刘夏安 曹明翠 李洪谱 罗风光
(华中理工大学激光所，430074)
摘要 报道一种使用光学双稳滤光片作为光学逻辑器件实现二进制符号替换加法运算规律的全光实验系统，给出了实验结果，并讨论了多位数符号替换全加运算器的基本结构和计算过程。
关键词 光学符号替换运算 光学双稳态 全加运算
在全光数字计算机的算法及体系结构的研究中，符号替换运算逻辑由于它在发挥光学处理并行性和容易同光互连相配合上的优势，引起了人们广泛的重视(1)。
加法器是构成计算机运算器的核心部件，因此，实现符号替换的加法运算规律，是在全光数字计算机中实际使用符号替换逻辑的重要步骤。文献〔2〕中提出用zns光双稳滤光片，作为光学逻辑器件实现符号替换运算规律的思想，本文在上述工作的基础上，设计了一种简便易行的光学实现方案，演示了二进制符号替换加法运算四项基本规律的实验结果。本文报道的这一全光实验系统，结构简单，光能利用率高，对目前正在设计的全光数字计算机的体系结构具有启发意义。
实验系统
1.符号替换运算逻辑
符号替换运算逻辑是一种空间编码的逻辑系统。图1表示其强度编码形式。
图1符号替换逻辑的强度编码方式
图2(a)所示为使用符号替换逻辑进行二进制加法时的四则运算规律。本文中用表示四个输入象元，产表示四个输出象元。见图2(b)。
图2 二进制符号替换加法的四则运算规律
通过对图2(a)的分析，可以发现输入、输出象元之间满足如下的逻辑函数关系:
2.光学逻辑器件
使用自制的ZnS光学双稳滤光片作为实验系统中的光学辑逻器件（3）。其基本结构为峰值透射波长，半带宽WH=2nm，线性峰值透射率。选用上述结构参数的双稳滤光片，主要是考虑在我们的实验系统中，双稳滤光片的透、反逻辑需要同时使用，而这种参数结构的滤光片能够保证透、反射逻辑高低态的光强比较均衡，并且双稳开关闹值也比较低。
3.实脸光路
图3所示为使用一片zns光双稳滤光片完成符号替换加法运算规律的实验光路。
图3中是两束偏置光，它们的大小决定了在双稳滤光片上取何种运算逻辑状态。代表输入象元，代表输出象元。B是光束合成棱镜，IF是透反射型zns光双稳滤光片，分别是聚焦和恢复平行用透镜。输入象元进入B后，先实现:和的操作，而后在偏光校镜P中，偏置光H，、H:分别和从B输出的信号光重合，成为H，+I:+13和H:+I:+14。
(a)(b)圈4ZnS双稳滤光片的透、叹射特们曲线元I:、I:、13、I;进入Bj舌，先实现I:+I:和12+I;的操作，而后在偏光校镜P中，偏置光H1和H2分别和从B输出的信号光重合，成为
实验结果
图4(a)、(b)是zns双稳滤光片IF的透射、反射输入输出双稳特性曲线。据此，我们设两束偏置光分别为H1=14mw，H2=20mw。
表1给出了对应不同的四组输入信号，测量输入象元和输出象元得到的激光功率值。从表中数据可知，实验结果完全满足二进制符号替换加法运算的四项基本规则。
在实现二进制符号替换加法规律的基础上还可以进行符号替换的多位数加法。两个多位数相加时，每一位的相加可同时处理，进位问题依靠循环的方式解决。
图6所示为多位数符号替换运算全加器的原理结构框图。两二进制数在进行全加之前先在首位添零，代表加数和被加数的二维编码图形在经过符号替换加法运算逻辑阵列的处理后，中间结果暂存到光学寄存器阵列R中，并经cu控制循环至入端，记下循环次数，撼次循环最高位的进位补至最低位，在完成规定次数的循环后，输出运算的最后结果。
结论
符号替换逻辑运算的提出完全是由于全光数字计算机体系结构研究的需要。木实验研究结果，和国内外的有关符号替换逻辑的研究报告相比，首次使用光学双稳滤光片型逻辑器件实验演示了二进制符号替换加法的四则运算规律，具有光路简单，光学逻辑器件少，系统光能使用效率高等特点。从实验结果来看，使用具有多逻辑功能的光学逻辑器件阵列来实现符号替换运算，整个系统比使用只具有单一逻辑功能的器件阵列要简单许多。
本课题得到了“863”高科技计划的资助，在此表示感谢。
参考文献
〔1〕K.H.Brenner，APPI.OPt·，25，3054(1986).
〔2〕M.T.Tsao，OPt.Eng.，26，41(1987)。
〔3〕曹明翠、刘夏安，《中国激光)，17，412(1990)。
〔4〕陈历学、吕其昌，《应用激光，，10，49(1990)。
