RU2062497C1

RU2062497C1 - Optical logic gate

Info

Publication number: RU2062497C1
Application number: RU93008936A
Authority: RU
Inventors: Владимир Павлович Торчигин
Original assignee: Владимир Павлович Торчигин
Priority date: 1993-02-17
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 1996-06-20

Abstract

FIELD: computer engineering. SUBSTANCE: specific features of interaction of light signals inside waveguide are used of parametric ravelling-wave amplifier, at which pumping radiation energy, which is used as feed, changes gradually along waveguide to signal energy. In this case, pumping is transmitted from output of one travelling-wave amplifier to input of the other through bandpass filter, which transmits radiation at pumping frequency only, does not cause amplification of signals, which are applied to the other travelling-wave amplifier. Number of input logic signals A, B and C and number of outputs are equal to number of travelling-wave amplifiers. Output signals X, Y and Z... correspond to logic functions X=A, Y=AB, Z=ABC and so on. Gate has functional completeness. Logic operation may conduct simultaneously not only for single set of input signals, but multiple sets being different in wavelengths. EFFECT: improved quality of data processing. 5 dwg

Description

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при создании исполнительных устройств оптических суперкомпьютеров. The invention relates to computer technology and can be used to create actuators of optical supercomputers.

Известно достаточно много типов полностью оптических логических элементов (ОЛЭ), в которых входные и выходные сигналы представлены световыми импульсами [1,2] При этом используются самые различные физические явления, однако во всех ОЛЭ должна присутствовать нелинейная оптическая среда, параметры которой зависят от распространяющегося по ней света. There are many types of fully optical logic elements (OLE) in which the input and output signals are represented by light pulses [1,2]. A variety of physical phenomena are used, however, in all OLE there must be a nonlinear optical medium, the parameters of which depend on the her light.

Во многих применениях по одному оптическому каналу одновременно передается несколько оптических сигналов A(ω₁₁),A(ω₁₂),...,A(ω_1n), различающихся по длинам волн. При этом имеется необходимость одновременного выполнения логических операций над всеми операндами, поступающими по нескольким таким каналам. Например, если по 1-му и 2-му каналам поступают операнды A(ω₁₁),A(ω₁₂),...,A(ω_1n) и B(ω₁₁),B(ω₁₂),...,B(ω_1n), то в выходном канале ОЛЭ должны получиться результаты X(ω₁₁),X(ω₁₂),...,X(ω_1n), для которых справедливо соотношение X(ω_1i) = A(ω_1i) @ B(ω_1i) (i 1, 2 n), где значок @ oзначает некоторую логическую функцию от двух переменных.In many applications, several optical signals A (ω ₁₁ ), A (ω ₁₂ ), ..., A (ω _1n ), differing in wavelengths, are simultaneously transmitted through one optical channel. At the same time, there is a need to simultaneously perform logical operations on all operands arriving on several such channels. For example, if the operands A (ω ₁₁ ), A (ω ₁₂ ), ..., A (ω _1n ) and B (ω ₁₁ ), B (ω ₁₂ ), come through the 1st and 2nd channels. ., B (ω _1n ), then in the output channel OLE you should get the results X (ω ₁₁ ), X (ω ₁₂ ), ..., X (ω _1n ) for which the relation X (ω _1i ) = A ( ω _1i ) @ B (ω _1i ) (i 1, 2 n), where the @ sign denotes some logical function of two variables.

Оптических логических элементов, обеспечивающих решение такой задачи, неизвестно. Объясняется это тем, что во всех известных ОЛЭ порядка изменение параметров оптической среды пропорционально общей интенсивности света. В рассматриваемом случае такое изменение пропорционально количеству присутствующих в данное время импульсов с paзличными длинами волн. Это обстоятельство ведет к взаимосвязи сигналов с различными длинами волн, так как взаимодействие сигналов, имеющих некоторую длину волны, определяется не только этими сигналами, изменяющими параметры нелинейной среды, в которой происходит взаимодействие, но и другими одновременно присутствующими сигналами с другими длинами волн, также изменяющими параметры нелинейной среды. Такая взаимосвязь отсутствует в рассматриваемых ОЛЭ. The optical logical elements providing a solution to such a problem are unknown. This is explained by the fact that in all known OLE orders, the change in the parameters of the optical medium is proportional to the total light intensity. In the case under consideration, such a change is proportional to the number of pulses present at different times with different wavelengths. This circumstance leads to the interconnection of signals with different wavelengths, since the interaction of signals having a certain wavelength is determined not only by these signals, which change the parameters of the nonlinear medium in which the interaction takes place, but also by other simultaneously present signals with other wavelengths that also change nonlinear medium parameters. Such a relationship is absent in the considered OLE.

