专利名称：实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体光放大器(SOA)级联结构，特别涉及一种实现全光逻辑门的半导体光放大器级联结构。
背景技术：
近年来，IP业务的服务范围已从初期单纯的E-mail发展成商务和多媒体服务。各类新型业务，诸如可视电话、高清晰度电视(HDTV)、远程医疗、家庭办公等正在蓬勃发展。但在现有基于电子技术的通信网中，网络的各个节点要完成光/电/光的转换，其中的电子器件受限于器件工作上限速率40G，在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由此产生了通信网中的“电子瓶颈”现象，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理。为了提供高速、大容量的传输及处理能力，在很长的时间内适应高速宽带业务的带宽需求，面向未来IP业务的光网络研究已经成为各国和跨国研究计划的重点。
光分组交换通信网络要求载荷部分采用不经过光电转换的路由与转发，极大地提高了分组数据的转发速度和节点的吞吐量。光数据分组的头部需要同步、帧识别和地址识别等较复杂的光信号处理，而全光逻辑门正是其中的关键器件。例如全光与门(AND)可在光开关节点用于识别帧头；全光异或门(XOR)在多协议标签交换(MPLS)网络节点用作对标签进行识别、修改、替换等。
半导体光放大器因其体积小、易集成、工作波长范围宽、动态特性好等优点，成为研制高速全光逻辑器件的首选。已报道的基于半导体光放大器实现全光逻辑门的方案有多种，不外乎利用半导体光放大器(SOA)的以下四种非线性效应交叉相位调制、交叉增益调制、交叉偏振调制和四波混频。
1.基于SOA的交叉相位调制实现全光逻辑。其基本原理是参与逻辑运算的信号变化引起SOA输入光功率的变化，光功率消耗的载流子浓度发生变化，从而引起折射率的变化，进而使相位发生变化，在干涉的作用下使得输出光功率发生变化。交叉相位调制型的全光逻辑器件缺点是需要精确的相位控制，用分离元件很难实现，而必须采用集成器件。
2.基于SOA的交叉偏振调制效应实现全光逻辑。其基本原理是参与逻辑运算的信号变化引起SOA输入光功率的变化，光功率消耗的载流子浓度发生变化，从而引起折射率的变化，进而使相位发生变化，TE模和TM模得到不同的相位变化，引起光场偏振态的改变，最后加入一个检偏器就可以将偏振态的变化转化为输出光功率的变化。交叉偏振调制型的全光逻辑器件缺点是要求输入光有相同的功率、相同的偏振态、波长相近，不实际；需要精确控制输入输出光的偏振态，用分离元件很难实现；消光比不好，因为加入检偏器，需前置放大器补偿损耗，还要引入自发辐射噪声。
3.基于SOA的四波混频效应实现全光逻辑。其基本原理是利用SOA内的三阶非线性效应。四波混频型的全光逻辑器件缺点是要满足相位匹配条件；受到四波混频转换效率的限制。
4.基于SOA的交叉增益调制效应实现全光逻辑。其基本原理是参与逻辑运算的信号变化引起SOA输入光功率的变化，光功率消耗的载流子浓度发生变化，从而引起折射率的变化，SOA的增益进而发生变化，使得输出光功率发生变化。
例如，2004年在OPTICS EXPRESS上发表了一篇文章“All-opticalAND gate at 10 Gbit/s based on cascaded single-port-coupled SOAs”，文中提出了一种交叉增益调制型的用半导体光放大器SOA的级联结构实现全光逻辑与门的方案，如图1所示。
