基于四波混頻的100Gbit/s全光邏輯異或門(mén)

李 芳，郭淑琴，馬 駿

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州310023)

0 引言

高速率全光邏輯門(mén)是未來(lái)高速通信系統(tǒng)中極其重要的元器件，可以用于數(shù)據(jù)編碼、全光地址識(shí)別和判決等等。全光XOR邏輯運(yùn)算是全光數(shù)字信號(hào)處理的基本邏輯運(yùn)算功能。全光邏輯XOR門(mén)被廣泛地應(yīng)用于半加法器［1］、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、比較器和奇偶校驗(yàn)等等。至今為止，實(shí)現(xiàn)全光邏輯XOR門(mén)的方案很多，如:基于馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x［2］、基于半導(dǎo)體光放大器的交叉偏振調(diào)制［3］、基于SOA和非線性光纖的四波混頻效應(yīng)［4，5］。但是上述方案中實(shí)現(xiàn)的全光邏輯 XOR門(mén)速率普遍不高，一般為10Gbit/s或40Gbit/s，不能滿足未來(lái)全光通信網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的需求。本文提出了基于高非線性光纖的四波混頻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)兩束100Gbit/s CSRZ-DPSK調(diào)制格式的信號(hào)光的全光異或邏輯功能。由于CSRZ-DPSK調(diào)制格式具有很高的群速度色散容限和非線性損傷容限，再加上基于四波混頻效應(yīng)的全光邏輯異或門(mén)能夠?qū)π盘?hào)的幅度和相位嚴(yán)格透明，所以是一種具有吸引力的實(shí)現(xiàn)全光邏輯異或門(mén)的方案，具有很好的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)仿真模型和工作原理

基于高非線性光纖的四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)100Gbit/s全光邏輯異或門(mén)的系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。信號(hào)光A和信號(hào)光B耦合一起進(jìn)行差分相移鍵控，形成CSRZ-DPSK調(diào)制格式，再和探測(cè)光匯合進(jìn)入高非線性光纖發(fā)生四波混頻過(guò)程，產(chǎn)生RZ-DPSK碼型的閑頻光，為了便于觀察產(chǎn)生的閑頻光攜帶了信號(hào)光A和信號(hào)光B的全光異或邏輯結(jié)果，需對(duì)其進(jìn)行解調(diào)。

本文基于高非線性光纖的非簡(jiǎn)并四波混頻效應(yīng)，產(chǎn)生的閑頻光和輸入的信號(hào)光A、信號(hào)光B和探測(cè)光的復(fù)振幅存在線性關(guān)系，即 Ai∝As1×As2×Ap*，其中 As1、As2、Ap和 Ai分別為信號(hào)光 A、信號(hào)光 B、探測(cè)光以及閑頻光的復(fù)振幅，進(jìn)而知道它們的相位關(guān)系為:φi=φs1+φs2－ φp，其中 φs1，φs2，φp和 φi分別是信號(hào)光A、信號(hào)光B、探測(cè)光以及閑頻光的相位，因此實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光A和信號(hào)光B的全光異或邏輯功能。

圖1 全光邏輯“異或”門(mén)的系統(tǒng)仿真模型

2 數(shù)值仿真和結(jié)果分析

用matlab數(shù)值仿真包含四波混頻效應(yīng)的非線性耦合振幅方程。本文采用CSRZ－DPSK高斯脈沖信號(hào)為輸入信號(hào)光進(jìn)行仿真，其復(fù)振幅表達(dá)式為:

式中，T0≈TFWHM/1.665，TFWHM為半極大全寬，數(shù)據(jù)信號(hào)速率為100Gbit/s。數(shù)值分析中用到的參數(shù)值如表1所示。

