CN101598884A - 迈克耳孙结构的全光逻辑门 - Google Patents

Abstract

迈克耳孙结构的全光逻辑门，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，其中还实现半加法器。包括两控制光信号经耦合器[1]输入对称的迈克耳孙干涉仪的一臂[2]中，同步光探测信号被分成等量的两束光入射迈克耳孙干涉仪的两臂[2]、[3]中和用于输出表示应用所逻辑结果的反射输出口[4]和反相操作的透射输出口[5]。输出探测信号是探测光信号自相位调制以及两控制光信号对探测光交叉相位调制、在两倍臂长中对探测光平均交叉相位调制的结果，表示为相应的逻辑门关系。在对称迈克耳孙干涉仪中表现为自相位调制的特性，优选为两臂采用不同的非线性光纤，且控制光信号输入臂[2]为高非线性光纤。

Description

迈克耳孙结构的全光逻辑门

技术领域

迈克耳孙结构的全光逻辑门，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，属于光信息处理技术领域。

背景技术

在光信息处理技术领域，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

本发明目的是利用迈克耳孙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。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

本发明涉及一种全光逻辑门，包括：两控制光信号经波分复用器或偏振耦合器[1]输入对称的迈克耳孙干涉仪的一臂[2]中，同步光探测信号经迈克耳孙干涉仪的一个输入口被分成等量的两束光入射迈克耳孙干涉仪的两臂[2]、[3]中，和用于输出表示应用所逻辑结果的迈克耳孙干涉仪的反射输出口[4]和反相操作的透射输出口[5]，所述为全光逻辑门的特征在于包括：全光逻辑功能取决于迈克耳孙干涉仪的非线性光学特性，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探测信号光功率重新分配相关联。逻辑门还包括两控制光输入线上设置偏振控制器[8]，以及干涉仪中设置偏振控制器[8]，其用来改变干涉仪的特性满足最大的干涉比。为了避免光探测信号在时域波动，在迈克耳孙干涉仪一臂上设置相位控制器[7]的主动稳定方式。迈克耳孙干涉仪的反射镜优选为非线性光纤环境。当然选光纤端面镀100％的高反射膜或光纤光栅也可行。

有利地，迈克耳孙干涉仪的输出端口上设置探测光信号的通带滤波器[6]，输出探测信号是探测信号自相位调制(SPM)以及两控制光信号对探测光交叉相位调制(XPM)、两控制光信号在两倍臂长中对探测光平均交叉相位调制(AXPM)的结果，表示为相应的逻辑门关系。

为避免迈克耳孙干涉仪的群速度色散(GVD)、四波混频(FWM)及走离现象(Walk Off)，控制信号光波长和探测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，探测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。

在对称迈克耳孙干涉仪中表现为自相位调制的特性，优选为两臂采用不同的非线性光纤，且控制光信号输入那臂为高非线性光纤。

本发明的原理如下：

两控制光脉冲λ_A，λ_B峰值功率分别为P_A，P_B经耦合器[1]入射到迈克耳孙干涉仪臂[2]中和同步光探测脉冲λ_C恒定功率P₀等量分束入射到迈克耳孙干涉仪臂[2]、[3]中(如图1所示)的结构中，如果光脉冲λ_A，λ_B的波长不同，耦合器[1]为波分复用器(WDM)，如果光脉冲λ_A，λ_B的波长相同，以正交方式入射时耦合器[1]为偏振合束器(PBS)，λ_A，λ_B以正交偏振方式输入。迈克耳孙干涉仪两臂有效长度分别是L₁，L₂，|L₁-L₂|＜λ_C相干长度，两臂传输常数分别是β₁，β₂，臂[2]光纤非线性系数γ₁，臂[3]光纤非线性系数γ₂＜γ₁。相位控制器[4]产生的相移为φ₀，迈克耳孙干涉仪的通带滤波器[6]只许λ_C脉冲通过，下面只讨论λ_C的透射和反射功率，迈克耳孙干涉仪输入端口反射输出λ_C的反射功率为：

P_{d_out}＝0.5P₀{1-cos(φ_l+φ_nl-φ₀)}    (1)

迈克耳孙干涉仪输入端口透射输出λ_C的投射功率为：

P_{c_out}＝0.5P₀{1+cos(φ_l+φ_nl-φ₀)}    (2)