В качестве прототипа используется ОЛЭ на основе явления вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в волоконных световодах (ВС) [3] В этом случае осуществляется взаимодействие сигнала накачки P_н с сигналом P_s на стоксовой частоте, отличающейся на несколько процентов от частоты накачки. Сходство предлагаемого ОЛЭ с прототипом в том, что в обоих случаях сигнал и накачка имеют разные частоты и накачка в присутствии сигнала уменьшается до нуля на выходе элемента. Однако в прототипе отсутствует возможность одновременной обработки нескольких сигналов с разными несущими, так как сдвиг стоксовой частоты относительно частоты накачки определяется параметрами используемого ВС и одинаков для накачек с различными несущими, которые используются в предлагаемом ОЛЭ. Это приводит к тому, что такие накачки возбуждают в ВС относительно низкочастотные колебания с одинаковыми частотами, которые взаимодействуют между собой. В конечном счете это приводит к тому, что стоксовы сигналы с различными несущими в присутствии нескольких накачек оказываются связанными между собой и, следовательно, имеет место влияние одного комплекта входных сигналов на другой.An OLE based on the phenomenon of stimulated Raman scattering (SRS) in optical fibers (VS) is used as a prototype [3] In this case, the pump signal P _n interacts with the signal P _s at the Stokes frequency, which differs by several percent from the pump frequency. The similarity of the proposed OLE with the prototype is that in both cases the signal and pump have different frequencies and the pump in the presence of a signal decreases to zero at the output of the element. However, in the prototype there is no possibility of simultaneous processing of several signals with different carriers, since the shift of the Stokes frequency relative to the pump frequency is determined by the parameters of the used aircraft and is the same for pumps with different carriers that are used in the proposed OLE. This leads to the fact that such pumping excites relatively low-frequency oscillations in the BC with the same frequencies that interact with each other. Ultimately, this leads to the fact that Stokes signals with different carriers in the presence of several pumps are interconnected and, therefore, there is an effect of one set of input signals on another.

Прототипом селектора оптических сигналов по длинам волн является перестраиваемый по частоте при изменении напряжения смещения полупроводниковый одночастотный лазер с распределенными брегговскими отражателями, работающий в недовозбужденном режиме как регенеративный усилитель [4] Недостатками такого селектора, устраняемыми в предлагаемом селекторе, являются аналоговое управление селектируемой длиной волны и невозможность одновременной селекции нескольких сигналов с различными длинами волн. A prototype of an optical signal selector by wavelength is a frequency-tunable semiconductor single-frequency laser with distributed Bragg reflectors operating in a non-excited mode as a regenerative amplifier [4] The disadvantages of such a selector eliminated in the proposed selector are analog control of the selectable wavelength and impossibility simultaneous selection of several signals with different wavelengths.

Техническая задача изобретения обеспечить независимую обработку различных комплектов входных сигналов, отличающихся по длинам волн. Как побочный эффект предлагаемый ОЛЭ позволяет по сравнению с прототипом значительно уменьшить мощность взаимодействующих импульсов, резко сократить длину используемых световодов, так чтобы они могли изготавливаться интегрально-оптическими методами, существенно уменьшить минимально возможную длительность обрабатываемых импульсов. The technical task of the invention to provide independent processing of various sets of input signals that differ in wavelengths. As a side effect, the proposed OLE allows, in comparison with the prototype, to significantly reduce the power of interacting pulses, to drastically reduce the length of the used optical fibers, so that they can be fabricated by integrated optical methods, and to significantly reduce the minimum possible duration of the processed pulses.

Сущность изобретения состоит в следующем. Используются особенности взаимодействия между накачкой и сигналом в световодном интегрально-оптическом параметрическом усилителе бегущей волны (ПУБВ), работающем в режиме преобразования частоты вниз. В результате такого взаимодействия мощность сигнала усиливается, а мощность накачки ослабевает независимо от фазы вводимого сигнала. При выполнении условий фазового синхронизма, то есть при сохранении требуемых фазовых соотношений между сигналом, накачкой и возникающим при этом сигналом на разностной частоте при совместном распространении их по световоду, мощность накачки на некоторой длине практически полностью перейдет в мощности сигналов на основной и разностной частотах. The invention consists in the following. The features of the interaction between the pump and the signal are used in the optical waveguide integrated optical parametric traveling wave amplifier (PWBW) operating in the frequency down conversion mode. As a result of this interaction, the signal power is amplified, and the pump power decreases, regardless of the phase of the input signal. When the phase-matching conditions are met, that is, while maintaining the required phase relations between the signal, the pump, and the resulting signal at the difference frequency when they are distributed along the fiber, the pump power over a certain length will almost completely transfer to the signal power at the fundamental and difference frequencies.

