CN1079956C - 光学逻辑和开关功能的装置 - Google Patents

Abstract

脉内喇曼散射应用于提供光学器件，这种器件可以实现各种逻辑和开关功能。在本发明的逻辑门的实施例中，耦合多个中心波长相同的脉冲(16，18)，产生功率电平等于输入的总功率电平的输出脉冲(24)。当足够窄的输出脉冲的功率电平超过喇曼阈值时，输出脉冲的波长有一偏移，偏移量可以通过调节输入功率来控制。光学滤波器(14)根据所要求的器件的逻辑操作，有选择地阻断耦合器输出脉冲。在根据本发明的开关(10)中，耦合输入脉冲(28)和控制脉冲(16)，激励输出脉冲的喇曼散射。把输出脉冲(4)加到几条输出线上，每条输出线具有一个定于预定通带中心的滤波器。因而，根据控制脉冲的幅度，把输入脉冲通到所选的输出线上。

Description

光学逻辑和开关功能的装置

技术领域

本发明通常涉及一种光学器件，尤其涉及实现光学逻辑和开关功能的方法和装置。

背景技术

光学逻辑和开关器件通常包括半导体元件，对它加上电偏压，以适当地处理照射到半导体元件上的光信号。这些电光器件存在多种缺点。最明显的是，电光逻辑和开关器件的速度受到电极的RC时间常数据的限制，此外，电光转换会造成能量损失。

近年来，已经提出设计“全光学”逻辑门和开关的方案。例如，授予Doran的美国专利4,881,788号揭示了一种光学器件，其中，耦合信号经分束，沿着长度相等但材料特性不同的第一和第二光纤传播。信号传播通过这些光纤同步但有相移地到达连接到这些光纤端头的耦合器，通过检测相移来实现逻辑或开关操作。在授予Islam的美国专利4,932,739号描述的器件中，把一对光信号在双折射光纤中传播，在这些信号之间产生孤波捕获(soliton trapping)，通过检测捕获产生的效应来实现逻辑操作。上面这些设计遇到许多限制，包括开关功率高、环境不稳定以及等待时间长等。因此需要一种没有已有技术的器件中固有缺点的、提供全光学逻辑和开关功能的方法和装置。

发明内容

根据其主要方面，从宽的方面来说，本发明是一种利用脉内喇曼散射提供逻辑操作或开关功能的光学器件。

当在光纤中激励出喇曼散散时，光束入射功率的一小部分转换成另一光束，其频率下移量由媒体的振动模式决定。脉内喇曼散射也称为孤波自频移，发生在光谱对脉冲内的短波长分量来说足够宽的单个光脉冲中，以把能量转移到长波长分量。随着脉冲沿光纤传播，频率持续下移(波长红向偏移)。假设脉冲的时间宽度与其光谱之间成相反关系，也与喇曼增益谱的形状成相反关系，则脉内喇曼效应对时间宽度极其灵敏。事实上，孤波在硅石光纤中传播(具有双曲脉冲形和校正峰功率对脉冲关系的光脉冲)的频率下移量与脉宽的四次幂有关。由于通过调节孤波的次数(随输入功率而变化)，可以产生孤波脉冲宽度压缩，所以在光纤中传播的孤波脉冲的波长偏移可以通过调节脉冲的输入功率来调节。对于呈指数增长的光纤中孤波传播的的喇曼散射，输入功率必须在喇曼阈值之上，该值由喇曼增益、光纤芯的有效面积以及光纤的有效长度决定。

在本发明的逻辑门实施例中，耦合多个中心波长相同的脉冲，产生功率电平等于这些输入的总功率电平的输出脉冲。当足够窄的输出脉冲的功率电平超过喇曼阈值时，输出将产生波长偏移。假设脉冲的孤波次数保持在接近N＝1的水平上，则波长偏移量随输入功率的增加而增加。

按惯例，在返回到零(RZ)的光学网络中，假设不存在孤波为逻辑“0”，有孤波为逻辑“1”。在本发明的双输入端与逻辑门中，孤波的功率电平约在0.5与1.0倍的喇曼阈值功率电平之间为逻辑“1”。因此，当把一个或不把逻辑“1”脉冲输入到双输入端与门耦合器中时，输出功率电平将低于喇曼阈值功率电平，输出脉冲的波长将不偏移。当把两个逻辑“1”输入脉冲输入到与门耦合器时，输出功率将大于喇曼阈值，输出脉冲的波长将发生偏移。