这里线性相移和非线性相移分别是

φ_l＝β₁L₁-β₂L₂，φ_nl＝φ_SPM+φ_{A_XPM}+φ_{B_XPM}，φ_SPM＝P₀[γ₁L₁-γ₂L₂]

${\mathrm{\φ}}_{A\_\mathrm{XPM}}=2{\mathrm{\γ}}_1\underset{0}{\overset{2L_1}{\∫}}[P_A(T-d_{A}z)+\stackrel{\‾}{P_A(T-d_{A}z)}]\mathrm{dz}$

${\mathrm{\φ}}_{B\_\mathrm{XPM}}=2{\mathrm{\γ}}_1\underset{0}{\overset{2L_1}{\∫}}[P_B(T-d_{A}z)+\stackrel{\‾}{P_B(T-d_{A}z)}]\mathrm{dz}$

T＝t-z/v_gC， $d_A=v_{\mathrm{gA}}^{-1}-v_{\mathrm{gC}}^{-1},$ $d_B=v_{\mathrm{gB}}^{-1}-v_{\mathrm{gC}}^{-1},v_{\mathrm{gA}},$ v_gB，v_gC分别是控制光脉冲和光探测脉冲的群速度。

两控制光信号在两倍臂长中对探测光平均交叉相位调制(AXPM)分别是：

$2{\mathrm{\γ}}_1\underset{0}{\overset{2L_1}{\∫}}\stackrel{\‾}{P_A(T-d_{A}z)}\mathrm{dz}\≈4{\mathrm{\γ}}_1(1-b)\stackrel{\‾}{P_A\left(t\right)}{L}_1---\left(3\right)$

$2{\mathrm{\γ}}_1\underset{0}{\overset{2L_1}{\∫}}\stackrel{\‾}{P_B(T-d_{A}z)}\mathrm{dz}\≈4{\mathrm{\γ}}_1(1-b)\stackrel{\‾}{P_B\left(t\right)}{L}_1---\left(4\right)$

上式(3)和(4)b为控制光脉冲的占空比，如果在迈克耳孙干涉仪中控制光信号标识为“1”和“0”的光脉冲概率大致相当，有如下结论

φ_{A_XPM}＝4γ₁L₁(1.5-0.5b)P_A    (5)

φ_{B_XPM}＝4γ₁L₁(1.5-0.5b)P_B    (6)

在一定的环境中调节相位控制器始终使φ_l-φ≈2nπ，就是说输出结果只考虑非线性相移的作用。显然，上式(2)是式(1)的反相操作：P_{c_out}＝P₀-P_{d_out}。在控制光和探测光共同作用下，反射输出口输出光功率表现为两种状态：P_{d_out}＞0.5P₀或P_{d_out}≤0.5P₀，即在控制光和探测光标识为“1”和“0”的条件下，输出端口也可以标识为“1”(P_{d_out}＞0.5P₀)和“0”(P_{d_out}≤0.5P₀)。因此本结构根据参数：功率，非线性系数和光纤长度完全可以设计出所有基本逻辑门，即可重用实现与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门及它们的反相操作。半加法器是与门和异或门的结合，与门是两二进制码相加进位值，异或门是两二进制码相加的个位制，比如A＝1111，B＝0101，AB＝0101， $\stackrel{\‾}{A\⊕B}=1010.$ 设置某种条件使直通输出端口是异或门，交叉输出端口9是与门就达到了本发明可以实现半加法器。

本发明的优点：

1.全光逻辑门基于光纤，而光纤的非线性响应几乎是瞬时的(小于10fs)，因此全光逻辑门重复频率理论上超过THz。

2.全光逻辑门采用迈克耳孙结构优于萨格纳克结构，逆向控制光信号对探测光平均XPM不再是负担，反而增加相移，但是由于在迈克耳孙干涉仪臂中“1”和“0”光脉冲的伪随机性，控制光信号的平均功率只能近似为P_A/2，P_B/2，最坏情况是控制光信号的平均功率是P_A，P_B或0，好在不需要精确计算相移，平均XPM确实有一定程度的降低入射功率；光信号在迈克耳孙结构经历两臂长的光程，从而比使用马赫-曾德尔干涉仪降低一半的入射功要求或臂长减半。

