CN101526715A - 全光逻辑门 - Google Patents

Abstract

全光逻辑门(10)，可重用实现与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门及它们的反相操作，其中还可以实现半加法器。包括用于接收两控制光信号各自的光输入端口(2，3)和同步光时钟信号的光输入端口(1)，和用于输出表示应用所逻辑结果的光输出端口(8)和反相操作的光输出端口(9)，所述为全光逻辑门的特征在于包括：光联合装置(4)，其用来联合两控制光信号以波分复用器或偏振合束器生成相应联合信号；非线性光学装置(7)，其用来接受联合信号和同步光时钟信号并发射两路互为反相操作的光输出信号。全光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时钟信号光功率重新分配相关联。

Description

全光逻辑门

技术领域

全光逻辑门，可重用实现与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门及它们的反相操作，其中还可以实现半加法器，属于光电子技术领域。

背景技术

在光电子技术领域，对光信号实行超决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，光数据分组的头部需要同步、帧识别和地址识别等较复杂的光信号处理，而全光逻辑门正是其中的关键器件。全光与门(AND)可在光开关节点用于识别帧头；全光异或门(XOR)在多协议标签交换(MPLS)网络节点用作对标签进行识别、修改、替换等。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。

全光逻辑是光信号处理的核心技术，世界上主要发达国家都在进行这方面的研究，研究者主要利用半导体光放大器、非线性波导器件、微环谐振腔、非线性光纤等作为核心器件以完成光逻辑的实现。其中具有代表性的工作包括：日本NTT实验室T.Matsumoto研究小组利用保偏光纤Sagac环验证了部分逻辑门(M.Jinno and T.Matsumoto，Ultrafast all-optical logicOperations in a nonlinear Sagnac interferometer with two control beams，Opt.Lett.16，220，1991)；雅典大学D.Syvridis研究小组利用微环形谐振腔中的四波混频效应完成了40Gb/sRZ/NRZ码的全光“与”逻辑(S.Mikroulis，H.Simos，D.Syvridis，etal.40-gbs NRZ and RZ operation of an all-optical AND logic gate based on a passive InGaAsPInP microring resonator，J.Lightwave Technol.Vol.24，No.3，2006)；斯坦福大学的M.M.Fejer领导的小组利用周期性极化铌酸理晶体为核心器件，并结合半导体光放大器完成了全光5Gb/s的半加器(C.Langrock，S.Kumar，M.M.Fejer，etal.All-optical Sisnal processing using χ² nonlinearities in guided-wave devices，J.Lightwave Technol.Vol.24，No.7，2006)。

以上文献中介绍了几个运用非线性效应的全光逻辑门的例子：半导体的响应时间限制了最大的信号比特率；微环谐振腔由于是多光束前后干涉，其响应时间难以确定；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。

石英光纤的非线性响应几乎是瞬时的(小于10fs)，利用非线性光纤元件设计全光逻辑操作常见报道，例如，R.Lebref，B.Landousies，T.Georges，J.Lightwave Tech.15，766(1997)；V.Petrov，W.Rudolph，Opt.Commun.76，53(1990)；中国发明专利申请号“200580020660.5”用两种结构实现了全部全光逻辑门，而且其中一种结构在实现或门时，当伪随机序列组成的两个控制信号具有相同”1”比特的情况下，功率减半，这在高速光信号处理中是难以控制的。

发明内容

本发明利用一种非线性光纤元件结构实现全部光逻辑，可重用实现与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门及它们的反相操作，其中还可以实现半加法器功能。

根据本发明，全光逻辑门包括：用于接收两控制光信号各自的光输入端口和同步光时钟信号的光输入端口，和用于输出表示应用所逻辑结果的光输出端口和反相操作的光输出端口，所述为全光逻辑门的特征在于包括：光联合装置，其用来联合两控制光信号以波分复用器或偏振合束器生成相应联合信号；非线性光学装置，其用来接受联合信号和同步光时钟信号并发射两路互为反相操作的光输出信号。全光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时钟信号光功率重新分配相关联。

有利地，光联合装置输出可以和光时钟信号以波分复用的方式一起通过非线性光学装置的耦合器入射到非线性光学装置中，或者光联合装置输出独立地入射到非线性光学装置中，非线性光学装置输出端口上设置时钟光信号的通带滤波器(BPF)，输出时钟信号是时钟信号自相位调制和两控制光信号交叉相位调制的结果，表示为相应的逻辑门关系。

