基于loa-xgm的全光邏輯異或門的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及全光通信邏輯運(yùn)算技術(shù)領(lǐng)域。具體講，涉及基于線性光放大器交叉增 益調(diào)制L0A-XGM的全光邏輯異或門（X0R)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光計(jì)算是用光子代替電子進(jìn)行大容量信息處理。由于光的并行性和高速性等物理 性質(zhì)，有可能開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子技術(shù)的高性能信息處理系統(tǒng)。因此光計(jì)算已成為引人注目 的研宄領(lǐng)域。光計(jì)算將成為未來全光信息網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)，使用全光信號(hào)處理技術(shù)的光網(wǎng) 絡(luò)將是未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。而全光邏輯門又是光計(jì)算的關(guān)鍵功能，它可以用于實(shí)現(xiàn)全光 頭信號(hào)提取、全光地址識(shí)別、標(biāo)簽交換、數(shù)據(jù)編碼、奇偶效驗(yàn)、信號(hào)再生以及全光開關(guān)等。光 計(jì)算所要解決的首要問題就是要在光域?qū)崿F(xiàn)這些原來由電子技術(shù)完成的邏輯運(yùn)算。學(xué)者們 利用半導(dǎo)體光放大器和線性光放大器各種調(diào)制方式設(shè)計(jì)了多種邏輯門以滿足全光通信的 邏輯運(yùn)算需求。
[0003] 線性光放大器（linear optical amplifier/LOA)是一種新型的光放大器，因?yàn)?其良好的線性增益特性，十分適合用作實(shí)現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換以及全光邏輯功能，比傳統(tǒng)的S0A更 能實(shí)現(xiàn)大容量、高速率的信息處理。由于傳統(tǒng)的S0A在用于交叉增益調(diào)制（XGM)波長轉(zhuǎn)換 時(shí)，常工作在增益飽和區(qū)，在多信道情況下，可能出現(xiàn)嚴(yán)重的串?dāng)_。L0A利用有源區(qū)兩側(cè)的 分布式布拉格反射鏡OBR)對入射光的增益形成了鉗制，使L0A能更好地應(yīng)用于多信道系 統(tǒng)。Leuthold的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了 L0A用于波長轉(zhuǎn)換時(shí)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的。交叉增益調(diào)制 (XGM)其工作原理為：兩路信號(hào)光A和可調(diào)諧激光器提供的連續(xù)光（探測光）送入L0A。在 L0A中可以實(shí)現(xiàn)基于XGM效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換，信號(hào)光攜帶的信息會(huì)轉(zhuǎn)換到探測光上，但輸出與 原信號(hào)反相的信號(hào)，如圖1所示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服技術(shù)的不足，利用線性光放大器（L0A)的交叉增益調(diào)制（XGM)機(jī)制來實(shí)現(xiàn) 全光邏輯異或門的運(yùn)算。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于L0A-XGM的全光邏輯異或 門，由4個(gè)線性光放大器11^1、11^2、11^3、11^4,4個(gè)濾波器，加法器構(gòu)成，波長為人 1作為探 測光的連續(xù)光CWJP波長為X 2作為強(qiáng)抽運(yùn)光的信號(hào)光A-起注入線性光放大器L0A1，形成 線性光放大器L0A1輸出為Z;波長為A i作為探測光的連續(xù)光CW和波長為X 3作為強(qiáng)抽運(yùn) 光的信號(hào)光B -起注入線性光放大器L0A2,形成線性光放大器L0A2輸出為S ;線性光放大 器L0A1輸出信號(hào)光A作為強(qiáng)抽運(yùn)光，線性光放大器L0A2輸出的S作為探測光，一起注入線 性光放大器L0A3,形成線性光放大器L0A3的輸出為A. fi = A. fl，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光A和云的 邏輯與運(yùn)算；線性光放大器L0A1輸出信號(hào)光1作為探測光，線性光放大器L0A2輸出的亙作 為強(qiáng)抽運(yùn)光，一起注入線性光放大器L0A4,形成線性光放大器L0A4的輸出為= ， 即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光Z和B的邏輯與運(yùn)算；將線性光放大器L0A3和L0A4輸出到加法器后加法 器輸出結(jié)果A ? B為；前述每個(gè)線性光放大器均通過對應(yīng)的一個(gè)濾波器形成輸出。
