KR100537039B1 - Realization method of All-Optical AND logical device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 광증폭기의 이득포화현상 특성을 가지는 인버터 원리를 이용하여 전광 AND 논리소자를 구현하는 방법에 관한 것으로서, 하나의 반도체 광증폭기(SOA2)에는 일정한 주기의 클락신호(CLOCK)가 제1 조사신호로서 제1 펌프신호()와 함께 입사되어 이득변조된 출력값(부울리안 )이 얻어지고, 다른 하나의 반도체 광증폭기(SOA1)에는 제2 조사신호()와 함께 상기 이득변조된 출력값(부울리안 )이 제2 펌프신호로서 입사되어 AND 신호()가 얻어지는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for implementing an all-optical AND logic device using an inverter principle having gain saturation characteristics of a semiconductor optical amplifier. In one semiconductor optical amplifier (SOA2), a clock signal (CLOCK) having a predetermined period is applied to a first optical amplifier (SOA2). As the irradiation signal, the first pump signal ( Gain-modulated output (Boolean) with ) Is obtained, and the second irradiation signal (A) is applied to the other semiconductor optical amplifier SOA1. And the gain modulated output value (bool) ) Is incident as the second pump signal so that the AND signal ( ) Is obtained.
Description
본 발명은 광컴퓨팅과 같은 광회로의 임의의 지점에서 전송되는 신호를 펌프신호와 조사신호로 이용하여 전광 논리동작을 하는 전광 논리소자에 관한 것으로서, 특히 반도체 광증폭기(semiconductor optical amplifier: SOA)의 이득포화현상 특성을 가지는 인버터 원리를 이용하여 전광 AND 논리소자(all-optical ＡＮＤ logical deice)를 구현하는 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an all-optical logic device that performs an all-optical logic operation using a signal transmitted from an arbitrary point of an optical circuit such as optical computing as a pump signal and an irradiation signal. The present invention relates to a method for implementing an all-optical AND logical device using an inverter principle having gain saturation characteristics.
최근의 경향을 살펴보면, 논리 시스템의 고속화와 대용량화에 대한 요구는 기하급수적으로 증가하고 있는 실정이다. 그러나, 현재 많은 논리 시스템들은 대부분 실리콘 물질, 즉 전기 신호에 기반을 두고 있기 때문에 속도와 정보처리 용량에 큰 제한이 따를 것으로 예상된다. Looking at the recent trend, the demand for high-speed and high-capacity logic systems is growing exponentially. However, at present, many logic systems are based on silicon materials, that is, electrical signals, and are expected to place significant limitations on speed and information processing capacity.
일반적으로, 논리 시스템은 단일 광 논리소자인 AND, OR, XOR, NAND, NOR, NXOR 등을 집적하는 방법을 통해 구성되는데, 광을 이용한 논리 시스템도 예외가 될 수 없다. In general, a logic system is configured through a method of integrating a single optical logic device AND, OR, XOR, NAND, NOR, NXOR, etc., a logic system using light is no exception.
최근에는 반도체 광증폭기의 four-wave mixing (FWM)을 이용한 AND 논리소자[D. Nesset, M. C. Tatham and D. Cotter, All-optical AND gate operating on 10 Gbit/s signals at the same wavelength using four-wave mixing in a semiconductor laser amplifier, Electron. Lett., Vol. 31, No. 11, pp. 896-897, 1995], nonlinear optical loop mirror(NOLM)을 이용한 AND 논리소자[B.-E. Olsson and P. A. Andrekson, Polarization-independent all-optical AND-gate using randomly birefringent fiber in a nonlinear optical loop mirror, in Optical Fiber Communications 1998, pp. 375-376], 전광 흡수변조기(electroabsorption modulator: EAM)를 이용한 AND 논리소자[E. S. Awad, P. Cho and J. Goldhar, High-Speed all-Optical AND gate using nonlinear transmission of electroabsorption modulator, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 13, No. 5, pp. 472-474, 2001], cross-phase modulation(XPM) 파장변환기 (wavelength converter)를 이용한 AND 논리소자[B. K. Kang, J. H. Kim, Y. T. Byun, S. Lee, Y. M. Jhon, D. H. Woo, J. S. Yang, S. H. Kim, Y. H. Park and B. G. Yu, All-optical AND gate using probe and pump signals as the multiple binary points in cross phase modulation, Japan Journal of Applied Physics, Vol. 41, No. 5A, pp. L568 - L570, 2002] 등 많은 연구들이 AND 논리소자의 개발에 집중되어 있다. 