DE10228127A1

DE10228127A1 - Rein Optisches XOR-Gatter unter Einsatz Optischer Halbleiter-Verstärker

Info

Publication number: DE10228127A1
Application number: DE10228127A
Authority: DE
Inventors: Jae Hun Kim; Young Min Jhon; Young Tae Byun; Seok Lee; Deok Ha Woo; Kwang Nam Kang; Sun Ho Kim
Original assignee: Korea Institute of Science and Technology KIST
Current assignee: Korea Institute of Science and Technology KIST
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP2003107547A; US6930826B2; US20030058527A1; KR100418654B1; KR20010103086A; DE10228127B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausführen eines rein optischen XOR-Logikgatters unter Einsatz eines optischen Halbleiterverstärkers und insbesondere eine Technik zum Ausführen eines rein optischen XOR-Logikgatters, welches die cross-gain-Modulations(XGM)-Charakteristik optischer Halbleiterverstärker nützt, welche mit Eingangsströmen, einem Licht- bzw. Beleuchtungssignal und einem Pumpsignal steuerbar sind. DOLLAR A Das Verfahren für rein optische XOR-Logikelemente gemäß der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch Erzielen der Betriebscharakteristik eines rein optischen XOR-Logikelements durch gleichzeitiges Eingeben eines Pumpsignals und Licht- bzw. Beleuchtungssignals in zwei optische Halbleiterverstärker und dann Summieren der zwei Ausgangssignale, welche XGM-Charakteristik aufweisen, welche von der Verstärkungssättigung und Wellenlängenumwandlung der optischen Halbleiterverstärker herrühren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausführen rein optischer XOR-Logikgatter unter Einsatz optischer Halbleiterverstärker. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik zum Ausführen eines rein optischen XOR-Logikgatters durch den Einsatz der Inverter-Charakteristik von optischen Halbleiterverstärkern, welche mit Eingangsströmen, Lichtsignalen und Pumpsignalen steuerbar sind.

Beschreibung verwandter Gebiete

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach hoher Geschwindigkeit und großer Kapazität von Berechnungssystemen angestiegen. Nahezu alle Berechnungssysteme, welche auf Silizium-Material und elektrischen Signalen basieren, weisen jedoch Grenzen bzw. Barrieren in der Geschwindigkeit und der Kapazität auf.

Andererseits werden Berechnungssysteme, welche optische Elemente basierend auf InP verwenden, mit solchen Barrieren der Geschwindigkeit und der Informationsverarbeitungskapazität fertig.

Im allgemeinen werden einzelne optische Logikelemente, wie AND, OR, XOR, NAND, NOR und NXOR, integriert, um berechnende Systeme zusammen zu stellen. Die Integrationstechnik ist unentbehrlich für Berechnungssysteme, welche optische Signale einsetzen.

In letzter Zeit hat sich die Forschung auf die XOR-Logikelement-Entwicklung konzentriert, da die XOR-Logik verschiedene Anwendungen bei Kommunikationsapplikationen, wie Entscheidungen treffen und Paketvermittlung, aufweist (siehe IEEE Photonics Technology Letters, Ausgabe 13, Nr. 7, Seiten 750-752 (2001) von T. Fjelde, A. Kloch, D. Wolfson, B. Dagens, A. Coquelin, I. Guillemot, F. Gaborit, F. Poingt und M. Renaud.). Beispiele schließen ein: ein XOR, welches ein ultraschnelles, nicht lineares Interferometer (UNI) einsetzt, welches von C. Bintjas, M. Kalyvas, G. Theophilopoulos, T. Stathopoulos, H. Avramopoulos, L. Occhi, L. Schares, G. Guekos, S. Hansmann und R. Dal1'Ara in IEEE Photonics Technology Letters, Ausgabe 12, nr. 7, Seiten 834-836 (2000) beschrieben wird; ein XOR, welches einen optischen asymmetrischen Tetrahertz Demultiplexer (TOAD) einsetzt, der von Pousite, Blow, Kelly und Manning im Opt. Commun. 156, Seiten 22-26 (1998) beschrieben ist; ein XOR, welches ein Sagnac-Gatter einsetzt, das von T. Houbavlis, K. Zoiros, A. Hatziefremidis, H. Avramopoulos, L. Occhi, G. Guekos, S. Hansmann, H. Burkhard und R. Dall'Ara in Electronics Letters, Ausgabe 35, Nr. 19, Seiten 1650-1652 (1999) beschrieben ist; und ein XOR, welches einen interferometrischen Wellenlängenwandler (IWC) einsetzt, das durch T. Fjelde, D. Wolfson, A. Kloch, B. Dagens, A. Coquelin, I. Guillemot, F. Gaborit, F. Poingt und M. Renaud in Electronic Letters, Ausgabe 36, Nr. 22, Seiten 1863-1864 (2000) beschrieben ist.

