Một số tìm hiểu về khóa quang tử và máy tính quang tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VÕ HOÀNG TÂN MỘT SỐ TÌM HIỂU VỀ KHÓA QUANG TỬ VÀ MÁY TÍNH QUANG TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Nghệ An, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VÕ HOÀNG TÂN MỘT SỐ TÌM HIỂU VỀ KHÓA QUANG TỬ VÀ MÁY TÍNH QUANG TỬ Chuyên ngành: Quang Học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS CHU VĂN LANH Nghệ An, 2015 i Tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy - Cô dìu dắt, truyền đạt kiến thức quý báu thời gian học vừa qua trường đại học Vinh liên kết với đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Chu Văn Lanh, người trực tiếp tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn nhà khoa học giúp đỡ, đóng góp ý kiến quý báu liên quan đến nội dung luận văn Cảm ơn Ban lãnh đạo phòng đào tạo sau đại học – Trường Đại học Vinh, với đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành chương trình Cao học Xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân bạn bè động viên chia khó khăn thời gian qua Xin chân thành cảm ơn Tác giả ii MỤC LỤC Trang Mở đầu Chương LINH KIỆN QUANG TỬ 1.1 Linh kiện quang điện 1.1.1 Biến điệu quang điện 1.1.2 Linh kiện quét tia laser 1.1.3 Bộ liên kết định hướng 1.2 Linh kiện quang phi tuyến 1.2.1 Máy phát hòa âm bậc hai 1.2.2 Các trộn ba sóng 10 1.2.3 Gương liên hợp pha 11 1.2.4 Laser soliton 14 1.3 Linh kiện quang âm 16 1.3.1 Cách tử Bragg 16 1.3.2 Linh kiện biến điệu quang âm 17 1.3.3 Linh kiện quét tia quang âm 19 1.3.4 Linh kiện chuyển tiếp quang tử 20 1.4 Kết luận chương 22 Chương KHÓA QUANG TỬ VÀ MÁY TÍNH QUANG TỬ 23 2.1 Khóa quang tử 23 2.1.1 Khóa 23 2.1.2 Khóa quang – cơ, quang – điện, quang – âm quang – từ 24 2.2 Khóa toàn quang 28 2.3 Linh kiện lưỡng ổn định quang học 31 2.3.1 Hệ lưỡng ổn định 31 2.3.2 Nguyên lý lưỡng ổn định quang học 33 2.3.3 Linh kiện lưỡng ổn định quang học 35 iii 2.3.4 Linh kiện lưỡng ổn định lai điện tử quang học 38 2.4 Máy tính quang tử 39 2.4.1 Mô hình máy tính quang tử 39 2.4.2 Xử lý tương tự quang 41 2.5 Kết luận chương 46 KẾT LUẬN CHUNG 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cùng với phát triển xã hội, người có yêu cầu cao công việc đời sống Do đó, họ bắt đầu chế tạo máy móc thông minh để đáp ứng nhu cầu mình, số máy vi tính Từ máy tính điện tử kĩ thuật số giới đời đến nay, kỹ thuật máy tính ứng dụng rộng rãi lĩnh vực hoạt động loài người, phát triển mạnh với tốc độ nhanh Các linh kiện điện tử máy tính không ngừng đổi mới, phát triển theo hướng cực tiểu hóa, khiến chức không ngừng mở rộng hoàn thiện Do sử dụng mạch tổ hợp quy mô lớn quy mô siêu lớn, khiến tốc độ tính máy tính tăng lên lớn, ngược lại công suất tiêu hao nhiều Ngày kỹ thuật máy tính lại đứng trước cách mạng Các nhà khoa học gửi gắm vào kỹ thuật quang học phát triển máy tính hệ mới, tức máy tính quang tử Như biết, tốc độ ánh sáng nhanh so với tốc độ dòng điện nhiều lần Điều ảnh hưởng lớn đến tốc độ truyền liệu khoảng cách dài Đây yếu tố dẫn đến phát triển công nghệ Trong máy tính quang tử, dùng cáp quang để chuyển tín hiệu quang, loại linh kiện quang học linh kiện logic điều khiển tín hiệu quang hợp thành loại mạch quang học, dùng tín hiệu quang để thực lưu trữ tính toán suy luận logic tín hiệu quang khác truyền theo kênh kênh song hành, không nhiễu lẫn Nhà điện tử học tiếng nước Mỹ Piore dự đoán: “sau