一种基于相干反馈的光学逻辑门装置及其工作方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210461552.3	申请日：	2012.11.15
公开号：	CN102955323A	公开日：	2013.03.06
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G02F 3/00申请公布日:20130306\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G02F 3/00申请日:20121115\|\|\|公开
IPC分类号：	G02F3/00; G02F1/35	主分类号：	G02F3/00
申请人：	华东师范大学
发明人：	周志凡; 荆杰泰; 刘寸金; 方亚毜; 周君; 陈丽清; 张卫平
地址：	200062 上海市普陀区中山北路3663号
优先权：
专利代理机构：	上海麦其知识产权代理事务所(普通合伙) 31257	代理人：	董红曼
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内容摘要

本发明公开了一种基于相干反馈的光学逻辑门装置，包括激光器、极化分束器、介质单元、逻辑控制门、光纤耦合架以及多模光纤。激光器发射的泵浦光射入第一极化分束器反射至介质单元，泵浦光在介质单元中发生四波混频后生成输出光束，由第二极化分束器射出形成环形光斑与竖直方向的两个亮点；第三极化分束器从亮点的光束中生成两束反馈光；反馈光受第一逻辑控制门与第二逻辑控制门的控制，经由光纤耦合架与多模光纤射入第一极化分束器中，并在介质单元中与泵浦光相交。本发明可同时实现光学逻辑“或”门和逻辑“或非”门，具有上升速度快、逻辑水平一致、弱光可控制强光等优点。本发明还公开了一种基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法。

权利要求书

权利要求书一种基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，包括：
激光器(1)，其为泵浦源，所述激光器发射的光束作为泵浦光；
极化分束器(21，22，23)，其透射水平偏振方向的光束，反射竖直偏振方向的光束；
介质单元(3)，其用于与光束发生四波混频；
逻辑控制门(71、72)，其用于控制光束通过或关断；
光纤耦合架(10)，其与多模光纤(11)配合，将光束通过所述多模光纤(11)传输，并对所述反馈光进行整形；
其中，所述激光器(1)发射的泵浦光射入第一极化分束器(21)中，所述第一极化分束器(21)反射竖直偏振方向的所述泵浦光；沿所述泵浦光的反射方向依次设置所述介质单元(3)、第二极化分束器(22)，所述泵浦光在所述介质单元(3)中发生四波混频后生成输出光束，由所述第二极化分束器(22)射出形成环形光斑与竖直方向的两个亮点；第三极化分束器(23)从一个所述亮点的光束中生成两束反馈光；沿所述第一束反馈光的光路设置所述第一逻辑控制门(71)，沿所述第二束反馈光的光路设置所述第二逻辑控制门(72)，所述两束反馈光分别经所述第一逻辑控制门(71)与第二逻辑控制门(72)射入所述光纤耦合架(10)和多模光纤(11)；所述两束反馈光经所述光线耦合架(10)、多模光纤(11)相干反馈回所述第一极化分束器(21)中，并在所述介质单元(3)中与所述泵浦光相交。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，所述激光器(1)的数量为一个。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，所述介质单元(3)的作用介质包括85Rb原子、87Rb原子；所述介质单元(3)的工作温度为125‑135摄氏度。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，所述输出光束中包含斯托克斯光子与反斯托克斯光子；所述斯托克斯光子与反斯托克斯光子的相位固定。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，所述泵浦光与所述反馈光在所述介质单元(3)中的夹角为5mRad‑8mRad。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，当相干反馈的所述反馈光与所述泵浦光在所述介质单元(3)中相交发生四波混频，使所述输出光束中沿所述反馈光入射方向的光子得到放大，与所述反馈光入射方向不同的光子被压缩。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括：光斑阻塞器(4)；所述光斑阻塞器(4)设置在所述第二极化分束器(22)的一侧，用于阻断从所述第二极化分束器(22)反射出的光束的传播。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括至少一个反射镜(6)；所述反射镜(6)设置于所述反馈光或泵浦光的光路中，用于改变所述反馈光或泵浦光的传播方向。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括至少一个探测器(12)；所述探测器设置在所述亮点处，用于检测所述亮点的光线功率。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括：
光学隔离器(9)，其设置在所述第一逻辑控制门(71)与光纤耦合架(10)之间，调节光束的透光率。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括至少一个玻片(8)；所述玻片(8)设置在所述反馈光的光路中，用于以所述反馈光的光轴为基准，调整所述反馈光的偏振方向，并结合极化分束器调整所述反馈光的透射光强。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括：
第五极化分束器(25)，其位于所述第三极化分束器(23)的竖直方向上，用于从另一个所述竖直方向上的亮点的光束中生成第二束反馈光；
所述第三极化分束器(23)生成第一束反馈光射入所述第一逻辑控制门(71)，所述第五极化分束器(25)生成第二束反馈光射入所述第二逻辑控制门(72)。
如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括：
第四极化分束器(24)，其沿所述反馈光的光路设置在所述第一逻辑控制门(71)与第二逻辑控制门(72)的后方，用于将从所述第一束反馈光与第二束反馈光合并成一束光束发射至所述光纤耦合架(10)中。
一种基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，包括：
步骤一：采用所述激光器(1)发射的泵浦光经过所述介质单元(3)发生四波混频生成输出光束，并经过所述第二极化分束器(22)生成环形光斑与竖直方向上的亮点；
步骤二：所述第三极化分束器(23)从所述亮点的光束中生成两束反馈光，并通过所述第一逻辑控制门(71)与第二逻辑控制门(72)的控制，相干反馈同所述泵浦光中，与所述泵浦光在所述介质单元(3)中相交；
步骤三：所述泵浦光与所述反馈光在所述介质单元(3)中发生四波混频改变所述输出光束，生成所述环形光斑上水平方向上的亮点；
步骤四：所述竖直方向上的亮点与水平方向上的亮点作为逻辑态，通过所述第一逻辑控制门(71)与第二逻辑控制门(72)控制所述逻辑态。
如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤一中生成所述环形光斑与竖直方向上的亮点的过程包括：
步骤A1：所述激光器(1)发射竖直偏振方向的泵浦光至所述第一极化分束器(21)中；
步骤A2：所述第一极化分束器(21)将所述泵浦光反射至所述介质单元(3)中；
步骤A3：所述介质单元(3)与所述泵浦光发生四波混频生成输出光束，所述输出光束呈锥形入射至所述第二极化分束器(22)中；
步骤A4：所述第二极化分束器(22)透射出所述输出光束中水平偏振方向的光子，反射出竖直偏振方向的光子，所述透射出的光子在远处生成环形光斑与竖直方向上的亮点。
如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤二中生成所述反馈光并与所述泵浦光相交的过程包括：
步骤B1：所述第三极化分束器(23)从所述竖直方向的亮点光束中生成所述两束反馈光；
步骤B2：所述两束反馈光分别通过所述第一逻辑控制门(71)与第二逻辑控制门(72)的控制射入所述光纤耦合架(10)中；
步骤B3：所述光纤耦合架(10)将所述反馈光通过所述多模光纤(11)进行传输，并对所述反馈光进行整形；
步骤B4：所述反馈光从所述多模光纤(11)中相干反馈至所述第一极化分束器(21)中，并在介质单元(3)中与所述泵浦光相交。
如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤三中改变所述输出光束的步骤包括：
步骤C1：所述反馈光与所述泵浦光在所述介质单元(3)中相交；
步骤C2：所述反馈光与泵浦光受所述介质单元(3)的作用介质的四波混频影响，在原子相干性的增强下，放大与所述反馈光入射方向相同的光子，压缩与所述反馈光入射方向不同的光子；
步骤C3：所述输出光束从所述介质单元(3)中射出，经过所述第二极化分束器(22)后在远处生成所述水平方向的亮点。
如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤二中进一步包括：采用所述光学隔离器(9)设置在所述反馈光的光路中，调节所述反馈光的通过率。
如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤二中进一步包括：采用所述玻片(8)设置在所述反馈光的光路中，调节所述反馈光的偏振方向。
如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括：
步骤D1：采用所述第三极化分束器(23)生成第一束反馈光，所述第五极化分束器(25)在所述另一个亮点的光束中生成第二束反馈光；
步骤D2：在所述第一束反馈光与所述第二束反馈光的光路中设置第四极化分束器(24)，所述第一束反馈光经过所述第一逻辑控制门(72)的控制射入所述第四极化分束器(24)中，所述第二束反馈光经过所述第二逻辑控制门(72)的控制射入所述第四极化分束器(24)中；步骤D3：所述第四极化分束器(24)透射所述第一束反馈光，并沿所述透射方向反射出所述第二束反馈光，使所述第一束反馈光与第二束反馈光合并成一条光束射入所述光纤耦合架(10)中。

