集成光电子器件lpl(第十一章逻辑门).ppt

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1、全全 光光 逻逻 辑辑 门门第十一章第十一章全光逻辑器件全光逻辑器件光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信系统系统系统系统计算机计算机计算机计算机全光网全光网全光网全光网光计算机光计算机光计算机光计算机逻辑器件逻辑器件在逻辑运算中，在逻辑运算中，AND、OR、NOT是是最基本最基本的的三三种逻辑运算种逻辑运算，反映了逻辑电路中最基本的逻辑，反映了逻辑电路中最基本的逻辑关系，所有的逻辑运算都可以通过这三种基本关系，所有的逻辑运算都可以通过这三种基本运算来实现。运算来实现。但为了满足实用的要求，实际使用的逻辑门，但为了满足实用的要求，实际使用的逻辑门，除了三种基本逻辑门外，广泛采用一些除了三种基本逻辑门

2、外，广泛采用一些复合逻复合逻辑门辑门，如：，如：XOR、XOR、NAND、半加器、半、半加器、半减器、比较器、译码器等。减器、比较器、译码器等。全光逻辑门全光逻辑门基本上都是利用基本上都是利用某种光学介质某种光学介质的高速非线性效应来实现的，如的高速非线性效应来实现的，如XGM效效应应、XPM效应效应、FWM效应效应、交叉偏振调交叉偏振调制制（CPM）效应）效应等。等。11.111.1 XGMXGM型全光逻辑器件型全光逻辑器件增益饱和：增益饱和：增益饱和：增益饱和：增益随输入光功率增益随输入光功率 增大而减小的现象。增大而减小的现象。弱弱连续光连续光和强和强信号信号光光耦合进耦合进SOA信号光

3、信号光被被放大，消放大，消耗载流子耗载流子SOA的增的增益益被反向被反向调制调制反向调制反向调制的增益又的增益又对对连续光连续光调制调制SOASOASOASOA中的中的中的中的XGMXGMXGMXGM效应：效应：效应：效应：1.SOA-XGM型型全光逻辑全光逻辑NOR门门 信号光信号光信号光信号光要足够强，否要足够强，否要足够强，否要足够强，否则会出现台阶形。则会出现台阶形。则会出现台阶形。则会出现台阶形。2.SOA-XGM型型全光逻辑全光逻辑OR门门 信号光信号光信号光信号光2 2 2 2要强要强要强要强实现了速率为实现了速率为实现了速率为实现了速率为10Gb/s10Gb/s的全光逻辑的全光

4、逻辑的全光逻辑的全光逻辑OROR门门门门利用利用利用利用SOASOA中中中中XGMXGM效应效应效应效应还可以实现还可以实现还可以实现还可以实现ANDAND门门门门、NANDNAND门门门门。C 效率高；效率高；C 工作波长范围宽；工作波长范围宽；C 偏振无关。偏振无关。SOA-XGMSOA-XGMSOA-XGMSOA-XGM型全光逻辑门的优点：型全光逻辑门的优点：型全光逻辑门的优点：型全光逻辑门的优点：L 信号的消光比恶化信号的消光比恶化;L 工作速率低；工作速率低；L 码型效应。码型效应。SOA-XGMSOA-XGMSOA-XGMSOA-XGM型全光逻辑门的缺点：型全光逻辑门的缺点：型全光

5、逻辑门的缺点：型全光逻辑门的缺点：11.211.2 XPMXPM型全光逻辑器件型全光逻辑器件1.SOA-XPM型型全光逻辑全光逻辑XOR门门 实现了速率为实现了速率为实现了速率为实现了速率为20Gb/s20Gb/s的全光逻辑的全光逻辑的全光逻辑的全光逻辑XORXOR门门门门JJ 啁啾小；啁啾小；啁啾小；啁啾小；JJ 输出消光比高；输出消光比高；输出消光比高；输出消光比高；JJ 偏振无关等。偏振无关等。偏振无关等。偏振无关等。缺点缺点缺点缺点：优点：优点：优点：优点：LL 实现条件比较苛刻；实现条件比较苛刻；实现条件比较苛刻；实现条件比较苛刻；LL 采用分离元件很难实现。采用分离元件很难实现。采

