三值光学计算机解码器的信号判定系统设计

左开中

(1．安徽师范大学数学计算机科学学院，安徽芜湖241003;2．安徽师范大学网络与信息安全工程技术研究中心，安徽芜湖241003)

1 引言

三值光学计算机［1－3］是一种光电混合巨并行数字计算机，其输入信息需要从电信号表示转换成光信号表示，而输出信息需要从光信号表示转换成电信号表示，前者由编码器完成，后者由解码器完成。三值光学计算机采用光波的无光态、一对正交线偏振态表示三值数字信息(例如:0，－1和1)。三值光学计算机解码器的功能是自动判定三值光学运算器输出三态光信号的物理状态，并转换为电信号，译出加载在三态光信号中的三值数字信息。根据现有的光电子技术，可用光电转换器将光波光强直接转换为电信号。但到目前为止，还没有可直接将光波偏振态转换为电信号的光电器件出现。因此，判定光强与偏振态混合编码的三态光信号的基本思想是将三态光信号分束，然后用光电转换器将相应的光强信号转换为电信号。孙浩和严军勇对1位和9位的三值光学计算机解码器进行了初步研究［4－5］，随着三值光计算机实用化发展，迫切需要百位乃至千位以上三值光学计算机解码器，本文对巨位数解码器的关键问题三态光信号判定进行了系统研究。

2 三态光信号的判定原理

根据光波偏振态的斯托克斯矢量描述可知，光波的无光态、水平偏振态和垂直偏振态的斯托克斯矢量，归一化后分别为:

因此，只要测量出一束三态光信号分别入射水平偏振片和垂直偏振片后透射光的光强IH和IV，根据就可检测出入射三态光信号的斯托克斯矢量E为:

即:

(1)当IH和IV均为0时，S0和 S1也均为0，该入射光信号为无光态;

(2)当IH为0且IV不为0时，对E归一化后，由式(1)可知，该入射光信号处于垂直偏振态;

(3)当IV为0且IH不为0时，对E归一化后，由式(1)可知，该入射光信号处于水平偏振态;

(4)当IV和IH均非0时，该三态光信号既不处于垂直偏振态也不处于水平偏振态。

三态光信号分别通过水平偏振片和垂直偏振片后，出射光的光强IH，IV与三态光信号物理状态之间的关系如表1所示。

表1 光强与三态光信号物理状态

3 三态光信号的判定方法

根据上述三态光信号判定原理，判定三态光信号物理状态的关键问题是测量光强度IH和IV，测量IH和IV的方法主要有四种。

3．1 旋转偏振片法

如图1(a)所示，首先，旋转检偏器(偏振片)使其透光轴与x轴方向一致，利用光电转换器测量出IH;然后，手工旋转检偏器使其透光轴与x轴方向垂直，测量出IV。

3．2 液晶调制法

如图1(b)所示，假定检偏器为垂直偏振片。

利用液晶的旋光性，并控制在一个光信号周期的前半个周期使液晶单元旋光，即将入射光的偏振方向旋转90°;而后半个信号周期使液晶单元不旋光，即不改变入射光偏振态。则在前半个信号周期内，测量出IH;而在后半个信号周期内，测量出IV。

3．3 分振幅法

如图1(c)所示，首先，利用分束器(beam splitter，BS)将入射三态光信号分离为两束线偏振光:透射光和反射光;然后，在透射光和反射光的传播方向上分别放置水平偏振片和垂直偏振片;最后，用两个光电转换器同时测量出IH和IV。

3．4 偏振分束法

如图1(d)所示，根据偏振分束镜PBS的基本原理，当一束三态光信号B0入射偏振分束镜后，若B0的偏振方向与水平偏振光Bh(或垂直偏振光Bv)的偏振方向一致时，出射光只有Bh(或Bv)一束，且Bh(或Bv)的光强度同B0的光强度相同。用光电转换器Dh和Dv分别测量出IH和IV。

图1 三态光信号的判定方法

4 三态光信号判定方法的选择

上述四种三态光信号判定方法各有优缺点:

