基于非線性效應(yīng)的光學(xué)邏輯門研究

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(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

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