CN101006388A - 光逻辑门 - Google Patents

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Abstract

一种光逻辑门(10)，包括：用来接收各自的光信号(A、B)的第一、第二光输入端(11、12)，和用来输出光信号(Pout)的输出端(15)，所述输出光信号表示应用了所需的逻辑功能后的结果。逻辑门的特征是光联合装置(13)，用于联合光信号以生成相应的联合信号，联合信号的功率(Pi)是光信号功率(PA，PB)的联合，以及非线性光学装置(14)，用于接收联合信号(Pi)并发射光输出信号(Pout)。逻辑功能取决于非线性光学装置的特性，所述特性被这样选择，使得输出信号的功率便通过所选择的逻辑功能与联合信号的功率相关联。

Description

光逻辑门
技术领域
本发明涉及光逻辑门，更特别是全光逻辑门，其可重新配置(在逻辑功能方面)，并且有利地也是可再生的。本申请的全文中，全光学意指在光域实行逻辑运算而不需要转换成相应的电量。
背景技术
在光纤通信领域，对光信号实行超快逻辑运算而不用将其转回电信号的能力一直是人们所期望的。
例如，宽带分组交换网为了执行高速路由功能，如分组同步、地址识别、实时内容解析，需要超快全光信号处理。为实现这些功能，全光数字逻辑门的应用看来必不可少。逻辑门在“开”和“关”状态间应具有高的对比度以容许级联能力并提供低比特误差率，逻辑门还应具有很快的响应时间以容许实时全光处理。
文献中介绍了几个运用非线性效应的全光逻辑门的例子：(i)半导体器件，(ii)光纤及(iii)波导设备。然而，第一个例子中，半导体的响应时间限制了最大的信号比特率；同时第二例子中的商业光纤可获得的性能不够，且需要专用的高成本的光纤，其难于生产并不适于商用。最后，基于波导设备的逻辑门在商用之前从技术和运算两方面看，仍处于发展及需要进一步研究的初级阶段。
发明内容
本发明总的目的是利用可用的全光逻辑门弥补上述缺陷，所述全光逻辑门易于实现、价格相对低廉且从理论讲能够超快运算。本发明的另一目的是制备简易、经济的全光逻辑门，其可重新配置，即其提供易于被重新配置的逻辑功能。此外，本发明的再一目的是提供优选为可再生的逻辑门，即该逻辑门再生在光纤传输过程中因色散而减弱的逻辑电平。
根据本发明，光逻辑门包括：用于接收各自的光信号的第一、第二光输入端口，和用于输出表示应用所需逻辑功能的结果的光信号的光输出端口，所述光逻辑门的特征在于包括：光联合装置，其用来联合光信号以生成相应联合信号，所述联合信号的功率是光信号功率的联合；非线性光学装置，其用来接受联合信号并发射光输出信号。逻辑功能取决于非线性光学装置的特性，其中所述特性被这样选择，使得输出信号的功率通过所选择的逻辑功能与联合信号的功率相关联。
有利地，光联合装置执行信号功率的求和，并且该特征是输出信号的功率与输入信号的功率之和相关联。优选地，光联合装置包括偏振光束联合器(PBC)，并且光信号有利地与正交偏振状态相结合以消除因相位干涉引起的不稳定。
在一特别优选实施例中，非线性光学装置包括非线性光学环路镜(NOLM)。NOLM的特殊优点在于，由于它基于光纤，所以响应时间非常快以便使得能够实现能以160Gbit/s或更高的比特率运算的逻辑门。第一种配置中，NOLM是基于自相位调制(SPM)的类型，其中联合信号被分离以沿相反方向围绕光纤环路传输。这样的配置使得能够实现与(AND)、或(OR)和异或(XOR)逻辑门。可替换地，NOLM是基于交叉相位调制(XPM)的类型，其中联合信号构成光泵浦并进一步包括作为输入信号的光探测信号。这样的配置使得能够实现或非(NOR)和同或(EQ：EQUIVALENCE)逻辑门。有利地，后一配置的例子中，逻辑门还包括光消隐脉冲电平(pedestal)抑制器，其与XPM NOLM的输出端口相连。方便地，该光消隐脉冲电平抑制器包括SPMNOLM。
