CN101317129A - 基于单soa的可再配置和可集成光逻辑门 - Google Patents

基于单soa的可再配置和可集成光逻辑门 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种包括光信号的输入(12)的光逻辑门(10)，在光信号上可以对光信号进行选定的逻辑运算。SOA(11)元件接收被引导至饱和的输入信号，其输出与至少一个光学滤波器(14，15，16)相连接，该光学滤波器对由SOA输出的信号成分进行滤波，并表示门处输入的信号的所期望逻辑结果，从而使得在滤波器的输出(13)处存在作为所期望逻辑运算结果的光信号。此外本发明还提供了一种探测信号(17)。输入能量、能量和探测信号波长以及滤波器中心波长的恰当组合可以实现多种逻辑功能，比如NOR、NOT、反XOR、AND、OR。

Description

基于单SOA的可再配置和可集成光逻辑门
本发明涉及一种基于单SOA的集成示图，用于实现超快速并可再配置的光逻辑门，该光逻辑门能够产生比如NOT、AND、OR、NOR以及反XOR功能。
所有光学技术的发展都是实现未来电信网络的基础，在这种网络中所有的节点功能都将在光学领域内实现。
用于插分复用(add-drop multiplexing)技术、信息包同步、时钟恢复、地址识别、信号再生等的全光学功能对于避免光电转换是必要的，而全光学功能则是实现宽带和灵活网络的瓶颈。在实现这些功能时，全光逻辑门是关键部件。在现有文献中，已经提出了很多在光纤或半导体设备中使用非线性作用的全光逻辑门示图。一般地，现有方案并不能提供令人满意的性能或者集成能力。
本发明的主要目的是通过利用可用的光逻辑门来克服上述缺点，该光逻辑门在单SOA内是可再配置的并且是可集成的。
鉴于该目的，本发明提供了一种包括用于光信号的输入的光逻辑门，在其上可以对光信号进行选定的逻辑运算，还包括SOA元件，该SOA元件接收要引导(pilot)至饱和处的此输入信号，并且其输出与至少一个光学滤波器相连接，该光学滤波器对由SOA输出的信号成分进行滤波，并表示在门处信号输入的所期望逻辑结果，从而使得在滤波器的输出处存在与所需的逻辑运算的结果相同的光信号。
为了阐明本发明的创新性原理以及其相对于现有技术的优点，下面将借助附图对根据本发明的一个实施例进行阐述，该实施例使用所述原理，并且是非限制性的。附图中：
图1示出了根据本发明原理实现的可再配置逻辑门图，
图2示出了根据本发明实现的设备测试的实验准备，
图3示出了输入信号序列图(左)以及相应的逻辑输出(右)，以及根据本发明设备获得的用于不同类型逻辑门的相应粗绘图，以及
图4示出了不同配置下背靠背输入信号的和逻辑输出的BER。
参照上图，图1示出了可再配置逻辑门的图，该逻辑门其整体通过附图标记10来表示，并基于现有的半导体光学放大器(SOA)11。
门10包括输入12和一个或多个逻辑输出13，该逻辑输出通过已知的全光学带通滤波器(PBF)14、15、16与SOA的输出相连。
在其上执行逻辑运算的信号通过由至少一个已知光学耦合器20制成的输入元件而被输入到SOA。
如下面所阐述的，根据所提出的图，可以很容易地实现逻辑功能NOT、AND、OR、NOR和反XOR。这可以通过在单SOA中同时地或者交替地使用四波混合(Four Wave Mixing，FWM)和交叉增益调制(Cross Gain Modulation，XGM)或者交叉相位调制(Cross-PhaseModulation，XPM)来完成。
对于实现不同逻辑功能来说，使用SOA非常具有优势，因为SOA表现出很强的反射系数和高增益之间的交换。此外，与光纤设备不同，SOA允许光子集成。
为了说明根据本发明的设备的结构和尺寸以及功能，下面将对可获得的各种逻辑功能进行说明。
在图1的示图中，A和B表示必须被处理的并且其波长分别为λA和λB的信号。
首先说明反XOR功能。该逻辑功能通过同时使用两个极化排列的信号A和B之间的FWM以及在同向传播(co-propagating)探测信号(probe signal)(由合适的源产生)上的XGM来实现，其中同向传播探测信号的波长λprobe与FWM项产生的其中的一个相同(λprobe＝λFWM)。探测信号总是通过输入元件输入到SOA中，较佳地其包含处于第一光学耦合器下游的第二光学耦合器21。
所提出的示图能够处理或者NRZ(不归零)或者RZ(归零)信号。在前一种情形中，该探测是连续波(CW)光，在后一种情形中，则是脉动时钟(pulsating clock)。
为了避免探测和FWM元件之间的相位干扰，探测通道在SOA内发射，与这些信号以及与FWM项极化正交。
每个A、B信号具有与高逻辑电平相对应的峰值输入功率PA和PB，该高逻辑电平足够高以使设备饱和并且具有高效率FWM效应(即PA、PB＞＝PsatSOA)。相反探测器的尖峰功率被选择为足够地低以避免SOA的饱和(即Pprobe＜PsatSOA)。中心为λFWM的带通滤波器(15)为反XOR逻辑门提供输出信号。
在这种方式下，当A和B信号都出现时(情形11)，输入处的功率这样以产生FWM成份，并且同时探测通道17在饱和的设备11内的增益很低。
SOA之后，项FWM出现并穿过滤波器15从而使得逻辑门的输出处于高电平。
