[科普中国]-光学逻辑

在未来的全光网络中，光交换、光计算和光传输是实现全光信号处理的核心单元，而它们都要以全光逻辑门为基础工作。光交换可以分为光线路交换、光突发交换和光分组交换，光逻辑门是实现光交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素，光交换技术的最终发展趋势是光控光交换，因此，实现光分组交换的关键是开发高速光逻辑门器件。光逻辑门还可以实现全光信号提取、全光地址识别和全光复用/解复用等。因此，在未来的全光高速通信网络和新一代光计算机中将有着巨大的应用潜力。目前，国内外均对此展开了广泛深入的研究。半导体光放大器以其体积小、易于集成、光谱性能好、工作波长范围宽、响应时间短以及良好的非线性特性等优点，成为各种全光逻辑门中的主要功能器件。

光逻辑门是实现高速光分组交换、全光地址识别、数据编码、奇偶校验、信号再生、光计算和未来高速大容量全光信号处理的关键器件，同时，光逻辑门的发展是实现电计算向光计算跨越的桥梁，可以突破“电子瓶颈”的限制，提高网络容量，实现全光3R再生。

半导体光放大器具有良好的非线性，十分适合用于实现光逻辑功能。全光逻辑门的实现主要是基于半导体光放大器中的交叉增益调制波长转换原理，在忽略放大的自发辐射引起的载流子消耗的条件下，波长的转换过程可以用以下2个方程描述：

其中，N是有源区中载流子的浓度，I是注入电流，e是电子电量，V是有源区体积，Γ是模场限制因子，A是有源区横截面积，h是普朗克常数，C是真空中光速，下标S和C分别对应信号光和探测光， 是对应光波的增益系数，v是光波的频率， 和 分别对应正向和反向传播的光功率，喻是有源区内部的损耗系数，R(N)是非辐射复合和自发辐射复合引起的载流子消耗。为准确模拟载流子沿半导体光放大器有源区长度方向的分布，可以采用分段模型进行数值模拟。将有源区分为M段，每段载流子浓度均匀，给定入射光功率，就可以求得整个有源区内载流子浓度N和光功率P在空间上的静态分布，最后采用龙格—库塔法求出随时间变化的输出光功率1。

图1是基于2个SOA实现XOR功能的原理图。

图1

信号有2束光脉冲分别从左右两端相向进入SOA，其中，右端的光强远大于左端的光强，以SOA1为例，当A和B信号都为“1”时，因为SOA1右端有强泵浦光B入射，B将消耗SOA中的绝大部分载流子，由于载流子恢复需要一定时间，因此信号A被饱和吸收，所以SOA1右端可以视为无光脉冲输出，即输出为“0”；只有右端无光脉冲输出时，A才能够被SOA放大，输出为“1”，相当于SOA1实现了 运算。同理，下方的SOA2实现了 运算，然后将2路信号通过1个光耦合器耦合到一起输出，也就是XOR= + ，因此实现了A和B之间的XOR运算。

本方案是利用级联的交叉增益调制型波长转换来实现全光逻辑与门，工作原理为：特定速率的信号光经过掺饵光纤放大器放大后再经耦合器1分为2路，其中一路信号光A和可调谐激光器提供的连续光（探测光）经耦合器2合路，再经过环行器送入SOA1。2束光在SOA1中可以产生基于交叉增益调制效应的波长转换现象，信号光携带的信息转换到探测光上，但与原信息反相。第1级SOA1输出的信号光经环行器输出，而后经过EDFA2放大，随后由带通滤波器1滤出波长转换后的信号;另一路光信号经过可调谐延时线延时后，和带通滤波器1输出的信号一起经过祸合器和环行器耦合进SOA2，适当控制第1级转换输出的功率远大于延时后的信号光功率，因此，当第1级转换输出的比特为“1”时，SOA2的增益被抑制，无论信号光为“1”还是“0”，输出都为“0”；反之，当第1级转换输出的比特为“0”信号光为“1”时输出“1”，为“0”时输出“0”，因此，经带通滤波器2(对准信号光波长)滤出的信号就是信号光A和延时后的信号光B的逻辑与运算结果。

