基于QD-SOA-MZI結(jié)構(gòu)的全光邏輯門(mén)的性能優(yōu)化*

王兆翔，王海龍，楊文華，韋志祿，龔 謙

（1.曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院,山東 曲阜 273165；2.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050）

基于QD-SOA-MZI結(jié)構(gòu)的全光邏輯門(mén)的性能優(yōu)化*

王兆翔1，王海龍1，楊文華1，韋志祿1，龔 謙2

（1.曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院,山東 曲阜 273165；2.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050）

基于QD-SOA的XPM效應(yīng)，用細(xì)化分段方法對(duì)QD-SOA靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程建模，采用四階龍格庫(kù)塔法格式和牛頓迭代法求解光場(chǎng)傳輸方程和速率方程，模擬全光邏輯與門(mén)的邏輯功能。采用“功率對(duì)比度積”這一新型特征參數(shù)作為系統(tǒng)優(yōu)化指標(biāo)，討論MZI結(jié)構(gòu)的時(shí)延時(shí)間、輸入光功率等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)此特征參數(shù)的影響，快速找到了時(shí)延、輸入光功率的最優(yōu)工作點(diǎn)，即當(dāng)時(shí)延為15 ps、輸入功率為15 dBm時(shí)，全光邏輯與門(mén)的性能最優(yōu)。

量子點(diǎn)光放大器；交叉相位調(diào)制；全光邏輯門(mén)；QD-SOA-MZI結(jié)構(gòu)

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)信息傳輸?shù)娜萘亢退俣鹊囊笤絹?lái)越高。由于電子技術(shù)本身的瓶頸，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)處理速度和信息吞吐量上已很難有所突破。因此，全光網(wǎng)絡(luò)的建立成為了研究熱點(diǎn)?；诠饫w的骨干網(wǎng)有著豐富的帶寬資源，基于全光技術(shù)的光節(jié)點(diǎn)可以取代現(xiàn)有復(fù)雜的電節(jié)點(diǎn)，具有更快的處理速度和龐大的吞吐量，同時(shí)也大大提高了網(wǎng)絡(luò)的透明度，克服了“電子瓶頸”的限制，能夠適應(yīng)超高速光通信系統(tǒng)的發(fā)展[1]。全光信號(hào)處理技術(shù)是全光網(wǎng)絡(luò)中的核心技術(shù)，包括全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、全光調(diào)制和全光邏輯器件的實(shí)現(xiàn)等。其中，全光邏輯器件廣泛應(yīng)用于時(shí)鐘提取、光計(jì)算、光判決、全光再生、全光傳輸和全光交換等方面[1]，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。在超高速光信號(hào)處理過(guò)程中，要求新型光放大器具有較高的增益、較寬的增益帶寬，動(dòng)態(tài)恢復(fù)速度需限制在10 ps量級(jí)以下。與傳統(tǒng)的體材料光放大器（Bulk-SOA）、量子阱光放大器相比（QW-SOA），量子點(diǎn)光放大器（QD-SOA）以其低注入電流、高微分增益、高調(diào)制寬帶、增益恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)異的非線(xiàn)性特性，成為了高速光信號(hào)處理過(guò)程中的首選。目前，全光邏輯門(mén)主要是基于QD-SOA的交叉增益效應(yīng)、交叉相位效應(yīng)、交叉偏振效應(yīng)和四波混頻效應(yīng)四種非線(xiàn)性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的?；赒D-SOA的Mach-Zehnder干涉儀（QD-SOAMZI）結(jié)構(gòu)具有緊湊、可重復(fù)性高、工作穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于全光信號(hào)處理[2-8]。

基于QD-SOA-MZI結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門(mén)在保持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)上提高了工作性能，非常適用于復(fù)雜的邏輯電路，因而受到了人們的廣泛關(guān)注。本文利用此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全光邏輯與門(mén)的邏輯功能。通常，主要以Q因子作為衡量全光邏輯系統(tǒng)性能的指標(biāo)[9]，本文則采用“功率對(duì)比度積”這一新型特征參數(shù)作為系統(tǒng)優(yōu)化指標(biāo)[10]。同時(shí)，討論MZI結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)：時(shí)延時(shí)間、輸入光功率對(duì)此特征參數(shù)的影響，最終確定了XPM型的全光邏輯與門(mén)的最佳工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)此邏輯器件的性能優(yōu)化。