说明书

说明书一种基于相干反馈的光学逻辑门装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及光学通讯领域和光学计算领域，尤其一种基于相干反馈的光学逻辑门装置及其工作方法。
背景技术
相干反馈的原理是将输出信号与输入信号在光学系统内相干的进行相互作用。与基于测量的反馈相比，相干反馈在很多应用上部有着显著的优势，例如可以即时控制，保留相干信息和避免引入额外的测量噪声。相干反馈原理之前已经被用来动态的控制，稳定和增强光学系统的表现。例如相干反馈在量子信息领域可以用来进行量子纠错，用来提高量子压缩光源的压缩度，在超低能量光学双稳态中相干反馈控制可以用来压缩自发的开关。现在技术中基于铷原子系综的光学逻辑门的上升时间较慢，很多情况下需要用一个强光去控制弱光，而且输出逻辑水平难以保持一致。
发明内容
本发明克服了现有技术中逻辑门上升速度较慢、需要使用强光控制弱光且输出逻辑水平难以保持一致等缺陷，提出了一种基于相干反馈的光学逻辑门装置及其工作方法。
本发明提出了一种基于相干反馈的光学逻辑门装置，包括：
激光器，其为泵浦源，所述激光器发射的光束作为泵浦光；
极化分束器，其透射水平偏振方向的光束，反射竖直偏振方向的光束；
介质单元，其用于与光束发生四波混频；
逻辑控制门，其用于控制光束通过或关断；
光纤耦合架，其与多模光纤配合，将光束通过所述多模光纤传输，并对所述反馈光进行整形；
其中，所述激光器发射的泵浦光射入第一极化分束器中，所述第一极化分束器反射竖直偏振方向的所述泵浦光；沿所述泵浦光的反射方向依次设置所述介质单元、第二极化分束器，所述泵浦光在所述介质单元中发生四波混频后生成输出光束，由所述第二极化分束器射出形成环形光斑与竖直方向的两个亮点；第三极化分束器从一个所述亮点的光束中生成两束反馈光；沿所述第一束反馈光的光路设置所述第一逻辑控制门，沿所述第二束反馈光的光路设置所述第二逻辑控制门，所述两束反馈光分别经所述第一逻辑控制门与第二逻辑控制门射入所述光纤耦合架和多模光纤；所述两束反馈光经所述光线耦合架、多模光纤相干反馈回所述第一极化分束器中，并在所述介质单元中与所述泵浦光相交。
其中，所述激光器的数量为一个。
其中，所述介质单元的作用介质包括85Rb原子、87Rb原子；所述介质单元的工作温度为125‑135摄氏度。
其中，所述输出光束中包含斯托克斯光子与反斯托克斯光子；所述斯托克斯光子与反斯托克斯光子的相位固定。
其中，所述泵浦光与所述反馈光在所述介质单元中的夹角为5mRad‑8mRad。
其中，当相干反馈的所述反馈光与所述泵浦光在所述介质单元中相交发生四波混频，使所述输出光束中沿所述反馈光入射方向的光子得到放大，与所述反馈光入射方向不同的光子被压缩。
其中，进一步包括：光斑阻塞器；所述光斑阻塞器设置在所述第二极化分束器的一侧，用于阻断从所述第二极化分束器反射出的光束的传播。
其中，进一步包括至少一个反射镜；所述反射镜设置于所述反馈光或泵浦光的光路中，用于改变所述反馈光或泵浦光的传播方向。
其中，进一步包括至少一个探测器；所述探测器设置在所述亮点处，用于检测所述亮点的光线功率。
其中，进一步包括：光学隔离器，其设置在所述第一逻辑控制门与光纤耦合架之间，调节光束的透光率。
其中，进一步包括至少一个玻片；所述玻片设置在所述反馈光的光路中，用于以所述反馈光的光轴为基准，调整所述反馈光的偏振方向，并结合极化分束器调整所述反馈光的透射光强。
其中，进一步包括：第五极化分束器，其位于所述第三极化分束器的竖直方向上，用于从另一个所述竖直方向上的亮点的光束中生成第二束反馈光；
所述第三极化分束器生成第一束反馈光射入所述第一逻辑控制门，所述第五极化分束器生成第二束反馈光射入所述第二逻辑控制门。
其中，进一步包括：第四极化分束器，其沿所述反馈光的光路设置在所述第一逻辑控制门与第二逻辑控制门的后方，用于将从所述第一束反馈光与第二束反馈光合并成一束光束发射至所述光纤耦合架中。
本发明还提出了一种基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，包括：
步骤一：采用所述激光器发射的泵浦光经过所述介质单元发生四波混频生成输出光束，并经过所述第二极化分束器生成环形光斑与竖直方向上的亮点；
步骤二：所述第三极化分束器从所述亮点的光束中生成两束反馈光，并通过所述第一逻辑控制门与第二逻辑控制门的控制，相干反馈回所述泵浦光中，与所述泵浦光在所述介质单元中相交；
步骤三：所述泵浦光与所述反馈光在所述介质单元中发生四波混频改变所述输出光束，生成所述环形光斑上水平方向上的亮点；
步骤四：所述竖直方向上的亮点与水平方向上的亮点作为逻辑态，通过所述第一逻辑控制门与第二逻辑控制门控制所述逻辑态。
其中，所述步骤一中生成所述环形光斑与竖直方向上的亮点的过程包括：
步骤A1：所述激光器发射竖直偏振方向的泵浦光至所述第一极化分束器中；
步骤A2：所述第一极化分束器将所述泵浦光反射至所述介质单元中；
步骤A3：所述介质单元与所述泵浦光发生四波混频生成输出光束，所述输出光束呈锥形入射至所述第二极化分束器中；
步骤A4：所述第二极化分束器透射出所述输出光束中水平偏振方向的光子，反射出竖直偏振方向的光子，所述透射出的光子在远处生成环形光斑与竖直方向上的亮点。
其中，所述步骤二中生成所述反馈光并与所述泵浦光相交的过程包括：
步骤B1：所述第三极化分束器从所述竖直方向的亮点光束中生成所述两束反馈光；
步骤B2：所述两束反馈光分别通过所述第一逻辑控制门与第二逻辑控制门的控制射入所述光纤耦合架中；
步骤B3：所述光纤耦合架将所述反馈光通过所述多模光纤进行传输，并对所述反馈光进行整形；
步骤B4：所述反馈光从所述多模光纤中相干反馈至所述第一极化分束器中，并在介质单元中与所述泵浦光相交。
其中，所述步骤三中改变所述输出光束的步骤包括：
步骤C1：所述反馈光与所述泵浦光在所述介质单元中相交；
步骤C2：所述反馈光与泵浦光受所述介质单元的作用介质的四波混频影响，在原子相干性的增强下，放大与所述反馈光入射方向相同的光子，压缩与所述反馈光入射方向不同的光子；
步骤C3：所述输出光束从所述介质单元中射出，经过所述第二极化分束器后在远处生成所述水平方向的亮点。
其中，所述步骤二中进一步包括：采用所述光学隔离器设置在所述反馈光的光路中，调节所述反馈光的通过率。
其中，所述步骤二中进一步包括：采用所述玻片设置在所述反馈光的光路中，调节所述反馈光的偏振方向。
其中，所述步骤二进一步包括：
步骤D1：采用所述第三极化分束器生成第一束反馈光，所述第五极化分束器在所述另一个亮点的光束中生成第二束反馈光；
步骤D2：在所述第一束反馈光与所述第二束反馈光的光路中设置第四极化分束器，所述第一束反馈光经过所述第一逻辑控制门的控制射入所述第四极化分束器中，所述第二束反馈光经过所述第二逻辑控制门的控制射入所述第四极化分束器中；
步骤D3：所述第四极化分束器透射所述第一束反馈光，并沿所述透射方向反射出所述第二束反馈光，使所述第一束反馈光与第二束反馈光合并成一条光束射入所述光纤耦合架中。
本发明利用原子相干性增强的四波混频方法，采用85Rb原子系综可以同时实现光学逻辑“或”门和逻辑“或非”门。
本发明的光学逻辑门的上升速度在500ns以内，比现有技术中的速度快了两倍。
本发明光学逻辑门拥有与电子逻辑门一样的逻辑水平。例如，对于光学逻辑“或门”而言，逻辑控制门的控制的“10”，“01”和“11”的光学输入态得到的输出结果是一致的，同理对于“或非门”也是如此。
本发明可通过弱光(反馈光)可控制强光(泵浦光)，实现光学逻辑门的效果。由于采用部分泵浦光作为反馈光，所以不需要第二个激光源作为第二个信号输入源，降低了本发明装置的成本。
附图说明
图1是本发明中基于相干反馈的光学逻辑门装置的组成示意图。
图2是85Rb原子双“^”结构及四波混频过程。
图3是本发明中基于相干反馈的光学逻辑门装置工作方法的流程图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
