一种基数可调的多芯光纤算盘方案
阅读说明：本技术 一种基数可调的多芯光纤算盘方案 (Multi-core optical fiber abacus scheme with adjustable cardinal number ) 是由 刘志海 李翔 金威 程思莹 李亚茹 张毅博 张亚勋 张羽 杨军 苑立波 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基数可调的多芯光纤算盘方案。该基数可调的多芯光纤算盘包括光脉冲源模块、多芯光纤算盘、探针激光源模块以及算子采集与触发模块。以利用倏逝场耦合的方式,基于相变材料构造多芯光纤算盘,不同纤芯代表不同的“位”,各“位”的值由光脉冲源模块控制,各光脉冲源发出光脉冲实现算子的拨动,低“位”值拨满后状态被重置,高“位”拨动增加一级,通过探针激光源模块实时监测各个“位”的值,算子采集与触发模块实现光学算子的拨动以及“位”值的电信号获取,此外,对光脉冲源模块不同形式的触发控制可实现不同基数的光子算盘运算。该基数可调的多芯光纤算盘方案以光学手段实现算盘及其运算,相比于基于电子的计算系统运算速度更快、稳定性更高、抗干扰能力更强,本发明提供一种全新的计算实现手段。(The invention discloses a base number adjustable multi-core optical fiber abacus scheme. The multi-core optical fiber abacus with the adjustable cardinal number comprises an optical pulse source module, a multi-core optical fiber abacus, a probe laser source module and an operator acquisition and triggering module. The optical operator simulation abacus is characterized in that a multi-core optical fiber abacus is constructed based on phase-change materials in an evanescent field coupling mode, different fiber cores represent different 'positions', the value of each 'position' is controlled by an optical pulse source module, each optical pulse source emits optical pulses to realize shifting of an operator, the state is reset after the lower 'position' value is fully shifted, the shifting of the higher 'position' is increased by one step, the value of each 'position' is monitored in real time through a probe laser source module, shifting of the optical operator and acquisition of electric signals of the 'position' value are realized through an operator acquisition and trigger module, and in addition, the photon abacus with different bases can be operated through trigger control of the optical pulse source module in