Если сигнал на входе ПУБВ отсутствует, то такое взаимодействие также отсутствует и на выходе световода, мощность накачки отлична от нуля. Таким образом, предлагаемый ПУБВ по отношению к мощности накачки, так же как и прототип, выполняет функции инвертора. If there is no signal at the input of the PUBV, then this interaction is also absent at the output of the fiber, the pump power is nonzero. Thus, the proposed PUBV in relation to the pump power, as well as the prototype, performs the functions of an inverter.

Для выполнения условий фазового синхронизма в ПУБВ предлагается использовать известный метод квазисогласования, разработанный для генераторов второй гармоники (ГВГ) [5-7] Использование этого метода предоставляет уникальную возможность путем выбора соответствующей частоты накачки обеспечить взаимодействие сигналов только с определенной несущей. Сигналы с другими несущими при этом не взаимодействуют между собой. Чтобы одновременно получить взаимодействие сигналов с некоторой другой несущей (несущими), необходимо одновременно подать накачку с соответствующей другой несущей (несущими). Таким образом, подавая накачки с соответствующими несущими, можно обеспечить взаимодействие заданных комплектов сигналов. To fulfill the phase-matching conditions in the PUBV, it is proposed to use the well-known quasi-matching method developed for second-harmonic generators (SHG) [5-7]. Using this method provides a unique opportunity to ensure that the signals interact only with a specific carrier by choosing the appropriate pump frequency. Signals with other carriers do not interact with each other. In order to simultaneously obtain the interaction of signals with some other carrier (carriers), it is necessary to simultaneously pump with the corresponding other carrier (carriers). Thus, by pumping with the corresponding carriers, it is possible to ensure the interaction of the given sets of signals.

На фиг. 1 показана общая схема предлагаемого ОЛЭ, состоящего из канального световода 1 в электрооптическом материале и направленных ответвителей (НО) 2, имеющих нулевой перекрестный коэффициент передачи на частоте накачки ω₃ и единичный на частотах ω₁ и ω₂ = ω₃ - ω₁. Эти НО, которые одновременно выступают в виде фильтров низких частот, предназначены для ввода и вывода сигналов в/из ПУБВ. Брегговские отражатели 3 выполняют функции заграждающих фильтров. Они не пропускают через себя сигналы с несущими ω₁ и ω₂. ПУБВ 4, 5, 6 образованы отрезками световода 1. Входные логические сигналы с несущей ω₁ поступают на входы A, B, C, выходные сигналы с несущими ω₁ и ω₂ снимаются с выходов X, Y.In FIG. Figure 1 shows the general scheme of the proposed OLE, consisting of a channel fiber 1 in electro-optical material and directional couplers (BUT) 2 having zero cross-section coefficient of transfer at the pump frequency ω ₃ and unity at frequencies ω ₁ and ω ₂ = ω ₃ - ω ₁ . These BUTs, which simultaneously act as low-pass filters, are designed to input and output signals to / from the PUBV. Bragg reflectors 3 perform the functions of obstruction filters. They do not pass signals with carriers ω ₁ and ω ₂ through themselves. PUBV 4, 5, 6 are formed by segments of the optical fiber 1. The input logical signals from the carrier ω ₁ are fed to the inputs A, B, C, the output signals from the carriers ω ₁ and ω ₂ are removed from the outputs X, Y.

На фиг. 2 показан 2-й вариант реализации предлагаемого ОЛЭ. Ввод и вывод сигналов в/из световода 1 осуществляется с помощью Y-ответвителей с брегговскими отражателями, обладающими требуемыми частотоизбирательными свойствами, на месте соединения световодов
На фиг. 3 показан 3-й вариант реализации предлагаемого ОЛЭ. Световод 1 имеет форму ломанной линии. При этом на изгибах излучение с низкой частотой не удерживается в световоде и излучается в световоды 2.In FIG. 2 shows a 2nd embodiment of the proposed OLE. The input and output signals to / from fiber 1 is carried out using Y-couplers with Bragg reflectors having the required frequency-selective properties at the junction of the optical fibers
In FIG. 3 shows a 3rd embodiment of the proposed OLE. The light guide 1 has the shape of a broken line. In this case, at bends, radiation with a low frequency is not retained in the fiber and is radiated into the fiber 2.

На фиг. 4 показано соотношение частот ω_1i,ω_2i,ω_3i,, удовлетворяющее условию фазового синхронизма в одном и том же световоде.In FIG. _Figure 4 shows the frequency ratio ω _1i , ω _2i , ω _3i , satisfying the phase matching condition in the same fiber.