根据本发明的逻辑门还包括滤波器，根据输出脉冲的波长传送或阻断耦合器输出脉冲。在双输入端与门中，选择的滤波器阻断无偏移波长的输出脉冲，而让有偏移波长的输出脉冲通过。因此，仅当把两个逻辑“1”输入被耦合而产生波长发生偏移的输出时，滤波器才让输出脉冲通过。

在本发明的光学开关实施例中，把光脉冲制成根据控制脉冲的幅度来切换到多条输出线中的一条或多条输出线。把输入脉冲和控制脉冲输入到光耦合器中，把这些脉冲组合，产生表示输入脉冲和控制脉冲组合功率电平的输出。正如逻辑门实施例中的情况一样，当耦合器输出功率电平超过输出光纤的喇曼阈值时，喇曼效应使耦合器的输出偏移。只要耦合器输出的孤波次数保持在接近N＝1的程度，则波长偏移的大小随着功率电平的增加而增加。

在开关的典型实施例中，把输入信号制成功率电平接近等于喇曼阈值，并接近基本孤波次数N＝1，较佳地，接近约N＝0.5至N＝2的范围内。因此，功率电平约为零的控制脉冲将基本上不产生波长偏移，而功率电平大于零的控制脉冲将产生波长偏移，该偏移的大小随控制脉冲功率电平的增加而增加。

把一分束器连接到耦合器的输出端上，把耦合器的输出提供给几条输出线中的每一条输出线。接着，设置在每条输出线上的波长选择滤波器根据波长偏移的大小通过或阻断耦合器输出。一般地，每个波长选择滤波器将使波长在特定范围内偏移的脉冲通过，而阻断偏移超过特定范围的脉冲。因此，通过根据与所要的输出线有关的滤波器的特性，调节控制脉冲的功率电平，就可以选择传送耦合器输出的一条或多条线路。

在逻辑门或开关中，耦合器输出功率电平(在逻辑门的情况下表示输入脉冲的组合功率电平，在开关的情况下表示输入脉冲和控制脉冲的组合功率电平)应当保持在接近基本孤波次数(N＝1)的数值范围内，以防止脉冲过度整形或高次脉冲中断。把耦合器输出的次数保持在接近N＝1的程度，提供了一种可控制的、易于检测的且与功率有关的波长偏移。

高次孤波(N≥2)经历有时间和光谱波动，包括光谱变宽和变窄。

此外，喇曼散射的出现使增益不对称，并失去孤波经历。因此，可以把高次孤波分成它们的分量脉冲(例如，N＝3的孤波分成三个光谱脉冲，它们的幅度可以由反向散射法获知的内容确定)。在传播期间孤波的光谱变宽可以使波长选择滤波器让被滤波器阻断的脉冲通过，否则使光谱变宽。为了限制光谱波动和脉冲中断，最好把门或开关耦合器输出的孤波次数保持在N＝0.5与约N＝2之间。

在脉冲宽度约在1ps的数量级上或更小的数量级上的情况以及在脉冲的功率电平大于喇曼阈值的情况下，将产生明显的脉内喇曼散射。光路的设计者常常尝试防止在它们的光路中激励出喇曼散射，以避免不想要的能量传递。一般通过使标准的网络孤波脉冲宽度大大地大于1ps来保证光路内防止出现脉内喇曼散射。

由于他们发现在光学网络中使用时，标准脉冲的宽度大于1ps，所以本发明的器件通常需要额外的光学元件，使输入脉冲的宽度变窄，这样明显的脉内喇曼散射可以产生效果，并使输出脉冲的宽度变宽，这样，输出脉冲的宽度将等于网络的标准脉冲宽度。

脉冲变窄可以通过多种不同的方法来实现，包括用线性调频脉冲、光折射、光纤布拉络光栅以及色散专用光纤。这些方法中有两种方法可以在所有较佳的光纤长度中使用。光纤光栅更紧凑(长度约为1-10mm)，但在中心设计波长有反射，因此，需要用额外的元件来取得压缩脉冲。色散减小光纤可以绝热地压缩孤波，同时维持其变换受限脉冲形状。相反，色散增加光纤可以绝热地扩展孤波，同时维持其变换受限脉冲形状。线性调频脉冲光纤光栅也可以把光以相对方向(反向)发射来延伸脉冲。

本发明逻辑门的一个主要特征是把受限制脉内喇曼散射与检测是否已激励了喇曼散射的波长选择滤波器组合在一起。这些主要部件的组合提供了一种全部由无源元件组成的全光学逻辑门。

