CN107065391A - 全光逻辑门 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光逻辑门，包括第一连续激光器、第二连续激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一耦合器和马赫‑曾德尔干涉仪；第一连续激光器、第一偏振控制器、第一耦合器的端口一、马赫‑曾德尔干涉仪的第一干涉臂依次连接；第二连续激光器、第二偏振控制器、第一耦合器的端口二、马赫‑曾德尔干涉仪的第二干涉臂依次连接。本发明的全光逻辑门利用泵浦光对弱信号光交叉相位调制效应，改变两个臂上信号的相位差及信号的透射率，来改变两个输出端口的消光比得到不同的逻辑，实现相应的逻辑运算。

Description

全光逻辑门

技术领域

本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种基于马赫-曾德尔干涉仪的全光逻辑门。

背景技术

全光通信是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而且其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备。在全光网络中，由于无需电信号的处理，所以允许存在不同的协议和编码，使信息传输具有透明性。在信号处理时，很多时候用模拟方法很难处理，但是用数字方式处理非常容易,这样就需要把模拟信号进行采样，也就是A/D转换,变成数字信号，再进行数字信号处理。光纤近30THz的巨大潜在带宽容量，使光纤通信成为支撑通信业务量增长最重要的技术。现阶段采用时分复用单波长的光纤传输系统容量已达10Gbit/s，再提高系统速率就会产生技术和经济上的问题。人们普遍认为波分复用是充分利用光纤低损耗区30THz带宽的一种可行技术，可以打破单个波长系统带宽的限制，是提高光纤容量的一种有效途径。但是光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中，如果网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈”10Gbps的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电/光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网AONAllOptical Network的概念。全光通信网，又称宽带高速光联网，它以波长路由光交换技术和波分复用传输技术为基础，在光域上实现信息的高速传输和交换，数据信号从源节点到目的节点的整个传输过程中始终使用光信号，在各节点处无光/电、电/光转换。全光网，从原理上讲就是网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。

在全光通信过程中，光交换、光计算及光传输是实现全光通信的核心单元，他们都需要用到全光逻辑门作为基础工作，全光逻辑门是实现高速光分组交换、全光地址识别、数据编码、奇偶校验、信号再生、光计算和未来高速大容量全光信号处理的关键器件,能实现光学运算、编码，是实现光交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素。

因此，随着待信息量的增大，传统电逻辑运算器由于量子极限的影响，存在“电子瓶颈”的限制，网络容量有限，已经不能满足高速传输的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统电逻辑器的的运算速率和有效输入带宽低问题，提供一种基于基于马赫-曾德尔干涉仪的全光逻辑器。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：全光逻辑门，包括：第一连续激光器、第二连续激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一耦合器，将信号光按比例分配成两路光和设有第一干涉臂、第二干涉臂的马赫-曾德尔干涉仪；所述第一连续激光器、第一偏振控制器、第一耦合器的端口一、马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂依次连接；所述第二连续激光器、第二偏振控制器、第一耦合器的端口二、马赫-曾德尔干涉仪的第二干涉臂依次连接。

进一步，还包括用于过滤噪声光子的第一光滤波器、第二光滤波器，所述第一光滤波器设于第一连续激光器、第一偏振控制器之间，所述第二光滤波器设于第二连续激光器、第二偏振控制器之间。

更进一步，还包括用于隔断反方向传输的光信号的第一隔离器、第二隔离器，所述第一隔离器设于第一光滤波器、第一偏振控制器之间，所述第二隔离器设于第二光滤波器、第二偏振控制器之间。

进一步，还包括用于隔断反方向传输的光信号的第一隔离器、第二隔离器，所述第一隔离器设于第一连续激光器、第一偏振控制器之间，所述第二隔离器设于第二连续激光器、第二偏振控制器之间。

进一步，还包括第一波分复用器和第三波分复用器，所述第一波分复用器设于第一耦合器的端口三、第一干涉臂输入端之间，所述第三波分复用器与第一干涉臂输出端连接；设置第一泵浦光，第一波分复用器将第一泵浦光与第一耦合器的端口三输出的信号光复合成光信号进行传输；所述第三波分复用器将光信号中的第一泵浦光分离，仅输出第一信号光。

进一步，还包括第二波分复用器和第四波分复用器，所述第二波分复用器设于第一耦合器的端口四、第二干涉臂输入端之间，所述第四波分复用器与第二干涉臂输出端连接；设置第二泵浦光，第二波分复用器将第二泵浦光与第一耦合器的端口四输出的信号光复合成光信号进行传输；所述第四波分复用器将光信号中的第二泵浦光分离，仅输出第二信号光。

进一步，还包括第二耦合器，第二耦合器的端口一、端口二分部用于接收马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂、第二干涉臂输出的信号光。