năm 2000, máy tính quang tử thay máy tính điện tử, cuối trở thành loại kỹ thuật máy tính chủ yếu” Chính tầm quan trọng máy tính quang tử mà chọn đề tài: “Một số tìm hiểu khóa quang tử máy tính quang tử” Mục đích nghiên cứu đề tài Tìm hiểu khóa quang tử máy tính quang tử Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài - Tìm hiểu linh kiện quang tử sử dụng công nghệ mạng thông tin - Tìm hiểu khái quát số khóa quang tử - Nêu mô hình cấu trúc máy tính quang tử - Nêu phép tính toán học trình xử lý tương tự quang Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng : Các linh kiện quang tử khóa quang tử Phạm vi : Đề tài nghiên cứu vấn đề tìm hiểu số loại khóa quang tử sử dụng để điều khiển tín hiệu quang máy tính quang tử Phương pháp nghiên cứu đề tài Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết Ý nghĩa lý luận thực tiễn luận văn Kết luận văn nhằm giới thiệu khóa quang tử máy tính quang tử Làm tài liệu tham khảo cho học viên cao học cho quan tâm Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn trình bày theo hai chương : Chương : Linh kiện quang tử Chương : Khóa quang tử máy tính quang tử Chương Linh kiện quang tử Những tượng phi tuyến laser có công suất lớn gây gợi ý nhiều ứng dụng thực tế ngày phát triển với hy vọng mở thời đại mới, thời đại quang tử, có xu thay thời đại điện tử tương lai gần Một số ứng dụng laser đời sống, thay dần vai trò điện tử trở thành thực số đề xuất ứng dụng khác nghiên cứu hoàn thiện Trong chương đề cập đến số ứng dụng laser, thông qua linh kiện quang tử nghiên cứu, số đưa vào sử dụng thực tế 1.1 Linh kiện quang điện 1.1.1 Biến điệu quang điện Nguyên lý hoạt động: Giả sử có điện trường E đủ mạnh truyền môi trường, chiết suất môi trường phi tuyến hàm E Ta khai triển hàm thành chuỗi Taylor xung quanh giá trị E = , tức là: ⎛ d 2n ⎞ ⎛ dn ⎞ n( E ) = n + ⎜ E E + + ⎜ ⎟ ⎟ ⎝ dE ⎠ E =0 ⎝ dE2 ⎠ E =0 Đặt χ = − θ= (1.1) ⎛ dn ⎞ hệ số Pockel (hệ số điện – quang tuyến tính) n3 ⎜⎝ dE ⎟⎠ E =0 ⎛ d 2n ⎞ ⎜ ⎟ hệ số Kerr (hệ số điện – quang bậc hai) n ⎝ dE2 ⎠ E =0 2 Do đó: n( E ) = n − χ n E − θ n3 E + (1.2) Đối với vật liệu có môi trường đẳng hướng : n( E ) = n − χ n E gọi môi trường Pockel Đối với môi trường có tính đối xứng thì: n( E ) = n − θ n E gọi môi trường Kerr Khi ánh sáng qua môi trường điện – quang Pockel áp điện trường E , chiết suất môi trường thay đổi, dẫn đến pha ánh sáng dịch lượng: ϕ = n ( E ) k0 L = 2π λ0 (1.3) n(E ) L Trong đó: L chiều dài môi trường, λ0 bước sóng ánh sáng chân không Ta tính độ dịch pha: ϕ= Với ϕ0 = 2π ⎛ ⎞ πχ n EL n χ n E L ϕ − ⎟ = 0− λ λ0 ⎜⎝ ⎠ 2π nL λ0 (1.4) pha ban đầu Giả sử điện áp đặt vào môi trường, có chiều dày d V , E = Ta được: ϕ = ϕ0 − ⎛V ⎝d πχ n3 ⎜ λ0 V d ⎞ ⎟L ⎠ = ϕ − π V Trong đó: V = d λ0 gọi điện áp π Vπ Lχ n nửa bước sóng, tức điện áp làm cho pha dịch lượng π Như cách thay đổi điện áp đặt vào môi trường Pockel, ta thay đổi pha sóng ánh sáng Linh kiện có tính chất gọi biến điệu Cấu trúc: Thông thường tinh thể NH H PO4 ( ADP ) , KH PO4 ( KDP ) , LiNbO3 , LiTaO3 CdTe sử dụng làm tế bào Pockel Có dạng cấu trúc: Biến điệu dọc (hình 1.1a), biến điệu ngang (hình 1.1b), biến điệu sóng chạy ngang (hình 1.1c) [1] V d V L a) b) L c) V Hình 1.1 a) Biến điệu dọc Các cực vòng đệm, ống vật liệu dẫn suốt b) Biến điệu ngang c) Biến điệu sóng chạy ngang Ứng dụng: Ngoài chức dùng để biến điệu pha, biến điệu quang – điện chế tạo linh kiện tích hợp quang Tốc