（信号与信息处理专业论文）基于各种非线性效应的全光逻辑门研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于各种非线性效应的全光逻辑门研究 摘要 全光信号处理技术成为高速光通信网络和光计算的关键技术，全光逻辑门是全光信号 处理技术的重要组成部分，对未来的光分组交换、全光波长变换、光计算等方面具有十分 深远的影响。半导体光放大器( s o a ) 和光纤等非线性材料可产生多种非线性效应，如交叉 增益调制( x g m ) 效应，交叉相位调n ( x p m ) 效应和四波混频( f w m ) 等，可用来实现光逻辑 功能。 本文以分析s o a 的理论模型为出发点，对s o a 和光纤的各种非线性特性进行了理论分 析，并应用s o a 和光纤的非线性效应仿真实现了几种全光逻辑门，具体工作如下： ( 1 ) 研究了半导体光放大器的交叉增益调制、交叉相位调制及四波混频几种非线性效 应和应用。 ( 2 ) 从半导体光放大器的载流子速率方程和光功率的传输方程出发，采用s o a 的分段 模型，用数值方法模拟了s o a 的非线性增益饱和特性，并对结果进行了分析。在对 s o a x g m 理论分析的基础上，对光信号与s o a 的相互作用进行了仿真。 ( 3 ) 研究了基于s o a 的x g m 效应的全光逻辑或非门的工作原理，仿真实现了1 0 g b s 信 号的逻辑或非运算，通过分析仿真结果探讨了各种参数对逻辑门性能的影响。 ( 4 ) 研究了基于s o a 的x g m 和f w m 效应的全光逻辑与门的工作原理，仿真实现了 1 0 g b s 信号的逻辑与运算，通过分析仿真结果探讨了各种参数对逻辑门性能的影响。最后 通过让s o a 始终工作在饱和状态，提出了一种抑制基于s o a f w m 的逻辑与门码型效应的 方法。 ( 5 ) 研究了基于非线性光纤的f w m 和x p m 效应的全光逻辑门的工作原理，分析了色散 系数和光纤长度等因素对基于f i b e 卜f w m 逻辑门的影响。 混频 关键词：全光逻辑门，半导体光放大器，光纤，交叉增益调制，交叉相位调制，四波 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho na l l o p t i c a ll o g i cg a t e s b a s e do ns e v e r a ln o n l i n e a re f f e c t s a b s t r a c t a l l o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gi st h ek e yt e c h n o l o g yf o rh i g h - s p e e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k sa n do p t i c a lc o m p u t i n g t h eo p t i c a ll o g i cg a t e sa sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fo p t i c a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，h a v ef a r - r e a c h i n gi n f l u e n c eo nf u t u r eo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，a l l o p t i c a l w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n , o p t i c a lc o m p u t i n ga n ds oo n s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) a n df i b e rc a np r o d u c ea v a r i e t yo fn o n l i n e a re f f e c t s ，s u c ha sc r o s s - g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) e f f e c t , c r o s s p h a s em o d u l a t i o nf x p m ) e f f e c ta n df o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) a n ds oo n t h i s c a nb eu s e dt or e a l i z eo p t i c a ll o g i cf u n c t i o n s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et h e o r e t i c a lm o d e lo fs