(1)旋转偏振片法仅需一个检偏器和一个光电转换器，结构简单，无需分光。但需要手工或机械旋转偏振片，速度较慢;而液晶调制法、分振幅法和偏振分束法均不需要手工操作，实时性高。

(2)液晶调制法仅需一个液晶和一个光电转换器，结构也较简单，无需分光。但是，液晶像素需要电信号或光信号来控制其旋光，由于受液晶响应时间的限制，相对于分振幅法和偏振分束法，速度较慢。

(3)旋转偏振片法和液晶调制法需要分两次分时测量IH，IV;而分振幅法和偏振分束法可同时测量IH，IV，速度较快。

因此，从测量速度来看，分振幅法和偏振分束法比旋转偏振片法和液晶调制法更适合于三值光学计算机解码器。分振幅法和偏振分束法相比较:

(1)分振幅法的优点:分束器和偏振片是比较常用的光学器件而且价格较低;其缺点是:①结构比偏振分束法稍复杂;②需要分振幅而导致光强度减半。但只要初始光信号的强度较高，各分光束仍会有足够的光强度区分无光态和有光态，就不影响三态光信号的判定结果。从前期完成的实验可以肯定这个条件很容易实现。

(2)偏振分束法的优点是:结构简单易于安装，两束正交线偏振光从不同通光出口出射;其缺点是:①偏振分束镜的通光口径较小，大约在5～50 mm之间，远小于三值光学计算机运算器所用的液晶阵列和偏振片，两者不易级联;②大口径的偏振分束镜非常昂贵。

因此，从性价比、易于同运算器级联以及工程实现性等因素综合考虑，分振幅法判定法更适合于三值光学计算机解码器。

5 分振幅式三态光信号判定系统

根据三态光信号分振幅判定法，设计了一种分振幅式三态光信号判定系统，如图2所示。

图2 分振幅式三态光信号分束系统

分振幅式三态光信号判定系统由三态光信号分束系统和光电转换系统组成，其中:三态光信号分束系统由半反半透镜M1、全反镜M2、水平偏振片HP和垂直偏振片VP组成，实现将三值光学计算机运算器输出的三态光信号阵列TOS分离为水平偏振光信号阵列TOSH和垂直偏振光信号阵列TOSV;光电转换系统由透镜L1和L2以及光电转换器阵列PDAH与PDAV组成，用于测量水平偏振光信号阵列TOSH和垂直偏振光信号阵列TOSV的每束光信号对应电信号值。根据表1，很容易判定入射解码器的三态光信号的物理状态。

6 运算器镜像式三态光信号判定系统

输入解码器的三态光信号与光电转换器阵列输出电信号之间的准确一一对应是实现正确解码的前提。

对上述讨论的分振幅式三态光信号判定系统而言，如果光学系统设计正确，光电转换器阵列设计适当，各器件安装稳固，那么，理论上通过光路调节和电路调试可实现三态光信号与电信号之间准确对应。

然而，在实际工程环境中，限于制造工艺和技术，系统中的各关键光学组件的参数均无法达到理想条件。例如，可能存在光学系统的信号空间传输方向上的误差、光学透镜设计误差、光学运算器的液晶阵列像素与光电转换器阵列的光电转换单元间在大小、填充因子等方面的差异，这些因素都会导致液晶像素和光电转换器光电转换单元间无法准确对准，从而无法实现输入光信号与输出电信号间准确对应。

实际上，根据平面镜的镜像原理，图2中的平面镜M1和M2等价于给光电转换器阵列PDA_V设置了一个光学运算器的镜像，于是，图2可等价于图3，形成一种运算器镜像式三态光信号判定系统。

图3 运算器镜像式三态光信号判定系统

运算器镜像式三态光信号判定系统的优点是:

(1)去除了平面镜M1和M2，避免了光学系统的信号空间传输方向上的误差导致输入输出信号对应问题;

(2)可将光电转换器阵列的光电转换单元大小、填充因子设计为和运算器的液晶像素相同，这样可去除光学透镜L1和L2，直接将液晶阵列、偏振片和光电转换器阵列粘贴在一起，使得输入光信号与输出电信号间很容易精确对应，并且能够大大减少外界环境光线对光电转换的影响;

