基于SOA四波混頻效應(yīng)的全光全加器

劉 堯，王 強，韓丙辰*

（1.太原師范學院計算機系，山西晉中 030619；2.太原師范學院物理系，山西晉中 030619）

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)伴隨著時代前進的腳步不斷快速發(fā)展，人們對信息的需求和傳輸速度也在不斷提高，而全光信號處理是高速大容量光通信網(wǎng)絡(luò)和高性能計算中關(guān)鍵技術(shù)，其可以克服光電轉(zhuǎn)換瓶頸、提高系統(tǒng)容量、降低系統(tǒng)功耗。因此，全光邏輯門在全光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域備受關(guān)注，并且全光邏輯門在全光網(wǎng)絡(luò)當中是比較重要的技術(shù)[1-5]。因此，本文提出了一種利用半導體器件中的四波混頻效應(yīng)設(shè)計的全光全加器。

目前所提出的實現(xiàn)全光加法器的方案有許多，如：Nahata P K 等[1]利用RZ 編碼設(shè)計出全加器，并得到正確的結(jié)果；Chattopadhyay T 等[2]提出利用NMZI 設(shè)計出的兩位半加器和三位全加器方案，讓全光加法器和全光半加器的方案進一步得到優(yōu)化；Nair N 等[3]設(shè)計出2 位的全光紋波進位加法器，異或門被用作紋波進位，將速度提升到100 Gb/s，得到合理的數(shù)據(jù)結(jié)果，與前人設(shè)計出的加法器而言，在消光比、對比度、品質(zhì)因數(shù)、振幅調(diào)制方面而言，要優(yōu)良許多；陸承昊等[4]通過二維鈮酸鋰光子晶體（PhC）電路和PhC 微腔，實現(xiàn)包括“AND”、異或邏輯和非邏輯的全光邏輯門以及半加法器；韓丙辰等[5]利用SOA 的FWM 實現(xiàn)“AND”“NOR”“XNOR”全光邏輯門，并實現(xiàn)半減器邏輯功能。

本文先是對于SOA 四波混頻效應(yīng)進行了相關(guān)研究，然后使用單個SOA 實現(xiàn)“XNOR”和“AND”邏輯，并通過將所設(shè)計的光邏輯門進行級聯(lián)，從而實現(xiàn)全光全加器，并且通過OptiSystem 通信軟件對該方案進行仿真驗證。

1 SOA的四波混頻原理及影響因素

1.1 四波混頻原理

對于實現(xiàn)SOA 中四波混頻效應(yīng)（FWM）的原理通常解釋為：由于載流子的原因，兩束波長不同的光在經(jīng)過SOA 時會產(chǎn)生光柵，其光柵與輸入光的光強分布有密切關(guān)系。載流子的響應(yīng)對于形成光柵的是否穩(wěn)定起著非常重要的作用，當其響應(yīng)比較快時，載流子所形成光柵的效率是穩(wěn)定的，反之效率將會降低。如圖1 所示，泵浦光角頻率和信號光角頻率分別為ωp和ωs，在光柵散射的作用下，泵浦光和信號光會產(chǎn)生角頻率為2ωp-ωs的變換光和角頻率為2ωs-ωp的閑頻光。在兩個輸入信號同時為“1”時，才會出現(xiàn)閑頻光[6-9]。

1.2 信號光與泵浦光的波長間隔對于四波混頻波長轉(zhuǎn)換效率的影響

對于FWM 效應(yīng)的主要影響因素就是需要系統(tǒng)滿足相位匹配，系統(tǒng)的相位匹配與信號光與泵浦光的波長間隔相關(guān)，同理可以確定信號光與泵浦光的波長間隔對于FWM 效應(yīng)的產(chǎn)生起到重要的作用。系統(tǒng)滿足的相位匹配公式如公式(1)所示[10-13]：

式（2）表示材料色散導致的相位失配：ΔkM、ΔkW、ΔkNL表示由于材料色散所導致的相位失配、由于波導色散導致的相位失配、非線性效應(yīng)導致的相位失配。S0是零色散斜率、c 為光速、λ0是零色散波長、fp是泵浦光頻率、f0是零色散頻率。

由式（2）可以看出，材料色散所導致的相位失配，則會隨著信號光與泵浦光的波長間隔的改變而發(fā)生變化。當兩者的波長間隔變大時，ΔkM將會變小，相位失配會變大，從而導致FWM的波長轉(zhuǎn)換效率變小。FWM 的波長轉(zhuǎn)換效率，如公式（3）所示：

式中Pout表示經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出信號的功率，Pin表示輸入信號當中泵浦光的功率。一般情況下，輸入信號泵浦光的功率是可以通過參數(shù)的設(shè)置可以確定下來，根據(jù)轉(zhuǎn)換后輸出信號的功率來判定FWM 的波長轉(zhuǎn)換效率的大小。