如图1至图3所示，1‑激光器，21‑第一极化分束器，22‑第二极化分束器，23‑第三极化分束器，24‑第四极化分束器，25‑第五极化分束器，3‑介质单元，4‑光斑阻塞器，6‑反射镜，71‑第一逻辑控制门，72‑第二逻辑控制门，8‑玻片，9‑光学隔离器，10‑光纤耦合架，11‑多模光纤，12‑探测器。
图1显示的是本发明基于相干反馈的光学逻辑门装置的组成示意图。本发明基于相干反馈的光学逻辑门装置采用激光器1作为泵浦源。本实施例中，激光器1为钛宝石激光器。激光器1发射的激光作为泵浦光，入射至第一极化分束器21中。泵浦光的偏振方向为竖直方向，故泵浦光改变与原方向呈90度从第一极化分束器反射入介质单元3中。介质单元3中的作用介质为自然Rb原子，包括72％的85Rb和28％的87Rb。本发明利用其中处大多数的85Rb，工作时需要加热，加热区间为125℃‑135℃。泵浦光与85Rb原子发生四波混频影响激发出输出光束，输出光束呈锥形发射。锥形发射的输出光束中包含斯托克斯光子与反斯托克斯。从介质单元3射出的输出光束传播至第二极化分束器22中。第二极化分束器22将入射的输出光束中竖直偏振方向的光束从其他方向射出至光斑阻塞器4中，并将水平偏振方向的光束沿入射方向射出。透射出的输出光束在远处呈现出一个光强较弱的环形光斑以及环上两个光强较高的竖直方向上的两个亮点。在其中一个亮点的光束上设置第三极化分束器23，第三极化分束器23可以将该亮点光束的部分光束形成两束反馈光折射至第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72中。第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72由声光调制器组成，可控制反馈光的通过或关断，其作为本发明光学逻辑门装置的控制端。受第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72控制的两束反馈光通过依次进入玻片8、光学隔离器9中。玻片8为1/2玻片，调节反馈光的偏振方向，光学隔离器9调节反馈光的通过率，从而调节射入至光纤耦合架10中的反馈光的光强。通过的反馈光由光纤耦合架10后由多模光纤11传输并整形，使反射光能更好地与泵浦光重合。反馈光通过光纤耦合架10与多模光纤11的传输，相干反馈至第一极化分束器21中。该反馈光在介质单元3中与泵浦光呈8mrad角度相交，与输出光束的锥形夹角的角度相同。相位相干的光子反馈回介质单元3后，发生强的受激四波混频过程，可以快速的激发输出光束中竖直方向的两个亮点旋转至水平方向，即实现了逻辑或非门和或门。本实施例中分别在竖直方向与水平方向的亮点位置设置探测器12，用于亮点的光强。进一步地，将探测器12连接至示波器，观察光强沿时间轴的变化情况。优选地，本发明在光路中设置至少一个反射镜6，反射镜6改变泵浦光或者反射光的光路，使设置光学器件更为简便，降低了本发明装置的复杂度。
本发明光学逻辑门装置亦可采用两束反馈光与泵浦光发生四波混频。优选地，本实施例中进一步包括第五极化分束器25、第四极化分束器24。第五极化分束器25从竖直方向上另一个亮点的光束上折射出部分光束作为第二束反馈光，第三极化分束器23只生成第一束反馈光。第二束反馈光经过第二逻辑控制门72的控制，透过射入玻片8射入第四极化分束器24中。玻片8改变了第二束反馈光的偏振方向。第二束反馈光为竖直偏振方向，故以90度方向从第四极化分束器24中垂直射出。入射第四极化分束器24的第一束反馈光为水平偏振方向，沿入射方向透射。从而第一束反馈光与第二束反馈光合并成一条光束沿相同的方向射出。
图2显示的是85Rb原子双“^”结构及四波混频过程。其中，5S1/2、5P1/2为85Rb原子的精细结构，F＝2、F＝3为精细结构5S1/2的超精细分裂，其能级差为3.036GHz。虚线所示为85Rb原子的虚能级。泵浦光与介质单元3发生四波混频作用，其中一部分光子转化为斯托克斯光子和反斯托克斯光子，剩余的泵浦光为竖直偏振方向，而被第二极化分束器22折射至光斑阻塞器4中。产生的斯托克斯光子和反斯托克斯光子为水平偏振方向，这些光子部可以从第二极化分束器22透射出，在远处形成了竖直方向的两个亮光束和一个弱的环形光斑。
图3显示的是本发明基于相干反馈的光学逻辑门装置工作方法的流程图。本发明的光学逻辑门装置采用激光器1发射的泵浦光生成输出光束，形成环形光斑与竖直方向上的亮点。第三极化分束器23从该亮点光束中生成两束反馈光，并相干反馈同泵浦光中，与泵浦光相交。泵浦光与反馈光在介质单元3中发生四波混频，根据反馈光改变输出光束的光子，在环形光斑上形成水平方向的亮点。相干反馈的反馈光受到第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72的控制，同时实现光学逻辑“或”门以及光学逻辑“或非”门。
本实施例采用两路反馈光对原泵浦光进行四波混频，实现光学逻辑门的效果。本实施例中采用的激光器1发出一束波长为795nm，垂直偏振功率为300mW的光作为泵浦光，激光频率为85Rb原子D1线(5S1/2→5P1/2，795nm)，蓝失谐1.4GHz，激光线宽为100kHz。泵浦光经过第一极化分束器21这射入介质单元3中。介质单元3为含有85Rb原子的铷池。铷池的工作温度为135摄氏度以提高铷蒸汽密度，增强铷池的非线性效应。泵浦光经过铷池的激发生成输出光束，输出光束呈锥形放射至远场。锥形放射的输出光束经过第二极化分束器22后，在远处形成弱的环形光斑和环上竖直方向的两个亮点，其余光束被第二极化分束器22折射入光斑阻塞器4中。
在两个竖直方向上亮点的光束上分别设置第三极化分束器23与第五极化分束器25。第三极化分束器23与第五极化分束器25折射两条光束中的部分光束作为两条反馈光分别射向两个反射镜6，由两个反射镜6分别反射至第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72中。第一逻辑控制门71控制第一束反馈光进入第四极化分束器24中。第二逻辑控制门72控制第二束反馈光通过反射镜6反射至玻片8，由玻片8改变第二束反馈光的偏振方向后射入第四极化分束器24中。第一束反馈光为水平偏振方向，第二束反馈光为竖直偏振方向。第四极化分束器24中将第一束反馈光沿入射方向透射，将第二束反馈光沿垂直方向折射出，使两道反馈光合并成一条光束，作为相干反馈的反馈光入射至另一个玻片8中。第四极化分束器24与另一个玻片8共同调节反馈光的透射光强后，射入光学隔离器9中，该玻片8也可由其他调节透射光强的器件代替。光学隔离器9调节反馈光的通过率，光纤耦合架10将反馈光送入多模光纤11中进行传输，在传播的同时对反馈光进行整形处理，使其能与泵浦光更好地重合。反馈光经过多模光纤11的传输后通过反射镜6射入第一极化分束器21中。此时，相干反馈的反馈光的入射方向为水平方向。反馈光包括斯托克斯光子和反斯托克斯光子，其相位相干性得到很好保持，反馈光参与的四波混频过程受原子相干性增强，导致输出光束中沿反馈光入射方向(即水平方向)的光子得到很好的放大，其他方向(包括竖直方向)的光子被压缩。所以输出光束在受相干反馈的四波混频影响之后，在远处的环形光板上显示为水平方向的亮点，同时竖直方向的亮点被减弱。本实施例中采用两个探测器12对竖直方向上及水平方向上的亮点进行测量，分别获得两种亮点的光强等信息，并进一步连接到示波器上观察光强沿时间轴的变化情况。根据探测器12的测量信息得出，本发明的光学逻辑上升时间在500ns以内，是现有技术中利用铷原子系综光学逻辑门的上升速度的两倍。
本发明采用一个逻辑控制门的一束反馈光便能实现上述光学逻辑门的效果，优选地本实施例通过第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72对两束反馈光进行逻辑控制。本发明的光学逻辑门装置能够同时实现光学逻辑“或”门及光学逻辑“或非”门。光学逻辑门采用环形光斑上的亮点作为逻辑态。例如，“或非门”的逻辑态包括竖直方向上的上端亮点和下端亮点，“或门”的逻辑态包括水平方向上的左端亮点和右端的亮点。如下表1所示的是实施例通过光学逻辑门装置实现或门及或非门的逻辑态。
表1光学逻辑门装置实现或门及或非门的逻辑态