本发明的开关的一个主要特征是把受控脉内喇曼散射与对控制输入激励的喇曼散射的大小作出响应的波长选择滤波器阵列组合在一起。这两个主要部件的组合提供了一种全部由无源元件组成的全光学开关。

本发明的逻辑门和开关两者共有的特征是把耦合器输出功率电平保持在接近N＝1的孤波次数上。把耦合器输出功率电平保持到接近基本孤波次数N＝1可以在每个实施例的滤波级进行准确和可靠的波长选择。

这两个实施例共有的另一个特征是把脉冲变窄光学元件包括在逻辑门或开关的输入端。包括了使脉冲宽度变窄到1ps次的宽度上的脉冲变窄光学元件可以使喇曼散射在逻辑门或开关中产生作用。

这两个实施例共有的再一个特征是把脉冲变宽光学元件包括在逻辑门或开关的输出端。包括了脉冲变宽光学元件使输出脉冲变宽，这样，使脉冲的宽度等于标准网络脉冲的宽度。

对于本技术领域的熟练人员来说，在阅读了后面参照附图对本发明的详细描述，本发明的这些和其他特征和优点将变得更明显。

附图概述

图1示出了根据本发明的逻辑门的实施例；

图2示出了根据本发明的开关的实施例。

图3示出了根据本发明的逻辑门的另一个实施例；

图4示出了根据本发明的开关的另一实施例；

图5是喇曼效应产生的频移与输入脉冲宽度的相关性的曲线图；

图6是沿光纤长度传播的N＝1.5的孤波的时间宽度压缩图；

图7是包含实验数据的曲线图，示出了窄宽度脉冲的波长偏移与脉冲输入功率的相关性；

图8是帮助理解本发明的曲线图，示出了与几种可能的耦合器输出光谱相比较的输入光谱。

本发明的实施方式

当在光纤中激励出喇曼散射时，光束中一小部分入射功率转换成另一频率下移了由媒体的振动模式确定的量的光束。在具有多波长光信道的通信系统中，脉内喇曼散射(不是本发明中利用的)是有害的。低波长信道损失了到高波长信道的能量，因而产生了串扰。

脉内喇曼散射也称为孤波自频移，在单个光脉冲内产生，其光谱对于脉冲内的低波长分量宽得足以向高波长分量传送能量。随着脉冲沿光纤传播，频率连续下移(波长的红向偏移)。假设脉冲的时间宽度与其光谱以及与喇曼增益谱的形状之间成逆关系，则脉内喇曼效应对时间宽度极其敏感。在硅石光纤中传播的孤波(具有双曲脉冲形状和校正峰值功率对脉冲关系的光脉冲)的频率下移由脉冲宽度四次幂决定的量。在硅石光纤中传播的经过喇曼散射的孤波，其幅度的频移接近下式表示的变化： ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{SH}}=\frac{0.0436}{\mathrm{\Δ}{T}^4}$ (式1)其中L为光纤的长度，ΔT为输入脉冲的脉冲宽度，色散等于15ps/nm/km。该结果用曲线图示于图5，对三根不同长度光纤画出了脉冲宽度ΔT对光频率偏移ω_SH的关系。从图5中看出，在～1km硅石光纤中传播的宽度约为1ps或更小量级的脉冲中激励出显著的波长偏移(1nm或更大)。

喇曼效应产生的波长偏移也可以与脉冲输入功率有关。次数高于N＝1的孤波在它们以一速率在一定长度的光纤中传播时经过初始脉冲压缩(时间变窄)，该速率随输入功率电平增加而增大。同时，次数低于N＝1的孤波在以一定速率传播期间使脉冲变宽，该速率随功率电平的降低而增大。因此，通常，在一定长度光纤的指定点上，传播脉冲的宽度可以通过提高输入功率电平而变窄。压缩量与初始峰值功率有关。图6示出了沿一定长度光纤传播的N＝1.5孤波的时间脉冲压缩的图。由于喇曼效应波长偏移是脉宽敏感的，因此，波长偏移量随着输入脉冲功率的增加而增加。作为孤波次数函数的孤波压缩系数的表达式由下式给出： $\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{in}}}{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{out}}}=4.1N$ (式2)对于最佳光纤长度Z_OPT，可由下式来确定： $\frac{Z_{\mathrm{OPT}}}{Z_0}=\frac{0.32}{N}+\frac{1.1}{N^2}$ (式2b)其中，ΔT_in为输入脉冲宽度，ΔT_out为输出脉冲宽度，N为孤波次数，Z0为孤波周期。图7示出了波长与输入功率这一关系的实验结果，条件是～1ps脉冲传播通过40km的色散减少光纤。