độ làm việc linh kiện cao (>1000 GHz) sử dụng điện áp thấp Một ứng dụng khác chúng sử dụng để biến điệu cường độ ánh sáng đặt giao thoa kế 1.1.2 Linh kiện quét tia laser Nguyên lý hoạt động: Đặt điện áp (V ) vào lăng kính có chiết suất n , góc đỉnh α , độ dày d làm cho chiết suất lăng kính thay đổi lượng Δn , góc tia sáng thay đổi lượng: 1 V Δβ = αΔn = − αχ n3 E = − αχ n 2 d (1.5) Khi thay đổi điện áp góc Δβ thay đổi, góc ló tia sáng thay đổi Nếu điện áp thay đổi liên tục với độ mịn đó, tia ló quét liên tục với độ phân giải: Δβ 1αχ n 3VD V = = N≈ δβ 2λ0 d 2Vπ Ở đây: δβ = λ0 D (1.6) góc phân kỳ chùm tia, D bán kính vết chùm tia Cấu trúc: Linh kiện quét tia laser thường có cấu hình sử dụng lăng kính kiểu góc vuông (hình 1.2a) thiết kế theo kiểu xếp liên tục cách thay đổi chiều điện áp đặt vào (hình 1.2 b) [1] 35 I P Ivào ζ1 ζ2 Hình 2.18 Đường cong trễ mô tả quan hệ vào Đường đứt đoạn đặc trưng cho trạng thái không ổn định [1] Tính không ổn định trạng thái trung gian xem xét điểm P hình 2.18 Một thay đổi nhỏ I gây thay đổi nhanh hàm truyền ℑ ( I ) độ nghiêng dương lớn (hình 2.17a) Ngược lại, thay đổi hàm ℑ ( I ) làm cho I thay đổi lớn Hàm phi tuyến hình chuông ℑ ( I ) sử dụng ví dụ mô tả Trong thực tế nhiều hàm phi tuyến có tính lưỡng ổn định, có tính chất đa ổn định, tức là, nhiều giá trị đầu ứng với giá trị đầu vào 2.3.3 Linh kiện lưỡng ổn định quang học Linh kiện lưỡng ổn định quang học có phần tử phi tuyến đặt hệ quang cho cường độ tín hiệu điều khiển hệ số truyền qua hệ theo hàm ℑ ( I ) Linh kiện phi tuyến tán sắc: Giao thoa Match-Zehnder với môi trường Kerr linh kiện lưỡng ổn định phi tuyến tán sắc Sơ đồ thiết kế hình 2.19 Chiết suất môi trường Kerr thay đổi theo cường độ sau: n = n0 + n2 I (2.2) đó, n0 chiết suất môi trường Kerr ánh sáng, n2 hệ số chiết suất phi tuyến dẫn xuất từ độ cảm phi tuyến bậc ba 36 Trong giao thoa kế Match-Zehnder, môi trường phi tuyến đặt vào nhánh Hệ số truyền công suất tính sau: ℑ= ⎛ ⎞ 1 d + cos ⎜ 2π n + ϕ0 ⎟ 2 ⎝ λ0 ⎠ (2.3) đó, d độ dày môi trường, λ0 bước sóng ánh sáng chân không ϕ0 pha ban đầu Sau thay (2.2) vào (2.3), ta có: ℑ ( I ) = ⎛ ⎞ 1 d + cos ⎜ 2π n2 I + ϕ ⎟ 2 ⎝ λ0 ⎠ (2.4) đó, ϕ = ϕ0 + ( 2π d / λ0 ) n0 số pha Như hình 2.19, hệ số truyền công suất hàm có chu kỳ lặp dạng hình chuông Dạng hình chuông hệ số truyền qua cho tính lưỡng ổn định n ℑ ( I ) d Ira Ivào Ira λ0 I n2 d Hình 2.19 Giao thoa Mach-Zehnder với môi trường phi tuyến hàm hệ số truyền qua [1], [3] Trong Etalon Fabry-Perot có khoảng cách hai gương d (cũng độ dày môi trường), hệ số truyền công suất có dạng: ℑ= ℑmax + ( 2ℜ / π ) sin ⎡⎣( 2π d / λ0 ) n + ϕ0 ⎤⎦ (2.5) đó, ℑ, ℜ, ϕ0 số Sau thay biểu thức chiết suất (2.2) vào (2.5) ta có: ℑ= ℑmax + ( 2ℜ / π ) sin ⎡⎣( 2π d / λ0 ) n2 I + ϕ ⎤⎦ 2 (2.6) 37 đó, ϕ số Cấu tạo hàm truyền trình bày hình 2.20 ℑ ( I ) d n Ivào Ira λ0 Ira I 2n2 d Hình 2.20 Giao thoa Fabry-Perot chứa đầy môi trường có chiết suất n điều khiển cường độ ánh sáng [1], [3] Linh kiện lưỡng ổn định quang học tự điều khiển: Phản hồi quang học ngược cần thiết cho trình lưỡng ổn định trình bày linh kiện gọi phản hồi ngoại, tức phải trích phần ánh sáng để đưa vào điều khiển Trong số linh kiện lưỡng ổn định, phản hồi quang học ngược phản hồi nội, tức thân cường độ qua môi trường đóng vai trò phản hồi Trong hình 2.21 ví dụ Buồng cộng hưởng quang học chứa đầy môi trường phi tuyến có chiết suất n điều khiển cường độ I tồn buồng cộng hưởng, thay cho cường độ I Do I = ℑ0 I , đó, ℑ0 hệ số truyền qua gương ra, nên cường độ I có tác dụng vào môi trường giống I với số xác định Khi môi trường Kerr hệ số truyền qua Etalon Fabry-Perot là: ℑ= ℑmax + ( 2ℜ / π ) sin ⎡⎣( 2π d / λ0 ) n2 I / ℑ0 + ϕ ⎤⎦ (2.7) 38 ℑ ( I ) d n, I Ivào Ira λ0 ℑ0 2n2 d I Hình 2.21 Linh kiện lưỡng ổn định tự điều khiển [1], [3] 2.3.4 Linh kiện lưỡng ổn định lai điện tử quang học Các linh kiện mà bàn luận phạm vi toàn quang Hệ lưỡng ổn định lai điện tử quang học, đó, có tác động điện trường nghiên cứu sử dụng Ví dụ, tế bào Pockel đặt vào Etalon Fabry-Perot (hình 2.22) Điện cực V Ira Ivào Gương Đầu thu Ống dẫn sóng Kerr Hình 2.22 Linh kiện lưỡng ổn định tích hợp quang [1] Ánh sáng thu photodiode Điện áp sau photodiode tỉ lệ thuận với ánh sáng Điện áp đưa vào điều khiển tế bào, làm thay đổi chiết suất tỉ lệ thuận với cường độ Khi sử dụng tinh thể Litium Niobat vật liệu quang – điện, linh kiện đạt thời gian chuyển mạch 1ns , công suất chuyển mạch gần 1μW lượng chuyển mạnh gần fJ Sản phẩm tích hợp quang sử dụng hệ thành sản phẩm Hệ số truyền qua linh kiện là: 39 2 ⎧ ⎛ V ⎞ ⎫⎪ ⎛π ⎞ ⎪1 ℑ = ⎜ ⎟ sin ⎨ + ⎜ ⎟ ⎬ ⎝2⎠ ⎝ V0 ⎠ ⎪⎭ ⎪⎩ (2.8) Theo nguyên lý trình bày hình 2.22, số mẫu lưỡng ổn định lai quang – điện khác thiết kế Ví dụ thứ nhất, sử dụng tế bào Pockel đặt vào hai kính phân cực, sử dụng photodiode thu ánh sáng đưa vào điều khiển Ví dụ thứ hai, sử dụng liên kết sợi quang phi tuyến kết hợp với photodiode Ngoài linh kiện trên, thời gian gần đây, linh kiện lưỡng ổn định quang học sử dụng giao thoa Mach-Zehnder quang sợi bốn cổng, hai cổng, hay giao thoa Michelson phi tuyến đóng, bán đóng nghiên cứu đề xuất phát triển 2.4 Máy tính quang tử 2.4.1 Mô hình máy tính quang tử Máy tính điện tử số chế tạo từ vô số chuyển mạch cổng logic, khóa phần tử nhớ Một số đặc trưng cho hệ nhị phân “0” “1” phép tính logic Các lệnh điều khiển mã hóa dạng hàng loạt số nhị phân Thực tế, chế tạo máy tính quang thay cho máy tính điện tử Phần cứng quang cần thiết cho máy tính trình bày thảo luận chương trước Các cổng điện tử, khóa điện tử, phần tử nhớ điện tử thay linh kiện quang tương ứng Các chuyển mạch điện mạch tích hợp thay ống dẫn quang quang tích hợp; dây dẫn điện thay sợi quang; bit “1” “0” thay cường độ ánh sáng “sáng” “tối” Các tín hiệu điện đưa vào hệ thay xung ánh sáng có tốc độ (cùng độ rộng); cấu hình hoàn toàn giống máy tính điện tử 40 Mặc dù kích thước, tốc độ lượng chuyển tiếp, công suất chuyển tiếp linh kiện quang cho ta khả chế tạo máy tính quang thay cho máy tính điện tử Nhưng, chương trước, khóa quang học nhanh, chế tạo mảng lớn Hạn chế ngược lý thuyết công nghệ Một điều quan trọng là, khác lớn điện tử quang tử, song máy tính quang trở thành thực đạt nhiều lợi Trong mạch điện, để dẫn điện tử, cần phải có dây dẫn, đường vi mạch, kênh dẫn phẳng mạch tích hợp Nhưng quang tử, không cần linh kiện dẫn mà liên kết chân không đáp ứng Một lượng lớn điểm hai mặt phẳng song song tạo nên hệ kết nối cho mạng không gian ba chiều Ví dụ, 104 điểm mặt phẳng đầu vào kết nối với 104 điểm mặt phẳng đầu ra, hay điểm mặt phẳng chứa 106 điểm mặt phẳng đầu vào kết nối với 100 điểm 106 điểm mặt phẳng đầu Như vậy, cách kết nối toàn cầu máy tính quang học cho ta nhiều khả kết nối so với máy tính điện tử Giả thiết có hệ máy tính hình 2.23, mảng N cổng (ví dụ N = 106 ) kết nối theo cấu trúc không gian Mỗi