基于非線性效應的光學邏輯門研究
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全光邏輯門是實現全光信號處理的核心元件，它可以實現全光信號提取，全光地址識別，全光復用／解復用以及全光開關等，因此，在未來的全光高速通信網絡和新一代光計算機中將有著巨大的應用潛力，目前，國內外均對此展開了廣泛深入的研究。半導體光放大器以其體積小，光譜性能好，工作波長范圍寬，響應時間短以及良好的非線性特性等優(yōu)點，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體光放大器中的非線性光學效應工作的全光邏輯門，并對其各自的特點進行了比較。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/169501.htm實現全光邏輯門主要是基于半導體光放大器中的交叉增益調制波長轉換原理，在忽略放大的自發(fā)輻射引起的載流子消耗的條件下，波長的轉換過程可以用以下兩個方程描述：
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是模場限制因子，A是有源區(qū)橫截面積，h是普朗克常數，c是真空中光速，下標S，c分別對應信號光和探測光，gi(N，vi)是對應光波的增益系數，v是光波的頻率，P+i和P-i分別對應正向和反向傳播的光功率，αint是有源區(qū)內部的損耗系數，R(N)是非輻射復合和自發(fā)輻射復合引起的載流子消耗。為準確模擬載流子沿半導體光放大器有源區(qū)長度方向的分布，可以采用分段模型進行數值模擬。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式(1)解出第一子段的載流子濃度N1，然后根據式(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有源區(qū)內載流子濃度N和光功率P在空間上的靜態(tài)分布，最后采用龍格-庫塔法求出隨時間變化的輸出光功率。
2 光學邏輯門的工作原理
2.1 利用半導體光放大器實現光邏輯與門
利用半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)實現光邏輯與門是利用級聯(lián)的交叉增益調制型波長轉換來實現全光邏輯與門，工作原理為：特定速率的信號光經過摻鉺光纖放大器放大后再經耦合器1分為兩路，其中一路信號光A和可調諧激光器提供的連續(xù)光(探測光)經耦合器2合路，再經過環(huán)行器送入SOA1。兩柬光在SOA1中可以產生基于交叉增益調制效應的波長轉換現象，信號光攜帶的信息轉換到探測光上，但與原信息反相。第一級SOA1輸出的信號光經環(huán)行器輸出，而后經過EDFA2放大，隨后由帶通濾波器1濾出波長轉換后的信號；另一路光信號經過可調諧延時線延時后，和帶通濾波器1輸出的信號一起經過耦合器和環(huán)行器耦合進SOA2，適當控制第一級轉換輸出的功率遠大于延時后的信號光功率，因此，當第一級轉換輸出的比特為“1”時，SOA2的增益被抑制，無論信號光為“1”還是“0”，輸出為“O”；反之，當第一級轉換輸出的比特為“0”，信號光為“1”時輸出“1”，為“0”時輸出“0”，因此，經帶通濾波器2(對準信號光波長)濾出的信號就是信號光A和延時后的信號光B的邏輯與運算結果。
2.2 利用太赫茲光非對稱解復用器實現全光邏輯門
利用太赫茲光非對稱解復用器(Terahertz OpticalAsymmetric Demultiplexer，TOAD)實現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，控制脈沖經過耦合器2從端口A引入環(huán)路，探測脈沖從端口C注入，控制信號光足夠強，能夠引起SOA中的非線性效應，而探測光很弱，它不在SOA中引起非線性光學效應。此邏輯門的工作過程為：探測光從端口C輸入，被耦合器1分為幅度相等的兩部分，分別沿順時針(CW)和逆時針(CCW)方向傳輸，在沒有控制光的情況下，CW和CCW光均可獲得SOA的小信號增益，當它們再次回到耦合器1時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，當有控制光從端口A輸入，控制光經耦合器2注入環(huán)路中，適當調節(jié)探測光和控制光之間的時延，使得控制光在CCW之后CW之前到達SOA，這樣，在控制光的作用下，CW將獲得額外的非線性相移，經耦合器1再次耦合后，從端口D輸出，相當于實現了探測光與控制光的邏輯與運算。
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