本发明利用了这种可控制的偏移(可以根据输入功率电平来改变)来提供逻辑门或开关。在光学札记第11卷第10号第662-664页上，J.P.Gordon撰写的“孤波自频率偏移的理论”中详细讨论于脉内喇曼散射和脉冲宽度相关波长偏移。在AcademicPress(1995)中，Govind P.Agrawal撰写的“非线性光纤光学”中有对孤波脉冲传播期间遇到的各种非线性效应的详细处理方法。为了更详细地讨论高次孤波脉冲压缩的现象，请参见Agrawal所撰写的文章的第6.4节。

图1示出了根据本发明的逻辑门。逻辑门10包括光纤耦合器12和波长选择滤波器14。耦合器12接收两个或多个输入脉冲，表示成16和18，它们具有预定的功率电平，耦合器12组合这些脉冲，产生幅度约等于输入脉冲之和的输出脉冲20。波长选择滤波器14根据传播信号的波长选择性地通过或阻断光信号。

通常，如果脉冲的宽度足够窄，并且如果脉冲的功率电平在喇曼阈值之上，则通过耦合器输出光纤22传播的耦合器输出脉冲就经历激励的喇曼散射。如果激励了脉冲20的喇曼散射，则脉冲20将经历波长偏移。因此，无论波长选择滤波器14是否通过耦合器，输出脉冲20都间接地与耦合输出的功率电平有关。由于滤波器12通过与耦合器输出的功率电平间接有关的脉冲，所以滤波器输出指示属于输入到耦合器16和18的输入脉冲的耦合器输入图形的信息，它具有预定的功率电平，并决定耦合器的输出功率电平。器件的各种逻辑操作可以通过调整下列各项来进行：输入到耦合器16和18的功率电平；输入到16和18的数量；耦合器输出光纤的喇曼阈值；输出光纤长度22；以及滤波器14的通带。

按照惯例，不出现孤波表示逻辑“0”，出现孤波表示逻辑“1”。在本发明中，如果要求输入图形为“0”逻辑输出，滤波器14就阻断耦合器输出脉冲，如果要求输入图形为“1”逻辑输出，就通过耦合器输出脉冲。通过例子最佳地描述了利用根据本发明的逻辑门进行的逻辑操作。

在两输入的与逻辑门中，调节输入16和18的功率电平、耦合器输出光纤22的喇曼阈值以及波长选择滤波器14的通带，以便只有在一对孤波脉冲输入(一对“1”)出现在耦合器12上时才通过孤波脉冲，作为“1”逻辑滤波器输出。

可以通过调整耦合器输入16和18的功率电平以及耦合器输出20的喇曼阈值来提供两输入与逻辑门，以便只有在耦合器输出的功率电平对应于两输入都为“1”的输入图形时才激励耦合器输出20的喇曼散射。这种喇曼散射的选择激励是这样提供的，即对耦合器输入端的“1”输入功率电平选择在耦合器输出光纤22上传播的耦合器输出的喇曼阈值的约0.5至1.0倍之间。

在与门中，滤波器14使有波长偏移的脉冲通过，并阻断中心波长等于输入波长的脉冲而产生“1”逻辑输出。与逻辑操作也可以通过把输入功率电平设置在喇曼阈值之上实现，使喇曼偏移在01，10输入图形下以及在11输入图形下发生，而且只有在耦合器输出的波长偏移程度相对于11输入图形较大时，滤波器才通过耦合器输出。

根据本发明的与门可以容易地扩展出另外的输入端，如图1中虚线输入端26和28。输入与门可以通过选择至少1/m倍喇曼阈值的输入功率电平来提供，其中M为输入端数，所以全“1”的输入图形导致了可以由滤波器14检测到的偏移的波长。

在根据本发明的异或逻辑门中，把输入功率电平选择成高于喇曼阈值，01和10输入图形激励具有第一波长偏移幅度的耦合器输出，11输入图形激励具有大于第一波长偏移幅度的第二波长偏移幅度的耦合器输出。选择滤波器14具有窄的通带，它通过波长对应于01和10输入图形的脉冲，但阻断波长对应于11输入图形的脉冲，提供了异或的逻辑操作。

利用一对耦合的“0”输入脉冲总能在滤波器14的输出端产生“0”逻辑输出的事实，可以通过提供约在输出光纤22的喇曼阈值0.5至1.0倍之间的脉冲输入功率，并选择滤波器14使其阻断有偏移波长的脉冲而通过无偏移波长的脉冲，来实现异或逻辑门简单的实施例。