进一步，所述第一耦合器6将信号光按1:1比例分配。

进一步，所述第一连续激光器和/或第二连续激光器采用半导体激光器。

进一步，所述马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂和/或第二干涉臂采用高非线性光纤。

进一步，连续信号光源波长1550nm，功率为1mW。

进一步，泵浦光信号波长1545nm，峰值功率为7.6W。

进一步，所述高非线性光纤其非线性系数γ为：15.2/W·km,光纤臂长度L为：8m。

本发明的有益效果为：本发明的逻辑门采用基于马赫-曾德尔干涉仪的高速光开关结构，具有非线性效应明显、体积小便于集成化等优点，可实现解析度达数十飞秒级的全光运算；该马赫-曾德尔干涉仪利用非线性交叉相位调制效应，通过脉冲序列来控制连续信号光的关、断，从而实现逻辑运算；与传统的电逻辑器比，具有速度快、噪声小等优点，易于与光纤集成，能应用于高速通信。

附图说明

图1为一种基于马赫-曾德尔干涉仪的全光逻辑门结构示意图；

图2为第二耦合器5-2k4输出端口的消光比与泵浦功率关系图；

图3为第二耦合器5-2k3输出端口的消光比与泵浦功率关系图。

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，使得方案更加清楚明白。

实施例1

本实施例公开了一种全光逻辑门，包括：第一连续激光器1-1和第二连续激光器1-2，；第一偏振控制器4-1和第二偏振控制器4-2，用于控制信号光的偏振状态；第一耦合器5-1，将信号光按比例分配成两路光；马赫-曾德尔干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂、第二干涉臂分别接收第一耦合器5-1分配的两路信号光；所述第一连续激光器1-1、第一偏振控制器4-1、第一耦合器5-1的端口一、马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂依次连接；所述第二连续激光器1-2、第二偏振控制器4-2、第一耦合器5-1的端口二、马赫-曾德尔干涉仪的第二干涉臂依次连接。

第一连续激光器1-1和第二连续激光器1-2都用于产生产生连续的信号光。第一偏振控制器4-1和第二偏振控制器4-2都用于控制信号光的偏振状态。

结合图1中所示，第一连续激光器1-1与第一偏振控制器4-1的e端连接，第一偏振控制器4-1的f端与第一耦合器5-1的输入端g1连接，第二连续激光器1-2与第二偏振控制器4-2的e1端连接，第二偏振控制器4-2的f1端与第一耦合器5-2的输入端g2连接；第一耦合器5-1的输出端g3、第一耦合器5-1的输出端g4分别与马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂的输入端、第二干涉臂的输入端连接。

随着社会经济的发展，人们对信息的需求急剧增加，信息量呈指数增长，仅Internet用户需要传送的信息比特速率每年就增加8倍。通信业务需求的迅速增长对通信容量提出越来越高的要求。本实施例是一种采用了马赫-曾德尔干涉仪的全光传输的逻辑门。

马赫-曾德尔干涉仪两个干涉臂中的这两个光支路采用的材料是电光性材料，其折射率随外部施加的电信号大小而变化。由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化，当两个支路信号调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，相当于把电信号的变化转换成了光信号的变化，实现了光强度的调制。简而言之，该调制器通过控制其偏置电压，可以实现不同边带的调制。

作为一个分配比例设置，第一耦合器5-1的对信号光的分配按1:1比例进行分配。

第一连续激光器、第二连续激光器采用半导体激光器。连续信号光源采用的功率为毫瓦级别的。如连续信号光源波长1550nm，功率为1mW。

由于非线性效应的响应速度在飞秒量级，导致其具有极高的开关速度，因此全光逻辑运算具有电逻辑器无法比拟的速度，目前现有的实现全光逻辑运算有耦合器、sagnac环等，本实施例具有结构简单、易于与光纤集成的优点。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例的全光逻辑门还包括用于过滤噪声光子的第一光滤波器2-1、第二光滤波器2-2，所述第一光滤波器2-1设于第一连续激光器1-1、第一偏振控制器4-1之间，所述第二光滤波器2-2设于第二连续激光器1-2、第二偏振控制器4-2之间。

结合图1中所示，就是第一光滤波器2-1的a端、b端分别与第一连续激光器1-1的输出端、第一偏振控制器4-1的e端连接，第二光滤波器2-2的a1端、b1端分别与第二连续激光器1-2的输出端、第二偏振控制器4-2的e1端连接。

实施例3

与实施例2不同的是，还包括用于隔断反方向传输的光信号的第一隔离器3-1、第二隔离器3-2，所述第一隔离器3-1设于第一光滤波器2-1、第一偏振控制器4-1之间，所述第二隔离器3-2设于第二光滤波器2-2、第二偏振控制器4-2之间。

