CN1928689A - 瞬态交叉相位调制型全光半加器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种瞬态交叉相位调制型全光半加器，两个超短脉冲光源分别经调制器调制输出归零码，作为二路数据信号，二路数据信号经耦合器耦合后，再和激光器输出的连续光经另一耦合器耦合注入半导体光放大器中，半导体光放大器的输出功率分成两路，二路分别由光纤放大器放大、光带通滤波器进行光学滤波，滤波输出分别获得光逻辑“与”运算和光逻辑“异或”运算，其运算结果分别由光接收机来探测。本发明仅用一个半导体光放大器作为非线性器件，同时输出“异或”和“与”运算结果，极大简化了结构，便于集成，节约了成本；同时本发明不受半导体光放大器的增益恢复时间的限制，理论上可以达到100Gb/s以上的工作速率。

Description

瞬态交叉相位调制型全光半加器
技术领域
本发明属于光电子材料及器件技术领域，具体涉及一种半导体光放大器的瞬态交叉相位调制效应的全光加法器。
背景技术
随着网络容量的增加和信号传输与交换速率的不断提高，由于集成电路加工工艺和半导体材料本身的限制，电子学的瓶颈效应将日趋明显。在未来智能化全光网络中，电学领域的器件会受到电子瓶颈的严重困扰；相比之下，全光信号处理技术则能充分发挥光波在高速信号处理方面的优势。因此，高速全光信号处理是最终实现智能化全光网络的关键核心技术。
一般来讲，一个完整的通信系统由不同的基本逻辑门集成后组成，如：与门、或门、异或门、与非门、或非门和同或门，那么对于由光器件组成的通信系统也不例外。随着通信系统的复杂程度不断增加，单个逻辑运算单元的信号处理能力毕竟有限，为了进一步提高网络的可承载信息容量，迫切需要发展具有复杂逻辑运算功能的全光逻辑运算电路，而全光半加器是基本的全光逻辑运算电路，它是构成许多复杂逻辑运算电路的基础。
全光半加器可用一个异或门和一个与门实现，其中异或门对应全光半加器的求和位，与门对应全光半加器的进位位。近年来，半导体光放大器作为全光信号处理技术的一种功能性器件以其小体积、低功耗和易集成等优点得到学界广泛的关注，所以全光半加器的实现方案主要是利用半导体光放大器的非线性效应实现的，例如交叉增益调制效应(Sang Hun Kim，JaeHun Kim，Jae Won Choi，et al.“All-optical half adder using single mechanismof XGM in semiconductor optical amplifiers，”Proc.SPIE Int.Soc.Opt.Eng.，5628，94，2005)、超快非线性干涉仪(D.Tsiokos，E.Kehayas，K.Vyrsokinos，etal.“10-Gb/s all-optical half-adder with interferometric SOA gates，”IEEEPhoton.Technol.Lett.，vol.16，pp.284-286，2004)等等。
韩国科学技术学院的光子研究中心利用半导体光放大器的交叉增益调制效应成功实现了与门和异或门，然后将两个逻辑门组合起来实现了全光半加器，该方案一共使用了四个半导体光放大器。利用交叉增益调制效应实现逻辑门的的优点是输出功率只取决于输入光的功率，无需精确的相位调节。缺点是结构太复杂而不利于集成，输出的消光较低而影响输出质量，而且工作速率受到半导体光放大器的载流子恢复时间的限制而不可能达到很高。
雅典国家技术大学的电子与计算机系用两级超快非线性干涉仪的级联实现了全光半加器，其中第一级配置为2×2的交叉连接开关。该方案的第一级可同时输出“与”、“或”逻辑，第二级在此基础上得到“求和”信号、“进位”信号，从而实现全光半加器。该方案的优点是不需另加探测光，能够获得较高的工作速率，但是时钟信号和数据信号要求严格同步，因为使用两级级联，所以结构复杂，且具有偏振相关性，因此该方案的实现条件十分苛刻。