现在参照图2描述根据本发明的开关的工作情况。开关30包括耦合器12、分束器32和多条输出线，例如34、36、38和40，每条输出线具有与其相关的波长选择滤波器14，用于根据脉冲的波长选择通过耦合器输出脉冲。耦合器12接收表示成42的预定功率电平的输入脉冲和控制脉冲44，并把这些脉冲组合，产生功率电平接近等于输入脉冲功率电平与控制脉冲功率电平之和的耦合器输出脉冲20。

当耦合器输出脉冲20有足够窄的宽度，并且功率电平超过在耦合器输出光纤22中传播的脉冲的喇曼阈值时，耦合器输出脉冲20的波长将发生偏移。对于次数接近N＝1的孤波，波长偏移的量将随耦合器输出功率电平的增加而增加。在一般的开关中，每个输出线滤波器34、36、38、40将有不同的通带(虽然开关也可以做成一个以上的滤波器可以具有相同的通带)。因此，控制耦合器输出20产生的波长偏移量，控制脉冲44控制通过哪个滤波器，因此，把耦合器输出脉冲通过哪条(哪些)输出线。

在一个较佳实施例中，可以把输入脉冲42的功率电平选择为接近输出光纤22的喇曼阈值得到根据本发明的开关。如果输入脉冲42选择成其功率电平喇曼阈值，并且孤波次数接近N＝1，则零功率电平控制脉冲将产生波长无偏移的耦合器输出脉冲，对于功率电平高于零的每个控制脉冲来说，控制脉冲将产生随控制脉冲功率增加而增加的波长偏移。根据这种方案，可以选择一个滤波器34，使其的通带对应于输入波长，每个后续的滤波器36和38可以选择波长逐渐增加的通带，每个滤波器对应于根据控制脉冲44的功率电平增加得到的波长偏移。

至此，已描述了根据本发明的逻辑门和开关的基本工作原理。现在的讨论将扩展到根据本发明的包括更具体的门和开关设计要求。

在给定长度光纤中传播的光信号的喇曼阈值P_TH由下式给出： $P_{\mathrm{TH}}\≈\frac{16A_{\mathrm{eff}}}{g_R{L}_{\mathrm{eff}}}$ (式3)其中A_eff为光纤的有效芯子面积，L_eff为光纤的有效长度，g_R为喇曼增益系数。因此，可以看出，减小光纤的有效芯子面积，增加光纤的有效长度，或增加光纤的喇曼增益系数，可以降低喇曼阈值。

在孤波光学网络中，希望调整孤波的功率电平，以在不激励喇曼散射的整个光纤链路中形成均匀或导向中心的孤波。相反，在本发明的器件中，是控制耦合器输出光纤22的材料特性，有选择地激励耦合器输出脉冲20的喇曼散射。根据不同的应用，把耦合器输出光纤的喇曼阈值调节到N＝1与N＝M倍输入脉冲功率电平之间的功率电平，其中M为输入端口数。因此，在本发明中必须调节耦合器输出光纤22的有效面积和有效长度，以使喇曼阈值处于该范围内所要求的功率电平上。

必须协调输入功率电平和喇曼阈值，以便在耦合器输出超过阈值时产生滤波器可检测的波长偏移。例如，在耦合器输出脉冲的光谱分布图不与输入脉冲的光谱分布图冲突(或重叠)时，就输出滤波器可检测的波长偏移。参照图8以光谱50示出了代表～1ps，～1W输入脉冲的光谱分布图。输出光谱52与输入脉冲50相比，具有不可检测的波长偏移，这是由于该光谱覆盖了输入的光谱，而用波长选择滤波器可以从光谱50中清楚地鉴别出输出光谱54。

在逻辑门的情况下，输入功率电平、喇曼阈值和波长选择滤波器14的工作波长不一定要作的精确控制，这是因为在可能的输入条件下一般仅需要产生一个或有时两个估计的波长偏移。然而，在具有多条输出线的开关的情况下，每条输出线34、36、38、40都需要一个估计的滤波器可检测的波长偏移。

假设多个滤波器可检测的波长偏移需要控制公式1给出的中心波长的偏移和可以由下式对转换受限的孤波脉冲近似的输出光谱的光谱宽度ΔY_out的偏移， ${\mathrm{\ΔY}}_{\mathrm{out}}=\frac{0.315}{\mathrm{\ΔT}}$ (式4)其中，ΔT为脉冲时间全宽的最大值的一半。因此可以看出，重新变宽脉冲的时间将使光谱变窄，可以改善耦合器输出端产生的波长偏移的可检测性。