结合附图1所示，第一隔离器3-1的c端、d端分别与第一光滤波器2-1的b端、第一偏振控制器4-1的e端连接，第二隔离器3-2的c1端、d1端分别与第二光滤波器2-2的b1端、第二偏振控制器4-2的e1端连接。

实施例4

与实施例1不同的是，还包括用于隔断反方向传输的光信号的第一隔离器3-1、第二隔离器3-2，所述第一隔离器3-1设于第一激光器1-1、第一偏振控制器4-1之间，所述第二隔离器3-2设于第二激光器1-2、第二偏振控制器4-2之间。

结合附图1所示，第一隔离器3-1的c端、d端分别与第一激光器1-1、第一偏振控制器4-1的e端连接，第二隔离器3-2的c1端、d1端分别与第二激光器1-2、第二偏振控制器4-2的e1端连接。

实施例5

与实施例3或4不同的是，本实施例的全光逻辑门还包括还包括第一波分复用器6-1和第三波分复用器6-3，所述第一波分复用器6-1设于第一耦合器5-1的端口三、第一干涉臂输入端之间，所述第三波分复用器6-3与第一干涉臂输出端连接；设置第一泵浦光，第一波分复用器6-1将第一泵浦光与第一耦合器5-1的端口三输出的信号光复合成一个光信号进行传输；所述第三波分复用器6-3将光信号中的第一泵浦光分离，输出第一信号光；全光逻辑门还包括第二波分复用器6-2和第四波分复用器6-4，所述第二波分复用器6-2设于第一耦合器5-1的端口四、第二干涉臂输入端之间，所述第四波分复用器6-4与第二干涉臂输出端连接；设置第二泵浦光，第二波分复用器6-2将第二泵浦光与第一耦合器5-1的端口四输出的信号光复合成一个光信号进行传输；所述第四波分复用器6-4将光信号中的第二泵浦光分离，输出第二信号光。

结合附图1所示，第一波分复用器6-1的h1端输入第一泵浦光，第一波分复用器6-1的h2端、h3端分别与第一耦合器5-1的g3端、第一干涉臂的输入端i连接，第一干涉臂的输出j端与第三波分复用器6-3的j1端连接；第三波分复用器6-3的l1端输入第二泵浦光，第三波分复用器6-3的l2端、l3端分别与第一耦合器5-1的g4端、第二干涉臂的输入端m连接，第二干涉臂的输出端n与第四波分复用器6-4的n1端连接。第一泵浦光、第二泵浦光通过第三波分复用器6-3的j3端、第四波分复用器6-4的n3端分离出去了。信息从高功率泵浦光转移到低功率的连续信号光上。

马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂和/或第二干涉臂采用高非线性光纤，即图中的第一高非线性光纤7-1、第二高非线性光纤7-2。

泵浦光采用功率为瓦级别的高功率，如可以采用信号波长1545nm、峰值功率为7.6W的泵浦光。

实施例6

与实施例5不同的是，本实施例的全光逻辑门还包括第二耦合器5-2，第二耦合器5-2的端口一、端口二分部用于接收马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂、第二干涉臂输出的信号光。

结合附图1所示，第二耦合器5-2的k1端口、k2端分别接收第三波分复用器6-3的j2端、第四波分复用器6-4的n2端输出的信号光。

本实施例的实现原理为：一种基于马赫-曾德尔干涉仪的全光逻辑门，第一连续激光器1-1产生连续信号光，进入第一滤波器2-1的a端，第一滤波器2-1的b端与第一光隔离器3-1的c端相连，第一光隔离器3-1的d端与第一偏振控制器4-1的e端连接，第一偏振控制器4-1的f端与第一耦合器5-1的g1端连接；第二连续激光器1-2产生连续光，进入第二滤波器2-2的a1端，第二滤波器2-2的b1端与第二光隔离器3-2的c1端相连，第二光隔离器3-2的d1端与第二偏振控制器4-2的e1端连接，第二偏振控制器4-2的f1端与第一耦合器的g2端连接，第一耦合器的g3端与第一波分复用器6-1端口h2连接，泵浦光从第一波分复用器6-1端口h1引入，第一波分复用器6-1端口h3与第一高非线性光纤7-1的i端连接，第一高非线性光纤7-1的j端与第三波分复用器6-3的j1端口连接，泵浦光从第三波分复用器6-3的j3端口分离出去，第三波分复用器6-3的j2端口与第二耦合器5-2的k1端口连接；第一耦合器的g4端与第二波分复用器6-2端口j2连接，泵浦光从第二波分复用器6-2端口j1引入，第二波分复用器6-2端口j3与第二高非线性光纤7-2的m端连接，第二高非线性光纤7-2的n端与第四波分复用器6-4的n1端口连接，泵浦光从第四波分复用器6-4的n3端口分离出去，第四波分复用器6-4的n2端口与第二耦合器5-2的k2端口连接。利用泵浦光对弱信号光交叉相位调制效应，改变两个臂上信号的相位差，从而改变信号的透射率，进而改变两个输出端口的消光比，得到不同的逻辑，实现对相应的同或与异或逻辑门运算。

