[发明专利]一种新型光学数字信号处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电计算机，尤其涉及一种基于垂直腔面发射激光器构建而成的新型光学数字信号处理系统。

背景技术

采用垂直腔面发射激光器（VCSEL）点光源线阵列、GaAs/GaAlAs多量子阱空间光调制器（SLM）和高速CMOS探测器线阵列可以实现高速光学并行矢量-矩阵乘加运算，这一运算方式能实现微电子集成电路芯片的数字信号处理（DSP）系统的基本功能，运算速度能达到DSP芯片的上千倍。要实现这个光学并行矢量-矩阵乘加运算的光学系统要求有很高的精度。首先，垂直腔面发射激光器作为光源的输出电光调制精度要达到8位以上，意味着调制灰度要达到256级；而GaAs/GaAlAs多量子阱空间光调制器的电光调制精度和高速CMOS探测器线阵列的光电转换精度要达到8位以上。除了上述三种关键元件（VCSEL线阵列、SLM面阵列和高速CMOS线阵列）需要满足上述要求之外，光学系统光路之间的串扰也需要尽量消除，尤其是要消除系统光路的反射引起的串扰。

利用偏振光束分光镜（PBS）来消除反射引起的串扰的方法在CD-ROM等领域得到了广泛应用。当光照在PBS面上时，与PBS偏振方向平行的光发生透射，与PBS偏振方向垂直的光发生反射。根据PBS的这个特点，利用线偏振光实现不可逆光路，从而消除系统光路间串扰。

然而现有的VCSEL光源发射的并不是理想的线偏振光，它的偏振状态会随着激光器的工作状态不同会发生变化，甚至还会随着时间而发生变化。VCSEL光源的偏振不确定使得PBS透射或反射的光变得不稳定。为了解决这一问题，光学系统采用了两路偏振光路进行补偿。按该方式设计的光学数字信号处理系统中的光学并行矢量-矩阵乘加运算的光路图如图1至图5所示：从VCSEL光源100出射的光线（图中只展示了单个光源和单个透镜，未将整个线光源及透镜阵列画出）经过透镜101扩展成为扇形光面，该扇形光面通过柱面透镜102调节后传播方向垂直向上入射至偏振光束分光镜（PBS）103。VCSEL光源出射光线中偏振方向与PBS 103的偏振方向平行的光发生透射，与PBS 103的偏振方向垂直的光发生反射，其余的光被消去。反射光经过四分之一波片104_a后变成圆偏振光，垂直照射到空间光调制器105_a上。空间光调制器105_a与CMOS芯片106_a倒装焊互联，可实现各个像素反射率独立可调。圆偏振光经过空间光调制器105_a的反射相位改变了180度，比如由原来右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光，再通过四分之一波片104_a，变成与PBS 103偏振方向平行的线偏振光透射出PBS 103，通过另一柱面透镜107透射经PBS 108至探测器阵列109_a。PBS 108是一个与PBS 103偏振方向相同的偏振光束分光镜，用于分离柱面透镜107的出射光线至不同的探测器阵列以避免干扰。相反的，透射光经四分之一波片104_b入射至空间光调制器105_b和倒装焊互联的CMOS芯片106_b并产生反射。反射光同样发生180度相移，再经四分之一波片104_b后偏振方向变为与PBS 103垂直，在PBS 103处发生反射，经柱面透镜107至PBS 108，在PBS 108处同样发生发射，被探测器阵列109_b所采集。从图2至图5中可见，该系统中各电子学系统均需要做到时序上的“同步”，因此图1中的时序控制单元111变得尤为重要，负责两路电子学系统及光路的同步。

可见，该方案需要两级PBS抗反射串扰处理、两个空间光调制器和两个CMOS探测器线列阵。每一空间光调制器和CMOS探测器线列阵对应分别处理与PBS偏振平行或垂直方向的光，并且需要后续的电学处理将两个CMOS探测器线列阵分别对应单元的信号相加。系统要求这两路信号的各个环节——电信号的传输与数模转换、空间光调制器的光电转换，光信号的传输与计算，探测器的信号叠加——做到完全同步。这提高了电学系统和数据存储处理系统的难度，实际上需要两套电学系统和存储处理系统，增加了整个系统功耗和成本，同时也极大地增加了成像光学系统的调节难度。

发明内容

为克服上述现有光学计算系统的不足，本发明的目的在于提供一种新型光学数字信号处理系统，以简化系统结构，提高计算精度，能够满足多灰度级运算，同时降低该系统的加工、装配与调试难度。