1 MZI結(jié)構(gòu)的邏輯與門(mén)

在基于XPM效應(yīng)的全光邏輯門(mén)中，參與邏輯運(yùn)算的信號(hào)光功率變化會(huì)引起QD-SOA有源區(qū)折射率和其內(nèi)載流子濃度發(fā)生變化，進(jìn)而使相位發(fā)生變化。在干涉作用下，將相位變化轉(zhuǎn)化為輸出光功率的變化，從而實(shí)現(xiàn)特定的邏輯功能[11]。本文討論基于Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)的全光邏輯與門(mén)。

如圖1所示，攜帶輸入信號(hào)A的波長(zhǎng)為λ1的信號(hào)光，經(jīng)過(guò)耦合器分成兩束。其中，一束從端口1注入到MZI結(jié)構(gòu)上臂的QD-SOA中，另一束經(jīng)過(guò)延時(shí)后，從端口3注入到MZI結(jié)構(gòu)下臂的QD-SOA中。與此邏輯與門(mén)輸出結(jié)果波長(zhǎng)λ2相同，攜帶了輸入信號(hào)B的信號(hào)光經(jīng)端口2注入到MZI中。當(dāng)輸入信號(hào)A為0時(shí)，其在MZI上下兩臂的QD-SOA中調(diào)制所產(chǎn)生的光學(xué)增益是相等的。此時(shí)，干涉儀處于平衡狀態(tài)，輸出信號(hào)在輸出端干涉相消，輸出端口無(wú)信號(hào)輸出。當(dāng)輸入信號(hào)A為1時(shí)，由于延時(shí)的存在，QD-SOA-MZI上下兩臂會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相位差，該相位差也同時(shí)作為輸入信號(hào)B的判決門(mén)。當(dāng)輸入信號(hào)B為1時(shí)，MZI的上下兩臂處于非平衡狀態(tài)且信號(hào)可以通過(guò)這個(gè)判決門(mén)，從而最終到達(dá)輸出端口，即只有當(dāng)A和B同時(shí)為1時(shí)，MZI輸出端才為1，從而實(shí)現(xiàn)了邏輯與的運(yùn)算。

圖1 基于QD-SOA-MZI結(jié)構(gòu)的全光邏輯與門(mén)

從MZI輸出的信號(hào)功率用式（1）表達(dá)：

式中，P1(t)、P2(t)分別代表上下臂的信號(hào)功率，△φ是上下兩臂信號(hào)的相位差(△φ=φ1(t)φ2(t))。表1則是邏輯與門(mén)的真值表。

表1 邏輯與門(mén)的真值表

2 QD-SOA

不同于QW-SOA和Bulk-SOA，QD-SOA的有源區(qū)是由量子點(diǎn)組成的。有源區(qū)可視為由基態(tài)能級(jí)、激發(fā)態(tài)能級(jí)和浸潤(rùn)層能級(jí)構(gòu)成的三能級(jí)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 QD-SOA的三維能級(jí)結(jié)構(gòu)示意

三能級(jí)速率方程能夠描述浸潤(rùn)層載流子的濃度變化、激發(fā)態(tài)和基態(tài)內(nèi)載流子的占有率變化。電子在浸潤(rùn)層、激發(fā)態(tài)和基態(tài)中的躍遷速率方程分別為[12-13]：

式中，Nw是浸潤(rùn)層的載流子濃度,h、f分別是電子在激發(fā)態(tài)和基態(tài)的占有幾率，Lw是有源區(qū)厚度，J和e分別為注入電流密度和電子電量，NQ為表面量子點(diǎn)的密度，τw2是電子從浸潤(rùn)層到激發(fā)態(tài)的躍遷時(shí)間，τ2w是電子從激發(fā)態(tài)到浸潤(rùn)層的躍遷時(shí)間，τ21是電子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷時(shí)間，τ12是電子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷時(shí)間，τwR、τ1R分別是電子在浸潤(rùn)層和量子點(diǎn)的自發(fā)輻射時(shí)間，h1wi是光子能量，wi是光的頻率，σ為有源區(qū)的橫截面積。