上述交叉增益调制型的全光逻辑器件和另外三种类型的全光逻辑器件都是基于一种结构只能实现一种全光逻辑运算。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中一种结构只能实现一种全光逻辑门的不足之处，提供了一种实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构，基于这种结构可实现与门和或非门的两种全光逻辑运算，达到一种结构两种功能的用途，充分节省经济成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是CW光和信号光A分别与第一耦合器的输入端相接，第一耦合器的输出端依次接第一半导体光放大器、第一波长选择装置、第一功率调节装置；信号光B接入第二功率调节装置的输入端，第一功率调节装置和第二功率调节装置的输出端分别与第二耦合器的输入端相接，第二耦合器的输出端依次接第二半导体光放大器、第二波长选择装置，通过调节第一功率调节装置和第二功率调节装置的输出功率，在第二波长选择装置不同的输出波长上，分别得到全光逻辑与门和或非门。
本发明相比现有技术具有以下的优点(1)本发明突破了现有一种结构只能实现一种全光逻辑功能的限制，可以基于同种结构实现两种不同的全光逻辑运算，达到一种结构两种功能的用途。
(2)本发明可以充分发挥交叉增益调制型全光逻辑器件的优点，如结构简单，逻辑功能只与输入功率有关，不需要进行精确的相位控制等。
(3)采用单端耦合半导体光放大器可改善波长转换的输出消光比，进而改善逻辑运算的输出信号质量。
(4)功率调节装置选用偏置电流可调谐的可调谐半导体光放大器、波长选择装置选用波导光栅解复用器，本发明可制作成一个集成器件，用以提高器件的稳定性，并且使用更加方便。
图1为现有一种交叉增益调制型全光逻辑与门的结构示意图。
图2为本发明实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构的示意图。
图3为图2中第一半导体光放大器一种实施例的示意图。
图4为图2中第一半导体光放大器另一种实施例的示意图。
图5为图2中第二半导体光放大器一种实施例的示意图。
图6为图2中第二半导体光放大器另一种实施例的示意图。
图7为图2中第一波长选择装置一种实施例的示意图。
图8为图2中第一波长选择装置另一种实施例的示意图。
图9为图2中第二波长选择装置一种实施例的示意图。
图10为图2中第二波长选择装置另一种实施例的示意图。
图11为图2中第一功率调节装置一种实施例的示意图。
图12为图2中第一功率调节装置另一种实施例的示意图。
图13为图2中第二功率调节装置一种实施例的示意图。
图14为图2中第二功率调节装置另一种实施例的示意图。
图15为本发明一种实施例的示意图。
具体实施例方式
本发明是用半导体光放大器的级联结构实现全光逻辑与门和或非门，其理论基础是半导体光放大器的交叉增益调制效应。
由图2所示，CW光和信号光A分别与第一耦合器1的输入端相接，第一耦合器1的输出端依次接第一半导体光放大器2、第一波长选择装置3、第一功率调节装置4；信号光B接入第二功率调节装置5的输入端，第一功率调节装置4和第二功率调节装置5的输出端分别与第二耦合器6的输入端相接，第二耦合器6的输出端依次接第二半导体光放大器7、第二波长选择装置8，通过调节第一功率调节装置4和第二功率调节装置5的输出功率，在第二波长选择装置8不同的输出波长上，分别得到全光逻辑与门和或非门。CW光、信号光A和信号光B的波长在半导体光放大器的工作范围以内。
CW光的波长为λ1，信号光A的波长为λ2，CW光和信号光A分别作为第一半导体光放大器2的探测光和泵浦光，第一半导体光放大器2的载流子浓度主要由信号光A调制。第一波长选择装置3使得波长为λ1的光选择输出。当信号光A为比特“1”时，会消耗第一半导体光放大器2的载流子浓度，交叉增益调制效应使得CW经过第一半导体光放大器2被饱和吸收，并且信号光A不能通过第一波长选择装置3而输出，则第一波长选择装置3的输出为比特“0”；只有当信号光A为比特“0”时，泵浦光不存在，第一半导体光放大器2的增益得到恢复，CW光才能经过第一半导体光放大器2得到放大，然后再经过第一波长选择装置3而输出，则第一波长选择装置3的输出为比特“1”。因此，第一波长选择装置3的输出为信号光A的反相光，且反相光的波长为λ1，即第一波长选择装置3的输出为A(λ1)。第一波长选择装置3的输出端与第一功率调节装置4相接，第一功率调节装置4的作用是调节信号光A的光功率。
