一种实现全光或非门的级联半导体光放大器干涉装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种实现全光逻辑或非门的半导体光放大器级联干涉装置，该装置为：功分器1、功分器15和合路器6共同构成第一级干涉仪，A光在干涉仪两臂不等比分光，利用半导体光放大器（SOA）交叉相位调制效应对时钟光作用，经滤波装置滤波后，在第一级干涉仪输出端得到经A光调制后的时钟光；功分器8、功分器9和合路器14共同构成第二级干涉仪，B光利用第二级干涉仪两臂的SOA对第一级干涉仪输出的时钟光进行调制，经滤波器装置滤波后，在合路器14输出端得到对A、B光的或非逻辑运算结果，并实现了从A、B光波长到时钟光波长的波长转换。本发明将时钟信号以不等比分光注入系统，相对于其他或非门设计，逻辑输出结果稳定。
【专利说明】一种实现全光或非门的级联半导体光放大器干涉装置
[0001]【技术领域】:
本发明涉及一种级联半导体光放大器SOA干涉仪装置，特别涉及一种实现全光信号处理中的逻辑或非门的装置。
[0002]【背景技术】:
在未来的全光网络中,光交换、光计算和光传输是实现全光信号处理的核心单兀,而它们都要以全光逻辑门为基础进行工作。构筑更高速率、更大容量的光通信网络是全球性的研究热点。全光逻辑门是实现电计算向光计算跨越的基石，其发展有助于突破“电子瓶颈”的限制，提高网络容量，实现全光3R再生。光逻辑门还可以实现全光信号提取、全光地址识别和全光复用/解复用等诸多重要的功能。其中全光或非门(NOR)在全光比特误码监控中扮演了重要的角色。
[0003]半导体光放大器因其体积下、低功耗、易集成、具有良好非线性等种种优点，成为研制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，基本上利用的是半导体光放大器SOA的以下四种非线性效应:交叉相位调制XPM、交叉增益调制XGM、交叉偏振调制和四波混频FWM。基于四种效应构成的逻辑门各有优缺点，其中，基于XPM构成的逻辑门以其稳定的输出受到广泛研究。
[0004]利用半导体光放大器的载流子运动方程和增益方程，对基于SOA的交叉相位调制实现全光逻辑门的基本原理作如下解释:
参与逻辑运算的信号光功率的变化，引起半导体光放大器内消耗的载流子浓度发生变化，从而引起有源区折射率的变化，进而使相位发生变化，在干涉的作用下将相位变化转化为输出光功率的变化。通过精确调节相位变化，可以很大程度的实现消光，与基于交叉增益调制设计的逻辑门的输出结果相比，其输出具有更高的消光比。
【发明内容】
[0005]本发明出于提高当前基于交叉相位调制效应逻辑门的消光比的目的，设计了一种基于级联马赫-曾得尔干涉仪结构的利用半导体光放大器SOA的非线性实现全光或非门装置。该方案结构稳定，并可以提高输出逻辑结果的消光比。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的方案是:一种实现全光逻辑或非门的半导体光放大器级联装置，A光接入到功分器1，A光功率分到功分器两个输出端口，在上方端口后接功率调节装置2 ;时钟Clock光输入到功分器15，功分器15输出上方端口后接功率调节装置16 ;功率调节装置2和功率调节装置16分别接到耦合器3的两个输入端；功分器1、功分器15的输出下方端口分别接耦合器17的两个输入端口 ；耦合器3、耦合器17输出端口依次分别接S0A4、S0A18、功率调节装置5、功率调节装置19，功率调节装置5、功率调节装置19的输出端分别接合路器6的两个输入端。B光接入到功分器9，功分器9的上方端口后接功率调节装置10，合路器6输出端后依次接功率调节装置7和功分器8，功分器8的两个输出端中的上端口后接功率调节装置20，功率调节装置20和功率调节装置10的输出端分别接到耦合器11的两个输入端；功分器9、功分器8的输出端下方端口分别接耦合器21的两个输入端口 ；耦合器11、耦合器21输出端口依次分别接S0A12、S0A22、滤波装置13、滤波装置23，滤波装置13、滤波装置23的输出端分别接合路器14的两个输入端。
[0007]A光、B光和时钟光分别分光并输入系统的装置由功分器1、功分器9、功分器15和功率调节装置2、功率调节装置10、功率调节装置16、功率调节装置20组成，或由对应在各分路位置的耦合系数不为3dB的耦合器24和输入端口 25组成，或由对应在各分路位置的耦合器30、功率调节装置31和输入端口 29组成。
