全光逻辑门关键技术研究

发布时间：2020-08-19 20:28

【摘要】：随着互联网和多媒体技术的飞速发展,网络数据流量呈现爆炸式的增长,当前可用的带宽已经远远不能满足用户需求,所以必须提高通信速度以维持和扩展互联网的应用。而现有的通信网络中,各个电子器件的响应速度已经接近了电子速率的极限,并且负责信息交换的各个节点存在不必要的光/电/光的转换。虽然在过去的几十年里,借助微电子学的创新发展,电子器件和集成电路尚且可以满足日益增长的高速数据传输及处理的需求,但是在不久的将来,传统的电子设备将迎来限制其速度继续提高的瓶颈。为了克服当前通信系统所面临的瓶颈,光信号处理技术不断发展,该技术有望克服传统电信号处理技术带来的速度和复杂度的极限限制。而光逻辑门作为光信号处理技术的关键元件也得到了广泛的研究。本文主要围绕这一热点问题,对高速率,可重构的全光逻辑门技术进行深入的研究与分析。具体研究内容如下:(1)研究了两个大类八种不同原理实现的全光逻辑门方案,并且对各个方案的优缺点进行对比分析。在课题组前期研究基础上,提出了一种基于偏振调制的全光逻辑门,该光逻辑门具有结构简单、速率高以及可重构等优点。(2)建立了基于偏振调制的光逻辑门的数学模型。一方面,从方位角坐标系解释了六种基本逻辑关系的实现原理,另一方面,定义了一种适用于该光逻辑门的特有的邦加球,并在该邦加球中更直观地阐释了基于偏振调制的光逻辑门的原理。(3)建立了光逻辑门的性能评价体系,分别从系统消光比以及Q因子两个方面衡量光逻辑门系统的性能。理论分析了影响光逻辑门性能的因素,同时搭建仿真平台,仿真分析了马赫增德尔调制器的消光比以及插入损耗,激光器输出功率,偏振旋转角度对系统性能的影响。最后搭建了实验平台,实验验证了六种光逻辑操作的可行性。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP393.0
【图文】：

结构图,全光逻辑,或非门,结构图

尔干涉仪（ＭＺＩ）、Ｓａｇｎａｃ环境、超快非线性干涉仪（ＵＮＩ）等Ｗ１，这样可以将逡逑相位调制信息转变为强度信息。逡逑图２－４为一种基于ＳＯＡ和ＭＺＩ的异或门（ＸＯＲ）邋［８），该光逻辑门为对称的逡逑ＭＺＩ结构，两个ＳＯＡ分别处于ＭＺＩ上下两臂的对称位置。信号光Ａ及信号光Ｂ逡逑１１逡逑

框图,硅基,全光,波导

其中０）１１（邋０）｜２，邋０）１３代表产生的三路闲频光的频率，ｔｏＡ，邋０）Ｂ，叫则分别代表两路逡逑信号光及泵浦光的频率。根据ＦＷＭ的原理，闲频光的相位能够用信号光和泵浦逡逑光的相位表示如下：逡逑屮ＩＩ邋＝邋＜Ｐａ邋＋邋屮ｐ邋—屮ｂ逦（２－１１）逡逑屮邋１２邋＝屮Ａ邋＋邋屮Ｂ邋－屮Ｐ逦（２－１２）逡逑屮１３邋＝邋（Ｐｂ邋＋邋屮Ｐ邋一屮Ａ逦（２－１３）逡逑泵浦光由连续的激光器产生，因此其相位（ｐＰ看作一个常数，根据（２－１１）？逡逑（２－１３）可以得出三个闲频光相邻比特之间的相位差表达式为：逡逑Ａｃｐ＾邋＝邋Ａ＜ｐＡ邋—邋ＡｃｐＢ逦（２－１４）逡逑ＡｃｐＩ２邋＝邋Ａ（ｐＡ邋＋邋ＡｃｐＢ逦（２－１５）逡逑ＡｃｐＩ３邋＝邋ＡｃｐＢ邋—邋ＡｃｐＡ逦（２－１６）逡逑从以上三个式子可以得出，当信号Ａ的相位差与信号Ｂ的相位差相同时，逡逑即为（０，０）或（７１，７Ｔ）时，三个闲频光的相位差为０。当信号Ａ与信号Ｂ中逡逑有且仅有一个为０，即为（０，邋ＴＴ）或（ＩＩ，邋０）时，三路闲频光信号的相位差为ＴＴ，逡逑以上即实现了基于硅基波导的ＸＯＲ门。逡逑该光逻辑门的实验系统框图如２．１０所示。逡逑

原理图,和频效应,光波导,原理

逦叱逦（ｂ）邋ＷＰ逦ＷＳＦ逡逑图２－１１邋ＰＰＬＮ光波导的和频效应原理［ｌ９ｉ逡逑图２－１２为一种基于ＰＰＬＮ的ＳＦＧ效应的全光逻辑ＮＯＴ门１｜９１，在ＰＰＬＮ的逡逑ＳＦＧ过程中，产生了新的和频光，同时也消耗了抽运光，当有信号光时有消耗，逡逑没有信号光时就没有消耗，所以当经过ＳＦＧ过程gc运光也将会带有信号光的信逡逑息。当信号光为ＮＲＺ码时，如图２－１２中所示，如果信号光为“１”码，由于抽运逡逑光受到参量衰减其输出为“０”，反之，如果信兮光为“０”，则gc运光输出为“１”。逡逑可以看出，抽运光携带了输入光信号的反Ｍ信息，实现了全光ＮＯＴ门。逡逑（ｉ．邋ｖｊ＾ｔ0）ｓ邋Ｊ邋Ｌ—＾邋＾ＳＦＧ＾邋00１0逡逑“邋ｒ逦逦广飞抽运光％逡逑抽运光％逦．邋ＰＰＬＮ逦参量衮减逡逑图２－１２基于ＰＰＬＮ的ＳＦＧ效应的全光逻辑ＮＯＴ门示意图ｌ｜９ｌ逡逑该光逻辑门的优点为噪声低，通信波段透明，不足之处在于相位匹配的过程逡逑困难并且波导的制作较为复杂。逡逑２．３．４基于ＩＱ调制器的全光逻辑门逡逑１９逡逑

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