專利名稱：全光邏輯門的制作方法
技術領域：
全光邏輯門，可重用實現(xiàn)與門、或門、非門、與非門、或非門、異或門、同或門及它們 的反相操作，其中還可以實現(xiàn)半加法器，屬于光電子技術領域。
背景技術：
在光電子技術領域，對光信號實行超決邏輯運算而不用將其轉(zhuǎn)回電信號的能力一直是人 們所期望的。
例如，寬帶分組交換網(wǎng)為了執(zhí)行高速路由功能，光數(shù)據(jù)分組的頭部需要同步、幀識別和 地址識別等較復雜的光信號處理，而全光邏輯門正是其中的關鍵器件。全光與門(AND)可在 光開關節(jié)點用于識別幀頭；全光異或門(XOR)在多協(xié)議標簽交換(MPLS)網(wǎng)絡節(jié)點用作對標簽 進行識別、修改、替換等。邏輯門在"開"和"關"狀態(tài)間應具有高的對比度以容許級聯(lián)能 力并提供低比特誤差率，邏輯門還應具有很快的響應時間以容許實時全光處理。
全光邏輯是光信號處理的核心技術，世界上主要發(fā)達國家都在進行這方面的研究，研究 者主要利用半導體光放大器、非線性波導器件、微環(huán)諧振腔、非線性光纖等作為核心器件以 完成光邏輯的實現(xiàn)。其中具有代表性的工作包括日本NTT實驗室T.Matsumoto研究小組利 用保偏光纖Sagac環(huán)驗證了部分邏輯門(M.Jinno and T.Matsumoto,Ultrafast all-optical logic Operations in a nonlinear Sagnac interferometer with two control beams,Opt丄ett. 16,220,199l);雅 典大學D.Syvridis研究小組利用微環(huán)形諧振腔中的四波混頻效應完成了 40Gb/sRZ/NRZ碼的 全光"與"邏輯(S.Mikroulis,H.Simos, D.Syvridis ，etal. 40 -gbs NRZ and RZ operation of an all-optical AND logic gate based on a passive InGaAsPInP microring resonator,J丄ightwave Technol. Vol. 24,No.3,2006);斯坦福大學的M.M.Fejer領導的小組利用周期性極化鈮酸理晶體為核心器 件，并結(jié)合半導體光放大器完成了全光5Gb/s的半加器(C丄angrock, S.Kumar, M.M.Fejer, etal.
All-optical Sisnal processing using義2 nonlinearities in guided-wave devices, J丄ightwave Technol.
Vol.24，No.7，2006)。
以上文獻中介紹了幾個運用非線性效應的全光邏輯門的例子:半導體的響應時間限制了 最大的信號比特率；微環(huán)諧振腔由于是多光束前后干涉，其響應時間難以確定；基于波導設 備的邏輯門在商用之前從技術和運算兩方面看，仍處于發(fā)展及需要進一步研究的初級階段。
石英光纖的非線性響應幾乎是瞬時的(小于10fs)，利用非線性光纖元件設計全光邏輯操作 常見報道，例如，R丄ebref,B.Landousies,T.Georges,J丄ightwave Tech. 15,766(1997); V.Petrov, W.Rudolph,Opt.Commun.76,53(19卯);中國發(fā)明專利申請?zhí)?200580020660.5"用兩種結(jié)構實現(xiàn) 了全部全光邏輯門，而且其中一種結(jié)構在實現(xiàn)或門時，當偽隨機序列組成的兩個控制信號具 有相同"l"比特的情況下，功率減半，這在高速光信號處理中是難以控制的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用一種非線性光纖元件結(jié)構實現(xiàn)全部光邏輯，可重用實現(xiàn)與門、或門、非門、 與非門、或非門、異或門、同或門及它們的反相操作，其中還可以實現(xiàn)半加法器功能。
