[发明专利]一种对光信号执行微积分运算的装置

说明书

一种对光信号执行微积分运算的装置由信号源1、微积分运算器2、信号接收器3组成。其特征在于：信号源1发出的光信号可以直接照射在微积分运算器2上，微积分运算器2利用材料的特殊物理性质(渐变折射率)和巧妙的结构实现对电场强度振幅和相位的调控，进而在光信号传播过程中实现对输入信号轮廓的一阶导数、二阶导数及积分运算，信号源1发出的信号轮廓和信号接收器3接收到的信号轮廓成数学微积分关系。

技术领域

本装置利用材料的物理属性和特殊结构在光信号传播过程中实现对输入信号振幅和相位的控制，从而实现对输入光信号轮廓的微积分运算，属于超材料领域。

背景技术

当前的微积分运算要靠微积分电路来实现。输出电压与输入电压成微分关系的电路为微分电路，通常由电容和电阻组成；输出电压与输入电压成积分关系的电路为积分电路，通常由电阻和电容组成。微积分运算电路广泛用于计算机、自动控制和电子仪器中。但电路存在需要外加能源、会发热、速度慢等缺点，为了适应信息化时代高速计算的需要，急需一种新的运算机制。

发明内容

本发明的目的正是为了解决上述微积分运算电路的不足，利用渐变折射率材料的性质，通过巧妙的结构，实现对输入光信号轮廓的微积分运算。本装置具有原理新颖、结构简单、运算快速、无外加能源、没有中间过程等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

如图1所示，该装置由信号源1、微积分运算器2、信号接收器3组成。其特征在于：信号源1发出的光信号可以直接照射在微积分运算器2上，微积分运算器2在光信号传播过程中实现对输入信号的一阶导数、二阶导数及积分运算。该装置利用材料的物理属性(折射率)和结构尺寸实现对输入光信号振幅和相位的控制，从而实现微积分运算。

本发明的有益效果是：该装置结构简单，信号处理速度快，无外加能源、适用范围广，在光子计算机、照片及图像存储、信号传递等方面有着广泛的应用。

附图说明

图1是本发明一种对光信号执行微积分运算装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，该装置由信号源1、微积分运算器2、信号接收器3组成。信号源1发出的光信号可以直接照射在微积分运算器2上，微积分运算器2的材料属性和结构尺寸满足一定的条件，不改变其它参数，只调节微积分运算器2中材料II的折射率就可以实现对输入信号的一阶导数、二阶导数及积分运算，信号接收器3接收到的信号轮廓与信号源1发出的信号轮廓成数学微积分关系。

理论依据

如果光沿x轴正向在某一介质中传播，该介质的折射率在y方向按的规律变化，这种材料称为渐变折射率材料，其中η₁为y＝0处的折射率，η₂/η₁＝[π/(2Lg)]²，Lg为介质中传播的距离。当光波在具有渐变折射率的材料中传播时，渐变折射率材料将会在特征长度Lg上对电场进行傅里叶变换，利用该性质，可以设计具有微积分运算功能的超材料。如图1所示，微积分运算器2由三层材料(I，II和III)组成，设入射的光信号波长为λ，且沿x轴正方向传播，则三种材料x方向的尺寸分别为Lg＝11.619λ、Δ＝λ/3.012和Lg，y方向的尺寸均为W＝9.876λ。坐标原点位于左侧中间。材料I和材料III的折射率满足η_I(y)＝-η_III(y)＝η(y)，分别执行傅里叶变换和逆傅里叶变换，材料II执行的变换是微积分运算器2的核心变换，该变换命名为G(y)。当入射光信号的电场强度大小E(y)输入到材料I的左端时，材料I右端输出的将是E(y)的傅里叶变换，即其中代表傅里叶变换，傅里叶变量k_y与y属于同一区域，所以k_y与y成正比。因为材料II执行的变换为G(y)，所以材料II的输出函数为同时因为材料III执行逆傅里叶变换，所以最终出射端的函数应为若对输入的电场强度实现导数运算，则有