三种基于EDFA的全光逻辑门及其应用

三种基于EDFA的全光逻辑门及其应用
唐幸儿;刘尧葵;梁季彝;曹文华
【摘要】This paper proposes three different structures of all-optical logic gates, which use optical fiber coupler and Sagnac interferometer, and base on erbium-doped fiber amplifier's slow gain of absorption and amplification characteristics. Then analysis those three different logic gates' advantages and disadvantages, finally, illustrates the there optical logical gates' applications.%利用掺铒光纤放大器的增益缓变吸收和放大光脉冲信号的特性,结合光纤耦合器和萨格纳克干涉仪,提出了三种的不同结构的全光逻辑门,并分析了此三种全光逻辑门的优缺点和各自的用途.
【期刊名称】《光通信技术》
【年(卷),期】2012(036)005
【总页数】4页(P41-44)
【关键词】掺铒光纤放大器;光纤耦合器;萨格纳克干涉仪;全光逻辑门
【作者】唐幸儿;刘尧葵;梁季彝;曹文华
【作者单位】江门职业技术学院,广东江门529000;江门职业技术学院,广东江门529000;江门职业技术学院,广东江门529000;深圳大学电子科学与技术学院,广东深圳518060
【正文语种】中文
【中图分类】TP342
0 引言
随着高速光通信技术的飞快发展，人们对宽带宽、超高速通信与光子计算机的追求推动了非线性材料在光信息处理中的研究，而基于光学非线性的全光逻辑门器件是实现高速信息传输和处理的基础。

全光逻辑门也是实现高速光分组交换、全光地址识别、光波长转换、奇偶校验、信号再生、光计算和未来高速大容量全光信号处理的关键器件之一[1,2]。

半导体光放大器（SOA）能够提供很高的非线性，广泛用来构造全光逻辑门[3-5]。

但是SOA的偏振灵敏性对光脉冲信号带来频率啁啾，会使光脉冲产生畸变，而且SOA构造的全光逻辑门的响应时间约为1ns，很难应用于更高速率的全光切换，
如几百个Gb/s。

而光纤具有响应达到飞秒量级的非线性效应，构造的全光逻辑门
完全有能力提供Tb/s信息流切换操作。

掺铒光纤是光纤的一种，基于掺铒光纤放大器（EDFA）构造的全光逻辑门具有高的消光比、断通效率高、响应速率快等优点。

1 EDFA的两种特性
EDFA具有对光脉冲信号良好的放大性能，但是它也具有增益缓变吸收光脉冲的特性。

对于EDFA，假若没有泵浦源，EDFA将对传输中的光脉冲进行吸收，使输入光脉冲被阻塞而得不到输出。

图1、图2模拟了EDFA在没有泵浦和有泵浦（分布放大方式）两种情形下，光脉冲在光纤中的传输演变（忽略了高阶非线性的影响）。

图1 EDFA无泵浦时光脉冲的传输演变
从图1中可以看出，EDFA在无泵浦时具有良好吸收光脉冲的特性，光脉冲在EDFA中随着传输距离的增加而逐渐减弱，只要EDFA中掺杂的铒离子浓度够高，就能在很短的掺铒光纤中使输出的光脉冲强度减为0。

在图2中，由于EDFA有泵浦脉冲进行泵浦，此时光脉冲在传输过程中逐渐被放大，此时EDFA常用作光纤
通信网络中的中继放大器。

图2 EDFA有泵浦时光脉冲的传输演变
2 基于EDFA的低速全关与门
图3 低速全光与门
基于EDFA的增益缓变吸收特性构造的低速全关与门如图3所示。

A和P为待输入的光脉冲，OUTPUT为逻辑与门输出端，且EDFA无外部泵浦源。

当输入光脉冲A和P中只有一个为逻辑状态“1”时，光脉冲通过耦合器传输至EDFA，此时无泵浦源的EDFA将对光脉冲产生显著的吸收，光脉冲强度逐渐减为0，OUTPUT没有光脉冲信号输出，为逻辑状态“0”；当输入光脉冲A和P同为逻辑状态“1”时，光脉冲A和P中将有一个作为EDFA的泵浦源，此时EDFA对另外一个光脉冲进行放大，OUTPUT有高强度的光脉冲得到输出，对应逻辑状态“1”，这样就构成了逻辑与操作。