由第一逻辑控制门71控制第一束反馈光作为输入1，由第二逻辑控制门72控制第二束反馈光作为输入2。当控制反馈光通过则代表输入“1”，关断反馈光则代表输入“0”。
当第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72被关断的情况下，介质单元3中没有反馈光与泵浦光发生四波混频，竖直方向上两个亮点未受到压缩，在环形光斑上显示为明亮的上端亮点与下端亮点，左端亮点与右端亮点为暗。若使用逻辑态“1”代表亮，逻辑态“0”代表暗，则当两个逻辑控制门的输入情况均为“0”时，“或非门”的结果为“1”，“或门”的结果为“0”，其结果与电子逻辑“或非门”和“或门”的逻辑水平一致。
当第一逻辑控制门71或第二逻辑控制门72被通过的情况下，介质单元3中存在反馈光与泵浦光发生四波混频，竖直方向上两个亮点受到压缩，水平方向上的亮点得到增强，在环形光斑上显示为明亮的左端亮点与右端亮点，上端亮点与下端亮点为暗。若使用逻辑态“1”代表亮，逻辑态“0”代表暗，则当两个逻辑控制门的输入情况均为“01”、“10”或“11”时，“或非门”的结果为“0”，“或门”的结果为“1”，其结果与电子逻辑“或非门”和“或门”的逻辑水平一致。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 102955323 A(43)申请公布日 2013.03.06CN102955323A*CN102955323A*(21)申请号 201210461552.3(22)申请日 2012.11.15G02F 3/00(2006.01)G02F 1/35(2006.01)(71)申请人华东师范大学地址 200062 上海市普陀区中山北路3663号(72)发明人周志凡荆杰泰刘寸金方亚毜周君陈丽清张卫平(74)专利代理机构上海麦其知识产权代理事务所(普通合伙) 31257代理人董红曼(54) 发明名称一种基于相干反馈的光学逻辑门装置及其工作方法(57) 摘要本发明公开。