在特别优选实施例中，非线性光学装置包括萨格纳克干涉仪(Sagnac interferometer)。Sagnac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能够实现320Gbit/s或更高的比特率运算的逻辑门。在所有配置中，萨格纳克干涉仪是同时基于自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)的类型，这样的配置使得能够只需低功率的输入光脉冲就能实现逻辑功能。逻辑门还包括光消隐脉冲(Pedestal)抑制器，由SPM Sagnac环构成，其与通带滤波器(BPF)的输出端口相连，可以串联数个光消隐脉冲抑制器，有利地，增加输出光脉冲的对比度，以及萨格纳克干涉仪中偏振控制器，其用来改变萨格纳克干涉仪的特性满足最大的干涉比。

为避免萨格纳克干涉仪的群速度色散(GVD)、四波混频(FWM)及走离现象(Walk Off)，控制信号光波长和时钟信号光波长间隔小且位于光纤零色散波长附近的正常色散区，时钟信号光波长位于两控制信号光波长之间；或优选地具有相同的控制信号光波波长。

通常，非线性光学装置的特性取决于输入信号的峰值功率，有利地，非线性光学装置中非对称地放置光放大器，优选为掺饵光纤放大器(EDFA)，进一步降低入射光功率或减少Sagnac环长，而且有利于补偿由于色散降低、线路损耗的光功率幅度。

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示出了本发明的逻辑门方框示意图；

图2示出了本发明的逻辑门结构示意图；

图3示出了光消隐脉冲(Pedestal)抑制器的结构示意图；

图4示出了本发明的控制光信号和时钟光信号一起通过非线性光学装置的耦合器入射到非线性光学装置中的结构示意图；

图5示出了图4结构示意图中放大器设置在非线性光学装置的输入口的结构示意图；

图6示出了图2结构示意图中放大器设置在非线性光学装置的输入口的结构示意图；

表1表示了本发明半加法器的计算结果。

图中标号说明如下：

1-时钟光输入口  2-控制光B输入口  3-控制光C输入口  4-光联合装置(波分复用器或偏振合束器)  5-波分复用器  6-光纤环行器  7-非线性光学装置  8，9-时钟光输出端口  10-逻辑门  11-光放大器  12-光消隐脉冲抑制器  13-衰减器

具体实施方式

参考图1，它示出了根据本发明原理的全光逻辑门10的方框示意图。全光逻辑门10包括用于接收两控制光信号各自的光输入端口2，3和同步光时钟信号的光输入端口1，和用于输出表示应用所逻辑结果的光输出端口8和反相操作的光输出端口9，所述为全光逻辑门的特征在于包括：光联合装置4，其用来联合两控制光信号以波分复用器或偏振合束器生成相应联合信号；非线性光学装置7，其用来接受联合信号和同步光时钟信号并发射两路互为反相操作的光输出信号。全光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时钟信号光功率重新分配相关联。

参考图2，它示出了根据本发明原理的全光10的具体结构示意图。全光逻辑门10包括两个控制光输入端口2，3和时钟光信号输入端口1，以及用于输出表示应用所逻辑结果的光输出端口8和反相操作的光输出端口9。非线性光学装置7的耦合器/分束器功分比ρ＝0.5，表示输入的时钟光脉冲A功率P_A(功率恒定)沿反时针方向传输的部分占全部功率的比例为ρ；两控制光脉冲B、C的功率P_B，P_C，其值相当，如果光脉冲B、C的波长不同，联合装置4为波分复用器(WDM)，如果光脉冲B、C的波长相同，联合装置4为偏振合束器(PBS)，B、C光以正交偏振方式联合；联合装置4输出线以波分复用器(5)方式接入Sagnac环中；这三个光脉冲的占空比均为0.9；光纤非线性系数为γ，掺饵光纤放大器11的增益系数为G，光纤环长l，则有效环长为L＝[1-exp(-αl)]/α(平均损耗系数：α)；Sagnac环的透射率可以这样得到：首先计算反向传输的三对束光经过一次往返后得到的相移，然后在耦合器中对这六束光进行相干组合，有利地，所述的耦合器包括光纤熔接耦合器。通带滤波器(BPF)用来选择A光输出，并阻止其它波长的辐射，如果“1”比特和“0”比特位光脉冲概率相当的情况下，透射的光脉冲功率为：

P_t＝0.5GP_Aexp(-αl){1-cos{γL[0.45(G-1)P_A+1.9G(P_B+P_C)]}}(1)