cổng kết nối địa phương hay toàn cầu với số nhỏ hay số lớn cổng khác theo sơ đồ xác định, ví dụ kết nối với khối điều khiển trung tâm, với khối mã hóa, với khối tính toán logic,…Một máy tính quang lập trình hay cấu trúc lại cách thay đổi không gian kết nối 41 Gương Gương Kết nối cổng Gương Tín hiệu vào Gương Tín hiệu Hình 2.23 Cấu hình máy tính số toàn quang [1] Các linh kiện quang tử lưỡng ổn định chế tạo thành máy logic liên tiếp Ví dụ cổng NOR Mỗi cổng có hai đầu vào đầu Chùm tia đầu cổng lại kết nối với đầu vào chọn cổng khác theo không gian Còn máy tính điện tử, cách kết nối thực mặt phẳng Bản đồ kết nối mã hóa máy tính Các liện đầu vào dạng chùm ánh sáng kết nối trực tiếp với cổng đầu vào số lớn cổng dẫn đến đầu xử lý số liệu Khi phép tính song song phần tử xử lý số liệu kết nối kết hợp với với tốc độ chuyển tiếp lớn, kết cho công suất tính toán lớn Do cổng hoạt động song song, nên tốc độ truyền liệu tích N cổng với tốc độ cổng Ví dụ, N = 106 cổng hoạt động với tốc độ chuyển tiếp 0,1ns , hệ thực 106 bit giây Tốc độ lớn gần với tốc độ xử lý óc người lớn nhiều bậc so với tốc độ máy tính điện tử Tuy nhiên, số lượng cổng bị hạn chế giới hạn photon Khó khăn kỹ thuật nằm chỗ: tạo mảng có mật độ cổng logic lớn với lượng chuyển tiếp nhỏ suy giảm công suất nhỏ 2.4.2 Xử lý tương tự quang 42 Trong sử dụng hiệu dung lượng lớn kết nối không gian máy tính số cần phải chờ đợi phát triển mảng lớn khóa quang cổng quang, máy tính quang học tương tự sử dụng khả xử lý số liệu xử lý ảnh, xử lý tín hiệu rada…các phép tính toán học trình xử lý tương tự kết hợp phép cộng phép nhân, thực nhiều lần, song song nhờ mạng quang học lớn kết nối Về mặt lý thuyết, phép tính tuyến tính thực nhờ sử dụng phép tính Các phần tử dẫn sử dụng để chế tạo kết nối linh kiện quang thông dụng (thấu kính,…), linh kiện quang – âm hologram sử dụng nhiều Biến phép tính toán học đặc trưng đại lượng sau: Đối với xử lý quang không kết hợp, cường độ quang hay cường độ phản xạ, truyền qua suốt, hay biến điệu không gian sử dụng biến tính toán Các biến phải dương thực, có giá trị âm Đối với xử lý quang kết hợp, biên độ phức, độ truyền qua phức, hay độ phản xạ phức biến điệu hay suốt sử dụng biến tính toán Các biến phải phức Quang học kết hợp chấp nhận sử dụng hologram biến điệu pha phần tử kết nối Phép nhân thực cách truyền (hoặc phản xạ) ánh sáng qua suốt, hay biến điệu (ví dụ biến điệu quang – âm) Trong xử lý kết hợp, biên độ phức nhân với hệ số truyền qua biên độ, xử lý không kết hợp, trình xử lý nhân với hệ số truyền qua cường độ Phép cộng nhận chùm tia định tuyến vào điểm Trong xử lý kết hợp, biên độ cộng lại với nhau, xử lý không kết hợp, cường độ cộng lại với 43 Xử lý quang có tính hai chiều độc lập, liệu thể dạng mảng hai chiều ảnh hai chiều Điều cho khả lớn kết nối nhiều sơ đồ xử lý tín hiệu đáng quan tâm Sau đây, ta nghiên cứu số cách xử lý tín hiệu Xử lý rời rạc: quan tâm đến phép tính như: cộng, tách, nhân nội nhân ngoại Cộng: phép lấy tổng g = ∑ flm thực sơ đồ kết nối quét (ví l ,m dụ sử dụng thấu kính hình 2.24) Các biến đầu vào f lm ( l , m = 1, 2, , N ) cường độ N chùm tia Các chùm cộng lại cho cường độ g đầu Phép tách: phép tách gl = ∑ flm thực cách chọn giá trị đầu vào m cột hay hàng mặt phẳng đầu vào sử dụng sơ đồ kết nối để định tuyến cột hàng vào điểm xác định mặt phẳng đầu (hình 2.25) [1] f11 f12 f11 f12 g1 g2 g f NN f N1 fN2 Hình 2.24 Phép