[0008]时钟光输入到第二级干涉仪的装置由分路器8后在分路器8的输出上方端口或下方端口接功率调节装置20组成，或由分路器8组成，或由输入端口 25、3dB耦合器24组成，或由耦合器30、功率调节装置31、输入端口 29组成。
[0009]S0A4、S0A12、S0A18、S0A22由参数相同的行波半导体光放大器组成。
[0010]将不同路的光合路的装置由耦合器3、耦合器11、耦合器17、耦合器21组成，或由与合路器14相同的四个合路器接入耦合器3、耦合器11、耦合器17、耦合器21对应的位置组成。
[0011]功率调节装置2、功率调节装置7、功率调节装置10、功率调节装置16、功率调节装置20分别由衰减器组成，或由功分器组成，或由光纤放大器组成。
[0012]实现两级间功率平衡的装置，由功率调节装置7组成，或由滤波装置5、滤波装置19输出端分别接入参数相同的功率调节装置36、功率调节装置37组成。
[0013]滤波装置5、滤波装置13、滤波装置19、滤波装置23可由中心波长在时钟光附近的高斯型光滤波器组成，或由中心波长在时钟光附近的切比雪夫滤波器组成，或由类似的中心波长在时钟光附近的光学带通滤波器组成。
[0014]原理说明:采用干涉仪结构，干涉仪结构一般由功分器之后在上下方两个端口分别接放大器之后再将两路光经合路器合路，产生干涉现象。记功分器输出上方端口对应的输出光为干涉仪上臂的光，功分器输出下方端口对应的输出光为干涉仪下臂的光，对应有干涉仪上臂和下臂。
[0015]A光经功分器分光到干涉仪上下臂，在干涉仪下臂或干涉仪上臂后接功率调节装置，使干涉仪上下臂通过的光的功率不同。B光经功分器并在干涉仪上臂或干涉仪下臂接功率调节装置。时钟Clock光经功分器后，与A光对应在干涉仪上臂或干涉仪下臂接入功率调节装置，之后其对应干涉仪的另一臂与A光对应干涉仪的另一臂对应一同接入耦合器。A、B光的中心频率均与时钟光不同，且相差较大。干涉仪上下臂在耦合器之后依次分别接半导体光放大器、滤波装置，分别实现交叉相位调制、抑制A光功率且滤出调制后时钟光。然后将干涉仪上下臂一同接入合路器，合路器后接功率调节装置、功分器。实现对前后级信号的功率调和并实现分光。分光后，功分器输出端口与B光对应接功率调节装置，后续分别由耦合器实现时钟光与B光合路，构成干涉仪的上下臂，之后在干涉仪上下臂分别接半导体光放大器，滤波装置，实现对时钟光的相位调制和选出时钟频率加载的光信号的目的。最后，上下两臂接入合路器，得到结果输出。
[0016]本发明的目的是这样实现的:当两束注入光均为逻辑“O”时，时钟光在两级分别于上下两路经过两次SOA放大之后，在输出端发生相长干涉，使得输出信号为“I” ；当A光注入光均为逻辑“I”时，由于在第一级SOA上下臂的XPM相位调制效应，使得上下臂的时钟光的相位差为180°，并且时钟光上下臂的光功率不同保证上下臂的信号光功率在经过SOA后相等，基本达到彻底消光条件，使得输出到下一节的信号光功率为O，经下级放大，无论B光输入是否为“1”，输出功率继续保持为“O”，从而保证在A=I，B=O或A=I，B=I时，输出为逻辑“O”。当A光注入为逻辑“0”，B光注入为逻辑“I”时，时钟光经过第一级放大，由于A光功率为“0”，不能对上下臂的光的相位进行调制，使得时钟光在经第一级后产生相长干涉，有高光强输入两级间的功率调节装置。功率调节装置适当减小光功率，在信号输入第二级后，由于B光的作用，使得上下臂的光的相位差为180°，由于第二级的输入信号功率比不同，使得上下臂的光在输出端发生强烈消光，得到输出逻辑“O”。
[0017]该方案的优点在于:由于米用了时钟输入信号光上下臂不均勻分光的结构，抑制了在交叉相位调制过程中出现的交叉增益调制效应，理论上可以使得输出为逻辑“O”时的功率为O。另外，本方案采用了基于马赫增德尔结构的干涉方案，保证了系统的稳定性。上述两方面共同保证了方案在输入信号未达到使SOA载流子饱和的程度下，仍能得到输出稳定，并且获得闻消光比。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为所设计实现全光逻辑或非门的级联半导体光放大器干涉仪装置一种示意图。
[0019]图2为一种不等比分光装置示意图。
[0020]图3为另一种不等比分光装直不意图。