이와같은 AND 논리소자의 응용분야는 무수히 많지만, 그중 대표적인 것은 반가산기, 전가산기, 그리고 MUX/DEMUX 등의 연산 분야 및 전송 데이터 변환 및 switching 등의 통신 분야를 들 수 있다.Recently, an AND logic element using four-wave mixing (FWM) of a semiconductor optical amplifier [D. Nesset, MC Tatham and D. Cotter, All-optical AND gate operating on 10 Gbit / s signals at the same wavelength using four-wave mixing in a semiconductor laser amplifier, Electron. Lett. , Vol. 31, No. 11, pp. 896-897, 1995], AND logic elements using nonlinear optical loop mirrors (NOLM) [B.-E. Olsson and PA Andrekson, Polarization-independent all-optical AND-gate using randomly birefringent fiber in a nonlinear optical loop mirror, in Optical Fiber Communications 1998, pp. 375-376], AND logic element using electroabsorption modulator (EAM) [ES Awad, P. Cho and J. Goldhar, High-Speed all-Optical AND gate using nonlinear transmission of electroabsorption modulator, IEEE Photon. Technol. Lett. , Vol. 13, No. 5, pp. 472-474, 2001], AND logic element using cross-phase modulation (XPM) wavelength converter [BK Kang, JH Kim, YT Byun, S. Lee, YM Jhon, DH Woo, JS Yang, SH Kim , YH Park and BG Yu, All-optical AND gate using probe and pump signals as the multiple binary points in cross phase modulation, Japan Journal of Applied Physics , Vol. 41, No. 5A, pp. L568-L570, 2002] and many other studies have focused on the development of AND logic devices. There are numerous applications of such AND logic elements, but typical ones include semi-adders, full adders, and computational fields such as MUX / DEMUX and communication fields such as transmission data conversion and switching.
앞서 언급한 NOLM을 이용한 AND 논리소자의 경우에는 광섬유(fiber)를 이용하고 있기 때문에 높은 동작속도를 제공한다는 장점을 가지지만, 핵심 구성요소가 광섬유이기 때문에 다른 소자와의 집적이 어려우므로 고집적화를 요구하는 광연산 시스템에 적용하기가 힘들다. 반면에, 단일 반도체 광증폭기를 이용하는 방식의 광 논리소자들은 안정적이고, 시스템의 규모가 작으며, 다른 광소자와의 결합이 용이할 뿐만 아니라 편광과 파장의 무의존성이 가능하다는 장점들을 가진다(T. Fjelde, D. Wolfson, A. Kloch, B. Dagens, A. Coquelin, I. Guillemot, F. Gaborit, F. Poingt, and M. Renaud, Demonstration of 20 Gbit/s all-optical logic XOR in integrated SOA-based interferometric wavelength converter, Electron. Lett., Vol. 36, No. 22, pp. 1863-1864, 2000).The above-mentioned AND logic element using NOLM has the advantage of providing high operation speed because it uses fiber, but since the core component is optical fiber, it is difficult to integrate with other elements, requiring high integration It is difficult to apply to optical operation system. On the other hand, optical logic devices using a single semiconductor optical amplifier have the advantages of being stable, small in size, easy to combine with other optical devices, and independent of polarization and wavelength (T). Fjelde, D. Wolfson, A. Kloch, B. Dagens, A. Coquelin, I. Guillemot, F. Gaborit, F. Poingt, and M. Renaud, Demonstration of 20 Gbit / s all-optical logic XOR in integrated SOA -based interferometric wavelength converter, Electron. Lett. , Vol. 36, No. 22, pp. 1863-1864, 2000).
한편, FWM 또는 XPM 파장변환기를 이용한 AND 논리소자는 반도체 광증폭기를 이용하고 있다. 그러나, 반도체 광증폭기의 FWM 방식을 이용한 AND 논리소자는 편광(polarization) 의존도가 매우 크다는 단점을 가진다. 또한, XPM 파장변환기를 이용한 AND 논리소자는 다수개의 반도체 광증폭기를 필요로 하기 때문에 제작공정이 매우 복잡하고, 결과적으로 대량 생산에 제약이 따르게 되고 제작 비용도 상승한다는 단점을 가진다. On the other hand, the AND logic element using the FWM or XPM wavelength converter uses a semiconductor optical amplifier. However, the AND logic device using the FWM method of the semiconductor optical amplifier has a disadvantage that the polarization dependence is very large. In addition, the AND logic element using the XPM wavelength converter requires a large number of semiconductor optical amplifiers, so that the manufacturing process is very complicated, and as a result, mass production is restricted and manufacturing costs are increased.