6、用分离元件很难实现。采用分离元件很难实现。利用利用 MZI结构结构还可以实现还可以实现AND门门。2.SOA-XPM型型全光全光多功能逻辑门多功能逻辑门 JJ 结构简单；结构简单；结构简单；结构简单；JJ 适于高速逻辑运算。适于高速逻辑运算。适于高速逻辑运算。适于高速逻辑运算。缺点缺点缺点缺点：优点：优点：优点：优点：LL 不同输入功率对应的不同输入功率对应的不同输入功率对应的不同输入功率对应的 滤波器中心波长要改滤波器中心波长要改滤波器中心波长要改滤波器中心波长要改 变。变。变。变。11.311.3 FWMFWM型全光逻辑器件型全光逻辑器件SOASOA中的中的FWMFWM效应：效应：1.SO

7、A-FWM型型全光逻辑全光逻辑AND门门 JJ 转换速度快；转换速度快；转换速度快；转换速度快；JJ 结构简单。结构简单。结构简单。结构简单。缺点缺点：优点：优点：LL 效率低；效率低；效率低；效率低；LL 偏振相关；偏振相关；偏振相关；偏振相关；LL 效率随两输入信号波长间隔的增大而降低。效率随两输入信号波长间隔的增大而降低。效率随两输入信号波长间隔的增大而降低。效率随两输入信号波长间隔的增大而降低。2.基于基于SOA-FWM的多功能超快全光逻辑门的多功能超快全光逻辑门 在本方案中在本方案中在本方案中在本方案中：所用信号光为二进制所用信号光为二进制PolSKPolSK调制格式调制格式调制格式

8、调制格式；利用的是利用的是SOA中中FWMFWM效应的偏振选择性效应的偏振选择性效应的偏振选择性效应的偏振选择性。二进制二进制二进制二进制PolSKPolSK调制格式调制格式调制格式调制格式:即调制光的偏振态即调制光的偏振态,使两个正交偏振态分别表示二进制使两个正交偏振态分别表示二进制中的逻辑中的逻辑“0”和和“1”。FWMFWM效应的偏振选择性效应的偏振选择性效应的偏振选择性效应的偏振选择性：FWMFWM效应的强弱效应的强弱效应的强弱效应的强弱与两输入光的与两输入光的偏振方向夹角的余弦函数偏振方向夹角的余弦函数偏振方向夹角的余弦函数偏振方向夹角的余弦函数成正比。成正比。平行（夹角为平行（夹角

9、为0）时，）时，FWM效应最强；效应最强；垂直（夹角为垂直（夹角为900）时，不发生）时，不发生FWM效应。效应。逻辑逻辑逻辑逻辑ANDAND、NORNOR、XORXOR、XNORXNOR的真值表的真值表的真值表的真值表 基于基于PolSK调制的调制的FWM型超快全光逻辑门原理示意图型超快全光逻辑门原理示意图 输输入的信号光入的信号光共共轭轭光的光的输输出出S1 S2S2的偏振的偏振态态不旋不旋转转900S2的偏振的偏振态态旋旋转转9000 0 0 1 1 0 1 1 0无无无无1无无01无无输输入信号光入信号光ANDNORXORXNOR半加器半加器半减器半减器译码译码器器比比较较器器S1 S

10、2加加 进进位位减减 借位借位=0 00 11 01 10001100001000010011010010 01 01 00 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 01 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 11 0 00 0 10 1 01 0 0逻辑逻辑逻辑逻辑ANDAND、NORNOR、XORXOR、XNORXNOR、半加器、半加器、半加器、半加器、半减器、译码器和比较器的真值表半减器、译码器和比较器的真值表半减器、译码器和比较器的真值表半减器、译码器和比较器的真值表 基于基于PolSK调调制的多功制的多功能超快全光能超快全光逻辑门逻辑门的的模模拟结拟结果果：(a)和和(b)分分别为输别为输入信号入信号光光1和和2在一个偏振方向在一个偏振方向上的波形，上的波形，(c)(h)分分别别为逻辑为逻辑AND、NOR、XNOR、和和XOR的的输输出波形出波形 本方案的本方案的优点优点：C既可实现既可实现多种简单逻辑功能多种简单逻辑功能多种简单逻辑功能多种简单逻辑功能，又可实现，又可实现多种复杂逻辑多种复杂逻辑多种复杂逻辑多种复杂逻辑 功能功能功能功能；C适于适于超快超快超快超快工作；工作；C消除了消除了码型效应码型效应码型效应码型效应。