图4给出了EDFA在有无泵浦条件下输出端光脉冲的振幅，可以看出，输出光脉冲的功率相差很大，所以这种全光与门有很宽的判决门限值，对噪声容忍度很大，并且具有对比特透明，开关效率高（接近100%），对偏振不灵敏的优点。

由于掺铒光纤吸收输入光脉冲功率到自发辐射耗尽这些光功率，是一个缓慢的过程，所以这种逻辑与操作处理速度比较缓慢，断通开关时间长，约为100μs到1ms。

但是通过改造成1×2光开关可以应用于光分组交换网，基本结构如图5所示。

图4 EDFA有无泵浦时输出的光脉冲对比
图51 ×2光开关
A为传输的光波分复用信息比特流，C1、C2为切换光路时所用的控制光脉冲，用户O1、O2通过外部无泵浦源的EDFA接入。

光信息流首先经过3dB耦合器分成大小相等的两路，分别送给波长选择耦合器1和2。

光纤耦合器工作在交叉状态[6]，当控制的光脉冲C1存在时，C1经过波长选择耦合器2泵浦EDFA，使A中
特定波长的光脉冲信号经EDFA放大后从O2输出；同理，C2存在时，使被波长选择耦合器选中的另一波长的光脉冲信号经EDFA放大从O1输出。

这种1×2光开关的交换模式类似于电网络中的电路交换（CS），用户O1和O2可以在需要网络服务时通过C1和C2的控制选择各自特定波长的光信息，这种光链路的建立对开关响应速率要求不高，1×2光开关完全可以胜任。

此外它还可以应用于用远程发送的光信号C1、C2对网中业务流量进行控制。

3 基于EDFA的快速全光或门
光纤耦合器是一种无源四端口光器件，光从输入端口的一个端口入射，直接耦合到两个不同的方向。

通过前人的理论分析，光纤耦合器有一个重要参数临界功率，通过判断临界功率和入射脉冲功率的大小，耦合器两输出端口将有不同光功率分配。

当输入光脉冲功率远远小于临界功率时，几乎所有能量转移到另一个纤芯，称此种状态为交叉状态；当输入光脉冲功率持续增大但小于临界功率，两纤芯间的能量持续转换，并且当其等于临界功率时，无论耦合器长度有多大，最多只有一半能量转移到第二个纤芯；当输入光脉冲功率远大于临界功率时，几乎没有能量转移另一个纤芯中，称此种状态为阻碍状态[6]。

很早就有人提出了用非对称光纤耦合器来构造全光逻辑门[7]，其原理是光纤耦合器中两纤芯间的色散系数不同，致使输出端光脉冲功率分配不均，通过设置合适的判决门限值来实现逻辑操作。

但是基于EDFA的有源光纤耦合器构造的全光逻辑门却少有报导，图6是通过有源光纤耦合器构造的快速全光或门。

图6 掺杂铒离子的有源定向耦合器
纤芯1中是普通的单模光纤，纤芯2由一段EDFA组成，并有外部泵浦源进行后向泵浦。

当输入端口光脉冲A和B都为逻辑状态“0”时，输出端口OUTPUT也为逻辑“0”状态；当输入光脉冲A为逻辑“1”，B为逻辑“0”时，A从纤芯1耦合进纤芯2，并被EDFA放大从OUTPUT得到输出，为逻辑“1”。

当B为逻
辑“1”，A 为逻辑“0”时，B 被 EDFA 放大，功率远超过临界功率后，有源光
纤耦合器工作在阻碍状态，此时虽然有少量功率从光纤耦合器另一端输出，但放大后绝大部分的功率从OUTPUT得到输出，可以判决为逻辑“1”状态；当A和B
同为逻辑状态“1”时，光脉冲A耦合进纤芯2并和B同时被EDFA放大，同理，有源光纤耦合器工作在阻碍状态并阻止B耦合进纤芯1，两光脉冲经叠加后在OUTPUT输出，为逻辑状态“1”。