Die vorgenannten Elemente, welche UNI, TOAD und ein Sagnac-Gatter einsetzen, weisen den Vorteil einer hohen Betriebsgeschwindigkeit auf, sind aber schwierig auf optische Berechnungssysteme anzuwenden, welche eine hohe Integrationsdichte erfordern, da ihr Kernelement eine optische Faser ist, welche schwierig mit anderen Elementen zu integrieren ist.

Andererseits sind optische Logikelemente, welche einen einzelnen optischen Halbleiterverstärker (SOA) einsetzen, nicht nur stabil, klein und einfach mit anderen optischen Elementen zu kombinieren, sondern weisen ebenfalls den Vorzug auf, daß sie unabhängig von einer Polarisation und Wellenlänge sind (siehe Electronic Letters, Ausgabe 36, Nr. 22, Seiten 1863-1864 (2000) von T. Fjelde, D. Wolfson, A. Kloch, B. Dagens, A. Coquelin, I. Guillemot, F. Gaborit, F. Poingt, und M. Renaud).

Das vorgenannte IWC ist ein Element, welches durch Integrieren dieser optischen Halbleiterverstärker hergestellt wird, ist aber aufgrund seines komplizierten Herstellungsprozesses nicht geeignet für eine Massenherstellung.

Darüber hinaus, da XOR-Logikelemente, welche bis jetzt offenbart sind, von Taktsignalen oder Licht mit kontinuierlicher Welle (CW) abhängig sind, benötigen sie zusätzlich einen Strahl, welcher anders ist als die Eingangssignale A und B.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung soll die vorgenannten Probleme des Standes der Technik lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausführen rein optischer XOR-Logikelemente durch den Einsatz einer crossgain- bzw. Kreuzverstärkungs-Modulation (XGM) von optischen Halbleiterverstärkern vorzusehen, welche stabiler und einfacher mit anderen Elementen zu kombinieren sind als optische Faserbasierte Elemente, und welche die Größe und Geschwindigkeitsbegrenzung von Logikelementen durch Eliminieren der Notwendigkeit eines Taktsignals oder CW-Lichtes reduzieren.

Zum Erzielen der Aufgaben der vorliegenden Erfindung führt die vorliegende Erfindung rein optische XOR-Logikelemente durch Auftreffen von Pumpsignalen und Lichtsignalen zusammen auf zwei optischen Halbleiterverstärkern und dann Summieren der Ausgangssignale mit der XGM-Charakteristik aus, welche von einer Verstärkungssättigung und Wellenlängenumwandlung des optischen Halbleiterverstärkers herrührt.

Die vorliegende Erfindung weist keine Taktsignal- oder CW-Lichtabhängigkeit auf, da sie ein XOR-Logikelement durch den Einsatz der XGM-Charakteristik von zwei einzelnen optischen Halbleiterverstärkern ausführt.

Deshalb, wenn Signal A und Signal B, welche an den zwei einzelnen optischen Halbleiterverstärkern eingegeben werden, dieselbe Geschwindigkeit aufweisen, ist die Element-Realisätion ohne Taktsignal möglich.

In dem XOR-Logikelement gemäß der vorliegenden Erfindung, da zunächst ein Boolsches AB und AB erzielt wird und dann summiert wird, sind die Signale AB und AB trennbar. Deshalb sind verschiedene Logikformen mit dem Einsatz nur eines rein optischen XOR-Logikelements realisierbar.

