摘 要：光邏輯門是未來全光網(wǎng)絡(luò)中光信息處理的核心元件，它可以實(shí)現(xiàn)高速光包交換，全光地址識(shí)別，數(shù)據(jù)編碼，奇偶校驗(yàn)，信號(hào)再生等功能。介紹了幾種基于非線性效應(yīng)的全光邏輯門，分析了它們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，并對各自的特點(diǎn)進(jìn)行了比較，指出光邏輯門在未來的發(fā)展方向及應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體光放大器；太赫茲光非對稱解復(fù)用器；馬赫-曾得干涉儀；超快非線性干涉儀

中圖分類號(hào)：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X(2008)1515203

Analysis of All-optical Logical Gates Based on Non-linear Effect

HUI Zhanqiang

(Xi′an Institute of Post and Telecommunications，Xi′an，710061，China)

Abstract：Optical logical gate is a kind of important device using for high-performance optical information processing and all optical networks，some example applications including high-speed optical packet-switched routers，header recognization，parity checking and data encode and so on.Several kinds of optical logical gates based on nolinear optical effection are introduced，its structure as well as principle is analysed and discussed.In conclusion，optical logical gates is popular in future.

Keywords：semiconductor optical amplifier;THz optical asymmentric demultiplexer;M-Z interferometer;ultra non-linear interferometer

全光邏輯門是實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)處理的核心元件，它可以實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)提取，全光地址識(shí)別，全光復(fù)用/解復(fù)用以及全光開關(guān)等^［1-4］，因此，在未來的全光高速通信網(wǎng)絡(luò)和新一代光計(jì)算機(jī)中將有著巨大的應(yīng)用潛力，目前，國內(nèi)外均對此展開了廣泛深入的研究。半導(dǎo)體光放大器以其體積小，光譜性能好，工作波長范圍寬，響應(yīng)時(shí)間短以及良好的非線性特性等優(yōu)點(diǎn)，成為各種全光邏輯門中的主要功能器件，本文介紹了幾種基于半導(dǎo)體光放大器中的非線性光學(xué)效應(yīng)工作的全光邏輯門，并對其各自的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。

1 實(shí)現(xiàn)光學(xué)邏輯門的非線性光學(xué)原理

實(shí)現(xiàn)全光邏輯門主要是基于半導(dǎo)體光放大器中的交叉增益調(diào)制波長轉(zhuǎn)換原理，在忽略放大的自發(fā)輻射引起的載流子消耗的條件下，波長的轉(zhuǎn)換過程可以用以下兩個(gè)方程描述^［5，6］:Nt=IeV－R(N)－∑i=s，cΓgi(N，vi)AhviP+i－

∑i=s，cΓgi(N，vi)AhviP－i(1)

±P±it=Γgi(N，vi)－αintP±i(2)其中，N是有源區(qū)中載流子濃度，I是注入電流大小，e是電子電量，V是有源區(qū)體積，Γ是模場限制因子，A是有源區(qū)橫截面積，h是普朗克常數(shù)，c是真空中光速，下標(biāo)S，c分別對應(yīng)信號(hào)光和探測光，gi(N，vi)是對應(yīng)光波的增益系數(shù)，v是光波的頻率，P+i和P－i分別對應(yīng)正向和反向傳播的光功率，αint是有源區(qū)內(nèi)部的損耗系數(shù)，R(N)是非輻射復(fù)合和自發(fā)輻射復(fù)合引起的載流子消耗。為準(zhǔn)確模擬載流子沿半導(dǎo)體光放大器有源區(qū)長度方向的分布，可以采用分段模型進(jìn)行數(shù)值模擬。將有源區(qū)分為M段，每段載流子濃度均勻，給定入射光功率就可以根據(jù)式(1)解出第一子段的載流子濃度N1，然后根據(jù)式(2)求出第一子段光功率P2，再代入式(1)求得N2，依次類推可求得整個(gè)有源區(qū)內(nèi)載流子濃度N和光功率P在空間上的靜態(tài)分布，最后采用龍格-庫塔法求出隨時(shí)間變化的輸出光功率。