如图3，光脉冲经过光消隐脉冲抑制器12中光衰减器13的系数为ε，光纤环长l₁，则有效环长为L₁＝[1-exp(-αl₁)]/α。上式(1)的光脉冲经过光消隐脉冲抑制器12后输出端口8的光功率为：

$P_t^{\′}=0.5\mathrm{\ϵ}{P}_t\exp (-\mathrm{\α}{l}_1)\{1-\cos \{\mathrm{\γ}{L}_1\left[0.45(1-\mathrm{\ϵ})P_t\right]\left\}\right\}$

$=0.5\mathrm{\ϵ}{P}_t\exp (-\mathrm{\α}{l}_1)\{1-\cos \{\mathrm{\γ}{L}_1\left[0.45(1-\mathrm{\ϵ})G{P}_A\exp (-\mathrm{\αl})\right]\frac{\{1-\cos \{\mathrm{\γL}[0.45(G-1)P_A+1.9G(P_B+P_C)]\left\}\right\}}{2}\left\}\right\}$

(2)

式(2)中只要满足γL₁[0.45(1-ε)GP_Aexp(-αl)]＝π具有将正弦波形转换为方波形，就是说光消隐脉冲抑制器12具有进一步消隐“0”比特位光幅度和进一步提升“1”比特位光幅度。根据式(1)，满足cos{γL[0.45(G-1)P_A+1.9G(P_B+P_C)]}＜0的输出光脉冲表示为“1”比特位，满足cos{γL[0.45(G-1)P_A+1.9G(P_B+P_C)]}＞0的输出光脉冲表示为“0”比特位。

经环行器6输出的反射光脉冲功率为：

P_r＝0.5GP_Aexp(-αl){1+cos{γL[0.45(G-1)P_A+1.9G(P_B+P_C)]}}(3)

显然，上式(3)是式(1)的反相操作。上式(3)的光脉冲经过光消隐脉冲抑制器12后输出端口9的光功率为：

$P_r^{\′}=0.5\mathrm{\ϵ}{P}_r\exp (-\mathrm{\α}{l}_1)\{1-\cos \{\mathrm{\γ}{L}_1\left[0.45(1-\mathrm{\ϵ})P_r\right]\left\}\right\}$

$=0.5\mathrm{\ϵ}{P}_r\exp (-\mathrm{\α}{l}_1)\{1-\cos \{\mathrm{\γ}{L}_1\left[0.45(1-\mathrm{\ϵ})G{P}_A\exp (-\mathrm{\αl})\right]\frac{\{1+\cos \{\mathrm{\γL}[0.45(G-1)P_A+1.9G(P_B+P_C)]\left\}\right\}}{2}\left\}\right\}$

(4)

下面给出各种逻辑门需要的条件：P_C＝P_B

①与门条件：

$[0.45(G-1)P_A+1.9G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ $\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+3.8G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}$

②或门条件：

$0.45(G-1)P_A\mathrm{\&gamma;l}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ $\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+1.9G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\mathrm{\&pi;},$ $[0.45(G-1)P_A+3.8G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}$

③非门条件：

$\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<0.45(G-1)P_A\mathrm{\&gamma;L}<\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2},$ $\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+1.9G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{5\mathrm{\&pi;}}{2}$

④与非门条件：

$\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<0.45(G-1)P_A\mathrm{\&gamma;L}<\mathrm{\&pi;},$ $\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+1.9G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2},$

$\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+3.8G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{5\mathrm{\&pi;}}{2}$

⑤或非门条件：

$\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<0.45(G-1)P_A\mathrm{\&gamma;L}<\mathrm{\&pi;},$ $\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+1.9G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<2\mathrm{\&pi;},$

$2\mathrm{\&pi;}<[0.45(G-1)P_A+3.8G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{5\mathrm{\&pi;}}{2}$

⑥异或门条件：

$0.45(G-1)P_A\mathrm{\&gamma;L}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ $\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+1.9G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2},$

$\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+3.8G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{5\mathrm{\&pi;}}{2}$

⑦同或门条件：

$\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<0.45(G-1)P_A\mathrm{\&gamma;L}<\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2},$ $\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+1.9G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{5\mathrm{\&pi;}}{2},$

$\frac{5\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+3.8G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{7\mathrm{\&pi;}}{2}$

上述放大器增益G＝1可现实①②⑥逻辑门，就是说不需要光放大器，可实现部分逻辑门，当然，如果耦合器功分比不为1∶1，不使用光放大器也能实现全部逻辑门。半加法器是异或门和与门的结合，我们利用光消隐脉冲抑制器12的特点，输出端口8是异或门，输出端口9是与门的条件：