different forms. The base number adjustable multi-core optical fiber abacus scheme realizes the abacus and the operation thereof by an optical means, and compared with an electronic-based computing system, the abacus has the advantages of higher operation speed, higher stability and stronger anti-interference capability, and the invention provides a brand-new calculation realizing means.)
技术领域
本发明涉及光信息计算领域，尤其涉及一种基数可调的多芯光纤算盘方案。
背景技术
现代计算机系统基于冯·诺依曼体系结构，在时间和空间上将运算和存储这两种操作分 开。在这种结构中，运算过程在中央处理器(Central Processing Unit，CPU)中进行，而 存储设备则用来存储由CPU运算得到的任何结果。这导致总体操作速度上的“瓶颈”，即 在计算机进行运算时和运算结束后，数据必须在内存和CPU之间不断地连续传输，并且会 浪费大量能源。因此，以某种方式将运算和存储的两个基本任务融合在一起的并行计算体 系结构，即非冯·诺依曼体系架构，在速度和功耗方面提供了巨大的潜在改进。
近年来，基于非易失性存储单元的计算机架构受到研究人员的青睐，然而目前多以电 子为基础实现的；同时，研究人员探索光子并行运算的可行性，目前已经取得如“光学双 稳器件计算机”、“三值光学处理器”等研究成果，但是三值光学处理器目前还存在与现有逻辑运算匹配困难、专用光学部件缺乏等问题。
本发明提出基于非易失性存储单元的光子运算方案，利用光学调控非易失性存储材料， 参考算盘的运算方式，实现一种基数可调的多芯光纤算盘方案，相比于基于电子的计算系 统运算速度更快、稳定性更高、抗干扰能力更强，提供一种全新的计算实现手段。。
发明内容
本发明目的在于提供一种基数可调的多芯光纤算盘方案，实现全光学手段的光子算盘。
一种基数可调的多芯光纤算盘方案，包括光脉冲源模块(1)、多芯光纤算盘(2)、探针激光源模块(3)以及算子采集与触发模块(4)；
所述光脉冲源模块(1)发出光脉冲至多芯光纤算盘(2)中实现算子的拨动，探针激光源模块(3)发出探测光经过多芯光纤算盘(2)后进入算子采集与触发模块(4)，实现 多芯光纤算盘(2)中各“位”值的监测，算子采集与触发模块(4)通过电触发来控制光 脉冲源模块(1)的光脉冲输出，不同类型的触发控制能够实现不同基数的算子拨动；
所述脉冲源模块(1)包括脉冲激光器(101、102、103)、光纤环形器(104、105、 106)以及多芯光纤扇入器.1(107)；
所述脉冲激光器(101、102、103)受电脉冲发生器(404)触发控制发出光脉冲，不同的脉冲激光器(101、102、103)拨动多芯光纤算盘(2)中不同“位”的算子；
所述脉冲激光器(101、102、103)发出的光脉冲序列中单个光脉冲仅能实现算子单值的拨动，重置光脉冲能够实现“位”的置零；
所述脉冲激光器(101、102、103)发出的光脉冲波长、脉宽及峰值功率等参数可调，对于运算进行中状态下的多芯光纤算盘(2)保持脉冲激光器(101、102、103)输出的光 脉冲参数不变；
所述光纤环形器(104、105、106)由1端口将光脉冲输入2端口输出至多芯光纤扇入器.1(107)对应的纤芯通道中，以实现对应纤芯通道的光脉冲合束至多芯单纤中；由2 端口将探测光输入3端口输出至多通道光电探测器(401)中，以实现“位”值的实时监 测；
所述多芯光纤扇入器.1(107)以及多芯光纤扇入器.2(304)为多根单芯光纤输入单 根多芯光纤输出结构，以实现光信号至多芯光纤的耦合以及多芯光纤中各纤芯光能的耦出；