[0005] 連續(xù)光CW功率P = 3mw，波長人丨=1530nm，信號(hào)光A和B的功率P = 10mw，
[0006] 波長 X 2>1560nm，X 3>1560nm。
[0007] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)與效果：
[0008] 本文在發(fā)明人前期對于基于LOA-XGM全光邏輯運(yùn)算研宄的基礎(chǔ)上，提出了基于 LOA-XGM原理來實(shí)現(xiàn)全光邏輯異或門的方案，并從LOA有源區(qū)內(nèi)載流子密度、垂直光場光 子密度速率方程以及光功率傳輸方程出發(fā)，通過Simulink建模計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了 LOA全光邏 輯異或門的運(yùn)算；研宄結(jié)果表明：適當(dāng)選擇輸入探測光波長在1530nm，抽運(yùn)光波長在大于 1560nm范圍內(nèi)時(shí)，可以獲得很好的邏輯輸出結(jié)果；適當(dāng)?shù)倪x擇連續(xù)光CW的光功率，也有利 于改善最后的輸出結(jié)果。
【附圖說明】
[0009] 圖1基于LOA-XGM波長轉(zhuǎn)換示意圖；
[0010] 圖2全光邏輯異或運(yùn)算的理論模型圖；
[0011] 圖3全光邏輯異或運(yùn)算的simulink建模圖；
[0012] 圖4全光邏輯異或運(yùn)算結(jié)果。
[0013] 圖中及下文：activemedium:有源區(qū)激活介質(zhì)
[0014] Highly reflecting DBR mirrors forming vertical cavity :高反射率分布布拉 格反射鏡形成的垂直腔
[0015] product :乘法器
[0016] scope:波形觀測器
[0017] display:數(shù)據(jù)運(yùn)行窗口。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 基于LOA-XGM原理的邏輯門工作原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明提出了實(shí)現(xiàn)兩路信 號(hào)的全光邏輯異或運(yùn)算的方案。利用Simulink建模，模擬了 L0A全光邏輯異或門運(yùn)算的結(jié) 果。將4個(gè)L0A分兩組級(jí)聯(lián)，L0A1和L0A2為第一級(jí)輸入輸出，L0A3和L0A4為第二級(jí)輸入 輸出。作為探測光的連續(xù)光CW(波長：A J和作為強(qiáng)抽運(yùn)光的信號(hào)光A (波長：A 2) -起注 入L0A1，同樣作為探測光的連續(xù)光CW (波長：A J和作為強(qiáng)抽運(yùn)光的信號(hào)光B (波長：入3) 一起注入L0A2,當(dāng)信號(hào)光A和B為比特"1"時(shí)，會(huì)消耗L0A1載流子密度，CW經(jīng)過L0A1和 L0A2被飽和吸收，輸出為"0";只有當(dāng)信號(hào)光A和B為比特"0"時(shí)，CW才能經(jīng)過L0A1和L0A2 得到放大，輸出為"1"，因此第一級(jí)L0A1輸出為A，第一級(jí)L0A2輸出為云；當(dāng)?shù)谝患?jí)L0A1 輸出信號(hào)光A作為強(qiáng)抽運(yùn)光，第一級(jí)L0A2輸出的5作為探測光時(shí)，第二級(jí)L0A3的輸出為 3.5 = A.!，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光A和云的邏輯與運(yùn)算；當(dāng)?shù)谝患?jí)L0A1輸出信號(hào)光了作為探 測光，第一級(jí)L0A2輸出的萬作為強(qiáng)抽運(yùn)光時(shí)，第二級(jí)L0A4的輸出為A. fl = A. fl，即實(shí)現(xiàn)了 信號(hào)光A和B的邏輯與運(yùn)算；最后將第二級(jí)L0A3和L0A4的輸出結(jié)果相加即得到A ? B，如 圖2所示。在利用Simulink建模易于模型搭建的優(yōu)點(diǎn)上，利用四個(gè)LOA分兩組級(jí)聯(lián)進(jìn)行結(jié) 構(gòu)搭建，如圖3所示。兩束進(jìn)入L0A的探測光和抽運(yùn)光的功率大小以及輸入光波長是影響 邏輯運(yùn)算的重要參數(shù)，選取最優(yōu)參數(shù)設(shè)置通過數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的全光邏輯異或的運(yùn)算 如圖4所示。A和B兩路信號(hào)的邏輯異或運(yùn)算真值表如表1所示。
