基于拓扑光子法拉第旋光器级联的光学基本逻辑运算系统

本发明涉及光计算，具体涉及一种基于拓扑光子法拉第旋光器级联的光学基本逻辑运算系统。

背景技术：

1、光计算是采用光作为信息的基本载体，利用光的波动性、粒子性以及光和物质相互作用的原理进行信息处理或数据运算的新型计算技术，具有高速率、低延迟、高并行能力、低传输能耗、不易受干扰、编码维度丰富等突出优点，可用于克服传统电子计算体系存在的“冯·诺依曼瓶颈”、摩尔定律放缓、“功耗墙”等问题，光计算已成为业界认可的新型计算架构方向。

2、光学基本逻辑运算是电计算往光计算发展的纽带，在超大容量信息处理、加密无线通讯以及场景增强等领域有潜在应用。现有光学基本逻辑运算主要基于半导体器件和光纤中的非线性效应，通过激发半导体光放大器、高非线性光纤、色散位移光纤或光子晶体光纤等的交叉相位调制、自相位调制或四波混频等非线性克尔效应实现与、或、非逻辑功能，具有较快的运算速度。然而，现有技术方案仍存在缺陷，一方面传统非线性介质或器件的低非线性响应系数会导致高功耗，另一方面系统复杂、不够稳定以及成本高，因此，现有光学基本逻辑运算系统还有待改进和发展的空间。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种基于拓扑光子法拉第旋光器级联的光学基本逻辑运算系统，旨在解决现有逻辑运算系统复杂、能耗高以及稳定性弱等问题，通过对拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度进行调控和编码，其与改变偏振方向的偏振片配合实现与、或、非等基本逻辑运算，其结构简单，无需非线性介质或器件参与，便于操作以及效率高，并且其所采用的拓扑光子法拉第旋光器具有很高的缺陷免疫特性，可大幅降低对加工工艺和使用环境的要求。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种基于拓扑光子法拉第旋光器级联的光学基本逻辑运算系统，包括：入射光调控模块、拓扑光子法拉第旋光器级联模块以及光强检测模块；

4、所述入射光调控模块用于耦合和调控入射光的偏振态，产生线偏振光；

5、所述拓扑光子法拉第旋光器级联模块用于控制偏振角度旋转，所述拓扑光子法拉第旋光器级联模块包括多个用于偏振角旋转的拓扑光子法拉第旋光器，以及用于改变偏振方向的偏振片；

6、所述光强检测模块用于探测透射光强度；

7、所述入射光调控模块产生的线偏振光经过拓扑光子法拉第旋光器级联模块，对拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度进行调控和编码，与偏振片配合控制偏振角的旋转，通过光强检测模块进行光强探测，实现光学基本逻辑运算。

8、作为优选的技术方案，所述拓扑光子法拉第旋光器包括一维拓扑光子晶体结构和磁光介质，所述一维拓扑光子晶体结构包括两个具有不同拓扑不变量的一维光子晶体，用于形成光场局域增强磁光介质的法拉第旋转效应。

9、作为优选的技术方案，所述一维拓扑光子晶体结构的组分材料为二氧化钛和二氧化硅。

10、作为优选的技术方案，所述磁光介质采用石墨烯、二硒化钨、二硒化钼中的任意一种。

11、作为优选的技术方案，所述入射光调控模块包括激光器、第一偏振片，所述激光器用于产生高斯光，所述第一偏振片采用偏振方向与x轴平行的偏振片。

12、作为优选的技术方案，所述拓扑光子法拉第旋光器级联模块包括第一拓扑光子法拉第旋光器、第二拓扑光子法拉第旋光器、第二偏振片；

13、所述第一拓扑光子法拉第旋光器、第二拓扑光子法拉第旋光器均采用可通过外磁场编码调控偏振角旋转的拓扑光子法拉第旋光器；

14、所述第二偏振片采用偏振方向与y轴平行的偏振片；

15、所述激光器经过第一偏振片后形成偏振方向与x轴平行的线偏振光，当第一拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为t时，第二拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为t或者为0时，光强检测模块检测得到光强；

16、当第一拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为0，第二拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为t时，光强检测模块检测得到光强，而当第二拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度也为0时，光强检测模块检测不到光强；

17、将第一拓扑光子法拉第旋光器、二拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度，以及输出光强编码为二进制信号，实现或门逻辑运算。

18、作为优选的技术方案，所述拓扑光子法拉第旋光器级联模块包括第一拓扑光子法拉第旋光器、第二拓扑光子法拉第旋光器、第二偏振片；

19、所述第一拓扑光子法拉第旋光器采用可通过外磁场编码调控偏振角旋转的拓扑光子法拉第旋光器；

20、所述第二拓扑光子法拉第旋光器采用偏振角旋转固定的拓扑光子法拉第旋光器；

21、所述第二偏振片采用偏振方向与x轴平行的偏振片；

22、所述激光器经过第一偏振片后形成偏振方向与x轴平行的线偏振光，当第一拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为t时，光强检测模块检测不到光强；

23、当第一拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为0时，光强检测模块检测得到光强；

24、将第一拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度，以及输出光强编码为二进制信号，实现非门逻辑运算。

25、作为优选的技术方案，所述拓扑光子法拉第旋光器级联模块包括第一拓扑光子法拉第旋光器、第二拓扑光子法拉第旋光器、第二偏振片；

26、在第一拓扑光子法拉第旋光器和第二拓扑光子法拉第旋光器之间还设有第三偏振片；

27、所述第一拓扑光子法拉第旋光器、第二拓扑光子法拉第旋光器均采用可通过外磁场编码调控偏振角旋转的拓扑光子法拉第旋光器；

28、所述第二偏振片采用偏振方向与x轴平行的偏振片；

29、所述第三偏振片采用偏振方向与y轴平行的偏振片；

30、所述激光器经过第一偏振片后形成偏振方向与x轴平行的线偏振光，当第一拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为t，第二拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为t时，光强检测模块检测得到光强，而当第二拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为0时，光强检测模块检测不到光强；

31、当第一拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为0，第二拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度为t或者为0时，光强检测模块检测不到光强；

32、将第一拓扑光子法拉第旋光器、二拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度，以及输出光强编码为二进制信号，实现与门逻辑运算。

33、作为优选的技术方案，所述光强检测模块采用光功率计。

34、作为优选的技术方案，磁场强度设置为t时，拓扑光子法拉第旋光器的偏振角旋转45°。

35、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

36、(1)本发明可通过对拓扑光子法拉第旋光器的磁场强度进行调控和编码，与改变偏振方向的偏振片配合实现与、或、非基本逻辑运算，其结构简单，无需非线性介质或器件参与，突破了传统逻辑运算系统不稳定、能耗高以及效率低下等不足。

37、(2)本发明的拓扑光子法拉第旋光器包括拓扑光子晶体和磁光介质，可充分利用拓扑光子晶体具有强光场局域和缺陷免疫特性，增强磁光介质的法拉第旋转效应，降低对加工工艺和使用环境的需求。