На фиг. 5 показан управляемый комплектом оптических сигналов IIУПРII c различными несущими ω₁₁, ω₁₂,..., ω_1n селектор сигналов в канале IIВХII, содержащем сигналы с такими же несущими. Селектор состоит из 4-х предлагаемых OЛЭ. На выходах селектора комплект выходных сигналов IIВХII с разными несущими разделен на 2 канала. В верхнем канале оказываются сигналы с несущими, которые есть в комплекте управляющих сигналов IIУПРII, в нижнем канале оказываются сигналы со всеми остальными несущими.In FIG. 5 shows a signal selector controlled by a set of IIUPRII optical signals with different carriers ω ₁₁ , ₁₂ , ..., ω _1n in the IIBXII channel containing signals with the same carriers. The selector consists of 4 proposed OLE. At the selector outputs, the set of IIBXII output signals with different carriers is divided into 2 channels. In the upper channel are signals with carriers, which are in the set of control signals IIUPII, in the lower channel are signals with all other carriers.

Работа ОЛЭ при накачке с одной несущей происходит следующим образом. В результате взаимодействия распространяющегося в ПУБВ 4 сигнала накачки с несущей ω₃ и входного логического сигнала A с несущей ω₁ происходит усиление последнего и ослабление первого. Сигнал A вводится в световод 1 через частотоизбирательный НО 2, имеющий коэффициент перекрестной передачи, равный 100% для излучения с несущей ω₁ и равный О для излучения с несущей ω₃. На некотором расстоянии от входа, где мощность накачки значительно ослабла, через фильтр верхних частот 3 сигнал накачки передается в ПУБВ 5, где происходит его взаимодействие с другим входным логическим сигналом B также с несущей ω₁. Сигнал Y с несущей ω₁ с выхода ПУБВ 5 является выходным, а ОЛЭ выполняет в этом случае логическую функцию

. Известно, что логические элементы, выполняющие такую функцию, булевски полны, то есть любая логическая схема может быть реализована на основе таких элементов.The operation of the OLE when pumping with a single carrier is as follows. As a result of the interaction of the pump signal propagating in the PUBV 4 with the carrier ω ₃ and the input logic signal A with the carrier ω ₁ , the latter amplifies and the first attenuates. The signal A is introduced into the optical fiber 1 through a frequency selective HO 2 having a cross-transmission coefficient equal to 100% for radiation with a carrier ω ₁ and equal to O for radiation with a carrier ω ₃ . At a certain distance from the input, where the pump power is significantly weakened, through the high-pass filter 3, the pump signal is transmitted to the ПУБВ 5, where it interacts with another input logical signal B and also with the carrier ω ₁ . The signal Y with the carrier ω ₁ from the output of the PUWV 5 is the output, and the OLE performs in this case a logical function

. It is known that the logical elements that perform such a function are Boolean complete, that is, any logical circuit can be implemented on the basis of such elements.

Количество входных сигналов у предлагаемого ОЛЭ может быть увеличено. Для этого достаточно к выходу ПУБВ 5 подсоединить аналогичным образом через аналогичный фильтр ПУБВ 6, на вход которого подается 3-й логический сигнал C с несущей ω₁. На выходе ПУБВ 6 будем иметь логический сигнал Z, выполняющий логическую функцию

. Этот процесс может быть продолжен до тех пор, пока потери мощности накачки при отсутствии сигналов A, B, имеют приемлемый уровень.The number of input signals of the proposed OLE can be increased. To do this, it is enough to connect the PUBV 5 to the output in the same way through a similar PUBV 6 filter, to the input of which the 3rd logical signal C with the carrier ω ₁ is supplied. At the output of the PUBV 6 we will have a logical signal Z that performs a logical function

. This process can be continued until the pump power loss in the absence of signals A and B is at an acceptable level.

Таким образом, в общем случае предлагаемый ОЛЭ состоит из N ПУБВ, имеет N входов для логических сигналов A, B, C, N выходов X, Y, Z, и выполняет логические функции X=A,

,

.Thus, in the general case, the proposed OLE consists of N PUBV, has N inputs for logic signals A, B, C, N outputs X, Y, Z, and performs logical functions X = A,

,

.

Период следования входных логических сигналов определяется широкополосностью ПУБВ. Если, например, ширина полосы ПУБВ составляет 1% от несущей, то для входных импульсов видимого диапазона предельная частота их следования измеряется террагерцами. The repetition period of the input logical signals is determined by the broadband PUBV. If, for example, the PWBW bandwidth is 1% of the carrier, then for the input pulses of the visible range, the limiting frequency of their repetition is measured by terrahertz.

