基于loa-xgm的全光逻辑异或门的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及全光通信逻辑运算技术领域。具体讲，涉及基于线性光放大器交叉增 益调制L0A-XGM的全光逻辑异或门（X0R)。
【背景技术】
[0002] 光计算是用光子代替电子进行大容量信息处理。由于光的并行性和高速性等物理 性质，有可能开发远远超过电子技术的高性能信息处理系统。因此光计算已成为引人注目 的研宄领域。光计算将成为未来全光信息网络的支撑技术，使用全光信号处理技术的光网 络将是未来网络的发展趋势。而全光逻辑门又是光计算的关键功能，它可以用于实现全光 头信号提取、全光地址识别、标签交换、数据编码、奇偶效验、信号再生以及全光开关等。光 计算所要解决的首要问题就是要在光域实现这些原来由电子技术完成的逻辑运算。学者们 利用半导体光放大器和线性光放大器各种调制方式设计了多种逻辑门以满足全光通信的 逻辑运算需求。
[0003] 线性光放大器（linear optical amplifier/LOA)是一种新型的光放大器，因为 其良好的线性增益特性，十分适合用作实现波长转换以及全光逻辑功能，比传统的S0A更 能实现大容量、高速率的信息处理。由于传统的S0A在用于交叉增益调制（XGM)波长转换 时，常工作在增益饱和区，在多信道情况下，可能出现严重的串扰。L0A利用有源区两侧的 分布式布拉格反射镜OBR)对入射光的增益形成了钳制，使L0A能更好地应用于多信道系 统。Leuthold的实验进一步验证了 L0A用于波长转换时，性能优于传统的。交叉增益调制 (XGM)其工作原理为：两路信号光A和可调谐激光器提供的连续光（探测光）送入L0A。在 L0A中可以实现基于XGM效应的波长转换，信号光携带的信息会转换到探测光上，但输出与 原信号反相的信号，如图1所示。
【发明内容】
[0004]为克服技术的不足，利用线性光放大器（L0A)的交叉增益调制（XGM)机制来实现 全光逻辑异或门的运算。为此，本发明采取的技术方案是，基于L0A-XGM的全光逻辑异或 门，由4个线性光放大器11^1、11^2、11^3、11^4,4个滤波器，加法器构成，波长为人 1作为探 测光的连续光CWJP波长为X 2作为强抽运光的信号光A-起注入线性光放大器L0A1，形成 线性光放大器L0A1输出为Z;波长为A i作为探测光的连续光CW和波长为X 3作为强抽运 光的信号光B -起注入线性光放大器L0A2,形成线性光放大器L0A2输出为S ;线性光放大 器L0A1输出信号光A作为强抽运光，线性光放大器L0A2输出的S作为探测光，一起注入线 性光放大器L0A3,形成线性光放大器L0A3的输出为A. fi = A. fl，即实现了信号光A和云的 逻辑与运算；线性光放大器L0A1输出信号光1作为探测光，线性光放大器L0A2输出的亙作 为强抽运光，一起注入线性光放大器L0A4,形成线性光放大器L0A4的输出为= ， 即实现了信号光Z和B的逻辑与运算；将线性光放大器L0A3和L0A4输出到加法器后加法 器输出结果A ? B为；前述每个线性光放大器均通过对应的一个滤波器形成输出。
[0005] 连续光CW功率P = 3mw，波长人丨=1530nm，信号光A和B的功率P = 10mw，
[0006] 波长 X 2>1560nm，X 3>1560nm。
[0007] 与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
[0008] 本文在发明人前期对于基于LOA-XGM全光逻辑运算研宄的基础上，提出了基于 LOA-XGM原理来实现全光逻辑异或门的方案，并从LOA有源区内载流子密度、垂直光场光 子密度速率方程以及光功率传输方程出发，通过Simulink建模计算，实现了 LOA全光逻 辑异或门的运算；研宄结果表明：适当选择输入探测光波长在1530nm，抽运光波长在大于 1560nm范围内时，可以获得很好的逻辑输出结果；适当的选择连续光CW的光功率，也有利 于改善最后的输出结果。
【附图说明】
[0009] 图1基于LOA-XGM波长转换示意图；
[0010] 图2全光逻辑异或运算的理论模型图；
[0011] 图3全光逻辑异或运算的simulink建模图；
[0012] 图4全光逻辑异或运算结果。
[0013] 图中及下文：activemedium:有源区激活介质
[0014] Highly reflecting DBR mirrors forming vertical cavity :高反射率分布布拉 格反射镜形成的垂直腔
[0015] product :乘法器
[0016] scope:波形观测器
[0017] display:数据运行窗口。
【具体实施方式】