o a ，at h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h e n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fs o aa n df i b e ri sg i v e ni n t h i sp a p e r , a n du s i n gt h e i ra p p l i c a t i o n s i m u l a t e sa l l o p t i c a ll o g i cg a t e s t h em a i nc o n t e n t sa l el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e o r yr e s e a r c ho fs e v e r a ln o n l i n e a re f f e c t sa n da p p l i c a t i o no fs e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ( s o a ) s u c ha sc r o s s - g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) e f f e c t ，c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) e f f e c ta n df o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) i s g i v e n ( 2 ) b a s e do nt h ec a r r i e rd e n s i t yr a t ee q u a t i o n ，o p t i c a lp o w e rp r o p a g a t i o ne q u a t i o na n d s e c t i o n a lm o d e lo fs o a ，t h en o n l i n e a rg a i ns a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o aa r es i m u l a t e di n n u m e r i c a l ，a n dt h er e s u l t sa l ea n a l y z e d b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i so fs o a x g m ，t h e s i m u l a t i o n sa r et a k e nf o rt h el i g h ti n t e r a c t i o nw i t ht h es o a ( 3 ) as c h e m ef o ra l l - o p t i c a ln o rg a t eb a s e do ns o a x g mi si n v e s t i g a t e d a l l o p t i c a l n o r g a t eo fs i g n a l sa t1 0 g b si sr e a l i z e db ys i m u l a t i n g s o m ek e yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e o u t p u tp e r f o r m a n c ea led i s c u s s e db ya n a l y s i n gs i m u l a t i n gr e s u l t s ( 4 ) as c h e m ef o ra l l o p t i c a ln o rg a t eb a s e do ns o a x g ma n ds o a f w mi si n v e s t i g a t e d a l l o p t i c a ln o rg a t eo fs i g n a l sa t10 g b si sr e a l i z e db ys i m u l a t i n g s o m ek e yf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c eo u t p u tp e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e db ya n a l y s i n gs i m u l a t i n gr e s u l t s f i n a l l yt h ep a p e rp r o p o s e s 浙江i 业大学硕士学位论文 am e t h o do fd e p r e s s i n gt h ep a t t e r ne f f e c ti nl o g i ca n db a s e do ns o a f