基于半导体光放大器的全光逻辑门_(8)

4 基于级联SOA与门的理论分析与实验研究由于全光信号处理技术具备处理宽带宽、高速率、大容量信号的能力，所以现在在通信和计算领域内，被广泛的用作交换、判决、再生以及一些基础的或复杂的光运算。

逻辑与门是一种核心的逻辑计算单元，它可以用于全光加法器和全光帧校验器等等。

目前，文献报道了构成逻辑门的多种方案，其中包括使用超快速非线性干涉仪（UNI）、干涉型波长转换器（IWC）和基于半导体光放大器（SOA）的非线性环镜（SLALOM）实现的异或门（XOR），使用多个半导体光放大器（SOA）构成的异或门和或非门（NOR）等等。

迄今为止，文献报道的全光与门主要是用SOA环镜实现的，这种环形结构中信号的相位变化对输出结果的性能影响比较大。

本章讨论的是一种基于级联SOA[38]中交叉增益调制（XGM）效应的新型全光逻辑与门，阐述了基于SOA-XGM的与门的工作原理。

并模拟和分析了SOA的性能参数和输入信号参数对最终结果的影响。

介绍了实现两路2.5Gb/s和10Gb/sNRZ信号的逻辑“与”运算的实验方案。

对实验结果进行了分析和讨论。

4.1 工作原理基于SOA-XGM的新型全光逻辑与门的原理示意图如图4-1所示，它由SOA1和SOA2级联而成。

在三路输入光中，信号光A和B具有相同波长λ2，而连续光CW在另一波长λ1上。

首先，信号光A作为泵浦光，连续光CW作为探测光注入SOA 1。

假设信号光A为“1101”，如图4-2(a)所示。

因为SOA中存在XGM效应，A光将调制SOA 中的载流子浓度，从而连续光CW经过SOA1将受到信号光脉冲A的调制，在SOA1的输出端，波长为λ1的光被filter 1滤出，它将带有A光的信息，暂且称之为信道C，其波形如图4-2(b)所示为“0010”。

然后，将信道C与信号光B一起注入SOA 2，这两路光将一起竞争SOA 2中的载流子。

此时要适当的控制信道C和信号光B的峰值光功率，使信道C的峰值光功率远大于信号光B的峰值光功率。

然后filter 2滤出从SOA 2输出的波长为λ2的光，即图4-2中的P out。

图4-2（c）中设B为“0110”。

因为进入SOA 2的信道C的峰值功率远高于B光的峰值功率，所以当C为“1”时（也就是A为“0”时），C将消耗掉SOA中大部分载流子，信号光B无论是“1”还是“0”都无法被SOA放大，因此P out为“0”。

反之，当C为“0”时（也就是A为“1”时），若B也为“1”，B竞争得到载流子，则P out为“1”, 若B为“0”，则P out也为“0”。

从而实现了信号光A与B 的“与”。

图4-1 基于SOA-XGM的全光逻辑与门结构示意图图4-2 全光逻辑与运算原理示意图(a) 输入SOA1中的信号光A；(b)SOA1输出的λ1波长的光C；(c) 输入SOA2的信号光B； (d)A 与B相与的结果4.2 SOA性能参数对级联SOA与门输出特性的影响设相“与”的两路信号光为10Gb/s的无啁啾超高斯的NRZ信号，峰值功率为0dBm，波长为1540nm；连续光波长为1550nm，功率为-10dBm。

假定进入第一级SOA的信号光为P A，连续光为P0，从第一级SOA出射后被filter1滤出的光信号称为P C，进入第二级SOA的信号光称为P B，与门最终的输出结果为P out。

4.2.1 常规SOA与单端SOA对级联SOA与门输出特性的影响当SOA的注入电流为80mA时，如果与门中使用的是常规SOA，且P A为“1110”，P B为“0010”，那么两路信号光以及P C和最终输出结果如下。

(a) P A信号(b) P B信号(c) P C信号(d) P out信号图4-3 各级SOA的输入输出信号从上图看来P out似乎就是P A和P B相“与”的结果。

其实考虑到输入的码形具有一定的特殊性，还无法判断P c是否有效的调制了P B在第二级SOA中的放大。

所以如果对换P A和P B的码形，设P A为“0010”，P B为“1110”，得到的最终输出结果如图4-4所示。

图4-4 改变输入信号后级联SOA的输出信号从原理上来说，对换P A和P B的信号，得到的结果应该相同，但是数值模拟的结果却不是这样，图4-4所示的波形明显劣化了。

这是因为第一级SOA出射的P C信号要求具备良好的消光比和足够大的峰值功率，这样才能在第二级SOA中有效的调制P B信号。

如果它不能有效的调制P B信号，那么P B信号在第二级SOA中将被放大，因此最后的输出结果中就会叠加P B信号放大的结果，从而劣化了输出结果。

由此可见，对这种级联方案来说，第一级SOA的输出信号P C对逻辑与门输出特性的影响十分关键。

因此一方面可以使用EDFA提高P C信号的光功率，另一方面还要提高它的消光比。

文献[39]报道，单端耦合的SOA能有效的提高输出信号的消光比。

因为单端结构是输入光实现了双程的放大和损耗，所以在利用单端SOA-XGM进行波长转换时，一般不会出现消光比退化现象。

只要适当的调整并改变这些相关因素，就可以提高输出的消光比。

对单端耦合SOA构成的逻辑与门的模拟中，SOA的各项参数与前文所述的完全相同，只是SOA后端面的反射率设为1%，对第一级SOA出射P C光进行5dB的放大。

因为对常规SOA构成的逻辑与门的数值模拟中发现，逻辑与的结果对输入信号P A和P B的码形具有选择性，鉴于这一点，对单端耦合SOA构成的逻辑与门选择输入信号时，码形分别为“1100”和“0110”，这样即使对换P A和P B信号，也都可以考察最终的输出结果里P B信号被放大后叠加的情况。

