三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器的信號(hào)判定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

左開中

(1．安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，安徽蕪湖241003;2．安徽師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與信息安全工程技術(shù)研究中心，安徽蕪湖241003)

1 引言

三值光學(xué)計(jì)算機(jī)［1－3］是一種光電混合巨并行數(shù)字計(jì)算機(jī)，其輸入信息需要從電信號(hào)表示轉(zhuǎn)換成光信號(hào)表示，而輸出信息需要從光信號(hào)表示轉(zhuǎn)換成電信號(hào)表示，前者由編碼器完成，后者由解碼器完成。三值光學(xué)計(jì)算機(jī)采用光波的無光態(tài)、一對(duì)正交線偏振態(tài)表示三值數(shù)字信息(例如:0，－1和1)。三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器的功能是自動(dòng)判定三值光學(xué)運(yùn)算器輸出三態(tài)光信號(hào)的物理狀態(tài)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，譯出加載在三態(tài)光信號(hào)中的三值數(shù)字信息。根據(jù)現(xiàn)有的光電子技術(shù)，可用光電轉(zhuǎn)換器將光波光強(qiáng)直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。但到目前為止，還沒有可直接將光波偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電器件出現(xiàn)。因此，判定光強(qiáng)與偏振態(tài)混合編碼的三態(tài)光信號(hào)的基本思想是將三態(tài)光信號(hào)分束，然后用光電轉(zhuǎn)換器將相應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。孫浩和嚴(yán)軍勇對(duì)1位和9位的三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器進(jìn)行了初步研究［4－5］，隨著三值光計(jì)算機(jī)實(shí)用化發(fā)展，迫切需要百位乃至千位以上三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器，本文對(duì)巨位數(shù)解碼器的關(guān)鍵問題三態(tài)光信號(hào)判定進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

2 三態(tài)光信號(hào)的判定原理

根據(jù)光波偏振態(tài)的斯托克斯矢量描述可知，光波的無光態(tài)、水平偏振態(tài)和垂直偏振態(tài)的斯托克斯矢量，歸一化后分別為:

因此，只要測量出一束三態(tài)光信號(hào)分別入射水平偏振片和垂直偏振片后透射光的光強(qiáng)IH和IV，根據(jù)就可檢測出入射三態(tài)光信號(hào)的斯托克斯矢量E為:

即:

(1)當(dāng)IH和IV均為0時(shí)，S0和 S1也均為0，該入射光信號(hào)為無光態(tài);

(2)當(dāng)IH為0且IV不為0時(shí)，對(duì)E歸一化后，由式(1)可知，該入射光信號(hào)處于垂直偏振態(tài);

(3)當(dāng)IV為0且IH不為0時(shí)，對(duì)E歸一化后，由式(1)可知，該入射光信號(hào)處于水平偏振態(tài);

(4)當(dāng)IV和IH均非0時(shí)，該三態(tài)光信號(hào)既不處于垂直偏振態(tài)也不處于水平偏振態(tài)。

三態(tài)光信號(hào)分別通過水平偏振片和垂直偏振片后，出射光的光強(qiáng)IH，IV與三態(tài)光信號(hào)物理狀態(tài)之間的關(guān)系如表1所示。

表1 光強(qiáng)與三態(tài)光信號(hào)物理狀態(tài)

3 三態(tài)光信號(hào)的判定方法

根據(jù)上述三態(tài)光信號(hào)判定原理，判定三態(tài)光信號(hào)物理狀態(tài)的關(guān)鍵問題是測量光強(qiáng)度IH和IV，測量IH和IV的方法主要有四種。

3．1 旋轉(zhuǎn)偏振片法

如圖1(a)所示，首先，旋轉(zhuǎn)檢偏器(偏振片)使其透光軸與x軸方向一致，利用光電轉(zhuǎn)換器測量出IH;然后，手工旋轉(zhuǎn)檢偏器使其透光軸與x軸方向垂直，測量出IV。

3．2 液晶調(diào)制法

如圖1(b)所示，假定檢偏器為垂直偏振片。

利用液晶的旋光性，并控制在一個(gè)光信號(hào)周期的前半個(gè)周期使液晶單元旋光，即將入射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°;而后半個(gè)信號(hào)周期使液晶單元不旋光，即不改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)。則在前半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，測量出IH;而在后半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，測量出IV。

3．3 分振幅法

如圖1(c)所示，首先，利用分束器(beam splitter，BS)將入射三態(tài)光信號(hào)分離為兩束線偏振光:透射光和反射光;然后，在透射光和反射光的傳播方向上分別放置水平偏振片和垂直偏振片;最后，用兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換器同時(shí)測量出IH和IV。

3．4 偏振分束法

如圖1(d)所示，根據(jù)偏振分束鏡PBS的基本原理，當(dāng)一束三態(tài)光信號(hào)B0入射偏振分束鏡后，若B0的偏振方向與水平偏振光Bh(或垂直偏振光Bv)的偏振方向一致時(shí)，出射光只有Bh(或Bv)一束，且Bh(或Bv)的光強(qiáng)度同B0的光強(qiáng)度相同。用光電轉(zhuǎn)換器Dh和Dv分別測量出IH和IV。