信号光B的波长为λ3，信号光B与第二功率调节装置5的输入端相接，第二功率调节装置5的作用是调节信号光B的光功率。在第一功率调节装置4的输出端，信号光A已得到功率调节；在第二功率调节装置5的输出端，信号光B已得到功率调节。信号光A和信号光B经过第二耦合器6进行耦合，第二耦合器6的输出端与第二半导体光放大器7的输入端相接，因此，第二半导体光放大器7的输入包括A和B两路信号光。通过调节第一功率调节装置4和第二功率调节装置5分别改变A和B的光功率，有如下两种情况(1)当信号光A的光功率远大于信号光B时，第二波长选择装置8选择输出波长为λ3的信号光。在这种情况下，信号光A作为第二半导体光放大器7的泵浦光，信号光B作为第二半导体光放大器7的探测光，第二半导体光放大器7的载流子浓度主要被A调制。根据交叉增益调制效应，只有当信号光A为比特“0”(即A为比特“1”)，信号光B为比特“1”时，信号光B才能经过第二半导体光放大器7被放大，然后经过第二波长选择装置8而输出。因此，第二波长选择装置8的输出为A‾‾·B=A·B,]]>且输出信号光的波长为λ3，从而实现了两路信号光A和B的布尔逻辑与；(2)当信号光A的光功率远小于信号光B时，第二波长选择装置8选择输出波长为λ1的信号光。在这种情况下，信号光B作为第二半导体光放大器7的泵浦光，信号光A作为第二半导体光放大器7的探测光，第二半导体光放大器7的载流子浓度主要被B调制。根据交叉增益调制效应，只有当信号光B为比特“0”时，信号A才能经过第二半导体光放大器7被放大，然后经过第二波长选择装置8而输出。因此，第二波长选择装置8的输出信号为A·B＝A+B，且输出信号光的波长为λ1，从而实现了两路信号光A和B的布尔逻辑或非。
综上所述，通过调节第一功率调节装置4和第二功率调节装置5的输出功率，并通过第二波长选择装置8选择输出不同波长的信号光，在不同的输出波长上，可以得到全光逻辑与门和或非门。从而基于上述同一种半导体光放大器的级联结构实现了两种不同的逻辑运算，真值表如表1所示。
表1布尔逻辑“与”和“或非”的真值表
第一耦合器1和第二耦合器6可选用光纤拉锥型耦合器或集成的Y型耦合器，耦合参数最好选用3dB耦合器。
由图3所示，第一半导体光放大器2可由第一双端半导体光放大器9构成。
有研究表明，单端半导体光放大器有利于改善输出的消光比，因此，在本发明级联结构中，我们可以用单端半导体光放大器代替普通的双端半导体光放大器以达到更好的效果。将一个光环形器与单端半导体光放大器的输入/输出共用端口相连，就可实现与普通双端半导体光放大器相同的输入和输出。光环形器是一种非互易器件，光环形器选用有三个端口的光环形器。
由图4所示，第一半导体光放大器2可由第一光环形器10和第一单端半导体光放大器11构成，第一光环形器10的第一端口a接第一耦合器1的输出端，第二端口b接第一单端半导体光放大器11的输入/输出共用端口，第三端口c接第一波长选择装置3的输入端，在第一单端半导体光放大器11的后端面镀反射膜。第一耦合器1输出的信号光在第一光环形器10的第一端口a输入，第一端口a的输入光在第二端口b输出，第二端口b的输出光输入第一单端半导体光放大器11，并且在第一单端半导体光放大器11的后端面反射，又在第一光环形器10的第二端口b输入，第二端口b的输入光在第三端口c输出。
由图5所示，第二半导体光放大器7可由第二双端半导体光放大器12构成。
由图6所示，第二半导体光放大器7可由第二光环形器13和第二单端半导体光放大器14构成，第二光环形器13的第一端口d接第二耦合器6的输出端，第二端口e接第二单端半导体光放大器14的输入/输出共用端口，第三端口f接第二波长选择装置8的输入端，在第二单端半导体光放大器14的后端面镀反射膜。
第一双端半导体光放大器9、第二双端半导体光放大器12的参数可以为选用InGaAsP/InP多量子阱材料，有源区长度为450微米(μm)，100毫安(mA)的工作电流下能够提供18dB以上的纤—纤增益。