3.全光逻辑门采用主动稳定方案，对迈克耳孙干涉仪采用两段不同的光纤，可以避免光脉冲时域波动。

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结构示意图；

图2示出了本发明实施例示意图；

表1示出了本发明与门实施例条件与结论值；

表2示出了本发明或门实施例条件与结论值；

表3示出了本发明非门实施例条件与结论值；

表4示出了本发明与非门实施例条件与结论值；

表5示出了本发明或非门实施例条件与结论值；

表6示出了本发明异或门实施例条件与结论值；

表7示出了本发明同或门实施例条件与结论值；

表8示出了本发明半加法器实施例条件与结论值；

图中标号说明如下：

1-耦合器2，3-迈克耳孙臂4-反射输出口5-透射输出口6-通带滤波器7-相位控制器8-偏振控制器9-非线性光纤环镜10-光纤环行器11、14-可调衰减器12、15-锁模光纤激光器13、16-光放大器17-1×2耦合器

具体实施方式

参考图2，它示出了根据本发明原理的全光逻辑门的实验模型。迈克耳孙干涉仪的耦合器分束比0.5，臂[2]是色散位移光纤，非线性系数γ₁W^-1km^-1，零色散波长λ_D，臂[3]是普通单模光纤，非线性系数γ₂＜γ₁W^-1km^-1，两臂长均为Lkm。光源[8]是锁模光纤激光器，入射到迈克耳孙干涉仪的两控制光：波长λ_A＝λ_B，脉宽T₁，峰值功率P_A＝P_B，光源[12]是锁模光纤激光器，波长λ_c，脉宽T₀，峰值功率P_c。光源[8]、[12]的重复频率相同10GHz，λ_c＜λ_A＜λ_D，T₁＞T₀，光纤放大器[9]增益G₁dB，光纤放大器[13]增益G₂dB光纤放大器[9]增益G₁dB。可调衰减器[11]、[14]满足不同逻辑门而设置，衰减系数ε₁，ε₂。相位控制器是PZT，在只有激光器[12]出光时，连接迈克耳孙干涉仪反射输出口的示波器无幅度值作为以后验证逻辑门的条件，就是说排除线性相移的影响。

迈克耳孙干涉仪参数：L＝0.5km，γ₁＝12W^-1km^-1，γ₂＝2W^-1km^-1，λ_D＝1557nm激光器参数：λ_C＝1550nm，λ_A＝λ_B＝1554nm，T₁＝14ps，T₀＝2ps，P_[8]＝P_[12]＝20mW，b＝0.86记P＝0.5P₀，调节参数G₁ε₁，G₁ε₂，G₂，在同一迈克耳孙干涉仪中可重实现与门(见表1)、或门(见表2)、非门(见表3)、与非门(见表4)、或非门(见表5)、异或门(见表6)、同或门(见表7)及它们的反相操作，其中还可以实现半加法器(见表8)。

A	B	G1ε1	G1ε2	G2	φSPM	φA_XPM	φB_SXPM	Pc_out	Pd_out
										0	0	0	0	5	π/6	0	0	0.134P→0	1.866P→1
0	1	0	2.92	5	π/6	0	π/4	0.741P→0	1.259P→1
										1	0	2.92	0	5	π/6	π/4	0	0.741P→0	1.259P→1
1	1	2.92	2.92	5	π/6	π/4	π/4	1.5P→1	0.5P→0

表1

A	B	G1ε1	G1ε2	G2	φSPM	φA_XPM	φB_SXPM	Pc_out	Pd_out
										0	0	0	0	5	π/6	0	0	0.134P→0	1.866P→1
0	1	0	5.84	5	π/6	0	π/2	1.5P→1	0.5P→0
										1	0	5.84	0	5	π/6	π/2	0	1.5P→1	0.5P→0
1	1	5.84	5.84	5	π/6	π/2	π/2	1.866P→1	0.134P→0

表2

A	B	G1ε1	G1ε2	G2	φSPM	φA_XPM	φB_SXPM	Pc_out	Pd_out
										0		0		20	2π/3	0		1.5P→1	0.5P→0
0		0		20	2π/3	0		1.5P→1	0.5P→0
										1		11.68		20	2π/3	π		0.5P→0	1.5P→1
1		11.68		20	2π/3	π		0.5P→0	1.5P→1