2、了一种基于相干反馈的光学逻辑门装置，包括激光器、极化分束器、介质单元、逻辑控制门、光纤耦合架以及多模光纤。激光器发射的泵浦光射入第一极化分束器反射至介质单元，泵浦光在介质单元中发生四波混频后生成输出光束，由第二极化分束器射出形成环形光斑与竖直方向的两个亮点；第三极化分束器从亮点的光束中生成两束反馈光；反馈光受第一逻辑控制门与第二逻辑控制门的控制，经由光纤耦合架与多模光纤射入第一极化分束器中，并在介质单元中与泵浦光相交。本发明可同时实现光学逻辑“或”门和逻辑“或非”门，具有上升速度快、逻辑水平一致、弱光可控制强光等优点。本发明还公开了一种基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法。(51)Int.C。

3、l.权利要求书3页说明书7页附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 3 页说明书 7 页附图 2 页1/3页21.一种基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，包括：激光器(1)，其为泵浦源，所述激光器发射的光束作为泵浦光；极化分束器(21，22，23)，其透射水平偏振方向的光束，反射竖直偏振方向的光束；介质单元(3)，其用于与光束发生四波混频；逻辑控制门(71、72)，其用于控制光束通过或关断；光纤耦合架(10)，其与多模光纤(11)配合，将光束通过所述多模光纤(11)传输，并对所述反馈光进行整形；其中，所述激光器(1)发射的泵浦光射入第一极化分束。

4、器(21)中，所述第一极化分束器(21)反射竖直偏振方向的所述泵浦光；沿所述泵浦光的反射方向依次设置所述介质单元(3)、第二极化分束器(22)，所述泵浦光在所述介质单元(3)中发生四波混频后生成输出光束，由所述第二极化分束器(22)射出形成环形光斑与竖直方向的两个亮点；第三极化分束器(23)从一个所述亮点的光束中生成两束反馈光；沿所述第一束反馈光的光路设置所述第一逻辑控制门(71)，沿所述第二束反馈光的光路设置所述第二逻辑控制门(72)，所述两束反馈光分别经所述第一逻辑控制门(71)与第二逻辑控制门(72)射入所述光纤耦合架(10)和多模光纤(11)；所述两束反馈光经所述光线耦合架(10)、多。

5、模光纤(11)相干反馈回所述第一极化分束器(21)中，并在所述介质单元(3)中与所述泵浦光相交。2.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，所述激光器(1)的数量为一个。3.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，所述介质单元(3)的作用介质包括85Rb原子、87Rb原子；所述介质单元(3)的工作温度为125-135摄氏度。4.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，所述输出光束中包含斯托克斯光子与反斯托克斯光子；所述斯托克斯光子与反斯托克斯光子的相位固定。5.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，所述泵浦光与所。

6、述反馈光在所述介质单元(3)中的夹角为5mRad-8mRad。6.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，当相干反馈的所述反馈光与所述泵浦光在所述介质单元(3)中相交发生四波混频，使所述输出光束中沿所述反馈光入射方向的光子得到放大，与所述反馈光入射方向不同的光子被压缩。7.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括：光斑阻塞器(4)；所述光斑阻塞器(4)设置在所述第二极化分束器(22)的一侧，用于阻断从所述第二极化分束器(22)反射出的光束的传播。8.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括至少一个反射镜(6)；所述。

7、反射镜(6)设置于所述反馈光或泵浦光的光路中，用于改变所述反馈光或泵浦光的传播方向。9.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括至少一个探测器(12)；所述探测器设置在所述亮点处，用于检测所述亮点的光线功率。10.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括：光学隔离器(9)，其设置在所述第一逻辑控制门(71)与光纤耦合架(10)之间，调节光束的透光率。权利要求书CN 102955323 A2/3页311.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括至少一个玻片(8)；所述玻片(8)设置在所述反馈光的光路。

8、中，用于以所述反馈光的光轴为基准，调整所述反馈光的偏振方向，并结合极化分束器调整所述反馈光的透射光强。12.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括：第五极化分束器(25)，其位于所述第三极化分束器(23)的竖直方向上，用于从另一个所述竖直方向上的亮点的光束中生成第二束反馈光；所述第三极化分束器(23)生成第一束反馈光射入所述第一逻辑控制门(71)，所述第五极化分束器(25)生成第二束反馈光射入所述第二逻辑控制门(72)。13.如权利要求1所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置，其特征在于，进一步包括：第四极化分束器(24)，其沿所述反馈光的光路设置在所述第一逻辑控制。

9、门(71)与第二逻辑控制门(72)的后方，用于将从所述第一束反馈光与第二束反馈光合并成一束光束发射至所述光纤耦合架(10)中。14.一种基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，包括：步骤一：采用所述激光器(1)发射的泵浦光经过所述介质单元(3)发生四波混频生成输出光束，并经过所述第二极化分束器(22)生成环形光斑与竖直方向上的亮点；步骤二：所述第三极化分束器(23)从所述亮点的光束中生成两束反馈光，并通过所述第一逻辑控制门(71)与第二逻辑控制门(72)的控制，相干反馈同所述泵浦光中，与所述泵浦光在所述介质单元(3)中相交；步骤三：所述泵浦光与所述反馈光在所述介质单元(3)中发生四。

10、波混频改变所述输出光束，生成所述环形光斑上水平方向上的亮点；步骤四：所述竖直方向上的亮点与水平方向上的亮点作为逻辑态，通过所述第一逻辑控制门(71)与第二逻辑控制门(72)控制所述逻辑态。15.如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤一中生成所述环形光斑与竖直方向上的亮点的过程包括：步骤A1：所述激光器(1)发射竖直偏振方向的泵浦光至所述第一极化分束器(21)中；步骤A2：所述第一极化分束器(21)将所述泵浦光反射至所述介质单元(3)中；步骤A3：所述介质单元(3)与所述泵浦光发生四波混频生成输出光束，所述输出光束呈锥形入射至所述第二极化分束器(22)中。

11、；步骤A4：所述第二极化分束器(22)透射出所述输出光束中水平偏振方向的光子，反射出竖直偏振方向的光子，所述透射出的光子在远处生成环形光斑与竖直方向上的亮点。16.如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤二中生成所述反馈光并与所述泵浦光相交的过程包括：步骤B1：所述第三极化分束器(23)从所述竖直方向的亮点光束中生成所述两束反馈光；步骤B2：所述两束反馈光分别通过所述第一逻辑控制门(71)与第二逻辑控制门(72)的控制射入所述光纤耦合架(10)中；步骤B3：所述光纤耦合架(10)将所述反馈光通过所述多模光纤(11)进行传输，并对所述反馈光进行整形；步骤B。

12、4：所述反馈光从所述多模光纤(11)中相干反馈至所述第一极化分束器(21)权利要求书CN 102955323 A3/3页4中，并在介质单元(3)中与所述泵浦光相交。17.如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤三中改变所述输出光束的步骤包括：步骤C1：所述反馈光与所述泵浦光在所述介质单元(3)中相交；步骤C2：所述反馈光与泵浦光受所述介质单元(3)的作用介质的四波混频影响，在原子相干性的增强下，放大与所述反馈光入射方向相同的光子，压缩与所述反馈光入射方向不同的光子；步骤C3：所述输出光束从所述介质单元(3)中射出，经过所述第二极化分束器(22)后。