상술한 문제점을 해결하고 종래의 전광 논리소자 구현을 일반화하기 위하여, 본 발명은 반도체 광증폭기의 이득포화 특성을 이용하여 전광 AND 논리소자를 구현하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above-mentioned problems and generalize the conventional all-optical logic device, an object of the present invention is to implement an all-optical AND logic device using gain saturation characteristics of a semiconductor optical amplifier.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 두개의 반도체 광증폭기(SOA1, SOA2)에 펌프신호와 조사신호를 함께 입사시켜 상기 반도체 광증폭기의 이득포화와 파장변환에 의해 생기는 인버터 특성의 출력을 이용하여 전광 AND 논리소자를 구현하는 방법에 있어서, 상기 두개의 반도체 광증폭기(SOA1, SOA2)중 하나의 반도체 광증폭기(SOA2)에는 일정한 주기의 클락신호(CLOCK)가 제1 조사신호로서 제1 펌프신호()와 함께 입사되어 이득변조된 출력값(부울리안 )이 얻어지고, 다른 하나의 반도체 광증폭기(SOA1)에는 제2 조사신호()와 함께 상기 이득변조된 출력값(부울리안 )이 제2 펌프신호로서 입사되어 AND 신호()가 얻어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention utilizes the output of the inverter characteristics generated by gain saturation and wavelength conversion of the semiconductor optical amplifier by injecting the pump signal and the irradiation signal into the two semiconductor optical amplifiers (SOA1, SOA2) together. In the method of implementing an all-optical AND logic device, a clock signal CLOCK having a constant period is applied to one semiconductor optical amplifier SOA2 of the two semiconductor optical amplifiers SOA1 and SOA2 as a first irradiation signal. signal( Gain-modulated output (Boolean) with ) Is obtained, and the second irradiation signal (A) is applied to the other semiconductor optical amplifier SOA1. And the gain modulated output value (bool) ) Is incident as the second pump signal so that the AND signal ( ) Is obtained.
본 발명에서는 반도체 광증폭기의 이득포화현상 특성을 가지는 인버터 원리를 이용하고 있는데, 인버터의 원리에 대해 개략적으로 살펴보면 다음과 같다. In the present invention, an inverter principle having gain saturation characteristics of a semiconductor optical amplifier is used. The principle of the inverter will be described as follows.
높은 광세기를 가지는 펌프(Pump) 신호가 반도체 광증폭기로 입사되면, 반도체 광증폭기는 운반자 고갈(carrier depletion) 현상을 겪게 된다. 따라서, 일정한 주기의 펄스(pulse) 형태인 조사(probe) 신호가 반도체 광증폭기내에 운반자 고갈에 의한 이득 변조(gain modulation)와 동일하게 변조되어 출력되며, 그결과 출력 신호는 입력 펌프 신호의 반대 논리를 갖는다. 하지만, 펄스 형태의 신호를 사용할 때에는 펄스의 크기차가 크기 때문에 펄스 신호가 없을 때에는 출력되는 신호의 파워가 아주 작다. 따라서, 조사 신호의 펄스 신호가 없을 때에는 펌프 신호와 관계없이 출력 신호는 0이 된다. When a pump signal having a high light intensity enters the semiconductor optical amplifier, the semiconductor optical amplifier is subjected to carrier depletion. Thus, a probe signal in the form of a pulse of a constant period is modulated and output in the semiconductor optical amplifier in the same way as gain modulation by carrier depletion, so that the output signal is the opposite logic of the input pump signal. Has However, when the pulse type signal is used, the power of the output signal is very small when there is no pulse signal because the magnitude difference of the pulse is large. Therefore, when there is no pulse signal of the irradiation signal, the output signal becomes zero regardless of the pump signal.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 전광 AND 논리소자의 기본 개념도이다.1 is a basic conceptual diagram of an all-optical AND logic device according to the present invention.
먼저, 클락 신호와 신호를 반도체 광증폭기(SOA2)에 동시에 입사시키면 신호의 이득 변조된 부울리안(Boolean) 을 얻을 수 있다.First, the clock signal When the signal is incident on the semiconductor optical amplifier (SOA2) at the same time Gain-Modulated Boolean of Signal Can be obtained.
또한, 인버터 구현에 필요한 조사 신호로 사용된 일정한 주기의 클락 신호를 신호로 대체한후 펌프 신호인 신호와 같이 반도체 광증폭기(SOA1)에 입사시키면 부울리안 을 얻을 수 있다.In addition, the clock signal of a certain period used as the irradiation signal for the inverter implementation Signal to the pump signal When a signal is incident on the semiconductor optical amplifier SOA1 as a signal, it is a Boolean. Can be obtained.