在一特别优选的实例中，逻辑门的非线性光学环路镜的光纤环路中还包括偏振控制器，其用来改变NOLM的特性以选择需要的逻辑功能。这种设置使得能够实现可重新配置的光逻辑门。
为避免NOLM的光纤环路中的四波混频(FWM)及离开损耗(walk-offimpairment)，光信号有利地具有相同的载波波长。
优选地，各可调光衰减器被置于光输入端口和光联合装置之间，以将光信号的功率级别维持在期望级别。
因NOLM的特性取决于联合信号的峰值功率，有利地，在联合信号输入NOLM前，逻辑门进一步包括用于放大联合信号的光放大器，优选为掺铒光纤放大器(EDFA)。
附图说明
为了更好地理解本发明，现参照附图仅借助实例阐述根据本发明的逻辑门。其中：
图1是根据本发明的逻辑门的方框示意图；
图2是应用于本发明中以实现与非(NAND)、同或(EQ)、或非(NOR)、异或(XOR)、或(OR)和与(AND)逻辑功能的非线性模快的理想特性图表；
图3和4是分别基于自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)的非线性光学环路镜(NOLM)的非线性特性(规一化的输出功率Pout对照输入功率Pin)描绘图；
图5是根据本发明基于SPM的AND、OR和XOR逻辑门的配置；
图6是根据本发明基于XPM的NOR和EQ逻辑门的配置；
图7说明了输入到根据本发明的AND、OR、XOR、EQ和NOR逻辑门的两个不归零信号(NRZ)和相应输出波形之间的关系；
图8说明了输入到根据本发明的AND、OR、XOR、EQ和NOR逻辑门的两个归零信号(NRZ)和相应输出波形之间的关系；
具体实施方式
参考图1，它示出了根据本发明原理的光逻辑门10的方框示意图。光逻辑门10包括两个光输入端口11和12，要被执行逻辑运算的数字光信号A、B施加到这两个端口上。两个光信号A和B被光联合(功率求和)装置13相加以给出功率Pin＝PA+PB的光信号，其中PA和PB分别为输入信号A和B的功率。从求和装置13输出的功率Pin被施加到具有一定非线性特性的非线性光学装置14上，并且非线性光学装置14的光学输出端口15是逻辑门的输出端口。
本质上讲，当输入到非线性模块中的输入功率Pin是两数字信号A和B功率的和时，从非线性模块中输出的功率Pout能够表示A和B的逻辑功能。
非线性模块14的理想非线性特性取决于所要实现的逻辑门。实际上，根据所需的逻辑功能对于相应的输入功率，在A和B都在高电平(情形11)或都在低电平(情形00)或一个是高电平而另一个是低电平(情形10和01)时，输出功率必须是高(或低)的。需注意的是，如A和B具有相同的峰值功率，01和10这两种情形是不可区分的，并且相应泵浦功率为情形11泵浦功率的一半。
图2示出了用于实现逻辑功能NAND、EQ(同或：EQUIVALENCE)、NOR、XOR(同或非：NON EQUIVALENCE或NEQ)、OR和AND的非线性模块的理想特性(Pin对比于Pout)。在图2中，横坐标表示两个数字光信号A和B的功率之和Pin，其处于低电平Pin＝Pl(A和B两个信号都是低电平)、处于高电平Pin＝Ph(A或B信号一个是低电平而另一个是高电平)和处于高电平Pin＝2Ph(A和B两信号都是高电平)。例如从图中可见，对AND门功能而言，如任一或两输入信号为低电平(即Pin＝Pl情形00或Pin＝Ph情形01和10)，则输出功率为低电平，并且如两个输入信号都是高电平(Pin＝2*Ph情形11)时，则输出功率为高电平。需注意的是，通过设置NOR门中A＝B，并得到NOT(非)功能。
为实现相应逻辑门的目的，本发明的基本原理是运用单一的非线性元件，其能够显示出类似于图2中所述的特性。所实现的逻辑门的性质(逻辑功能)取决于非线性模块14的特性。
在优选实施例中，已知的非线性光学环路镜(NOLM)用作非线性模块。