图2

利用太赫兹光非对称解复用器实现全光逻辑门，此方案原理如图3所示。

图3

耦合器1将一段光纤首尾相接，作为非线性元件的SOA非对称的置于光纤线路中，它偏离环路中心的光程为T/2，控制脉冲经过耦合器2从端口A引入环路，探测脉冲从端口C注入，控制信号光足够强，能够引起SOA中的非线性效应，而探测光很弱，它不在SOA中引起非线性光学效应。此逻辑门的工作过程为:探测光从端口C输入，被耦合器1分为幅度相等的2部分，分别沿顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向传输，在没有控制光的情况下，CW和CCW光均可获得SOA的小信号增益，当它们再次回到耦合器1时所获得的相移也相等，因此，2束光在端口D相干相消，而光全部从端口C反射；反之，当有控制光从端口A输入，控制光经耦合器2注入环路中，适当调节探测光和控制光之间的时延，使得控制光在CCW之后CW之前到达SOA，这样，在控制光的作用下，CW将获得额外的非线性相移，经耦合器1再次祸合后，从端口D输出，相当于实现了探测光与控制光的逻辑与运算。

数字光计算机通常是指用光学手段实现数字运算所需要的软件和硬件的通称，技术上以列阵光学和非线性光学为基础，构想通用或专用的全光数字计算机。正如电子计算机一样，数字光计算机也是由最基本的光学逻辑门组成，所不同的是，这种逻辑结合了光学和光学逻辑器件的特性。

数字光计算机中，最常用的基值编码方法是光强度编码法。如在二进制光逻辑编码中，逻辑“1”用高光强编码，而逻辑“0”则用低光强编码。这种编码称“亮真”逻辑。如果采用相反编码则称“暗真”逻辑。

逻辑值也可用各种光学参量表示的空间图形(或称空间编码)进行编码。这种编码比较适合光计算机。空间编码逻辑可充分利用传统的光学二维处理方法。简单例子如双轨编码，在双轨编码中，各数据位被编码成双轨阵列，每比特由一对邻接元表示，两邻接单元只有一个单元透光。例如，在“1”比特双轨码编码中，上面单元透光，下面单元则不透光；而在“0”比特双轨码表示中，透光排列次序刚好相反。双轨码和亮真(或暗真)逻辑的区别是，双轨码中“0”、“1”基值能量相同，而亮真(或暗真)逻辑正是借助能量不同来实现对不同基值的逻辑编码。另一个区别是双轨码逻辑编码时单比特表示所需要的空间增加。

光计算机对光学逻辑器件要求有：

（1）对可级联性，不仅要求在光功率上可级联，而且在光波上、光束形状和脉冲形状方面也要求能实现级联；

（2）对输出，应具有增益输出能力；

（3）对光逻辑级重建，要求功率级，光束或脉冲形状等都应能重建；

（4）为使得器件在系统中实用化，要求所有器件及其偏置高度均匀，否则需要调整系统中每一器件，而这往往是难以达到的；

（5）对光逻辑器件，输入输出还要求隔离良好。对一个三端器件，如三极管由于反馈回三极管的输出信号没有被器件本身放大，因此输入输出隔离效果比较好；对二端器件，如隧道二极管或光双稳器件由于对输入输出没有任何隔离，输出同输入一样被放大，因此难以构成比较大的系统；

（6）受激放大器件(如激光放大器)其反向和正向放大机理相同，对输入输出也没有进行隔离，所以即使在小系统中也需要对输入输出进行隔离，以防止反馈引起的级联误差；

（7）大多数光学逻辑器件运转功率都比较大，难以制造成数字系统所要求的大列阵。

以下是逻辑符号法则：

（1）不加撇的字母表示是物空间的物理量，加撇的字母表示是像空间的物理量。

（2）坐标系为O-yz直角坐标系。坐标原点O位于球面顶点或主点，y-轴正向为由下向上，z-轴正向为由左向右，光轴与z-轴重合。

（3）图中与距离直接有关的字母表示坐标。对于物点和像点只需标出其z-坐标即可，不需标出物距和像距，因为它们可以由坐标很简单的求出。

（4）图中标注的角量全为锐角。入射角和折射角分别以i和i'表示。由于反射角等于入射角，故反射角也用i表示。对于其余的三个角(入射光线与光轴的夹角、出射光线与光轴的夹角、法线与光轴的夹角)，以光轴为起始边，顺时针旋转的其角标为正数；逆时针旋转的其角标为负数，标注时需在其前填一负号以使之变为角度。之所以这样规定是为了简化公式的推导。

逻辑符号法则既适用于从左到右的入射光线，也适用于从右到左的入射光线，因为坐标系与光线方向无关。尽管如此，实用上总是使入射光线从左到右行进，故通常情况下默认入射光线从左到右行进2。