Die oben genannten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen klarer verständlich, welche einen Teil dieser Offenbarung bilden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt das Basislogikkonzept eines XOR-Logikelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 verdeutlicht eine Ausgangsanzeige eines Boolschen Logiksignals AB durch ein XOR-Logikelement gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 verdeutlicht eine Ausgangsanzeige eines Boolschen Logiksignals AB durch ein XOR-Logikelement gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine experimentelle Anordnung zum Ausführen eines XOR-Logikelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 verdeutlicht eine Ausgangsanzeige eines Logiksignals eines XOR-Logikelements, welches bei 5 Gb/s gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM

Im nachfolgenden wird die Zusammensetzung und der Betrieb der vorliegenden Erfindung detailliert durch bevorzugte Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt das Basislogikkonzept eines XOR-Logikelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die XGM-Charakteristik optischer Halbleiterverstärker (SOA1, SOA2) ist durch Steuern eines Eingangsstromes, eines Licht- bzw. Beleuchtungssignals an den optischen Halbleiterverstärkern (SOA1, SOA2) einstellbar. Die XGM-Charakteristik wird durch Variieren der Lichtintensität des Pumpsignals erzielt, während ein gesteigerter Eingangsstrom bei einem festen Wert aufrechterhalten wird und ein Lichtsignal bei einer konstanten Lichtintensität vorgesehen wird.
Setzt man die obige Charakteristik ein, wird in dem ersten optischen Halbleiterverstärker (SOA1) das Signal A unter Einsatz des Signals B als Pumpsignal und Signal A als Lichtsignal moduliert, während in dem zweiten optischen Halbleiterverstärker (SOA2) das Signal B unter Einsatz des Signals A als Pumpsignal und des Signals B als Lichtsignal moduliert wird.
Auf das Summieren der zwei Ausgangssignale der optischen Halbleiterverstärker (SOA1, SOA2) hin ist ein XOR-Logikelement ausgeführt, in welchem ein Logikwert 1 ist, wenn nur eines der Signale A und B einen logischen Wert von 1 aufweist, und der Logikwert 0 ist, wenn die Signale A und B auf auf derüsdlben logischen Pegel liegen.
Detaillierter beschrieben, wenn das Pumpsignal an optischen Halbleiterverstärkern (SOA1, SOA2) mit hoher Lichtintensität vorgesehen wird, werden Träger in den optischen Halbleiterverstärkern erschöpft.
Wenn Lichtsignale zutreffend an die optischen Halbleiterverstärker (SOA1, SOA2) angelegt werden, tritt eine Verstärkungssättigung in den optischen Halbleiterverstärkern auf, da die Träger durch die Pumpsignale erschöpft sind und deshalb ist die Ausgabe eines Lichtsignals in seiner Lichtintensität graduell vermindert.
Als ein Ergebnis weist das Ausgangssignal den umgekehrten Wert des einfallenden Signals auf, welches die Daten repräsentiert.
Eine solche XGM-Charakteristik weist die Ausgaben, wie durch die Tabellen 1 und 2 dargestellt, für gegebene einfallende Signale A und B auf. Tabelle 1