[0021]图4是本发明实施过程产生的结果图。
【具体实施方式】
[0022]实现全光逻辑或非门的一种实施装置如图1。
[0023]A光携带信息输入到功分器1，A光功率分到功分器两个输出端口，在上方端口后接功率调节装置2。调节功率调节装置2参数，使其在A光输入功率为“ I ”时，对干涉仪上臂上S0A4和干涉仪下臂上S0A18作用后，对干涉仪上臂和干涉仪下臂时钟光产生180°的附加相位差。时钟Clock光输入到功分器15，功分器15与A光对应在输出上方端口后接功率调节装置16。功率调节装置2和功率调节装置16分别接到耦合器3的两个输入端，从而将功分器I上端口的输出光和功分器15上端口的输出光合为一路。而功分器I下端口和功分器15下端口分别接到耦合器17的两个输入端，从而将功分器I下端口的输出光和功分器15下端口的输出光合为一路。耦合器3、耦合器17输出端口依次分别接S0A4、S0A18、滤波装置5、滤波装置19。依次实现对时钟光的相位调制、放大和滤波。调节滤波装置5和滤波装置19的滤波带宽和中心频率，以实现在尽量保全时钟光信息的基础上，抑制B光对应波长的光。滤波装置5、滤波装置19的输出端分别接合路器6的两个输入端。调节功率调节装置16参数，使得干涉仪上臂和干涉仪下臂上的时钟光的功率在经过为“I”的A光作用的S0A4和S0A18后相等。至此构成了第一级干涉装置。
[0024]B光携带另一组信息输入到功分器9，功分器9的上方端口后接功率调节装置10。调节功率调节装置10参数，使其在B光输入功率为“I”时，对干涉仪上臂上S0A12和干涉仪下臂上S0A22作用后，对干涉仪上臂和干涉仪下臂时钟光产生180°的附加相位差。合路器6输出端后依次接功率调节装置7和功分器8。调节功率调节装置7可以使前后两级干涉仪平衡。功分器8的两个输出端中的上端口后接功率调节装置20。功率调节装置10和功率调节装置20的输出端分别接到耦合器11的两个输入端，从而将这两路上的B光和经A光作用后的时钟光合路。功分器9、功分器8的输出端下方端口分别接稱合器21的两个输入端口，从而将这两路上的B光和经A光作用后的时钟光合路。耦合器11、耦合器21输出端口依次分别接SOA12、SOA22、滤波装置13、滤波装置23。依次实现对时钟光的相位调制、放大和滤波。调节滤波装置13和滤波装置23的滤波带宽和中心频率，以实现在尽量保全时钟光信息的基础上，抑制B光对应波长的光。滤波装置13、滤波装置23的输出端分别接合路器14的两个输入端。从而构成了第二级干涉装置。最终由合路器14的输出端口接收到加载到时钟光波长上的结果输出，输出结果为A、B信号光的或非逻辑输出结果，并实现了波长转换。
[0025]图1装置实现或非逻辑功能的原理如下:
当两束注入光均为逻辑“O”时，时钟光在两级分别于上下两路经过两次SOA放大之后，在输出端发生相长干涉，使得输出信号为“ I ”。
[0026]当A光注入光均为逻辑“I”时，由于在第一级SOA上下臂的XPM相位调制效应，使得上下臂相位差为180°，并且时钟光上下臂不均匀分光保证上下臂信号光功率在经过SOA后相等，基本达到彻底消光条件，使得输出到下一节的信号光功率为0，经下级放大，无论B光输入是否为“1”，输出功率继续保持为“0”，从而保证在A=I，B=O或A=I，B=I时，输出为逻辑“O”。
[0027]当A光注入为逻辑“0”，B光注入为逻辑“I”时，时钟光经过第一级放大，由于A光功率为“0”，不能对上下臂光的相位进行调制，使得时钟光在经第一级后产生相长干涉，有高光强输入两级间的功率调节装置。功率调节装置适当减小光功率，在信号输入第二级后，由于B光的作用，使得上下臂的光的相位差为180°，由于第二级的输入信号功率比不同，使得上下臂的光在输出端发生强烈消光，得到输出逻辑“O”。
[0028]图2为一种实现不等比分光装置。
[0029]可以选取适当耦合系数的耦合器24，使得输出时钟光功率满足消光条件。当分别将A、B或时钟光向系统分路注入时,光信号可由输入端口 25或输入端口 26注入，同时,另一路接“O”功率输入。经耦合器24后，输入光分为两路，分别由输出端口 27和输出端口 28输出。输出端口 27和输出端口 28分别接后续元件。如A光注入时，在输出端口 27和输出端口 28之后分别对应接耦合器3和耦合器17。
[0030]图3为另一种不等比分光装置。