w mb ym a k i n gs o aw o r ki n s a t u r a t i o ns t a t ea l lt h et i m e ( 5 ) as c h e m ef o ra l l o p t i c a lg a t eb a s e do nf i b e r - f w ma n df i b e r x p mi si n v e s t i g a t e d s o m ek e yf a c t o r s ，s u c ha sd i s p e r s i o n ，l e n g t ho ff i b e r ，w h i c hi n f l u e n c eo u t p u tp e r f o r m a n c eo f l o g i ca n dg a t eb a s e do nf i b e r - f w m a r ed i s c u s s e d 。 k e yw o r d s ：a l l o p t i c a ll o g i cg a t e ，s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) ，f i b e r ， c r o s s - g a i nm o d u l a t i o n ( x g m ) ，c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) ，f o u r - w a v em i x i n g ( f w m ) 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：万抽日期：2 0 0 9 年n 月1 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：飞枷 导师签名：督i5 椤亏 日期：2 0 0 9 年11 月l o 日 日期：2 0 0 9 年11 月1 0 日 浙江工业火学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1全光逻辑门的研究意义 本世纪是一个由高速网络构成的信息时代，互联网用户对信息的需求量将会愈来愈 大，v i d e o p h o n e 、i p t v 、t e l e m e d i c i n e 等各类基于高速网络的新型业务正在雨后春笋般蓬 勃发展。但是在基于电子技术的通信网中，负责信息交换的各个节点必须能够完成光电 光的复杂转换，而且电子器件也存在工作上限速率限制的问题，无法满足网络传输速率和 信息格式透明的要求【l 】，出现了诸如带宽受限、串话严重等直接影响通信质量的现象，也 就是经常说的“电子瓶颈”。所以，人们渐渐地就把目光转向光纤通信领域，发现基于光纤 的全光网络能提供大容量传输及高速信息处理的能力，避免“电子瓶颈”的现象，可以在未 来相当长的一段时间内适应高速b i s d n 的需求。 所谓全光网络，是指信号只是在进出网络时才进行光，电以及电光之间的转换，而在 传输和交换的过程中始终以光的形式存在，利用电路方法实现控制部分。由于光器件技术 的局限性，目前全光网络的覆盖范围还很小，要扩大网络覆盖范围，还必须通过光电转换 来消除光信号传输过程中积累的损伤、进行网络维护、控制和管理。因此，所说的“光网络” 是由高性能的光电转换设备连接大量全光透明子网的集合，但是目前进行全光信号处理、 对真正网络全光化的研究仍处于实验室阶段【2 】。而可以实现包括光开关、光判决、光再生 和光计算等在内的全光逻辑门是全光信号处理的关键器件之一。 全光逻辑门在很多具有交换功能的单元中都起着至关重要的作用，因为全光分组头处 理、时钟提取、信号再生、光分组路由以及光信号编码等节点功能的实现都要依靠全光逻 辑器件。可以说全光逻辑器件己经成为决定光分组交换网发展趋势的关键因素之【3 】，最 近几年来成为国内外学者广泛研究的热点。全光逻辑门主要是利用高非线性光纤和半导体 光放大器( s o a ) 的非线性效应实现的，特别是s o a ，因为它不但具备良好的非线性效应， 并且具有很高的可集成性，相当适合实现全光逻辑功能【4 1 。 1 2全光逻辑门的研究现状及实现方案 在基于半导体光放大器实现全光逻辑门的研究领域，国外科研水平一直处于领先地 位，国内的研究相对比较滞后，尚处于起步阶段。基于各种非线性效应的全光逻辑门，根 浙江工业大学硕士学位论文 据实现原理的不同，可以分为基于交叉增益调制( x g m ) 效应，基于交叉相位调制( x p m ) 效 应以及基于四波混频( f w m ) 效应的全光逻辑门。 以下是目前几种常见的根据不同非线性效应的全光逻辑门的实现方案。 ( 1 ) 利用半导体光放大器的交叉增益调制效应，实现“异或”功能【5 6 j 。 a b + a b 图1 1基于s o a x g m 的全光逻辑异或门示意图 利用半导体光放大器的交叉增益调制效应，实现“异或”功能，示意图如图1 1 所示。光 强较大的泵浦光从s o a 右侧进入，光强较小的探测光从放大器左侧进入。