高速全光逻辑运算及其应用的理论和实验研究

摘要

高速全光逻辑运算指以全光方法替代传统电学方法，提供光学数字信号的逻辑操作和光学模拟信号的运算功能。数字化全光网络的高速智能化离不开高速全光逻辑操作的技术突破。而模拟信号的全光运算则为日益发展的光学模拟信号系统提供了高速实时的信号处理技术。
　　 本论文依托实验室现有的40 Gbit/s高速光通信平台和多种半导体光放大器（SOA）进行了全光数字信号逻辑操作以及模拟信号运算功能的理论和实验研究。鉴于实验条件许可，本论文还研究了全光逻辑“与”在高速时分复用系统中的应用。概括本文的研究成果和贡献，有如下几个方面：
　　 (1) 研究了SOA进行高速全光逻辑运算的理论基础，建立了SOA级联失谐滤波器高速全光逻辑运算结构的理论模型。分析了失谐滤波器提升SOA响应带宽的基本原理以及存在的码型效应问题。数值模拟和实验结果的良好吻合证明本论文建立的理论模型能够起到有效的实验指导和优化设计作用。
　　 (2) 首次从系统测试方面出发研究了影响SOA级联失谐滤波器高速逻辑操作性能的码型效应因素。研究表明，码型效应随着伪随机码长度的增加而增加，且趋于饱和，饱和快慢与工作速率以及SOA的载流子恢复时间有关。提出了测量码型效应的新方法并验证了新方法的准确性。基于新方法分析了SOA增益压缩因子以及输入脉冲能量对码型效应的影响。部分结果还与已报道的实验结果进行了比较且具有一致性。分析表明，SOA增益压缩因子的增加、输入脉冲能量的减小均有助于缓解码型效应，为该结构的优化设计提供了理论指导。
　　 (3) 针对开关键控信号（OOK），首次将SOA中的交叉增益调制效应（XGM）和瞬态交叉相位调制效应（T-XPM）结合起来，数值模拟和实验研究了40 Gbit/s速率下SOA级联小失谐量滤波器的多种高速全光逻辑方案，包括“非”、“或非”、“与”和“异或”操作。结果表明，上述方案的逻辑结果完全正确，其中逻辑“非”效果最好，适合级联。逻辑“或非”信号存在较为严重的码型效应，SOA的相位饱和特性需要进一步研究。逻辑“与”和构成“异或”的两路信号质量类似，均输出了较为理想的结果。最后讨论了各方案对RZ和NRZ格式的透明性。结果表明，选择适当的滤波器参数，上述逻辑方案对RZ和NRZ格式都适用。
　　 (4) 首次基于全光逻辑最小项构建了差分相移键控信号（DPSK）的多路可重构逻辑操作。全光逻辑最小项由成熟光学器件延时干涉仪（DI）和SOA组成。实验验证了20 Gbit/s下可重构逻辑方案的可行性，包括两路信号的四个逻辑最小项、同时实现的“与”和“或非”操作、可重构的“异或”和“同或”操作、三路信号的“与”、“或非”操作以及八个逻辑最小项。结果表明，输出信号质量与SOA的增益饱和程度密切相关，SOA的载流子恢复时间也必须进行优化。
　　 (5) 针对全光模拟信号的运算操作，首次提出了两种全光强度微分方案。一种是基于SOA级联失谐滤波器的高速方案，另一种是基于SOA中XGM的高转换效率方案。数值模拟和实验验证了两种方案的可行性。结果表明，第一种方案的工作速率高、输出波长单一，但信号调制度不高，功率衰减大；第二章方案的动态特性好、输出功率大、结构简单、适于级联，但工作速率受到SOA载流子恢复时间限制且输出波长不单一。因此两种方案优势互补，可根据具体应用作出相应选择。
　　 (6) 基于硫化砷波导研究了全光逻辑“与”在高速解复用中的应用。实验验证了基于五厘米长硫化砷波导四波混频效应的640Gbit/s到10 Gbit/s的无误码解复用操作，平均功率代价仅2 dB，无误码平台出现，将硫化物波导的解复用实验速率从160 Gbit/s提高到了640 Gbit/s。