CN110501854A - 基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光子器件技术领域，具体涉及一种基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门，包括信号发生器、连续波激光器、调制器、时钟脉冲CLK、单微环谐振器和光示波器，所述信号发生器和连续波激光器均连接在调制器上，所述调制器连接有第一单微环谐振器，所述第一单微环谐振器与第一时钟脉冲CLK连接，所述光示波器包括第一光示波器和第二光示波器，所述第二时钟脉冲CLK与第二单微环谐振器连接，所述第一单微环谐振器和第二单微环谐振器均连接在第一光示波器上，所述第二单微环谐振器连接有第二光示波器。本发明具有结构简单、成本低、功耗低、高电平和低电平切换时间短、易于级联到光子集成的优点。本发明用于异或同或逻辑门的实现。

Description

基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门
技术领域
本发明属于光子器件技术领域，具体涉及一种基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门。
背景技术
光学存储设备是未来超高比特率光纤通信系统中必不可少的元素。在光分组交换网络中，光学存储元件保存光学处理器的结果并给光学开关提供控制信号。但是为了避免数据冲突，光学存储元件甚至需要缓冲整个数据包。在理想情况下，数据应该全光地进行存储，与光纤带宽兼容。脉冲模式存储已在各种光纤环路设备中得到应用。这些设备配置再生回路或锁模光纤环激光器，通过各种脉冲控制技术提供比特模式的定时稳定性。上述脉冲控制技术大多基于电光调制，其比特率小于100Gb/s。
全光顺序信号处理中，设备的数字输出不仅取决于输入信号还取决于对前一时刻信号的状态。由于在所有光分组交换机中出现，这个过程已被广泛研究。光分组交换机中，交换、数据格式转换、光信号的记忆、路由、数据包的缓冲和转发以及计数、时钟分割等核心功能直接在光域中进行。与电光电转换不同，这种产生一个少于10ps脉冲信号的过程可以实现大于40Gbits/s的高速重复全光顺序信号处理，既提高了光子集成电路和平面光波电路的工作能力，又显著降低了数字光网络设备的成本。
目前，全光异或逻辑门、全光同或逻辑门都是基于半导体光放大器的独立的逻辑门，其电脉冲电路切换时间长，不能同时实现全光异或同或逻辑功能。基于此，实现基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门确有必要。
发明内容
针对上述技术问题，提供了一种结构简单、体积小、成本低、功耗低、高电平和低电平切换时间短的基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门，包括信号发生器、连续波激光器、调制器、时钟脉冲CLK、单微环谐振器和光示波器，所述信号发生器和连续波激光器均连接在调制器上，所述时钟脉冲CLK包括第一时钟脉冲CLK和第二时钟脉冲CLK，所述单微环谐振器包括第一单微环谐振器和第二单微环谐振器，所述调制器连接有第一单微环谐振器，所述第一单微环谐振器与第一时钟脉冲CLK连接，所述光示波器包括第一光示波器和第二光示波器，所述第二时钟脉冲CLK与第二单微环谐振器连接，所述第一单微环谐振器和第二单微环谐振器均连接在第一光示波器上，所述第二单微环谐振器连接有第二光示波器。
所述信号发生器频率带宽为0-10GHz，输出功率为10-20dBm。
所述调制器频率带宽为0-10GHz。
所述第一时钟脉冲CLK、第二时钟脉冲CLK是波长均为532nm绿色激光的脉冲光束。
所述第一单微环谐振器、第二单微环谐振器的微环半径d均为20μm，厚度均为250nm，横截面均为450×250nm2。
基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门的控制方法，包括下列步骤：
S1、信号发生器产生的信号和连续波激光器产生的载波，经调制器调制生成输入信号；
S2、第一时钟脉冲CLK、第二时钟脉冲CLK分别从第一单微环谐振器、第二单微环谐振器的顶部泵送入环，形成光开关，实现异或同或逻辑门；
S3、使用第一光示波器、第二光示波器分别记录异或逻辑门、同或逻辑门的波形。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明具有结构简单、体积小、成本低、功耗低、高电平和低电平切换时间短、易于级联到光子集成的优点，且仅在加载时钟信号时状态才会发生改变，实现异或同或逻辑门。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为XOR/XNOR逻辑的运算真值图；
其中：1为信号发生器，2为连续波激光器，3为调制器，4a为第一时钟脉冲CLK，4b为第二时钟脉冲CLK，5a为第一单微环谐振器，5b为第二单微环谐振器，6a为第一光示波器，6b为第二光示波器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门，如图1所示，包括信号发生器、连续波激光器、调制器、时钟脉冲CLK、单微环谐振器和光示波器，信号发生器1和连续波激光器2均连接在调制器3上，信号发生器1产生的信号和连续波激光器2产生的载波，经调制器3调制生成输入信号。时钟脉冲CLK包括第一时钟脉冲CLK4a和第二时钟脉冲CLK4b，单微环谐振器包括第一单微环谐振器5a和第二单微环谐振器5b，调制器3连接有第一单微环谐振器5a，第一单微环谐振器5a与第一时钟脉冲CLK4a连接，光示波器包括第一光示波器6a和第二光示波器6b，第二时钟脉冲CLK4b与第二单微环谐振器5b连接，第一时钟脉冲CLK4a、第二时钟脉冲CLK4b分别从第一单微环谐振器5a、第二单微环谐振器5b的顶部泵送入环，形成光开关，实现异或同或逻辑门。第一单微环谐振器5a和第二单微环谐振器5b均连接在第一光示波器6a上，第二单微环谐振器5b连接有第二光示波器6b，使用第一光示波器6a、第二光示波器6b分别记录异或逻辑门、同或逻辑门的波形。
