CN105137694A - 基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其设置信号源与第一波分复用器端口一连接，第一波分复用器端口二与第二光隔离器端口一连接，第二光隔离器端口二与第三带通滤波器端口一连接，第三带通滤波器端口二经第二光环形器与第二非线性相移光纤光栅输入端口一连接，第二非线性相移光纤光栅的输出端口与第四带通滤波器端口一连接，第四带通滤波器端口二与第二波分复用器连接；第一光隔离器与第一带通滤波器端口一连接，第一带通滤波器端口二经第一光环形器与第一非线性相移光纤光栅输入端口一连接，第一非线性相移光纤光栅的输出端口与第二带通滤波器端口一连接，第二带通滤波器端口二与第三波分复用器连接。

Description

基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门

技术领域

本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门。

背景技术

光纤具有损耗低、传输容量大等特点，是一种较为理想的传输介质，被广泛应用于骨干网传输系统中。但，现有的光通信网络是光电混合网络，在中间节点依旧存在着光/电/光转换，因此，通信系统受到电子瓶颈的束缚，限制了传输速率地提高。解决该问题的有效途径是使光信号在全光域进行传输和处理，也即使传输网络全光化，网络全光化的关键是找到合适的光开关，光纤光栅已经做过大量的研究，但大部分研究集中在无源情况下。基于此，本发明采用有源光纤光栅耦合器实现全光逻辑门。

发明内容

本发明提供了一种基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其将光栅直接写入光纤耦合器的耦合区中，得到光纤光栅耦合器，每一个纤芯都能产生前向和后向的传输波。它既拥有光栅良好的波长选择能力，又有耦合器多端口的特点，便于实现多种组合逻辑关系。

本发明采取以下技术方案：基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，包括第一光隔离器(1-1)、第二光隔离器(2-3)、第一带通滤波器(1-2)、第二带通滤波器(1-5)、第三带通滤波器(2-4)、第四带通滤波器(2-7)、第一波分复用器(2-2)、第二波分复用器(2-8)、第三波分复用器(1-6)、第一光环形器(1-3)、第二光环形器(2-5)、第一非线性相移光纤光栅(1-4)、第二非线性相移光纤光栅(2-6)、设置信号源(2-1)；设置信号源(2-1)与第一波分复用器(2-2)的第一端口连接，第一波分复用器(2-2)的第二端口与第二光隔离器(2-3)的第一端口连接，第二光隔离器(2-3)的第二端口与第三带通滤波器(2-4)的第一端口连接，第三带通滤波器(2-4)第二端口经第二光环形器(2-5)与第二非线性相移光纤光栅(2-6)的第一输入端口连接，第二非线性相移光纤光栅(2-6)的输出端口与第四带通滤波器(2-7)第一端口连接，第四带通滤波器(2-7)的第二端口与第二波分复用器(2-8)连接；第一光隔离器(1-1)与第一带通滤波器(1-2)的第一端口连接，第一带通滤波器(1-2)的第二端口经第一光环形器(1-3)与第一非线性相移光纤光栅(1-4)的第一输入端口连接，第一非线性相移光纤光栅(1-4)的输出端口与第二带通滤波器(1-5)的第一端口连接，第二带通滤波器(1-5)的第二端口与第三波分复用器(1-6)连接。