Tabelle 2
Wenn auf den ersten optischen Halbleiterverstärker (SOA1) das Signal A als Licht- bzw. Beleuchtungssignal und das Signal B als Pumpsignal auftrifft, resultiert das Boolsche AB wie in Tabelle 1. Andererseits, wenn auf den zweiten optischen Halbleiterverstärker (SOA2) das Signal A als Pumpsignal und das Signal B als Licht- bzw. Beleuchtungssignal auftrifft, resultiert das Boolsche AB wie in Tabelle 2.
Deshalb, auf das Summieren der Ausgangssignale AB und AB hin ist ein XOR-Logikelement, welches den Ausgangswert von AB + AB, wie in Tabelle 3 dargestellt, realisierbar. Tabelle 3
Fig. 4 zeigt eine experimentelle Anordnung zum Ausführen des rein optischen XOR-Logikelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zunächst werden Pulssignale mit einem. Abstand von 800 ps unter dem Einsatz von Pulsen (10) von einem Faserringlaser und Pulserzeuger (14) erzeugt.
Die obigen Pulse werden einem 50 : 50 Koppler (12a) eingegeben und dann in zwei Teile aufgezweigt. Eines der aufgezweigten Signale wird durch eine optische Verzögerung (20a) gegeben und um 200 ps verzögert, und das andere Signal wird durch einen Dämpfer (16) und einen Polarisations-Controller (18a) gegeben. Die zwei Signale werden dann zum Generieren des Signals A summiert.
Das Signal A, welches das Muster 1100 (Eins-Eins-Null- Null) aufweist, wird wieder durch den Polarisations-Controller (18b) und die optische Verzögerung (20b) gegeben und um 600 ps verzögert, um das Signal B, welches das Muster 1001 aufweist, zu erzeugen.
Für den ersten optischen Halbleiterverstärker (SOA1) wird das Signal A als Licht- bzw. Beleuchtungssignal durch einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA1) und einen optischen Isolator (22b) eingegeben, und das Signal B als Pumpsignal wird durch einen optischen Isolator (22c) eingegeben.
Für den zweiten optischen Halbleiterverstärker (SOA2) wird das Signal A durch einen optischen Isolator (22a) als Pumpsignal eingegeben, das Signal B wird durch einen Erbiumdotierten Faserlaser (EDFA2) und einen optischen Isolator (22d) als Beleuchtungs- bzw. Lichtsignal eingegeben.
Der erste optische Halbleiterverstärker (SOA1) erzeugt ein Boolsches AB, wie in Fig. 2 dargestellt, und der zweite optische Halbleiterverstärker (SOA2) erzeugt ein Boolsches AB, wie in Fig. 3 dargestellt. Jetzt werden die zwei erzeugten Signale durch einen 50 : 50 Koppler (12b) zum Erzeugen des Ausgangssignals, gezeigt in Fig. 5, summiert, d. h. sichtbar gemacht durch ein Oszilloskop, welches mit dem Signalanalysator (24) verbunden ist.
Die detektierte Ausgabe stellt sich als identisch heraus zum Boolschen AB + AB, welches in der Logiktabelle von TABELLE 3 für ein rein optisches XOR-Logikelement dargestellt ist.
Fig. 5 verdeutlicht die Betriebscharakteristik des XOR- Logikelements, welche von dem Summieren der Ausgänge des ersten optischen Halbleiterverstärkers (SOA1) und dem zweiten optischen Halbleiterverstärker (SOA2) herrühren. Die Figur bestätigt, daß Signal A, welches das Muster 1100 aufweist, und Signal B, welches das Muster 1001 aufweist, zum Bilden des Ausgabesignals, welches das Muster 0101 aufweist, summiert werden.
Wenn man die Ausgabesignale betrachtet, wenn das Signal A eine logische 0 und das Signal B eine logische 1 ist, oder wenn Signal A eine logische 1 und Signal B eine logische 0 ist, wird das Ausgabesignal eine logische 1.
Wenn zwei Signale den gleichen logischen Wert aufweisen, mit anderen Worten, wenn beide Signale A und B entweder 0 oder 1 sind, weist das Ausgabesignal eine logische 0 auf.
Da dieses Ergebnis identisch mit dem von TABELLE 3 ist, wird die Charakteristik des XOR-Logikelements experimentell nachprüfbar erachtet.
Durch das vorgenannte Logikexperiment wurde jetzt verifiziert, daß ein rein optisches XOR-Logikelement betreibbar bei 5 GB/s entwickelt werden kann.
Das oben genannte rein optische XOR-Logikelement entlang mit anderen rein optischen Logikelementen ist unersetzlich beim Zusammensetzen eines large-scale-Computersystems, weil es ein Kernelement für Halbaddierer oder Volladdierer ist, welche die Basiselemente für logische Kalkulationen sind.
Deshalb, aufgrund der effizienten Integrationstechnik für Logikelemente, wie in der vorliegenden Erfindung, ist es möglich, all die Berechnungs- bzw. Computersysteme mit optischen Signalen zu steuern, ohne von elektrischen Signalen abhängig zu sein.
Wie im oben Genannten dargestellt, da ein rein optisches XOR-Logikelement unter Einsatz der XGM-Charakteristik optischer Halbleiterverstärker ausgeführt ist, ist das XOR-Logikelement gemäß der vorliegenden Erfindung stabiler und einfacher mit anderen logischen Elementen verbindbar im Vergleich zu anderen Elementen, welche auf optischen Fasern basieren. Außerdem, da keine Notwendigkeit zum Vorsehen eines Taktsignals oder CW-Lichts vorliegt, ist es günstiger in der Größe und der Geschwindigkeitsbegrenzung von Logikelementen.
Obwohl die vorliegende Erfindung entlang mit den begleitenden Zeichnungen beschrieben wurde, verdeutlicht dies lediglich bevorzugte Ausführungsformen, begrenzt jedoch nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung. Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß verschiedene Modifikationen getätigt werden können, ohne den Geist und Bereich der vorliegenden Erfindung, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Ausführen eines rein optischen XOR-Logikelements, welches optische Halbleiterverstärker einsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß es die Betriebscharakteristik eines rein optischen XOR-Logikelements erzielt durch
gleichzeitiges Eingeben eines Pumpsignals und Licht- bzw. Beleuchtungssignals in zwei optische Halbleiterverstärker; und dann
Summieren zweier Ausgangssignale, welche eine crossgain-Modulationscharakteristik (XGM) aufweisen, welche von der Verstärkungssättigung und Wellenlängenumwandlung des optischen Halbleiterverstärkers herrührt.