2 光學(xué)邏輯門的工作原理

2.1 利用半導(dǎo)體光放大器實(shí)現(xiàn)光邏輯與門

利用半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)實(shí)現(xiàn)光邏輯與門是利用級聯(lián)的交叉增益調(diào)制型波長轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)全光邏輯與門^［7］，工作原理為：特定速率的信號(hào)光經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大后再經(jīng)耦合器1分為兩路，其中一路信號(hào)光A和可調(diào)諧激光器提供的連續(xù)光(探測光)經(jīng)耦合器2合路，再經(jīng)過環(huán)行器送入SOA1。兩束光在SOA1中可以產(chǎn)生基于交叉增益調(diào)制效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，信號(hào)光攜帶的信息轉(zhuǎn)換到探測光上，但與原信息反相。第一級SOA1輸出的信號(hào)光經(jīng)環(huán)行器輸出，而后經(jīng)過EDFA2放大，隨后由帶通濾波器1濾出波長轉(zhuǎn)換后的信號(hào)；另一路光信號(hào)經(jīng)過可調(diào)諧延時(shí)線延時(shí)后，和帶通濾波器1輸出的信號(hào)一起經(jīng)過耦合器和環(huán)行器耦合進(jìn)SOA2，適當(dāng)控制第一級轉(zhuǎn)換輸出的功率遠(yuǎn)大于延時(shí)后的信號(hào)光功率，因此，當(dāng)?shù)谝患夀D(zhuǎn)換輸出的比特為“1”時(shí)，SOA2的增益被抑制，無論信號(hào)光為“1”還是“0”，輸出為“0”；反之，當(dāng)?shù)谝患夀D(zhuǎn)換輸出的比特為“0”，信號(hào)光為“1”時(shí)輸出“1”，為“0”時(shí)輸出“0”，因此，經(jīng)帶通濾波器2(對準(zhǔn)信號(hào)光波長)濾出的信號(hào)就是信號(hào)光A和延時(shí)后的信號(hào)光B的邏輯與運(yùn)算結(jié)果。

圖1 基于半導(dǎo)體光放大器的光邏輯與門2.2 利用太赫茲光非對稱解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)全光邏輯門

利用太赫茲光非對稱解復(fù)用器(Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer，TOAD)實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的原理如圖2所示。耦合器1將一段光纖首尾相接^［8］，作為非線性元件的SOA非對稱的置于光纖線路中，它偏離環(huán)路中心的光程為T/2，控制脈沖經(jīng)過耦合器2從端口A引入環(huán)路，探測脈沖從端口C注入，控制信號(hào)光足夠強(qiáng)，能夠引起SOA中的非線性效應(yīng)，而探測光很弱，它不在SOA中引起非線性光學(xué)效應(yīng)。此邏輯門的工作過程為：探測光從端口C輸入，被耦合器1分為幅度相等的兩部分，分別沿順時(shí)針(CW)和逆時(shí)針(CCW)方向傳輸，在沒有控制光的情況下，CW和CCW光均可獲得SOA的小信號(hào)增益，當(dāng)它們再次回到耦合器1時(shí)所獲得的相移也相等，因此，兩束光在端口D相干相消，而光全部從端口C反射；反之，當(dāng)有控制光從端口A輸入，控制光經(jīng)耦合器2注入環(huán)路中，適當(dāng)調(diào)節(jié)探測光和控制光之間的時(shí)延，使得控制光在CCW之后CW之前到達(dá)SOA，這樣，在控制光的作用下，CW將獲得額外的非線性相移，經(jīng)耦合器1再次耦合后，從端口D輸出，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了探測光與控制光的邏輯與運(yùn)算。

2.3 基于馬赫-曾德干涉儀的全光邏輯門

基于馬赫-曾德干涉儀(Mach-Zehnder Interferometers，MZI)的全光邏輯門的原理如圖3所示^［9］，SOA1和SOA2對稱放置在干涉儀兩臂，連續(xù)的探測光通過一個(gè)耦合器分解成兩束，注入到干涉儀兩臂，波長為λ1的兩路強(qiáng)度調(diào)制的信號(hào)光分別注入其中，信號(hào)光的峰值功率高于SOA的最大線性輸入功率，當(dāng)輸入功率超過SOA的最大線性輸入功率時(shí)，SOA的有源區(qū)內(nèi)載流子密度就會(huì)發(fā)生變化，使有源區(qū)內(nèi)的有效折射率發(fā)生改變，導(dǎo)致通過SOA的探測光的強(qiáng)度和相位發(fā)生變化，探測光經(jīng)過SOA就會(huì)攜帶上信號(hào)光的信息，兩路經(jīng)過相位調(diào)制的探測光在耦合器中發(fā)生干涉，將相位轉(zhuǎn)移成振幅調(diào)制，完成兩路信號(hào)的異或運(yùn)算。

圖2 基于太赫茲光非對稱解復(fù)用器的光邏輯門圖3 基于馬赫-曾德干涉儀的全光邏輯門2.4 基于超快非線性干涉儀的全光邏輯門

超快非線性干涉儀(Ultrafast Nonlinear Interferometers，UNI)的工作原理如圖4所示^{［10，11］}，信號(hào)光經(jīng)過起偏器保持一定方向的偏振態(tài)，經(jīng)過雙折射光纖后分離成具有不同偏振態(tài)相互正交且有一定延時(shí)的兩路脈沖，其中一個(gè)脈沖先進(jìn)入SOA，然后控制脈沖通過耦合器1輸入到SOA，接著相互正交的后一脈沖再進(jìn)入SOA。由于前一脈沖強(qiáng)度小，SOA不會(huì)產(chǎn)生增益非線性，而后一脈沖將會(huì)遇到強(qiáng)的控制脈沖導(dǎo)致的SOA增益非線性，從而獲得一附加相移。