所述脉冲激光器(101、102、103)、光纤环形器(104、105、106)以及多芯光纤扇 入器(107)的通道数与多芯光纤算盘(2)提供的“位”数量对应；
所述多芯光纤算盘(2)由多个光纤算盘“位”(201、202、203)组成，其中，每个 光纤算盘“位”(201、202、203)由纤芯(201-1)、相变材料薄膜(201-2)以及防氧化膜 (201-3)组成；
所述相变材料薄膜(201-2)的材质为硫系化合物，至少含有Ge、Sb、Te中两种及以上元素，例如锗锑碲合金(Ge2Sb2Te5)、银铟锑碲合金(AgInSbTe)等；
所述相变材料薄膜(201-2)至少存在两种相态，晶态与非晶态，以及处于晶态与非晶 态之间的中间状态，不同相态的透射率存在差异，晶态的透射率低，非晶态的透射率高；
所述相变材料薄膜(201-2)通过射频磁控溅射的方式与光纤侧面结合；
所述相变材料薄膜(201-2)的膜层位置距离纤芯(201-1)一定间距，其位置为倏逝场最佳泄露区，即光脉冲的能量通过倏逝场耦合的方式对相变材料薄膜(201-2)状态进行调控；
所述防氧化膜(201-3)的材质为氧化铟锡(ITO)、二氧化硅(SiO2)或金膜(Au) 等，防止光学相变材料薄膜(201-2)暴露在空气中被氧化；
所述防氧化膜(201-3)通过射频磁控溅射的方式与光学相变材料薄膜(202-2)结合；
所述光纤算盘“位”(201、202、203)的状态受光脉冲调节，定义相变材料薄膜(201-2)处于晶态，即低透射状态时，光纤算盘“位”(201、202、203)的值记为 “0”，受光脉冲调节，相变材料薄膜(201-2)非晶化，向高透射状态变化，光纤算盘“位” (201、202、203)的值逐级上升；
所述探针激光源模块(3)包括探针连续激光器(301)、光纤隔离器(302)、一分N 光纤耦合器(303)以及多芯光纤扇入器.2(304)；
所述探针连续激光器(301)出射功率较小的连续激光经过光纤隔离器(302)后，被一分N光纤耦合器(303)将光能量均等分至多芯光纤扇入器.2(304)各个纤芯通道中， 以实现各纤芯通道的光能量合束至多芯单纤中，探针光经过多芯光纤算盘(2)后由多芯 光纤扇入器.1(107)将各纤芯能量耦出至单芯光纤中，经过光纤环形器(104、105、106) 的2端口输入、3端口输出至多通道光电探测器(401)中；
所述光纤隔离器(302)仅允许光能量单向通过，其将经多芯光纤算盘(2)的光脉冲隔离，防止光能量射入探针连续激光器(301)中致使损坏；
所述一分N光纤耦合器(303)将探针光能量均等分，使得多芯光纤算盘中(2)每个纤芯(“位”)中探针光能量均等；
所述算子采集与触发模块(4)包括多通道光电探测器(401)、采集板卡(402)、上位机(403)以及电脉冲发生器(404)；
所述多通道光电探测器(401)对出射的探针光能量进行探测，将光信号转化位电信 号向后传递至采集板卡(402)中，经由采集板卡(403)将数据传输至上位机(403)中 监测与显示；
所述多通道光电探测器(401)的通道数与多芯光纤算盘(2)提供的“位”数量对应；
所述上位机(403)与采集板卡(402)进行交互，编程采集板卡(402)的功能，获 取采集板卡(402)传递的数据；
所述上位机(403)对电脉冲发生器(404)进行程控，控制每个通道出射电脉冲的形式；
所述电脉冲发生器(404)给脉冲激光器(101、102、103)提供触发信号，以控制多芯光纤算盘(2)光脉冲输出，即运算基数的调整及算子的拨动等功能；
所述基数可调的多芯光纤算盘方案，以利用倏逝场耦合的方式，基于相变材料构造多 芯光纤算盘(2)，不同纤芯代表不同的“位”，各“位”的值由光脉冲源模块(1)控制， 各光脉冲源发出光脉冲实现算子的拨动，低“位”值拨满后状态被重置，高“位”拨动增 加一级，通过探针激光源模块(3)实时监测各个“位”的值，算子采集与触发模块(4) 实现光学算子的拨动以及“位”值的电信号获取，此外，对光脉冲源模块(1)不同形式 的触发控制可实现不同基数的光子算盘运算。
有益效果：
本发明的有益效果在于：
1)本发明中执行运算以及存储的部分完全借助光学材料以及光学方法，因此具备光 波的传输速度，能够实现其他计算机所达不到的运算速度。并且激光具有的超高带宽的性 质，使得光波可以携带许多信息；