圖1 三態(tài)光信號(hào)的判定方法

4 三態(tài)光信號(hào)判定方法的選擇

上述四種三態(tài)光信號(hào)判定方法各有優(yōu)缺點(diǎn):

(1)旋轉(zhuǎn)偏振片法僅需一個(gè)檢偏器和一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)簡單，無需分光。但需要手工或機(jī)械旋轉(zhuǎn)偏振片，速度較慢;而液晶調(diào)制法、分振幅法和偏振分束法均不需要手工操作，實(shí)時(shí)性高。

(2)液晶調(diào)制法僅需一個(gè)液晶和一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)也較簡單，無需分光。但是，液晶像素需要電信號(hào)或光信號(hào)來控制其旋光，由于受液晶響應(yīng)時(shí)間的限制，相對(duì)于分振幅法和偏振分束法，速度較慢。

(3)旋轉(zhuǎn)偏振片法和液晶調(diào)制法需要分兩次分時(shí)測量IH，IV;而分振幅法和偏振分束法可同時(shí)測量IH，IV，速度較快。

因此，從測量速度來看，分振幅法和偏振分束法比旋轉(zhuǎn)偏振片法和液晶調(diào)制法更適合于三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器。分振幅法和偏振分束法相比較:

(1)分振幅法的優(yōu)點(diǎn):分束器和偏振片是比較常用的光學(xué)器件而且價(jià)格較低;其缺點(diǎn)是:①結(jié)構(gòu)比偏振分束法稍復(fù)雜;②需要分振幅而導(dǎo)致光強(qiáng)度減半。但只要初始光信號(hào)的強(qiáng)度較高，各分光束仍會(huì)有足夠的光強(qiáng)度區(qū)分無光態(tài)和有光態(tài)，就不影響三態(tài)光信號(hào)的判定結(jié)果。從前期完成的實(shí)驗(yàn)可以肯定這個(gè)條件很容易實(shí)現(xiàn)。

(2)偏振分束法的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單易于安裝，兩束正交線偏振光從不同通光出口出射;其缺點(diǎn)是:①偏振分束鏡的通光口徑較小，大約在5～50 mm之間，遠(yuǎn)小于三值光學(xué)計(jì)算機(jī)運(yùn)算器所用的液晶陣列和偏振片，兩者不易級(jí)聯(lián);②大口徑的偏振分束鏡非常昂貴。

因此，從性價(jià)比、易于同運(yùn)算器級(jí)聯(lián)以及工程實(shí)現(xiàn)性等因素綜合考慮，分振幅法判定法更適合于三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器。

5 分振幅式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)

根據(jù)三態(tài)光信號(hào)分振幅判定法，設(shè)計(jì)了一種分振幅式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 分振幅式三態(tài)光信號(hào)分束系統(tǒng)

分振幅式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)由三態(tài)光信號(hào)分束系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，其中:三態(tài)光信號(hào)分束系統(tǒng)由半反半透鏡M1、全反鏡M2、水平偏振片HP和垂直偏振片VP組成，實(shí)現(xiàn)將三值光學(xué)計(jì)算機(jī)運(yùn)算器輸出的三態(tài)光信號(hào)陣列TOS分離為水平偏振光信號(hào)陣列TOSH和垂直偏振光信號(hào)陣列TOSV;光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由透鏡L1和L2以及光電轉(zhuǎn)換器陣列PDAH與PDAV組成，用于測量水平偏振光信號(hào)陣列TOSH和垂直偏振光信號(hào)陣列TOSV的每束光信號(hào)對(duì)應(yīng)電信號(hào)值。根據(jù)表1，很容易判定入射解碼器的三態(tài)光信號(hào)的物理狀態(tài)。

6 運(yùn)算器鏡像式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)

輸入解碼器的三態(tài)光信號(hào)與光電轉(zhuǎn)換器陣列輸出電信號(hào)之間的準(zhǔn)確一一對(duì)應(yīng)是實(shí)現(xiàn)正確解碼的前提。

對(duì)上述討論的分振幅式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)而言，如果光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，光電轉(zhuǎn)換器陣列設(shè)計(jì)適當(dāng)，各器件安裝穩(wěn)固，那么，理論上通過光路調(diào)節(jié)和電路調(diào)試可實(shí)現(xiàn)三態(tài)光信號(hào)與電信號(hào)之間準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。