P A和P B的波形如图4-5(a)(b)所示，设第一级SOA出射的P C光经过EDFA后放大了10dB，波形如图4-5(c)，逻辑门最后的输出结果为图4-5(d)。

(a) 信号P A的波形(b)信号P B的波形(c)信号P C的波形(d)逻辑与门的输出波形图4-5 单端耦合SOA的逻辑门中各级SOA的输入输出波形信号“1100”和“0110”相“与”的结果应该是“0100”，从图4-5(d)中可以清楚地看到。

逻辑门的输出结果即为“0100”，只是脉冲的前后沿不对称，脉冲的后沿比前沿更加倾斜。

这正是由于输出结果中仍然残留了P B放大的结果。

为了得到最佳的输出波形，下面我们改变了SOA注入电流以及进入第二级SOA的P C光的光功率，来考察这些参数对逻辑与门输出结果的影响。

4.2.2 SOA注入电流对级联SOA与门输出特性的影响依然采用上述单端耦合SOA的各项参数，保持对第一级SOA出射P C光进行5dB 的放大，改变两级SOA的注入电流，得到逻辑“与”门输出结果的变化如下。

(a)I=80mA (b) I=120mA (c)I=160mA图4-6 不同注入电流对逻辑与门最终输出结果的影响从图4-6可以看到，随着注入两个SOA的电流增加时，脉冲“1”的前沿和后沿渐渐对称起来。

也就是说增加两个SOA的注入电流可以帮助抑制P B信号在第二级SOA 中的放大。

这是因为随着注入电流的增加，第一级输出信号P C的光功率会增加，有助于抑制P B信号在第二级SOA中的放大。

4.3 P C信号光的峰值功率对级联SOA与门的输出特性的影响除了改变SOA的性能参数可以提高级联逻辑与门的输出性能外，还可以适当改变入射光的参数。

从上文的分析中可以发现，第一级SOA的输出光P C的消光比和光功率对与门输出特性的影响比较大，而它的消光比可以通过单端耦合SOA来提高。

因此本节将讨论采用单端耦合SOA的情况下，改变P C信号光的峰值功率，来考察级联SOA与门输出特性的变化。

SOA注入电流为160mA，其他参数与上文使用的相同。

图4-7所示的分别是将P C信号光放大0dB、5dB和10dB的情况下，逻辑“与”门的输出结果。

从第一级SOA出射后，P C若不放大而直接进入第二级SOA得到的输出结果为图4-7(a)。

这种情况下输出信号光功率比较高，而P B信号基本上没有受到P C抑制，当P C为“1”时，对应P B的“1”脉冲被SOA充分放大。

当对P C放大5dB后，P B信号明显地受到了P C的抑制。

当P C被放大的倍数提高到10dB后，P B信号被P C信号抑制的程度虽然比放大5dB时深，但是输出波形并没有更显著地被优化。

而且，随着P C的峰值功率的增加，它将更多的消耗第二级SOA中的载流子，使SOA的饱和程度更深，于是P out的输出光功率因此而降低。

所以该逻辑与门的最终输出结果的功率和输出性能之间存在这样的制约关系。

(a) 0dB (b) 5dB (c) 10dB图4-7 改变进入第二级SOA前P C被放大的倍数观察输出窗口根据以上的分析结果可以发现，采用单端SOA后，如果能适当的调整SOA注入电流，以及进入第二级SOA的P C光的光功率，就可以改善该逻辑与门的输出特性，得到较好的输出结果。

4.4 实验方案实验完成了2.5Gb/s和10Gb/sNRZ信号基于两级级联SOA的逻辑“与”运算。

4.4.1 2.5Gb/sNRZ信号基于两级级联SOA的逻辑“与”运算实验装置如图4-8所示。

DFB激光器出射波长为1555.9nm、功率为-6.5dBm的连续光。

Anritsu公司生产的MP1570A型SDH 分析仪作为信号光光源，产生波长为1545nm、平均功率为-7dBm的NRZ信号。

如图4-8所示，该NRZ信号经过50:50耦合器后将分为两路。

为得到两路不同的信号之间相与的结果，对这两路信号作相对的延时，例如图中上一路信号若为“1100”，下一路信号则被延时为“0110”。

上一路信号经EDFA 1放大后作为泵浦光与连续光一起进入SOA 1。

为改善第一级转换的输出消光比特性，SOA1采用单端耦合输入输出方式，用光环行器分离出转换输出光，输出光再经过EDFA2放大后，由窄带滤波器filter1滤出波长为1555.9nm的光。

被滤出的光再与另一路信号进入SOA2。

从SOA 2输出的结果由filter 2滤出波长为1545nm的光，利用Tektronix公司的CSA8000型通信分析仪观察逻辑门运算结果。

此外，整个装置中还使用了两个偏振控制器（PC ）控制输入光信号的偏振态，适当的调节偏振控制器可以改善输出波形。

实验中选用的SOA 1为实验室自制的量子阱材料直腔结构SOA ，腔长为450µm ，前端面剩余反射率控制在10－4，后端面反射率约在10－2。

SOA2为瑞士OPTOSPEED 公司提供的体材料斜腔结构的行波半导体光放大器，腔长为600µm ，端面剩余反射率可达10－6量级。

实验中SOA 1的工作电流为100mA , 小信号增益为10dB ，SOA 2的工作电流为250mA ，小信号增益约为18dB 。