[0031]本装置设计的目的在于使上下臂输出功率比可调，易于实现系统维护和调试。耦合器30的耦合系数可以等于或适当远离3dB，在后续上臂接入功率调节装置31。信号光A、B或时钟光由输入端口 29或输入端口 32进入装置，同时，在另一端输入功率为“O”。经过耦合器30后，上臂的光经功率调节装置31对上下臂光的分光比进行调节，使得在后端上下臂接入SOA之后满足消光条件。例如，当A光由输入端口 29注入到耦合器30之后，上臂接功率调节装置31，适当调整功率调节装置31的参数。之后，功率调节装置31的输出端接耦合器3，耦合器30的下方输出端口接耦合器16，从而实现将A光以不等比分光到系统上下臂中。
[0032]图4是本发明实施过程产生的结果图。
[0033]图4中波形33表示输入光A的功率，逻辑序列为“00101001111111100000”;波形34表示输入光B的功率，逻辑序列为“01100111010100111110” ；波形35表示输出光的功率，逻辑输出为“10010000000000000001”。可以看出，在40Gbit/s的输入信号为脉冲形式时，系统完成了对输入的A、B信号的逻辑或非的运算，同时实现了向时钟光波长的波长转换。在输出的结果图中，输出信号的消光彻底，没有在逻辑“O”处出现明显的小尖峰。体现了该设计消光比高的特点。
【权利要求】
1.一种实现全光逻辑或非门的半导体光放大器级联装置，其特征在于: A光接入不等比分光装置，不等比分光装置将A光分为2路功率不相等的光输出；不等比分光装置输出上方端口连接耦合器3，不等比分光装置输出下方端口连接耦合器17 ;时钟(clock)光接入不等比分光装置，不等比分光装置将时钟光分为2路功率不相等的光输出；不等比分光装置输出上方端口连接耦合器3，不等比分光装置输出下方端口连接耦合器17 ;耦合器3、耦合器17输出端口依次分别接S0A4、S0A18、功率调节装置5、功率调节装置19，功率调节装置5、功率调节装置19的输出端分别接合路器6的两个输入端；B光接入不等比分光装置，不等比分光装置将B光分为2路功率不相等的光输出；不等比分光装置输出上方端口连接耦合器11，不等比分光装置输出下方端口连接耦合器21;从功率调节装置7出来的光接入不等比分光装置，不等比分光装置将从功率调节装置7出来的光分为2路功率不相等的光输出；不等比分光装置输出上方端口连接耦合器11，不等比分光装置输出下方端口连接耦合器21 ;耦合器11、耦合器21输出端口依次分别接S0A12、S0A22、滤波装置13、滤波装置23，滤波装置13、滤波装置23的输出端分别接合路器14的两个输入端。
2.根据权利要求1所述的实现全光逻辑或非门的半导体光放大器级联装置，其特征在于:不等比分光装置包括功分器I和功率调节装置2，A光接入功分器1，A光功率分到功分器I的两个输出端口，功分器I在上方端口后接功率调节装置2 ;功分器I在上方端口后接率禹合器17。
3.根据权利要求1所述的实现全光逻辑或非门的半导体光放大器级联装置，其特征在于:不等比分光装置包括耦合器24，耦合器24 —路输出连接耦合器17、另一路输出连接耦合器3，A光输入到耦合器24，耦合器24为耦合系数不为3dB的耦合器。
4.根据权利要求1所述的实现全光逻辑或非门的半导体光放大器级联装置，其特征在于:不等比分光装置包括互连的耦合器30、功率调节装置31，A光输入到耦合器30，耦合器30耦合系数等于3dB的耦合器，功率调节装置31 —路输出连接耦合器17、另一路输出连接率禹合器3。
5.根据权利要求1所述的实现全光逻辑或非门的半导体光放大器级联装置，其特征在于:功率调节装置2、功率调节装置7、功率调节装置10、功率调节装置16、功率调节装置20分别由衰减器组成，或由功分器组成，或由光纤放大器组成。
6.根据权利要求1所述的实现全光逻辑或非门的半导体光放大器级联装置，其特征在于:滤波装置5、滤波装置13、滤波装置19、滤波装置23可由中心波长等于时钟光波长的高斯型光滤波器组成，或由中心波长等于时钟光波长的切比雪夫滤波器组成，或由中心波长等于时钟光波长的光学带通滤波器组成。
【文档编号】G02F3/00GK104049435SQ201410312088
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】徐敬亚, 吕东, 闫振彪 申请人:徐敬亚, 吕东, 闫振彪