[发明专利]带相干反馈的光学系统

说明书

相关申请

本申请要求2005年12月8日提交的美国临时申请号US60/748,422，标题为“Optical Multiplier with Coherent Feedback(带相干反馈的光学乘法器)”的依据119(e)的权益，其公开通过引用结合于本文。

技术领域

本发明大致涉及光处理领域，例如，光处理器，诸如使用相干反馈以减少读出散粒噪声的矢量-矢量乘法器或矢量-矩阵乘法器。

背景技术

光学矢量-矢量乘法器(VVM)和矢量-矩阵乘法器(VMM)一般是本领域中公知的。

在本领域中公知的光学VVM设计中，第一矢量的元素值表示为光信号，其中光的强度表示要相乘的值。每个光信号通过表示第二矢量的对应元素的光透射比的光衰减器。扇形收缩式光学器件(fan inoptics)收集表示第一与第二矢量的对应元素的倍率的衰减的光，并将其引导到光检测器。虽然所用的光源可以是相干源(例如激光)，但是光收集过程是不相干的，这导致光总强度等于所有收集的光束的强度之和。

这些系统中的主要噪声源是检测器上将表示计算结果的模拟光信号转换成电信号，然后使用模数转换器(ADC)转换成数字形式时的散粒噪声。

散粒噪声与所检测的光子的数量的平方根成比例。在精度极限处，精度上提高任何一位(bit)：计算会按4的系数减慢，光功率会按4的系数提高，或两者的组合导致用于表示结果值的光子数量上四倍增加。这对光计算机的精度和速度设定了一个极限。

当设计精确的光测量系统时也会遇到相似的散粒噪声问题。确切地说，难以测量大光信号中的小变化。散粒噪声因此阻碍了光计算机和测量系统的动态范围的增加。

发明内容

本发明一些实施例的目的在于使用相干光和反馈回路来提取测量的值。可选地，这用于减少散粒噪声。一些实施例能够实现更高速度和更高精度的光计算和测量而无需过度提高激光功率。一些实施例能够进行光计算和测量同时减少如下一个或几个系统缺陷的负面影响：例如光源不稳定、光系统不稳定、检测器噪声、检测器的非线性以及系统组件的有限动态范围。

本发明的一个方面在于能够精确地测量光衰减器的衰减而无需使用过强的光源或过长的积分时间。可选地，这通过减少检测器所检测到的光来实现。可选地，通过提供干涉仪来减少光，干涉仪的一个输入是已知的和/或可控的，而其输出在检测器上反映为相消干涉。

为此目的，干涉仪构造为具有要在第一臂中测量的衰减器和第二臂中的反馈衰减器。将来自光源的相干光在干涉仪的两个臂之间分光。在通过第一臂中的已测衰减器和第二臂中的反馈衰减器之后，来自两个臂的光彼此干涉，通过至少一个关键输出离开。干涉仪构造为使得在两个臂处的衰减相等时，离开关键输出的光强度为最小或某个其他期望的值。反馈回路控制反馈衰减器以使光强度在干涉仪的所述至少一个关键输出中是最小的。从而减少干涉仪的关键输出处设置的弱照明检测器处的散粒噪声，它与所述检测器上的强度的平方根成比例。当所述关键检测器上的光处于或接近最小强度时从反馈回路的状态提取测得的衰减的值。

在一个实施例中要测量的光衰减器表示光计算的结果，例如：标量的正乘法或双极乘法或矢量-矢量乘法。

本发明的上述示范实施例的一个潜在优点在于对相干光强度的变化不灵敏。因为干涉仪的两个臂中的衰减平衡导致至少一个关键输出处的光最小或无光，所以光源强度的大变化对反馈回路的状态保持平衡的影响可忽视。因此，尽管光源的变化大，仍可以测量衰减值的小变化。这一点能够实现成本的降低，因为可以使用例如二极管激光器的简单激光器而无需被动或主动地稳定激光器输出。可选地，可以将相干长度和/或强度稳定长度选为使这些光路匹配。备选地或附加地，将这些光路修改为使得它们在长度上接近或相等。

本发明的一些实施例的另一个潜在优点基于如下事实，系统的动态范围受限于反馈回路而非检测器的动态范围。可以将反馈回路中衰减器的电子元件设计为具有测量值所需的动态范围。相比之下，检测器上的光强度在执行测量时的关键时间期间保持在有限的范围内。

可选地，可以使用对光强度具有实质上非线性响应的光检测器，只要所述非线性检测器上的信号随着光强度消失而消失即可。相似地，光检测器的前端放大器可以是非线性的或具有有限的动态范围或甚至本质上是二进制的。