輸入信號(hào)光可用如下光場(chǎng)方程[14]描述：

式中，z為光的傳輸方向，E+、E-分別是沿+z和-z方向傳播光的電場(chǎng)分量，Γ是光場(chǎng)限制因子，α是光在波導(dǎo)中傳輸?shù)膿p耗系數(shù)，η是線(xiàn)寬增強(qiáng)因子。

沿著光傳輸方向探測(cè)光相位的變化為：

沿QD-SOA有源區(qū)+L方向，積分式（8）可得到相位隨時(shí)間的變化：

3 數(shù)值模擬

用細(xì)化分段方法對(duì)QD-SOA靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程建模，采用牛頓迭代法和四階龍格-庫(kù)塔法進(jìn)行模擬計(jì)算。輸入信號(hào)光A和信號(hào)光B的波長(zhǎng)分別取為1 500 nm和1 550 nm；設(shè)定MZI上下臂中的QD-SOA的注入電流均為80 mA，峰值功率為5 dBm，其他參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 基本參數(shù)

圖3是全光邏輯與門(mén)的模擬結(jié)果。當(dāng)輸入信號(hào)A為1101、輸入信號(hào)B為1011時(shí)，輸出信號(hào)為1001，模擬結(jié)果符合“與”邏輯。

圖3 全光邏輯與門(mén)的輸入與輸出

基于QD-SOA-MZI結(jié)構(gòu)的全光信號(hào)處理涉及的參數(shù)很多，除了QD-SOA的固有參數(shù)外，待處理的輸入信號(hào)的諸多參數(shù)和多路信號(hào)帶來(lái)的新參數(shù)等，都可能對(duì)全光信號(hào)處理單元的輸出性能有很大影響。如果對(duì)這些參數(shù)一一進(jìn)行調(diào)試再找出最佳工作點(diǎn)，工作量非常大。此處，采用“功率對(duì)比度積”這一參數(shù)來(lái)尋找最優(yōu)工作點(diǎn)，從而對(duì)XPM型全光邏輯與門(mén)的性能進(jìn)行優(yōu)化。

用信號(hào)對(duì)比度來(lái)衡量輸出信號(hào)質(zhì)量，對(duì)比度的定義為輸出信號(hào)中“1”的最小峰值和“0”的最大峰值之比：

它表示信號(hào)眼圖的張開(kāi)程度[11]。在光信號(hào)處理單元中，CR越大，表明該處理單元性能越好。通常，要求光邏輯器件的輸出有較大的功率絕對(duì)值，這也符合QD-SOA進(jìn)行光放大的初衷，省去了后續(xù)可能再進(jìn)行光放大的過(guò)程。

3.1 時(shí)延的影響

輸入到上、下兩臂的信號(hào)光有一段時(shí)延，它可以通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)延線(xiàn)來(lái)控制。這里采用時(shí)延這一參數(shù)對(duì)邏輯與門(mén)進(jìn)行仿真。如圖4所示，橫軸為時(shí)延，左側(cè)縱軸為對(duì)比度，右側(cè)縱軸為輸出信號(hào)功率。

圖4 輸出信號(hào)功率和對(duì)比度與時(shí)延的關(guān)系

MZI輸出端的信號(hào)功率隨著時(shí)延的增大先減小后增大，對(duì)比度隨時(shí)延的增大先增大后減小。圖5則給出了功率對(duì)比度積隨時(shí)延的變化。容易看出，最優(yōu)時(shí)延量為15 ps。

圖6給出了泵浦光功率為5 dBm，時(shí)延分別為12 ps、15 ps、17 ps時(shí)的輸出波形圖像。容易看出，在時(shí)延量為12 ps或17 ps的情況下，輸出信號(hào)的碼型效應(yīng)較嚴(yán)重，輸出信號(hào)的波形中有小雜峰出現(xiàn)。時(shí)延為12 ps時(shí)，雜峰強(qiáng)度已近主峰的一半；時(shí)延為17 ps時(shí)，雜峰強(qiáng)度幾乎可以和主峰比擬，對(duì)該邏輯門(mén)的碼型判決造成干擾；時(shí)延為15 ps時(shí)，輸出波形最為理想，但此時(shí)的輸出信號(hào)功率較低。