表3

A	B	G1ε1	G1ε2	G2	φSPM	φA_XPM	φB_SXPM	Pc_out	Pd_out
										0	0	0	0	20	2π/3	0	0	1.5P→1	0.5P→0
0	1	0	5.84	20	2π/3	0	π/2	1.866P→1	0.134P→0
										1	0	5.84	0	20	2π/3	π/2	0	1.866P→1	0.134P→0
1	1	5.84	5.84	20	2π/3	π/2	π/2	0.5P→0	1.5P→1

表4

A	B	G1ε1	G1ε2	G2	φSPM	φA_XPM	φB_SXPM	Pc_out	Pd_out
										0	0	0	0	22.5	3π/4	0	0	1.7074P→1	0.293P→0
0	1	0	9.74	22.5	3π/4	0	5π/6	0.741P→0	1.259P→1
										1	0	9.74	0	22.5	3π/4	5π/6	0	0.741P→0	1.259P→1
1	1	9.74	9.74	22.5	3π/4	5π/6	5π/6	0.741P→0	1.259P→1

表5

A	B	G1ε1	G1ε2	G2	φSPM	φA_XPM	φB_SXPM	Pc_cout	Pd_out
										0	0	0	0	5	π/6	0	0	0.134P→0	1.866P→1
0	1	0	9.74	5	π/6	0	5π/6	2P→1	0→0
										1	0	9.74	0	5	π/6	5π/6	0	2P→1	0→0
1	1	9.74	9.74	5	π/6	5π/6	5π/6	0.134P→0	1.866P→1

表6

A	B	G1ε1	G1ε2	G2	φSPM	φA_XPM	φB_SXPM	Pc_out	Pd_out
										0	0	0	0	20	2π/3	0	0	1.5P→1	0.5P→0
0	1	0	11.68	20	2π/3	0	π	0.5P→0	1.59P→1
										1	0	11.68	0	20	2π/3	π	0	0.5P→0	1.59P→1
1	1	11.68	11.68	20	2π/3	π	π	1.5P→1	0.5P→0

表7

A	B	G1ε1	G1ε2	G2	φSPM	φA_XPM	φB_SXPM	PC_out	Pd_out
										0	0	0	0	15	π/2	0	0	P→0	P→0
0	1	0	9.74	15	π/2	0	5π/6	1.5P→1	0.5P→0
										1	0	9.74	0	15	π/2	5π/6	0	1.5P→1	0.5P→0
1	1	9.74	9.74	15	π/2	5π/6	5π/6	0.134P→0	1.866P→1

表8

Claims (8)

1、一种迈克耳孙结构的全光逻辑门，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，其中还实现半加法器。包括两控制光信号经耦合器[1]输入对称的迈克耳孙干涉仪的一臂[2]中，同步光探测信号被分成等量的两束光入射迈克耳孙干涉仪的两臂[2]、[3]中和用于输出表示应用所逻辑结果的反射输出口[4]和反相操作的透射输出口[5]。输出探测信号是探测光信号自相位调制以及两控制光信号对探测光交叉相位调制、在两倍臂长中对探测光平均交叉相位调制的结果，表示为相应的逻辑门关系。

2、根据权利要求1的全光逻辑门，其特征在于：在对称迈克耳孙干涉仪中表现为自相位调制的特性，优选为两臂采用不同的非线性光纤，且控制光信号输入臂[2]为高非线性光纤。

3、根据权利要求1的全光逻辑门，其特征在于：在迈克耳孙干涉仪一臂上设置相位控制器[7]的主动稳定方式。

4、根据权利要求1的全光逻辑门，其特征在于：迈克耳孙干涉仪的输出端口上设置探测光信号的通带滤波器[6]。

5、根据权利要求1的全光逻辑门，其特征在于：两控制光输入线上设置偏振控制器[8]，以及迈克耳孙干涉仪中设置偏振控制器[8]。

6、根据权利要求1的全光逻辑门，其特征在于：迈克耳孙干涉仪的反射镜优选为非线性光纤环境[9]。

7、根据权利要求1的全光逻辑门，其特征在于：控制信号光波长和探测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，探测信号光波长位于两控制信号光波长之间。

8、根据权利要求6的全光逻辑门，其特征在于：优选具有相同的控制信号光波波长。

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