Контрастность выходных сигналов равна произведению коэффициента усиления ПУБВ на коэффициент ослабления сигнала с несущей ω₁ при отсутствии накачки и может быть получена более 20 дБ. Действительно в том случае, когда под действием сигнала A в ПУБВ 4 произошло его усиление и истощение накачки, сигнал B в ПУБВ 5 проходит на выход ОЛЭ без усиления, ослабляясь при этом из-за диссипативных потерь в световоде, которые составляют 1-2 дБ. В том же случае, когда сигнал A отсутствует и в ПУБВ 5 поступает накачка, усиление сигнала B может составлять более 20 дБ.The contrast of the output signals is equal to the product of the gain of the BSPW and the attenuation coefficient of the signal with the carrier ω ₁ in the absence of pumping and can be obtained more than 20 dB. Indeed, in the case when, under the action of signal A in the ПУВВ 4, its amplification and depletion of the pump occurred, signal B in the ПУВВ 5 passes to the OLE output without amplification, attenuating due to dissipative losses in the fiber, which are 1-2 dB. In the same case, when signal A is absent and pumping arrives in the ПУВВ 5, the amplification of signal B can be more than 20 dB.

Требуемую мощность импульсов накачки можно оценить из сравнения с уже экспериментально проверенными световодными параметрическими приборами, в которых используются те же методы организации взаимодействия волн с различными несущими. Вырожденный ПУБВ, в котором ω₁ = ω₂ = ω₃/2, является частным случаем рассматриваемого. Если фазу накачки в вырожденном ПУБВ изменить на π, то передача энергии происходит в обратном направлении. В этом случае ПУБВ становится ГВГ. Подобного типа ГВГ в настоящее время получили широкое распространение в связи с потребностью иметь когерентное оптическое излучение в видимом диапазоне спектра от полупроводниковых лазеров. Для этих целей используются ГВГ с квазисогласованием фаз [5-7] работающие от полупроводниковых GaAs/AlGaAs-лазеров мощностью в несколько десятков милливатт. Приблизительно такая же мощность накачки требуется и для предлагаемого ОЛЭ.The required power of the pump pulses can be estimated from a comparison with the already experimentally tested parametric optical waveguides, which use the same methods for organizing the interaction of waves with different carriers. Degenerate TWPA in which ω ₁ = ω ₂ = ω _3/2, is a special case under consideration. If the pump phase in a degenerate ПУВВ is changed to π, then the energy transfer occurs in the opposite direction. In this case, the PUBV becomes SHG. This type of SHG is now widely used due to the need to have coherent optical radiation in the visible spectrum from semiconductor lasers. For these purposes, SHGs with quasi-phase matching [5–7] operating from semiconductor GaAs / AlGaAs lasers with a power of several tens of milliwatts are used. Approximately the same pump power is required for the proposed OLE.

Указанный уровень мощности, полученный из сравнения с аналогичными приборами, полностью согласуется с теоретическими оценками. Действительно коэффициент n₁, определяющий зависимость изменения показателя преломления Dn от напряженности электрического поля E в выражении Δn = n₁E, например, у LiNbO₃ равен около 10^-8 см/В. Длина ПУБВ L, на которой происходит истощение мощности накачки, определяется выражением

, где Δn/n коэффициент модуляции показателя преломления под действием накачки. Если принять L=1cм, λ = 0,5 мкм, то Δn/n = 5•10^-5. Такой коэффициент модуляции создается электрическим полем напряженностью 5•10³ В/см, что соответствует интенсивности волны около 10⁵ Вт/см². Если принять эффективную площадь сечения световода равной 20 мкм², то указанная интенсивность имеет место в волне мощностью 20 мВт.The indicated power level, obtained from a comparison with similar devices, is completely consistent with theoretical estimates. Indeed, the coefficient n ₁ , which determines the dependence of the change in the refractive index Dn on the electric field E in the expression Δn = n ₁ E, for example, for LiNbO ₃ is about 10 ^-8 cm / V. The length of the PUWL L, at which the depletion of the pump power occurs, is determined by

where Δn / n is the modulation coefficient of the refractive index under the action of pumping. If we take L = 1 cm, λ = 0.5 μm, then Δn / n = 5 • 10 ^-5 . Such a modulation coefficient is created by an electric field of strength 5 • 10 ³ V / cm, which corresponds to a wave intensity of about 10 ⁵ W / cm ² . If we take the effective cross-sectional area of the fiber to be 20 μm ² , then the indicated intensity takes place in a wave with a power of 20 mW.

Что касается фильтров низких частот 2, через которые входные и выходные сигналы вводятся и выводятся в/из световода 1, то их коэффициент перекрестной передачи на частоте накачки ω₃ должен быть близок к 0, а на частотах ω₁, ω₂ близок к 1. Такие фильтры могут быть реализованы стандартными средствами [8, стр. 263-271] например, путем использования частотоизбирательных направленных ответвителей, обеспечивающих коэффициент передачи, близкий к 100% Кроме того, они могут быть реализованы на основе пересекающихся световодов с распределенными брегговскими отражателями на пересечениях [9, стр. 204, pиc.7.21.г] Схема ОЛЭ для этого случая показана на фиг. 2.As for the low-pass filters 2, through which the input and output signals are input and output to / from the optical fiber 1, their cross-transmission coefficient at the pump frequency ω ₃ should be close to 0, and at frequencies ω ₁ , ω ₂ close to 1. Such filters can be implemented by standard means [8, p. 263-271] for example, by using frequency-selective directional couplers that provide a transmission coefficient close to 100%. In addition, they can be implemented on the basis of intersecting optical fibers with distributed Bragg reflectors at intersections [9, p. 204, pic.7.21.g] Ole diagram for this case is shown in FIG. 2.

