基于相移光栅中交叉相位调制的全光逻辑门

宋俊峰，李齐良，陈 心

基于相移光栅中交叉相位调制的全光逻辑门

宋俊峰，李齐良，陈 心

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

对基于相移光栅中交叉相位调制的全光逻辑门的理论进行了研究.研究了器件的开关特性，利用泵浦光来控制弱连续波的输出切换，实现了将泵的光信息传输到连续光上.通过改变两个泵浦光的组合，利用两个输出端口输出功率计算消光比，再根据消光比判定实现逻辑门功能，在相移光栅无相移量时，实现了与门和与非门.

逻辑门；相移光栅；交叉相位调制；全光开关

0 引 言

光纤光栅由于其体积小、焊接损耗低、抗干扰能力强、抗电磁干扰能力强、化学稳定性和电绝缘性等特性被广泛研究[1]，而非线性光纤光栅的一个重要应用是全光开关[2]，在全光开关中，光信号被另一个光信号直接控制.由于克尔效应是瞬时的，且损耗很小，所以可以用来构建全光开关和逻辑门.由于要实现传统光纤上的光开关，其非线性系数很小，对相互作用长度要求高，超过一万米.所以实际应用中要缩短作用长度，最初使用偏振保持光纤(PM)，后来从氧化铋到之后的锗氧化物纤维，这些材料被用于各种设备之中，非线性光纤环镜(NOLM)可以大幅度缩短相互作用长度[3].非线性布拉格光栅开关是无源元件，主要包括交叉相位调制开关[4].本文基于相移光栅中的交叉相位调制，通过改变两个泵浦光的组合，在相移光栅无相移量时，实现了不同的逻辑功能.相移光栅材料中的克尔非线性作用将产生相移，基于相移光栅中交叉相位调制的全光逻辑门可以降低光开关的功率门限值，同时抗干扰能力强，利用这种光的克尔效应构造出的全光逻辑门可以应用于非线性定向耦合器[5]、非线性光纤环镜[6]、珀罗激光二极管[7].

1 理论模型

基于相移光栅中交叉相位调制的全光逻辑门模型如图1所示.

图1 基于相移光栅中交叉相位调制的全光逻辑门模型

波长1 550 nm的弱连续光和波长980 nm的泵浦光P1，P2一起耦合进入耦合器,相移光栅都由掺铒光纤构成.双泵的波长远离该区域的光子带隙，而弱的连续光的波长在光子带隙的附近.因此，泵浦光将保持在通道中，最后从耦合器输出.

根据麦克斯韦电磁理论，忽略时间导数项，得到如下耦合模方程[8]：

(1)

(2)

最终利用传输矩阵来表示输入与输出的关系如下：

(3)

其中，M11=m112eiφ+m12m21e-iφ，M12=m11m12eiφ+m12m22e-iφ，

为了解以上方程，假设边界条件为v2L=0，得到结果：

(4)

定义透射率T和反射率R来描述开关特性：

(5)

最终，定义消光比来判断系统的逻辑功能：

(6)

用dB作单位，式(6)可以改写成如下形式：

Xratiouv=10lgXuv,Xratiovu=10lgXvu.

(7)

2 逻辑特性及功能分析

仿真中相移光栅的相移量φ为0，弱连续光的波长为1 550 nm，泵浦光P1和P2的波长为850 nm，初始相位φ1和φ2都为0，相移光栅的非线性系数为γ=1.5×103w-1/km，弱连续光的功率为Pu=1 mW，泵浦光功率的变化范围为0到800 W，前后向波的耦合系数为r1=5 cm-1，相移光栅的总长度为2L=4 mm.

图2为光谱的透射率与波长失谐量的关系图，由图2可以看出，Δλ=0附近，透射率低，当波长失谐量远离零点时，透射率较高，仿真中弱连续光的波长失谐量设为Δλ=0.01 nm.