第一单端半导体光放大器11、第二单端半导体光放大器14的参数可以为选用InGaAsP/InP多量子阱材料，有源区长度为1000μm，250mA的工作电流下能够提供23dB的纤—纤增益，3dB增益带宽约为50纳米(nm)。第一单端半导体光放大器11和第二单端半导体光放大器14的后端面反射率大小会直接影响最后输出的消光比，后端面反射率的范围最好在1％到90％之间，后端面反射率的一个参考值为40％。
由图7所示，第一波长选择装置3可由第一带通滤波器15构成。
由图8所示，第一波长选择装置3可由第一解复用器16构成。第一解复用器16的第一端口g接第一半导体光放大器2的输出端，第二端口h输出波长为λ1的信号光，第二端口h与第一功率调节装置4的输入端相接，第三端口i闲置不用。
由图9所示，第二波长选择装置8可由第二带通滤波器17构成。
由图10所示，第二波长选择装置8可由第二解复用器18构成。第二解复用器18的第一端口j接第二半导体光放大器7的输出端，第二端口k输出波长为λ1的信号光，第三端口1输出波长为λ3的信号光。通过调节第一功率调节装置4和调节第二功率调节装置5，将信号光A和信号光B的光功率作适当调节，就可以在第二解复用器18的第二端口k输出信号光A和B的逻辑或非，在第三端口1输出信号光A和B的逻辑与。需要注意的是，这两种逻辑运算的结果并非同时输出。
由图11所示，第一功率调节装置4可由第一光功率放大器19和第一可调谐光衰减器20构成。信号光A先经过第一光功率放大器19得到光功率的放大，然后经过第一可调谐光衰减器20使得光功率再适当衰减，因此，配合使用第一光功率放大器19和第一可调谐光衰减器20就可以调节信号光A的光功率达到要求。
由图12所示，第一功率调节装置4可由偏置电流可调谐的第一可调谐半导体光放大器21构成。通过调节第一可调谐半导体光放大器21的偏置电流，就可以直接对信号光A的光功率进行调节。
由图13所示，第二功率调节装置5由第二光功率放大器22和第二可调谐光衰减器23构成。信号光B先经过第二光功率放大器22得到光功率的放大，然后经过第二可调谐光衰减器23使得光功率再适当衰减，因此，配合使用第二光功率放大器22和第二可调谐光衰减器23就可以调节信号光B的光功率达到要求。
由图14所示，第二功率调节装置5可由偏置电流可调谐的第二可调谐半导体光放大器24构成。通过调节第二可调谐半导体光放大器24的偏置电流，就可以直接对信号光B的光功率进行调节。
第一光功率放大器19、第二光功率放大器22可为掺铒光纤放大器(EDFA)。
第一可调谐半导体光放大器21、第二可调谐半导体光放大器24是通过调节半导体光放大器的工作电流来实现调谐的。
第一可调谐半导体光放大器21和第二可调谐半导体光放大器24仅用作线性的功率放大器，而第一半导体光放大器2和第二半导体光放大器7是交叉增益调制的非线性应用，这两种情况并不相同。
由图15所示，第一耦合器1、第二耦合器6可选用集成的Y型耦合器，第一半导体光放大器2、第二半导体光放大器7分别选用第一双端半导体光放大器9和第二双端半导体光放大器12，第一波长选择装置3、第二波长选择装置8可分别选用波导光栅型第一解复用器16和波导光栅型的第二解复用器18，第一功率调节装置4和第二功率调节装置5分别选用第一可调谐半导体光放大器21和第二可调谐半导体光放大器24。图15中，所有器件均选用集成器件，本发明可制作成一个单片集成的全光逻辑门，用以提高器件的稳定性和实用性。
权利要求
1.一种实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构，其特征在于CW光和信号光A分别与第一耦合器(1)的输入端相接，第一耦合器(1)的输出端依次接第一半导体光放大器(2)、第一波长选择装置(3)、第一功率调节装置(4)；信号光B接入第二功率调节装置(5)的输入端，第一功率调节装置(4)和第二功率调节装置(5)的输出端分别与第二耦合器(6)的输入端相接，第二耦合器(6)的输出端依次接第二半导体光放大器(7)、第二波长选择装置(8)，通过调节第一功率调节装置(4)和第二功率调节装置(5)的输出功率，在第二波长选择装置(8)不同的输出波长上，分别得到全光逻辑与门和或非门。
