三值光學計算機解碼器的信號判定系統設計

左開中

(1．安徽師范大學數學計算機科學學院，安徽蕪湖241003;2．安徽師范大學網絡與信息安全工程技術研究中心，安徽蕪湖241003)

1 引言

三值光學計算機［1－3］是一種光電混合巨并行數字計算機，其輸入信息需要從電信號表示轉換成光信號表示，而輸出信息需要從光信號表示轉換成電信號表示，前者由編碼器完成，后者由解碼器完成。三值光學計算機采用光波的無光態、一對正交線偏振態表示三值數字信息(例如:0，－1和1)。三值光學計算機解碼器的功能是自動判定三值光學運算器輸出三態光信號的物理狀態，并轉換為電信號，譯出加載在三態光信號中的三值數字信息。根據現有的光電子技術，可用光電轉換器將光波光強直接轉換為電信號。但到目前為止，還沒有可直接將光波偏振態轉換為電信號的光電器件出現。因此，判定光強與偏振態混合編碼的三態光信號的基本思想是將三態光信號分束，然后用光電轉換器將相應的光強信號轉換為電信號。孫浩和嚴軍勇對1位和9位的三值光學計算機解碼器進行了初步研究［4－5］，隨著三值光計算機實用化發展，迫切需要百位乃至千位以上三值光學計算機解碼器，本文對巨位數解碼器的關鍵問題三態光信號判定進行了系統研究。

2 三態光信號的判定原理

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

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

即:

(1)當IH和IV均為0時，S0和 S1也均為0，該入射光信號為無光態;

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

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

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

三態光信號分別通過水平偏振片和垂直偏振片后，出射光的光強IH，IV與三態光信號物理狀態之間的關系如表1所示。

表1 光強與三態光信號物理狀態

3 三態光信號的判定方法

根據上述三態光信號判定原理，判定三態光信號物理狀態的關鍵問題是測量光強度IH和IV，測量IH和IV的方法主要有四種。

3．1 旋轉偏振片法

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

3．2 液晶調制法

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，并控制在一個光信號周期的前半個周期使液晶單元旋光，即將入射光的偏振方向旋轉90°;而后半個信號周期使液晶單元不旋光，即不改變入射光偏振態。則在前半個信號周期內，測量出IH;而在后半個信號周期內，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)將入射三態光信號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，用兩個光電轉換器同時測量出IH和IV。

3．4 偏振分束法

如圖1(d)所示，根據偏振分束鏡PBS的基本原理，當一束三態光信號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，出射光只有Bh(或Bv)一束，且Bh(或Bv)的光強度同B0的光強度相同。用光電轉換器Dh和Dv分別測量出IH和IV。

圖1 三態光信號的判定方法

4 三態光信號判定方法的選擇

上述四種三態光信號判定方法各有優缺點:

(1)旋轉偏振片法僅需一個檢偏器和一個光電轉換器，結構簡單，無需分光。但需要手工或機械旋轉偏振片，速度較慢;而液晶調制法、分振幅法和偏振分束法均不需要手工操作，實時性高。

(2)液晶調制法僅需一個液晶和一個光電轉換器，結構也較簡單，無需分光。但是，液晶像素需要電信號或光信號來控制其旋光，由于受液晶響應時間的限制，相對于分振幅法和偏振分束法，速度較慢。

(3)旋轉偏振片法和液晶調制法需要分兩次分時測量IH，IV;而分振幅法和偏振分束法可同時測量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偏振片法和液晶調制法更適合于三值光學計算機解碼器。分振幅法和偏振分束法相比較:

(1)分振幅法的優點:分束器和偏振片是比較常用的光學器件而且價格較低;其缺點是:①結構比偏振分束法稍復雜;②需要分振幅而導致光強度減半。但只要初始光信號的強度較高，各分光束仍會有足夠的光強度區分無光態和有光態，就不影響三態光信號的判定結果。從前期完成的實驗可以肯定這個條件很容易實現。

(2)偏振分束法的優點是:結構簡單易于安裝，兩束正交線偏振光從不同通光出口出射;其缺點是:①偏振分束鏡的通光口徑較小，大約在5～50 mm之間，遠小于三值光學計算機運算器所用的液晶陣列和偏振片，兩者不易級聯;②大口徑的偏振分束鏡非常昂貴。