然而，在實(shí)際工程環(huán)境中，限于制造工藝和技術(shù)，系統(tǒng)中的各關(guān)鍵光學(xué)組件的參數(shù)均無法達(dá)到理想條件。例如，可能存在光學(xué)系統(tǒng)的信號(hào)空間傳輸方向上的誤差、光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)誤差、光學(xué)運(yùn)算器的液晶陣列像素與光電轉(zhuǎn)換器陣列的光電轉(zhuǎn)換單元間在大小、填充因子等方面的差異，這些因素都會(huì)導(dǎo)致液晶像素和光電轉(zhuǎn)換器光電轉(zhuǎn)換單元間無法準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，從而無法實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)與輸出電信號(hào)間準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。

實(shí)際上，根據(jù)平面鏡的鏡像原理，圖2中的平面鏡M1和M2等價(jià)于給光電轉(zhuǎn)換器陣列PDA_V設(shè)置了一個(gè)光學(xué)運(yùn)算器的鏡像，于是，圖2可等價(jià)于圖3，形成一種運(yùn)算器鏡像式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)。

圖3 運(yùn)算器鏡像式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)

運(yùn)算器鏡像式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:

(1)去除了平面鏡M1和M2，避免了光學(xué)系統(tǒng)的信號(hào)空間傳輸方向上的誤差導(dǎo)致輸入輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)問題;

(2)可將光電轉(zhuǎn)換器陣列的光電轉(zhuǎn)換單元大小、填充因子設(shè)計(jì)為和運(yùn)算器的液晶像素相同，這樣可去除光學(xué)透鏡L1和L2，直接將液晶陣列、偏振片和光電轉(zhuǎn)換器陣列粘貼在一起，使得輸入光信號(hào)與輸出電信號(hào)間很容易精確對(duì)應(yīng)，并且能夠大大減少外界環(huán)境光線對(duì)光電轉(zhuǎn)換的影響;

(3)相對(duì)于圖2中的結(jié)構(gòu)，去除了平面鏡M1和M2，以及透鏡L1和L2，使得解碼器更易于微型化和集成制造。

運(yùn)算器鏡像式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)的缺點(diǎn)是增加了一個(gè)光學(xué)運(yùn)算器，但考慮液晶陣列像素個(gè)數(shù)較多，例如:商用的STN液晶顯示器分辨率都達(dá)到240×320以上，而TFT液晶更是高達(dá)1600×1200以上。因此，可以很容易在一個(gè)液晶陣列上制作滿足三值光學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)寬度要求的兩個(gè)鏡像光學(xué)運(yùn)算器。

所以，在三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器中采用運(yùn)算器鏡像式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)。

7 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

采用商用CMOS圖像傳感器作為光電轉(zhuǎn)換器陣列，32位嵌入式微處理器ARM7為控制核心，基于運(yùn)算器鏡像式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器。每位三態(tài)光信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算器鏡像法分束后，成像到兩個(gè)CMOS圖像傳感器上轉(zhuǎn)換為一對(duì)電信號(hào)圖像，然后將該對(duì)電信號(hào)圖像二值化為0或者1，根據(jù)三態(tài)光信號(hào)判定原理可判定該位光信號(hào)的物理狀態(tài)，并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)三值數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)用三值光學(xué)計(jì)算機(jī)編碼器［6］輸出作為解碼對(duì)象，為便于觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將多位十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)稱三進(jìn)制數(shù)［7］，然后，編碼為三態(tài)光信號(hào)。解碼器將多位十進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)三態(tài)光信號(hào)解碼為對(duì)應(yīng)多位電信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為多位對(duì)稱三進(jìn)制數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 解碼器實(shí)驗(yàn)－實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 解碼器實(shí)驗(yàn)－解碼中間結(jié)果

圖6 解碼器實(shí)驗(yàn)－確碼結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明根據(jù)本文設(shè)計(jì)的運(yùn)算器鏡像式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)而制作解碼器能夠正確地將三態(tài)光信號(hào)解碼為三值電信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的三值數(shù)字。因此，運(yùn)算器鏡像式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)原理上是正確、工程上是可行的。

8 結(jié)論

深入研究了偏振三態(tài)光信號(hào)判定原理和方法，在分振幅式三態(tài)光信號(hào)判定方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算器鏡像式三態(tài)光信號(hào)判定系統(tǒng)，對(duì)三值光學(xué)計(jì)算機(jī)編碼器輸出結(jié)果進(jìn)行了解碼實(shí)驗(yàn)，論證該系統(tǒng)的正確性和可行性，為下一步研究千位并行實(shí)用化三值光學(xué)計(jì)算機(jī)解碼器奠定了基礎(chǔ)。

［1］ Jin Yi．Ternary optical computer principle and architecture［D］．Xi'an:Northwestern Polytechnical University，2002．(in Chinese)金翊．三值光計(jì)算機(jī)原理和結(jié)構(gòu)［D］．西安:西北工業(yè)大學(xué)，2002．

［2］ Jin Yi，He Huacan，Lü Yangtian．Ternary optical computer principle［J］．Science in China(Series F)，2003，46(2):145－150．

［3］ Jin Yi，He Huacan，Lü Yangtian．Ternary optical computer architecture［J］．Physical Script，2005，T118:98 －101．

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