表1 數(shù)值分析中用到的參數(shù)值

假設(shè)兩束信號(hào)光的碼型分別為:D1=［1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1］，D2=［1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0］，CSRZ-DPSK信號(hào)光、探測(cè)光和RZ-DPSK閑頻光的時(shí)域仿真結(jié)果如圖2所示。它們的相位攜帶了輸入信號(hào)的信息，相位為“0”代表有信號(hào)輸入，“Π”代表無(wú)信號(hào)輸入，這里考慮的相位周期是2Π。從圖2中可以清晰地看出信號(hào)光A、信號(hào)光B、探測(cè)光和閑頻光的相位關(guān)系。當(dāng)兩泵浦光的相位都是“Π”或都是“0”時(shí)，閑頻光的相位為“0”，當(dāng)兩泵浦光的相位有且只有一個(gè)為“Π”時(shí)，閑頻光的相位為“Π”，這和上面的理論分析相符。

為了清楚地觀察閑頻光和兩束信號(hào)光之間的異或關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行了解調(diào)。解調(diào)后的閑頻光和兩信號(hào)光的時(shí)域仿真波形如圖3所示。當(dāng)信號(hào)光A，B有且僅有一個(gè)“1”時(shí)，有閑頻光產(chǎn)生，當(dāng)信號(hào)光A，B均為“1”或均為“0”時(shí)，無(wú)閑頻光產(chǎn)生，這在邏輯上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)異或門(mén)。在時(shí)域上，單個(gè)信號(hào)脈沖周期是10ps，所以，該邏輯門(mén)是一個(gè)100Gbit/s的全光邏輯異或門(mén)。

討論各因素對(duì)全光邏輯異或門(mén)性能的影響。首先，討論輸入信號(hào)光功率對(duì)全光邏輯XOR門(mén)性能的影響。如圖4所示，全光邏輯異或門(mén)的輸出功率隨著信號(hào)光功率增加先遞增后遞減，當(dāng)初始功率為0.65W時(shí)，輸出功率達(dá)到最大。這是因?yàn)橛行辔皇洌é?Δβ+2γ（P1+P2）為零時(shí)，四波混頻引起的參量增益最大，這時(shí)產(chǎn)生閑頻光的功率最大。Δβ是四波混頻過(guò)程中的相位失配，2γ（P1+P2）是自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制對(duì)相位失配的貢獻(xiàn)。

接著討論探測(cè)光波長(zhǎng)對(duì)全光邏輯XOR門(mén)性能的影響。這里設(shè)置λs1=1.549 8μm，

λs2=1.550 2μm。如圖5所示，探測(cè)光波長(zhǎng)λp越接近兩信號(hào)光波長(zhǎng)，產(chǎn)生的閑頻光功率越大。這是因?yàn)樗鼈儾ㄩL(zhǎng)間隔越小，相位失配量就越小，發(fā)生四波混頻過(guò)程更顯著。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于高非線性光纖中的非簡(jiǎn)并FWM效應(yīng)，建立了系統(tǒng)仿真模型，并用matlab數(shù)值模擬仿真，實(shí)現(xiàn)了兩路CSRZ－DPSK調(diào)制格式的100Gbit/s信號(hào)光的全光異或邏輯運(yùn)算。最后分析了信號(hào)功率和探測(cè)光波長(zhǎng)等主要參數(shù)對(duì)全光邏輯異或門(mén)性能的影響，合理選擇這些參數(shù)，可以得到很好的高速全光邏輯異或門(mén)。

［1］ Jae H，Byun Y，Jhon Y，et al.All－optical half adder using semiconductor optical amplifier based de－vices［J］.Optics Communications，2003，(4):345 －349.

［2］ 潘瑋，鄒龍方，羅斌，等.基于馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x的全光邏輯異或門(mén)理論研究［J］.光學(xué)精密工程，2005，13(3):339－347.

［3］ Erasme SH，Guekos G.5-Gb/s XOR optical gate based on cross-polarization modulation in semiconductor optical amplifiers［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2001，13(4):335 －337.

［4］ Ning Deng，Chan K，Chan C K，et al.An all-optical XOR logic gate for high-speed RZ-DPSK signals by FWM in semiconductor optical amplifiers［J］.IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2006，12(4):702 －707.

［5］ Jian Wang，Sun Qi-zhen，Sun Jun-qiang，et al.Experimental demonstration on 40 Gbit/s all-optical multi casting logic XOR gate for NRZ-DPSK signals using four-wave mixing in highly nonlinear fiber［J］.Optics Communications，2009，(13):2 615－2 619.