全光邏輯門是實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)處理的核心元件，它可以實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)提取，全光地址識(shí)別，全光復(fù)用／解復(fù)用以及全光開關(guān)等，因此，在未來的全光高速通信網(wǎng)絡(luò)和新一代光計(jì)算機(jī)中將有著巨大的應(yīng)用潛力，目前，國內(nèi)外均對(duì)此展開了廣泛深入的研究。半導(dǎo)體光放大器以其體積小，光譜性能好，工作波長范圍寬，響應(yīng)時(shí)間短以及良好的非線性特性等優(yōu)點(diǎn)，成為各種全光邏輯門中的主要功能器件，本文介紹了幾種基于半導(dǎo)體光放大器中的非線性光學(xué)效應(yīng)工作的全光邏輯門，并對(duì)其各自的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。
1 實(shí)現(xiàn)光學(xué)邏輯門的非線性光學(xué)原理
實(shí)現(xiàn)全光邏輯門主要是基于半導(dǎo)體光放大器中的交叉增益調(diào)制波長轉(zhuǎn)換原理，在忽略放大的自發(fā)輻射引起的載流子消耗的條件下，波長的轉(zhuǎn)換過程可以用以下兩個(gè)方程描述：
其中，N是有源區(qū)中載流子濃度，I是注入電流大小，e是電子電量，V是有源區(qū)體積，Γ是模場(chǎng)限制因子，A是有源區(qū)橫截面積，h是普朗克常數(shù)，c是真空中光速，下標(biāo)S，c分別對(duì)應(yīng)信號(hào)光和探測(cè)光，gi(N，vi)是對(duì)應(yīng)光波的增益系數(shù)，v是光波的頻率，P+i和P-i分別對(duì)應(yīng)正向和反向傳播的光功率，αint是有源區(qū)內(nèi)部的損耗系數(shù)，R(N)是非輻射復(fù)合和自發(fā)輻射復(fù)合引起的載流子消耗。為準(zhǔn)確模擬載流子沿半導(dǎo)體光放大器有源區(qū)長度方向的分布，可以采用分段模型進(jìn)行數(shù)值模擬。將有源區(qū)分為M段，每段載流子濃度均勻，給定入射光功率就可以根據(jù)式(1)解出第一子段的載流子濃度N1，然后根據(jù)式(2)求出第一子段光功率P2，再代入式(1)求得N2，依次類推可求得整個(gè)有源區(qū)內(nèi)載流子濃度N和光功率P在空間上的靜態(tài)分布，最后采用龍格-庫塔法求出隨時(shí)間變化的輸出光功率。
2 光學(xué)邏輯門的工作原理
2.1 利用半導(dǎo)體光放大器實(shí)現(xiàn)光邏輯與門
利用半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)實(shí)現(xiàn)光邏輯與門是利用級(jí)聯(lián)的交叉增益調(diào)制型波長轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)全光邏輯與門，工作原理為：特定速率的信號(hào)光經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大后再經(jīng)耦合器1分為兩路，其中一路信號(hào)光A和可調(diào)諧激光器提供的連續(xù)光(探測(cè)光)經(jīng)耦合器2合路，再經(jīng)過環(huán)行器送入SOA1。兩柬光在SOA1中可以產(chǎn)生基于交叉增益調(diào)制效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，信號(hào)光攜帶的信息轉(zhuǎn)換到探測(cè)光上，但與原信息反相。第一級(jí)SOA1輸出的信號(hào)光經(jīng)環(huán)行器輸出，而后經(jīng)過EDFA2放大，隨后由帶通濾波器1濾出波長轉(zhuǎn)換后的信號(hào)；另一路光信號(hào)經(jīng)過可調(diào)諧延時(shí)線延時(shí)后，和帶通濾波器1輸出的信號(hào)一起經(jīng)過耦合器和環(huán)行器耦合進(jìn)SOA2，適當(dāng)控制第一級(jí)轉(zhuǎn)換輸出的功率遠(yuǎn)大于延時(shí)后的信號(hào)光功率，因此，當(dāng)?shù)谝患?jí)轉(zhuǎn)換輸出的比特為“1”時(shí)，SOA2的增益被抑制，無論信號(hào)光為“1”還是“0”，輸出為“O”；反之，當(dāng)?shù)谝患?jí)轉(zhuǎn)換輸出的比特為“0”，信號(hào)光為“1”時(shí)輸出“1”，為“0”時(shí)輸出“0”，因此，經(jīng)帶通濾波器2(對(duì)準(zhǔn)信號(hào)光波長)濾出的信號(hào)就是信號(hào)光A和延時(shí)后的信號(hào)光B的邏輯與運(yùn)算結(jié)果。
2.2 利用太赫茲光非對(duì)稱解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)全光邏輯門