因此，從性價比、易于同運算器級聯以及工程實現性等因素綜合考慮，分振幅法判定法更適合于三值光學計算機解碼器。

5 分振幅式三態光信號判定系統

根據三態光信號分振幅判定法，設計了一種分振幅式三態光信號判定系統，如圖2所示。

圖2 分振幅式三態光信號分束系統

分振幅式三態光信號判定系統由三態光信號分束系統和光電轉換系統組成，其中:三態光信號分束系統由半反半透鏡M1、全反鏡M2、水平偏振片HP和垂直偏振片VP組成，實現將三值光學計算機運算器輸出的三態光信號陣列TOS分離為水平偏振光信號陣列TOSH和垂直偏振光信號陣列TOSV;光電轉換系統由透鏡L1和L2以及光電轉換器陣列PDAH與PDAV組成，用于測量水平偏振光信號陣列TOSH和垂直偏振光信號陣列TOSV的每束光信號對應電信號值。根據表1，很容易判定入射解碼器的三態光信號的物理狀態。

6 運算器鏡像式三態光信號判定系統

輸入解碼器的三態光信號與光電轉換器陣列輸出電信號之間的準確一一對應是實現正確解碼的前提。

對上述討論的分振幅式三態光信號判定系統而言，如果光學系統設計正確，光電轉換器陣列設計適當，各器件安裝穩固，那么，理論上通過光路調節和電路調試可實現三態光信號與電信號之間準確對應。

然而，在實際工程環境中，限于制造工藝和技術，系統中的各關鍵光學組件的參數均無法達到理想條件。例如，可能存在光學系統的信號空間傳輸方向上的誤差、光學透鏡設計誤差、光學運算器的液晶陣列像素與光電轉換器陣列的光電轉換單元間在大小、填充因子等方面的差異，這些因素都會導致液晶像素和光電轉換器光電轉換單元間無法準確對準，從而無法實現輸入光信號與輸出電信號間準確對應。

實際上，根據平面鏡的鏡像原理，圖2中的平面鏡M1和M2等價于給光電轉換器陣列PDA_V設置了一個光學運算器的鏡像，于是，圖2可等價于圖3，形成一種運算器鏡像式三態光信號判定系統。

圖3 運算器鏡像式三態光信號判定系統

運算器鏡像式三態光信號判定系統的優點是:

(1)去除了平面鏡M1和M2，避免了光學系統的信號空間傳輸方向上的誤差導致輸入輸出信號對應問題;

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

(3)相對于圖2中的結構，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。

運算器鏡像式三態光信號判定系統的缺點是增加了一個光學運算器，但考慮液晶陣列像素個數較多，例如:商用的STN液晶顯示器分辨率都達到240×320以上，而TFT液晶更是高達1600×1200以上。因此，可以很容易在一個液晶陣列上制作滿足三值光學計算機數據寬度要求的兩個鏡像光學運算器。

所以，在三值光學計算機解碼器中采用運算器鏡像式三態光信號判定系統。

7 實驗與結果分析

采用商用CMOS圖像傳感器作為光電轉換器陣列，32位嵌入式微處理器ARM7為控制核心，基于運算器鏡像式三態光信號判定系統，設計并實現了一種三值光學計算機解碼器。每位三態光信號，經運算器鏡像法分束后，成像到兩個CMOS圖像傳感器上轉換為一對電信號圖像，然后將該對電信號圖像二值化為0或者1，根據三態光信號判定原理可判定該位光信號的物理狀態，并轉換為對應三值數據。

本實驗用三值光學計算機編碼器［6］輸出作為解碼對象，為便于觀察實驗結果，將多位十進制數轉換為對稱三進制數［7］，然后，編碼為三態光信號。解碼器將多位十進制數對應三態光信號解碼為對應多位電信號，并轉換為多位對稱三進制數。實驗數據和結果如圖4～圖6所示。

圖4 解碼器實驗－實驗數據

圖5 解碼器實驗－解碼中間結果

圖6 解碼器實驗－確碼結果

實驗結果表明根據本文設計的運算器鏡像式三態光信號判定系統而制作解碼器能夠正確地將三態光信號解碼為三值電信號，并轉換為對應的三值數字。因此，運算器鏡像式三態光信號判定系統原理上是正確、工程上是可行的。

8 結論

深入研究了偏振三態光信號判定原理和方法，在分振幅式三態光信號判定方法的基礎上，設計并實現了運算器鏡像式三態光信號判定系統，對三值光學計算機編碼器輸出結果進行了解碼實驗，論證該系統的正確性和可行性，為下一步研究千位并行實用化三值光學計算機解碼器奠定了基礎。

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