13、在远处生成所述水平方向的亮点。如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤二中进一步包括：采用所述光学隔离器(9)设置在所述反馈光的光路中，调节所述反馈光的通过率。18.如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤二中进一步包括：采用所述玻片(8)设置在所述反馈光的光路中，调节所述反馈光的偏振方向。19.如权利要求13所述的基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括：步骤D1：采用所述第三极化分束器(23)生成第一束反馈光，所述第五极化分束器(25)在所述另一个亮点的光束中生成第二束反馈光；步。

14、骤D2：在所述第一束反馈光与所述第二束反馈光的光路中设置第四极化分束器(24)，所述第一束反馈光经过所述第一逻辑控制门(72)的控制射入所述第四极化分束器(24)中，所述第二束反馈光经过所述第二逻辑控制门(72)的控制射入所述第四极化分束器(24)中；步骤D3：所述第四极化分束器(24)透射所述第一束反馈光，并沿所述透射方向反射出所述第二束反馈光，使所述第一束反馈光与第二束反馈光合并成一条光束射入所述光纤耦合架(10)中。权利要求书CN 102955323 A1/7页5一种基于相干反馈的光学逻辑门装置及其工作方法技术领域0001 本发明涉及光学通讯领域和光学计算领域，尤其一种基于相干反。

15、馈的光学逻辑门装置及其工作方法。背景技术0002 相干反馈的原理是将输出信号与输入信号在光学系统内相干的进行相互作用。与基于测量的反馈相比，相干反馈在很多应用上部有着显著的优势，例如可以即时控制，保留相干信息和避免引入额外的测量噪声。相干反馈原理之前已经被用来动态的控制，稳定和增强光学系统的表现。例如相干反馈在量子信息领域可以用来进行量子纠错，用来提高量子压缩光源的压缩度，在超低能量光学双稳态中相干反馈控制可以用来压缩自发的开关。现在技术中基于铷原子系综的光学逻辑门的上升时间较慢，很多情况下需要用一个强光去控制弱光，而且输出逻辑水平难以保持一致。发明内容0003 本发明克服了现有技术中逻辑门上。

16、升速度较慢、需要使用强光控制弱光且输出逻辑水平难以保持一致等缺陷，提出了一种基于相干反馈的光学逻辑门装置及其工作方法。0004 本发明提出了一种基于相干反馈的光学逻辑门装置，包括：0005 激光器，其为泵浦源，所述激光器发射的光束作为泵浦光；0006 极化分束器，其透射水平偏振方向的光束，反射竖直偏振方向的光束；0007 介质单元，其用于与光束发生四波混频；0008 逻辑控制门，其用于控制光束通过或关断；0009 光纤耦合架，其与多模光纤配合，将光束通过所述多模光纤传输，并对所述反馈光进行整形；0010 其中，所述激光器发射的泵浦光射入第一极化分束器中，所述第一极化分束器反射竖直偏振方向的所述。

17、泵浦光；沿所述泵浦光的反射方向依次设置所述介质单元、第二极化分束器，所述泵浦光在所述介质单元中发生四波混频后生成输出光束，由所述第二极化分束器射出形成环形光斑与竖直方向的两个亮点；第三极化分束器从一个所述亮点的光束中生成两束反馈光；沿所述第一束反馈光的光路设置所述第一逻辑控制门，沿所述第二束反馈光的光路设置所述第二逻辑控制门，所述两束反馈光分别经所述第一逻辑控制门与第二逻辑控制门射入所述光纤耦合架和多模光纤；所述两束反馈光经所述光线耦合架、多模光纤相干反馈回所述第一极化分束器中，并在所述介质单元中与所述泵浦光相交。0011 其中，所述激光器的数量为一个。0012 其中，所述介质单元的作用介质包。

18、括85Rb原子、87Rb原子；所述介质单元的工作温度为125-135摄氏度。0013 其中，所述输出光束中包含斯托克斯光子与反斯托克斯光子；所述斯托克斯光子与反斯托克斯光子的相位固定。说明书CN 102955323 A2/7页60014 其中，所述泵浦光与所述反馈光在所述介质单元中的夹角为5mRad-8mRad。0015 其中，当相干反馈的所述反馈光与所述泵浦光在所述介质单元中相交发生四波混频，使所述输出光束中沿所述反馈光入射方向的光子得到放大，与所述反馈光入射方向不同的光子被压缩。0016 其中，进一步包括：光斑阻塞器；所述光斑阻塞器设置在所述第二极化分束器的一侧，用于阻断从所述第二极化。

19、分束器反射出的光束的传播。0017 其中，进一步包括至少一个反射镜；所述反射镜设置于所述反馈光或泵浦光的光路中，用于改变所述反馈光或泵浦光的传播方向。0018 其中，进一步包括至少一个探测器；所述探测器设置在所述亮点处，用于检测所述亮点的光线功率。0019 其中，进一步包括：光学隔离器，其设置在所述第一逻辑控制门与光纤耦合架之间，调节光束的透光率。0020 其中，进一步包括至少一个玻片；所述玻片设置在所述反馈光的光路中，用于以所述反馈光的光轴为基准，调整所述反馈光的偏振方向，并结合极化分束器调整所述反馈光的透射光强。0021 其中，进一步包括：第五极化分束器，其位于所述第三极化分束器的竖直方向。

20、上，用于从另一个所述竖直方向上的亮点的光束中生成第二束反馈光；0022 所述第三极化分束器生成第一束反馈光射入所述第一逻辑控制门，所述第五极化分束器生成第二束反馈光射入所述第二逻辑控制门。0023 其中，进一步包括：第四极化分束器，其沿所述反馈光的光路设置在所述第一逻辑控制门与第二逻辑控制门的后方，用于将从所述第一束反馈光与第二束反馈光合并成一束光束发射至所述光纤耦合架中。0024 本发明还提出了一种基于相干反馈的光学逻辑门装置的工作方法，包括：0025 步骤一：采用所述激光器发射的泵浦光经过所述介质单元发生四波混频生成输出光束，并经过所述第二极化分束器生成环形光斑与竖直方向上的亮点；0026。

21、步骤二：所述第三极化分束器从所述亮点的光束中生成两束反馈光，并通过所述第一逻辑控制门与第二逻辑控制门的控制，相干反馈回所述泵浦光中，与所述泵浦光在所述介质单元中相交；0027 步骤三：所述泵浦光与所述反馈光在所述介质单元中发生四波混频改变所述输出光束，生成所述环形光斑上水平方向上的亮点；0028 步骤四：所述竖直方向上的亮点与水平方向上的亮点作为逻辑态，通过所述第一逻辑控制门与第二逻辑控制门控制所述逻辑态。0029 其中，所述步骤一中生成所述环形光斑与竖直方向上的亮点的过程包括：0030 步骤A1：所述激光器发射竖直偏振方向的泵浦光至所述第一极化分束器中；0031 步骤A2：所述第一极化分束。

