一种对光信号执行微积分运算的装置制造方法及图纸

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。

【技术实现步骤摘要】
一种对光信号执行微积分运算的装置
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果是：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是本专利技术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ηI(y)＝-ηIII(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ky与y属于同一区域，所以ky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，则有上式两边求傅里叶变换，有根据傅里叶变换的微分性质上式可化为由方程(2)和(3)可求得材料II的变换函数G(y)＝(iky)n∝(-iy)n(根据调试结果，取ky∝-y)。因材料沿y方向的尺寸为W，坐标原点又位于W中心，所以y方向的最大值为y0＝W/2，即归一化的函数G(y)∝(-iy/y0)n。若要实现对光信号的微积分运算，还需求出材料II折射率的表达式，可以利用电磁波的一些性质，具体如下：当平面光波沿x轴正向传播时，x处的电场强度大小E(x)满足如下亥姆霍兹方程其中，λ为入射波波长，εr，μr分别为介质的相对介电常数和相对磁导率。因为相对介电常数和相对磁导率与折射率之间满足关系εrμr＝(η-iκ)2，其中η和κ分别代表折射率的实部和虚部，所以k也可以表示为k＝(2π/λ)(η-iκ)。解方程(4)，得E(x)＝E0eikx(5)其中E0为x＝0处的电场强度大小，E(x)为x处的电场强度大小。因为材料II左端的电场强度为根据方程(5)，材料II中经过Δ距离的传播后，电场强度为因为则有即为了使输出电场正比于输入电场的一阶导数，取G(y)＝(-iy/y0)，根据方程(7)，材料II的折射率应满足同理，若对输入函数进行二阶导数运算，则取G(y)＝(-iy/y0)2，此时材料II的折射率应满足即其中n＝1代表一阶导数运算，n＝2代表二阶导数运算。对于积分运算，(1)式应修改为上式两边求傅里叶变换，有根据傅里叶变换的积分性质由方程(12)可得，执行积分运算的材料II的函数G(y)＝(iky)∝(-iy)-1，设归一化常数为d，并取d＝λ/4，则对于积分运算可取G(y)＝(-iy/d)-1，为了避免|y|＜d区域的透射系数大于1，将|y|＝d设置为转折点，并假设|y|＜d区域折射率的绝对值为常数，因此材料II可以进行积分运算的折射率表达式为其中sign(.)为符号函数。以上已经公开了本专利技术设计方案，但并非用以限制本专利技术，凡采取同等思路和方法获得的其它微积分运算装置，均在本专利技术的保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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。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由三层材料(I，II和III)紧密衔接而成，三种材料x方向的尺寸分别为Lg、Δ和Lg，y方向的尺寸均为W，结构参数均以入射光信号的波长为基准。材料I和材料III为渐变折射率材料，材料II的折射率随所执行运算功能的不同而不同。信号源1、微积分运算器2、信号接收器3之间靠光信号直接联系，整个装置处于空气环境中。

【技术特征摘要】
1.一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。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由三层材料(I，II和III)紧密衔接而成，三种材料x方向的尺寸分别为Lg、Δ和...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴存礼，杨宏伟，赵志刚，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32