一种无源的全光逻辑门及偏振转换器

摘要

本发明提供了一种无源的全光逻辑门及偏振转换器，该全光逻辑门包括光纤环、偏振合束器、偏振分束器、耦合器、放大器，所述偏振合束器和所述偏振分束器安装在光纤环上，所述耦合器与所述光纤环相连，所述放大器与所述偏振合束器相连；设将初始相位为0的信号光从信号端输入经耦合器输出为初始功率相同的顺时针和逆时针光脉冲，控制光与顺时针光相互作用，调节控制光对顺时信号光的相位调制量，从而改变顺时信号光与逆时信号光的相位之差，从而控制耦合器从不同的端口输出。本发明的有益效果是：本发明适合超高速、超短脉冲的传输系统。在速率为160 Gb/s、脉冲宽度为fs量级的传输系统中实现了全光逻辑与、非、异或运算。

说明书

技术领域

本发明涉及光信号处理技术领域，尤其涉及一种无源的全光逻辑门及偏振转换器。

背景技术

全光逻辑门是一种多用途的光信号处理器件，可以不经过“光—电—光”的转换，直接在光域中进行各种数据处理、分组交换。可全光地在网络中进行包转发、标签包头交换、时钟提取、有效位的划分，在数据处理中进行：判决、信号再生、基本和复杂的运算、伪随机码序列的生成、奇偶校验、解复用、位模式识别、数据加密/解密等等。在新一代的全光网络中，全光逻辑门作为其基本技术器件拥有巨大的应用潜力，并且随着光计算机的发展，全光逻辑门作为其中的核心器件必将发挥重要的作用。

目前研究的全光逻辑门按构成材料、工作原理主要可以分为以下几大类：基于SOA(半导体光放大器)型、基于光纤非线性效应型、基于光孤子型、基于光子晶体型等。

迄今为止，众多国内外学者对全光逻辑门进行了研究并取得了一些成果。基于SOA型全光逻辑门：2002年美国康涅狄格州的物理学院利用 SOA-MZI差分相位调制技术验证了速率为10Gbit/s全光逻辑异或门，该逻辑门的输出脉冲宽度跟输入脉冲宽度相当。2005年，美国的南加利福尼亚大学的S.Kumar和A.E.Willner在SOA中同时利用四波混频效应(FWM)和交叉增益调制(XGM)实现全光异或非门。2009年，贝尔实验室设计了一种以一对光子集成的SOA-MZI全光逻辑门，并以实验验证了该结构在86.4Gb/s的速率下实现逻辑异或(XOR)、逻辑异或非(NXOR)操作。 2013年，S.K.Chandra等利用SOA的FWM效应，实现XNOR门全光逻辑。2016年，由张国等人提出基于QD-SOA的全光逻辑或非门，当泵浦光的峰值功率为10dBm，探测光峰值功率为小于等于-20dBm时，能得到较好的输出逻辑门波形。

利用光纤非线性效应的全光逻辑门：1988年，日本横须贺电气通信实验室的Toshio Morioka和武藏野电子通信实验室的Masatoshi Saruwatari 研究利用光纤的光克尔效应来做全光逻辑门，并且用速率为1.97Gb/s、光脉冲宽度为30ps的实验系统。2005年，南加利福尼亚大学电子工程系统学院Changyuan Yu等人利用光脉冲在长度为2km的高非线性光纤中的克尔效应引起的偏振旋转原理设计了一种全光异或门，并且从理论上证明了该种逻辑门的速率原则上是可以达到100Gb/s以上的。2008年，华中科技大学的武汉国家光电实验室的王健利用HNLF中的四波混频效应，在 40Gb/s的NRZ-DPSK系统中实验证明了一种多信道的全光异或门，在该实验中可以同时接收到三个通道的输出。2007年，南开大学现代光学研究所将高非线性光子晶体光纤和EDFA放大器引入Sagnac干涉仪中，报道了在实验中得到开关功率约为40Gb/s，消光比为15.9dB,2009年，哈尔滨工业大学的王菲等实现了超低开关功率(<1mW)的开关操作。

