基于SOA四波混频效应的全光全加器

刘 尧，王 强，韩丙辰*

（1.太原师范学院计算机系，山西晋中 030619；2.太原师范学院物理系，山西晋中 030619）

互联网技术伴随着时代前进的脚步不断快速发展，人们对信息的需求和传输速度也在不断提高，而全光信号处理是高速大容量光通信网络和高性能计算中关键技术，其可以克服光电转换瓶颈、提高系统容量、降低系统功耗。因此，全光逻辑门在全光网络领域备受关注，并且全光逻辑门在全光网络当中是比较重要的技术[1-5]。因此，本文提出了一种利用半导体器件中的四波混频效应设计的全光全加器。

目前所提出的实现全光加法器的方案有许多，如：Nahata P K 等[1]利用RZ 编码设计出全加器，并得到正确的结果；Chattopadhyay T 等[2]提出利用NMZI 设计出的两位半加器和三位全加器方案，让全光加法器和全光半加器的方案进一步得到优化；Nair N 等[3]设计出2 位的全光纹波进位加法器，异或门被用作纹波进位，将速度提升到100 Gb/s，得到合理的数据结果，与前人设计出的加法器而言，在消光比、对比度、品质因数、振幅调制方面而言，要优良许多；陆承昊等[4]通过二维铌酸锂光子晶体（PhC）电路和PhC 微腔，实现包括“AND”、异或逻辑和非逻辑的全光逻辑门以及半加法器；韩丙辰等[5]利用SOA 的FWM 实现“AND”“NOR”“XNOR”全光逻辑门，并实现半减器逻辑功能。

本文先是对于SOA 四波混频效应进行了相关研究，然后使用单个SOA 实现“XNOR”和“AND”逻辑，并通过将所设计的光逻辑门进行级联，从而实现全光全加器，并且通过OptiSystem 通信软件对该方案进行仿真验证。

1 SOA的四波混频原理及影响因素

1.1 四波混频原理

对于实现SOA 中四波混频效应（FWM）的原理通常解释为：由于载流子的原因，两束波长不同的光在经过SOA 时会产生光栅，其光栅与输入光的光强分布有密切关系。载流子的响应对于形成光栅的是否稳定起着非常重要的作用，当其响应比较快时，载流子所形成光栅的效率是稳定的，反之效率将会降低。如图1 所示，泵浦光角频率和信号光角频率分别为ωp和ωs，在光栅散射的作用下，泵浦光和信号光会产生角频率为2ωp-ωs的变换光和角频率为2ωs-ωp的闲频光。在两个输入信号同时为“1”时，才会出现闲频光[6-9]。

1.2 信号光与泵浦光的波长间隔对于四波混频波长转换效率的影响

对于FWM 效应的主要影响因素就是需要系统满足相位匹配，系统的相位匹配与信号光与泵浦光的波长间隔相关，同理可以确定信号光与泵浦光的波长间隔对于FWM 效应的产生起到重要的作用。系统满足的相位匹配公式如公式(1)所示[10-13]：

式（2）表示材料色散导致的相位失配：ΔkM、ΔkW、ΔkNL表示由于材料色散所导致的相位失配、由于波导色散导致的相位失配、非线性效应导致的相位失配。S0是零色散斜率、c 为光速、λ0是零色散波长、fp是泵浦光频率、f0是零色散频率。

由式（2）可以看出，材料色散所导致的相位失配，则会随着信号光与泵浦光的波长间隔的改变而发生变化。当两者的波长间隔变大时，ΔkM将会变小，相位失配会变大，从而导致FWM的波长转换效率变小。FWM 的波长转换效率，如公式（3）所示：

式中Pout表示经过转换后输出信号的功率，Pin表示输入信号当中泵浦光的功率。一般情况下，输入信号泵浦光的功率是可以通过参数的设置可以确定下来，根据转换后输出信号的功率来判定FWM 的波长转换效率的大小。

