的光信號波長為λ，且沿x軸正方向傳播，則三種材料x方向的尺寸分別為Lg＝11.619λ、Δ＝λ/3.012和Lg，y方向的尺寸均為W＝9.876λ。坐標原點位于左側中間。材料I和材料III的折射率滿足η_I(y)＝-η_III(y)＝η(y)，分別執行傅里葉變換和逆傅里葉變換，材料II執行的變換是微積分運算器2的核心變換，該變換命名為G(y)。當入射光信號的電場強度大小E(y)輸入到材料I的左端時，材料I右端輸出的將是E(y)的傅里葉變換，即其中代表傅里葉變換，傅里葉變量k_y與y屬于同一區域，所以k_y與y成正比。因為材料II執行的變換為G(y)，所以材料II的輸出函數為同時因為材料III執行逆傅里葉變換，所以最終出射端的函數應為若對輸入的電場強度實現導數運算，則有