基于孤子的逻辑门：在2007年，以色列理工学院电气工程系的Yuval P.Shapira等利用计算机仿真证明了一种基于FBGs中的光孤子之间的互作用的全光逻辑与门。2002年，Marco Peccianti等利用在液晶中的空间孤子之间的碰撞可以成特定的角度输出的原理，设计了与门跟或非门。2005年， Jacob Scheuer和Meir Orenstein研究利用多层不同的Kerr介质中多个空间孤子的无关联的相互作用的全光逻辑门，并对或非门进行了实验的验证和分析。2006年，Svetlana V.Serak等设计了基于空间孤子的全光逻辑门，得到了毫瓦量级的开关功率。2016年，Amer Kotbps模拟了基于孤子异或全光逻辑门，色散常数的0.5ps/(nm.km)，能实现速率80Gb/s数据速率与逻辑正确性和高输出品质因数。

基于光子晶体型的逻辑门：2004年，T.A.Ibrahim等利用谐振频率相近的两个微腔实现逻辑或非门。2009年P.Andalib等通过级联两个具有Kerr 效应的光子晶体环形谐振腔实现全光逻辑与门，传速速率达到120Gb/s， 2009年，J.B.Bai等利用线性干涉效应在45°光子晶体谐振腔中实现了全光逻辑NOT和XOR门的逻辑功能。2013年S.Afzal等利用具有Kerr效应的纳米腔实现了可调谐的全光逻辑异或门。

目前技术的缺陷是：

基于SOA的全光逻辑门存在着自身的缺陷，如在以上所述的方案中，其逻辑运算是在不同波长之间进行的，功率要求比较高，且SOA在工作过程中产生的自发辐射等，会对逻辑门引入额外的噪声，并且没有考虑到在超高速下走离效应等问题。由于SOA增益的恢复时间比较长，获得超快速的信号比较困难，不能适用于超高速、超短脉冲传输系统。

基于光纤非线性效应其一般需要比较长的光纤，开关功率比较高，结构复杂且体积比较庞大不利于集成，使其在光通信领域的应用收到极大的限制。

基于孤子的逻辑门则需要比较高的开关功率。

基于光子晶体型逻辑门由于需要泵浦光对其进行激励，从而要求对泵浦光强度有一定的要求，也就造成了较高的能耗，而且制备工艺复杂，工艺难度大。

发明内容

本发明提供了一种无源的全光逻辑门，包括光纤环、偏振合束器、偏振分束器、耦合器、放大器，所述偏振合束器和所述偏振分束器安装在光纤环上，所述耦合器与所述光纤环相连，所述放大器与所述偏振合束器相连；设将初始相位为0的信号光从信号端输入经耦合器输出为初始功率相同的顺时针和逆时针光脉冲，控制光与顺时针光相互作用，调节控制光对顺时信号光的相位调制量，从而改变顺时信号光与逆时信号光的相位之差，从而控制耦合器从不同的端口输出。

作为本发明的进一步改进，当信号端和控制端的输入为“11”时，信号光进入耦合器时分为初始功率、相位相同的顺时针信号S_cw和逆时针信号>ccw两路，控制光C_cw通过偏振合束器中耦合进入光纤环中与S_cw同向传输，经过光纤环传输后S_cw和S_ccw在耦合器进行作用，当S_cw受到C_cw的调制在光纤环中得到的相移与S_ccw得到的相移相差π时，耦合后的光脉冲从透射端输出，即透射端的输出为“1”；当信号端和控制端的输入为“00”或者“01”时，由于没有信号的输入，透射端输出为“0”；当信号端和控制端的输入为“10”时，由于没有控制光C_cw的调制，S_cw和S_ccw在光纤环的传输后得到的相移相同，信号脉冲从反射端输出，此时透射端的输出均为“0”，所以，从透射端口可以得到信号端和控制端的逻辑“与”操作。

作为本发明的进一步改进，所述耦合器的功分比为0.5。

作为本发明的进一步改进，将全光逻辑与门的信号端改为时针信号、控制端改为信号输入，时钟信号即是全“1”序列，当与时钟端口序列对应的信号脉冲的输入位为‘1’时，时钟光脉冲将从透射端口输出，若其对应的信号光脉冲为‘0’时，时钟光脉冲将从反射端口输出；观察反射端口的输出，当信号为“1”时其输出为“0”，当信号为“0”时输出“1”，这样从反射端口可以得到输入信号的逻辑“非”脉冲序列，从而构成全光逻辑非门。

作为本发明的进一步改进，所述偏振合束器为两个，所述偏振分束器为两个，信号光脉冲跟时钟光脉冲均为偏振光且偏振方向相互正交，两个输入信号先经过一个放大器的放大，再通过偏振合束器引入到光纤环中，经过光纤传输后在到达耦合器之前通过偏振分束器分离出去，从而构成全光逻辑异或门。