s o a l 中，当信 号a 和b 都为“l ”码时，s o a l 中的大部分载流子被信号b 得到，进入s o a l 的信号a 则被饱和 吸收，所以s o a l 右端可以视为没有信号输出，即为“0 ”码，s o a l 右端无输入时，信号a 才 能吸收载流子而被放大，输出为“1 ”码。实质上s o a l 实现了a 百。同理，s o a 2 可实现五b 。 最后将这两个s o a 输出的信号耦合，也就实现了异或x o r = a 百+ 五b 。 ( 2 ) 利用两个级联半导体光放大器的交叉增益调制效应，实现“或非”和“与”功能t 7 - 9 1 。 c w ( x 0 硒) b ( 蝴 图1 2 基于s o a x g m 的全光逻辑与门以及或非门示意图 利用两个级联半导体光放大器的交叉增益调制效应，实现“或非”和“与”功能，示意图 如图l 一2 所示。连续探测光c w m ) 和泵浦信号光a ( 也) 同时射入第一级半导体放大n ( s o a l ) ， 用滤波器l 选择输出波长为九l 的信号。当信号光a 为“l ”码时，大量消耗s o a l 有源区内的载 流子，探测光经过s o a l 时被饱和吸收，输出为“0 ”：当信号光a 为“0 ”码时，连续光才能 2 浙江工业人学硕士学位论文 经过s o a l 得到放大，输出为1 ，因此s o a l 的输出为五。再将五与b ( b ) 同时射入第二级 半导体放大- 器( s o a 2 ) ，根据五与b ( b ) 功率的关系分为2 种不同的情况： ( i ) 五 b ( b ) ，即五( 九1 ) 作为泵浦光，b ( b ) 作为探测光时，五调制s o a 2 的载流子，用 滤波器2 选择输出波长为b 的信号。与s o a l 同理，当五为0 码时，b 才能通过s o a 2 得到放 大，因此s o a 2 的输出为a b ( b ) ，即实现了两路信号光a 和b 的逻辑与。 ( i i ) a 一 图4 2 信号a 、信号b 以及逻辑或非的波形 4 3 结果讨论 根据3 2 节的讨论，输入光功率、s o a 的注入电流等因素对s o a 的x g m 效应影响较大， 以下我们就分别从这些方面讨论影响全光逻辑或非门的因素。定义输出消光比 e r ( e x t i n c t i o nr a t i o ) 作为判别逻辑门性能的标准。输出消光比e r 定义如下【2 7 】： e r ：1 0 1 9 型! 坠：! ! i i l a x ( 只u l o ) 其中，m i n ( p o 。t 1 ) 是输出结果为“l ”时的最小峰值功率，m a x ( p o u t , o ) 是输出结果为“0 ”时 浙江工业大学硕士学位论文 的最大峰值功率。显然，e r 越大，逻辑门性能越好。 4 3 1 信号光功率的影响 信号光a 和信号光b 为1 0 g b s 的高斯周期信号，其码型分别为“1 1 1 0 1 1 0 0 ”和 “0 1l10 110 ”，s o a 注入电流i - - - 2 5 0 m a ，连续光功率p c w = 5 m w ，改变信号光的功率尸a = p b - - 2 0 m w 、p a - - - p b3 0 m w 和p a = p b = 4 0 m w ，图4 3 中从上到下分别为信号光功 率为2 0 r o w 、3 0 m w 和4 0 m w 时的输出波形。 00 2 0 4 0 6 r m a e 舢) 图4 3 信号光功率取不同值时的输出信号波形 对比以上各图可以发现，在连续光功率和s o a 注入电流不变的前提下，适度增大信号 光功率，可以提高逻辑门性能。因为信号光功率越大，对s o a 的调制程度越深，交叉增益 调制的效果越明显，同时输出功率也有所减低。 口口h 口口i ， 口 口冠 口o l ， o o o 一 口o i o 盆玄5h耋 浙江：l ：业大学硕士学位论文 4 3 2 连续光功率的影响 信号光a 和信号光b 为1 0 g b s 的高斯周期信号，其码型分别为“1 1 1 0 1 1 0 0 ”和 “0 1 11 0 11 0 ”，s o a 注入电流i = 2 5 0 r n a ，信号光的功率p a = p b = 2 0 m w ，改变连续光功率 p 伽= 5 m w 、p o w = 7 m w 和p 。w = 9 m w ，图4 4 中从上到下分别为连续光功率为5 m w 、7 m w 和9 r o w 时的输出波形。 o o o o o o o 譬“ 差曼 o o 口 一 o o r 口 0 0 4 0 6o g t i m e 如) 图4 - 4 连续光功率取不同值时的信号波形 对比以上各图可以发现，在信号光功率和s o a 注入电流不变前提下，增大连续光功率， 逻辑门性能有所下降。因为如果连续光的功率过高，信号光对连续光的抑制就不够深刻， 本应该是“0 ”码的位置会有较大的输出功率，从而降低逻辑门的性能。 通过4 3 1 和4 3 2 节的讨论，适当增加信号光和连续光的功率差可以有效提高逻辑门的 性能。图4 5 是不同连续光功率下，输出消光比以及消光比增值( 连续光功率为3 m w ) 随信 号光功率变化曲线。图4 6 是不同连续光功率下，输出的“l ”和“0 ”码功率随信号光功率变化 曲线。 