CN113448911B - 一种可编程光学硬件相干光最优化问题计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可编程光学硬件相干光最优化问题计算方法，属于光信息计算；具体为：首先，制备光纤或者波导耦合的回音壁阵列；通过移动光纤使其位于回音壁腔的倏逝场范围内；然后，打开激光器，激光输入回音壁腔并扫谱，通过发现透射谱的最低点确定工作波长；根据待解决问题编程各个腔的耦合；使用光电探测探测各个腔顺时针逆时针模式强度，并根据其强度分组，该分组就是对应最优化问题的解；本发明所需时间远小于经典电子器件的求解时间，可以求解大规模最优化问题。
Description
技术领域
本发明涉及最优化的可编程硬件求解方法领域，具体是一种应用二氧化硅的回音壁微腔的可编程阵列实现最优化问题的求解的方法。
背景技术
光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔，具有光场存储，增强光与物质相互作用强度的作用，同时最优化算法解决的是复杂网络结构下问题最优处理方法的算法，存在基于通用计算机的软件算法和专用计算机的硬件算法两种。
对于球形或者二氧化硅光学微腔，其中光场存在的一个重要模式为回音壁模式，回音壁模式的形成原理是回音壁光学腔中光的全反射，而只有当光在腔中通过的路径形成了闭合路径，并且这个路径的长度是光波长的整数倍时回音壁模式才能稳定存在。回音壁模式中的光并不是完全严格的囚禁于几何体内部，在几何体外部也会存在一部分光，这部分光场被称为倏逝场。当在倏逝场中存在近波长尺度的介质结构时，会改变整个回音壁模式的光程，进而改变其共振频率，这就实现了模式的调控。
光学非线性效应是指光场的演化规律会随光场强度变化的相应，几乎所有的材料都有非线性效应。二氧化硅回音壁光学微腔中，分子存在非对称性，会诱导其产生非线性效应。当其中光场超过一定强度时二氧化硅微腔中的光场性质会产生质变。进而产生类似与自旋模型的结构。
这些自旋结构通过相互作用可以构建出一个与最优化问题相对应的自旋耦合网络，通过上面的模拟自旋模型的光学微腔结构的耦合，就可以物理上搭建上面自旋耦合网络，因为系统中天然的存在耗散，最终系统会演化到最低能量的状态，对应的就是对应最优化问题的解。
目前常用的最优化算法都是基于经典计算机的算法，其耗时随着研究问题规模的增大会指数的上升。这造成了许多优化问题实际上不可求解。我们的可编程硬件求解该问题的算法的方法，对于求解问题的规模并不敏感，使得求解大规模最优化问题成为可能。
发明内容
本发明直接使用二氧化硅回音壁微腔作为基础元件，通过二氧化硅回音壁微腔的自旋模拟特征来构建自旋网络，在该网络下下可以产生一个直接测量光场强度的最优化问题求解器，基本制备材料二氧化硅是自然界的基础材料，造价低，制备过程中无污染；所构建的最优化问题求解器仅需要常数时间而非指数时间就能对大规模的最优化问题进行求解，计算效率高。
所述的一种可编程光学硬件相干光最优化问题计算方法，具体实施步骤如下：
步骤一、搭建二氧化硅的回音壁微腔共振频率调控装置(或者应用微纳米加工技术直接制备相应芯片)；
具体包括：激光器通过法兰耦合光纤一端，光纤搭载在核心组件上方，光纤另一端通过法兰连接光探测器，最终光探测器连接示波器。
所述的核心组件包括：二氧化硅回音壁腔，光纤/棱镜/波导，激光器，光电探测器。
在回音壁腔外侧的上方安装两个伸缩支架，支架上搭载光纤/棱镜/波导，通过调整伸缩支架的长度，进而调整光纤与回音壁腔之间的间距；同时，回音壁腔下方放置在位移器上，通过移动位移器，带动回音壁腔上下移动，从而调整回音壁腔与光纤的间距。
步骤二、通过位移器移动回音壁腔，使回音壁腔位于光纤的倏逝场范围内；
此时光纤与回音壁腔的距离为100nm左右。
步骤三、打开激光器，激光以相同的功率从顺时针和逆时针两个输入回音壁腔后，通过扫谱确定回音壁微腔的共振频率；
步骤四、将激光频率调到共振频率后，逐渐从零增加激光的功率，刚开始时回音壁两个方向输出出的强度相同，继续增加功率。在某个功率下，两个方向的激光功率会产生不同，这个值为腔的模拟阈值h。
