专利摘要

本发明公开了一种基于级联半导体光放大器的全光异或门装置，涉及光通信技术领域，该装置采用马赫曾得尔干涉仪结构为基础，A光经耦合器分光到干涉仪上臂和干涉仪下臂，在干涉仪下臂或干涉仪上臂接功率调节装置。B光接耦合器并在干涉仪上臂或干涉仪下臂接功率调节装置，保证A光和B光在干涉仪上、干涉仪下臂的分光比相反即A光分光比为a:b时B光分光比为b:a，从而在输出端得到A、B光的异或逻辑作用结果。本发明在发挥交叉相位调制消光效果好、功耗低的优点的同时，又降低了方案相位调节的要求，不必精确调节相位差到180°，只需要保证前后两级输入光以相反比例分光，即可实现异或逻辑输出。

权利要求

1.一种基于级联半导体光放大器的全光异或门装置，包括第一功分器(1)，第二功分器(6)、第三功分器(14)、第一耦合器(2)、第二耦合器(8)、第三耦合器(19)、第四耦合器(15)、第一级联半导体光放大器SOA(3)、第二级联半导体光放大器SOA(9)、第三级联半导体光放大器SOA(20)、第四级联半导体光放大器(16)、第一滤波装置(4)、第二滤波装置(10)、第三滤波装置(21)、第四滤波装置(17)、第一功率调节装置(17)、第二功率调节装置(5)、第三功率调节装置(7)、第四功率调节装置(18)、合路器(12)和移相器(11)，其特征在于，所述第一功分器(1)、第二功分器(6)、第三功分器(14)和合路器(12)共同构成马赫曾得尔干涉仪，其余各元件分布于干涉仪两臂；中心波长为λ₁的脉冲光A光携带信号，输入到50:50的第一功分器(1)后，第一功分器的下输出下端口接第一功率调节装置(13)；中心波长为λ₃的时钟光输入到50:50第三功分器(14)后，第三功分器的输出上端口与第一功分器(1)的上输出上端口与第一耦合器(2)的输入端连接，第一耦合器的输出端依次接第一级联半导体光放大器SOA(3)、第一滤波装置(4)；

第三功分器(14)输出下端口与第一功分器(1)的下端口共接第四耦合器(15)输入端，第四耦合器的输出端接第四级联半导体光放大器SOA(16)、第四滤波装置(17)；第一滤波装置(4)之后依次接第二功率调节装置(5)、第二耦合器(8)的一个输入端，第四滤波装置(17)之后依次接第四功率调节装置(18)、第三耦合器(19)的一个输入端；

中心波长为λ₂的脉冲光B光携带信号，在输入50:50的第二功分器(6)后，第二功分器(6)输出上端口接第三功率调节装置(7)，第三功率调节装置的输出端口接第二耦合器(8)一个输入端口，第二功分器(6)输出下端口接第三耦合器(19)的一个输入端口；第二耦合器(8)后依次接第二级联半导体光放大器SOA(9)、第二滤波装置(10)，第三耦合器(19)后依次接第三级联半导体光放大器SOA(20)、第三滤波装置(21)，第二滤波装置(10)的输出端接移相器(11)，移相器和第三滤波装置(21)分别接合路器(12)的两个输入端口。