除了输入脉冲宽度之外，影响波长偏移可检测性的另一个因素是耦合器输出功率电平。

较佳地，控制耦合器输出功率电平，避免产生高次(N≥2)的孤波和低次(N≤1)的孤波。

功率电平在基本孤波功率电平N＝1上的孤波脉冲将在它沿一定长度的光纤传播时保持一致的时间和光谱分布。当1和孤波数N之间的差值增大时，孤波经历越来越显著的时间和光谱波动，包括光谱变窄和变宽。为了更详细地讨论低次和高次孤波，请参见Agrawal所撰写的文章的第5部分。

在传播期间孤波光谱变宽可能使波长选择滤波器通过已被滤波器阻断的脉冲，否则光谱会变宽。可以看出，图8中示出的典型高次N＝2.5的光谱56被设计成阻断输入频率的脉冲的滤波器错误地通过，这是由于光谱56极宽，并包含了输入波长的额外的光谱峰值58。为了限制由于高次和低次孤波的产生造成的光谱变宽，应当把耦合器输出20的功率电平保持在对应于约N＝0.5与N＝2之间的孤波数上。

虽然孤波次数在N＝0.5与N＝2之间的孤波也将经过光谱变宽或变窄，但滤波器14可以设计成避免各种输出状态之间的交叉干扰，或者可以再次扩展输出脉冲，使输出光谱重新变窄。

作为脉冲功率函数的孤波次数N由下式给出 $N=\sqrt{\frac{P_{0}K{Z}_0{N}_2}{A_{\mathrm{eff}}}}$ (式5)其中P₀为峰值功率，K为比例常数，Z₀为孤波周期，N₂为非线性克尔系数，A_eff为光纤的有效芯子面积。

在本发明中，耦合器输出必须在，以足够产生滤波器可检测的波长偏移范围内的功率电平范围内。同时，如从上面所看到的，功率电平的范围应当受到限制，以避免产生低次和高次孤波。

虽然为了改进控制和性能最好把孤波次数保持在约N＝0.5与约N＝2之间，但应当认识到，在本发明的实施例中也可以利用孤波次数在该范围外的耦合器输出脉冲，如果这种利用不影响波长选择滤波器14的功能。例如，在根据本发明的门和开关中可以使用图8的具有输入波长的额外光谱峰值58的输出光谱分布图56，只要这些门和开关不需要通带在输入波长上的滤波器。

图3和图4分别示出了门和开关的另一种实施例，它们用额外元件来改善性能。

在脉冲宽度约在1ps或更小数量级上以及在脉冲功率电平超出喇曼阈值的情况下，将产生显著的脉内喇曼散射。光路的设计者一般试图在它们的光路中防止激励出喇曼散射，以避免不想要的能量传递。在多波长光学系统中，脉内喇曼散射会在信道之间引起交叉干扰。在目前的光学通信系统中，这两种效果与其它光纤非线性一样受到限制。

在根据本发明的门或开关中，可以构成一种色散减小的光纤(DDF)60(最方便是把它作为输出光纤22的一部分)，使网络脉冲宽度的脉冲变窄到在根据本发明的器件中能产生显著的激励喇曼散射和脉冲自频率偏移的宽度。色散减小光纤沿其长度连续或逐步地减小色散，并提供时间宽度为ΔT(Z)的变窄的输出脉冲，ΔT(Z)根据下式确定：

          ΔT(Z)＝ΔT(0)e^-pZ    (式6)其中ΔT(0)是z＝0时的脉冲宽度，如果色散的变化率也是呈指数的和绝热的(adiabatic)，p是脉冲的色散变化率。对于绝热脉冲，变窄的p必须小于零。

本发明的门或开关可以进一步包括光学元件使通过门或开关传播的脉冲的输出脉冲宽度变宽，以使当该脉冲退出门或开关时，处于其原来的输入脉冲宽度(可以是标准的网络脉冲宽度)。在逻辑门中，脉冲变宽元件最好是设置在波长选择滤波器14之前，而在本发明的开关实施例中，脉冲变宽光学元件最好设置在分束器32之前。

较佳地用色散增加光纤(DIF)62来实现脉冲变宽。色散增加光纤能沿其长度方向连续或逐渐地增加色散，并增加传播通过光纤的脉冲的时间宽度ΔT(Z)，ΔT(Z)可根据下式得到：

        ΔT(Z)＝ΔT(0)e^pZ    (式7)其中ΔT(0)为z＝0时的脉冲宽度，如果色散的变化率也是呈指数和绝热的(adiabatic)，p是脉冲的色散变化率。对于绝热脉冲，变宽的p必须大于零。