这样有源光纤耦合器就实现了逻辑或操作。

图7描述了这种全光或门的逻辑操作，这种全光或操作响应速率很快，可以达到
飞秒量级，它可用于对光信号比特流进行时分复用；因OUTPUT输出的光脉冲信号被EDFA放大了，所以复用后光信号可以无中继传输较远距离，这样可以减少
光时分复用信息比特流在超远距离传输中所需的中继器数量，对于较短距离的完全可以无需中继放大传输。

它可以作为全光逻辑运算的基本器件，来构造如电领域的累加器、全加器等。

而且他还具有较大的取值空间判决门限值、噪声容限范围大、抗衰减的优点，便于接收端进行判决。

由于构造此种全光或门需要光脉冲B经过EDFA放大后的功率要超过光纤耦合器
的临界功率，临界功率由ρc=4κ γ（1－σ）给出[6]，所以可以通过降低光纤耦合器的耦合系数κ，增大交叉相位调制（XPM）系数σ和光纤非线性系数γ，降低临界功率值。

但是增大交叉相位调制系数σ和光纤非线性系数γ，会增强光脉冲的自相位调制（SPM）和脉冲间的XPM互作用，一种可行的方案是利用光孤子作为光脉冲输入，在消除这些非线性效应同时，还可以通过高阶孤子压缩过程产生的高能量达到并超过所需的临界功率。

图7 逻辑或操作
4 基于EDFA的快速全光与门
快速全光与门可以对光时分复用（OTDM）系统中的光脉冲信号进行解复用，由
于光时分复用系统中信息流的传输速率很快，这就需要相应的解复用所用的与门响
应比信息流的传输速率更快。

大量基于SOA的全光与门，由于响应时间限制在皮秒量级，不能用于超短光脉冲（飞秒量级）的时分复用系统。

而基于光纤的非线性响应却可达飞秒量级，可以通过利用光纤非线性来构造更快速响应的逻辑门。

图8是由萨格纳克（Sagnac）干涉仪和EDFA构造的全光逻辑与门操作。

Sagnac干涉仪是用一段光纤将光纤耦合器的两个输出端口连接起来形成一个环，从端口输入的光脉冲经过耦合器后，分成反向传输的两束光CW和CCW，而这两束光的相对相位差决定了输入光脉冲是被Sagnac干涉仪反射还是被透射，若采用3dB耦合器，所有的输入光脉冲全部被反射，这是因为两束光的非线性相移相等，使得这两束光间的相对相位差为零；当反向传输的两束光脉冲的相位差为π时，
输入的光脉冲将全部得到透射。

图8 快速全光与门
图8构造的全光与门是基于光纤中两光脉冲的交叉相位调制（XPM）会产生非线
性相移这一非线性现象。

只要控制好光脉冲的强度，就能使反向传输的两束光相位差为π。

图8中A为输入的光脉冲信号，C为光脉冲控制信号，C经过有泵浦的EDFA放大后耦合进Sagnac干涉仪，通过XPM对Sagnac干涉仪反向传输的两
光脉冲CW和CCW产生附加的非线性相移，当相移为π时，光信号脉冲A将从OUT端得到透射。

当没有控制光脉冲信号C时，光信号脉冲A将全部从输入端反射出去，这样就构成了基本的全光与门。

这种快速全光与门能够对光时分复用系统中光信号脉冲进行解复用。

如图9所示，数据A为时分复用后的数据流，通过时钟脉冲C和数据流A进行逻辑与操作，就可以从OUT中得到指定的解复用后的数据。

而使数据A延迟指定时间后，再跟时钟脉冲C进行与操作，就可以的得到其他时隙的数据。

图9 全光与门运用于OTDM解复用
5 结束语
全光逻辑门是构造未来高速全光通信系统、光子计算机中的重要器件之一，通过它提供的各种逻辑操作，可以在光通信网络系统中对光脉冲信号进行超快全光切换、复用解复用和各种光运算处理。

本文利用了EDFA的缓慢增益特性和对光脉冲信号的良好的放大特性，构造了三种不同结构的全光逻辑门，并介绍了它们应用的领域。

低速全关与门可以对网络进行切换和控制网络流量，快速全关或门可以作为。

参考文献：
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