Ввод и вывод сигналов с несущей ω₁ может быть также обеспечен с помощью частотоизбирательного направленного ответвителя, показанного на фиг. 3. Здесь излучение с более низкими несущими ω₁, ω₂ не удерживается световодом 1 на его изгибах и через антенны 2 поступает в выходные световоды. В силу принципа взаимности такая же ситуация имеет место и для световодов, через которые вводятся сигналы A, B, C. Изгибы световода 1 не влияют на распространение излучения с несущей ω₃. Как и прежде, брегговские отражатели 3 препятствуют прохождению излучений с несущими ω₁ и ω₂ по всему световоду 1.The input and output of signals with a carrier ω ₁ can also be achieved using a frequency selective directional coupler shown in FIG. 3. Here, radiation with lower carriers ω ₁ , ω _{2 is} not held by the optical fiber 1 at its bends and through the antennas 2 enters the output optical fibers. By virtue of the reciprocity principle, the same situation occurs for optical fibers through which signals A, B, and C are introduced. The bends of optical fiber 1 do not affect the propagation of radiation from the carrier ω ₃ . As before, the Bragg reflectors 3 prevent the passage of radiation with carriers ω ₁ and ω ₂ throughout the entire fiber 1.

Для квазисогласования фаз световод 1 для ПУБВ изготавливается с переменным по знаку коэффициентом n₁. Периодичность этого изменения такова, что на тех участках световода, где фазовое рассогласование достигло такой величины, при которой направление передачи энергии должно измениться на противоположное, коэффициент n₁ изменяет свой знак, и направление передачи энергии восстанавливается. Период Λ изменения вдоль световода знака коэффициента n₁ определяется выражением

где λ₃, λ₁, λ₂ длины волн в световоде, соответствующие частоте накачки ω₃, частоте сигнала ω₁ и холостой частоте ω₂ = ω₃ - ω₁.For quasi-phase matching, the light guide 1 for the PUWV is manufactured with a variable sign in coefficient n ₁ . The frequency of this change is such that in those sections of the fiber where the phase mismatch has reached such a value that the direction of energy transfer should change to the opposite, coefficient n ₁ changes its sign, and the direction of energy transfer is restored. The period Λ of change along the fiber of the sign of the coefficient n ₁ is determined by the expression

where λ ₃ , λ ₁ , λ ₂ wavelengths in the fiber, corresponding to the pump frequency ω ₃ , the signal frequency ω ₁ and idle frequency ω ₂ = ω ₃ - ω ₁ .

Рассмотрим случай, когда накачка имеет несколько несущих. Из-за малых коэффициентов модуляции показателя преломления с частотой накачки результирующий эффект при распространении по световоду нескольких накачек с разными длинами волн равен сумме эффектов от распространения каждой накачки по отдельности. Таким образом, характер модуляции показателя преломления на одной частоте никак не зависит от того, имеет ли при этом место модуляция показателя преломления на другой частоте (частотах). Входной сигнал с несущей ω₁ взаимодействует только с той накачкой, с которой у него выполняются условия фазового согласования. Характер этого взаимодействие не зависит от того, имеются ли в это время другие сигналы с другими несущими или нет.Consider the case when the pump has several carriers. Due to the small modulation coefficients of the refractive index with the pump frequency, the resulting effect when several pumpes with different wavelengths propagate through the fiber is equal to the sum of the effects of each pump propagation separately. Thus, the nature of the modulation of the refractive index at one frequency does not depend on whether modulation of the refractive index at another frequency (s) occurs. The input signal with the carrier ω ₁ interacts only with that pump with which the phase matching conditions are satisfied. The nature of this interaction does not depend on whether there are other signals with other carriers at this time or not.

Рассмотрим вопрос о возможности обеспечения условия (1) квазисогласования фаз между сигналами и накачками одновременно на нескольких длинах волн. Перепишем условие (1) в виде

где n(ω₁), n(ω₂), n(ω₃) показатели преломления соответственно на частотах ω₁, ω₂, ω₃, с скорость света.Let us consider the question of the possibility of providing condition (1) for the quasi-phase matching between signals and pumps simultaneously at several wavelengths. We rewrite condition (1) in the form

where n (ω ₁ ), n (ω ₂ ), n (ω ₃ ) are the refractive indices at frequencies ω ₁ , ω ₂ , ω ₃ , respectively, and the speed of light.