以上全光半加器的实现方案都不可避免地涉及到逻辑门的级联问题，“异或”运算和“与”运算分别用不同的器件实现，而逻辑门的级联一方面给精确控制操作带来难度，另一方面还会导致消光比退化积累，可能导致逻辑输出特性进一步恶化。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，公开一种瞬态交叉相位调制型全光半加器，它是基于半导体光放大器的瞬态交叉相位调制(T-XPM)效应，在仅使用一个半导体光放大器作为非线性器件的情况下，同时输出“与”运算结果和“异或”运算结果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：第一超短脉冲光源经第一调制器调制输出归零码，作为一路数据信号，第二超短脉冲光源经第二调制器调制输出归零码，作为另一路数据信号，两路数据信号经第一耦合器耦合后，再和激光器输出的连续光经第二耦合器耦合注入半导体光放大器中，第三耦合器将半导体光放大器的输出功率分成两路，一路由第一光纤放大器放大，再通过第一光带通滤波器进行光学滤波，滤波输出获得光逻辑“与”运算，第一光接收机用来探测“与”运算的光信号，另一路由第二光纤放大器放大，再通过第二光带通滤波器进行光学滤波，滤波输出获得光逻辑“异或”运算，第二光接收机用来探测“异或”运算的光信号。
本发明相比现有技术，具有如下优点：
(1)本发明在仅使用一个半导体光放大器作为非线性器件的情况下，同时输出“异或”运算结果和“与”运算结果，从而极大简化了结构，便于集成，节约了器件的成本。
(2)本发明不受半导体光放大器的增益恢复时间的限制，理论上可以达到100Gb/s以上的工作速率。
(3)本发明不涉及干涉装置，容易控制，操作简单。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的逻辑输出波形仿真结果。横坐标为时间/ps；纵坐标为归一化功率/a.u。
图3为图1中第一光带通滤波器或者第二光带通滤波器的最大输出功率随该光带通滤波器中心波长漂移量的变化曲线。横坐标为滤波器中心波长相对于探测光波长的偏移量波长/nm；纵坐标为最大输出功率/dBm。
图4为图1的中，当输入数据信号脉宽分别为8ps、4ps和2ps时，最大输出功率随光带通滤波器中心波长漂移量的变化曲线。横坐标为滤波器中心波长相对于探测光波长的偏移量波长/mm；纵坐标为最大输出功率/dBm。
图5～图9为本发明一些实施例的局部示意图。
具体实施方式
由图1所示，第一超短脉冲光源1经第一调制器2调制输出归零码，作为一路数据信号A，第二超短脉冲光源3经第二调制器4调制输出归零码，作为另一路数据信号B，两路数据信号经第一耦合器5耦合后，再和激光器6输出的连续光经第二耦合器7耦合注入半导体光放大器8中，第三耦合器9将半导体光放大器8的输出功率分成两路，一路由第一光纤放大器10放大，再通过第一光带通滤波器11进行光学滤波，滤波输出获得光逻辑“与”运算，第一光接收机12用来探测“与”运算的光信号，另一路由第二光纤放大器13放大，再通过第二光带通滤波器14进行光学滤波，滤波输出获得光逻辑“异或”运算，第二光接收机15用来探测“异或”运算的光信号。
进行求和运算的数据信号A和数据信B必须是归零码(RZ)调制格式，当两路数据信号脉冲宽度为皮秒量级(小于10皮秒)，两路信号光的峰值功率相等时，全光半加器的输出结果将获得最优；激光器6输出的是未被调制的连续光，该连续光作为探测光进入半导体光放大器8；第三耦合器9选用2×2耦合器；第一光纤放大器10和第二光纤放大器13通常选用掺铒光纤放大器；第一光带通滤波器11和第二光带通滤波器14的中心波长相对于激光器6输出的探测光中心波长均存在不同的偏移量，在分别调节第一光带通滤波器11和第二光带通滤波器14不同偏移量后，将分别获得输入数据信号的“异或”运算和“与”运算，分别对应全光半加器的求和位和进位位。
由于上述的数据信号A数据信号B都是超短脉冲，注入半导体光放大器8后引起瞬态交叉相位调制效应，两路数据信号中只要一路有光功率通过半导体光放大器8，就会引起半导体光放大器8中载流子浓度的急剧变化，进而形成一个瞬态的相位变化，激光器6输出的探测光通过半导体光放大器8后，会形成波长的漂移，第一光带通滤波器11和第二光带通滤波器14的中心波长相对于连续光波长λc存在不同的漂移量，根据两个滤波器中心波长不同的漂移量和输入数据信号光功率的关系，可以分以下几种情况讨论。
