基于SOA-MZI差分相位法的全光異或邏輯門研究

咼道靜

(國電南京自動化股份有限公司，南京 210031)

基于SOA-MZI差分相位法的全光異或邏輯門研究

咼道靜

(國電南京自動化股份有限公司，南京 210031)

建立了基于SOA-MZI結(jié)構(gòu)差分相位法的全光異或邏輯門模型，實現(xiàn)了20 Gbit/s信號的全光異或邏輯運算。運算結(jié)果表明:輸出脈沖信號的寬度主要是由延遲時間t決定的。采用差分相位法，可以減弱輸出脈沖的碼型效應(yīng)，避免出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象。

半導(dǎo)體光放大器;馬赫—曾德爾干涉儀;差分相位法;異或

全光信號處理技術(shù)以其高速率、大容量、高帶寬的處理信號能力，已經(jīng)成為下一代全光網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)［1］。作為全光信息處理中的關(guān)鍵器件，全光邏輯器件的引入克服了光網(wǎng)絡(luò)“電子瓶頸”的限制、擴大了光網(wǎng)絡(luò)的工作容量需求、有效地降低了信號噪聲和串?dāng)_積累問題，從而提高了光網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。全光邏輯門是實現(xiàn)光計算功能的關(guān)鍵器件，可以用于偽隨機碼的產(chǎn)生、全光邏輯運算電路、全光奇偶校驗、全光包地址和載荷的分離、標(biāo)簽交換等［2-3］。異或邏輯門在全光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用很廣泛，且半導(dǎo)體光放大器(SOA)具有功耗低、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于集成等特點，非常有利于實現(xiàn)全光邏輯異或門運算?，F(xiàn)有的全光邏輯異或門實現(xiàn)方案主要是利用SOA的非線性效應(yīng)，如交叉增益調(diào)制(XGM)效應(yīng)、交叉相位調(diào)制(XPM)效應(yīng)以及四波混頻(FWM)效應(yīng)等。此外，利用SOA組成的干涉儀結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)全光邏輯異或門，其中干涉儀有基于光纖或波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)［4-5］。

本文建立了基于半導(dǎo)體光放大器的馬赫—曾德爾干涉儀(SOA-MZI)結(jié)構(gòu)的全光異或邏輯門理論模型，利用差分相位法數(shù)值實現(xiàn)了異或邏輯運算，并分析了邏輯門的性能。

1 理論模型

圖1 基于SOA-MZI結(jié)構(gòu)的全光異或門方案

圖1給出了基于SOA-MZI結(jié)構(gòu)差分相位法的全光邏輯異或門模型［6］。2個 SOA對稱平行置于干涉儀2臂上。1個3 dB耦合器將1束波長為λ3的連續(xù)探測光分解成2束光

并同時注入到干涉儀兩臂的SOA中。2束波長為λ1和λ2的高強度調(diào)制信號光A和B分別經(jīng)過3 dB耦合器分解成兩束光 A1、A2和 B1、B2。B2延遲

時間t后與A1在端口1耦合并注入到SOA1中，A2延遲相同的時間t后與B1在端口2耦合并注入到SOA2中，信號光A和B的輸入功率均大于SOA的最大線性輸入功率，在經(jīng)過SOA時，信號光會對探測光進(jìn)行相位調(diào)制，使得探測光在經(jīng)過SOA后就會攜帶上信號光的信息。

在耦合器4中，經(jīng)過相位調(diào)制的2路探測光發(fā)生干涉，并由相位調(diào)制轉(zhuǎn)化成振幅調(diào)制，從而完成2路信號光的異或運算，異或信號的輸出功率為［7-8］:

其中，Pin(t)是輸入探測光功率，G1(t)、G2(t)、φ1(t)、φ2(t)分別為探測光經(jīng)過MZI上下2臂的SOA后所產(chǎn)生的增益變化和非線性相移。

2路探測光干涉結(jié)果如下:當(dāng)A和B信號不同時，例如信號A為“1”，信號B為“0”時，φ1的波峰先到達(dá)，并打開一個時間窗口，稱為開關(guān)窗口。t秒后，φ2的波峰到達(dá)，φ1和φ2的相位差消失，窗口也隨之關(guān)閉，此時會產(chǎn)生一個波長為λ3的脈沖，即輸出異或結(jié)果為“1”。當(dāng)A和B信號相同(A=B=0或A=B=1)時，φ1和φ2相位相同，開關(guān)窗口處于關(guān)閉狀態(tài)，此時輸出異或結(jié)果為“0”。

