CN110320726B - 一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门 - Google Patents

Abstract

一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，包括第一导体激光器、第二导体激光器、第三导体激光器、第一光调制器、第二光调制器、第一光隔离器、第二光隔离器、第三光隔离器、光放大器、三芯非线性光耦合器，第一导体激光器、第一光调制器、第一光隔离器依次连接；第二导体激光器、第二光调制器、第二光隔离器依次连接；第三导体激光器、光放大器、第三光隔离器依次连接；第一光隔离器、第二光隔离器、第三光隔离器分别与三芯非线性光耦合器的三芯连接。两激光器的光信号经调制器调制后产生脉冲数字序列注入到三芯非线性光耦合器两个端口，第三导体激光器的泵浦源的泵浦光经过放大后注入到纤芯2，对纤芯1、纤芯3中的光信号进行交叉相位调制。

Description

一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门

技术领域

本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门。

背景技术

全光网络AON All Optical Network)是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在。全光网络中信息的传输和交换全部使用光信号，不再需要中间的光——电和电——光转换过程，由于全光网络信息传输、交换、放大等无需经过光电、电光转换，因此不受原有网络中电子设备响应慢的影响，是下一代网络的理想选择。

全光网络的实现过程中，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，因此全光逻辑器件是全光网络的重要器件，用于实现全光交换、编码等重要功能。非线性定向耦合器能在其波导耦合区域通过非线性的相互作用利用一个光波去控制和调节另一个光波，提供了实现全关逻辑门功能的可能性。

消光比，是指激光器在发射全“1”码时的光功率P1与全“0”码时发射的光功率P0之比。由于在数字光纤通信系统中，理论上光发射机在传送数字信号过程中，发“0”码时应无光功率输出。但实际的光发射机由于光源器件本身的问题或是直流偏置选择不当，致使发“0”码时也有微弱的光输出。这种情况将导致接收机灵敏度下降，影响信号传输设备的质量，不利于信号有效传输。

因此，需要对全光逻辑门开关进行研究，实现整个逻辑门的功能的同时尽可能实现更大的消光比。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，具有更低的开关阈值功率，以及更大的消光比。

本发明采取以下技术方案：

一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，包括第一导体激光器、第二导体激光器、第三导体激光器、第一光调制器、第二光调制器、第一光隔离器、第二光隔离器、第三光隔离器、光放大器、三芯非线性光耦合器，所述第一导体激光器、第一光调制器、第一光隔离器依次连接；所述第二导体激光器、第二光调制器、第二光隔离器依次连接；所述第三导体激光器、光放大器、第三光隔离器依次连接；所述第一光隔离器、第二光隔离器、第三光隔离器分别与所述三芯非线性光耦合器的三芯连接；所述第一导体激光器、第一光调制器产生的光信号，经各自的第一光调制器、第二光调制器调制后产生两个同步的脉冲数字序列，注入到三芯非线性光耦合器的纤芯1、纤芯3中，第三导体激光器的泵浦源所产生的泵浦光经过放大后注入到三芯非线性光耦合器的纤芯2中对所述纤芯1、纤芯3中的信号光进行交叉相位调制。

进一步的，所述全光逻辑门中，还包括第一光衰减器和第二光衰减器，所述第一光衰减器两端分别与所述第一导体激光器、第一光调制器连接；所述第二光衰减器两端分别与所述第二导体激光器、第二光调制器连接。

进一步的，所述全光逻辑门中，还包括第一光滤波器、第二光滤波器、第三光滤波器、第四光滤波器和第五光滤波器，所述第一光调制器、第一光滤波器、第一光隔离器依次连接，所述第二光调制器、第二光滤波器、第二光隔离器依次连接；所述三芯非线性光耦合器的纤芯1、纤芯2、纤芯3的输出端分别与第三光滤波器、第四光滤波器、第五光滤波器连接。

进一步的，所述全光逻辑门中，还包括第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器，所述第一偏振控制器两端分别与第一光滤波器、第一光隔离器连接，所述第二偏振控制器两端分别与第二光滤波器、第二光隔离器连接；所述第三偏振控制器两端分别与光放大器、第三光隔离器连接。

进一步的，所述的全光逻辑门中，所述第一导体激光器，第二导体激光器为探测光半导体激光器，其产生平均的功率为10mW。

进一步的，所述的全光逻辑门中的有源非线性三芯光纤耦合器，所有光放大器的增益30dB。

进一步的，所述的有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门中，掺杂光纤的非线性折射率系数为3×10^-15m²/W。

进一步的，所述全光逻辑门中的有源非线性三芯光纤耦合器，其纤芯1与2之间耦合器的线性耦合系数为1.57cm^-1，纤芯3与2之间耦合器的线性耦合系数为1.87cm^-1。