作为本发明的进一步改进，时钟光脉冲经过耦合器C后分为顺时针信号S_cw和逆时针信号S_ccw，若两路信号的输入均为0，则S_cw和S_ccw经过光纤环的传输后返回耦合器时得到的相移相等，耦合后的光脉冲从反射端口输出；若两路信号为“10”时，则S_cw受到信号1的调制，S_cw和S_ccw在光纤环的传输的传输过程中得到的相移不等，有π的相差，经过耦合器耦合后时钟脉冲从透射端口输出；若两路信号为“01”时，则S_ccw受到信号2的调制，S_cw和S_ccw在光纤环的传输的传输过程中得到的相差π的相移，经过耦合器耦合后时钟脉冲从透射端口输出；若两路信号为“11”时，S_cw受到信号1的调制而S_ccw受到信号2的调制，它们在传输过程中得到的相移相等，经过耦合器后从反射端输出。

作为本发明的进一步改进，所述放大器为EDFA放大器，所述光纤环为光子晶体光纤。

本发明还提供了一种偏振转换器，该偏振转换器包括权利要求4至7 任一项所述全光逻辑门，该偏振转换器将全光逻辑非门的透射端口作为输出端，时钟信号即是全“1”序列，当与时钟端口序列对应的信号脉冲的输入位为‘1’时，时钟脉冲将从透射端口输出，若其对应的信号光脉冲为‘0’时，时钟光脉冲将从反射端口输出；观察透射射端口的输出，当信号为“1”时其输出亦为“1”，只是信号的偏振方向发生了改变，脉冲功率也发生了改变；当信号为“0”时输出亦“0”，这样，从透射端口可以得到经过偏振转换的输入信号脉冲序列。

本发明的有益效果是：本发明适合超高速、超短脉冲的传输系统。在速率为160Gb/s、脉冲宽度为fs量级的传输系统中实现了全光逻辑与、非、异或运算，且这种全光逻辑门可以进行级联，可作为偏振转换器。

附图说明

图1是本发明的全光逻辑门的基本结构示意图。

图2是全光逻辑与门的信号脉冲的输入“10010101”的模拟仿真图。

图3是全光逻辑与门的控制光脉冲的输入“10101111”的模拟仿真图。

图4是全光逻辑与门的透射端的输出“10000101”的模拟仿真图。

图5是全光逻辑与门的反射端的输出的模拟仿真图。

图6是全光逻辑与门的输出眼图。

图7是本发明的全光逻辑非门的结构示意图。

图8是全光逻辑非门的信号脉冲的输入“10101001”的模拟仿真图。

图9是全光逻辑非门的时钟脉冲信号的模拟仿真图。

图10是全光逻辑非门的反射端的输出“01010110”的模拟仿真图。

图11是全光逻辑非门的透射端的输出的模拟仿真图。

图12是全光逻辑非门的输出眼图。

图13是本发明的全光逻辑异或门的结构示意图。

图14是全光逻辑异或门的信号1的输入“10010011”的模拟仿真图。

图15是全光逻辑异或门的信号2的输入“01100110”的模拟仿真图。

图16是全光逻辑异或门的时钟信号脉冲的模拟仿真图。

图17是全光逻辑异或门的透射端的输出脉冲的模拟仿真图。

图18是全光逻辑异或门的反射端的输出脉冲的模拟仿真图。

图19是全光逻辑异或门的输出眼图。

具体实施方式

本发明公开了一种无源的全光逻辑门，下面进行具体介绍：基于 Sagnac型全光逻辑门是利用非线性效应原理，Sagnac型光纤干涉仪采取双臂平衡的干涉结构，利用在构成Sagnac环的光纤中的各种不同的非线性效应，可以有多种应用如脉冲整形、脉冲产生、全光信号处理、信道解复用、参量放大等。该全光逻辑门的输入采取同波长、偏振方向正交的光脉冲信号，在Sagnac环中利用光纤拼接技术消除脉冲之间的走离效应，使得该开关适合超高速、超短脉冲的传输系统。全光逻辑门的基本结构如图1所示。

其原理是假设将初始相位为0的信号光从信号端输入经耦合器输出为初始功率相同的顺时针和逆时针光脉冲，控制光与顺时针光相互作用，调节控制光对顺时信号光的相位调制量，从而改变顺时信号光与逆时信号光的相位之差，从而控制耦合器从不同的端口输出。