浙江- t 业大学硕士学位论文 0 8 0 0 7 5 0 7 0 o 6 5 o 6 0 0 5 5 0 5 0 0 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 o 2 5 0 2 0 o 15 0 1o 信号光功率( r a w ) 图4 - 5不同连续光功率下，消光比以及消光比增值阶3 r o w ) 随信号光功率变化曲线 e 、一， c 芎 o 1 2 信号光功率( r a w ) 图4 6 不同连续光功率下，输出“l ”和“0 ”码功率随信号光功率变化曲线 ( 实心表示i ，空心表示。o ) 卫 呈 ， 口 兮 毛 由图4 5 可以看出，当连续光功率为3 r o w 时，转换信号的输出消光比会随着信号光功 率的增加而增加，这种变化幅度随着信号光功率的增大而逐渐减小( 图4 5 中的空心曲线表 示连续光功率为3 r o w 时，消光比增值随信号光功率变化曲线，整体呈下降趋势) 。观察图 2 9 蘸x盯毹一db一 一日pf=i隶蹇 浙江工业人学硕士学位论文 中连续光功率为3 m w 的曲线以及2 m w 、1 5 r o w 和l m w 的上升部分的曲线，发现连续光功 率越小，消光比随着信号光功率的增加而增加的趋势越明显，也就是说减小连续光的功率 有利于消光比的提高。转换信号的消光比主要由“1 ”码和“0 ”码的功率差决定，获得较大的 消光比，就应该减小转换信号的“0 ”码功率，增大“l ”码功率。但是输出的“1 ”码功率受n s o a 本身放大增益的限制，不能无限制增大。观察图4 6 中与图4 5 上升曲线对应的部分，“0 ”码 功率降低的幅度大于“l ”码功率降低的幅度，可见此时信号的消光比主要由“0 ”码功率的变 化决定的，应该通过减小转换信号的“0 ”码功率获得高消光比。“0 ”码功率对应的数学表达 式为【2 8 】： p o 耐o = g s i g n a l l 其中p o u t 0 为转换信号的“0 ”码功率，r w 为连续光功率，g , i 鲫。il 为信号光为“1 ”码时s o a 的增 益。根据上式可以得到，想要减小转换信号的“0 ”码功率，一方面可以减小只w ，另一方面 可以减 j 、g s i g n a l1 ，减小g s i 鲫。il 可以通过增大信号光功率来实现。所以增大信号光功率和减 小连续光功率，都可以提高转换信号的消光比。 但是当连续光功率分别为2 m w 、1 5 r o w 和l m w 时，持续增加信号光功率，消光比会在 某个信号光功率处开始降低，且连续光功率越小，拐点对应的信号光功率越小。原因是此 时消光比主要是由“l ”码功率变化决定的。观察图4 6 中与图4 5 下降曲线对应的部分，“l ” 码功率降低的幅度大于“0 ”码功率降低的幅度，可见此时信号的消光比主要是由“l ”码功率 变化决定的。所以通过过分减小连续光功率来增加信号光和连续光的功率差就会导致“1 ” 码的输出功率过小，也是不利于提高消光比的。 4 3 3s o a 注入电流的影响 信号光a 和信号光b 为1 0 g b s 的高斯周期信号，其码型分别为“1 1 1 0 1 1 0 0 ”和 o l l1 0 11 0 ”，信号光的功率p a = p s = 1 0 m w ，连续光功率p c w = 5 m w ，改变s o a 注入电流 i - - 2 5 0 m a 、i = 3 5 0 m a 和i - - 4 5 0 m a ，图4 7 中从上到下分别为s o a 注入电流为2 5 0 m a 、 3 5 0 m a 和4 5 0 m a 时的输出。 浙江工业大学硕士学位论文 o o o o 口 。 口 n 重虽 量虽 o o o 寸 o o n o o “ o o o 0 0 2 0 4 0 6 0 8 t i m e o u ) 图4 7 不同注入电流情况下的输出信号波形 对比以上各图可以发现，在信号光功率和连续光功率不变前提下，增大s o a 注入电 流，逻辑门性能有所提高，主要是因为增大s o a 注入电流可以提高“l ”码的输出功率。 s o a 注入电流( a ) 图4 8 消光比随s o a 注入电流变化曲线 一3 1 浙江丁业人学硕士学位论文 图4 - 9 为综合考虑信号光功率、连续光功率和s o a 注入电流三种影响因素并且对这 三种因素适当取值，得到的逻辑门输出消光比曲线，与前面的讨论一致。 、 g v j j l 采 颦 信号光功率( m w ) 图4 9 不同连续光功率和s o a 注入电流，消光比随信号光功率变化曲线 4 3 4 s o a 的内部结构参量对逻辑门性能的影晌 下面研究- j s o a 的内部结构参量对逻辑门性能的影响。图4 1 0 ( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 分别 是消光比随s o a 长度，宽度，高度和线宽增强因子c 【变化曲线。 观察图4 1 0 ( a ) 可以发现，增大s o a 的长度，有利于改善逻辑门的性能，但是s o a 的 长度超过一定值后，逻辑门的性能不再有明显提高，反而有下降的趋势。主要是因为s o a 长度过长，信号就会有比较严重的损耗。 