进一步的，所述全光逻辑门中的有源非线性三芯光纤耦合器，耦合器的长度为1cm。

进一步的，所述第三导体激光器的泵浦源所产生的泵浦波波长范围为1545nm，功率为50mW。

本发明的两个探测激光器产生的光信号为弱信号光，经过两个衰减器后，通过调制器，数字信号(m₁t)和(m₂t)对其进行调制，产生脉冲数字序列，注入到有源掺杂光纤耦合器两个端口，泵浦源所产生的泵浦光经过放大后，注入到纤芯2，对纤芯1和纤芯2中的信号光进行交叉相位调制，实现信息的开关切换和逻辑功能。

本发明的特点在于：利用有源掺杂光纤耦合器的线性增益提高开关陡峭性和降低耦合器开关阈值功率，利用纤芯2中的泵浦光控制纤芯1和纤芯3中信号在纤芯1和3中的关断，从而控制其逻辑输出。

附图说明

图1为一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门结构示意图；

图2一定的增益系数(g＝2)的开关约陡峭性图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明，使得本发明的技术方案更加清楚、明白。

如图1所示为一种结构的有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，包括了以下部件：第一导体激光器1-1、第二导体激光器1-2、第三导体激光器1-3、第一光衰减器2-1、第二光衰减器2-2、第一光调制器3-1、第二光调制器3-2、第一光滤波器4-1、第二光滤波器4-2、第三光滤波器4-3、第四光滤波器4-4、第五光滤波器4-5、第一偏振控制器5-1、第二偏振控制器5-2、第三偏振控制器5-3、第一光隔离器7-1、第二光隔离器7-1、第三光隔离器7-3、光放大器6和三芯非线性光耦合器8，三芯非线性光耦合器8包括纤芯1、纤芯2和纤芯3。

本全光逻辑门具体连接关系如下：

所述纤芯1对应的光纤链路里，第一半导体激光器1-1与所述的第一光衰减器2-1的b1端口连接，第一光衰减器2-1的b2端口与第一光调制器3-1的b3端口连接，第一光调制器3-1的b4与第一光滤波器4-1的c1端口连接，第一光滤波器4-1的c2端口与第一光偏振控制器5-1的d1端口连接，第一光偏振控制器5-1的d2端口与第一光隔离器7-1的e1端口连接，第一光隔离器7-1的e2端口与非线性耦合器纤芯1的i1端口连接，线性耦合器纤芯1的i4端口与第三光滤波器4-3连接。

所述纤芯2对应的光纤链路里，第三半导体激光器1-3与所述光放大器6的f1端口连接，光放大器6的f2端口与第三光偏振控制器5-3的g1端口连接，第三光偏振控制器5-3的g2端口与第三光隔离器7-3的h1端口连接，第三光隔离器7-3的h2端口与非线性耦合器纤芯2的i2端口连接，线性耦合器纤芯2的i5端口与第四光滤波器4-4连接。

所述纤芯3对应的光纤链路里，第二半导体激光器1-2与所述第二光衰减器2-2的j1端口连接，第二光衰减器2-2的j2端口与第二光调制器3-2的j3端口连接，第二光调制器3-2的j4端口与第二光滤波器4-2的k1端口连接，第二光滤波器4-2的k2端口与第二光偏振控制器5-2的l1端口连接，第二光偏振控制器5-2的l2端口与第二光隔离器7-2的m1端口连接，第二光隔离器7-2的m2端口与非线性耦合器纤芯3的i3端口连接，线性耦合器纤芯3的i6端口与第五光滤波器4-5连接。

本耦合器光开关采用非对称结构设计，其中，纤芯1与2之间耦合器的线性耦合系数为1.57cm^-1，纤芯3与2之间耦合器的线性耦合系数为1.87cm^-1，利用纤芯2中的泵浦光对纤芯1和3的脉冲进行交叉相位调制，由于相移的不同，实现信息的开关切换与逻辑功能。

本例中两个探测激光器1-1、1-2)产生的光信号为弱信号光，经过两个衰减器后，通过调制器，数字信号m₁t)和m₂t)对其分别进行调制，产生两个同步的脉冲数字序列，分别注入到有源掺杂光纤耦合器两个端口i1和i3，泵浦源所产生的泵浦光经过放大后，注入到纤芯2，对纤芯1和纤芯2中的信号光进行交叉相位调制，实现不同的相差，导致输出端的信息与两个输入端的信息存在逻辑关系，从而实现逻辑运算。