优选的，第一非线性相移光纤光栅(1-4)与第二非线性相移光纤光栅(2-6)扭结而成相移光栅耦合器，相移光栅耦合器选用以Bi₂O₃为材料的光纤。

优选的，相移光栅耦合器的失谐量为5cm^-1。

优选的，第一非线性相移光纤光栅(1-4)或第二非线性相移光纤光栅(2-6)中，前向波和后向波之间的耦合系数为k₁＝3cm^-1。

优选的，第一非线性相移光纤光栅(1-4)或第二非线性相移光纤光栅(2-6)的非线性参数为γ＝1.36×10^-2w^-1/cm。

优选的，第一非线性相移光纤光栅(1-4)与第二非线性相移光纤光栅(2-6)之间的耦合系数为1.2cm^-1。

优选的，第一非线性相移光纤光栅(1-4)、第二非线性相移光纤光栅(2-6)的长度均为L＝π/(2k₁)。

优选的，第一波分复用器(2-2)的第一端口输入泵浦光(P1)，泵浦光(P1)的功率变化范围为0W到200W，并且泵浦光(P1)的波长为980nm。

优选的，从设置信号源(2-1)进入的弱连续光的波长为1550nm。

本发明将光栅直接写入光纤耦合器的耦合区中，得到光纤光栅耦合器，它既拥有光栅良好的波长选择能力，又有耦合器多端口的特点，其开关特性将直接导致信号在两根光纤中切换，基于非线性光纤光栅中的波长转换，在A、B端口输入泵浦光，经过波分复用器、光隔离器、带通滤波器进入相移光纤光栅，一部分光透射，另一部分光反射，进而产生了前向波和后向波，最终利用透射端口C1、C2和反射端口B1、B2的信号消光比，可以得到不同组合的逻辑关系。弱连续光的开关特性被两个泵浦光所控制，因此，通过控制不同的泵浦光功率的组合可以将泵浦光所携带的信息被转移到连续光上。

本发明基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门为未来全光网络中光交换、光计算和光传输提供了基础条件，光逻辑门是实现交换系统的核心器件，并是决定网络性能的关键因素，在未来的全光高速通信网络和新一代光计算机中将有着巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。

如图1所示，本实施例基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门包括第一光隔离器(1-1)、第二光隔离器(2-3)、第一带通滤波器(1-2)、第二带通滤波器(1-5)、第三带通滤波器(2-4)、第四带通滤波器(2-7)、第一波分复用器(2-2)、第二波分复用器(2-8)、第三波分复用器(1-6)、第一光环形器(1-3)、第二光环形器(2-5)、第一非线性相移光纤光栅(1-4)、第二非线性相移光纤光栅(2-6)、设置信号源(2-1)。

设置信号源(2-1)与第一波分复用器(2-2)的第一端口g1连接，第一波分复用器(2-2)的第二端口g2与第二光隔离器(2-3)的第一个端口h1连接，第二光隔离器(2-3)的第二个端口h2与第三带通滤波器(2-4)的第一个端口i1连接，第三带通滤波器(2-4)的第二端口i2经第二光环形器(2-5)与第二非线性相移光纤光栅(2-6)的第一输入端口k1连接，第二非线性相移光纤光栅(2-6)的输出端口k2与第四带通滤波器(2-7)第一个端口l1连接，第四带通滤波器(2-7)的第二个端口l2与第二波分复用器(2-8)的第一端口m1连接。

第一光隔离器(1-1)与第一带通滤波器(1-2)的第一个端口b1连接，第一带通滤波器(1-2)第个二端口b2经第一光环形器(1-3)与第一非线性相移光纤光栅(1-4)的第一输入端口d1连接,第一非线性相移光纤光栅(1-4)的输出端口d2与第二带通滤波器(1-5)的第一个端口e1连接，第二带通滤波器(1-5)的第二个端口e2与第三波分复用器(1-6)的第一端口f1。

本实施例中，选择前向波和后向波之间的耦合系数为k₁＝3cm^-1，为了降低泵浦光的输入功率，相移光纤光栅耦合器选用以Bi₂O₃为材料的光纤，它的非线性参数为γ＝1.36×10^-2w^-1/cm，两根纤芯之间的耦合系数选为1.2cm^-1，频率失谐量为5cm^-1，两根光纤光栅的长度均为L＝π/(2k₁)，泵浦光功率P1的变化范围为0W到200W，并且泵浦光的波长为980nm，而弱连续光的波长为1550nm。

本发明基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门实现过程：

1、第一根通道中，在入口A1处输入泵浦光P1，并且变化范围为0W到200W，同时一束弱连续光通过一个波分复用器与泵浦光一起通过光隔离器、带通滤波器，经过光环形器到达非线性光纤光栅，一部分光经过带通滤波器、波分复用器透射出去。另外一部分光经过光环形器通过B1端口反射出去。

2、第二根通道中，首先在入口A2不输入信号，表示信号“0”，此时通过输出端口C1、C2和反射端口B1、B2的信号功率可以得到反射率和透射和各自的消光比，此时通过仿真找到大于阀值的最大消光比的P1值Pmax。再者，在入口A2输入Pmax值，表示信号“1”，同样可以得到这种输入组合的反射率和透射和各自的消光比。这样就可以实现逻辑关系和 $C2\left(B1\right)=\stackrel{\‾}{A1\⊕A2}.$

