[发明专利]光子逻辑门

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用量子开关的光子逻辑门的方法和装置。

背景技术

逻辑门通常用作数据处理中的逻辑操作，即使用一个以上的逻辑输入产生一个信号输出。逻辑一般是指布尔逻辑，例如：“非”，“或”，“或非”，“异或”，“同或”，“与”和“与非”。对于一个中央处理器(CPU)来说，逻辑门是执行计算操作的基本单元。由于对快速处理能力与日俱增的需求，CPU的速度从20世纪70年代中期开始呈指数增长，根据摩尔定律，到2006年已经达到了3.7GHz。然而，开关时间取决于门宽而电磁干扰限制了操作带宽从而使电子晶体管的应用受到了制约。为了克服这种本质上的局限性，在最近几十年中人们开始研究光逻辑门。与电子载流子相比，光信号不受电磁干扰的影响而且没有速度限制。此外，并行处理有着本质上的优点。最近研究表明，用于布尔逻辑运算“非”、“或”、“或非”、“与”、“异或”和“与非”的各种高速全光逻辑门可以用半导体光放大器(SOAs)和掺杂铒(erbium)光纤放大器(EDFAs)实现。然而一个运算器件必须满足一定的实用性要求，例如：低功耗，小尺寸和高速度。从20世纪80年代起一些以布尔代数为基础的光逻辑门已经被提出并实现了。使用线性光学如镜子和分光镜的大型光学逻辑门已经被应用了。显然，以线性光学为基础的光逻辑门由于大的尺寸而效率低。

近来，以非线性光学为基础的光逻辑门得到了广泛的研究。在这一领域，SOA是组成光逻辑门的最有用的元件。将SOA用于光逻辑门可以极大的降低器件尺寸和功耗。以SOA为基础的光逻辑门的物理原理是通过电流改变折射率。在传统的光开关技术中，折射率变化所需时间完全制约了开关时间，而折射率的变化受到载流子重新分布时间的限制。因此传统光开关时间主要受限于载流子寿命，大约为亚纳秒量级。尽管一个SOA能提供相对低的功率损耗，大约100mW(Optics Letters，Vol.23，pp.1271-3(1997))，但是组成一个光CPU需要上百万个SOA，估计总功率和总尺寸分别要达到100kW和几个平方米，所以根本不具有应用性。这里值得注意的是，最新达到3.7GHz时钟速度的电子CPU包含了近三亿个晶体管，功率消耗大约为100W(www.intel.com/research/silicon/micron.htm)。

另一方面，光开关效应可以通过非线性量子效应-电磁感应光透明(EIT)获得。EIT就是在有三个或三个以上能级的光学共振介质中，由于量子相干，利用双色电磁场获得折射率的快速变化(Harris，Physics Today，Vol.50，p.36(1995))。光学共振介质的能级结构必须满足具有两个相邻很近的基态和一个激发态，或两个离得很近的激发态和一个基态，或一个任意分布的梯形系统。基于量子相干的折射率变化会引起两个临近态上强自旋相干激发和吸收相消。由于吸收谱的快速变化，在共振频率上陡峭的色散斜率导致了慢光现象(Turukhin等Physical Review Letters，Vol.88，p 023602(2002))。

在EIT中，折射率变化所需时间不受载流子寿命或者布居数弛豫时间(population relaxation time)的限制，而是依赖于相位弛豫时间(phase decay time)。通常情况下，固体中的相位弛豫时间比布居数弛豫时间短很多。特别是在大多数离子掺杂的晶体中，如：掺杂Pr³⁺的Y₂SiO₅，相位弛豫时间比载流子寿命要快几百倍，所以可以获得超高速的光处理——量子开关(Ham，Applied Physics Letters，Vol.85，pp.893-5(2004))。相邻基态间的双光子相干激发可以利用非简并四波混频过程进行光探测。非简并四波混频信号的强度可以比最初的输入信号要强(Hemmer等，Optics Letters，Vol.20，pp.982-4(1995))。

当三个相邻态代替两个相邻基态时，利用三色光场共振到相同的激发态，就可以得到量子开关现象：Ham，Physical Review Letters，Vol.84，pp.4080-3(2000)。量子开关的物理原理就是光控自旋相干交换，而且光开关时间比传统的基于折射率的光开关要快很多。这个在实验上已经用掺杂Pr³⁺的Y₂SiO₅实现了，比光开关时间减少了100倍：Ham，Applied Physics Letters，Vol.85，pp.893-5(2004)。