观察图4 1 0 ( b ) 可以发现，逻辑门的性能随s o a 的宽度增加单调下降，宽度越窄，对 改善输出调制探测光的品质越有利。当然宽度越窄，对实际制作工艺要求就越高。所以， 应在实际制作技术和工艺水平能满足的情况下尽量减d 、s o a 的宽度。 图4 1 0 ( c ) 所示的情况与图4 1 0 ( b ) 所示的情况相同，在半导体光放大器制作技术和工艺 可满足的条件下，尽量减d , s o a 的高度有利于提高输出消光比的性能。 观察图4 1 0 ( d ) 可以发现，逻辑门的性能随s o a 的线宽增强因子n 增加而提高的趋势较 明显。 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 ill 浙江工业大学硕士学位论文 、 鲁 求 筮 独 $ o a 长度( m ) ( a ) 消光比随s o a 长度变化曲线 ，一、 邑 莠 u 建 、 露 求 j j 且 瓣 s o a 宽度( m ) ( b ) 消光比随s o a 宽度变化曲线 s o a 高度( m ) l i n e w i d t h e n l m c e m e n tf a c t o r ( c ) 消光比随s o a 高度变化曲线 ( d ) 消光比随s o a 线宽增强因子a 变化曲线 图4 1 0 消光比随s o a 的内部结构参量变化曲线 4 4 本章小结 本章研究了基于s o a x g m 全光逻辑或非门的理论模型和实现方案，根据其工作原 理仿真实现了1 0 g b s 全光逻辑或非门，最后对仿真结果以及影响逻辑门输出消光比的因 素( s o a 参数和输入信号参数) 进行了讨论。具体工作如下： ( 1 ) 研究了用半导体光放大器实现全光逻辑或非门的实现方案，建立全光逻辑或非门 的理论模型。 ( 2 ) 仿真得到1 0 g b s 的高斯周期信号的逻辑或非结果。 ( 3 ) 对仿真结果以及影响逻辑门性能的因素进行了分析和讨论。在连续光功率和s o a 注入电流不变前提下，适度增大信号光峰值功率，可以改善逻辑门性能，因为信号光峰值 4 2 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 v 、i 5 4 4 4 4 4 3 3 3 3 浙江工业大学硕士学位论文 功率越大，对s o a 的调制程度越深，交叉增益调制的效果越明显；在信号光峰值功率矛n s o a 注入电流不变前提下，增大连续光功率，逻辑门性能有所下降，因为连续光的功率过高， 信号光对连续光的交叉增益调制就不深刻，“o ”码的位置会有较大的输出功率，从而降低逻 辑门的消光比；在信号光峰值功率和连续光功率不变前提下，增大s o a 注入电流，逻辑门 性能有所提高，主要是因为增大s o a 注入电流可以提高“1 ”码的输出功率。另外，对s o a 的 内部结构参量对光逻辑门性能的影响特性作了仿真研究。 ( 4 ) 观察仿真结果还发现，适度加大信号光和连续光的功率差有利于提高逻辑门性能， 但是通过过分减小连续光功率来增加信号光和连续光的功率差却不利于提高逻辑门的输 出消光比。 浙江工业大学硕士学位论文 第5 章基于s o a 的全光逻辑与门 5 1基于s o a x g m 的全光逻辑与门 5 1 1 实现原理 基于s o a x g m 效应实现全光逻辑与门的示意图如图5 1 所示，由s o a l 和s o a 2 级联而 成。首先，信号光a 作为泵浦光，连续光c w 作为探测光注入s o a l 。由于s o a l 中的x g m 效应，信号a 调$ o s o a l 的载流子浓度，从而连续光c w 经过s o a l 将间接受到信号a 的调制， 在s o a l 的输出端，波长为九l 的光被滤波器1 选择输出，带有信号a 的信息。然后，将第一 级的输出信号百( 丑) 与信号光b 一起注入s o a 2 ，这两路信号将竞争s o a 2 中的载流子。此时 使五( ) 的峰值功率远大于信号光b 的峰值功率，然后滤波器2 滤出从s o a 2 输出的波长为b 的光， 只有天( ) 为“1 ”码时( 即a 为“0 ”码) ，五( 丑) 消耗s o a 2 的大量载流子，信号光b 无论 是“1 ”还是“0 ”均无法被s o a 2 放大，因此输出0 。反之，当五( 丑) 为“0 ”码时( 即a 为“1 ”码) ， 若b 也为“1 ”码，b 竞争获得载流子被放大，输出为“l ”，若b 为“0 ”，则输出为“0 ”。可见实 现了信号a 与信号b 的逻辑“与，【2 9 。1 1 。 c w ( h ) a ( b ) b ( b ) 图5 1基于s o a x g m 效应实现全光逻辑与门的示意图 5 1 2 仿真结果 基于s o a x g m 的全光逻辑与门的模拟结果如图5 2 所示。信号光a 和信号光b 为1 0 g b s 的高斯周期信号，其码型分别为“ll l1 l11 0 ”和“0 0 0 1 0 0 0 1 ”，图5 2 中从上到下依次为信号光 a 、信号光b 、s o a l 的输出五和a b 波形。