圖5 功率對(duì)比度積與時(shí)延的關(guān)系

圖6 不同時(shí)延情況下MZI輸出信號(hào)

3.2 輸入功率的影響

保持最優(yōu)時(shí)延點(diǎn)（15 ps）不變，考慮輸入光功率對(duì)輸出信號(hào)的影響。

圖7和圖8分別給出了輸出信號(hào)功率與對(duì)比度、功率對(duì)比度積隨輸入光功率的變化情況。從圖7可以看出，隨著輸入光功率的增大，輸出信號(hào)的平均功率單調(diào)上升；當(dāng)輸入光功率小于15 dBm時(shí)，輸出信號(hào)對(duì)比度隨著它的增大而增大，而當(dāng)輸入光功率大于15 dBm時(shí)，輸出信號(hào)對(duì)比度急劇下降。從圖8可以看出，在輸入泵浦光功率等于15 dBm時(shí)，“功率對(duì)比度積”達(dá)到最大。

圖9為不同輸入光功率時(shí)的輸出信號(hào)比較。當(dāng)輸入信號(hào)功率為15 dBm的時(shí)候，碼型更好了，輸出信號(hào)功率也得到了明顯的提高。

綜上，當(dāng)時(shí)延為15 ps、輸入功率為15 dBm時(shí)，基于QD-SOA-MZI結(jié)構(gòu)的全光邏輯與門(mén)的性能最優(yōu)。

圖7 輸出信號(hào)功率和對(duì)比度與輸入光功率的關(guān)系

圖8 功率對(duì)比度積與輸入光功率的關(guān)系

圖9 不同輸入光功率下的輸出信號(hào)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于QD-SOA的XPM效應(yīng)，利用MZI結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了全光邏輯與門(mén)的邏輯功能。通過(guò)功率對(duì)比度積找到了時(shí)延、輸入光功率的最優(yōu)工作點(diǎn)，即當(dāng)時(shí)延為15 ps、輸入功率為15 dBm時(shí)，基于QDSOA-MZI結(jié)構(gòu)的全光邏輯與門(mén)的性能最優(yōu)。

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王兆翔（1991—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶肮饨M網(wǎng)；

王海龍（1971—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ?、半?dǎo)體光電子學(xué)等；

楊文華（1990—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶肮饨M網(wǎng)；

韋志祿（1987—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶肮饨M網(wǎng)；

龔 謙（1971—），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體光電子學(xué)。

Performance Optimization of All Optical Logic Gates based on QD-SOA-MZI Structure

WANG Zhao-xiang1，WANG Hai-long1,YANG Wen-hua1,WEI Zhi-lu1,GONG Qian2
(1.College of Physics and Engineering，Qufu Normal University, Qufu Shandong 273165, China; 2.State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)

Based on XPM effect of QD-SOA，by refining segmentation method of QD-SOA static and dynamic process modeling,the Newton iteration method by the four order Runge-Kutta format is used to solve the transition rate equation and light propagation equations, the logic function of the all-optical logic AND gate is simulated. The product of power and contrast ratio is used as a parameter to measure the performance of the QD-SOA-MZI structure based all-optical logic gate, by which we can quickly get the optimal working point of the gate.Meanwhile,the influence of the key parameters such as the time delay of the MZI structure and the input optical power on the characteristic parameters are discussed.It has been shown that the optimal delay time is 15 ps, and the optimal input power is 15 dBm, for these parameters the optimal performance of the all-optical logic AND gate can be achieved.

QD-SOA;Cross phase modulation;All-optical logic gate;QD-SOA-MZI structure

TN929.1

：A

：1002-0802(2016)-06-0782-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.06.024

2016-02-07;

：2016-05-01 Received date:2016-02-07;Revised date:2016-05-01

山東省自然科學(xué)基金 (No.ZR2014FM011)以及信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放課題(No.SKL201307)資助

Foundation Item: Shandong Province Natural Science Foundation (No.ZR2014FM011) and Open Project of State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics (Grant No. SKL201307) funded