[0019] 選取探測光CW光功率P = 3mw，波長X = 1530nm，信號(hào)光A和B的光功率P = l〇mw，波長A <1560nm時(shí)，輸出邏輯異或運(yùn)算結(jié)果有較大的失真；探測光CW功率P = 3mw， 波長入=1530nm，信號(hào)光A和B的功率P = 10mw，波長A >1560nm時(shí)，輸出邏輯異或運(yùn)算 結(jié)果較優(yōu)；選取探測光CW光功率過大或過小，也會(huì)造成輸出邏輯異或運(yùn)算結(jié)果有較大的失 真。因此，探測光和信號(hào)光的功率和波長的選取是直接影響邏輯異或輸出運(yùn)算結(jié)果的重要 參數(shù)。
[0020] 本文在發(fā)明人前期對于基于L0A-XGM全光邏輯運(yùn)算研宄的基礎(chǔ)上，提出了基于 L0A-XGM原理來實(shí)現(xiàn)全光邏輯異或門的方案，并從L0A有源區(qū)內(nèi)載流子密度、垂直光場光 子密度速率方程以及光功率傳輸方程出發(fā)，通過Simulink建模計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了 L0A全光邏 輯異或門的運(yùn)算；研宄結(jié)果表明：適當(dāng)選擇輸入探測光波長在1530nm，抽運(yùn)光波長在大于 1560nm范圍內(nèi)時(shí)，可以獲得很好的邏輯輸出結(jié)果；適當(dāng)?shù)倪x擇連續(xù)光CW的光功率，也有利 于改善最后的輸出結(jié)果。
[0021] 表1邏輯X0R的真值表
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于LOA-XGM的全光邏輯異或口，其特征是，由4個(gè)線性光放大器LOAl、L0A2、 10八3、11^4,4個(gè)濾波器，加法器構(gòu)成，波長為^1作為探測光的連續(xù)光〔￥和波長為^2作為 強(qiáng)抽運(yùn)光的信號(hào)光A-起注入線性光放大器L0A1，形成線性光放大器L0A1輸出為A;波長 為A1作為探測光的連續(xù)光CW和波長為A3作為強(qiáng)抽運(yùn)光的信號(hào)光B-起注入線性光放 大器L0A2,形成線性光放大器L0A2輸出為玄；線性光放大器L0A1輸出信號(hào)光才作為強(qiáng)抽 運(yùn)光，線性光放大器L0A2輸出的5作為探測光，一起注入線性光放大器L0A3,形成線性光 放大器L0A3的輸出為= ，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光A和云的邏輯與運(yùn)算；線性光放大器 L0A1輸出信號(hào)光A作為探測光，線性光放大器L0A2輸出的5作為強(qiáng)抽運(yùn)光，一起注入線性 光放大器L0A4,形成線性光放大器L0A4的輸出為/I.公=/I.fi，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光^和B的 邏輯與運(yùn)算；將線性光放大器L0A3和L0A4輸出到加法器后加法器輸出結(jié)果為A?B;前述 每個(gè)線性光放大器均通過對應(yīng)的一個(gè)濾波器形成輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于L0A-XGM的全光邏輯異或口，其特征是，連續(xù)光CW功率P =3mw，波長Ai= 1530皿，信號(hào)光A和B的功率P=lOmw，波長A2〉1560皿，^3〉1560皿。
【專利摘要】本發(fā)明涉及全光通信邏輯運(yùn)算技術(shù)領(lǐng)域，為利用線性光放大器(LOA)的交叉增益調(diào)制(XGM)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)全光邏輯異或門的運(yùn)算。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于LOA-XGM的全光邏輯異或門，由4個(gè)線性光放大器LOA1、LOA2、LOA3、LOA4，4個(gè)濾波器，加法器構(gòu)成，波長為λ1作為探測光的連續(xù)光CW1和波長為λ2作為強(qiáng)抽運(yùn)光的信號(hào)光A一起注入線性光放大器LOA1，形成線性光放大器LOA1輸出為；波長為λ1作為探測光的連續(xù)光CW和波長為λ3作為強(qiáng)抽運(yùn)光的信號(hào)光B一起注入線性光放大器LOA2，形成線性光放大器LOA2輸出為。本發(fā)明主要應(yīng)用于全光通信邏輯運(yùn)算。
【IPC分類】G02F3-00
【公開號(hào)】CN104849939
【申請?zhí)枴緾N201510227422
【發(fā)明人】李茜, 金杰, 張強(qiáng), 劉青爽
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月6日