반도체 광증폭기(SOA1)의 간단한 수식 형태인 부울리안 에 대신 반도체 광증폭기(SOA2)의 출력 값인 부울리안 으로 대체하면 가 얻어진다. 이것은 AND 논리소자의 부울리안 값과 일치하므로, 전광 AND 논리소자가 반도체 광증폭기를 이용하여 구현됨을 알 수 있다.Boolean, a simple mathematical form of a semiconductor optical amplifier (SOA1) on Instead, a Boolean, the output of the semiconductor optical amplifier (SOA2). If you substitute Is obtained. Since this coincides with the Boolean value of the AND logic element, it can be seen that the all-optical AND logic element is implemented using a semiconductor optical amplifier.
도 2는 도 1의 전광 AND 논리소자를 구현하기 위한 실험 장치도이다.FIG. 2 is an experimental diagram for implementing the all-optical AND logic device of FIG. 1.
먼저, 모드잠김 광섬유 링레이저(Mode-locked fiber ring laser)(10)와 펄스발생기(Pulse generator)(14)를 이용하여 약 400 ps의 주기를 가지는 2.5 GHz의 펄스 신호를 만든다. 이때, 생성되는 펄스의 폭은 대략 38ps 정도이다. 상기 과정으로 생성된 펄스 신호를 50:50 광섬유결합기(Coupler)(12a)에 입사하여 나누어 주고, 나누어진 일측의 신호를 광지연기(Optical delay)(20a)를 통해 약 100 ps 만큼 지연시키고 타측의 신호를 광감쇄기(Attenuator)(16a)와 편광 제어기(Polarization controller)(18a)를 통과시킨다. 그리고, 시간지연이 주어진 신호와 그렇지 않은 신호를 같이 합쳐서 10 Gb/s에서 1100 패턴을 가지는 신호를 만든다.First, a 2.5 GHz pulse signal having a period of about 400 ps is generated using a mode-locked fiber ring laser 10 and a pulse generator 14. At this time, the width of the generated pulse is about 38ps. The pulse signal generated by the above process is incident on the 50:50 optical fiber coupler (Coupler) 12a and divided, and the divided signal is delayed by about 100 ps through the optical delay 20a and the other side is The signal is passed through an attenuator 16a and a polarization controller 18a. In addition, the signal with the time delay and the signal without the other is added together to have a pattern of 1100 at 10 Gb / s. Make a signal.
또한, 상기 1100 패턴을 가지는 신호를 광지연기(20b)를 통해 약 100 ps 만큼 시간지연을 주어 0110 패턴을 가지는 신호를 만든다.In addition, having the 1100 pattern The signal is delayed by about 100 ps through the optical delay unit 20b, and has a 0110 pattern. Make a signal.
그리고, 상기 신호를 50:50 광섬유결합기(12b)에 입사하여 나누어 주고, 나누어진 일측의 신호를 광지연기(20c)를 통해 약 100 ps 만큼 지연시키고 타측의 신호를 편광 제어기(18b)와 광감쇄기(16b)를 통과시킨후 다시 합쳐서 약 200 ps 만큼 시간지연된 1111 패턴을 가지는 클락 신호(CLOCK)를 얻는다.And the above The signal is incident on the 50:50 optical fiber coupler 12b and divided, and the divided signal is delayed by about 100 ps through the optical delay 20c, and the other signal is delayed by the polarization controller 18b and the optical attenuator 16b. Pass through and add again to get a clock signal (CLOCK) with a 1111 pattern delayed by about 200 ps.
다음에, 반도체 광증폭기(SOA2)에는 상기 클락 신호(CLOCK)가 조사 신호로서 입사되고, 신호가 어븀첨가 광섬유증폭기(EDFA1)와 써큘레이터(Circulator)(22a)를 통해 펌프 신호로서 입사된다. 이때, 신호의 이득 변조된 1001 패턴을 가지는 부울리안 신호를 얻을 수 있다.Next, the clock signal CLOCK is incident on the semiconductor optical amplifier SOA2 as an irradiation signal. The signal is incident as a pump signal through the erbium-doped fiber amplifier EDFA1 and the circulator 22a. At this time, Boolean with signal-modulated 1001 pattern of signal You can get a signal.