步骤五、重复步骤一到四制造n个相同的上述耦合装置，也可以通过上面器件的参数，直接通过微纳米加工技术制备那个相同的元件。
步骤六、将上述n个器件通过需要优化的问题对应的最优化参数耦合起来，其中各个腔模式之间的耦合强度为最优化问题各个节点之间的耦合参数的函数。具体可以实际用互联神经元模型计算。
步骤七、记录上面阈值h，每次输入相同阈值以上的激光功率，这里以1.1h为例，测试每次系统在两个方向上输出强度的强弱，并将顺时针的强度定义为自旋向上，逆时针的强度定义为自旋向下(反之亦可)，对于各个步骤五中每一个部件都记录其自旋值，将顺时针强的情况记为1，逆时针强的情况记录为0，把各个腔与最优化问题中各个网络节点的状态对应起来，那各个腔的模式值，就是对应最优化问题的节点的最优值。
本发明的优点在于：
一种可编程光学硬件相干光最优化问题计算方法，使用全二氧化硅器件进行模拟，不需要复杂的晶体生产工艺，无污染；可直接测量光场强度，测试装置结构简单；光信号可以通过光电探测器直接变为电信号，与现有电子器件相容性好。所构建的最优化问题求解器仅需要常数时间而非指数时间就能对大规模的最优化问题进行求解，计算效率高。
附图说明
图1为本发明一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法的流程图；
图2为本发明搭建的磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调控装置示意图；
图3为本发明所述共振频率调控装置中的核心组件。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。
本发明公开了一种可编程光学硬件相干光最优化问题计算方法，是基于二氧化硅模拟自旋的可编程耦合阵列的最优化问题求解器件。具体为：二氧化硅的微盘腔具有接近于通信波长1550纳米的尺度结构，可以直接用通信波段的光。本发明采用的1微米-100微米的二氧化硅微盘腔结构，其中二氧化硅分子由于分子的非完全对称结构的存在，具有弱的非线性；这使得二氧化硅回音壁模式腔可以模拟自旋，通过制备大量二氧化硅回音壁模式光学腔，并将每一个腔与最优化问题中的节点对应，将两个腔之间的耦合与最优化问题中腔的连接对应，可以构架硬件的最优化问题处理器。
所述的一种可编程光学硬件相干光最优化问题计算方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤一、搭建二氧化硅的回音壁微腔共振频率调控装置(或者应用光刻技术直接制备相应芯片)；
具体包括：激光器通过法兰耦合光纤一端，光纤搭载在核心组件上方，光纤另一端通过法兰连接光探测器，最终光探测器连接示波器。
所述的核心组件包括：二氧化硅回音壁腔，光纤/棱镜/波导，激光器，光电探测器。
在回音壁腔外侧的上方安装两个伸缩支架，支架上搭载光纤/棱镜/波导，通过调整伸缩支架的长度，进而调整光纤与回音壁腔之间的间距；同时，回音壁腔下方放置在位移器上，通过移动位移器，带动回音壁腔上下移动，从而调整回音壁腔与光纤的间距。
所述的回音壁光学微腔在几何上是盘状，球状，微环，微环芯或柱状结构，其材料采用二氧化硅。
步骤二、通过位移器移动回音壁腔，使回音壁腔位于光纤的倏逝场范围内；
此时光纤与回音壁腔的距离为100nm左右。
步骤三、打开激光器，激光以相同的功率从顺时针和逆时针两个输入回音壁腔后，通过扫谱确定回音壁微腔的共振频率；
步骤四、将激光频率调到共振频率后，逐渐从零增加激光的功率，刚开始时回音壁两个方向输出出的强度相同，继续增加功率。在某个功率下，两个方向的激光功率会产生不同，这个值为腔的模拟阈值h。
步骤五、重复步骤一到四制造n个相同的上述耦合装置，也可以通过上面器件的参数，直接通过微纳米加工技术制备那个相同的元件。
步骤六、将上述n个器件通过需要优化的问题对应的最优化参数耦合起来，其中各个腔模式之间的耦合强度为最优化问题各个节点之间的耦合参数的函数。具体可以实际用互联神经元模型计算。
