布尔逻辑作为现代数字计算体系的基石，在过去的40多年来，研究人员进行了大量将逻辑计算光学化的尝试。但是由于逻辑运算涉及非线性，大多数光学逻辑方案中可支持的逻辑操作数不超过4个。这极大限制了光学逻辑计算的发展和实际应用。华中科技大学武汉光电国家研究中心张新亮、董建绩教授团队提出了一种可用于二维元胞机的大规模光学可编程逻辑阵列。利用并行光谱调制技术并结合空间维度，构建了可支持9输入的光学可编程逻辑阵列，并首次在光学平台上模拟二维元胞机的演化过程。2024年10月，研究结果以 Large-scale optical programmable logic array for two-dimensional cellular automaton 为题，发表在《Advanced Photonics》上。

团队提出了并行光谱调制技术，利用级联的光谱调制器将光谱按二分法编码（一半加载原码，一半加载反码），将波长资源充分开发。如图1所示，光谱调制器由一个波长选择开关和一个1×2光开关组成。在经过三个光谱调制器编码后，输入的8个波长中每一个波长都将代表一个独立的逻辑最小项。这些波长再根据需求由波束整形器进行选择，从而实现目标的逻辑功能。理论上，构建N输入的可编程逻辑门需要 2^N 个 N 输入与门来产生 2^N 个逻辑最小项。而本方案仅需要 N 个调制器，极大减少了所需的器件数目。在实验中，研究人员在C波段附近约40nm的光谱范围，以0.15nm为间隔，使用了256个波长来构建8输入的可编程逻辑阵列。在可编程逻辑阵列中，每个波长通道之间的串扰小于17dB，从而保证了输出逻辑电平的消光比。基于该可编程逻辑阵列，研究人员构建了的4-bit比较器，其在所有输入情况下都能够输出准确的比较结果。

图1. 基于光谱调制的光学可编程逻辑阵列示意图

研究人员通过引入空间维度，实现了9输入的可编程逻辑阵列。在并行光谱调制所产生的256个波长最小项的基础上，利用1个1×2的光开关，生成9个输入操作数对应的全部512个最小项。利用可编程逻辑阵列实现了日期状态机，该状态机可准确地推导出一年中的某一天所对应的具体日期，以及其逆过程。进一步将光子可编程逻辑阵列用于运行二维元胞机中的康威生命游戏。更多可能的应用，包括交通流量模拟，随机数生成，图像处理等，都可以由光子二维元胞机来实现。本研究极大地扩展了当前光逻辑架构的计算规模，并提供了一种用于模拟各种复杂演化现象的光学通用元胞模拟平台。

华中科技大学武汉光电国家研究中心的张文凯博士和吴波博士为该论文的共同第一作者，董建绩教授和周海龙副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

论文链接：http://doi.org/10.1117/1.AP.6.5.056007