相反地，如果A和B信号都没出现(情形00)，则不会出现FWM效应，并且SOA也不会饱和。因此，探测信号被较强地放大，并且在滤波器的输出端将有比较高的功率电平。通过适当地设置探测通道输入功率，可以使反XOR门输出的高功率电平在这两种情形00和11下相等。
另一方面，如果只有两个信号A或B中的一个(情形10和01)，则不会有FWM，但是SOA在任何情形下都会饱和(单个通道的输入功率足够使设备饱和)，急剧地降低探测信号的增益。因此，在情形10和01下，在中央的光学滤波器输出处λprobe＝λFWM，功率电平较低。
较佳地，为了达到避免取决于样式(pattern)的信号干扰，高功率反向传播(counter-propagating)CW泵18投入在SOA内，降低了载流子的平均寿命，并维持SOA内的最佳饱和电平。
同样的示图可以用于获得不同的逻辑门同时为信号A和B保持相同的输入条件。
尤其地，如果探测通道被压制，输出中心为λFWM的光学滤波器表示基于FWM的AND逻辑功能。
改变探测通道17的波长从而使得λprobe≠λFWM，并使用中心处为λprobe的光学带通滤波器14，提取NOR信号。这种情形下，NOR门基于SOA中的XGM。
考虑到在开发探测信号上的XGM时实现在反XOR或NOR时仅有一个输入信号，NOT功能能够实现。
最后，OR功能可以通过开发XPM而实现。这种情形下，探测信号17的波长固定为实现λprobe≠λFWM。只要每个信号的输入功率足够用于饱和该设备，由单个信号或两个信号而引起的XPM效果造成了相似的ΔλXPM移位。因此，如果SOA中有两个信号(情形11)或者只有一个信号(情形01或10)，中心为λfilter＝λprobe+ΔλXPM并且具有合适带宽的光学滤波器16可以提取探测信号。
如果两个信号都没有出现(情形00)，探测信号频谱则不移动，并且探测信号17超出滤波器频带16。如果探测输入功率足够高而保持XGM效应，在情形11、10和01下将在滤波器的输出获得高输出，而在情形00下获得低输出，从而再产生OR逻辑功能。
在下表中，总结了用于不同逻辑功能、探测信号波长λprobe以及滤波器中心波长λBPF的与探测信号的功率Pprobe相关的必须条件。SOA的饱和功率PsatSOA必须总是小于输入信号功率PH，其必须被考虑为高逻辑电平。
Figure A20068004416900071
NOT功能与具有单输入(另一个被置零或取消)的反XOR或NOR功能是相同的。
可见图1所示的简单可集成示图是怎样的，其包括SOA11输出端的三个不同的滤波器14、15和16(或者作为备选地，现有的单个可调滤波器19)，通过检测或者抑制探测信号17的波长λprobe和输入功率Pprobe可以很容易地进行重配置以得到不同的逻辑门。
10Gbit/S的20ps信号情形下的比特差错率(BER)测量确认了该创新性可再配置示图的性能及其对多级配置的适应性。
进行了一些实验测试用于证明根据本发明的设备的效果。本文仅仅示出了与NOT、AND、NOR和反XOR等逻辑功能有关的结果。类似的结果也可以用于OR门也是被证实的。
图2示出了用作测试的实验准备。为了产生A和B信号以及探测信号，如本领域普通技术人员所熟知的，可使用现有的脉冲光纤有源(pulsed fiber active)10GHz模式锁定(ML)激光以及超连续体(supercontinuum)产生。当然，也可以使用其他资源。
尤其地，脉冲为20ps的A和B信号以及脉冲为20ps的探测信号，当以λA＝1550.9nm，λB＝1552.5nm，以及λprobe＝λFWM＝1549.3nm，或者λprobe≠λFWM＝1546.1nm在合适的BPF滤波器进行滤波时，可以从500米高度非线性光纤(HNLF)的超连续体中获取。反向传播泵CW的波长设置为1544nm。
所使用的半导体设备是商用SOA，其独立于至1547nm具有31dB信号增益的偏振。对于信号、探测以及泵平均输入功率分别为3dB，-15dB以及10dB。
为了证明所提出的示图的效果，在图1的可再配置逻辑门的输入端，需要为信号A和B考虑其详细的比特率。该比特率可以通过对由产生器所输出的信号进行适当的调制而获得。对于本领域普通技术人员，根据图2的示图这很清楚。
图3中左侧分别示出了该示图分别用作反XOR、AND、NOR和NOT时的输入速率和相应的输出速率。图3右侧示出了所执行的每个逻辑门的粗绘图。其示出了如何正确执行不同的逻辑门。
图4示出了通过使用相同的输入速率在每个逻辑门的输出所获得的BER曲线。可以看到在10-9处造成的恶化比最差输入信号小0.5dB，因而所提出的示图可以改编甚至用于多级配置。此外，AND逻辑门由于SOA的饱和效应而具有再生特性，其可抑制高电平噪声。
现在可以很清楚地看到本发明的目的已经实现。在单SOA内基于XGM、FWM和XPM的所有可再配置和集成的光学设备，可以很容易进行再配置以实现NOT、AND、OR、NOR以及反XOR逻辑功能。在10G bit/s时使用20ps脉冲信号的BER测量示出了为了考虑示出各图甚至是级联配置的每个逻辑功能的小于0.5db的恶化。
当然，上述对应用本发明创新性原则的实施例的说明，通过根据所述原则的非限制性示例而给出，其都落入本发明排他性利要求范围内。