cộng quang f N1 fN2 gN f NN Hình 2.25 Phép tách quang Phép nhân nội nhân ngoại: phép nhân nội g = ∑ f m hm phép m biến đổi hai vectơ vào f m hm cho giá trị vô hướng g Về phép lấy tổng tích Phép nhân ngoại glm = fl hm biến đổi hai vectơ thành ma trận Hai phép toán thực cách kết hợp phần tử nhân kết nối thích hợp, quét vào hay quét (hình 2.26) [1] 44 f1 f2 fN f1 f2 h1 h2 g hN fN a) hN g11 g21 h1 b) g1N g2N gNN gN1 Hình 2.26 Phép nhân nội (a) nhân ngoại (b) Phép nhân ma trận: phép tính gl = ∑ Alm f m đặc trưng cho phép nhân m ma trận { Alm } với vectơ { fm } phép tính đại số tuyến tính Phép tính thực cách sử dụng mặt nạ mà hệ số truyền qua mảng điểm tỉ lệ thuận với phần tử { Alm } (hình 2.27) [1] A11 A12 … g1 g2 g3 Đầu ANN Khóa Đầu vào f1 f2 f3 … Hình 2.27 Phép nhân ma trận Các phần tử xếp theo dạng ma trận Hai sơ đồ kết nối sử dụng Sơ đồ kết nối thứ (quét ra) bao gồm tín hiệu đầu vào f m nối với tất thành phần cột thứ m , giá trị chúng nhân với A1m , A2 m , , ANm ; sơ đồ kết nối thứ hai (quét vào) tạo thành dòng thứ l để nhận giá trị gl = ∑ Alm f m ( l = 1, 2, , N ) Quá trình quét quét vào có m thể thực nhờ thấu kính trụ Xử lý liên tục: Năm phép toán trên, tổng quát hóa thành hàm liên tục Các biến f lm , g l Alm thay hàm liên tục f ( x, y ) , g ( x ) 45 A ( x, y ) Các phép tính tích phân, tách, nhân nhân ngoài, nhân ma trận vectơ tương đương với biểu diễn sau: g = ∫∫ f ( x, y ) dxdy (tích phân) g ( x ) = ∫ f ( x, y ) dy (tách) g = ∫ f ( x ) h ( x ) dx (nhân nội) g ( x, y ) = f ( x ) h ( y ) (nhân ngoại) g ( x ) = ∫ A ( x, y ) f ( y ) dy (lọc tuyến tính) Biến đổi fourier sơ đồ kết nối: Phép biến đổi fourier công cụ toán học quan trọng, sử dụng để phân tích hệ tuyến tính áp dụng xử lý tín hiệu Khi chiếu sóng phẳng kết hợp qua suốt có hệ số truyền qua cho biên độ phức f ( x, y ) , ánh sáng truyền qua có dạng sóng phẳng lan theo hướng khác nhau, biên độ sóng theo góc (θ x ,θ y ) là: F (θ x / λ , θ y / λ ) đó: f ( vx , v y ) = ∞ ∞ ∫ ∫ exp ⎡⎣ j 2π ( v x + v y )⎤⎦ f ( x, y ) dxdy x y −∞ −∞ phép biến đổi Fourier hàm f ( x, y ) Nếu sóng phẳng hội tụ thấu kính có tiêu cự ϒ , phép biến đổi Fourier tạo ảnh F ( x / λϒ, y / λ ϒ ) mặt phẳng tiêu cự, hình 2.28 Chúng ta xem suốt với hệ số truyền cho qua biên độ f ( x, y ) phần tử kết nối hologram, kết nối điểm mặt đầu với toàn mặt phẳng đầu vào Hàm f ( x, y ) tổng hàm điều hòa tần số không gian ( vx ,v y ) có biên độ F ( vx , v y ) Với vai trò phần tử kết nối, suốt định tuyến biên độ F ( vx , v y ) vào hướng theo góc θ x ≈ λ vx θ y ≈ λ vy Các quy luật tự nhiên trình truyền sóng gắn với sơ đồ 46 kết nối dạng biến đổi Fourier Thấu kính quét tất tia vào điểm, tức hoạt động linh kiện quét vào Việc hiểu chất tự nhiên biến đổi Fourier đóng vai trò quan trọng mang tính lịch sử trình thúc đẩy việc sử dụng quang học vào xử lý tín hiệu máy tính quang F ( x / λϒ, y / λ ϒ ) f ( x, y ) ϒ ϒ Hình 2.28 Biến đổi Fourier kết nối không gian [1] Sử dụng tính chất phép biến đổi Fourier, thiết kế kết nối khác thực phép tính cần thiết trình xử lý tín hiệu quang liên tục 2.5 Kết luận chương Trong chương này, tìm hiểu cấu tạo khóa quang tử tạo từ linh kiện quang tử trình bày chương trước Trên sở nêu mô hình cấu trúc sơ máy tính quang tử bao gồm phần cứng linh kiện quang tử tín hiệu điều khiển xung ánh sáng Với kết cấu vậy, đưa ưu điểm máy tính quang tử so với máy tính điện tử số trước chuyển mạch điện mạch