根據(jù)本發(fā)明，全光邏輯門包括用于接收兩控制光信號各自的光輸入端口和同步光時鐘 信號的光輸入端口，和用于輸出表示應用所邏輯結(jié)果的光輸出端口和反相操作的光輸出端口， 所述為全光邏輯門的特征在于包括光聯(lián)合裝置，其用來聯(lián)合兩控制光信號以波分復用器或 偏振合束器生成相應聯(lián)合信號；非線性光學裝置，其用來接受聯(lián)合信號和同步光時鐘信號并 發(fā)射兩路互為反相操作的光輸出信號。全光邏輯功能取決于非線性光學裝置的特性，其中所 述特性被這樣選擇，使得輸出信號的功率通過所選擇的邏輯功能與時鐘信號光功率重新分配
3相關聯(lián)。
有利地，光聯(lián)合裝置輸出可以和光時鐘信號以波分復用的方式一起通過非線性光學裝置 的耦合器入射到非線性光學裝置中，或者光聯(lián)合裝置輸出獨立地入射到非線性光學裝置中， 非線性光學裝置輸出端口上設置時鐘光信號的通帶濾波器(BPF)，輸出時鐘信號是時鐘信號自
相位調(diào)制和兩控制光信號交叉相位調(diào)制的結(jié)果，表示為相應的邏輯門關系。
在特別優(yōu)選實施例中，非線性光學裝置包括薩格納克干涉儀(Sagnac interferometer)。 Sagnac的特殊優(yōu)點在于，由于它基于光纖，所以響應時間非?？煲员隳軌?qū)崿F(xiàn)320Gbit/s或 更高的比特率運算的邏輯門。在所有配置中，薩格納克干涉儀是同時基于自相位調(diào)制(SPM) 和交叉相位調(diào)制(XPM)的類型，這樣的配置使得能夠只需低功率的輸入光脈沖就能實現(xiàn)邏輯 功能。邏輯門還包括光消隱脈沖(Pedestal)抑制器，由SPM Sagnac環(huán)構成，其與通帶濾波器 (BPF)的輸出端口相連，可以串聯(lián)數(shù)個光消隱脈沖抑制器，有利地，增加輸出光脈沖的對比度， 以及薩格納克干涉儀中偏振控制器，其用來改變薩格納克干涉儀的特性滿足最大的干涉比。
為避免薩格納克干涉儀的群速度色散(GVD)、四波混頻(FWM)及走離現(xiàn)象(Walk Off)， 控制信號光波長和時鐘信號光波長間隔小且位于光纖零色散波長附近的正常色散區(qū)，時鐘信 號光波長位于兩控制信號光波長之間；或優(yōu)選地具有相同的控制信號光波波長。
通常，非線性光學裝置的特性取決于輸入信號的峰值功率，有利地，非線性光學裝置中 非對稱地放置光放大器，優(yōu)選為摻餌光纖放大器(EDFA)，進一步降低入射光功率或減少 Sagnac環(huán)長，而且有利于補償由于色散降低、線路損耗的光功率幅度。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)參照附圖僅借助實例闡述根據(jù)本發(fā)明的邏輯門。 其中，
圖1示出了本發(fā)明的邏輯門方框示意圖； 圖2示出了本發(fā)明的邏輯門結(jié)構示意圖； 圖3示出了光消隱脈沖(Pedestal)抑制器的結(jié)構示意圖4示出了本發(fā)明的控制光信號和時鐘光信號一起通過非線性光學裝置的耦合器入射 到非線性光學裝置中的結(jié)構示意圖5示出了圖4結(jié)構示意圖中放大器設置在非線性光學裝置的輸入口的結(jié)構示意圖； 圖6示出了圖2結(jié)構示意圖中放大器設置在非線性光學裝置的輸入口的結(jié)構示意圖； 表1表示了本發(fā)明半加法器的計算結(jié)果。
圖中標號說明如下
l-時鐘光輸入口 2-控制光B輸入口 3-控制光C輸入口 4-光聯(lián)合裝置(波分復 用器或偏振合束器)5-波分復用器 6-光纖環(huán)行器7-非線性光學裝置 8， 9-時 鐘光輸出端口 10-邏輯門 11-光放大器 12-光消隱脈沖抑制器 13-衰減器
具體實施例方式
參考圖1，它示出了根據(jù)本發(fā)明原理的全光邏輯門IO的方框示意圖。全光邏輯門10包 括用于接收兩控制光信號各自的光輸入端口 2,3和同步光時鐘信號的光輸入端口 1，和用于輸 出表示應用所邏輯結(jié)果的光輸出端口 8和反相操作的光輸出端口 9，所述為全光邏輯門的特 征在于包括光聯(lián)合裝置4，其用來聯(lián)合兩控制光信號以波分復用器或偏振合束器生成相應 聯(lián)合信號；非線性光學裝置7，其用來接受聯(lián)合信號和同步光時鐘信號并發(fā)射兩路互為反相 操作的光輸出信號。全光邏輯功能取決于非線性光學裝置的特性，其中所述特性被這樣選擇， 使得輸出信號的功率通過所選擇的邏輯功能與時鐘信號光功率重新分配相關聯(lián)。