众所周知，可用两种不同的配置实现NOLM。在第一种配置中，输入信号被分离以围绕环路反向传播，通过应用环路中的功率不平衡(输入信号充当光泵浦)，使输入信号的反向传播的两半中的一个能够经过由自相位调制(SPM)所引起的非线性相移。在第二种配置中，输入信号环绕环路沿一个方向传播传输并被环路外部生成的反向传播的泵浦泵激，输入信号经过由交叉相位调制(XPM)引起的非线性相移。
如果NOLM是利用非偏振维持(non-PM)光纤构造，则偏振控制器(PC)可包含于环路中，以通过在不同泵浦功率能级的输出增加恒定相移以产生相长干涉或相消干涉，从而改变NOLM的非线性特性。
对于两种NOLM配置，如认为引起相移的信号为两个不同数字信号A和B的和，则NOLM的输出功率能够表示A和B的逻辑功能。实际上，通过简单改变偏振控制器的设置，对于与A和B都处于高电平的情形(情形11)或都处于低电平的情形(情形00)或一个处于高电平而另一个处于低电平的情形(情形10或01)相对应的泵浦功率，输出功率可为高(或低)。需注意的是，如信号A和B具有相同的峰值功率，则情形01和10是难以区分的，且相应的泵浦功率为情形11对应泵浦功率的一半。因此，借助偏振控制器的适当控制，能够产生与图2中示出的每个情形相对应的非线性特性。
参照图3，其中示出了基于自相位调制(SPM)的非线性光学环路镜(NOLM)的非线性特性(规一化的输入功率Pin对照输出功率Pout)的测量图，如附图5所示，通过适当调节环路中的偏振控制器(PC)以实现AND、OR和XOR逻辑功能。所述的NOLM将集总损耗为5dB的1km长的非偏振维持色散移位光纤(DSF)包括到环路中。该DSF具有2km-1watt-1的非线性系数。所述测量图针对从0W增加到3W的输入信号功率Pin。对于每个特性，NOLM的输出功率已被归一化到最大值。
如认为NOLM的输入信号(图3中的横坐标)为两个数字信号A和B的和，其中两个信号的低能级都等于0W且高能级都处于1.5W，图3中的特性表示信号A和B的AND、OR或XOR的逻辑功能。例如，在AND门中，对于Pin＝0(情形00)和Pin＝1.5W(情形01或10)，NOLM的输出功率为低，而Pin＝3W(情形11)时，NOLM的输出功率为高。
类似地，图4示出了基于XPM的NOLM的非线性特性，如图6所示，用来实现NOR和同或逻辑功能。所述NOLM包括1km长的non-PM DSF，且输出功率被归一化。利用non-PM DSF的实现容许反相功能的实现。这样，当斜坡信号被用作插入到环路中的泵浦信号以引起探测信号的XPM时，NOLM的输入信号为CW探测信号。考虑到与之前情形相同的功率能级，附图4示出了信号A和B之间的同或和NOR逻辑功能。
根据附图3和4，能够确定每个不同逻辑功能的开关对比度。在最好的情形(AND、XOR、OR)中，对比度好于20dB，而在最差的情形(同或)中，因输出信号的消隐脉冲电平而使得对比度高于6.5dB。在后一情形中，通过增加如下所述级联的基于SPM的NOLM，能够进一步提高对比度。
图5示出了根据本发明的重新配置的逻辑门，其中非线性元件14包括一个基于SPM的NOLM。所述的逻辑门是可重新配置的，并能够根据偏振控制器19的设置而执行AND(A·B)、OR(A+B)和XOR(AB)逻辑门的运算。
图6示出根据本发明的重新配置的逻辑门，其中非线性元件14包括一个基于XPM的NOLM。该逻辑门是可重新配置的，并能够根据偏振控制器19的设置而执行同或
Figure A20058002066000081
或NOR
Figure A20058002066000082
门的运算。
两个配置中，在光输入信号A和B被有利地包括偏振光束联合器(PBC)的光联合装置13a光联合之前，光输入信号A和B被有利地施加到各可变衰减光衰减器(Att.)16A、16B以将其功率能级衰减至适当能级。对相应的逻辑状态而言，可变光衰减器是用来确保信号具有相同的功率能级，并且如果保证了输入信号的功率，则相应地能够省略可变光衰减器。从PBC输出的联合信号构成非线性装置14的输入信号。信号A和B中的每个都有相同的载波波长(λs)，以便避免NOLM的DSF20中四波混频(FWM)以及离开损耗(walk-offimpairment)。为消除由相位干涉引起的不稳定，信号A和B与正交偏振结合。
