细菌视紫红质在光逻辑门中的应用

摘要：细菌视紫红质是一种具有非常良好性能的光色材料。本文介绍了利用其光循环、互补抑制调制透射特性和简并耦合折射光栅等特性，实现的全光逻辑运算。

中图分类号：O438文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)04(a)-0000-00

在信息时代的今天，数字化运算是信息处理的必要手段。用bR膜进行光逻辑运算是目前研究热点之一。本文简要介绍细菌视紫红质在光逻辑门中的一些应用。

1 bR的光循环

细菌视紫红质（bacteriorhodopsin,简称bR）是存在于嗜盐菌属盐杆菌（嗜盐菌）的细胞膜中的一种蛋白质。由于这种蛋白质的组成和结构与动物视网膜上的视色素—视紫红质（rhodopsin）非常相似，因此被命名为细菌视紫红质。bR有许多优良特性。处于基态的bR分子吸收光子后发生异构化，经过一系列中间态（K,L,M,N,O和P等）将细胞内的质子泵出胞外，返回初始状态，从而完成一次光循环。光循环中最重要的两个吸收峰分别位于波长568nm和412nm。bR的初态吸收波长为568nm的光子而被激发到高能态J，然后到达寿命最长的中间态M, 位于M态的bR分子可通过驰豫过程返回基态，也可通过吸收波长412nm的蓝光后被激发到更高激发态后，再很快驰豫到基态[1]。

2 利用 bR膜的互补抑制调制透射特性实现逻辑运算

bR膜的互补抑制调制透射特性。用黄光（568nm）和蓝光（412nm）同时照射bR膜，这两束光有相互调制作用。如固定蓝光光强，改变黄光光强，随着黄光光强由0逐渐增大，黄光、蓝光的透射性质可呈现三个阶段：第一阶段，黄光被全抑制，蓝光线性衰减；第二阶段，二束光皆被全抑制；第三阶段，蓝光被全抑制，黄光线性增强。以此为基础，张天浩等人[2]设计了二进制双变量光子逻辑门与、或、与非、或非、0。

用bR膜调制透射特性实现光子逻辑门的原理如图1所示。操作中，① 以两束蓝光（Ip1和Ip2）作为信号光代表输入光，以光强可变的黄光（Iy）作为偏置光来调节bR膜的透射率，适当选择黄光或蓝光的透射光强作为逻辑门运算结果，可以得到0输出、与、与非、或、或非、异或非及1逻辑。② 若输入光是Ip1（或者Ip2）和Iy，另一束蓝光作为偏置光调节bR膜的透射率，可实现A+ 操作。③若输入光是Ip1（或者Ip2）和Iy，另一束蓝光光强为0，可实现 +B操作。

3 bR膜应用于布尔全光逻辑门

bR具有全息记录功能。将两束具有相同偏振方向的相干光同时入射到bR膜上，全息光栅被记录在bR膜中。用两束光（记录光）照射bR膜，同时再用第三束光（读出光）以Bragg角照射bR膜，那么读出光受到膜中全息光栅的衍射作用产生衍射光。利用bR膜中全息光栅记录光、读出光和一级衍射光三者偏振状态之间的关系，李玉栋等[3]设计了全光逻辑门实验装置，实现了全光布尔逻辑操作。实验装置如图2所示。衍射光的偏振状态受到光栅记录光和读出光的偏振状态的共同影响。实验测量了不同偏振状态的记录光和读出光组合下产生的一级衍射光的偏振状态。若定义垂直偏振（V）为逻辑0，水平偏振(H)为逻辑1，在bR膜中实现的全光布尔逻辑操作见表1。当膜中记录的是偏振全息光栅，①读出光作为输入信号，水平偏振，即逻辑1；一级衍射光C作为输出信号，垂直偏振，即C=0；实现逻辑非（NOT）操作。反之，读出光垂直偏振，即逻辑0；衍射光C=1，亦可。②两记录光A,B作为输入信号，衍射光C作为输出，保持读出光为水平偏振，则当A=B=0时，或者A=B=1时，C=1；当A=0,B=1或者A=1,B=0时,C=0。实现逻辑同(XNOR)操作。③两记录光A,B作为输入信号，衍射光C作为输出，保持读出光为垂直偏振，则当A=B=0时，或者A=B=1时，C=0；当A=0,B=1或者A=1,B=0时,C=1。实现逻辑异或(XOR)操作。在利用记录光A和B的光强作为逻辑输入，一级衍射光强C作为逻辑输出时，可实现全逻辑运算。①A,B输入光强为逻辑门输入，C光强为输出，可实现或门逻辑运算。②读出光光强作为逻辑门输入，C光强为输出，可实现非门逻辑运算。③A（或者B）和读出光光强为输入，C光强为输出，可实现A 运算。④同理可实现 运算[4]。

4 利用bR膜光循环特性实现逻辑操作

bR膜的光循环中有六个中间态（B,K,L,M,N,O），bR膜的双折射性质可以将开关器件对比率提高103倍。用660nm、垂直偏振光作为探测光，570nm、与垂直成450偏振光作为泵浦光，二束光以450夹角入射到bR膜上，输入信号在探测光中。鉴于泵浦光可以将bR分子从基态分别跃迁到K,L,M,N,O各激发态，有泵浦光时输出信号大，无泵浦光时输出信号小，进而实现了开关功能[5]。以两束激发光分别作为逻辑输入A 和B, 探测光的透射变化作为逻辑输出光C, 可以实现0, 1, 与门, 或门, 非门等及复合逻辑门操作.

bR的光敏特性和光循环特性使其在光子逻辑门领域有了飞速发展。从利用非线性特性的全光逻辑器件到分子逻辑器件，从单一的逻辑门到复合逻辑门，进而实现了多功能全光逻辑器件。未来，全光逻辑器件的发展方向是动态器件，动态器件的发展将会使全光逻辑器件更智能化、功能更完善化。

参考文献

[1] Oesterhelt D, Stocckenius W. Rhodopsin-like protein from the purple membrane of Halobacterium[J]., Nature., 1997,233:149-152.

[2] 张天浩, 张春平，富光华，等., 生物光敏蛋白应用于光子逻辑门的研究[J]., 红外与毫米波学报., 1999,18:177-182.

[3] 李玉栋，孙骞，张春平，等., 利用bR膜实现全光布尔逻辑操作[J].,中国激光.,1999.,26：1103-1108.

[4] 陈桂英，张春平，郭宗霞，等.，细菌视紫红质在全光逻辑器件中的研究与应用[J].，物理实验.，2005.,25：13-17.

[5] Chandra P S, Sukhdev R. All optical switching in bacteriorhdopsin based on M state dynamics and its application to photonic logic gates [J] . Opt. Commun., 2003, 218: 55-66.