2.一种基于级联半导体光放大器的全光异或门装置，其特征在于，包括第一功分器(1)，第二功分器(6)、第三功分器(14)、第一耦合器(2)、第二耦合器(8)、第三耦合器(19)、第四耦合器(15)、第一级联半导体光放大器SOA(3)、第二级联半导体光放大器SOA(9)、第三级联半导体光放大器SOA(20)、第四级联半导体光放大器(16)、第一滤波装置(4)、第二滤波装置(10)、第三滤波装置(21)、第四滤波装置(17)、第一功率调节装置(17)、第二功率调节装置(5)、第三功率调节装置(7)、第四功率调节装置(18)和第一3dB耦合器(22)，所述第一功分器(1)、第二功分器(6)、第二3dB耦合器(23)和第一3dB耦合器(22)共同构成马赫曾得尔干涉仪，其余各元件分布于干涉仪两臂；中心波长为λ₃的时钟光经第二3dB耦合器(23)上端注入后，耦合输出时钟光在干涉仪上臂和干涉仪下臂分得相同功率但相位差为90°的光，即干涉仪上臂光和干涉仪下臂光；干涉仪上臂光与中心波长为λ₁的脉冲光A光经第一耦合器(2)耦合，经一定的短距离进入第一级联半导体光放大器SOA(3)，干涉仪下臂光与脉冲光A光经第四耦合器(16)耦合，经同样长度的距离进入第四级联半导体光放大器SOA(16)，之后分别经相同距离到达第一滤波装置(4)和第四滤波装置(17)，保证经滤波装置后脉冲光A光基本被完全滤掉同时尽量使更多的时钟光通过，出滤波装置后，经相同距离到达第二功率调节装置(5)和功率调节装置(18)，之后经相同距离到第二耦合器(8)和第三耦合器(19)。

中心波长为λ₂的脉冲光B光携带信号，在经过50:50的第二功分器(6)后，干涉仪上臂接第三功率调节装置(7)，干涉仪上光、下臂光分别与流过第二功率调节装置(5)和第四功率调节装置(18)的光分别共同注入第二耦合器(8)和第三耦合器(19)，之后经相同距离分别到达第二级联半导体光放大器SOA(9)和第二级联半导体光放大器SOA(20)，然后经相同距离分别到达第二滤波装置(10)和第三滤波装置(21)，调节干涉仪上、下臂光程，使干涉仪上臂与干涉仪下臂共同进入第一3dB耦合器(22)在干涉仪上臂产生附加的90°相位差。

3.根据权利要求1或2所述的基于级联半导体光放大器的全光异或门装置，其特征在于：调节脉冲光A光、脉冲光B光分光比关系的装置由功率调节系数取值相同的第二功率调节装置(5)和第四功率调节装置(18)分立于装置干涉仪上臂和干涉仪下臂组成。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种基于级联半导体光放大器的全光异或门装置，实现全光网络中全光信号的逻辑异或处理。

背景技术

进入21世纪以来，人们对信息的需求与日俱增。但在现有的基于电子技术的通信网中，网络上各个节点要完成光/电/光的转换，其中的电子器件受制于其自身，信号处理速率受到自身条件限制而产生了通信网中的“电子瓶颈”现象，难以满足高速通信综合业务日益发展的要求。

而光/光的信号处理方案摒弃了电子器件的限制，直接进行光信号处理，其处理速度较光/电/光的转换方式有明显优势。由此而引发了全光网络的构想和相关研究。未来的光高速网络，想要实现全光信号处理，全光逻辑门是实现全光数字信号处理的关键部件。其中的全光异或门可以用于标签交换、数据编码、奇偶校验、信号再生等，对其研究有重要意义。

基于SOA的交叉相位调制实现全光逻辑门的基本原理是：参与逻辑运算的信号变化引起SOA输入光功率的变化，光功率消耗的载流子浓度随之发生变化，进而引起折射率的变化，从而使相位发生变化，并在干涉的作用下使得输出光功率发生变化。由于载流子恢复时间的限制，其速率往往难以进一步提高。后来，有学者提出利用差分方法实现全光异或门的方案，巧妙地避开了载流子恢复时间的限制，实现了40Gb/s的处理速率。但其也存在较明显的缺点：需要精确的时间和相位控制，这在实际中增大了系统构建的难度，也增大了系统稳定性的风险。

本发明针对上述方案对相位控制要求严格的缺点，在MZI结构基础上提出了一种利用信号光对级联SOA的调制实现异或逻辑运算的新方案。该方案通过将信号光以相反比例分两级输入SOA的方法，降低了方案对相位控制的要求，使得系统更加稳定。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于克服当前基于交叉相位调制效应逻辑门的缺点，提供一种基于马赫-曾得尔干涉仪结构的级联半导体光放大器(SOA)的全光异或门装置，可以降低对相位精确调制的依赖，提高输出的稳定性。