为更详细地讨论色散布增加和色散减小光纤，请参见光波技术杂志第9卷第5期(1991年5月)第561-566页上V.Bogatyrev等撰写的“色散沿长度变化的单模光纤”一文。

脉冲变窄和变宽也可以利用线性调频脉冲、光折射、光纤布拉络光栅来实现。光纤光栅更小(长度约为1-10nm)但在中心设计波长上有反射，因此需要另外的元件取出压缩的脉冲。色散专用光纤可以绝热地压缩或扩展孤波，同时保持其形变受限的脉冲形状。线性调频脉冲光纤光栅通过使光以相反方向(反向)发射也可以延伸脉冲。

在激励出喇曼散射之后，在门或开关的耦合器输出光纤22中构制使脉冲变宽的脉冲变宽元件可以提供另外一些优点。即，增加了波长偏移的可检测性。通常，当把脉冲的时间宽度变宽时，其光谱分布变窄了。因此，通过在激励出喇曼散射之后使耦合器输出脉冲的宽度变宽，可以增加在正常工作频带内(例如铒放大器增益频带)能检测到的滤波器可检测波长的数量。因此，在开关配备多条输出线的情况下，使耦合器输出脉冲的光谱变窄尤其有用。

可以控制门或开关的输出光纤内DDF或DIF的材料特性，以获得要求的喇曼阈值，并且在选择输入条件的情况下产生适当的波长偏移。然而，较佳地，提出一种设计控制，使本发明的器件包括独立长度的光纤并指定为中央光纤64，控制喇曼阈值和波长偏移。门或开关的输出光纤22的中央光纤64通过光学方式连接在脉冲压缩器件60的输出端上，使传播的脉冲没有足够的脉冲宽度得到明显的喇曼散射效果，一直到脉冲到达中央光纤64。因而，输出光纤22中输出脉冲20的所有喇曼散射基本上都发生在中央光纤64内。中央光纤64可以是色散减小光纤，设计成如果中央光纤64长到足以使损失明显地使脉冲变宽，则保持孤波的脉冲宽度。

Claims (21)

1、一种产生随多个输入脉冲的输入图形变化的逻辑输出的方法，其中每个输入脉冲具有预定的高状态功率电平，其特征在于，所述方法包含下列步骤：

把多个输入脉冲耦合到输出光纤上，产生功率电平接近等于所述输入脉冲的功率电平之和的耦合器输出脉冲，所述多个输入脉冲具有原始的输入脉冲宽度，所述输出光纤具有喇曼阈值；

当所述输出脉冲的功率电平超过所述喇曼阈值时，激励所述耦合器输出脉冲的喇曼散射，所述激励步骤有选择地使所述输出脉冲的波长偏移；以及

在所述脉冲具有对应于要得到“0”逻辑输出的输入图形的情况下，利用波长选择滤波器阻断所述输出脉冲。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个输入脉冲具有至少是所述喇曼阈值1/M倍的功率电平，其中，M为输入端数，所述滤波步骤仅让波长对应于每个输入为高的条件的脉冲通过，以使所述方法提供与逻辑操作。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个输入脉冲的功率电平约在所述喇曼阈值的1/M与1/(M-1)倍之间，其中M为输入端数，所述滤波步骤阻断波长未偏移的脉冲，使所述方法提供与逻辑操作。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个输入脉冲是两个输入脉冲，每个输入脉冲的高状态功率电平都高于所述喇曼阈值，所述滤波步骤阻断无偏移的脉冲和波长对应于两个输入都为高条件的脉冲，使所述方法提供异或逻辑操作。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个输入脉冲为两个输入脉冲，每个输入脉冲的高状态功率电平约在0.5与1.0倍所述喇曼阈值之间，所述滤波步骤阻无偏移的脉冲，使所述方法提供异或逻辑操作。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合步骤包括这样一个步骤，即把所述耦合器输出的功率电平保持在接近基本孤波次数的电平上，以限制所述耦合器输出的光谱波动。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合步骤包括这样一个步骤，即把所述耦合器输出的功率电平保持在约N＝0.5与N＝2之间的孤波次数上，以限制所述耦合器输出的光谱波动。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含下列步骤：