3、之前的讨论是在相移光纤光栅无相移量的情况，此时加上两组不同的相移量，第一个组合：上下两个相移光纤光栅相移量均为5π/8，此时可以实现逻辑关系第二个组合上面相移光纤光栅相移量为π/4，下面相移光纤光栅相移量为π/3，此时可以实现逻辑关系B1＝A1+A2和 $B2=\stackrel{\‾}{A1+A2}.$

表1为上下两个相移光纤光栅相移量均为0时，利用透射端口输出实现的逻辑 $C1=A1\⊕A2$ 和 $C2=\stackrel{\‾}{A1\⊕A2}.$

表1

表2(a)为上下两个相移光纤光栅相移量均为0时，利用反射端口输出实现的逻辑 $B1=\stackrel{\‾}{A1\⊕A2}$ 和 $B2=A1\⊕A2.$

表2(a)

表2(b)为上下两个相移光纤光栅相移量均为5π/8时，利用反射端口输出实现的逻辑关系

表2(b)

表2(c)为上面相移光纤光栅相移量为π/4，下面相移光纤光栅相移量为π/3时，利用反射端口输出实现的逻辑关系B1＝A1+A2和

表2(c)

以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其特征是包括第一光隔离器(1-1)、第二光隔离器(2-3)、第一带通滤波器(1-2)、第二带通滤波器(1-5)、第三带通滤波器(2-4)、第四带通滤波器(2-7)、第一波分复用器(2-2)、第二波分复用器(2-8)、第三波分复用器(1-6)、第一光环形器(1-3)、第二光环形器(2-5)、第一非线性相移光纤光栅(1-4)、第二非线性相移光纤光栅(2-6)、设置信号源(2-1)；

设置信号源(2-1)与第一波分复用器(2-2)的第一端口连接，第一波分复用器(2-2)的第二端口与第二光隔离器(2-3)的第一端口连接，第二光隔离器(2-3)的第二端口与第三带通滤波器(2-4)的第一端口连接，第三带通滤波器(2-4)第二端口经第二光环形器(2-5)与第二非线性相移光纤光栅(2-6)的第一输入端口连接，第二非线性相移光纤光栅(2-6)的输出端口与第四带通滤波器(2-7)第一端口连接，第四带通滤波器(2-7)的第二端口与第二波分复用器(2-8)连接；

第一光隔离器(1-1)与第一带通滤波器(1-2)的第一端口连接，第一带通滤波器(1-2)的第二端口经第一光环形器(1-3)与第一非线性相移光纤光栅(1-4)的第一输入端口连接，第一非线性相移光纤光栅(1-4)的输出端口与第二带通滤波器(1-5)的第一端口连接，第二带通滤波器(1-5)的第二端口与第三波分复用器(1-6)连接。

2.如权利要求1所述基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其特征是，第一非线性相移光纤光栅(1-4)与第二非线性相移光纤光栅(2-6)扭结而成相移光栅耦合器，相移光栅耦合器选用以Bi₂O₃为材料的光纤。

3.如权利要求2所述基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其特征是，相移光栅耦合器的失谐量为5cm^-1。

4.如权利要求1所述基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其特征是，第一非线性相移光纤光栅(1-4)或第二非线性相移光纤光栅(2-6)中，前向波和后向波之间的耦合系数为k₁＝3cm^-1。

5.如权利要求1所述基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其特征是，第一非线性相移光纤光栅(1-4)或第二非线性相移光纤光栅(2-6)的非线性参数为γ＝1.36×10^-2w^-1/cm。

6.如权利要求1-5任一项所述基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其特征是，第一非线性相移光纤光栅(1-4)与第二非线性相移光纤光栅(2-6)之间的耦合系数为1.2cm^-1。

7.如权利要求1-5任一项所述基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其特征是，第一非线性相移光纤光栅(1-4)、第二非线性相移光纤光栅(2-6)的长度均为L＝π/(2k₁)。

8.如权利要求1所述基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其特征是，第一波分复用器(2-2)的第一端口输入泵浦光(P1)，泵浦光(P1)的功率变化范围为0W到200W，并且泵浦光(P1)的波长为980nm。

9.如权利要求1或8所述基于非线性相移光纤光栅的全光逻辑门，其特征是，从设置信号源(2-1)进入的弱连续光的波长为1550nm。