利用仿真来验证上述理论，仿真实验的参数设置如下：SOA 的注入电流被设置为150 mA，泵浦光的波长和功率分别被设置为1 553.2 nm、10 mW。输入信号中的信号光功率设置为1 mW。实验仿真中需要保证泵浦光的波长不发生变化，改变信号光的波长，将信号光从1 552.7 nm 到1 550.2 nm变化范围称为波长下行变换，将信号光从1 553.7 nm到1 556.2 nm变化范围称为波长上行变换。如图2 所示，随着波长间距的增大，闲频光的功率减小，同理FWM 的波长转换效率也在减小，在相同波长间隔时，波长下行变换和波长上行变换所产生的闲频光功率差距不大，FWM 的波长转换效率不大。在相同波长间隔时，波长上行波长变换和下行波长变换的取值对于FWM 的波长转换效率影响不大，所以此波长间隔取值范围适合实现多功能全光逻辑门。

图2 信号光与泵浦光的波长间隔与闲频光的功率关系曲线图

2 全光全加器的设计及实验仿真

2.1 全光全加器的设计

首先利用单个SOA 设计一个同时输出“同或”逻辑和“与”逻辑的多功能逻辑门，再利用三个多功能逻辑门构建出全光全加器。多功能逻辑门是利用SOA 的四波混频效应实现其逻辑功能，其实现原理如图3所示：

图3 多功能逻辑门的框架图

信号光A、信号光B 和探测光经过波分复用器（WDM）进入到SOA 中。其中两束光A 和B 的角频率分别被设置为ω1和ω2，信号光A 与信号光B 经过四波混频效应会产生角频率为ω3=2ω1-ω2的闲频光D，同时会产生角频率为ω4=2ω2-ω1新的的变换光E。将探测光的波长调整为变换光E 的波长，探测光与变换光E 在SOA 中产生交叉增益调制（XGM），用滤波器过滤出探测光可以得到信号A 和信号B 的同或逻辑。用滤波器过滤出闲频光D，就可以得到信号A和信号B的与逻辑。

将三个多功能逻辑门构成一个全光全加器。其图中的逻辑或门的原理是：利用一个耦合器将两束光耦合在一起，从而实现逻辑或功能。全光加法器的原理是：信号光A0、信号光B0和探测光1 经过SOA1 后输出一个逻辑与信号E 和同或逻辑信号D，将其信号D 与进位信号C 和探测光2同时注入SOA3中进行同或逻辑运算，从而得到和的低位输出。

将信号光A1与信号光B1用同一波长的发射其信号（这样可以让后面的结果更加明显），其传入耦合器中进行逻辑或运算得到信号F，再将信号F 与进位信号C 注入到SOA2 中进行逻辑与运算得到信号G，最后信号G 与信号E 注入到耦合器中进行逻辑或运算，从而得到下一级的进位信号。如图4所示。

图4 全光全加器的框架图

2.2 实验仿真

在OptiSystem 光通信软件中搭建并实现了全光全加器的仿真结构系统。输入信号如图5 所示。

图5 输入信号光的时域波形图

系统的参数如下：数据的传输速率为10 Gb/s，输入光信号为归零（RZ）码，信号光A0的波长为1 553.2 nm，功率为-0.2 dBm，数据序列被设置为“01100111”。输入信号光B0的波长被设置为1 552.5 nm，功率为-2.5 dBm，其数据序列被设置为“00110010”。另外信号A1与信号B1相同的波长为1 553.2 nm，功率为-0.3 dBm，数据序列分别与A0、B0相同。初始的进位信号C的波长为1552.5nm，功率为-7 dBm，数据序列为“00000000”，探测光的波长为1 552.3 nm，功率为-10 dBm。得到多功能逻辑门的逻辑与的序列为“00100010”，多功能门的同或逻辑的序列为“10101010”，进位信号的序列为“00100010”，和的低位输出序列为“01010101”。

实验仿真结果如图6所示，多功能全光逻辑门的功能得到了验证，仿真结果正确。

图6 多功能逻辑门的输出结果图

实验仿真结果如图7所示，全光加法器的逻辑功能得到了验证，仿真结果正确。

图7 全光全加器的输出结果图

3 结语

本文研究在信号光与泵浦光的波长间隔相同时，上下行波对于四波混频效应的影响。并利用四波混频效应设计了多功能逻辑门，进一步使用所设计的多功能逻辑门实现了全光全加器功能。其全光全加器的可行性通过仿真实验得到了很好的验证。本文所提出的全光全加器，减少SOA 的使用数量，成本降低，系统设计简易，有着很好的未来应用前景。