Claims (12)

1.一种光逻辑门，包括在其上执行选择的逻辑运算的光信号的输入，还包括SOA元件，所述SOA元件接收要被引导至饱和中处的那些输入信号，并且它的输出连接到至少一个光学滤波器，所述至少一个光学滤波器对由所述SOA输出的信号成分进行滤波，并且代表了所述门处的信号输入的期望逻辑结果，从而使得在所述滤波器的输出处存在作为所期望逻辑运算的结果的光信号。
2.如权利要求1所述的逻辑门，其特征在于，逻辑功能是选择性地通过同时或者交替地在所述单SOA中利用四波混合(FWM)和交叉增益调制(XGM)或者交叉相位调制(XPM)来产生要借助所述光学滤波器滤波的成分而实现的。
3.如权利要求1所述的逻辑门，其特征在于，所述SOA选择为具有小于或者等于相应于定义为希望在其上执行所述逻辑运算的光信号的高的逻辑电平功率的PsatSOA输入饱和功率数，从而当施加对应于所述高逻辑数的功率输入信号时具有SOA饱和，并导致相应的FWM效应。
4.如权利要求3所述的逻辑门，其特征在于，具有小于所述SOA的饱和功率数Pprobe的功率Pprobe的同向传播探测信号也被选择性的输入。
5.如权利要求4所述的逻辑门，其特征在于，所述探测信号在NRZ类型输入信号情况下是连续波光，或者在类型RZ输入信号情况下是脉动时钟。
6.如权利要求4所述的逻辑门，其特征在于，所述探测信号的所述功率Pprobe和波长λprobe根据下表按照所期望的逻辑功能而选择的：
Figure A2006800441690003C1
其中，λFWM等于所述SOA中所述信号的四波混频效应产生的FWM信号成分的所述波长。
7.如权利要求6所述的逻辑门，其特征在于，NOT功能由具有单个输入信号的反XOR或NOR功能来获得。
8.如权利要求6所述的逻辑门，其特征在于，所述滤波器具有中心波长滤波器λBPF，它是根据所要获得的所述逻辑功能而从λFWM、λprobe或者λprobe+ΔλXPM中选择的，且ΔλXPM是所述SOA中由XPM效应所产生的所述信号上的偏差。
9.如权利要求6所述的逻辑门，其特征在于，它同时包括在所述SOA输出处的若干带通光学滤波器，其中各中心波长λBPF选择自λFWM、λprobe或者λprobe+ΔλXPM，以在每个滤波器的输出处具有相应的逻辑功能。
10.如权利要求6所述的逻辑门，其特征在于，所述光学滤波器是这样的滤波器，其能根据所期望的逻辑功能通过选择λFWM、λprobe或者λprobe+ΔλXPM来调整而对其进行调谐。
11.如权利要求4所述的逻辑门，其特征在于，为了避免探测信号和FWM成分之间的相位干扰，所述探测信号被送入所述SOA中，偏振正交于所述输入光信号，并从而偏振正交于所述FWM项。
12.如权利要求4所述的逻辑门，其特征在于，它包括信号源，所述信号源产生反向传播泵频信号，在所述SOA中发射以减小载流子的平均寿命，并保持所述SOA中的最佳饱和电平，以避免取决于样式的信号干扰。
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