參考圖2 ,它示出了根據(jù)本發(fā)明原理的全光10的具體結(jié)構示意圖。全光邏輯門10包 括兩個控制光輸入端口 2,3和時鐘光信號輸入端口 1，以及用于輸出表示應用所邏輯結(jié)果的光輸出端口 8和反相操作的光輸出端口 9。非線性光學裝置7的耦合器/分束器功分比 /7-0.5，表示輸入的時鐘光脈沖A功率P,(功率恒定)沿反時針方向傳輸?shù)牟糠终既抗β?br> 的比例為戶；兩控制光脈沖B、 C的功率A，尸c，其值相當，如果光脈沖B、 C的波長不同，
聯(lián)合裝置4為波分復用器(WDM)，如果光脈沖B、 C的波長相同，聯(lián)合裝置4為偏振合束器 (PBS)， B、 C光以正交偏振方式聯(lián)合；聯(lián)合裝置4輸出線以波分復用器(5)方式接入Sagnac
環(huán)中；這三個光脈沖的占空比均為0.9;光纖非線性系數(shù)為"摻餌光纖放大器11的增益系
數(shù)為G，光纖環(huán)長/，則有效環(huán)長為丄=[1-exp(-a/)]/cr (平均損耗系數(shù)")；Sagnac環(huán)的透
射率可以這樣得到首先計算反向傳輸?shù)娜龑κ饨?jīng)過一次往返后得到的相移，然后在耦合 器中對這六束光進行相干組合,有利地，所述的耦合器包括光纖熔接耦合器。通帶濾波器(BPF) 用來選擇A光輸出，并阻止其它波長的輻射，如果"1"比特和"0"比特位光脈沖概率相當 的情況下，透射的光脈沖功率為
P, = exp(-a/){l - cos(;^
}} (1)
如圖3，光脈沖經(jīng)過光消隱脈沖抑制器12中光衰減器13的系數(shù)為s，光纖環(huán)長/,，則有
效環(huán)長為Z, =[1-exp(-a/,)]/a。上式(1)的光脈沖經(jīng)過光消隱脈沖抑制器12后輸出端口 8的 光功率為
尸;=0.5eP' exp(-a/！)(1 - cos"
}} (2)
式(2)中只要滿足^
-;r具有將正弦波形轉(zhuǎn)換為方波形，就是 說光消隱脈沖抑制器12具有進一步消隱"0"比特位光幅度和進一步提升"l"比特位光幅度。 根據(jù)式(1),滿足cos(^
}> 0的輸出光脈沖表示為"0"比特位。 經(jīng)環(huán)行器6輸出的反射光脈沖功率為
尸，=exp(-+ cos(;4o.45(G -1)/^ +1.9G(PB + Pc)]}} (3)
顯然，上式(3)是式(1)的反相操作。上式(3)的光脈沖經(jīng)過光消隱脈沖抑制器12后輸 出端口9的光功率為
尸;- 0.5《exp(-a/, ){l - cos"
}}
=0.5《exp(— 卜s—慘g)C^P(—"/)]卜林，-，+1尊"尸』}} (4)
下面給出各種邏輯門需要的條件Pf=A① 與門條件r丄< , 0.45(G -1 < ^ ， ^ <
r丄< !,
2 2 2
宇< [。.45(C — 1 ^ + 3.8G& k <警
⑤或非門條件
，< 0.45(G - < ;r ,宇<
r丄< *
上述放大器增益G-1可現(xiàn)實①②⑥邏輯門，就是說不需要光放大器，可實現(xiàn)部分邏輯門，當 然，如果耦合器功分比不為1:1，不使用光放大器也能實現(xiàn)全部邏輯門。半加法器是異或門 和與門的結(jié)合，我們利用光消隱脈沖抑制器12的特點，輸出端口8是異或門，輸出端口9是 與門的條件 '
。.45(G — 1)/V" *' * <
r丄< *' 宇〈
exp(—a/) = 1.7，記尸 = sGi^ exp[-"(/+/,)〗。具體參數(shù)為￡ = 0.1,/, =3.32Aw。結(jié)果表1所示，最差的對比度是輸入("0","0")與("0"，"1")或('T，,"0")
的對比度為7.45dB，通過增加級聯(lián)的光消隱脈沖(Pedestal)抑制器，能夠進一步提高對比度，對 比度好于21.5dB?？梢约壜?lián)數(shù)個光消隱脈沖(Pedestal)抑制器。
如圖4，它示出了根據(jù)本發(fā)明原理的全光邏輯門10的控制光信號和時鐘光信號一起通過 非線性光學裝置的耦合器入射到非線性光學裝置中的結(jié)構示意圖。Sagnac環(huán)透射的光脈沖功
率為<formula>formula see original document page 7</formula> (5)
經(jīng)環(huán)行器6輸出的反射光脈沖功率為
<formula>formula see original document page 7</formula> (6)