其中信号光a 和b 的峰值功率分别为p a - - 8 0 m w 、 p b5 r o w ，连续光功率为p e w - - 5 m w ，s o a l 和s o a 2 的注入电流分别为 = 1 6 0 m a ，五= 浙江工业大学硕士学位论文 2 0 0 m a 。实现逻辑与的关键是将s 0 a 1 的输出五作为泵浦光，调制s o a 2 的载流子浓度，间 接实现对信号光b 的调制。 0 0 4 o 60 5 胁知) 图5 - 2 信号光a 、信号光b 、s o a | 的输出五以及s o a 2 输出信号的波形 5 1 3 结果讨论 仍然将4 3 节定义的输出消光比e r ( e x t i n c t i o nr a t i o ) 作为判断逻辑门性能的标准。 ( 1 ) 连续光功率的影响 信号光a 和信号光b 为1 0 g b s 的高斯周期信号，其码型分别为“1 1 1 1 1 1 1 0 ”和 “0 0 0 1 0 0 0 1 ”，其中信号光a 和信号光b 的峰值功率分别为p a - - 8 0 m w 、尸b - - 5 r o w ，两级 半导体光放大器的注入电流为 = 1 6 0 m a ，1 2 = 2 0 0 m a ，分别改变连续光功率为p c w = l m w ，1 5 m w ，2 m w ，2 5 m w ，3 m w ，3 5 m w ，4 r o w ，4 5 r o w ，5 m w ，5 5 r o w ，输出消 浙江工业大学硕士学位论文 光比变化曲线如图5 3 所示。 观察下图可以发现，消光比呈现先升后降的趋势。因为进入s o a i 的连续光的功率过 低，经过s o a l 、再经过滤波器后，进入s o a 2 的功率也会比较低，因此对信号光b 的调制 作用就不够明显，导致输出结果不够理想。如果进入s o a l 的连续光的功率比较高，虽然 不存在这个问题，但是如果连续光的功率过高，将使s o a l 达到饱和，同样会降低输出功 率，影响第一级输出信号的消光比，从而劣化最终的输出结果。所以应该适当选择连续光 的功率。 鲁 米 j j 羹 连续光功率( 墒聊 图5 3 消光比随连续光功率变化曲线 ( 2 ) 信号光b 的功率的影响 信号光a 和信号光b 为1 0 g b s 的高斯周期信号，其码型分别为“1 1 l l l l l 0 ”和 “0 0 0 1 0 0 0 1 ”，在信号光a 的峰值功率p a - - 4 0 r o w ，5 0 m w ，6 0 m w 和7 0 r o w 的情况下， 分别改变信号光b 的峰值功率尸b = 3 r o w ，3 5 r o w ，4 m w ，4 5 m w ，5 m w ，5 5 m w ，6 m w ， 6 5 m w ，7 m w ，7 5 m w ，两级半导体光放大器的注入电流为 = 1 6 0 m a ，1 2 - - 2 0 0 m a ，连 续光功率为p c w = 5 m w ，对应的输出消光比如图5 4 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 ，_ 、 粤 、_ ， 栽 j j l 棼 信号光b 的峰值功率( m 哪 图5 - 4 信号光a 取不同功率情况下，消光比随信号光b 功率变化曲线 观察上图发现，消光比随着信号光b 的峰值功率的增加整体上呈下降趋势，但下降的 幅度不明显。另外，适当增大信号光a 的峰值功率可以优化输出结果，因为p a 越大，对s o a l 的调制程度越深刻，x g m 的效果越明显，s o a l 输出的五的消光比特性越好。进一步用消 光比较好的天作为泵浦光调制s o a 2 ，有利于改善最终的输出结果。 ( 3 ) 第一级输出信号功率的影响 信号光a 和信号光b 为1 0 g b s 的高斯周期信号，其码型分别为“1 1 1 1 1 1 1 0 ”和 “0 0 0 1 0 0 0 1 ”，信号光a 的峰值功率 = 8 0 m w ，信号光b 的峰值功率p b = 1 0 m w ，两级 半导体光放大器的注入电流为 = 2 0 0 m a ，1 2 - - 3 0 0 m a ，连续光功率为p c w - - 5 m w ，第一 级输出信号的功率为不同值时，对应的输出消光比如图5 5 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 第一级s o a 输出功率( m v o 图5 5消光比随第一级输出信号功率变化曲线 通过图5 5 可以发现，消光比随第一级输出信号的功率呈现先升后降的趋势。因为如果 进k s o a 2 的泵浦光( 第一级输出信号) 功率比较低，对信号光b 的调制作用就不够明显，所 以会恶化输出结果( “0 ”码的位置有信号输出) ；如果进x s o a 2 的泵浦光( 第一级输出信号) 功率过高，将使s o a 2 达到饱和，同样也会降低输出功率，劣化输出结果( “1 ”码的功率过低) 。 所以应该适度调节第一级输出信号的功率。 5 2 基于s o a f w m 的全光逻辑与门 5 2 1实现原理 基于s o a f w m 效应实现全光逻辑与门的示意图如图5 - 6 所示。信号a 和b 同时进 入s o a ，当两信号光都为“l ”码时，在s o a 内部发生四波混频( f w m ) 效应，产生新频率 的共轭光，而且该信号光只在a 和b 同时为“l ”时才存在，如果用滤波器对准此共轭光进 行滤波，则输出为信号a 和b 的逻辑与。 