齐沛良同学在偏光全息应用研究中取得新进展
全光信息处理具有响应速度快、可并行处理和可靠性高等优点，在光计算、光通信和光网络中得到了广泛应用。全光逻辑器件对于全光信号处理至关重要。然而，目前主流的全光逻辑器件，如：基于半导体光放大器（SOA）、光子晶体（PC）和周期性极化铌酸锂（PPLN）波导的全光逻辑器件等，仍然存在成本高、结构复杂等问题。为克服这些问题，偏光全息可提供一种有效的解决方案。基于偏光全息的全光逻辑器件具有相对简单的结构、较低的成本和瞬时响应能力。先前基于偏光全息实现全光逻辑器件的研究只能实现几种特定的逻辑门，还没有实现一套完整的布尔逻辑门，因此迫切需要开发一种方法来解决这一问题。 本文提出了一套基于偏光全息的全光布尔逻辑门和偏振控制1×4光开关的设计方案。全光布尔逻辑门由二进制逻辑运算决定，输入和输出光信号的"暗"和"亮"状态分别代表逻辑状态的"0"和"1"。具体来说，本工作中全光学逻辑门的实现过程如下：首先，为了实现不同的逻辑门，在记录过程中，通过角度复用技术在偏光敏感材料的相同或不同区域记录两幅偏光全息图；其次，在再现过程（实际工作）中，满足布拉格条件的读取光作为全光学逻辑门的输入光信号。根据布尔逻辑规则，在再现光的传播方向上添加背景波，然后将它们相干叠加，形成全光逻辑门的输出光信号。在这项工作中，偏振控制1×4光开关的实现过程如下：在记录过程中，通过角度复用技术，在偏光敏感材料的同一区域上依次记录四幅特殊设计的偏光全息图，它们分别具有类似90°偏振器、0°偏振器、右圆偏振检测和左圆偏振检测功能；在再现过程（实际工作）中，改变输入光信号的偏振态，实现输出端口的光路切换。这些全光逻辑器件由单片偏光敏感材料（PQ/PMMA）制成，厚度为1.5毫米，无需额外的电路控制，具有结构简单、制造工艺容易、成本低等特点。因此，它们可以很容易地集成到各种需要光信号控制的光学系统中。此外，通过调整干涉光的直径和材料的尺寸，还可以设计出不同尺寸的全光逻辑器件，以满足特定光学系统的需要。最后，作为无源衍射光学元件，它们的响应速度是瞬时的。 通过单区域干涉记录，实现NAND、OR、XNOR、NOT和XOR全光逻辑门的设计。实验结果如图1所示，使用CCD捕捉到的输入和输出光信号。光学逻辑由这些信号的光强度决定。输出光信号的归一化光强度是根据输出端实验图像的平均灰度值计算得出的，如图1中红色数字所示。输入端口的光学逻辑可通过是否存在照射材料的读取光来推断。输出端口的光学逻辑由输出光信号的光强度决定。具体来说，当归一化光强小于0.2时，输出端口的光信号被视为暗的，对应的光逻辑为"0"。反之，当归一化光强超过0.2时，输出端口的光信号被认为是亮的，对应的光逻辑为"1"。根据这些逻辑规则，成功实现了NAND、OR、XNOR、NOT和XOR全光逻辑门的操作。 |
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| 图1. 实验图像。(a)-(e)分别描述了NAND、OR、XNOR、NOT和XOR全光逻辑门， 输出图像上的红色值代表各输出端口的归一化衍射效率 |
通过双区域干涉记录，实现NOR和AND全光逻辑门的设计。与单区域干涉记录方案不同的是，NOR和AND全光逻辑门是通过综合分析区域1和2输入和输出光信号的光强度，来确定最终的输入和输出逻辑状态。实验结果如图2所示。 |
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| 图2. 实验图像。(a)-(b)分别描述了NOR和AND全光逻辑门，输出图像上的红色值 代表各自输出端口的归一化衍射效率 |
而对于偏振控制的1×4光开关，则分别使用p偏振、s偏振、右旋圆偏振和左旋圆偏振光照射到所记录的材料，从而实现光路的切换。位于材料后方的CCD捕捉到了这些再现光。实验结果如图3所示。 |
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| 图3. 四种不同偏振态读取光的重建图像及其相应的归一化衍射效率 |
实验结果表明，所设计的全光逻辑器件可以实现全部的布尔逻辑操作和偏振控制的光路切换。基于张量偏光全息理论的全光逻辑器件，不仅加深了研究者对偏光全息的理解，还拓宽了其应用范围。这些器件在需要光信号控制的各种光学系统中有着巨大的应用潜力，包括光通信和网络等领域。 |
上述研究成果以“Comprehensive design of all-optical logic devices utilizing polarization holography”为题，整理发表在美国光学学会 (The Optical Society of American, OPTICA) 期刊杂志 Optics Express, Vol.32, No.17, 30419-30435 (2024) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.533605 |
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(2024.08.06)