2 數(shù)值模擬及分析

在模擬計算時，本文選取輸入的2路信號光A、B的速率均為20 Gbit/s，脈沖寬度(FWHM)為1.25 ps的1階高斯脈沖模擬信號。探測光波長λ3=1 550 nm，信號光A的波長λ1=1 570 nm，信號光B的波長λ2=1 575 nm;探測光輸入功率Pp=-10 dBm，信號光輸入功率Ps=0 dBm，輸入信號的半高全寬(FWHM)為5 ps，延遲時間t為4 ps。其他仿真中所要用到的基本參數(shù)值參考文獻(xiàn)［9］。

圖2 20 Gbit/s信號差分相位法全光異或門仿真結(jié)果

圖3 探測光相位變化對比(上)和對應(yīng)的輸出脈沖(下)

本文采用RZ碼，一般地，在同一個時隙內(nèi)如果信號A和信號B相同，則探測光的相位變化φ1和φ2應(yīng)該相等，輸出的功率應(yīng)該趨于“0”，但是從圖2和圖3給出的結(jié)果可知，每一個“1”脈沖過后，都會緊跟著出現(xiàn)一個很小的脈沖，這時雖然信號A和B相同，但是輸出信號并不為“0”。其原因可以如下理解:每一個輸入信號波形的影響和增益的不能完全恢復(fù)，這使得探測光的相位變化φ1和φ2之間存在差異，從而導(dǎo)致開關(guān)窗口重新打開。

圖4給出了差分相位法異或輸出脈沖隨不同延遲時間t的變化曲線。如該圖所示，隨著延遲時間t的增大，這種由于輸入信號波形的影響和增益的不完全恢復(fù)所導(dǎo)致的輸出“0”信號功率較高的現(xiàn)象越來越明顯，此現(xiàn)象在一定程度上降低了輸出信號的消光比。此外，在延遲時間t的增大過程中，輸出脈沖的寬度也逐漸增大。而且還可以看出，在不同的延遲時間t下，輸出脈沖均不會出現(xiàn)后延展寬，說明差分相位法克服了半導(dǎo)體光放大器中載流子恢復(fù)時間對高速信號處理的限制。

圖4 延遲時間與輸出脈沖的關(guān)系

3 結(jié)論

本文實現(xiàn)了基于SOA-MZI結(jié)構(gòu)差分相位法的20 Gbit/s信號的全光異或邏輯運算，并分析了不同延遲時間對輸出脈沖寬度的影響。數(shù)值結(jié)果表明，差分相位法可以克服半導(dǎo)體光放大器中載流子恢復(fù)時間對高速信號處理的限制;延遲時間的變化對輸出信號的脈沖寬度有很大的影響，延遲時間的增大，使得輸出脈沖的寬度逐漸增大，并在一定程度上降低了輸出信號的消光比。

［1］葉小華，張民，葉培大.全光異或邏輯門技術(shù)［J］.激光與紅外，2007，37(7):56-57.

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［3］POUSTIE A J，BLOW K J，MANNING R J.All-optical pseudorandom number generator［J］.Optics Communications，1999，159(4):208-214.

［4］FJELDE T.Demonstration of 20Gbit/s All-optical logic XOR in integrated SOA-based interferometric wavelength converter［J］.IEEE Electronics Letters，2000，36(22):1863-1864.

［5］ROBINSON B S.40Gbit/s All-optical XOR using a fiber-based folded ultrafast nonlinear interferometer［C］.OFC'02，Anahein，USA，2002(3):561-563.

［6］KIM J Y，KANG J M，KIM T Y，et al.10 Gbit/s all-optical composite logic gates with XOR，NOR，OR and NAND functions using SOA-MZI structures［J］.IEEE Electronics Letters，2006，42(5):278-279.

［7］洪偉，黃德修.半導(dǎo)體光放大器靜態(tài)增益飽和特性的理論研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報，2002，30(9):67-69.

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［9］趙嬋.基于SOA的全光邏輯門［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2006:54-56.

All-Optical XOR Logic Gate Using Differential Phase Scheme Based on SOA-MZI

GUO Daojing
(Guodian Nanjing Automation Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China)

A scheme for all-optical XOR logic gate using differential phase method has been investigated.The experimental results for XOR gate at 20Gbit/s are presented.The results show that the width of output pulse is mainly determined by delay time.The pattern effect of the output pulse can be weakened，and the“tail”phenomenon can be avoided by using differential phase scheme.

Semiconductor Optical Amplifier;Mach-Zehnder Interferometer;Differential Phase Scheme;XOR

TN248.4

A

1008-5440(2011)03-0033-03

2011-06-30

咼道靜(1976-)，男(漢族)，湖北襄陽人，工程師，本科，研究方向:電力系統(tǒng)自動化。