2.根据权利要求1所述的实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构，其特征在于第一半导体光放大器(2)由第一双端半导体光放大器(9)构成，或由第一光环形器(10)和第一单端半导体光放大器(11)构成，第一光环形器(10)的第一端口(a)接第一耦合器(1)的输出端，第二端口(b)接第一单端半导体光放大器(11)的输入/输出共用端口，第三端口(c)接第一波长选择装置(3)的输入端，在第一单端半导体光放大器(11)的后端面镀反射膜。
3.根据权利要求1所述的实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构，其特征在于第二半导体光放大器(7)由第二双端半导体光放大器(12)构成，或由第二光环形器(13)和第二单端半导体光放大器(14)构成，第二光环形器(13)的第一端口(d)接第二耦合器(6)的输出端，第二端口(e)接第二单端半导体光放大器(14)的输入/输出共用端口，第三端口(f)接第二波长选择装置(8)的输入端，在第二单端半导体光放大器(14)的后端面镀反射膜。
4.根据权利要求1所述的实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构，其特征在于第一波长选择装置(3)由第一带通滤波器(15)构成，或由第一解复用器(16)构成。
5.根据权利要求1所述的实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构，其特征在于第二波长选择装置(8)由第二带通滤波器(17)构成，或由第二解复用器(18)构成。
6.根据权利要求1所述的实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构，其特征在于第一功率调节装置(4)由第一光功率放大器19和第一可调谐光衰减器(20)构成，或由偏置电流可调谐的第一可调谐半导体光放大器(21)构成。
7.根据权利要求1所述的实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构，其特征在于第二功率调节装置(5)由第二光功率放大器(22)和第二可调谐光衰减器(23)构成，或由偏置电流可调谐的第二可调谐半导体光放大器(24)构成。
8.根据权利要求1所述的实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构，其特征在于第一耦合器(1)、第二耦合器(6)选用集成的耦合器，第一半导体光放大器(2)、第二半导体光放大器(7)分别选用第一双端半导体光放大器(9)和第二双端半导体光放大器(12)，第一波长选择装置(3)、第二波长选择装置(8)分别选用第一解复用器(16)和第二解复用器(18)，第一功率调节装置(4)和第二功率调节装置(5)分别选用第一可调谐半导体光放大器(21)和第二可调谐半导体光放大器(24)。
全文摘要
本发明公开了一种实现全光逻辑与门和或非门的半导体光放大器级联结构，该结构为，CW光和信号光A分别与第一耦合器的输入端相接，第一耦合器的输出端依次接第一半导体光放大器、第一波长选择装置、第一功率调节装置；信号光B接入第二功率调节装置的输入端，第一功率调节装置和第二功率调节装置的输出端分别与第二耦合器的输入端相接， 第二耦合器的输出端依次接第二半导体光放大器、第二波长选择装置，通过调节第一功率调节装置和第二功率调节装置的输出功率，在第二波长选择装置不同的输出波长上，分别得到全光逻辑与门和或非门。本发明既可充分发挥交叉增益调制型全光逻辑器件的优点，又可以基于同种结构实现全光逻辑与门和全光逻辑或非门。
文档编号G02F3/00GK1760744SQ20051001977
公开日2006年4月19日 申请日期2005年11月10日 优先权日2005年11月10日
发明者张新亮, 赵婵, 黄德修, 董建绩, 刘德明 申请人:华中科技大学