本实施中的泵浦光可以采用高功率，采用瓦级单位的高功率泵浦光。第一耦合器、第二耦合器都采用四端口的耦合器。

表1为两端口实现的同或与异或逻辑门，表中p1、p2分别代表从第一耦合器6-1的h1端口、第二6-2的l1端口输入的泵浦光功率。

表1

P1	P2	k4	P1	P2	K3
						1	1	1	1	1	0
0	1	0	0	1	1
						1	0	0	1	0	1
0	0	1	0	0	0
								同或			异或

本发明构造了基于马赫-曾德尔干涉仪的全光逻辑器，其利用信号光源，光滤波器，光隔离器，马赫-曾德尔干涉仪，波分复用器，非线性光纤等使得该器件实现异或逻辑运算。利用泵浦光对弱信号光交叉相位调制效应，改变两个臂上信号的相位差，从而改变信号的透射率，进一步改变两个输出端口的消光比，实现对信号的逻辑运算。传统的非线性器件开关的功率达到kW级别，而本发明其引起逻辑运算的功率是W级别，因此本发明的逻辑器具有泵浦脉冲信号传输的光功率低(信息从高功率泵浦光转移到低功率的连续信号光上)、系统结构简单、操作性强等优势。

以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，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 (10)

1.全光逻辑门，其特征在于，包括：第一连续激光器(1-1)、第二连续激光器(1-2)、第一偏振控制器(4-1)、第二偏振控制器(4-2)、第一耦合器(5-1)和马赫-曾德尔干涉仪；

所述第一连续激光器(1-1)、第一偏振控制器(4-1)、第一耦合器(5-1)的端口一、马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂依次连接；

所述第二连续激光器(1-2)、第二偏振控制器(4-2)、第一耦合器(5-1)的端口二、马赫-曾德尔干涉仪的第二干涉臂依次连接。

2.根据权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，还包括第一光滤波器(2-1)、第二光滤波器(2-2)，所述第一光滤波器(2-1)设于第一连续激光器(1-1)、第一偏振控制器(4-1)之间，所述第二光滤波器(2-2)设于第二连续激光器(1-2)、第二偏振控制器(4-2)之间。

3.根据权利要求2所述的全光逻辑门，其特征在于，还包括第一隔离器(3-1)、第二隔离器(3-2)，所述第一隔离器(3-1)设于第一光滤波器(2-1)、第一偏振控制器(4-1)之间，所述第二隔离器(3-2)设于第二光滤波器(2-2)、第二偏振控制器(4-2)之间。

4.根据权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，还包括用于隔断反方向传输的光信号的第一隔离器(3-1)、第二隔离器(3-2)，所述第一隔离器(3-1)设于第一连续激光器(1-1)、第一偏振控制器(4-1)之间，所述第二隔离器(3-2)设于第二连续激光器(1-2)、第二偏振控制器(4-2)之间。

5.根据权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，还包括第一波分复用器(6-1)和第三波分复用器(6-3)，所述第一波分复用器(6-1)设于第一耦合器(5-1)的端口三、第一干涉臂输入端之间，所述第三波分复用器(6-3)与第一干涉臂输出端连接；

设置第一泵浦光，第一波分复用器(6-1)将第一泵浦光与第一耦合器(5-1)的端口三输出的信号光复合成光信号进行传输；

所述第三波分复用器(6-3)将光信号中的第一泵浦光分离，输出第一信号光。

6.根据权利要求1或5所述的全光逻辑门，其特征在于，还包括第二波分复用器(6-2)和第四波分复用器(6-4)，所述第二波分复用器(6-2)设于第一耦合器(5-1)的端口四、第二干涉臂输入端之间，所述第四波分复用器(6-4)与第二干涉臂输出端连接；

设置第二泵浦光，第二波分复用器(6-2)将第二泵浦光与第一耦合器(5-1)的端口四输出的信号光复合成光信号进行传输；

所述第四波分复用器(6-4)将光信号中的第二泵浦光分离，输出第二信号光。

7.根据权利要求1-5任一所述的全光逻辑门，其特征在于，还包括第二耦合器(5-2)，第二耦合器(5-2)的端口一、端口二分部用于接收马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂、第二干涉臂输出的信号光。

8.根据权利要求1-5任一所述的全光逻辑门，其特征在于，所述第一耦合器(6)将信号光按1:1比例分配。

9.根据权利要求1-5任一所述的全光逻辑门，其特征在于，所述第一连续激光器(1-1)和/或第二连续激光器(1-2)采用半导体激光器。

10.根据权利要求1-5任一所述的全光逻辑门，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂和/或第二干涉臂采用高非线性光纤。