$0.45(G-1)P_A\mathrm{\&gamma;L}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ $\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+1.9G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2},$

$\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}<[0.45(G-1)P_A+3.8G{P}_B]\mathrm{\&gamma;L}<\frac{5\mathrm{\&pi;}}{2}$

以上条件相当宽松，我们选取时钟光脉冲功率P_A和放大器增益G来满足上述条件以达到全光逻辑门可重用的目的。例如实现半加法器功能， $0.45(G-1)P_A\mathrm{\&gamma;L}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$ $1.9G{P}_B\mathrm{\&gamma;L}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{3}$ γL₁[0.45(1-ε)GP_A]exp(-αl)＝1.7，记P_cs＝εGP_A exp[-α(l+l₁]。具体参数为：G＝100(20dB)，P_A＝11.8mW，P_B＝P_C＝3.75mW，γ＝3W^-1km^-1，α＝0.2dB/km，l＝1km，ε＝0.1，l₁＝3.32km。结果表1所示，最差的对比度是输入(“0”，“0”)与(“0”，“1”)或(“1”，“0”)的对比度为7.45dB，通过增加级联的光消隐脉冲(Pedestal)抑制器，能够进一步提高对比度，对比度好于21.5dB。可以级联数个光消隐脉冲(Pedestal)抑制器。

如图4，它示出了根据本发明原理的全光逻辑门10的控制光信号和时钟光信号一起通过非线性光学装置的耦合器入射到非线性光学装置中的结构示意图。Sagnac环透射的光脉冲功率为：P_t＝0.5GP_Aexp(-αl){1-cos{γL[0.45(G-1)P_A+0.95G(P_B+P_C)]}}    (5)

经环行器6输出的反射光脉冲功率为：

P_r＝0.5GP_Aexp(-αl){1+cos{γL[0.45(G-1)P_A+0.95G(P_B+P_C)]}}(6)

以下分析同图2类似，忽略分析。

图5是图4结构示意图中放大器设置在非线性光学装置的输入口的结构示意图，原理同图4，忽略分析。

图6是图2结构示意图中放大器设置在非线性光学装置的输入口的结构示意图，原理同图2，忽略分析。

各种逻辑门需要的条件完全可以按照图2所示结果分析，不在重复，只不过图3中的控制光脉冲功率比图1中的控制光脉冲功率高1倍。

最后，普通光纤的非线性系数小，通常选取较长的环长来降低入射功率，光脉冲占空比较大来抑制平均交叉相位调制。可替换地，具有1000km^-1W^-1量级非线性系数的高非线性光纤(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。并且可以适当降低光脉冲占空比，有利于以320Gbit/s或更高进行操作的应用。现在已经清楚的是，通过使用能够得到简易、有效的全光逻辑门，已实现了本发明的预定目标。

应当理解，可以在本发明的范围内进行改变。例如，在其它的实现中，展望运用半导体光学设备和集成光学技术，如半导体放大器(SOA)和高非线性波导结构。

Claims (6)

1、一种全光比较器(10)，包括用于接收两控制光信号各自的光输入端口(2，3)和同步光时钟信号的光输入端口(1)，和用于输出表示应用所逻辑结果的光输出端口(8)和反相操作的光输出端口(9)，所述为全光逻辑门的特征在于包括：光联合装置(4)，其用来联合两控制光信号以波分复用器或偏振合束器生成相应联合信号；非线性光学装置(7)，其用来接受联合信号和同步光时钟信号并发射两路互为反相操作的光输出信号。全光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时钟信号光功率重新分配相关联。

2、根据权利要求1的全光比较器，其特征在于：非线性光学装置包括萨格纳克干涉仪光联合装置(3)输出线以波分复用器(5)连入非线性光学装置(4)，非线性光学装置(4)反射输出以环行器(6)接反相操作输出。

3、根据权利要求2的全光比较器，其特征在于：萨格纳克干涉仪是同时基于自相位调制SPM和交叉相位调制XPM的类型。

4、根据权利要求3的全光比较器，其特征在于：还包括与萨格纳克干涉仪的输出端口相连的光消隐脉冲峰值的SPM Sagnac环抑制器(12)，可以级联数个光消隐脉冲(Pedestal)抑制器。

5、根据权利要求2的全光比较器，其特征在于：在萨格纳克干涉仪的光纤环路中还包括偏振控制器和光放大器(11)或萨格纳克干涉仪的输入口上包括光放大器(11)。

6、根据权利要求1的全光比较器，其特征在于：光路是高非线性波导结构。

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