以下分析同圖2類似，忽略分析。
圖5是圖4結(jié)構示意圖中放大器設置在非線性光學裝置的輸入口的結(jié)構示意圖，原理 同圖4，忽略分析。
圖6是圖2結(jié)構示意圖中放大器設置在非線性光學裝置的輸入口的結(jié)構示意圖，原理 同圖2，忽略分析。
各種邏輯門需要的條件完全可以按照圖2所示結(jié)果分析，不在重復，只不過圖3中的控 制光脈沖功率比圖1中的控制光脈沖功率高1倍。
最后，普通光纖的非線性系數(shù)小，通常選取較長的環(huán)長來降低入射功率，光脈沖占空比
較大來抑制平均交叉相位調(diào)制?？商鎿Q地，具有1000ibr'『—'量級非線性系數(shù)的高非線性光
纖(HNLF)可以用于減少所需光纖的長度并使邏輯門更緊湊。例如，與使用DSF時的lkm相 比，HNLF的使用需要僅幾米長(1-2m)的光纖環(huán)路。并且可以適當降低光脈沖占空比，有利 于以320Gbit/s或更高進行操作的應用?，F(xiàn)在己經(jīng)清楚的是，通過使用能夠得到簡易、有效 的全光邏輯門，已實現(xiàn)了本發(fā)明的預定目標。
應當理解，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進行改變。例如，在其它的實現(xiàn)中，展望運用半導體 光學設備和集成光學技術，如半導體放大器(SOA)和高非線性波導結(jié)構。
權利要求
1、一種全光比較器(10)，包括用于接收兩控制光信號各自的光輸入端口(2，3)和同步光時鐘信號的光輸入端口(1)，和用于輸出表示應用所邏輯結(jié)果的光輸出端口(8)和反相操作的光輸出端口(9)，所述為全光邏輯門的特征在于包括光聯(lián)合裝置(4)，其用來聯(lián)合兩控制光信號以波分復用器或偏振合束器生成相應聯(lián)合信號；非線性光學裝置(7)，其用來接受聯(lián)合信號和同步光時鐘信號并發(fā)射兩路互為反相操作的光輸出信號。全光邏輯功能取決于非線性光學裝置的特性，其中所述特性被這樣選擇，使得輸出信號的功率通過所選擇的邏輯功能與時鐘信號光功率重新分配相關聯(lián)。
2 、根據(jù)權利要求1的全光比較器，其特征在于非線性光學裝置包括薩格納克千涉儀 光聯(lián)合裝置(3)輸出線以波分復用器(5)連入非線性光學裝置(4)，非線性光學裝置(4)反射輸出 以環(huán)行器(6)接反相操作輸出。
3 、根據(jù)權利要求2的全光比較器，其特征在于薩格納克干涉儀是同時基于自相位調(diào) 制SPM和交叉相位調(diào)制XPM的類型。
4 、根據(jù)權利要求3的全光比較器，其特征在于還包括與薩格納克干涉儀的輸出端口 相連的光消隱脈沖峰值的SPM Sagnac環(huán)抑制器(12)，可以級聯(lián)數(shù)個光消隱脈沖(Pedestal)抑制 器。
5 、根據(jù)權利要求2的全光比較器，其特征在于在薩格納克干涉儀的光纖環(huán)路中還包 括偏振控制器和光放大器(ll)或薩格納克干涉儀的輸入口上包括光放大器(ll)。
6 、根據(jù)權利要求1的全光比較器，其特征在于光路是高非線性波導結(jié)構。
全文摘要
全光邏輯門(10)，可重用實現(xiàn)與門、或門、非門、與非門、或非門、異或門、同或門及它們的反相操作，其中還可以實現(xiàn)半加法器。包括用于接收兩控制光信號各自的光輸入端口(2，3)和同步光時鐘信號的光輸入端口(1)，和用于輸出表示應用所邏輯結(jié)果的光輸出端口(8)和反相操作的光輸出端口(9)，所述為全光邏輯門的特征在于包括光聯(lián)合裝置(4)，其用來聯(lián)合兩控制光信號以波分復用器或偏振合束器生成相應聯(lián)合信號；非線性光學裝置(7)，其用來接受聯(lián)合信號和同步光時鐘信號并發(fā)射兩路互為反相操作的光輸出信號。全光邏輯功能取決于非線性光學裝置的特性，其中所述特性被這樣選擇，使得輸出信號的功率通過所選擇的邏輯功能與時鐘信號光功率重新分配相關聯(lián)。
文檔編號G02F1/35GK101526715SQ200810044878
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月4日 優(yōu)先權日2008年3月4日
發(fā)明者劉永智, 張利勛 申請人:電子科技大學