为了解决上述技术问题，达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于级联半导体光放大器的全光异或门装置，其特征在于，包括第一功分器1，第二功分器6、第三功分器14、第一耦合器2、第二耦合器8、第三耦合器19、第四耦合器15、第一级联半导体光放大器SOA3、第二级联半导体光放大器SOA9、第三级联半导体光放大器SOA20、第四级联半导体光放大器16、第一滤波装置4、第二滤波装置10、第三滤波装置21、第四滤波装置17、第一功率调节装置17、第二功率调节装置5、第三功率调节装置7、第四功率调节装置18、合路器12和移相器11，所述第一功分器1、第二功分器6、第三功分器14和合路器12共同构成马赫曾得尔干涉仪，其余各元件分布于干涉仪两臂；中心波长为λ₁的脉冲光A光携带信号，输入到50:50的第一功分器1后，第一功分器的下输出下端口接第一功率调节装置13；中心波长为λ₃的时钟光输入到50:50第三功分器14后，第三功分器的输出上端口与第一功分器1的上输出上端口与第一耦合器2的输入端连接，第一耦合器的输出端依次接第一级联半导体光放大器SOA3、第一滤波装置4；

第三功分器14输出下端口与第一功分器1的下端口共接第四耦合器15输入端，第四耦合器的输出端接第四级联半导体光放大器SOA16、第四滤波装置17；第一滤波装置4之后依次接第二功率调节装置5、第二耦合器8的一个输入端，第四滤波装置17之后依次接第四功率调节装置18、第三耦合器19的一个输入端；

中心波长为λ₂的脉冲光B光携带信号，在输入50:50的第二功分器6后，第二功分器6输出上端口接第三功率调节装置7，第三功率调节装置的输出端口接第二耦合器8一个输入端口，第二功分器6输出下端口接第三耦合器19的一个输入端口；第二耦合器8后依次接第二级联半导体光放大器SOA9、第二滤波装置10，第三耦合器19后依次接第三级联半导体光放大器SOA20、第三滤波装置21，第二滤波装置10的输出端接移相器11，移相器和第三滤波装置21分别接合路器12的两个输入端口。

一种基于级联半导体光放大器的全光异或门装置，其特征在于，包括第一功分器1，第二功分器6、第三功分器14、第一耦合器2、第二耦合器8、第三耦合器19、第四耦合器15、第一级联半导体光放大器SOA3、第二级联半导体光放大器SOA9、第三级联半导体光放大器SOA20、第四级联半导体光放大器16、第一滤波装置4、第二滤波装置10、第三滤波装置21、第四滤波装置17、第一功率调节装置17、第二功率调节装置5、第三功率调节装置7、第四功率调节装置18和第一3dB耦合器22，所述第一功分器1、第二功分器6、第二3dB耦合器23和第一3dB耦合器22共同构成马赫曾得尔干涉仪，其余各元件分布于干涉仪两臂；中心波长为λ₃的时钟光经第二3dB耦合器23上端注入后，耦合输出时钟光在干涉仪上臂和干涉仪下臂分得相同功率但相位差为90°的光，即干涉仪上臂光和干涉仪下臂光；干涉仪上臂光与中心波长为λ₁的脉冲光A光经第一耦合器2耦合，经一定的短距离进入第一级联半导体光放大器SOA3，干涉仪下臂光与脉冲光A光经第四耦合器16耦合，经同样长度的距离进入第四级联半导体光放大器SOA16，之后分别经相同距离到达第一滤波装置4和第四滤波装置17，保证经滤波装置后脉冲光A光基本被完全滤掉同时尽量使更多的时钟光通过，出滤波装置后，经相同距离到达第二功率调节装置5和功率调节装置18，之后经相同距离到第二耦合器8和第三耦合器19。