2. Verfahren zum Ausführen eines rein optischen XOR-Logikelements näh Ansprüch 1, welches optische Halbleiterverstärker einsetzt, wobei das Pumpsignal mit einer optischen Intensität derart eintritt, daß Träger durch das Pumpsignal erschöpft werden, welches in einer Verstärkungssättigung resultiert, in welcher das optische Signal des Beleuchtungs- bzw. Lichtsignals vermindert wird, wobei Signale mit einer XGM-Charakteristik erzeugt werden.

3. Verfahren zum Ausführen eines rein optischen XOR-Logikelements nach Anspruch 1, welches optische Halbleiterverstärker einsetzt, wobei das Licht- bzw. Beleuchtungssignal, welches an einem der optischen Halbleiterverstärker eintritt, ein Pumpsignal für den anderen optischen Halbleiterverstärker wird, während das Pumpsignal des einen optischen Halbleiterverstärkers das Licht- bzw. Beleuchtungssignal des anderen optischen Halbleiterverstärkers wird.

4. Verfahren zum Ausführen eines rein optischen XOR-Logikelements nach Anspruch 3, welches optische Halbleiterverstärker einsetzt, wobei das an einem der optischen Halbleiterverstärker eintretende Beleuchtungs- bzw. Lichtsignal derart vorgesehen wird, daß:
ein Pulssignal unter Einsatz eines optischen Faserringlasers und Pulsgenerators erzeugt wird;
das Pulssignal in einem Koppler gekoppelt und dann in zwei Teile aufgezweigt wird; und
ein Teil um eine bestimmte Zeit verzögert wird und dann mit dem anderen Teil summiert wird.

5. Verfahren zum Ausführen eines rein optischen XOR-Logikelements nach Anspruch 3 oder 4, welches optische Halbleiterverstärker einsetzt, wobei ein an einem der optischen Halbleiterverstärker eintretendes Beleuchtungs- bzw. Lichtsignal um eine gewisse Zeit verzögert wird und dann als Pumpsignal an dem anderen optischen Halbleiterverstärker vorgesehen wird.

6. Verfahren zum Ausführen eines rein optischen XOR-Logikelements, welches optische Halbleiterverstärker einsetzt, und die Notwendigkeit eines zusätzlichen Strahls aus einem Taktsignal oder Licht mit einer kontinuierlichen Welle (CW) eliminiert.