Известно, что из-за материальной и волноводной дисперсии n(ω) является возрастающей функцией ω, причем n(ω) увеличивается на несколько процентов при увеличении ω в 2 раза. It is known that because of the material and waveguide dispersion, n (ω) is an increasing function of ω, and n (ω) increases by several percent with an increase in ω by a factor of 2.

Рассмотрим, каким образом изменяется сумма D(x) первых двух слагаемых в выражении (2) при увеличении разности x = ω₂ - ω₁ = ω₃ - 2ω₁. Поскольку ω₁ + ω₂ = ω₃, то ω₁ =(ω₃ - x)/2, ω₂ =(ω₃ + x)/2. Тогда
D(x) = [n(ω₁) + n(ω₂)]ω₃/2 + [n(ω₂) - n(ω₁)]x/2}.Let us consider how the sum D (x) of the first two terms in expression (2) changes with an increase in the difference x = ω ₂ - ω ₁ = ω ₃ - 2ω ₁ . Since ω ₁ + ω ₂ = ω ₃ , then ω ₁ = (ω ₃ - x) / 2, ω ₂ = (ω ₃ + x) / 2. Then
D (x) = [n ( ω ₁₎ + n (ω _2)] ω _3/2 + [n (ω ₂₎ - n (ω _1)] x / 2}.

Первое слагаемое не зависит от х, если n является линейной функцией ω, что близко к действительности [10] Второе слагаемое является положительной функцией х, так как n(ω) является возрастающей функцией ω. The first term is independent of x if n is a linear function of ω, which is close to reality [10] The second term is a positive function of x, since n (ω) is an increasing function of ω.

Таким образом, при увеличении разности w₂ - ω₁ сумма первых двух слагаемых увеличивается. Это обстоятельство может быть с успехом использовано для точного обеспечения выполнения условия фазового синхронизма (1).Thus, as the difference w ₂ - ω ₁ increases, the sum of the first two terms increases. This circumstance can be successfully used to ensure the exact fulfillment of the phase matching condition (1).

Если же частоту накачки ω₃ несколько увеличить, то правая часть выражения (1) увеличивается больше, чем левая, так как n(ω) является возрастающей функцией ω. Это рассогласование может быть устранено рассмотренным выше способом путем увеличения разности w₂ - ω₁.If the pump frequency ω _{3 is} somewhat increased, then the right-hand side of expression (1) increases more than the left-hand side, since n (ω) is an increasing function of ω. This mismatch can be eliminated by the method considered above by increasing the difference w ₂ - ω ₁ .

Приведенный способ восстановления фазового синхронизма позволяет использовать рассматриваемый ОЛЭ в режиме, когда на него одновременно подаются несколько световых импульсов накачки с различными несущими и комплекты входных оптических сигналов с соответствующими несущими, соотношение между которыми показано на фиг. 4. Такой ОЛЭ одновременно выполняет логические операции со всеми комплектами входных сигналов. На его выходах оказываются соответствующие результаты логических операций, представленные оптическими импульсами с различными несущими. Результат выполнения операции над одним комплектом входных сигналов совершенно не зависит от значения логических сигналов в других комплектах. The described method for reconstructing phase synchronism makes it possible to use the considered OLE in the mode when several pump light pulses with different carriers and sets of input optical signals with corresponding carriers are simultaneously fed to it, the relationship between which is shown in FIG. 4. Such an OLE simultaneously performs logical operations with all sets of input signals. At its outputs are the corresponding results of logical operations, represented by optical pulses with different carriers. The result of the operation on one set of input signals is completely independent of the value of the logical signals in other sets.

Рассмотренный ОЛЭ представляет уникальную возможность одновременного выполнения логических операций над многими комплектами логических входных сигналов, находящихся в одном оптическом канале и отличающихся по длинам волн. Обычно такая задача решается путем пространственного разделения сигналов с различными длинами волн по разным каналам, преобразования каждого сигнала в электрическую форму, выполнения логической операции над электрическими сигналами, преобразования электрических сигналов в оптические с определенной длиной волны и, наконец, объединения полученных оптических сигналов в одном канале. The considered OLE represents a unique opportunity for simultaneous execution of logical operations on many sets of logical input signals located in one optical channel and differing in wavelengths. Typically, this problem is solved by spatial separation of signals with different wavelengths on different channels, converting each signal into electrical form, performing a logical operation on electrical signals, converting electrical signals into optical signals with a specific wavelength, and finally combining the received optical signals in one channel .