(1)当两路输入数据信号同时为“1”时，进入半导体光放大器8的功率因为叠加而增大，激光器6输出的探测光在半导体光放大器8中获得一定的波长漂移量，输出波长为λc+Δλ1，而第一光带通滤波器11的中心波长刚好对准这个漂移后的波长，输出为“1”；当两路输入数据信号中只要有一个为“0”或者都为“0”时，漂移后的输出探测光波长不在第一光带通滤波器11的中心波长范围内，输出为“0”。因此，第一光接收机12获得的是一个逻辑“与”运算。
(2)当两路输入数据信号只有一个为“1”时，进入半导体光放大器8的数据信号功率较小，使得探测光波长发生漂移，输出波长为λc+Δλ2，第二光带通滤波器14的中心波长刚好对准此时漂移后的波长，输出为“1”；当两路输入数据信号同时为“1”的时候，漂移后的输出波长不在第二光带通滤波器14的中心波长范围内，输出为“0”；如果两路输入数据信号都为“0”时，不会形成探测光的波长漂移，输出也为“0”。因此，在第二光接收机15接收的是一个逻辑“异或”运算。
一个“与”运算和一个“异或”运算组成一个全光半加器。在该全光半加器结构中，假设第一超短脉冲光源1输出的数据信号A记为被加数，第二超短脉冲光源2输出的数据信号B记为加数，则第一光接收机12是半加器的进位位，即输入数据信号的“与”运算，第二光接收机15是半加器的求和位，即输入数据信号的“异或”运算。具体真值表如表1：
                    表1：全光半加器真值表
被加数A 加数B   接收机12“与”运算   接收机15“异或”运算
  0011   0101   0001   0110
通过数值仿真证实该半加器方案的可行性。数值仿真所用参数如下：激光器6输出的探测光波长为1555nm，其功率为-7dBm，而两路数据信号A、B为脉宽2ps，峰值功率为10dBm的伪随即信号，其波长为1550nm，第一光带通滤波器11、第二光带通滤波器14带宽均为0.4nm。半导体光放大器8的工作电流为500mA，腔长1mm，线宽增强因子为6。
图2给出了图1的逻辑输出波形。曲线a表示输入数据信号A的输入脉冲序列，编码格式为“10110”；曲线b表示数据信号B的输入脉冲序列；编码格式为“10011”；曲线c表示当第一光带通滤波器11的中心波长蓝移2.1nm时，第一光带通滤波器11的输出波形；曲线d表示当第二光带通滤波器14的中心波长蓝移3.6nm时，第二光带通滤波器14的输出波形；曲线e表示当第二光带通滤波器14的中心波长红移1.3nm时，第二光带通滤波器14的输出波形。
从图2的输出波形看，曲线c对应的编码为“10010”，说明输出为数据A和数据B的“与”运算；曲线d和e对应的编码为“00101”，说明输出为数据A和数据B的“异或”运算。
本发明中，第一光带通滤波器11和第二光带通滤波器14的中心波长相对于探测光中心波长的偏移量的大小直接影响输出逻辑门的特性和质量。比如，当偏移量太小时，由于探测光的中心载波得不到抑制，而使得第一光带通滤波器11和第二光带通滤波器14的输出为反相的波长转换，成为逻辑非门；当偏移量太大时，探测光功率大部分被第一光带通滤波器11和第二光带通滤波器14阻隔，从而使得输出光功率太小而不易被检测，因而需要根据数据A和B的脉宽和峰值功率做必要的优化。
由图3所示，其中，曲线g对应进入半导体光放大器8的数据信号的峰值功率为10mW，曲线f对应进入半导体光放大器8的数据信号的峰值功率为20mW。可以认为，输入峰值功率为10mW表示数据A和数据B中只有一束信号为“1”，峰值功率为20mW则表示两束光信号同时为“1”的情况。这样，区域I的阴影部分就表示了最佳逻辑异或门输出，这时第二光带通滤波器14蓝移4.2nm，输出消光比达13dB；区域II表示了最佳逻辑与门输出，这时第一光带通滤波器11蓝移2.1nm，输出消光比为7dB；区域IV表示了第二光带通滤波器14时的最佳逻辑异或门输出，第二光带通滤波器14红移1.3nm，消光比为6dB。值得注意的区域III中，由于第一光带通滤波器11(或者第二光带通滤波器14)的中心波长太靠近探测光的中心波长，探测光载波功率得不到抑制，所以输出为交叉增益调制型的反相波长转换。图3的模拟计算表明，在本发明中，第一光带通滤波器11和第二光带通滤波器14的选择对于全光半加器的输出性能有着至关重要的影响，尤其是第一光带通滤波器11和第二光带通滤波器14中心波长相对于与激光器6输出的探测光波长的漂移量。