利用太赫茲光非對(duì)稱解復(fù)用器(Terahertz OpticalAsymmetric Demultiplexer，TOAD)實(shí)現(xiàn)全光邏輯門的原理如圖2所示。耦合器1將一段光纖首尾相接，作為非線性元件的SOA非對(duì)稱的置于光纖線路中，它偏離環(huán)路中心的光程為T／2，控制脈沖經(jīng)過耦合器2從端口A引入環(huán)路，探測(cè)脈沖從端口C注入，控制信號(hào)光足夠強(qiáng)，能夠引起SOA中的非線性效應(yīng)，而探測(cè)光很弱，它不在SOA中引起非線性光學(xué)效應(yīng)。此邏輯門的工作過程為：探測(cè)光從端口C輸入，被耦合器1分為幅度相等的兩部分，分別沿順時(shí)針(CW)和逆時(shí)針(CCW)方向傳輸，在沒有控制光的情況下，CW和CCW光均可獲得SOA的小信號(hào)增益，當(dāng)它們?cè)俅位氐今詈掀?時(shí)所獲得的相移也相等，因此，兩束光在端口D相干相消，而光全部從端口C反射；反之，當(dāng)有控制光從端口A輸入，控制光經(jīng)耦合器2注入環(huán)路中，適當(dāng)調(diào)節(jié)探測(cè)光和控制光之間的時(shí)延，使得控制光在CCW之后CW之前到達(dá)SOA，這樣，在控制光的作用下，CW將獲得額外的非線性相移，經(jīng)耦合器1再次耦合后，從端口D輸出，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了探測(cè)光與控制光的邏輯與運(yùn)算。
2.3 基于馬赫-曾德干涉儀的全光邏輯門
基于馬赫-曾德干涉儀(Mach-Zehnder Interfer-ometers，MZI)的全光邏輯門的原理如圖3所示，SOA1和SOA2對(duì)稱放置在干涉儀兩臂，連續(xù)的探測(cè)光通過一個(gè)耦合器分解成兩束，注入到干涉儀兩臂，波長為λ1的兩路強(qiáng)度調(diào)制的信號(hào)光分別注入其中，信號(hào)光的峰值功率高于SOA的最大線性輸入功率，當(dāng)輸入功率超過SOA的最大線性輸人功率時(shí)，SOA的有源區(qū)內(nèi)載流子密度就會(huì)發(fā)生變化，使有源區(qū)內(nèi)的有效折射率發(fā)生改變，導(dǎo)致通過SOA的探測(cè)光的強(qiáng)度和相位發(fā)生變化，探測(cè)光經(jīng)過SOA就會(huì)攜帶上信號(hào)光的信息，兩路經(jīng)過相位調(diào)制的探測(cè)光在耦合器中發(fā)生干涉，將相位轉(zhuǎn)移成振幅調(diào)制，完成兩路信號(hào)的異或運(yùn)算。
2.4 基于超快非線性干涉儀的全光邏輯門
超快非線性干涉儀(Ultrafast Nonlinear Interferometers，UNI)的工作原理如圖4所示，信號(hào)光經(jīng)過起偏器保持一定方向的偏振態(tài)，經(jīng)過雙折射光纖后分離成具有不同偏振態(tài)相互正交且有一定延時(shí)的兩路脈沖，其中一個(gè)脈沖先進(jìn)入SOA，然后控制脈沖通過耦合器1輸入到SOA，接著相互正交的后一脈沖再進(jìn)入SOA。由于前一脈沖強(qiáng)度小，SOA不會(huì)產(chǎn)生增益非線性，而后一脈沖將會(huì)遇到強(qiáng)的控制脈沖導(dǎo)致的SOA增益非線性，從而獲得一附加相移。
因此，當(dāng)兩個(gè)脈沖經(jīng)過快慢軸與雙折射光纖BRF1正交的BRF2后，重新在時(shí)間上重疊。由于兩個(gè)脈沖有相位差，當(dāng)它們通過45°檢偏器后將會(huì)產(chǎn)生干涉，從而有輸出；反之，如果沒有控制脈沖，則這兩個(gè)脈沖將會(huì)遇到相同的增益特性，沒有相差，在檢偏器中不能形成干涉，因而也就沒有輸出。當(dāng)利用超快非線性干涉儀作為邏輯門時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)作為信號(hào)光輸入超快非線性干涉儀，再利用耦合器2輸入A和B兩個(gè)邏輯控制信號(hào)代替超快非線性干涉儀原來的控制信號(hào)，就可以獲得或門和異或門。
3 結(jié) 語
以上分析了幾種典型全光邏輯門的工作原理，其中，在利用半導(dǎo)體光放大器實(shí)現(xiàn)的全光邏輯門中，第二級(jí)半導(dǎo)體光放大器前置的摻鉺光纖放大器的輸入信號(hào)功率和消光比對(duì)邏輯與運(yùn)算的輸出性能起決定性作用，而利用太赫茲光非對(duì)稱解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)全光邏輯門方案，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)邏輯操作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換，最后探測(cè)光作為載波攜帶邏輯結(jié)果輸出，同時(shí)，此方案還具有擴(kuò)展性，即能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)具有不同波長的數(shù)據(jù)流的操作，如果改用偏振無關(guān)的半導(dǎo)體光放大器，可實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)的邏輯門?；诔旆蔷€性干涉儀的全光邏輯門，利用反向控制光實(shí)現(xiàn)全光或門和異或門，同時(shí)信號(hào)光和控制光可實(shí)現(xiàn)單一波長工作，加之采用了半導(dǎo)體光放大器，使得結(jié)構(gòu)緊密，連同基于馬赫一曾德干涉儀的全光邏輯門，均具有便于集成的優(yōu)點(diǎn)，用于未來的全光信號(hào)處理頗有前途。