基于相移光柵中交叉相位調制的全光邏輯門

宋俊峰，李齊良，陳 心

基于相移光柵中交叉相位調制的全光邏輯門

宋俊峰，李齊良，陳 心

(杭州電子科技大學通信工程學院，浙江 杭州 310018)

對基于相移光柵中交叉相位調制的全光邏輯門的理論進行了研究.研究了器件的開關特性，利用泵浦光來控制弱連續(xù)波的輸出切換，實現了將泵的光信息傳輸到連續(xù)光上.通過改變兩個泵浦光的組合，利用兩個輸出端口輸出功率計算消光比，再根據消光比判定實現邏輯門功能，在相移光柵無相移量時，實現了與門和與非門.

邏輯門；相移光柵；交叉相位調制；全光開關

0 引 言

光纖光柵由于其體積小、焊接損耗低、抗干擾能力強、抗電磁干擾能力強、化學穩(wěn)定性和電絕緣性等特性被廣泛研究[1]，而非線性光纖光柵的一個重要應用是全光開關[2]，在全光開關中，光信號被另一個光信號直接控制.由于克爾效應是瞬時的，且損耗很小，所以可以用來構建全光開關和邏輯門.由于要實現傳統(tǒng)光纖上的光開關，其非線性系數很小，對相互作用長度要求高，超過一萬米.所以實際應用中要縮短作用長度，最初使用偏振保持光纖(PM)，后來從氧化鉍到之后的鍺氧化物纖維，這些材料被用于各種設備之中，非線性光纖環(huán)鏡(NOLM)可以大幅度縮短相互作用長度[3].非線性布拉格光柵開關是無源元件，主要包括交叉相位調制開關[4].本文基于相移光柵中的交叉相位調制，通過改變兩個泵浦光的組合，在相移光柵無相移量時，實現了不同的邏輯功能.相移光柵材料中的克爾非線性作用將產生相移，基于相移光柵中交叉相位調制的全光邏輯門可以降低光開關的功率門限值，同時抗干擾能力強，利用這種光的克爾效應構造出的全光邏輯門可以應用于非線性定向耦合器[5]、非線性光纖環(huán)鏡[6]、珀羅激光二極管[7].

1 理論模型

基于相移光柵中交叉相位調制的全光邏輯門模型如圖1所示.

圖1 基于相移光柵中交叉相位調制的全光邏輯門模型

波長1 550 nm的弱連續(xù)光和波長980 nm的泵浦光P1，P2一起耦合進入耦合器,相移光柵都由摻鉺光纖構成.雙泵的波長遠離該區(qū)域的光子帶隙，而弱的連續(xù)光的波長在光子帶隙的附近.因此，泵浦光將保持在通道中，最后從耦合器輸出.

根據麥克斯韋電磁理論，忽略時間導數項，得到如下耦合模方程[8]：

(1)

(2)

最終利用傳輸矩陣來表示輸入與輸出的關系如下：

(3)

其中，M11=m112eiφ+m12m21e-iφ，M12=m11m12eiφ+m12m22e-iφ，

為了解以上方程，假設邊界條件為v2L=0，得到結果：

(4)

定義透射率T和反射率R來描述開關特性：

(5)

最終，定義消光比來判斷系統(tǒng)的邏輯功能：

(6)

用dB作單位，式(6)可以改寫成如下形式：

Xratiouv=10lgXuv,Xratiovu=10lgXvu.

(7)

2 邏輯特性及功能分析

仿真中相移光柵的相移量φ為0，弱連續(xù)光的波長為1 550 nm，泵浦光P1和P2的波長為850 nm，初始相位φ1和φ2都為0，相移光柵的非線性系數為γ=1.5×103w-1/km，弱連續(xù)光的功率為Pu=1 mW，泵浦光功率的變化范圍為0到800 W，前后向波的耦合系數為r1=5 cm-1，相移光柵的總長度為2L=4 mm.

圖2為光譜的透射率與波長失諧量的關系圖，由圖2可以看出，Δλ=0附近，透射率低，當波長失諧量遠離零點時，透射率較高，仿真中弱連續(xù)光的波長失諧量設為Δλ=0.01 nm.