步骤七、记录上面阈值h，每次输入相同阈值以上的激光功率，这里以1.1h为例，测试每次系统在两个方向上输出强度的强弱，并将顺时针的强度定义为自旋向上，逆时针的强度定义为自旋向下(反之亦可)，对于各个步骤五中每一个部件都记录其自旋值，将顺时针强的情况记为1，逆时针强的情况记录为0，把各个腔与最优化问题中各个网络节点的状态对应起来，那各个腔的模式值，就是对应最优化问题的节点的最优值。
实施例
选用的激光器为标准的1550nm通信光源，功率为0.3mw，回音壁腔为品质因子为1×108的二氧化硅盘状腔。用以求解最大割问题，所谓最大割问题是：有n个节点，各个节点之间可能存在连接。所谓的最大割问题就是，将上面的节点分为两组，不同组之间的连接被分开，最大割问题是找到可能分开连接数最多的分组方法。
激光器的输入光耦合进二氧化硅盘状腔，调节光纤-盘的贴合区域，在示波器扫谱观察到明显的吸收谷，锁定扫谱范围为吸收谷附近；将激光的频率调制至吸收谷的区域。
步骤一、将上面实施步骤实施至步骤六，考察所求的最大割问题节点的连接，如果对应的最大个问题里第i个节点与第g个节点之间有连接，那么就将第i个腔和第j个腔的顺时针模式之间，及逆时针模式之间分布耦合起来。
步骤二、考察各个腔的输出，其中顺时针模式强的组的值记为1，逆时针模式强的组几位0，那么个将各个节点按对应的强的值分组，即取值为1的分为一组，取值为0的分为一组，该分组即为相应最大割问题的最优化解。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (3)
1.一种可编程光学硬件相干光最优化问题计算方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、搭建回音壁腔共振频率调控装置：使用法兰将激光器耦合至搭载在核心组件上方的光纤一端，使用连接示波器的光探测器通过法兰接收光纤另一端的光；
所述的核心组件包括：回音壁腔，光纤或棱镜或波导，激光器，光电探测器；
在回音壁腔外侧的上方安装两个伸缩支架，支架上搭载光纤或棱镜或波导，通过调整伸缩支架的长度，进而调整光纤与回音壁腔之间的间距；同时，回音壁腔下方放置在位移器上，通过移动位移器，带动回音壁腔上下移动，从而调整回音壁腔与光纤的间距；
所述的回音壁腔在几何上是盘状或球状或微环或微环芯或柱状结构；
步骤二、通过位移器移动回音壁腔，使回音壁腔位于光纤的倏逝场范围内，此时光纤与回音壁腔的距离为100nm；
步骤三、打开激光器，激光以相同的功率从顺时针和逆时针两个方向输入回音壁腔后，通过扫谱确定回音壁腔的共振频率；
步骤四、将激光频率调到共振频率后，逐渐从零增加激光的功率，刚开始时回音壁腔两个方向输出的强度相同，继续增加功率至一定值后，两个方向的激光功率会产生不同，这个值为回音壁腔的阈值h，由此得到耦合装置；
步骤五、重复步骤一到四制造n个相同的所述耦合装置，其中所述n个耦合装置的回音壁腔的模式之间的耦合强度通过可编程电子器件或可编程光路实现控制；
步骤六、将所述n个耦合装置通过最优化问题对应的最优化参数耦合起来，其中各个所述耦合装置的回音壁腔的模式之间的耦合强度为最优化问题中各个节点间的耦合参数的函数；
步骤七、记录上面阈值h，每次输入阈值h以上的激光功率，测试每次系统在两个方向上输出强度的强弱，并将顺时针的强度定义为自旋向上，逆时针的强度定义为自旋向下，对于步骤五中每一个耦合装置的回音壁腔都记录其自旋值，将顺时针强的情况记为1，逆时针强的情况记录为0，把各个耦合装置的回音壁腔与最优化问题中各个节点的状态对应起来，各个耦合装置的回音壁腔的模式值就是对应最优化问题的节点的最优值。
2.如权利要求1所述的一种可编程光学硬件相干光最优化问题计算方法，其特征在于，步骤一中所述的回音壁腔的材料可以是二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂、氮化铝、氮化镓或锗中的一种。
3.如权利要求1所述的一种可编程光学硬件相干光最优化问题计算方法,其特征所述最优化问题为最大割问题、商人旅行问题或WIFI信号分配。
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