由图4所示，当输入数据信号的脉冲宽度是8ps、4ps和2ps时，第一光带通滤波器11(或者第二光带通滤波器14)输出的脉冲峰值功率随第一光带通滤波器11(或者第二光带通滤波器14)中心波长漂移的变化曲线。在曲线h1中，输入数据信号的脉冲宽度是8ps，峰值功率是10mW；在曲线h2中，输入数据信号的脉冲宽度是8ps，峰值功率是20mW；在曲线i1中，输入数据信号的脉冲宽度是4ps，峰值功率是10mW；在曲线i2中，输入数据信号的脉冲宽度是4ps，峰值功率是20mW；在曲线j1中，输入数据信号的脉冲宽度是2ps，峰值功率是10mW；在曲线j2中，输入数据信号的脉冲宽度是2ps，峰值功率是20mW。
由图4可见，随着输入数据信号A和B的脉宽越来越窄，曲线的最低点对应的第一光带通滤波器11和第二光带通滤波器14偏移量越来越大，而这个最低点表示输出与门和异或门在此时获得最高的消光比，因此是第一光带通滤波器11和第二光带通滤波器14的最佳偏移量。最佳偏移量越大，对信道间的串扰的抵御能力越强，所以输入数据信号的脉冲越窄越好。
由图5所示，以图1为基础，在第一调制器2与第一耦合器5之间接有第一偏振控制器16，在第二调制器4与第一耦合器5之间接有第二偏振控制器17，在激光器6与第二耦合器7之间接有第三偏振控制器18。第一偏振控制器16、第二偏振控制器17、第三偏振控制器18分别调节三路光信号的偏振态，使得半导体光放大器8的瞬态交叉相位调制效应最佳。
由图6所示，以图1或图5为基础，在第二耦合器7与半导体光放大器8之间接有第一光隔离器19，或在半导体光放大器8与第三耦合器9之间接有第二光隔离器20。增加第一光隔离器19或者第二光隔离器20的作用是保证进入半导体光放大器8的光信号沿单向传输，避免回波对半导体光放大器8产生影响。还可同时接有第一光隔离器19和第二光隔离器20：在第二耦合器7与半导体光放大器8之间接有第一光隔离器19，在半导体光放大器8与第三耦合器9之间接有第二光隔离器20。
由图7所示，以图1、图5或图6为基础，上述半导体光放大器8由光环形器21和单端耦合半导体光放大器22构成，在单端耦合半导体光放大器22后端面镀反射膜，反射率范围通常为0.1％～90％。输入的数据信号A、B和激光器6输出的连续光经第二耦合器7输出的光信号，由光环形器21的第一端口C输入，从第二端口D输出进入单端耦合半导体光放大器22，由于单端耦合半导体光放大器22后端面镀反射膜，光信号到达单端耦合半导体光放大器22后端面时，部分光将被反射，反射的光信号再次在单端耦合半导体光放大器22中获得增益和调制，由第二端口D进入光环形器21，从光环形器21的第三端口E输出。半导体光放大器8采用这样的结构能提高输出光信号的消光比，并获得大的增益。
由图8所示，以图1、图5、图6或图7为基础，在激光器6与第二耦合器7之间接有第三调制器23。第三调制器23的作用是产生一个和第一调制器2或者第二调制器4同步的时钟信号。由调制器23产生的时钟信号代替连续光提高了全光半加器的输出光信噪比。
由图9所示，以图1、图5、图6或图7为基础，在激光器6与第三偏振控制器18之间接有第三调制器23。由调制器23产生的时钟信号代替连续光提高了全光半加器的输出光信噪比。

Claims (10)

