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光计算的光学原理和性能分析 0 光计算机技术的发展方向 随着计算机性能素质的提高，以及微电子技术和集成电路的开发，提高计算机的计算能力和计算速度是一个有效的方法，原则上遵循摩尔定法。但是,随着处理器集成度的提高,今日大规模集成电路已经步入纳米领域,集成度的更进一步提高将受到物理尺寸和工艺技术方面的障碍,严重地制约着计算机的发展。 从计算机长远发展来看,采用并行处理技术是提高计算能力的一种有效途径。光计算技术是一种采用光作为传输信息媒质的新型计算技术,光与电子相比,具有与电子几乎完全不同的特性,如具有更快的传播速度和更高的信息容量,并且交叉光束之间不容易发生互相干扰的问题,信息载体由电子转向光子是一种必然发展趋势。同时,由于光波束能够承载二维图像信息,使得光计算从本质上就具有了并行处理能力,使得光计算系统与传统计算机系统相比,具有更美好的开发前景。因此,电子计算机向光计算机发展成为了一种趋势。计算机运行速度的快慢取决于它的核心处理器,而光计算机的核心运算器就是光学向量-矩阵乘法器。 1 光学向量矩阵乘数系统的设计 1.1 线阵光照线阵 光学向量-矩阵乘法器从结构上分,主要由输入部分、信息处理部分、输出部分组成。它的光路系统主要由光源阵列、透镜组、空间光调制器(Spatial Light Modulators, SLM)、光探测器阵列构成。以m×n矩阵A与n维矢量B相乘,得到m维矢量C为例,若分别用aij,bj和ci表示A,B,C的元素,则有以下公式成立: ci=∑j=1naijbj,(i=1,2,?,n)(1)ci=∑j=1naijbj,(i=1,2,?,n)(1) 如图1所示,首先用线阵光源来输入矢量B,即使光源线阵中的n个面发射激光器的光强正比bj。其次用一个透射式矩阵编址空间光调制器来输入矩阵A。系统工作时,光源经薄透镜准直垂直地入射到CL1上,通过CL1扇出将任一bj成像在SLM上形成一条强度均匀水平(i方向)光带,在SLM上完成相乘后,SLM上的任一像素(i,j)光强正比于aijbj。竖直方向(j方向)每一列的光束再经过CL2聚焦到光电探测器阵列D上。由于CL2的扇入作用,使得SLM上第i行所有像素的光都集中在第i个探测器上。由于线阵光源上的各个点源发出的光bj互不相干,所以光探测器上第i个探测器的输出正比于向量积C的相应元素Ci,即满足公式(1)。 1.2 系统搭建和完善 光学向量-矩阵乘法器系统的光路设计基于光学信息处理中典型的“4f”系统原理。为确保光学系统运算的精度,实验环境要求在暗室中。系统的搭建按照光源面到接收面的顺序依次,具体步骤如下: 首先,确保光学元件光轴的一致性。调整所有元件统一高度,通过光学自准直方法调节将光源面、薄透镜、柱面镜三者光轴相互平行。为保证光学像面上条纹亮度均匀性,减小光学元件像差带来的影响,要使光束基本落于透镜的中心位置,不仅保证了实验系统的光学像差的要求,还能有效避免光学元件固有的非线性影响。 其次,确定光学透镜的位置。将光源面和扇出透镜分别置于薄透镜的前、后焦面上,使光源光束经准直后发散到光孔面的每一列上;再将扇入透镜和扇出透镜分别置于光孔面的前、后焦面上,光孔面每一行的光束会聚到接收面上,系统搭建如图2所示。 最后,微调元件位置使系统达到理想的效果。微调薄透镜位置使光束在其后焦面上呈现一个均匀的圆斑,确保在光孔面上得到清晰明亮的条纹;微调光孔面的位置使条纹对正矩阵中元素,确保顺利实现向量-矩阵的乘法运算;微调接收面位置使得条纹的位置与光敏管的位置完全重合,确保测量结果精准。 1.3 接收面为0.0 首先,从数学的角度分析实验结果,通过改变不同的输入向量,验证输出结果是否准确。令光源面上输入向量(1 0 1 1),光孔面上输入矩阵 ?????1001011011111010?????(1011011001111010) ,通电后接收面上得到的条纹,如图3所示,经光强量化得到输出向量1为(2 1 3 2),此结果符合公式(1)。再令原输入矩阵信息不变仍为 ?????1001011011111010?????(1011011001111010) ,改变输入向量为(0 1 0 1),通电后在接收面上得到的条纹,如图3所示,经光强量化得到输出向量2为(1 1 2 0),此结果符合公式(1)。最后令输入向量不变仍为(0 1 0 1),改变矩阵信息为 ?????1101001101011011?????(1001101001011111) ,通电后在接收面上得到的条纹,如图3所示,经光强量化得到输出向量3为(2 1 2 1),此结果符合公式(1)。实验结果表明,此光学向量-矩阵乘法器演示系统可以进行向量-矩阵乘法运算。 其次,从光学实现的角度论证实验结果。在光路设计上,此系统是一个典型的“