基于非線(xiàn)性效應的光學(xué)邏輯門(mén)研究

其中，N是有源區中載流子濃度，I是注入電流大小，e是電子電量，V是有源區體積，Γ是模場(chǎng)限制因子，A是有源區橫截面積，h是普朗克常數，c是真空中光速，下標S，c分別對應信號光和探測光，gi(N，vi)是對應光波的增益系數，v是光波的頻率，P+i和P-i分別對應正向和反向傳播的光功率，αint是有源區內部的損耗系數，R(N)是非輻射復合和自發(fā)輻射復合引起的載流子消耗。為準確模擬載流子沿半導體光放大器有源區長(cháng)度方向的分布，可以采用分段模型進(jìn)行數值模擬。將有源區分為M段，每段載流子濃度均勻，給定入射光功率就可以根據式(1)解出第一子段的載流子濃度N1，然后根據式(2)求出第一子段光功率P2，再代入式(1)求得N2，依次類(lèi)推可求得整個(gè)有源區內載流子濃度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(mén)的工作原理

2.1 利用半導體光放大器實(shí)現光邏輯與門(mén)

利用半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)實(shí)現光邏輯與門(mén)是利用級聯(lián)的交叉增益調制型波長(cháng)轉換來(lái)實(shí)現全光邏輯與門(mén)，工作原理為：特定速率的信號光經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器放大后再經(jīng)耦合器1分為兩路，其中一路信號光A和可調諧激光器提供的連續光(探測光)經(jīng)耦合器2合路，再經(jīng)過(guò)環(huán)行器送入SOA1。兩柬光在SOA1中可以產(chǎn)生基于交叉增益調制效應的波長(cháng)轉換現象，信號光攜帶的信息轉換到探測光上，但與原信息反相。第一級SOA1輸出的信號光經(jīng)環(huán)行器輸出，而后經(jīng)過(guò)EDFA2放大，隨后由帶通濾波器1濾出波長(cháng)轉換后的信號；另一路光信號經(jīng)過(guò)可調諧延時(shí)線(xiàn)延時(shí)后，和帶通濾波器1輸出的信號一起經(jīng)過(guò)耦合器和環(huán)行器耦合進(jìn)SOA2，適當控制第一級轉換輸出的功率遠大于延時(shí)后的信號光功率，因此，當第一級轉換輸出的比特為“1”時(shí)，SOA2的增益被抑制，無(wú)論信號光為“1”還是“0”，輸出為“O”；反之，當第一級轉換輸出的比特為“0”，信號光為“1”時(shí)輸出“1”，為“0”時(shí)輸出“0”，因此，經(jīng)帶通濾波器2(對準信號光波長(cháng))濾出的信號就是信號光A和延時(shí)后的信號光B的邏輯與運算結果。

2.2 利用太赫茲光非對稱(chēng)解復用器實(shí)現全光邏輯門(mén)

利用太赫茲光非對稱(chēng)解復用器(Terahertz OpticalAsymmetric Demultiplexer，TOAD)實(shí)現全光邏輯門(mén)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(xiàn)性元件的SOA非對稱(chēng)的置于光纖線(xiàn)路中，它偏離環(huán)路中心的光程為T(mén)／2，控制脈沖經(jīng)過(guò)耦合器2從端口A(yíng)引入環(huán)路，探測脈沖從端口C注入，控制信號光足夠強，能夠引起SOA中的非線(xiàn)性效應，而探測光很弱，它不在SOA中引起非線(xiàn)性光學(xué)效應。此邏輯門(mén)的工作過(guò)程為：探測光從端口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(méi)有控制光的情況下，CW和CCW光均可獲得SOA的小信號增益，當它們再次回到耦合器1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，當有控制光從端口A(yíng)輸入，控制光經(jīng)耦合器2注入環(huán)路中，適當調節探測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SOA，這樣，在控制光的作用下，CW將獲得額外的非線(xiàn)性相移，經(jīng)耦合器1再次耦合后，從端口D輸出，相當于實(shí)現了探測光與控制光的邏輯與運算。

2.3 基于馬赫-曾德干涉儀的全光邏輯門(mén)

干涉儀相關(guān)文章:干涉儀原理