进一步，优选的，信号发生器1频率带宽为0-10GHz，输出功率为10-20dBm。
进一步，优选的，调制器3频率带宽为0-10GHz。
进一步，优选的，第一时钟脉冲CLK4a、第二时钟脉冲CLK4b是波长均为532nm绿色激光的脉冲光束。
进一步，优选的，第一单微环谐振器5a、第二单微环谐振器5b的微环半径d均为20μm，厚度均为250nm，横截面均为450×250nm2。
本发明的工作原理为：
单微环谐振器由环形谐振器和输入输出波导之间的单向耦合组成。当往返光路的光程长度为有效波长的整数倍时，单微环谐振器发生谐振。谐振时，光耦合到下降端口，下降端口显示最大传输和最小透射率。如果单微环谐振器由非线性材料制成，通过非线性效应，那么可以产生逻辑开关。谐振器中的光强度可以改变折射率，时钟脉冲从环顶部泵送入环，产生高密度载流子(泵浦引入了额外的电子-空穴对)。高密度载流子有效地降低了微环波导的折射率，使微环谐振波长暂时蓝移，共振波长发生变化，进而打开或关闭信号。
环的周长是L(L＝2πr，r是环的半径)，环衰减系数是α，耦合器插入损耗系数是γ，环和输入波导、输出波导之间的耦合系数分别是k1和k2，波传播常数是kn，环的共振波长是λ，时钟脉冲的光强度是I、光功率是P，则kn＝(2π/λ)neff，neff＝n0+n2I＝n0+(n2/Aeff)P，其中n0和n2分别是线性和非线性折射率系数。假设Ei1和Ei2分别是输入端口字段和添加端口字段，Et和Ed分别是直通端口字段和下降端口字段。A点、B点、C点和D点分别为Era、Erb、Erc和Erd，可以写成：
直通端口输出为：
下降端口输出为：
简化起见，可以看作:
通过式(6)求解式(1)，得到直通端口和下降端口可表示为：
根据上述方程可以设计一个环形谐振器作为开关。
当A＝B＝“0”或当A＝B＝“1”时，逻辑输出端口最大，对应于XNOR在通过端口，在下降端口不会产生输出。对应于Drop端口的XOR操作。当A＝“1”，B＝“0”或当A＝“0”，B＝“1”时，逻辑输出来自丢弃端口将是最大的，与XOR相对应。在下降口，不会在直通口产生输出。与直通端口上的XNOR操作相对应的端口。考虑到A和B所有可能的逻辑组合，XOR/XNOR的真值表如图2所示。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门，其特征在于：包括信号发生器、连续波激光器、调制器、时钟脉冲CLK、单微环谐振器和光示波器，所述信号发生器(1)和连续波激光器(2)均连接在调制器(3)上，所述时钟脉冲CLK包括第一时钟脉冲CLK(4a)和第二时钟脉冲CLK(4b)，所述单微环谐振器包括第一单微环谐振器(5a)和第二单微环谐振器(5b)，所述调制器(3)连接有第一单微环谐振器(5a)，所述第一单微环谐振器(5a)与第一时钟脉冲CLK(4a)连接，所述光示波器包括第一光示波器(6a)和第二光示波器(6b)，所述第二时钟脉冲CLK(4b)与第二单微环谐振器(5b)连接，所述第一单微环谐振器(5a)和第二单微环谐振器(5b)均连接在第一光示波器(6a)上，所述第二单微环谐振器(5b)连接有第二光示波器(6b)。
2.根据权利要求1所述的基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门，其特征在于：所述信号发生器(1)频率带宽为0-10GHz，输出功率为10-20dBm。
3.根据权利要求1所述的基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门，其特征在于：所述调制器(3)频率带宽为0-10GHz。
4.根据权利要求1所述的基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门，其特征在于：所述第一时钟脉冲CLK(4a)、第二时钟脉冲CLK(4b)是波长均为532nm绿色激光的脉冲光束。
5.根据权利要求1所述的基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门，其特征在于：所述第一单微环谐振器(5a)、第二单微环谐振器(5b)的微环半径d均为20μm，厚度均为250nm，横截面均为450×250nm2。
6.基于单微环谐振器的全光异或同或逻辑门的控制方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、信号发生器(1)产生的信号和连续波激光器(2)产生的载波，经调制器(3)调制生成输入信号；
S2、第一时钟脉冲CLK(4a)、第二时钟脉冲CLK(4b)分别从第一单微环谐振器(5a)、第二单微环谐振器(5b)的顶部泵送入环，形成光开关，实现异或同或逻辑门；
S3、使用第一光示波器(6a)、第二光示波器(6b)分别记录异或逻辑门、同或逻辑门的波形。
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