把所述耦合器输出脉冲的时间宽度变窄到数量级为1ps或更小的宽度上，以使所述耦合器输出脉冲产生有效的脉内喇曼散射。

9、如权利要求1所述的方法，还包含下列步骤：

利用色散减小光纤把所述耦合器输出脉冲的时间宽度变窄到数量级为1ps或更小的宽度上，以使所述耦合器输出脉冲产生有效的脉内喇曼散射。

10、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

变宽所述输出脉冲的时间宽度，使所述脉冲的宽度接近等于所述原始输入脉冲的宽度。

11、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

利用包散增加光纤变宽所述输出脉冲的时间宽度，使所述脉冲的宽度接近等于所述原始输入脉冲的宽度。

12、一种把输入脉冲转换到多条可能的输出线中所选择的输出线上的方法，其特征在于，所述方法包含下列步骤：

把输入脉冲与控制脉冲耦合到输出光纤上，以产生功率电平接近等于所述输入脉冲和所述控制脉冲组合功率电平的耦合器输出脉冲，所述输出光纤具有喇曼阈值，所述输入脉冲具有孤波次数和原始脉冲宽度；

如果所述耦合器输出脉冲的电平功率超过所述喇曼阈值，则激励所述耦合器输出脉冲的喇曼散射，所述激励步骤使所述耦合器输出脉冲的波长偏移由所述耦合器输出脉冲的功率电平确定的量；

把所述耦合器输出脉冲分束成多个开关输出脉冲；以及

用波长选择滤波器滤波所述多个开关输出脉冲的每一个脉冲，所述滤波步骤根据所述滤波器的通带和所述开关脉冲的波长，由所述控制脉冲确定通过或不通过开关输出脉冲。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述输入脉冲的功率电平接近等于所述喇曼阈值。

14、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述耦合步骤包括这样一个步骤，即把所述耦合器输出的功率电平保持在接近基本孤波次数的电平上，以限制所述耦合器输出脉冲的光谱波动。

15、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述耦合步骤包括这样一个步骤，即把所述耦合器输出的功率电平保持在约N＝0.5与N＝2之间的电平上，以限制所述耦合器输出的光谱波动。

16、如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包含下列步骤：

把所述耦合器输出脉冲的时间宽度变窄到数量级为1ps或更小的宽度上，以使所述耦合器输出脉冲产生有效的喇曼散射。

17、如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包含下列步骤：

利用色散减小光纤把所述耦合器输出脉冲的时间宽度变窄到数量级为1ps或更小的宽度上，以使所述耦合器输出脉冲产生有效的喇曼散射。

18、如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包含下列步骤：

变宽所述输出脉冲的时间宽度，以使所述脉冲的宽度接近等于原始输入脉冲的宽度。

19、如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包含下列步骤：

利用色散增加光纤变宽所述输出脉冲的时间宽度，以使所述脉冲的宽度接近等于原始输入脉冲的宽度。

20、一种光学逻辑门，其特征在于，包含：

多条输入线，每条输入线适于传输预定功率电平的输入脉冲；

具有喇曼阈值的输出光纤；

耦合所述输入线的耦合装置，所述耦合装置适于把多个所述输入脉冲耦合到所述输出光纤上，所述耦合装置产生功率电平接近等于所述输入脉冲的总功率电平的耦合器输出脉冲；

激励装置，适于当所述输出脉冲的功率电平超过所述喇曼阈值时有选择地激励所述耦合器输出脉冲的喇曼散射，所述激励装置有选择地偏移所述输出脉冲的波长；以及

波长选择滤波器，适于阻断所述脉冲的波长对应于要求结果为“0”逻辑输出的输入图形的所述输出脉冲。

21、一种光学开关，其特征在于，包含：

输入线，适于传输输入脉冲，所述输入脉冲具有预定的功率电平；

控制线，适于传输控制脉冲；

具有喇曼阈值的输出光纤；

耦合装置，耦合所述输入线和所述控制线，所述耦合装置适于把所述输入脉冲和所述控制脉冲耦合到所述输出光纤上，所述耦合装置产生功率电平接近等于所述输入脉冲和所述控制脉冲的组合功率电平的耦合器输出脉冲；

激励装置，如果所述耦合器输出脉冲的功率电平超过所述喇曼阈值，有选择地激励所述耦合器输出脉冲的喇曼散射，所述激励步骤使所述耦合器输出脉冲的波长偏移所述耦合器输出脉冲的功率电平确定的量；

与所述输出光纤连接的分束装置，用于把所述耦合器输出脉冲分束成多个开关输出脉冲；

多条输出线，每条输出线适于接收一个所述分束器输出脉冲；

多个波长选择滤波器，每个滤波器连接在一条所述输出线上，所述每个滤波器适于根据所述滤波器的通带和所述开关脉冲的波长，由所述控制脉冲确定通过或不通过开关输出脉冲。

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