tích hợp thay ống dẫn quang quang tích hợp; dây dẫn điện thay sợi quang; bit “1” “0” thay cường độ ánh sáng “sáng” “tối”; tốc độ truyền 47 liệu máy tính lượng tử lớn nhiều lần so với tốc độ máy tính điện tử Nội dung chương dẫn số phép tính trình xử lý tương tự quang phép tính rời rạc liên tục Đồng thời rằng, công suất xử lý tương tự quang phụ thuộc vào đặc trưng song song kích cỡ sơ đồ kết nối 48 KẾT LUẬN CHUNG Từ tìm hiểu trên, luận văn thu số kết sau đây: Đã trình bày sơ lược cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng linh kiện quang tử Một số khóa quang tử tạo nên từ linh kiện quang tử đóng vai trò quan trọng cho việc điều khiển tín hiệu quang máy tính quang tử Dựa hoạt động linh kiện quang tử, luận văn nêu mô cách thức hoạt động máy tính lượng tử tương lai gồm phần cứng linh kiện quang tử tín hiệu điều khiển xung ánh sáng Đã nêu ưu điểm máy tính quang tử khả truyền tín hiệu, tốc độ xử lý số liệu nhanh nhiều bậc so với máy tính điện tử số Các kết nối máy tính quang tử kiểu kết nối cho mạng không gian ba chiều Đã nêu phép tính toán học trình xử lý tương tự quang, bao gồm phép cộng quang, tách quang, nhân nội, nhân ngoại nhân ma trận sơ đồ kết nối 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Quang Quý, Chu Văn Lanh, Đoàn Hoài Sơn, Mai Văn Lưu, “ Cơ sở quang tử học”, Nhà xuất ĐHQG, 2013 [2] Đoàn Hoài Sơn, Hồ Quang Quý, Chu Văn Lanh, Trần Mạnh Hùng, “Quang học đại”, Nhà xuất ĐHQG, 2012 [3] B E A Saleh and M C Teich, Fundamental of Photonics, T.2, J W Goodman Editor, New York, April, 1991 [4] D G Feitelson, Optical Computing: A survey for computer scientists, Cambridge, Massachusetts: MIT Press, 1988 [5] F T S Yu, White-light Optical Signal Processing, Wiley, New York, 1985 [6] J L Horner, ed., Optical Signal Processing, Academic Press, San Diego, CA, 1987 [7] S Williams and O A Becklund, Introduction to the Optical Transfer Function, Wiley, New York, 1989 [8] W Schumann, j.-P Zurcher, and D Cuche, Holography and Deformation Analysis, Springer-Verlag, New York, 1985 [...]... 2 Khóa quang tử và máy tính quang tử Một trong số các linh kiện quang tử được trình bày trong chương một được xem như những khóa quang tử, đóng vai trò quan trọng trong công nghệ mạng thông tin Khóa quang tử cũng là thao tác cơ bản của máy tính số và của các hệ xử lý tín hiệu Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu một số nguyên lý cơ bản của công nghệ khóa quang tử và xử lý tín hiệu quang 2.1 Khóa quang. .. Các tín hiệu quang có thể chuyển tiếp bằng khóa điện tử: tín hiệu quang được biến đổi sang tín hiệu điện bằng photodiode, chuyển tiếp bằng khóa điện tử và cuối cùng biến đổi ngược sang tín hiệu quang bằng LED hay laser (hình 2.2) Bộ biến đổi quang điện hay điện quang đều có thời gian trễ và mất mát công suất Hướng chuyển tiếp phụ thuộc vào khóa điện tử Khóa 8× 8 Thanh LED Sợi quang Sợi quang Thanh photodiode... photodiode Hình 2.2 Khóa quang điện 8 × 8 2.1.2 Khóa quang – cơ, quang – điện, quang – âm và quang – từ 25 Các bộ biến điệu quang và bộ quét quang có thể sử dụng như những khóa quang Bộ biến điệu có thể hoạt động trong chế độ đóng – mở 1× 1 Còn bộ quét có thể lái chùm tia quang học theo N hướng, do đó, có thể hoạt động ở chế độ 1× N Kết hợp hai kiểu khóa này có thể chế tạo khóa nhiều hướng hơn... dụng khóa này để thiết kế khóa ma trận N × N điểm nối (kiểu thanh giằng ngang – hình 2.1d) Ngoài