2)本发明中的光波导采用光纤材料，因不需要其他载体而实现光的独立传播，并且 光纤中传输的信号之间不会相互干扰，外界电磁环境干扰、温度异常等恶劣条件，不会对 信号传输造成影响，能够有效地提高运算的准确率；
3)本发明基于相变材料本身的属性，可以通过设置其等级而确定不同的运算基数， 即同一结构可以实现二进制、十进制、十六进制等不同的运算，能够提升运算的便利性和 效率；
附图说明
1、图1为本发明提供的一种基数可调的多芯光纤算盘方案示意图；
2、图2为本发明提供的多芯光纤算盘算例示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例对本发明技术方法作进一步详细描述，所描述的具体 实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
一)实施例一：
如图1所示，一种基数可调的多芯光纤算盘方案，包括光脉冲源模块(1)、多芯光纤算盘(2)、探针激光源模块(3)以及算子采集与触发模块(4)。
方案中，光脉冲源模块(1)发出光脉冲至多芯光纤算盘(2)中实现算子的拨动，探针激光源模块(3)发出探测光经过多芯光纤算盘(2)后进入算子采集与触发模块(4)， 实现多芯光纤算盘(2)中各“位”值的监测，算子采集与触发模块(4)通过电触发来控 制光脉冲源模块(1)的光脉冲输出，不同类型的触发控制能够实现不同基数的算子拨动。
其中，脉冲源模块(1)包括脉冲激光器(101、102、103)、光纤环形器(104、105、106)以及多芯光纤扇入器.1(107)；脉冲激光器(101、102、103)受电脉冲发生器 (404)触发控制发出光脉冲，不同的脉冲激光器(101、102、103)拨动多芯光纤算盘(2)中不同“位”的算子；脉冲激光器(101、102、103)发出的光脉冲序列中单个光脉 冲仅能实现算子单值的拨动，重置光脉冲能够实现“位”的置零；脉冲激光器(101、 102、103)发出的光脉冲波长、脉宽及峰值功率等参数可调，对于运算进行中状态下的多 芯光纤算盘(2)保持脉冲激光器(101、102、103)输出的光脉冲参数不变；光纤环形器 (104、105、106)由1端口将光脉冲输入2端口输出至多芯光纤扇入器.1(107)对应的 纤芯通道中，以实现对应纤芯通道的光脉冲合束至多芯单纤中；由2端口将探测光输入3 端口输出至多通道光电探测器(401)中，以实现“位”值的实时监测；多芯光纤扇入器.1 (107)以及多芯光纤扇入器.2(304)为多根单芯光纤输入单根多芯光纤输出结构，以实 现光信号至多芯光纤的耦合以及多芯光纤中各纤芯光能的耦出；脉冲激光器(101、102、 103)、光纤环形器(104、105、106)以及多芯光纤扇入器(107)的通道数与多芯光纤算 盘(2)提供的“位”数量对应。
其中，多芯光纤算盘(2)由多个光纤算盘“位”(201、202、203)组成，其中，每 个光纤算盘“位”(201、202、203)由纤芯(201-1)、相变材料薄膜(201-2)以及防氧化 膜(201-3)组成；相变材料薄膜(201-2)的材质为硫系化合物，至少含有Ge、Sb、Te中 两种及以上元素，例如锗锑碲合金(Ge2Sb2Te5)、银铟锑碲合金(AgInSbTe)等；相变材 料薄膜(201-2)至少存在两种相态，晶态与非晶态，以及处于晶态与非晶态之间的中间状 态，不同相态的透射率存在差异，晶态的透射率低，非晶态的透射率高；相变材料薄膜 (201-2)通过射频磁控溅射的方式与光纤侧面结合；相变材料薄膜(201-2)的膜层位置 距离纤芯(201-1)一定间距，其位置为倏逝场最佳泄露区，即光脉冲的能量通过倏逝场耦 合的方式对相变材料薄膜(201-2)状态进行调控；防氧化膜(201-3)的材质为氧化铟锡 (ITO)、二氧化硅(SiO2)或金膜(Au)等，防止光学相变材料薄膜(201-2)暴露在空 气中被氧化；防氧化膜(201-3)通过射频磁控溅射的方式与光学相变材料薄膜(202-2) 结合；光纤算盘“位”(201、202、203)的状态受光脉冲调节，定义相变材料薄膜 (201-2)处于晶态，即低透射状态时，光纤算盘“位”(201、202、203)的值记为“0”， 受光脉冲调节，相变材料薄膜(201-2)非晶化，向高透射状态变化，光纤算盘“位” (201、202、203)的值逐级上升。