中心波长为λ₂的脉冲光B光携带信号，在经过50:50的第二功分器6后，干涉仪上臂接第三功率调节装置7，干涉仪上光、下臂光分别与流过第二功率调节装置5和第四功率调节装置18的光分别共同注入第二耦合器8和第三耦合器19，之后经相同距离分别到达第二级联半导体光放大器SOA9和第二级联半导体光放大器SOA20，然后经相同距离分别到达第二滤波装置10和第三滤波装置21，调节干涉仪上、下臂光程，使干涉仪上臂与干涉仪下臂共同进入第一3dB耦合器22在干涉仪上臂产生附加的90°相位差。

所述调节脉冲光A光、脉冲光B光分光比关系的装置由功率调节系数取值相同的第二功率调节装置5和第四功率调节装置18分立于装置干涉仪上臂和干涉仪下臂组成，或由耦合系数取值之和为“1”的耦合器42和耦合器43组成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明输出稳定，只需要两束信号输入光能以相反比例分光，就可以在输入均为逻辑“1”时产生消光，在只有一个“1”时，输出脉冲；从而降低了信号光对光放大器相位精确调制的要求，达到了易于调节、输出稳定的效果。

附图说明

图1为所设计实现全光逻辑异或门的半导体光放大器级联装置方案一种方案示意图；

图2为所设计另一种实现全光逻辑异或门的半导体光放大器级联装置方案一种方案示意图；

图3是在40Gb/s情况下本发明实施过程产生的结果图；

附图标记为：1为第一功分器、2第一耦合器、3为第一级联半导体光放大器SOA、4为第一滤波装置、5为第二功率调节装置、6为第二功分器、第三功率调节装置7、第二耦合器8、第二级联半导体光放大器SOA9、第二滤波装置10、移相器11、合路器12、第一功率调节装置13、第三功分器14、第四耦合器15、第四级联半导体光放大器SOA16、第四滤波装置17、第四功率调节装置18、第三耦合器19、第三级联半导体光放大器SOA20、第三滤波装置21、22为第一3dB耦合器、23为第二3dB耦合器，

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

实现全光逻辑异或门的一种实施装置如图1。

选用行波半导体放大器(SOA)，使四个SOA的参数基本相同，并使其注入电流保持在较大值(0.5A附近)，以减少载流子恢复时间对输出的影响。由于本方案采用的是非饱和状态下的SOA工作区，内部反射光对输出有较大影响，因此，SOA的前后端反射率尽量小，以反射率为0为最佳，使之尽量接近行波放大的状态，以减少反射光对SOA的输出影响。

第一功分器1、第二功分器6、第三功分器14和第一耦合器12共同构成马赫曾得尔干涉仪，其余各元件分布于干涉仪两臂对输入的三路光信号进行分光、放大、滤波、合路等操作。

中心波长为λ₁的脉冲光A光携带要处理的信号，在经过50:50的第一功分器1后，分成两束功率相等的光，干涉仪下臂接第一功率调节装置13，调节使干涉仪上下臂上的光功率不同。中心波长为λ₃的时钟光经50:50第三功分器14后，使时钟光在干涉仪上臂和干涉仪下臂分得相同初始相位和相同功率大小的光。其干涉仪上臂的光与A信号得到的干涉仪上臂的光经第一耦合器2耦合，经一定的短距离进入第一级联半导体光放大器SOA3，其干涉仪下臂的光与A信号得到的干涉仪下臂的光经第四耦合器15耦合，经相同距离进入第四级联半导体光放大器SOA16。其中，时钟光出第三功分器14后输出上下两端口的光经相同距离到达第一耦合器2和第四耦合器15。在第一级联半导体光放大器SOA3和第四级联半导体光放大器SOA16之后，分别经相同距离到达第一滤波装置4和第四滤波装置17，保证经滤波装置后A光基本被完全滤掉同时尽量使更多的时钟光通过。出滤波装置后，在干涉仪上下臂经相同距离到达第二功率调节装置5和第三功率调节装置18，之后经相同距离到第二耦合器8和第三耦合器19。这样就保证了在无信号A脉冲作用时，干涉仪上、下臂时钟光相位相同。