参照图5，其示出了根据本发明的光逻辑门，其中非线性模块14包括基于SPM的NOLM。因NOLM是已知的，且本领域技术人员相应地很容易导出NOLM的实现，故仅给出NOLM的简要描述。图5中的NOLM包括输入光放大器(有利地为已知的EDFA放大器)17和50∶50光耦合器/分光器18，光耦合器/分光器18用来分离和耦合输入信号，使得各自半信号环绕光纤环路20反向传播。有利地，所述的50∶50耦合器18包括光纤熔接耦合器，并且光纤环路具有1km长的色散移位光纤DSF(非线性系数为2km-1watt-1)。图中，沿逆时针方向传播的部分输入信号构成光泵浦，其通过自相位调制处理与另一部分信号相互作用。一旦沿顺时针方向传播的信号传遍光纤环路并经历SPM，并构成非线性模块的输出信号15后，耦合器/分光器18的最后一个端口被用来提取该沿顺时针方向传播的信号。偏振控制器(PC)19和7dB的衰减器21置于光纤环路中。偏振控制器19用于设置即AND(A·B)、OR(A+B)和XOR(AB)门的逻辑功能。衰减器21确保每半个联合信号，即逆时针传播的泵浦与顺时针传播的输入信号之间的功率不平衡。
参照图6，其示出了根据本发明的光逻辑门，其中非线性模块14包括一个基于XPM的NOLM。依靠偏振控制器，按照同或
Figure A20058002066000091
和NOR
Figure A20058002066000092
逻辑功能重新配置逻辑门。对于图5实施例中的元件，图6中使用相同的附图标记。该实施例中，构成光泵浦的输入信号通过光耦合器22耦合进光纤环路中以便沿顺时针方向传播。有利地，耦合器22包括光纤熔接耦合器。波长为λP的连续波(CW)光探测信号被50∶50耦合器/分光器23耦合进光纤环路中。再有，耦合器/分光器有利地包括光纤熔接耦合器，并且各半个CW探测信号分别沿顺时针方向和逆时针方向传播。与耦合器23最后一个端口相连的带通滤波器BPF24用来选择可再生的并且波长为λP的输出信号。BPF24具有被选定以允许波长为λP的辐射通过并阻止其它波长的辐射，特别是对应输入信号波长λS的辐射的带通特性。通常，校正泵浦信号(信号A和B总和所产生)和探测信号应当被对准以最大化相移。在此情况中，由两正交泵浦分量的使用而引起的XPM效率的降低，能通过环路中偏振控制器19的适当调节而得到补偿。在每种配置中，具有公知构造的偏振控制器19都是基于多光纤环路的配置。
为完全使用附图3和4中示出的非线性特性，发现需要33dBm的总峰值泵浦功率。如果对A和B两个信号都考虑NRZ(非归零)伪随机位模式，则峰值泵浦功率对应30dBm的平均功率。在这种情况下，为了与27dB的最大总(A和B)平均泵浦功率相比具有高峰值功率，可利用与0相比减少数量1的特殊位图。更长部分的DS光纤的使用能够降低所需的峰值功率。可替换地，具有1000km-1watt-1量级非线性系数的高度非线性光纤(HNLF)可以用于减少所需光纤的长度并使逻辑门更紧凑。例如，与使用DSF时的1km相比，HNLF的使用需要仅几米长(1-2m)的光纤环路。
图7和图8示出了根据本发明的光逻辑门的测量响应。该响应是归一化的幅度与时间的对照，并示出了输入信号A、B(顶部)和不同逻辑门的逻辑运算所对应的归一化输出(底部)。附图7为NRZ输入信号的响应，附图8为超短RZ(归零)信号。每个响应都是通过50GHz的数字示波器所测。
图7和图8中示出了了所有的四种可能的输入组合(AB＝00，01，11和10)。输入信号的两种调制格式的运用允许评估non-PM环路补偿由反向传播信号引起NOLM中的不期望效应的效率。实际上，如果A和B为NRZ信号或这两信号是高比特率脉冲序列，则这些效应变得值得考虑。而且，用于测试的15ps的RZ信号证实了在超快应用中本发明的光逻辑门的适用性。图7和图8中的曲线验证了全部逻辑门的正确性能，并且开关对比度的测量值证实了图3和图4示出的结果。在AND、XOR和OR的情形中，关于17dB的输入开关对比度测得3dB的改进。该改进源自基于SPM的NOLM用作消隐脉冲电平抑制器的能力。
