基于非线性效应的光学逻辑门研究

全光逻辑门是实现全光信号处理的核心元件，它可以实现全光信号提取，全光地址识别，全光复用／解复用以及全光开关等，因此，在未来的全光高速通信网络和新一代光计算机中将有着巨大的应用潜力，目前，国内外均对此展开了广泛深入的研究。半导体光放大器以其体积小，光谱性能好，工作波长范围宽，响应时间短以及良好的非线性特性等优点，成为各种全光逻辑门中的主要功能器件，本文介绍了几种基于半导体光放大器中的非线性光学效应工作的全光逻辑门，并对其各自的特点进行了比较。

1 实现光学逻辑门的非线性光学原理

实现全光逻辑门主要是基于半导体光放大器中的交叉增益调制波长转换原理，在忽略放大的自发辐射引起的载流子消耗的条件下，波长的转换过程可以用以下两个方程描述：


其中，N是有源区中载流子浓度，I是注入电流大小，e是电子电量，V是有源区体积，Γ是模场限制因子，A是有源区横截面积，h是普朗克常数，c是真空中光速，下标S，c分别对应信号光和探测光，gi(N，vi)是对应光波的增益系数，v是光波的频率，P+i和P-i分别对应正向和反向传播的光功率，αint是有源区内部的损耗系数，R(N)是非辐射复合和自发辐射复合引起的载流子消耗。为准确模拟载流子沿半导体光放大器有源区长度方向的分布，可以采用分段模型进行数值模拟。将有源区分为M段，每段载流子浓度均匀，给定入射光功率就可以根据式(1)解出第一子段的载流子浓度N1，然后根据式(2)求出第一子段光功率P2，再代入式(1)求得N2，依次类推可求得整个有源区内载流子浓度N和光功率P在空间上的静态分布，最后采用龙格-库塔法求出随时间变化的输出光功率。

2 光学逻辑门的工作原理

2.1 利用半导体光放大器实现光逻辑与门

利用半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)实现光逻辑与门是利用级联的交叉增益调制型波长转换来实现全光逻辑与门，工作原理为：特定速率的信号光经过掺铒光纤放大器放大后再经耦合器1分为两路，其中一路信号光A和可调谐激光器提供的连续光(探测光)经耦合器2合路，再经过环行器送入SOA1。两柬光在SOA1中可以产生基于交叉增益调制效应的波长转换现象，信号光携带的信息转换到探测光上，但与原信息反相。第一级SOA1输出的信号光经环行器输出，而后经过EDFA2放大，随后由带通滤波器1滤出波长转换后的信号；另一路光信号经过可调谐延时线延时后，和带通滤波器1输出的信号一起经过耦合器和环行器耦合进SOA2，适当控制第一级转换输出的功率远大于延时后的信号光功率，因此，当第一级转换输出的比特为“1”时，SOA2的增益被抑制，无论信号光为“1”还是“0”，输出为“O”；反之，当第一级转换输出的比特为“0”，信号光为“1”时输出“1”，为“0”时输出“0”，因此，经带通滤波器2(对准信号光波长)滤出的信号就是信号光A和延时后的信号光B的逻辑与运算结果。

2.2 利用太赫兹光非对称解复用器实现全光逻辑门

利用太赫兹光非对称解复用器(Terahertz OpticalAsymmetric Demultiplexer，TOAD)实现全光逻辑门的原理如图2所示。耦合器1将一段光纤首尾相接，作为非线性元件的SOA非对称的置于光纤线路中，它偏离环路中心的光程为T／2，控制脉冲经过耦合器2从端口A引入环路，探测脉冲从端口C注入，控制信号光足够强，能够引起SOA中的非线性效应，而探测光很弱，它不在SOA中引起非线性光学效应。此逻辑门的工作过程为：探测光从端口C输入，被耦合器1分为幅度相等的两部分，分别沿顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向传输，在没有控制光的情况下，CW和CCW光均可获得SOA的小信号增益，当它们再次回到耦合器1时所获得的相移也相等，因此，两束光在端口D相干相消，而光全部从端口C反射；反之，当有控制光从端口A输入，控制光经耦合器2注入环路中，适当调节探测光和控制光之间的时延，使得控制光在CCW之后CW之前到达SOA，这样，在控制光的作用下，CW将获得额外的非线性相移，经耦合器1再次耦合后，从端口D输出，相当于实现了探测光与控制光的逻辑与运算。

2.3 基于马赫-曾德干涉仪的全光逻辑门

基于马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interfer-ometers，MZI)的全光逻辑门的原理如图3所示，SOA1和SOA2对称放置在干涉仪两臂，连续的探测光通过一个耦合器分解成两束，注入到干涉仪两臂，波长为λ1的两路强度调制的信号光分别注入其中，信号光的峰值功率高于SOA的最大线性输入功率，当输入功率超过SOA的最大线性输人功率时，SOA的有源区内载流子密度就会发生变化，使有源区内的有效折射率发生改变，导致通过SOA的探测光的强度和相位发生变化，探测光经过SOA就会携带上信号光的信息，两路经过相位调制的探测光在耦合器中发生干涉，将相位转移成振幅调制，完成两路信号的异或运算。

2.4 基于超快非线性干涉仪的全光逻辑门

超快非线性干涉仪(Ultrafast Nonlinear Interferometers，UNI)的工作原理如图4所示，信号光经过起偏器保持一定方向的偏振态，经过双折射光纤后分离成具有不同偏振态相互正交且有一定延时的两路脉冲，其中一个脉冲先进入SOA，然后控制脉冲通过耦合器1输入到SOA，接着相互正交的后一脉冲再进入SOA。由于前一脉冲强度小，SOA不会产生增益非线性，而后一脉冲将会遇到强的控制脉冲导致的SOA增益非线性，从而获得一附加相移。

因此，当两个脉冲经过快慢轴与双折射光纤BRF1正交的BRF2后，重新在时间上重叠。由于两个脉冲有相位差，当它们通过45°检偏器后将会产生干涉，从而有输出；反之，如果没有控制脉冲，则这两个脉冲将会遇到相同的增益特性，没有相差，在检偏器中不能形成干涉，因而也就没有输出。当利用超快非线性干涉仪作为逻辑门时，时钟信号作为信号光输入超快非线性干涉仪，再利用耦合器2输入A和B两个逻辑控制信号代替超快非线性干涉仪原来的控制信号，就可以获得或门和异或门。

3 结 语

以上分析了几种典型全光逻辑门的工作原理，其中，在利用半导体光放大器实现的全光逻辑门中，第二级半导体光放大器前置的掺铒光纤放大器的输入信号功率和消光比对逻辑与运算的输出性能起决定性作用，而利用太赫兹光非对称解复用器实现全光逻辑门方案，具有结构简单、操作性强等优点，在实现逻辑操作的同时实现了波长转换，最后探测光作为载波携带逻辑结果输出，同时，此方案还具有扩展性，即能够实现多个具有不同波长的数据流的操作，如果改用偏振无关的半导体光放大器，可实现偏振无关的逻辑门。基于超快非线性干涉仪的全光逻辑门，利用反向控制光实现全光或门和异或门，同时信号光和控制光可实现单一波长工作，加之采用了半导体光放大器，使得结构紧密，连同基于马赫一曾德干涉仪的全光逻辑门，均具有便于集成的优点，用于未来的全光信号处理颇有前途。