a ( 九1 ) b ( k )叫s o a 一滤波器i r i 图5 6基于s o a f w m 效应实现全光逻辑与门的示意图 浙江工业大学硕士学位论文 5 2 2 仿真结果 信号光a 和信号光b 为1 0 g b s 的高斯周期信号，其码型分别为“l1 0 0 11 0 0 ”和 “0 1 1 0 0 1 1 0 ”，图5 7 中从上到下依次为信号光a 、信号光b 以及a b 的波形。其中信号 光a 和信号光b 的峰值功率为5 m w ，脉冲宽度为0 0 3 n s ，半导体光放大器的注入电流为 l = 2 5 0 m a ，滤波器带宽为0 5 n r n 。图5 - 8 为s o a 中发生f w m 效应后的频谱图。 t o 寸 耋： o 衄 莹寸 重： o o 譬暑 薹孽 口 。 一 o 00 4 t m u 佃) 图5 7 信号光a 、信号光b 以及a 和b 逻辑与的波形 浙江工业大学硕士学位论文 图5 - 8s o a 中发生f w m 效应后的频谱图 5 2 3 改进方案 如果改变信号a 和b 的码型，其码型分别为“1 1 1 1 1 1 0 1 ”和“1 1 l l l l 0 1 ”，其他条件不 变，再次仿真得到a 和b 的逻辑与，波形如图5 - 9 所示。 00 20 40 60 8 t i m 知 图5 - 9 存在码型效应的a 和b 逻辑与运算的波形 这种方法虽然实现了全光逻辑与门，但是发现存在比较严重的码型效应，输出的“1 ” 码峰值起伏，这主要是受s o a 较长的增益恢复时间的影响，在下个码元到达时，由s o a 的增益还没有完全恢复引起的，并且在长连“o ”和长连“l ”出现时，码型效应就会变的更加 严重。前六个“1 ”码前面进行逻辑运算的都是“1 ”和“l ”，s o a 一直工作在饱和状态，输出 功率大大降低，最后一个“1 ”码前面进行逻辑运算的是“0 ”和“0 ”，这时s o a 的载流子得到 恢复，所以输出功率明显提高。 分别改变信号光的脉冲宽度( t ) 为0 0 1 n s ，0 0 1 5 n s ，0 0 2 n s ，0 0 2 5 n s ，0 0 3 n s ，0 0 3 5 n s ， 一 l ， o (1l艺u)h篁呈山 浙江工业大学硕士学位论文 仿真得到a b 的波形如图5 1 0 ( a ) 一( f ) 所示。 o ( a ) a t = 0 0 1 n s ( c ) a x = 0 0 2 n s 0o 2 0 40 6 t t m e 缸1 畲n 善 量f - 口 譬， 差 ( b ) a t = 0 0 1 5 n s ( d ) a x - = 0 0 2 5 n s 0 20 40 6 t i m e 缸l ( e ) a x - - - 0 0 3 n s( t oa t = 0 0 3 5 n s 图5 1 0 不同脉冲宽度信号光的逻辑与的波形 下面将信号光a 和信号光b 换成1 0 g b s i 拘r z 信号，其他条件不变，分别改变r z 信号的 占空l l , ( d u t yc y c l e ) 为0 0 1 n s ，0 0 1 5 n s ，0 0 2 n s ，0 0 2 5 n s ，0 0 3 n s ，0 0 3 5 n s ，仿真得到a b 的 波形如图5 1l ( a ) ( t 3 所示。 4 2 寸 n n 1 o 窖_u)一2pj函 甘 n n r o 一誉葺一-9宝lid 寸 n l - 口 套p呱)-言 浙江1 = 业大学硕士学位论文 v 童甘 n 童h o ( a ) d u t yc y c l e = 0 oln s ( c ) d u t yc y c l e = 0 0 2 n s 卜 c o 量忉 邑甘 k 童n o t o 每 邑寸 h 差一 口 ( b ) d u t yc y c l e = 0 015 n s 譬寸 - 差一 ( d ) d u t yc y c l e = 0 0 2 5 n s 观察图5 1 0 和5 1 l 可以发现，随着脉冲宽度和占空比的增大，输出功率明显下降， 并且码型效应也特别显著。 幅度调制0 蚴作为逻辑门输出码型效应严重程度的评价依据，定义如下【2 7 】： 彳m = 1 0 1 9 m a x ( l , , ) m i n ( p , i ) 其中：m a x ( p o u t a ) 为输出信号为“l ”时的最大峰值功率：m i n ( p o u t 1 ) 为输出信号为“1 ”时的最小 峰值功率。显然，a 朋越小，说1 1 ) j m a x ( p o i l t ，t ) - 与m i n ( p o 峨1 ) 越接近，则码型效应越不明显。 寸 一 o (fip眦)-2p盂 甘 n o (f5p喜-玉山 浙江工业大学硕士学位论文 8 7 6 i 吾i l 0 d 咖c y c l e ( n s ) 图5 1 2 幅度调制随脉冲宽度和占空比变化曲线 图5 1 2 为彳m 随脉冲宽度和占空比变化曲线。之所以脉冲宽度和占空比越小，码型效应 越不明显，是因为脉冲宽度和