[0018] 基于LOA-XGM原理的逻辑门工作原理简单，易于实现，本发明提出了实现两路信 号的全光逻辑异或运算的方案。利用Simulink建模，模拟了 L0A全光逻辑异或门运算的结 果。将4个L0A分两组级联，L0A1和L0A2为第一级输入输出，L0A3和L0A4为第二级输入 输出。作为探测光的连续光CW(波长：A J和作为强抽运光的信号光A (波长：A 2) -起注 入L0A1，同样作为探测光的连续光CW (波长：A J和作为强抽运光的信号光B (波长：入3) 一起注入L0A2,当信号光A和B为比特"1"时，会消耗L0A1载流子密度，CW经过L0A1和 L0A2被饱和吸收，输出为"0";只有当信号光A和B为比特"0"时，CW才能经过L0A1和L0A2 得到放大，输出为"1"，因此第一级L0A1输出为A，第一级L0A2输出为云；当第一级L0A1 输出信号光A作为强抽运光，第一级L0A2输出的5作为探测光时，第二级L0A3的输出为 3.5 = A.!，即实现了信号光A和云的逻辑与运算；当第一级L0A1输出信号光了作为探 测光，第一级L0A2输出的万作为强抽运光时，第二级L0A4的输出为A. fl = A. fl，即实现了 信号光A和B的逻辑与运算；最后将第二级L0A3和L0A4的输出结果相加即得到A ? B，如 图2所示。在利用Simulink建模易于模型搭建的优点上，利用四个LOA分两组级联进行结 构搭建，如图3所示。两束进入L0A的探测光和抽运光的功率大小以及输入光波长是影响 逻辑运算的重要参数，选取最优参数设置通过数值模拟实现了最优的全光逻辑异或的运算 如图4所示。A和B两路信号的逻辑异或运算真值表如表1所示。
[0019] 选取探测光CW光功率P = 3mw，波长X = 1530nm，信号光A和B的光功率P = l〇mw，波长A <1560nm时，输出逻辑异或运算结果有较大的失真；探测光CW功率P = 3mw， 波长入=1530nm，信号光A和B的功率P = 10mw，波长A >1560nm时，输出逻辑异或运算 结果较优；选取探测光CW光功率过大或过小，也会造成输出逻辑异或运算结果有较大的失 真。因此，探测光和信号光的功率和波长的选取是直接影响逻辑异或输出运算结果的重要 参数。
[0020] 本文在发明人前期对于基于L0A-XGM全光逻辑运算研宄的基础上，提出了基于 L0A-XGM原理来实现全光逻辑异或门的方案，并从L0A有源区内载流子密度、垂直光场光 子密度速率方程以及光功率传输方程出发，通过Simulink建模计算，实现了 L0A全光逻 辑异或门的运算；研宄结果表明：适当选择输入探测光波长在1530nm，抽运光波长在大于 1560nm范围内时，可以获得很好的逻辑输出结果；适当的选择连续光CW的光功率，也有利 于改善最后的输出结果。
[0021] 表1逻辑X0R的真值表
【主权项】
1. 一种基于LOA-XGM的全光逻辑异或口，其特征是，由4个线性光放大器LOAl、L0A2、 10八3、11^4,4个滤波器，加法器构成，波长为^1作为探测光的连续光〔￥和波长为^2作为 强抽运光的信号光A-起注入线性光放大器L0A1，形成线性光放大器L0A1输出为A;波长 为A1作为探测光的连续光CW和波长为A3作为强抽运光的信号光B-起注入线性光放 大器L0A2,形成线性光放大器L0A2输出为玄；线性光放大器L0A1输出信号光才作为强抽 运光，线性光放大器L0A2输出的5作为探测光，一起注入线性光放大器L0A3,形成线性光 放大器L0A3的输出为= ，即实现了信号光A和云的逻辑与运算；线性光放大器 L0A1输出信号光A作为探测光，线性光放大器L0A2输出的5作为强抽运光，一起注入线性 光放大器L0A4,形成线性光放大器L0A4的输出为/I.公=/I.fi，即实现了信号光^和B的 逻辑与运算；将线性光放大器L0A3和L0A4输出到加法器后加法器输出结果为A?B;前述 每个线性光放大器均通过对应的一个滤波器形成输出。
2. 如权利要求1所述的基于L0A-XGM的全光逻辑异或口，其特征是，连续光CW功率P =3mw，波长Ai= 1530皿，信号光A和B的功率P=lOmw，波长A2〉1560皿，^3〉1560皿。
【专利摘要】本发明涉及全光通信逻辑运算技术领域，为利用线性光放大器(LOA)的交叉增益调制(XGM)机制来实现全光逻辑异或门的运算。为此，本发明采取的技术方案是，基于LOA-XGM的全光逻辑异或门，由4个线性光放大器LOA1、LOA2、LOA3、LOA4，4个滤波器，加法器构成，波长为λ1作为探测光的连续光CW1和波长为λ2作为强抽运光的信号光A一起注入线性光放大器LOA1，形成线性光放大器LOA1输出为；波长为λ1作为探测光的连续光CW和波长为λ3作为强抽运光的信号光B一起注入线性光放大器LOA2，形成线性光放大器LOA2输出为。本发明主要应用于全光通信逻辑运算。
【IPC分类】G02F3-00
【公开号】CN104849939
【申请号】CN201510227422
【发明人】李茜, 金杰, 张强, 刘青爽
【申请人】天津大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月6日