其中，探针激光源模块(3)包括探针连续激光器(301)、光纤隔离器(302)、一分N光纤耦合器(303)以及多芯光纤扇入器.2(304)；探针连续激光器(301)出射功率较小 的连续激光经过光纤隔离器(302)后，被一分N光纤耦合器(303)将光能量均等分至多 芯光纤扇入器.2(304)各个纤芯通道中，以实现各纤芯通道的光能量合束至多芯单纤中， 探针光经过多芯光纤算盘(2)后由多芯光纤扇入器.1(107)将各纤芯能量耦出至单芯光 纤中，经过光纤环形器(104、105、106)的2端口输入、3端口输出至多通道光电探测器 (401)中；光纤隔离器(302)仅允许光能量单向通过，其将经多芯光纤算盘(2)的光 脉冲隔离，防止光能量射入探针连续激光器(301)中致使损坏；一分N光纤耦合器 (303)将探针光能量均等分，使得多芯光纤算盘中(2)每个纤芯(“位”)中探针光能 量均等；
其中，算子采集与触发模块(4)包括多通道光电探测器(401)、采集板卡(402)、 上位机(403)以及电脉冲发生器(404)；多通道光电探测器(401)对出射的探针光能量 进行探测，将光信号转化位电信号向后传递至采集板卡(402)中，经由采集板卡(403) 将数据传输至上位机(403)中监测与显示；多通道光电探测器(401)的通道数与多芯光 纤算盘(2)提供的“位”数量对应；上位机(403)与采集板卡(402)进行交互，编程 采集板卡(402)的功能，获取采集板卡(402)传递的数据；上位机(403)对电脉冲发 生器(404)进行程控，控制每个通道出射电脉冲的形式；电脉冲发生器(404)给脉冲激 光器(101、102、103)提供触发信号，以控制多芯光纤算盘(2)光脉冲输出，即运算基 数的调整及算子的拨动等功能。
基数可调的多芯光纤算盘方案，以利用倏逝场耦合的方式，基于相变材料构造多芯光 纤算盘(2)，不同纤芯代表不同的“位”，各“位”的值由光脉冲源模块(1)控制，各光 脉冲源发出光脉冲实现算子的拨动，低“位”值拨满后状态被重置，高“位”拨动增加一 级，通过探针激光源模块(3)实时监测各个“位”的值，算子采集与触发模块(4)实现 光学算子的拨动以及“位”值的电信号获取，此外，对光脉冲源模块(1)不同形式的触 发控制可实现不同基数的光子算盘运算。
二)实施例二：
利用构造的多芯光纤算盘实现基数为10的四则运算。
如图2(a)所示，为“26+51”的算例示意图，控制“个位”脉冲激光器101出射6 个脉冲，将纤芯1的状态级次调至“6”，再控制“十位”脉冲激光器102出射2个脉冲， 将纤芯2的状态级次调至“2”，实现“26”的拨动；此时，需进行“+51”操作，将再次 控制“个位”脉冲激光器101出射1个脉冲，纤芯1的状态级次调至“7”，再次控制“十 位”脉冲激光器102出射5个脉冲，纤芯2的状态级次调至“7”，以此实现“26+51＝77” 的算盘拨动。
如图2(b)所示，为“51-26”的算例示意图，控制“个位”脉冲激光器101出射1 个脉冲，将纤芯1的状态级次调至“1”，再控制“十位”脉冲激光器102出射5个脉冲， 将纤芯2的状态级次调至“5”；以补码方式将减法运算转换为加法运算，即在“51”的 基础上加上“26”在基数为10条件下的补码“74”，即再次控制“个位”脉冲激光器101 出射4个脉冲，纤芯1的状态级次调至“5”，再次控制“十位”脉冲激光器102出射7 个脉冲，纤芯2的状态级次调至“10”后重置，再调至“2”的状态，此时进“1”的高次 位为符号位，以此实现“51-26＝51+(99-26+1)(补码)＝125(“1”为符号位)”的算盘 拨动。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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