一.全光逻辑与门：

全光逻辑与门结构如图1，当信号端和控制端的输入为“11”时，信号光进入耦合器时分为初始功率、相位相同的顺时针信号S_cw和逆时针信号>ccw两路(这里假设耦合器的功分比为0.5)，控制光C_cw通过偏振合束器中耦合进入光纤环中与S_cw同向传输。经过光纤环传输后S_cw和S_ccw在耦合器进行作用，当S_cw受到C_cw的调制在光纤环中得到的相移与S_ccw得到的相移相差π时，耦合后的光脉冲从透射端输出，即透射端的输出为“1”。当信号端和控制端的输入为“00”或者“01”时，由于没有信号的输入，透射端输出为“0”。当信号端和控制端的输入为“10”时，由于没有控制光C_cw的调制，S_cw和S_ccw在光纤环的传输后得到的相移相同，信号脉冲从反射端输出，此时透射端的输出均为“0”。所以，从透射端口可以得到信号端和控制端的逻辑“与”(AND)操作。下面研究使输出光完全透射时控制光的功率要求：

假设信号光的入射功率为P_s，P_c为控制信号功率，根据耦合器的传输矩阵特性式经过耦合器后两路信号光振幅为ρ为耦合器功分比，这时逆时针信号引入π/2的相对相移，当两路信号再次回到耦合器光场时振幅分别为为在环形中传输时所引入的线性相移，为环形中传输时所引入的非线性相移。其中β为环内的传输常数，L为环长。S_cw的非线性相移由其本身SPM和控制信号XPM共同作用而产生，S_ccw的非线性相移只由其SPM>其中L_eff为光纤环的有效长度，L_eff＝1/α(1-exp(-αL))。α为光纤损耗系数，γ为光纤非线性系数，G为EDFA的增益系数，ρ为耦合器功分比。S_cw与S_ccw经过光纤环后进入耦合器进行干涉，利用光纤耦合器的传输矩阵可以得到反射光场和透射光场为：其中A_t、A_r分别表示透射光场和反射光场的振幅。

然后利用环的透射率公式其中可得 T_s＝(1-4ρ(1-ρ)cos²((γ((2ρ-1)P_s+2/3GP_c)(1/α(1-exp(-αL))))/>cw与S_ccw的相移差等于π的奇数倍时，透射率最大，实现完全开关效应。取m为1时可得到最小开关功率为:P_cmin＝(3π)/(2Gγ>eff)。

数值模拟的参数设置如下：光纤的衰减系数α＝0.2dB/km，光源为高斯脉冲、系统的传输速率为160Gbit/s(脉冲占空比为0.1)、脉冲宽度为 (625fs)，EDFA的增益(可根据需要改变，应符合开关功率的要求)为G、所用的HN-PCF(高非线性光子晶体光纤)由丹麦Crystal Fiber公司生产的NL-1550-ZERO-1型高非线性PCF，长度为50m、零点色散波长1550nm、有效模场面积为A_eff＝2.5μm²、HN-PCF的非线性折射率系数n₂＝2.8×>-20m²/W、载波使用的波长为1550nm、这时可以得到PCF的非线性系数为γ＝45.38/(W·km)，L_eff为49.9m。取G＝1000(30dB的情况下)，代入可得P_cmin为2.08016mW，信号输入功率为0.05mW。模拟仿真结果如图2-5所示。

图6为利用(2⁷-1)的随机归零码序列(RZ码)在系统的传输速率为>

二.全光逻辑非门：

将与门的信号端改为时针信号、控制端改为信号输入。时钟信号即是全“1”序列，类似于全光逻辑与门的原理，当与时钟端口序列对应的信号脉冲的输入位为‘1’时，时钟光脉冲将从透射端口输出，若其对应的信号光脉冲为‘0’时，时钟光脉冲将从反射端口输出。观察反射端口的输出，当信号为“1”时其输出为“0”，当信号为“0”时输出“1”，这样从反射端口可以得到输入信号的逻辑“非”脉冲序列。图7为非门的结构图。

时钟光脉冲和信号光脉冲的波长相同、偏振方向相互正交，由于在非门的设计中，信号脉冲需要比较强的功率，经过逻辑“非”操作后，从逻辑门输出波长相同、偏振方向与信号脉冲正交、低功率的光脉冲(时钟脉冲)。

为消弱透射脉冲留下的基座，提高非门的消光比，这里使信号脉冲宽度为时钟脉冲的3倍，逻辑门的消光比达到18.9dB，图12为输出眼图，选择合适的信号脉冲跟时钟脉冲的宽度比可得到良好性能的非门。