На фиг. 5 показана реализация управляемого набором оптических сигналов IIУПРII с различными несущими ω₁₁, ω₁₂,..., ω_1n селектора оптических сигналов из набора IIВХII, состоящего из N сигналов с такими же несущими. Селектор разделяет набор входных сигналов IIВХII на 2 канала. В верхнем канале оказываются входные сигналы с несущими, для которых есть сигналы в наборе IIУПРII. В нижнем наборе оказываются сигналы с остальными несущими.In FIG. 5 shows the implementation of a control set of optical signals IIUPII with different carriers ω ₁₁ , ω ₁₂ , ..., ω _{1n of the} optical signal selector from set IIBXII, consisting of N signals with the same carriers. The selector divides the set of IIBXII input signals into 2 channels. In the upper channel there are input signals with carriers, for which there are signals in the set IIUPRII. In the lower set there are signals with the rest of the carriers.

Работа селектора происходит следующим образом. Комплект управляющих сигналов поступает на ОЛЭ 1 и 2. На вход ОЛЭ 1 постоянно подаются сигналы с несущими ω₁₁, ω₁₂,..., ω_1n, которые обозначаются II1II. Поскольку выходной сигнал Y соответствует логической функции

, то на выходе Y будем иметь инвертированный набор сигналов УПР (сигнал с несущей ω_1i на выходе Y отсутствует, если он присутствует на входе A, и наоборот). ОЛЭ 2 передает на выход X поступающие на вход A логические сигналы без изменения (усиливая их по мощности). Этот ОЛЭ введен только для получения одинаковых задержек в выходных каналах. На выходе Y ОЛЭ 3 результирующий выходной сигнал определяется выражением IIУПРIIIIВХII то есть входной сигнал с несущей ω_1i проходит на этот выход, если в комплекте IIУПРII логический сигнал с соответствующей несущей равен логической "1". На выходе Y ОЛЭ 4 результирующий выходной сигнал определяется выражением

, то есть входной сигнал с несущей ω_1i проходит на этот выход, если в комплекте IIУПРII логический сигнал с соответствующей несущей равен логическому "0".The operation of the selector is as follows. A set of control signals is supplied to

OLE

1 and 2. Signals with carriers ω ₁₁ , ω ₁₂ , ..., ω _1n , which are denoted II1II, are constantly fed to the input of OLE 1. Since the output signal Y corresponds to a logical function

, then at the output Y we will have an inverted set of control signals (there is no signal from the carrier ω _1i at the output Y, if it is present at input A, and vice versa). OLE 2 transmits to the output X the logic signals received at the input A without changing (amplifying them by power). This OLE is introduced only to obtain the same delays in the output channels. At the output Y OLE 3, the resulting output signal is determined by the expression IIUPRIIIIBXII that is, the input signal from the carrier ω _1i passes to this output, if the set IIUPRII logical signal with the corresponding carrier is logical "1". At the output Y OLE 4, the resulting output signal is determined by the expression

, that is, the input signal from the carrier ω _1i passes to this output, if in the IIUPRII set the logical signal with the corresponding carrier is equal to the logical "0".

Предлагаемый селектор может быть основой для оптической коммуникационной сети, обеспечивающей коммутируемую передачу сообщений между М передатчиками и N приемниками с использованием спектрального уплотнения каналов. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 The proposed selector can be the basis for an optical communication network that provides switched messaging between M transmitters and N receivers using spectral channel multiplexing. YYY2 YYY4

Claims

An optical logic element for processing spectrally separated signals, consisting of a nonlinear fiber, in which a long-term interaction of light logic signals propagating through it and light power is organized, characterized in that the element has K logical inputs A ₁ , A ₂ , A _K , where K≥ 2, and K of the logic outputs X ₁ , X ₂ , X _K and consists of K optical fibers that are used as parametric amplifiers of the traveling wave, 2K directional couplers and K-1 bandpass filters, while the output of the i-th parametric amplifier, where i 1,2, K-1 is connected to the input of the i-th bandpass filter, the output of the i-th bandpass filter is connected to the input of the (i + 1) -th parametric amplifier, the input of the i-th directional coupler is connected to the input i- of the i-th directional amplifier, the output of the i-th directional coupler is connected to the output of the i-th parametric amplifier, the input of the i-th directional coupler is the input of logical signals A _i , the output of the i-th directional coupler is the output of the resulting signals X _i , input i parametric amplifier dstavlyaet an input for feeding optical power in the form of periodic pulses of m sequences each of which comprises optical pulses with carrier frequency _{ω 3j (j = 1,2, m} ), with each i-th parametric amplifier is a strip waveguide in an electro-optical material with second-order nonlinearity of the LiNbO ₃ type with a periodically inverted domain structure with a period of time along the fiber

for j 1,2, m, where

the wavelengths in the fiber, respectively, at the pump frequencies ω _3j , signal ω _1j and idle frequency ω _2j = ω _3j -ω _1j , and the directional couplers are frequency-selective and have a cross-transmission coefficient equal to 1 for signals with carrier frequencies ω _1j and equal to 0 for signals with carrier frequencies λ _3j .