中心波长为λ₂的脉冲光B光携带信号，在经过50:50的第二功分器6后，干涉仪上臂接第二功率调节装置7，调节使干涉仪上、下臂的分光功率不同。干涉仪上、下臂的光分别与经第二功率调节装置5和第三功率调节装置18的光共同注入第二耦合器8和第三耦合器19。之后，干涉仪上、下臂的光经相同距离分别到达第二级联半导体光放大器SOA9和第三级联半导体光放大器SOA20，然后经相同距离分别到达第二滤波装置10和第三滤波装置21。滤波装置波长中心对准时钟光的主频率，并取5nm左右的带宽，保证经滤波装置后B光基本被完全滤掉同时尽量使更多的时钟光通过。之后调节干涉仪、上下臂光程，使干涉仪上臂与干涉仪下臂共同进入合路器12时，所经历的光程相等。干涉仪上臂有移相器11取值要保证在180°，以使得在无信号输入时，输出光能产生相消，从而与异或逻辑保持一致。

图1装置实现异或逻辑功能的原理如下：

两束注入光均为逻辑“0”时，时钟光在等比分光后，在上下两路经过两次相同SOA放大之，干涉仪上臂中大小为180°的移相器的使干涉仪上臂的Clock光信号相位产生180°的延迟，使得上下光有180°相位差，在之后接到功率合成器后，发生相消干涉，使得输出信号为“0”；

当两束注入光均为逻辑“1”时，A光的光脉冲上下分光比不同，在干涉仪上、下臂的SOA的载流子受到了不同程度的消耗，产生不同折射率，从而使时钟光在经过干涉仪上、下臂SOA后产生一定的相位差，由于B的分光比例与A的分光比例相反，故而B对干涉仪上臂第二级联半导体光放大器SOA9调制作用等同于A对干涉仪下臂第四级联半导体光放大器SOA16的作用，而对干涉仪下臂第三级联半导体光放大器SOA20的作用等同于A对干涉仪上臂第一级联半导体光放大器SOA3的作用。使得经过两级SOA后，时钟光干涉仪上、下臂相位差为0。经过移相器之后，干涉仪上臂较干涉仪下臂的相位差为180°，发生相消干涉，从而使输出信号Pout为“0”；

当两束注入光中只有一个为“1”时，为“1”的那一级对时钟光进行相位调制，由于XPM效应，上下两路产生一定的相位差，经过相移器后在输出仍有非0的相位差，从而使避免了发生相消干涉，使得输出信号为“1”。考虑到SOA本身的放大作用，由于信号光在第一级放大之后很容易在第二级发生自相位调制效应，使得输出不稳定，本方案在两级间连接了功率调节装置，干涉仪上、下臂的功率调节装置取相同的衰减系数，从而保证系统的干涉仪上、下臂平衡，使输出稳定并保证“1”脉冲的功率大致相当。

实现全光异或门的另一种实施装置如图2。

选用一般半导体放大器，使四个SOA的参数基本相同，并使其注入电流保持在较大值(0.5A附近)，以减少载流子恢复时间对输出的影响。由于本方案采用的是非饱和状态下的SOA工作区，内部反射光对输出有较大影响，因此，SOA的前后端反射率尽量小，以反射率为0为最佳，使之尽量接近行波放大的状态，以减少反射光对SOA的输出影响。