三.全光逻辑异或门：

全光逻辑异或门的基本结构如图13，该结构在全光逻辑非门的基本结构上增加了一路控制信号和该路控制信号输出。信号光脉冲跟时钟光脉冲均为偏振光且偏振方向相互正交，两个输入信号先经过一个EDFA放大器的放大，再通过偏振合束器引入到Saganac光纤环中，经过光纤传输后在到达耦合器C之前通过偏振分束器分离出去。

利用该结构可以实现两路信号的异或操作。时钟光脉冲经过耦合器C 后分为顺时针信号S_cw和逆时针信号S_ccw，若两路信号的输入均为0，则S_cw和S_ccw经过光纤环的传输后返回耦合器时得到的相移相等，耦合后的光脉冲从Saganac的反射端口输出。若两路信号为“10”时，则S_cw受到信号1>cw和S_ccw在光纤环的传输的传输过程中得到的相移不等，有π的相差，经过耦合器C耦合后时钟脉冲从透射端口输出。同样，若两路信号为“01”时，则S_ccw受到信号2的调制，S_cw和S_ccw在光纤环的传输的传输过程中得到的相差π的相移，经过耦合器C耦合后时钟脉冲从透射端口输出。若两路信号为“11”时，S_cw受到信号1的调制而S_ccw受到信号2的调制，它们在传输过程中得到的相移相等，经过耦合器后从反射端输出。所以，以Saganac的透射端口作为逻辑门的输出端口，可以得到两路信号的逻辑异或操作。

由于时钟光脉冲的功率比输入信号的脉冲功率小，偏振方向正交于输入信号，经过此全光逻辑异或门后的输出将是低功率、偏振方向与原信号正交的光脉冲信号(时钟信号脉冲)。

数值模拟的参数设置同“与”门相同，两个信号输入功率均为阈值功率为2.08016mW，时钟信号功率为0.05mW。信号1的输入为“10010011”，信号2的输入为“01100110”，根据信号1跟信号2的相异或的结果，透射端口的输出结果应该为“11110101”，模拟结果如图14-18所示。

图19为利用长度为(2⁷-1)的随机归零码序列(RZ码)、系统的传输速率为160Gbit/s，脉冲占空比为0.1，脉冲宽度约为(625fs)，时钟脉冲的功率为1mW的仿真结果，Q因子的值为10.6661，最小误码率为。可以看出，该逻辑门的具有非常优秀的性能，将有良好的应用潜力。

四.偏振转换器：

在本全光逻辑门结构中，其两个输入信号为相同波长偏振方向正交的光脉冲，输出信号为其中一种偏振方向的光脉冲，另一种偏振方向的光脉冲作为控制端口输入将利用偏振分束器分离出去。在逻辑门进行级联时，若两种输入信号偏振方向相同时则必须通过偏振转换，将其中的一路转换成偏振方向与原来正交的光信号，这样转换过的信号才能跟另一路信号作为输入进行逻辑运算。目前，可以偏振转换器的原理有多种(如利用克尔非线性效应)，本发明的全光逻辑门也可以用作偏振转换器。

偏振转换器的结构图跟全光逻辑非门的相同，即将与门的信号端改为时钟信号、控制端改为信号输入，是以透射端口为输出端(跟非门的区别在此)。时钟信号即是全“1”序列，类似于全光逻辑与门的原理，当与时钟端口序列对应的信号脉冲的输入位为‘1’时，时钟脉冲将从透射端口输出，若其对应的信号光脉冲为‘0’时，时钟光脉冲将从反射端口输出。观察透射射端口的输出，当信号为“1”时其输出亦为“1”，只是信号的偏振方向发生了改变，脉冲功率也发生了改变；当信号为“0”时输出亦“0”。这样，从透射端口可以得到经过偏振转换的输入信号脉冲序列。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明的全光逻辑门的输入信号采用同波长偏振方向正交的光脉冲，进行逻辑运算时无需进行波长转换，符合网络的实际需求，是一种基于Sagnac型的无源全光逻辑门。

2.适合超高速、超短脉冲的传输系统。在速率为160Gb/s、脉冲宽度为fs量级的传输系统中实现了全光逻辑与、非、异或运算，且这种全光逻辑门可以进行级联，可作为偏振转换器；

3.利用光子晶体光纤的高非线性效应和EDFA放大器可以使逻辑门的开关功率降至mW量级(本发明采用的是2.08016mW)，且可以缩短环的光纤长度从而提高了器件的集成度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。