22、器将所述泵浦光反射至所述介质单元中；0032 步骤A3：所述介质单元与所述泵浦光发生四波混频生成输出光束，所述输出光束呈锥形入射至所述第二极化分束器中；0033 步骤A4：所述第二极化分束器透射出所述输出光束中水平偏振方向的光子，反射出竖直偏振方向的光子，所述透射出的光子在远处生成环形光斑与竖直方向上的亮点。说明书CN 102955323 A3/7页70034 其中，所述步骤二中生成所述反馈光并与所述泵浦光相交的过程包括：0035 步骤B1：所述第三极化分束器从所述竖直方向的亮点光束中生成所述两束反馈光；0036 步骤B2：所述两束反馈光分别通过所述第一逻辑控制门与第二逻辑控制门的控制射入。

23、所述光纤耦合架中；0037 步骤B3：所述光纤耦合架将所述反馈光通过所述多模光纤进行传输，并对所述反馈光进行整形；0038 步骤B4：所述反馈光从所述多模光纤中相干反馈至所述第一极化分束器中，并在介质单元中与所述泵浦光相交。0039 其中，所述步骤三中改变所述输出光束的步骤包括：0040 步骤C1：所述反馈光与所述泵浦光在所述介质单元中相交；0041 步骤C2：所述反馈光与泵浦光受所述介质单元的作用介质的四波混频影响，在原子相干性的增强下，放大与所述反馈光入射方向相同的光子，压缩与所述反馈光入射方向不同的光子；0042 步骤C3：所述输出光束从所述介质单元中射出，经过所述第二极化分束器后在远处。

24、生成所述水平方向的亮点。0043 其中，所述步骤二中进一步包括：采用所述光学隔离器设置在所述反馈光的光路中，调节所述反馈光的通过率。0044 其中，所述步骤二中进一步包括：采用所述玻片设置在所述反馈光的光路中，调节所述反馈光的偏振方向。0045 其中，所述步骤二进一步包括：0046 步骤D1：采用所述第三极化分束器生成第一束反馈光，所述第五极化分束器在所述另一个亮点的光束中生成第二束反馈光；0047 步骤D2：在所述第一束反馈光与所述第二束反馈光的光路中设置第四极化分束器，所述第一束反馈光经过所述第一逻辑控制门的控制射入所述第四极化分束器中，所述第二束反馈光经过所述第二逻辑控制门的控制射入所述。

25、第四极化分束器中；0048 步骤D3：所述第四极化分束器透射所述第一束反馈光，并沿所述透射方向反射出所述第二束反馈光，使所述第一束反馈光与第二束反馈光合并成一条光束射入所述光纤耦合架中。0049 本发明利用原子相干性增强的四波混频方法，采用85Rb原子系综可以同时实现光学逻辑“或”门和逻辑“或非”门。0050 本发明的光学逻辑门的上升速度在500ns以内，比现有技术中的速度快了两倍。0051 本发明光学逻辑门拥有与电子逻辑门一样的逻辑水平。例如，对于光学逻辑“或门”而言，逻辑控制门的控制的“10”，“01”和“11”的光学输入态得到的输出结果是一致的，同理对于“或非门”也是如此。0052 本发。

26、明可通过弱光(反馈光)可控制强光(泵浦光)，实现光学逻辑门的效果。由于采用部分泵浦光作为反馈光，所以不需要第二个激光源作为第二个信号输入源，降低了本发明装置的成本。说明书CN 102955323 A4/7页8附图说明0053 图1是本发明中基于相干反馈的光学逻辑门装置的组成示意图。0054 图2是85Rb原子双“”结构及四波混频过程。0055 图3是本发明中基于相干反馈的光学逻辑门装置工作方法的流程图。具体实施方式0056 结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内。

27、容。0057 如图1至图3所示，1-激光器，21-第一极化分束器，22-第二极化分束器，23-第三极化分束器，24-第四极化分束器，25-第五极化分束器，3-介质单元，4-光斑阻塞器，6-反射镜，71-第一逻辑控制门，72-第二逻辑控制门，8-玻片，9-光学隔离器，10-光纤耦合架，11-多模光纤，12-探测器。0058 图1显示的是本发明基于相干反馈的光学逻辑门装置的组成示意图。本发明基于相干反馈的光学逻辑门装置采用激光器1作为泵浦源。本实施例中，激光器1为钛宝石激光器。激光器1发射的激光作为泵浦光，入射至第一极化分束器21中。泵浦光的偏振方向为竖直方向，故泵浦光改变与原方向呈90度从第一极。

28、化分束器反射入介质单元3中。介质单元3中的作用介质为自然Rb原子，包括72的85Rb和28的87Rb。本发明利用其中处大多数的85Rb，工作时需要加热，加热区间为125-135。泵浦光与85Rb原子发生四波混频影响激发出输出光束，输出光束呈锥形发射。锥形发射的输出光束中包含斯托克斯光子与反斯托克斯。从介质单元3射出的输出光束传播至第二极化分束器22中。第二极化分束器22将入射的输出光束中竖直偏振方向的光束从其他方向射出至光斑阻塞器4中，并将水平偏振方向的光束沿入射方向射出。透射出的输出光束在远处呈现出一个光强较弱的环形光斑以及环上两个光强较高的竖直方向上的两个亮点。在其中一个亮点的光束上设置第。

29、三极化分束器23，第三极化分束器23可以将该亮点光束的部分光束形成两束反馈光折射至第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72中。第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72由声光调制器组成，可控制反馈光的通过或关断，其作为本发明光学逻辑门装置的控制端。受第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72控制的两束反馈光通过依次进入玻片8、光学隔离器9中。玻片8为1/2玻片，调节反馈光的偏振方向，光学隔离器9调节反馈光的通过率，从而调节射入至光纤耦合架10中的反馈光的光强。通过的反馈光由光纤耦合架10后由多模光纤11传输并整形，使反射光能更好地与泵浦光重合。反馈光通过光纤耦合架10与多模光纤11的传输，相干反馈至第一。

30、极化分束器21中。该反馈光在介质单元3中与泵浦光呈8mrad角度相交，与输出光束的锥形夹角的角度相同。相位相干的光子反馈回介质单元3后，发生强的受激四波混频过程，可以快速的激发输出光束中竖直方向的两个亮点旋转至水平方向，即实现了逻辑或非门和或门。本实施例中分别在竖直方向与水平方向的亮点位置设置探测器12，用于亮点的光强。进一步地，将探测器12连接至示波器，观察光强沿时间轴的变化情况。优选地，本发明在光路中设置至少一个反射镜6，反射镜6改变泵浦光或者反射光的光路，使设置光学器件更为简便，降低了本发明装置的复杂度。0059 本发明光学逻辑门装置亦可采用两束反馈光与泵浦光发生四波混频。优选地，本说。