中心波长为λ₁的脉冲光A光携带要处理的信号，在经过50:50的第一功分器)后，分成两束功率相等的光，干涉仪下臂后接第四功率调节装置33，调节使干涉仪上、下臂的光功率不同。中心波长为λ₃的时钟光经第二3dB耦合器23上端注入后，使耦合输出时钟光在干涉仪上臂和干涉仪下臂分得相同功率但相位差为90°光。其干涉仪上臂的光与A信号得到的干涉仪上臂光经第一耦合器(2)耦合，经一定的短距离进入第一级联半导体光放大器SOA3，其干涉仪下臂的光与A信号得到的干涉仪下臂光经第四耦合器(35)耦合，经同样长度的距离进入第四级联半导体光放大器SOA36。在SOA(24)和SOA(36)之后，分别经相同距离到达滤波装置(25)和滤波装置(37)，保证经滤波装置后A光基本被完全滤掉同时尽量使更多的时钟光通过。出滤波装置后，经相同距离到达干涉仪上、下臂的功率调节装置(26)和功率调节装置(38)，之后经相同距离到耦合器(29)和耦合器(39)。这样就保证了在无信号A脉冲作用时，干涉仪上、下臂时钟光相位差保持90°。

中心波长为λ₂的脉冲光B光携带信号，在经过50:50的第二功分器6后，干涉仪上臂接第三功率调节装置7，干涉仪上光、下臂光分别与流过第二功率调节装置5和第四功率调节装置18的光分别共同注入第二耦合器8和第三耦合器19，之后经相同距离分别到达第二级联半导体光放大器SOA9和第二级联半导体光放大器SOA20，然后经相同距离分别到达第二滤波装置10和第三滤波装置21，滤波装置波长中心对准时钟光的主波长，并取5nm左右的带宽，保证接滤波装置后B光基本被完全滤掉同时尽量使更多的时钟光通过。之后调节干涉仪上、下臂光程，使干涉仪上臂与干涉仪下臂共同进入第一3dB耦合器(22)时，所经历的光程相等。由于3dB耦合器在将干涉仪上、下臂的光耦合过程中，会在干涉仪上臂产生附加的90°相位差，故使得在输入为“0”的情况下，光能产生相消，从而与异或逻辑保持一致。

图2实现异或逻辑功能的原理如下：

两束注入光均为逻辑“0”时，时钟光在等比分光后，在上下两路经过两次相同SOA放大之后，Clock光信号在输出端耦合输出，由于分光和耦合都为3dB耦合器，故在输出干涉仪上臂接受结果时，干涉输出结果为干涉仪上、下臂的光产生180°相移之后相消输出结果。即使得输出信号为“0”；

当两束注入光均为逻辑“1”时，A光的光脉冲上下分光比不同，在干涉仪上、下臂的SOA的载流子受到了不同程度的消耗，产生不同折射率，从而使时钟光在经过干涉仪上、下臂SOA后产生一定的相位差，由于B的分光比例与A的分光比例相反，故而B对干涉仪上臂SOA调制作用等同于A对干涉仪下臂SOA的作用，而对干涉仪下臂SOA的作用等同于A对干涉仪上臂SOA的作用。使得经过两级SOA后，时钟光干涉仪上、下臂相位差为0。经过3dB耦合器的分光与末端耦合，发生相消干涉，从而使输出信号Pout为“0”；

当两束注入光中只有一个为“1”时，为“1”的那一级对时钟光进行相位调制，由于XPM效应，上下两路产生一定的相位差，经过相移器后在输出仍有非0的相位差，从而使避免了发生相消干涉，使得输出信号为“1”。考虑到SOA本身的放大作用，由于信号光在第一级放大之后很容易在第二级发生自相位调制效应，使得输出不稳定，本方案在两级间连接了功率调节装置，干涉仪上、下臂的功率调节装置取相同的衰减系数，从而保证系统的干涉仪上、下臂平衡，使输出稳定并保证“1”脉冲的功率大致相当。

图3是本发明实施过程产生的结果图。

图3中波形44表示输入光A的功率；波形45表示输入光B的功率；波形46表示输出光的功率。可以看出，在40Gbit/s的输入信号为脉冲形式时，输出与输入的A、B信号很好的完成了逻辑异或的运算，并且经过功率调节，输出的“1”码功率的波形和高度基本一致。在图2方案中，也可得到与该图基本完全一样的输出，故此处不再展示。

一种基于级联半导体光放大器的全光异或门装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。