基于四波混频的100Gbit/s全光逻辑异或门

李 芳，郭淑琴，马 骏

(浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310023)

0 引言

高速率全光逻辑门是未来高速通信系统中极其重要的元器件，可以用于数据编码、全光地址识别和判决等等。全光XOR逻辑运算是全光数字信号处理的基本逻辑运算功能。全光逻辑XOR门被广泛地应用于半加法器［1］、二进制计数器、比较器和奇偶校验等等。至今为止，实现全光逻辑XOR门的方案很多，如:基于马赫－曾德尔干涉仪［2］、基于半导体光放大器的交叉偏振调制［3］、基于SOA和非线性光纤的四波混频效应［4，5］。但是上述方案中实现的全光逻辑 XOR门速率普遍不高，一般为10Gbit/s或40Gbit/s，不能满足未来全光通信网络传输速率的需求。本文提出了基于高非线性光纤的四波混频效应，实现两束100Gbit/s CSRZ-DPSK调制格式的信号光的全光异或逻辑功能。由于CSRZ-DPSK调制格式具有很高的群速度色散容限和非线性损伤容限，再加上基于四波混频效应的全光逻辑异或门能够对信号的幅度和相位严格透明，所以是一种具有吸引力的实现全光逻辑异或门的方案，具有很好的发展前景。

1 系统仿真模型和工作原理

基于高非线性光纤的四波混频效应实现100Gbit/s全光逻辑异或门的系统仿真模型如图1所示。信号光A和信号光B耦合一起进行差分相移键控，形成CSRZ-DPSK调制格式，再和探测光汇合进入高非线性光纤发生四波混频过程，产生RZ-DPSK码型的闲频光，为了便于观察产生的闲频光携带了信号光A和信号光B的全光异或逻辑结果，需对其进行解调。

本文基于高非线性光纤的非简并四波混频效应，产生的闲频光和输入的信号光A、信号光B和探测光的复振幅存在线性关系，即 Ai∝As1×As2×Ap*，其中 As1、As2、Ap和 Ai分别为信号光 A、信号光 B、探测光以及闲频光的复振幅，进而知道它们的相位关系为:φi=φs1+φs2－ φp，其中 φs1，φs2，φp和 φi分别是信号光A、信号光B、探测光以及闲频光的相位，因此实现了信号光A和信号光B的全光异或逻辑功能。

图1 全光逻辑“异或”门的系统仿真模型

2 数值仿真和结果分析

用matlab数值仿真包含四波混频效应的非线性耦合振幅方程。本文采用CSRZ－DPSK高斯脉冲信号为输入信号光进行仿真，其复振幅表达式为:

式中，T0≈TFWHM/1.665，TFWHM为半极大全宽，数据信号速率为100Gbit/s。数值分析中用到的参数值如表1所示。

表1 数值分析中用到的参数值

假设两束信号光的码型分别为: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信号光、探测光和RZ-DPSK闲频光的时域仿真结果如图2所示。它们的相位携带了输入信号的信息，相位为“0”代表有信号输入，“Π”代表无信号输入，这里考虑的相位周期是2Π。从图2中可以清晰地看出信号光A、信号光B、探测光和闲频光的相位关系。当两泵浦光的相位都是“Π”或都是“0”时，闲频光的相位为“0”，当两泵浦光的相位有且只有一个为“Π”时，闲频光的相位为“Π”，这和上面的理论分析相符。

为了清楚地观察闲频光和两束信号光之间的异或关系，对其进行了解调。解调后的闲频光和两信号光的时域仿真波形如图3所示。当信号光A，B有且仅有一个“1”时，有闲频光产生，当信号光A，B均为“1”或均为“0”时，无闲频光产生，这在逻辑上实现了一个异或门。在时域上，单个信号脉冲周期是10ps，所以，该逻辑门是一个100Gbit/s的全光逻辑异或门。

讨论各因素对全光逻辑异或门性能的影响。首先，讨论输入信号光功率对全光逻辑XOR门性能的影响。如图4所示，全光逻辑异或门的输出功率随着信号光功率增加先递增后递减，当初始功率为0.65W时，输出功率达到最大。这是因为有效相位失配（κ=Δβ+2γ（P1+P2）为零时，四波混频引起的参量增益最大，这时产生闲频光的功率最大。Δβ是四波混频过程中的相位失配，2γ（P1+P2）是自相位调制和交叉相位调制对相位失配的贡献。

接着讨论探测光波长对全光逻辑XOR门性能的影响。这里设置λs1=1.549 8μm，

λs2=1.550 2μm。如图5所示，探测光波长λp越接近两信号光波长，产生的闲频光功率越大。这是因为它们波长间隔越小，相位失配量就越小，发生四波混频过程更显著。

3 结束语

本文基于高非线性光纤中的非简并FWM效应，建立了系统仿真模型，并用matlab数值模拟仿真，实现了两路CSRZ－DPSK调制格式的100Gbit/s信号光的全光异或逻辑运算。最后分析了信号功率和探测光波长等主要参数对全光逻辑异或门性能的影响，合理选择这些参数，可以得到很好的高速全光逻辑异或门。

［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］ 潘玮，邹龙方，罗斌，等.基于马赫－曾德尔干涉仪的全光逻辑异或门理论研究［J］.光学精密工程，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.