31、明书CN 102955323 A5/7页9实施例中进一步包括第五极化分束器25、第四极化分束器24。第五极化分束器25从竖直方向上另一个亮点的光束上折射出部分光束作为第二束反馈光，第三极化分束器23只生成第一束反馈光。第二束反馈光经过第二逻辑控制门72的控制，透过射入玻片8射入第四极化分束器24中。玻片8改变了第二束反馈光的偏振方向。第二束反馈光为竖直偏振方向，故以90度方向从第四极化分束器24中垂直射出。入射第四极化分束器24的第一束反馈光为水平偏振方向，沿入射方向透射。从而第一束反馈光与第二束反馈光合并成一条光束沿相同的方向射出。0060 图2显示的是85Rb原子双“”结构及四波混频过程。

32、。其中，5S1/2、5P1/2为85Rb原子的精细结构，F2、F3为精细结构5S1/2的超精细分裂，其能级差为3.036GHz。虚线所示为85Rb原子的虚能级。泵浦光与介质单元3发生四波混频作用，其中一部分光子转化为斯托克斯光子和反斯托克斯光子，剩余的泵浦光为竖直偏振方向，而被第二极化分束器22折射至光斑阻塞器4中。产生的斯托克斯光子和反斯托克斯光子为水平偏振方向，这些光子部可以从第二极化分束器22透射出，在远处形成了竖直方向的两个亮光束和一个弱的环形光斑。0061 图3显示的是本发明基于相干反馈的光学逻辑门装置工作方法的流程图。本发明的光学逻辑门装置采用激光器1发射的泵浦光生成输出光束，形成。

33、环形光斑与竖直方向上的亮点。第三极化分束器23从该亮点光束中生成两束反馈光，并相干反馈同泵浦光中，与泵浦光相交。泵浦光与反馈光在介质单元3中发生四波混频，根据反馈光改变输出光束的光子，在环形光斑上形成水平方向的亮点。相干反馈的反馈光受到第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72的控制，同时实现光学逻辑“或”门以及光学逻辑“或非”门。0062 本实施例采用两路反馈光对原泵浦光进行四波混频，实现光学逻辑门的效果。本实施例中采用的激光器1发出一束波长为795nm，垂直偏振功率为300mW的光作为泵浦光，激光频率为85Rb原子D1线(5S1/25P1/2，795nm)，蓝失谐1.4GHz，激光线宽为100。

34、kHz。泵浦光经过第一极化分束器21这射入介质单元3中。介质单元3为含有85Rb原子的铷池。铷池的工作温度为135摄氏度以提高铷蒸汽密度，增强铷池的非线性效应。泵浦光经过铷池的激发生成输出光束，输出光束呈锥形放射至远场。锥形放射的输出光束经过第二极化分束器22后，在远处形成弱的环形光斑和环上竖直方向的两个亮点，其余光束被第二极化分束器22折射入光斑阻塞器4中。0063 在两个竖直方向上亮点的光束上分别设置第三极化分束器23与第五极化分束器25。第三极化分束器23与第五极化分束器25折射两条光束中的部分光束作为两条反馈光分别射向两个反射镜6，由两个反射镜6分别反射至第一逻辑控制门71与第二逻辑控。

35、制门72中。第一逻辑控制门71控制第一束反馈光进入第四极化分束器24中。第二逻辑控制门72控制第二束反馈光通过反射镜6反射至玻片8，由玻片8改变第二束反馈光的偏振方向后射入第四极化分束器24中。第一束反馈光为水平偏振方向，第二束反馈光为竖直偏振方向。第四极化分束器24中将第一束反馈光沿入射方向透射，将第二束反馈光沿垂直方向折射出，使两道反馈光合并成一条光束，作为相干反馈的反馈光入射至另一个玻片8中。第四极化分束器24与另一个玻片8共同调节反馈光的透射光强后，射入光学隔离器9中，该玻片8也可由其他调节透射光强的器件代替。光学隔离器9调节反馈光的通过率，光纤耦合架10将反馈光送入多模光纤11中进行。

36、传输，在传播的同时对反馈光进行整形处理，使其能与说明书CN 102955323 A6/7页10泵浦光更好地重合。反馈光经过多模光纤11的传输后通过反射镜6射入第一极化分束器21中。此时，相干反馈的反馈光的入射方向为水平方向。反馈光包括斯托克斯光子和反斯托克斯光子，其相位相干性得到很好保持，反馈光参与的四波混频过程受原子相干性增强，导致输出光束中沿反馈光入射方向(即水平方向)的光子得到很好的放大，其他方向(包括竖直方向)的光子被压缩。所以输出光束在受相干反馈的四波混频影响之后，在远处的环形光板上显示为水平方向的亮点，同时竖直方向的亮点被减弱。本实施例中采用两个探测器12对竖直方向上及水平方向。

37、上的亮点进行测量，分别获得两种亮点的光强等信息，并进一步连接到示波器上观察光强沿时间轴的变化情况。根据探测器12的测量信息得出，本发明的光学逻辑上升时间在500ns以内，是现有技术中利用铷原子系综光学逻辑门的上升速度的两倍。0064 本发明采用一个逻辑控制门的一束反馈光便能实现上述光学逻辑门的效果，优选地本实施例通过第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72对两束反馈光进行逻辑控制。本发明的光学逻辑门装置能够同时实现光学逻辑“或”门及光学逻辑“或非”门。光学逻辑门采用环形光斑上的亮点作为逻辑态。例如，“或非门”的逻辑态包括竖直方向上的上端亮点和下端亮点，“或门”的逻辑态包括水平方向上的左端亮点和右。

38、端的亮点。如下表1所示的是实施例通过光学逻辑门装置实现或门及或非门的逻辑态。0065 表1光学逻辑门装置实现或门及或非门的逻辑态0066 0067 由第一逻辑控制门71控制第一束反馈光作为输入1，由第二逻辑控制门72控制第二束反馈光作为输入2。当控制反馈光通过则代表输入“1”，关断反馈光则代表输入“0”。0068 当第一逻辑控制门71与第二逻辑控制门72被关断的情况下，介质单元3中没有反馈光与泵浦光发生四波混频，竖直方向上两个亮点未受到压缩，在环形光斑上显示为明亮的上端亮点与下端亮点，左端亮点与右端亮点为暗。若使用逻辑态“1”代表亮，逻辑态“0”代表暗，则当两个逻辑控制门的输入情况均为“0”时，“或非门”的结果为“1”，“或门”的结果为“0”，其结果与电子逻辑“或非门”和“或门”的逻辑水平一致。0069 当第一逻辑控制门71或第二逻辑控制门72被通过的情况下，介质单元3中存在反馈光与泵浦光发生四波混频，竖直方向上两个亮点受到压缩，水平方向上的亮点得到增强，在环形光斑上显示为明亮的左端亮点与右端亮点，上端亮点与下端亮点为暗。若使用逻辑态“1”代表亮，逻辑态“0”代表暗，则当两个逻辑控制门的输入情况均为“01”、“10”或“11”时，“或非门”的结果为“0”，“或门”的结果为“1”，其结果与电子逻辑“或非门”和“或说明书CN 102955323 A10。

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