(3)相对于图2中的结构，去除了平面镜M1和M2，以及透镜L1和L2，使得解码器更易于微型化和集成制造。

运算器镜像式三态光信号判定系统的缺点是增加了一个光学运算器，但考虑液晶阵列像素个数较多，例如:商用的STN液晶显示器分辨率都达到240×320以上，而TFT液晶更是高达1600×1200以上。因此，可以很容易在一个液晶阵列上制作满足三值光学计算机数据宽度要求的两个镜像光学运算器。

所以，在三值光学计算机解码器中采用运算器镜像式三态光信号判定系统。

7 实验与结果分析

采用商用CMOS图像传感器作为光电转换器阵列，32位嵌入式微处理器ARM7为控制核心，基于运算器镜像式三态光信号判定系统，设计并实现了一种三值光学计算机解码器。每位三态光信号，经运算器镜像法分束后，成像到两个CMOS图像传感器上转换为一对电信号图像，然后将该对电信号图像二值化为0或者1，根据三态光信号判定原理可判定该位光信号的物理状态，并转换为对应三值数据。

本实验用三值光学计算机编码器［6］输出作为解码对象，为便于观察实验结果，将多位十进制数转换为对称三进制数［7］，然后，编码为三态光信号。解码器将多位十进制数对应三态光信号解码为对应多位电信号，并转换为多位对称三进制数。实验数据和结果如图4～图6所示。

图4 解码器实验－实验数据

图5 解码器实验－解码中间结果

图6 解码器实验－确码结果

实验结果表明根据本文设计的运算器镜像式三态光信号判定系统而制作解码器能够正确地将三态光信号解码为三值电信号，并转换为对应的三值数字。因此，运算器镜像式三态光信号判定系统原理上是正确、工程上是可行的。

8 结论

深入研究了偏振三态光信号判定原理和方法，在分振幅式三态光信号判定方法的基础上，设计并实现了运算器镜像式三态光信号判定系统，对三值光学计算机编码器输出结果进行了解码实验，论证该系统的正确性和可行性，为下一步研究千位并行实用化三值光学计算机解码器奠定了基础。

［1］ Jin Yi．Ternary optical computer principle and architecture［D］．Xi'an:Northwestern Polytechnical University，2002．(in Chinese)金翊．三值光计算机原理和结构［D］．西安:西北工业大学，2002．

［2］ Jin Yi，He Huacan，Lü Yangtian．Ternary optical computer principle［J］．Science in China(Series F)，2003，46(2):145－150．

［3］ Jin Yi，He Huacan，Lü Yangtian．Ternary optical computer architecture［J］．Physical Script，2005，T118:98 －101．

［4］ Sun Hao，Jin Yi，Yan Junyong．Study on principle of coder and decoder in ternary optical computer by experiment［J］．Computer Engineering and Applications，2004，40(16):82 －83，136．(in Chinese)孙浩，金翊，严军勇．三值光计算机编码器与解码器原理的实验研究［J］．计算机工程与应用，2004，40(16):82 －83，136．

［5］ Yan Junyong，Jin Yi，Sun Hao．Study on the feasibility of coding and decoding multi-bit ternary optical signal used in ternary optical computer［J］．Computer Engineering，2004，30(14):175 －177．(in Chinese)严军勇，金翊，孙浩．三值光计算机多位编码器与解码器的可行性实验研究［J］．计算机工程，2004，30(14):175－177．

［6］ Bao Jiulong，Jin Yi，Cai Chao．An experiment for ternary optical computer hundred-bit encoder［J］．Computer Technology and Development，2007，17(2):19 － 22．(in Chinese)包九龙，金翊，蔡超．三值光计算机百位量级编码器的实现［J］．计算机技术与发展，2007，17(2):19 －22．

［7］ Zuo Kaizhong，Jin Yi，Yan Junyong．Digital expression and its basic algorithm of ternary optical computer［J］．Computer Technology and Development，2007，17(9):8 － 10．(in Chinese)左开中，金翊，严军勇．三值光计算机的数值表示及其基本算法 ［J］．计算机技术与发展，2007，17(9):8－10．