다음에, 반도체 광증폭기(SOA1)에는 신호가 조사신호로서 입사되고, 신호가 어븀첨가 광섬유증폭기(EDFA2)와 써큘레이터(Circulator)(22b)를 통해 펌프 신호로 입사된다. 일반적으로, 신호가 펌프 신호로 사용되어 조사 신호인 신호와 같이 반도체 광증폭기로 입사되면 부울리안 이 얻어지므로, 신호가 펌프 신호로 반도체 광증폭기(SOA1)로 입사되어 , 즉 AND 신호가 얻어짐을 신호 분석기(24)를 통해 알 수 있다.Next, in the semiconductor optical amplifier SOA1, A signal is incident as an irradiation signal, The signal is incident as a pump signal through the erbium-doped fiber amplifier EDFA2 and the circulator 22b. Generally, Signal is used as a pump signal Boolean when incident on a semiconductor optical amplifier like a signal Is obtained, Signal enters the semiconductor optical amplifier SOA1 as a pump signal In other words, it can be seen through the signal analyzer 24 that an AND signal is obtained.
도 3은 도 2에 따른 실험결과를 보여주는 신호 파형도로서, 입력 신호인 , , 이득 전환된 신호 및 출력 신호인 AND 신호를 보여준다.3 is a signal waveform diagram showing the results of the experiment according to FIG. , Switched, gain The AND signal, which is a signal and an output signal, is shown.
도 3에서, 1100 패턴을 가지는 신호와 0110 패턴을 가지는 신호를 가산하면 0100의 패턴을 가지는 신호가 출력됨을 알 수 있다. 상기 출력 신호를 보면, 신호와 신호 모두 논리 1일 때 출력 신호는 논리 1을 가지며, 그 외에는 모두 출력 신호가 논리 0을 가진다.In Figure 3, having a 1100 pattern With signal and 0110 pattern If the signals are added, it can be seen that a signal having a pattern of 0100 is output. Looking at the output signal, Signal and When the signals are all logic 1, the output signal has logic 1, and all other output signals have logic 0.
이와 같은 결과는 부울리안 AND 특성과 일치하므로 AND 논리소자의 특성이 실험적으로 입증된 것임을 알 수 있다. This result is consistent with the Boolean AND characteristic, indicating that the characteristic of the AND logic element is experimentally proven.
상기 전광 AND 논리소자는 다른 단일 광 논리소자들과 함께 규모가 큰 논리시스템을 구성할 때 빼놓을 수 없는 논리소자로서, 논리계산의 기본인 반가산기나 전가산기의 핵심소자이다. 따라서, 본 발명에서처럼 효율적인 논리소자들의 집적기술 개발로 전기신호에 의존하지 않고 광신호 만으로 모든 논리시스템의 제어가 가능하게 될 것이다.The all-optical AND logic element, which is indispensable when constructing a large-scale logic system together with other single optical logic elements, is a core element of a half adder or full adder, which is the basis of logic calculation. Therefore, as in the present invention, the development of efficient logic device integration technology enables the control of all logic systems using only optical signals without relying on electrical signals.
본 발명에 의하면, 반도체 광증폭기의 인버터 원리를 이용하여 전광 AND 논리소자를 구현하기 때문에 다른 단일 광 논리소자들(OR, NAND, NOR, XOR, NXOR)과의 집적이 용이하며, 모든 논리계산의 기본인 반가산기 또는 전가산기의 핵심소자로서 거의 모든 논리시스템에 적용가능하다. According to the present invention, since the all-optical AND logic element is implemented using the inverter principle of the semiconductor optical amplifier, integration with other single optical logic elements (OR, NAND, NOR, XOR, NXOR) is easy, and all logic calculations are performed. It is the core element of the basic half adder or full adder and can be applied to almost all logic systems.
도 1은 본 발명에 따른 전광 AND 논리소자의 기본 개념도이다.1 is a basic conceptual diagram of an all-optical AND logic device according to the present invention.
도 2는 도 1의 전광 AND 논리소자를 구현하기 위한 실험 장치도이다.FIG. 2 is an experimental diagram for implementing the all-optical AND logic device of FIG. 1.
도 3은 도 2의 실험결과를 보여주는 신호 파형도이다.3 is a signal waveform diagram showing an experimental result of FIG. 2.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※
SOA1, SOA2 : 반도체 광증폭기 10 : 모드잠김 광섬유 링레이저SOA1, SOA2: Semiconductor optical amplifier 10: Mode locked fiber optic ring laser
14 : 펄스발생기 16a, 16b : 광감쇄기14 pulse generator 16a, 16b optical attenuator
18a, 18b : 편광 제어기 20a, 20b, 20c : 광지연기18a, 18b: polarization controller 20a, 20b, 20c: optical delay
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Family Applications (1)
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