基于马赫-曾德尔干涉仪的全光逻辑异或门理论研究

　　1　引　言

　　快速发展的通信业务对通信网的带宽和容量都提出了更高的要求,基于电子信号处理技术的网络已难以满足需求。因此,使用全光信号处理技术的光网络将是未来网络的发展趋势。逻辑异或门(XOR)是全光信号处理的关键器件之一,它可以用于标签交换、数据编码、奇偶校验、信号再生等[123]。

　　目前实现全光异或门的方法有多种。例如,利用非线性光纤环镜(NOLM)[2]、SOA2Sagnac光纤干涉仪[4]、超快非线性干涉仪(UNI)[5]等。这些方法利用光纤的非线性效应实现异或门运算,具有数据处理速度快的优点。但是光纤的存在也使异或门结构变得复杂,难以集成。与之相比,由SOA构成马赫2曾德尔干涉仪(SOA2MZI)结构的异或门具有性能稳定、便于集成的优点。但是,由于SOA中载流子恢复时间(≈100 ps)较长,将导致输出脉冲的展宽,限制了信号处理速度[6]。为了满足处理高速信号的需求,可以通过提高探测光功率,合理控制SOA的偏置电流,将载流子恢复时间减少到10 ps左右[7]。

　　由于传统的SOA用于异或门时,常工作在增益饱和区。在多信道情况下,可能导致严重的串扰。一种新型的半导体光放大器2线性光放大器(LOA)利用有源区两侧的分布式布拉格反射镜(DBR)建立了垂直光场(VCL),对入射光形成了增益箝制,很好地解决了这一问题[829]。在课题组研究垂直腔激光器(VCSEL)、垂直腔半导体光放大器(VCSOA)和马赫2曾德尔干涉仪工作的基础上[10212],本文从LOA的结构特点出发,建立了基于速率方程的模型;模拟了LOA的泵浦放大和增益箝制特性;建立了SOA2MZI和LOA2MZI结构全光异或门数值模型,通过合理控制探测光功率和偏置电流,实现了两路40 Gbit/s信号的异或运算;讨论了调制后的探测光相位与输出信号消光比的关系;分析了探测光功率对输出脉冲宽度的影响;对两种异或门输出信号的波形、功率、消光比等方面进行了研究和比较,从器件结构和基本特性方面出发,对差异给出了解释。

　　2　工作原理

　　基于SOA2MZI全光异或门原理如图1所示。SOA1和SOA2对称地放置于干涉仪两臂。连续的探测光λ2通过一个3 dB耦合器分解成2束光注入到干涉仪两臂。波长为λ1的两路强度调制的信号光分别注入到SOA1和SOA2,信号光的峰值功率高于SOA的最大线性输入功率。当输入功率超过SOA的最大线性输入功率时,SOA有源区内载流子密度就会发生改变,根据Kramers2Kronig关系,有源区的有效折射率将会发生改变,导致通过SOA的探测光的强度和相位发生变化,即交叉增益调制(XGM)和交叉相位调制(XPM)。探测光的相位φ沿光入射方向的变化为[13]

　　式中Γ为模场限制因子,α为线宽增强因子,gλ为增益。探测光经过SOA后就会携带上信号光的信息。两路经过相位调制的探测光在耦合器中发生干涉,将相位调制转换成振幅调制,完成两路信号的异或运算。