圖4 基于超快非線性干涉儀光邏輯門因此，當(dāng)兩個(gè)脈沖經(jīng)過快慢軸與雙折射光纖BRF1正交的BRF2后，重新在時(shí)間上重疊。由于兩個(gè)脈沖有相位差，當(dāng)它們通過45°檢偏器后將會(huì)產(chǎn)生干涉，從而有輸出；反之，如果沒有控制脈沖，則這兩個(gè)脈沖將會(huì)遇到相同的增益特性，沒有相差，在檢偏器中不能形成干涉，因而也就沒有輸出。當(dāng)利用超快非線性干涉儀作為邏輯門時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)作為信號(hào)光輸入超快非線性干涉儀，再利用耦合器2輸入A和B兩個(gè)邏輯控制信號(hào)代替超快非線性干涉儀原來的控制信號(hào)，就可以獲得或門和異或門。

3 結(jié) 語

以上分析了幾種典型全光邏輯門的工作原理，其中，在利用半導(dǎo)體光放大器實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門中，第二級半導(dǎo)體光放大器前置的摻鉺光纖放大器的輸入信號(hào)功率和消光比對邏輯與運(yùn)算的輸出性能起決定性作用，而利用太赫茲光非對稱解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)全光邏輯門方案，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)邏輯操作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換，最后探測光作為載波攜帶邏輯結(jié)果輸出，同時(shí)，此方案還具有擴(kuò)展性，即能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)具有不同波長的數(shù)據(jù)流的操作，如果改用偏振無關(guān)的半導(dǎo)體光放大器，可實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)的邏輯門?；诔旆蔷€性干涉儀的全光邏輯門，利用反向控制光實(shí)現(xiàn)全光或門和異或門，同時(shí)信號(hào)光和控制光可實(shí)現(xiàn)單一波長工作，加之采用了半導(dǎo)體光放大器，使得結(jié)構(gòu)緊密，連同基于馬赫-曾德干涉儀的全光邏輯門，均具有便于集成的優(yōu)點(diǎn)，用于未來的全光信號(hào)處理頗有前途。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Fjelde T，Kloch A，Wolfson D，et al.Novel Scheme for Simple Label Swapping Employing XOR Logical in an Integrated Interferometric Wathlength Converter［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2001，13(7):750-752.

［2］Hall K L，Rauschenbach K A.All-optical bit Pattern Generation and Matching［J］.Electronics Letters，1996，32(13):1 214-1 215.

［3］PoustieA J，Blow K J，Manning R J，et al.All-optical Pseudorandom Number Generator［J］.Optics Communications，1999，159(4):208-214.

［4］Houbavlis T，Zoiros K，Vlachos K，et al.All-optical XOR in a Semiconductor Optical Amplifier-assisted Fiber Sagnact Gate［J］.IEEE Photonics Technology Letters，1999，11(3):334-336.

［5］李培麗，黃德修，張新亮，等.基于半導(dǎo)體光纖環(huán)行腔激光器的新型全光AND門和NOR門\\.物理學(xué)報(bào)，2007，56(2):871-877.

［6］Zhang X L，Dong J J，Wang Y，et al.Experimental and Theoretical Investigation on Novel all-optical Logical AND Gates\\.Acta.Phys.Sin.2005，54(5):2 066-2 071.

［7］任海蘭.光通信信號(hào)處理\\.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［8］周云峰，伍劍，林金桐.利用TOAD實(shí)現(xiàn)全光邏輯操作的實(shí)驗(yàn)研究\\.通信學(xué)報(bào)，2004，25(12):53-58.

［9］潘煒，鄒龍方，羅斌，等.基于馬赫-曾德干涉儀的全光邏輯異或門理論研究\\.光學(xué)精密工程，2005，13(6):339-347.

［10］陳興忠，姚敏玉，高以智.超快非線性干涉儀及其在高速全光信號(hào)處理中的應(yīng)用\\.光電子激光，1999，10(5)：388-394.

［11］Montgometry W D.Sampling in Imaging Systems\\.Opt.Soc.Am.，1975，65(6):700-706.

作者簡介 惠戰(zhàn)強(qiáng) 男，1978年出生，陜西渭南人，碩士，西安郵電學(xué)院助教。從事信息光學(xué)，光纖通信領(lǐng)域教學(xué)及科研工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文