圖2 透射率與波長失諧量的關系圖

圖3為透射率和反射率隨泵浦光功率變化的曲線圖.圖3中，泵浦光P1從端口A1進入，同時弱連續(xù)光通過波分復用器進入，泵浦光P2從端口A2射入，總的泵浦光功率為P=P1+P2.隨著泵浦光功率的提高，將產生由克爾效應形成的交叉相位調制，當泵浦光的功率達到248.2 W，連續(xù)光的輸出路徑發(fā)生改變，此時的泵浦功率為門限值，即Ppth=248.2 W，接下來，用此門限值將泵浦光功率歸一化p1=P1/Ppth，p2=P2/Ppth，p=P/Ppth.如果泵浦光功率大于門限值，將實現開關效應.圖4為消光比隨泵浦光功率變化的曲線圖.圖4中，當泵浦光功率為0 W時，光柵反射大部分弱連續(xù)光到端口B，當p<1，消光比Xratiouv小于0，當p>1，消光比Xratiouv大于0.這意味著泵浦光改變了開關特性，弱連續(xù)光從反射端口B切換到從透射端口C輸出.

圖3 透射率和反射率隨泵浦光功率變化的曲線圖

圖4 消光比隨泵浦光功率變化的曲線圖

表1給出了邏輯門的真值表，“1”代表有泵浦光的存在，“0”表示無泵浦光輸入，可見(0，0)的輸入功率組合下，大部分弱連續(xù)光被反射，此時消光比Xratiouv為-11.13 dB，相對應的反射率為92.85%，透射率為7.15%，端口C處于關閉狀態(tài)，而端口B為開啟狀態(tài).對于(0,1)和(1,0)輸入組合下大部分弱連續(xù)光仍被反射，消光比Xratiouv為-7.341 dB，對應的反射率為84.4%，透射率為15.6%，端口C處于關閉狀態(tài)，而端口B為開啟狀態(tài).對于(1,1)，消光比Xratiouv為118.4 dB，所有的弱連續(xù)光近乎都透射出，反射率接近0%，透射率接近100%，因此端口C為開啟狀態(tài)，對應邏輯值1，端口B關閉，對應邏輯值0.最終實現了與門和與非門.根據表1，得到結論，利用交叉相位調制，可以將信息從泵浦光上轉移到弱連續(xù)光之上，實現與門和與非門.

表1 光邏輯門的真值表

3 結束語

本文利用相移光柵中的交叉相位調制，實現了諸如非門、與門和與非門的邏輯門.用一束激光(泵浦光)對弱信號光進行交叉相位調制，可以實現對另一束光(信號光)的透射系數進行控制.研究結果表明，利用相移光柵交叉相位調制效應，結合消光比曲線，可以實現多種不同的邏輯功能，滿足了實際應用的多樣性要求.同時利用高非線性光纖能有效減少光開關的閾值功率，使之適用于光通信實際應用.在以后的實驗研究中，將通過選擇合適的高非線性光柵和相應的參數來發(fā)現相應的邏輯門，進一步研究相移光柵存在不同相移量時對于開關閾值功率的影響.

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SONG Junfeng, LI Qiliang, CHEN Xin

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

All-optical Logic Gates Based on Cross Phase Modulation Effect in a Phase-shifted Grating

In this paper, the theory of all optical logic gates based on cross phase modulation in phase shifted grating is studied. The switching characteristic of the device is studied, and the output switching of the weak continuous wave is controlled by the pump light, and the optical information of the pump is transmitted to the continuous light. By changing the combination of the two pump, calculate the extinction ratio. According to the extinction ratio, achieve logic gate function, when the phase shift of the phase shifted grating is zero, it realizes the and gate and a NAND gate.

logic gate; phase-shifted grating; cross phase modulation; all optical switching

10.13954/j.cnki.hdu.2017.02.005

2016-05-06

國家自然科學基金資助項目(10904028)；浙江省自然科學基金資助項目(Y1110078)

宋俊峰(1989-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，光纖通信學.通信作者：李齊良教授，E-mail:liqiliang@sina.com.

TN253

A

1001-9146(2017)02-0019-04