利用仿真來驗證上述理論，仿真實驗的參數(shù)設(shè)置如下：SOA 的注入電流被設(shè)置為150 mA，泵浦光的波長和功率分別被設(shè)置為1 553.2 nm、10 mW。輸入信號中的信號光功率設(shè)置為1 mW。實驗仿真中需要保證泵浦光的波長不發(fā)生變化，改變信號光的波長，將信號光從1 552.7 nm 到1 550.2 nm變化范圍稱為波長下行變換，將信號光從1 553.7 nm到1 556.2 nm變化范圍稱為波長上行變換。如圖2 所示，隨著波長間距的增大，閑頻光的功率減小，同理FWM 的波長轉(zhuǎn)換效率也在減小，在相同波長間隔時，波長下行變換和波長上行變換所產(chǎn)生的閑頻光功率差距不大，F(xiàn)WM 的波長轉(zhuǎn)換效率不大。在相同波長間隔時，波長上行波長變換和下行波長變換的取值對于FWM 的波長轉(zhuǎn)換效率影響不大，所以此波長間隔取值范圍適合實現(xiàn)多功能全光邏輯門。

圖2 信號光與泵浦光的波長間隔與閑頻光的功率關(guān)系曲線圖

2 全光全加器的設(shè)計及實驗仿真

2.1 全光全加器的設(shè)計

首先利用單個SOA 設(shè)計一個同時輸出“同或”邏輯和“與”邏輯的多功能邏輯門，再利用三個多功能邏輯門構(gòu)建出全光全加器。多功能邏輯門是利用SOA 的四波混頻效應(yīng)實現(xiàn)其邏輯功能，其實現(xiàn)原理如圖3所示：

圖3 多功能邏輯門的框架圖

信號光A、信號光B 和探測光經(jīng)過波分復用器（WDM）進入到SOA 中。其中兩束光A 和B 的角頻率分別被設(shè)置為ω1和ω2，信號光A 與信號光B 經(jīng)過四波混頻效應(yīng)會產(chǎn)生角頻率為ω3=2ω1-ω2的閑頻光D，同時會產(chǎn)生角頻率為ω4=2ω2-ω1新的的變換光E。將探測光的波長調(diào)整為變換光E 的波長，探測光與變換光E 在SOA 中產(chǎn)生交叉增益調(diào)制（XGM），用濾波器過濾出探測光可以得到信號A 和信號B 的同或邏輯。用濾波器過濾出閑頻光D，就可以得到信號A和信號B的與邏輯。

將三個多功能邏輯門構(gòu)成一個全光全加器。其圖中的邏輯或門的原理是：利用一個耦合器將兩束光耦合在一起，從而實現(xiàn)邏輯或功能。全光加法器的原理是：信號光A0、信號光B0和探測光1 經(jīng)過SOA1 后輸出一個邏輯與信號E 和同或邏輯信號D，將其信號D 與進位信號C 和探測光2同時注入SOA3中進行同或邏輯運算，從而得到和的低位輸出。

將信號光A1與信號光B1用同一波長的發(fā)射其信號（這樣可以讓后面的結(jié)果更加明顯），其傳入耦合器中進行邏輯或運算得到信號F，再將信號F 與進位信號C 注入到SOA2 中進行邏輯與運算得到信號G，最后信號G 與信號E 注入到耦合器中進行邏輯或運算，從而得到下一級的進位信號。如圖4所示。

圖4 全光全加器的框架圖

2.2 實驗仿真

在OptiSystem 光通信軟件中搭建并實現(xiàn)了全光全加器的仿真結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。輸入信號如圖5 所示。

圖5 輸入信號光的時域波形圖

系統(tǒng)的參數(shù)如下：數(shù)據(jù)的傳輸速率為10 Gb/s，輸入光信號為歸零（RZ）碼，信號光A0的波長為1 553.2 nm，功率為-0.2 dBm，數(shù)據(jù)序列被設(shè)置為“01100111”。輸入信號光B0的波長被設(shè)置為1 552.5 nm，功率為-2.5 dBm，其數(shù)據(jù)序列被設(shè)置為“00110010”。另外信號A1與信號B1相同的波長為1 553.2 nm，功率為-0.3 dBm，數(shù)據(jù)序列分別與A0、B0相同。初始的進位信號C的波長為1552.5nm，功率為-7 dBm，數(shù)據(jù)序列為“00000000”，探測光的波長為1 552.3 nm，功率為-10 dBm。得到多功能邏輯門的邏輯與的序列為“00100010”，多功能門的同或邏輯的序列為“10101010”，進位信號的序列為“00100010”，和的低位輸出序列為“01010101”。

實驗仿真結(jié)果如圖6所示，多功能全光邏輯門的功能得到了驗證，仿真結(jié)果正確。

圖6 多功能邏輯門的輸出結(jié)果圖

實驗仿真結(jié)果如圖7所示，全光加法器的邏輯功能得到了驗證，仿真結(jié)果正確。

圖7 全光全加器的輸出結(jié)果圖

3 結(jié)語

本文研究在信號光與泵浦光的波長間隔相同時，上下行波對于四波混頻效應(yīng)的影響。并利用四波混頻效應(yīng)設(shè)計了多功能邏輯門，進一步使用所設(shè)計的多功能邏輯門實現(xiàn)了全光全加器功能。其全光全加器的可行性通過仿真實驗得到了很好的驗證。本文所提出的全光全加器，減少SOA 的使用數(shù)量，成本降低，系統(tǒng)設(shè)計簡易，有著很好的未來應(yīng)用前景。