1.一种瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：第一超短脉冲光源(1)经第一调制器(2)调制输出归零码，作为一路数据信号，第二超短脉冲光源(3)经第二调制器(4)调制输出归零码，作为另一路数据信号，两路数据信号经第一耦合器(5)耦合后，再和激光器(6)输出的连续光经第二耦合器(7)耦合注入半导体光放大器(8)中，第三耦合器(9)将半导体光放大器(8)的输出功率分成两路，一路由第一光纤放大器(10)放大，再通过第一光带通滤波器(11)进行光学滤波，滤波输出获得光逻辑“与”运算，第一光接收机(12)用来探测“与”运算的光信号，另一路由第二光纤放大器(13)放大，再通过第二光带通滤波器(14)进行光学滤波，滤波输出获得光逻辑“异或”运算，第二光接收机(15)用来探测“异或”运算的光信号。
2.根据权利要求1所述的瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：在第一调制器(2)与第一耦合器(5)之间接有第一偏振控制器(16)，在第二调制器(4)与第一耦合器(5)之间接有第二偏振控制器(17)，在激光器(6)与第二耦合器(7)之间接有第三偏振控制器(18)。
3.根据权利要求1或2所述的瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：在第二耦合器(7)与半导体光放大器(8)之间接有第一光隔离器(19)，或在半导体光放大器(8)与第三耦合器(9)之间接有第二光隔离器(20)。
4.根据权利要求1或2所述的瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：在第二耦合器(7)与半导体光放大器(8)之间接有第一光隔离器(19)，在半导体光放大器(8)与第三耦合器(9)之间接有第二光隔离器(20)。
5.根据权利要求1或2所述的瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：
上述半导体光放大器(8)由光环形器(21)和单端耦合半导体光放大器(22)构成，在单端耦合半导体光放大器(22)后端面镀反射膜，经第二耦合器(7)输出的光信号，由光环形器(21)的第一端口(C)输入，从第二端口(D)输出进入单端耦合半导体光放大器(22)，光信号到达单端耦合半导体光放大器(22)后端面时，部分光将被反射，反射的光信号再次在单端耦合半导体光放大器(22)中获得增益和调制，由第二端口D进入光环形器(21)，从光环形器(21)的第三端口(E)输出。
6.根据权利要求4所述的瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：
上述半导体光放大器(8)由光环形器(21)和单端耦合半导体光放大器(22)构成，在单端耦合半导体光放大器(22)后端面镀反射膜，经第二耦合器(7)输出的光信号，由光环形器(21)的第一端口(C)输入，从第二端口(D)输出进入单端耦合半导体光放大器(22)，光信号到达单端耦合半导体光放大器(22)后端面时，部分光将被反射，反射的光信号再次在单端耦合半导体光放大器(22)中获得增益和调制，由第二端口(D)进入光环形器(21)，从光环形器(21)的第三端口(E)输出。
7.根据权利要求1或2所述的瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：在激光器(6)与第二耦合器(7)之间接有第三调制器(23)。
8.根据权利要求4所述的瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：在激光器(6)与第二耦合器(7)之间接有第三调制器(23)。
9.根据权利要求6所述的瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：在激光器(6)与第二耦合器(7)之间接有第三调制器(23)。
10.根据权利要求6所述的瞬态交叉相位调制型全光半加器，其特征在于：在激光器(6)与第三偏振控制器(18)之间接有第三调制器(23)。
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