ra, một số khóa 1× 2 chuyển tiếp một tuyến với một trong hai tuyến (hình 2.1b), khóa 2 × 2 chuyển tiếp hai tuyến này với hai tuyến kia (hình 2.1c) [1] m N 1 23 1 11 11 22 1 2 1 11 11 22 1 2 Điều Khiển a) Điều Khiển b) Điều Khiển c) 1 2 3 m N d) Hình 2.1 Một số kiểu khóa Một khóa đặc trưng bởi các thông số. .. hóa Thanh khóa quang – từ có thể chế tạo bằng cách chèn tế bào trung tính trên một tấm pin Đường dẫn dòng điện được chế tạo bằng cách lắng động bằng công nghệ in lito thông thường Một mảng khóa quang – từ (1024 × 1024 ) 28 đã có trong thực tế và công nghệ này đang phát triển mạnh Khóa quang – từ với tốc độ 100ns là khả quan Trong hình 2.7 là khóa quang – từ 4 × 4 [1] 1 2 3 4 Đầu ra Khóa Đầu vào 1 2 3... trường đặt vào lớp tinh thể lỏng, do đó, hệ số phản xạ sẽ thay đổi theo Mỗi điểm khác nhau trên mặt tinh thể lỏng có hệ số phản xạ khác nhau và hoạt động như một khóa độc lập điều khiển bởi ánh sáng [1] Ánh sáng điều khiển Ánh sáng ra Ánh sáng vào Hình 2.10 Mảng khóa toàn quang sử dụng tinh thể lỏng Một số giới hạn của khóa toàn quang: Giá trị cực tiểu của năng lượng thực hiện chuyển tiếp và của thời... sang ống thứ hai Khóa kiểu này hoạt động ở điện thế vài vôn, với tốc độ khoảng 20 GHz Khóa quang – 27 tích hợp N × N có thể chế tạo bằng cách tổ hợp các khóa 2 × 2 Ví dụ, khóa 4 × 4 được chế tạo bằng cách tổ hợp hai khóa 2 × 2 , trên một vật liệu với sơ đồ như hình 2.6 Hạn chế về số lượng khóa trên một đơn vị diện tích là do kích thước lớn của bộ liên kết định hướng trên mặt phẳng của một con chip Để... quang 2.1 Khóa quang tử 2.1.1 Khóa Khóa là linh kiện để đóng và mở quang (rơle quang) chuyển tiếp trên đường truyền trong thông tin cũng như trong hệ xử lý tín hiệu Thiết bị điều khiển sẽ ra lệnh chuyển tiếp và gửi tín hiệu điều khiển hoạt động của khóa theo yêu cầu mong muốn Một số kiểu khóa trình bày trong hình (2.1) Khóa 1× 1 như linh kiện cơ bản, có thể có kích thước lớn (hình 2.1a) Khóa này có tác... điều khiển hay như một khóa 1× 1 Ánh sáng vào V V a) b) Ánh sáng biến điệu Hình 2.5 a) Khóa quang - tích hợp M-Z 1× 1 b) Bộ liên kết định hướng quang - tích hợp 2 × 2 Do có nhiều khó khăn trong việc chế tạo các thanh khóa lớn bằng tinh thể khối, nên một công nghệ đầy hứa hẹn cho khóa điện – quang đó là quang – tích hợp Ống dẫn sóng quang – tích hợp được chế tạo từ chất điện môi điện – quang như litium... 4 C B D 1 E 3 2 4 Hình 2.6 Khóa quang - tích hợp 4 × 4 sử dụng 5 bộ liên kết A, B, C, D và E Giao thoa kế Mach-Zehner quang – tích hợp (hình 2.5a) hoạt động như một khóa 1× 1 Một bộ liên kết hướng có thể hoạt động như khóa 2 × 2 (hình 2.5b) Hai ống dẫn sóng ghép gần nhau sẽ trở thành một bộ liên kết quang Chiết suất sẽ thay đổi khi có điện trường áp vào, do đó, công suất quang có thể giữ nguyên trong ... điện tử, cuối trở thành loại kỹ thuật máy tính chủ yếu” Chính tầm quan trọng máy tính quang tử mà chọn đề tài: Một số tìm hiểu khóa quang tử máy tính quang tử Mục đích nghiên cứu đề tài Tìm hiểu. .. 23 Chương Khóa quang tử máy tính quang tử Một số linh kiện quang tử trình bày chương xem khóa quang tử, đóng vai trò quan trọng công nghệ mạng thông tin Khóa quang tử thao tác máy tính số hệ xử... hiểu khóa quang tử máy tính quang tử Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài - Tìm hiểu linh kiện quang tử sử dụng công nghệ mạng thông tin - Tìm hiểu khái quát số khóa quang tử - Nêu mô hình cấu trúc máy tính