图2 透射率与波长失谐量的关系图

图3为透射率和反射率随泵浦光功率变化的曲线图.图3中，泵浦光P1从端口A1进入，同时弱连续光通过波分复用器进入，泵浦光P2从端口A2射入，总的泵浦光功率为P=P1+P2.随着泵浦光功率的提高，将产生由克尔效应形成的交叉相位调制，当泵浦光的功率达到248.2 W，连续光的输出路径发生改变，此时的泵浦功率为门限值，即Ppth=248.2 W，接下来，用此门限值将泵浦光功率归一化p1=P1/Ppth，p2=P2/Ppth，p=P/Ppth.如果泵浦光功率大于门限值，将实现开关效应.图4为消光比随泵浦光功率变化的曲线图.图4中，当泵浦光功率为0 W时，光栅反射大部分弱连续光到端口B，当p<1，消光比Xratiouv小于0，当p>1，消光比Xratiouv大于0.这意味着泵浦光改变了开关特性，弱连续光从反射端口B切换到从透射端口C输出.

图3 透射率和反射率随泵浦光功率变化的曲线图

图4 消光比随泵浦光功率变化的曲线图

表1给出了逻辑门的真值表，“1”代表有泵浦光的存在，“0”表示无泵浦光输入，可见(0，0)的输入功率组合下，大部分弱连续光被反射，此时消光比Xratiouv为-11.13 dB，相对应的反射率为92.85%，透射率为7.15%，端口C处于关闭状态，而端口B为开启状态.对于(0,1)和(1,0)输入组合下大部分弱连续光仍被反射，消光比Xratiouv为-7.341 dB，对应的反射率为84.4%，透射率为15.6%，端口C处于关闭状态，而端口B为开启状态.对于(1,1)，消光比Xratiouv为118.4 dB，所有的弱连续光近乎都透射出，反射率接近0%，透射率接近100%，因此端口C为开启状态，对应逻辑值1，端口B关闭，对应逻辑值0.最终实现了与门和与非门.根据表1，得到结论，利用交叉相位调制，可以将信息从泵浦光上转移到弱连续光之上，实现与门和与非门.

表1 光逻辑门的真值表

3 结束语

本文利用相移光栅中的交叉相位调制，实现了诸如非门、与门和与非门的逻辑门.用一束激光(泵浦光)对弱信号光进行交叉相位调制，可以实现对另一束光(信号光)的透射系数进行控制.研究结果表明，利用相移光栅交叉相位调制效应，结合消光比曲线，可以实现多种不同的逻辑功能，满足了实际应用的多样性要求.同时利用高非线性光纤能有效减少光开关的阈值功率，使之适用于光通信实际应用.在以后的实验研究中，将通过选择合适的高非线性光栅和相应的参数来发现相应的逻辑门，进一步研究相移光栅存在不同相移量时对于开关阈值功率的影响.

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SONG Junfeng, LI Qiliang, CHEN Xin

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

All-optical Logic Gates Based on Cross Phase Modulation Effect in a Phase-shifted Grating

In this paper, the theory of all optical logic gates based on cross phase modulation in phase shifted grating is studied. The switching characteristic of the device is studied, and the output switching of the weak continuous wave is controlled by the pump light, and the optical information of the pump is transmitted to the continuous light. By changing the combination of the two pump, calculate the extinction ratio. According to the extinction ratio, achieve logic gate function, when the phase shift of the phase shifted grating is zero, it realizes the and gate and a NAND gate.

logic gate; phase-shifted grating; cross phase modulation; all optical switching

10.13954/j.cnki.hdu.2017.02.005

2016-05-06

国家自然科学基金资助项目(10904028)；浙江省自然科学基金资助项目(Y1110078)

宋俊峰(1989-)，男，江苏南通人，硕士研究生，光纤通信学.通信作者：李齐良教授，E-mail:liqiliang@sina.com.

TN253

A

1001-9146(2017)02-0019-04