本发明与传统的非线性耦合器光开关比较，利用掺杂的有源耦合器能降低开关的阈值功率，其线性增益能够增大的开关陡峭性，实现较大的消光比对比度。

实现光信息开关切换的过程如下：

1、首先探测连续激光器产生光载波；

2、利用调制器，数字信号m₁t)和m₂t)分别对两个弱信号光进行调制，产生同步脉冲序列；

3、泵浦源激光器产生光信号后，经过光放大器对信号进行放大，达到并超过开关的阈值功率；

4、调整光信号的偏振方向，达到最佳的开关效果；

5、泵浦光注入后，分别对纤芯1和纤芯2中的信号光进行交叉相位调制，实现不同的相差；

6、纤芯1和纤芯2中初始输入在不同的组合下，得到输出的，进而产生不同的逻辑功能。

如图2所示为一定的增益系数g＝2时的开关约陡峭性图，该图表明本实施例的全光逻辑门在阈值功率处，具有很好的陡峭性。

表1真值表

上述的表1为实现逻辑的真值表，在i4端口：

而在i6端口

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 (9)

1.一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，其特征在于，包括第一半导体激光器(1-1)、第二半导体激光器(1-2)、第三半导体激光器(1-3)、第一光调制器(3-1)、第二光调制器(3-2)、第一光隔离器(7-1)、第二光隔离器(7-2)、第三光隔离器(7-3)、光放大器(6)、三芯非线性光耦合器(8)，所述第一半导体激光器(1-1)、第一光调制器(3-1)、第一光隔离器(7-1)依次连接；所述第二半导体激光器(1-2)、第二光调制器(3-2)、第二光隔离器(7-2)依次连接；所述第三半导体激光器(1-3)、光放大器(6)、第三光隔离器(7-3)依次连接；所述第一光隔离器(7-1)、第二光隔离器(7-2)、第三光隔离器(7-3)分别与所述三芯非线性光耦合器(8)的三芯连接；

所述全光逻辑门还包括第一光衰减器(2-1)和第二光衰减器(2-2)，所述第一光衰减器(2-1)两端分别与所述第一半导体激光器(1-1)、第一光调制器(3-1)连接；所述第二光衰减器(2-2)两端分别与所述第二半导体激光器(1-2)、第二光调制器(3-2)连接；

所述第一半导体激光器(1-1)、第二半导体激光器(1-2)产生的光信号，分别经过衰减器后，经各自的第一光调制器(3-1)、第二光调制器(3-2)调制后产生两个同步的脉冲数字序列，注入到三芯非线性光耦合器(8)的纤芯1、纤芯3中，第三半导体激光器(1-3)的泵浦源所产生的泵浦光经过放大后注入到三芯非线性光耦合器(8)的纤芯2中对所述纤芯1、纤芯3中的信号光进行交叉相位调制，实现不同的相差，使输出端的信息与两个输入端的信息存在逻辑关系，从而实现逻辑运算。

2.权利要求1所述一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，其特征在于，所述全光逻辑门还包括第一光滤波器(4-1)、第二光滤波器(4-2)、第三光滤波器(4-3)、第四光滤波器(4-4)和第五光滤波器(4-5)，所述第一光调制器(3-1)、第一光滤波器(4-1)、第一光隔离器(7-1)依次连接，所述第二光调制器(3-2)、第二光滤波器(4-2)、第二光隔离器(7-2)依次连接；所述三芯非线性光耦合器(8)的纤芯1、纤芯2、纤芯3的输出端分别与第三光滤波器(4-3)、第四光滤波器(4-4)、第五光滤波器(4-5)连接。

3.权利要求2所述一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，其特征在于，所述全光逻辑门还包括第一偏振控制器(5-1)、第二偏振控制器(5-2)、第三偏振控制器(5-3)，所述第一偏振控制器(5-1)两端分别与第一光滤波器(4-1)、第一光隔离器(7-1)连接，所述第二偏振控制器(5-2)两端分别与第二光滤波器(4-2)、第二光隔离器(7-2)连接；所述第三偏振控制器(5-3)两端分别与光放大器(6)、第三光隔离器(7-3)连接。

4.根据权利要求1所述一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，其特征在于，所述第一半导体激光器(1-1)、第二半导体激光器(1-2)为探测光半导体激光器，其产生平均的功率为10mW。

5.根据权利要求1所述一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，其特征在于，所述三芯非线性光耦合器(8)中，掺杂光纤的非线性折射率系数为3×10-15m 2/W。

6.根据权利要求1或5所述一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，其特征在于，所述三芯非线性光耦合器(8)中，纤芯1与2之间耦合器的线性耦合系数为1.57cm-1，纤芯3与纤芯2之间耦合器的线性耦合系数为1.87cm-1。

7.根据权利要求1所述的有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，其特征在于，所述的三芯非线性光耦合器(8)的长度为1cm。

8.根据权利要求1所述的有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，其特征在于，所述的全光逻辑门中的有源非线性三芯光纤耦合器，所有光放大器的增益30dB。

9.根据权利要求1所述一种有源非线性三芯光纤耦合器的全光逻辑门，其特征在于，所述第三半导体激光器(1-3)的泵浦源所产生的泵浦波波长范围为1545nm，功率为50mW。

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