而且，考虑到信号A和B的输入Q-因子5，除了显示Q-因子下降1的同或门之外，对所有逻辑门所测得的的输出Q-因子的增加在1和2之间。通过在非线性设备的输出侧插入消隐脉冲电平光抑制器级25(在附图6中用一般用PS示出)，避免由于消隐脉冲电平输出信号所引起的所述Q-因子下降。有利地，可以利用另外的基于SPM的NOLM来实现所述抑制器。
最后，类似光纤中SPM和XPM的克尔效应的快速响应时间，允许根据本发明实现的全光逻辑门适合以160Gbit/s或更高进行操作的应用。
现在已经清楚的是，通过使得能够得到简易、有效的全光逻辑门，已实现了本发明的预定目标。基于本发明的理论，能够光域中获得的全部的逻辑功能(NOT、AND、OR、XOR、EQUIVALENCE、NOR和NAND)。进而，如果利用自相位调制(SPM)或交叉相位调制(XPM)通过NOLM实现非线性模块，则能够获得可重新配置和可再生的超快逻辑门。关于NRZ和RZ信号都验证了这种逻辑门的有效性。
应当理解，可以在本发明的范围内进行改变。例如，尽管特别优选地利用NOLM作为非线性模块，因为特别快的响应时间使得能够实现以160Gbit/s或更高速度运算的门，但是也可运用另外的非线性光学设备。例如，在其它的实现中，展望运用半导体光学设备，如干涉测量结构中的半导体放大器。

Claims (13)

1、一种光逻辑门(10)，包括用于接收各自的光信号(A、B)的第一和第二光输入端口(11、12)，和用于输出光信号(Pout)的光输出端口(15)，所述输出光信号表示应用了所需逻辑功能的结果，其特征在于：用于联合光信号以产生相应联合信号的光联合装置(13)，该联合信号的功率(Pi)是光信号的功率(PA、PB)的联合；以及用于接收联合信号(Pi)并发射光输出信号(Pout)的非线性光学装置(14)，逻辑功能取决于非线性光学装置的特性，其中所述特性被这样选择，使得输出信号的功率通过所选择的逻辑功能与联合信号的功率相关联。
2、根据权利要求1的光逻辑门，其中光联合转置(13)执行信号功率的求和。
3、根据权利要求1或2的光逻辑门，其中光联合装置(15)包括偏振光束联合器PBC。
4、根据前面任一权利要求的光逻辑门，其中非线性光学装置包括非线性光学环路镜NOLM。
5、根据权利要求4的光逻辑门，其中所述NOLM是基于自相位调制SPM的类型，其中联合信号被分离以沿相反方向环绕光纤环路传播。
6、根据权利要求4的光逻辑门，其中所述NOLM是基于交叉相位调制XPM的类型，其中联合信号构成光泵浦，并进一步包括作为输入信号的光探测信号(CW)。
7、根据权利要求6的光逻辑门，还包括与NOLM的输出端口相连的光消隐脉冲电平抑制器(25)。
8、根据权利要求4至7中任一权利要求的光逻辑门，在非线性光学环路镜NOLM的光纤环路中还包括偏振控制器(19)，以便改变所述NOLM的特性以选择所需的逻辑功能。
9、根据前面任一权利要求的光逻辑门，其中光信号(A、B)具有相同的载波波长(λs)。
10、根据前面任一权利要求的光逻辑门，其中光信号(A、B)通过在正交偏振状态下的光联合装置(13)联合。
11、根据前面任一权利要求的光逻辑门，在光输入端口(11、12)和光联合装置(13)之间还包括各自的可调光衰减器(16A、16B)。
12、根据权利要求4至11中任一权利要求的光逻辑门，还包括用于在联合信号(Pi)输入所述NOLM之前，放大所述联合信号的光放大器(17)。
13、根据前面任一权利要求的光逻辑门，其中逻辑功能选自AND、OR、XOR、EQUIVALENCE、NOR和NAND之中。
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