一種實現控制交換門的方法和裝置的製作方法
2023-05-01 19:22:01
專利名稱：一種實現控制交換門的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光信號處理技術，涉及一種數據交換方式的實現，具體涉及一種控制交換邏輯門的實現方法和裝置。
背景技術：
為了滿足未來通信和計算領域的需要，全光信號處理技術越來越多的受到關注。光學非線性效應為實現各種各樣的全光信號處理功能提供了一條有效途徑。基於基本的邏輯門比如與門、或門、非門、異或門、同或門、與非門、或非門等，一些典型的先進邏輯操作越來越受到關注，包括半加器、半減器、數據選擇器和控制交換門等。在大規模集成的大趨勢下，期待可以利用簡單的器件來實現這些功能。控制交換門是適用於可逆計算的一種計算門電路。控制交換門具有普適性，也就·意味著任何邏輯運算和算術運算均可以由控制交換門來實現。控制交換門提供實現可逆計算的邏輯操作，其有三個輸入埠 Ain、Bin, Cin和三個輸出埠 A。#、Bout> C。#輸入埠 Ain和輸入埠 Bin分別輸入第一路信號光(攜帶信息A)和第二路信號光(攜帶信息B)，輸入埠 Cin輸入控制光(攜帶信息C)。當輸入埠 Cin控制光為邏輯「0」時,輸出埠 Atjut輸出的光波攜帶輸入埠 Ain信號光的信息，輸出埠 Btjut輸出的光波攜帶輸入埠 Bin信號光的信息；當輸入埠 Cin控制光為邏輯「I」時,輸出埠 Arat輸出的光波攜帶輸入埠 Bin信號光的信息，輸出埠 Brat輸出的光波攜帶輸入埠 Ain信號光的信息，即實現了可控制的交換；另外，輸出埠 Cwt輸出的為輸入埠 Cin的控制光。傳統用於實現控制交換門的方法實現起來較為複雜。如果可以找到一種實現控制交換門的方法和裝置，使其具有簡單易實現的特點，則對於推動未來通信和計算領域的發展將具有重要價值。
發明內容
本發明的目的是提供一種實現控制交換門的方法和裝置，本發明簡單易實現，可以工作在高速情況下，同時具有良好的可擴展性。本發明提供的一種實現控制交換門的方法，其特徵在於，利用兩個具有三階非線性效應的非線性光波導，實現適用於可逆計算的、具有三個輸入埠和三個輸出埠的控制交換邏輯門。作為上述技術方案的優選，該方法的過程為控制交換門的第一、第二和第三輸入埠依次輸入控制光、第一路信號光和第二路信號光，讓第一路信號光和控制光進入第一非線性光波導中，讓第二路信號光和所述控制光進入第二非線性光波導中，將第一非線性光波導輸出的第一路信號光與第二非線性光波導輸出的新生閒頻光進行組合提供給控制交換門的第二輸出埠輸出，將第一非線性光波導輸出的新生閒頻光和第二非線性光波導輸出的第二路信號光進行組合提供給控制交換門的第三輸出埠輸出，所述控制光提供給控制交換門的第一輸出埠輸出。本發明提供的實現控制交換門的裝置，其特徵在於該裝置包括第一至第五耦合器，第一、第二非線性光波導，第一、第二波分解復用器，其中，第一、第二非線性光波導為具有三階非線性效應的光波導；第一I禹合器的輸入埠為控制交換門的第一輸入埠 Cin,用於接收攜帶信息C的控制光，該控制光還提供給控制交換門的第一輸出埠 Cwt，其輸出信息C ' = C ; 第二耦合器的第一輸入埠為控制交換門的第二輸入埠 Ain，用於接收攜帶信息A的第一路信號光，第二稱合器的第二輸入埠與第一稱合器的第一輸出埠連接；第一非線性光波導的輸入埠與第二耦合器的輸出埠連接，第一非線性光波導的輸出埠與第一波分解復用器的輸入埠連接，第一波分解復用器的第一輸出埠與第四率禹合器的第一輸入埠連接，第一波分解復用器的第二輸出埠與第五I禹合器的第一輸入埠連接； 第三稱合器的第一輸入埠與第一稱合器的第二輸出埠連接，第三稱合器的第二輸入埠為控制交換門的第三輸入埠 Bin，用於接收攜帶信息B的第二路信號光；第二非線性光波導的輸入埠與第三稱合器的輸出埠連接，第二非線性光波導的輸出埠與第二波分解復用器的輸入埠連接，第二波分解復用器的第一輸出埠與第四率禹合器的第二輸入埠連接，第二波分解復用器的第二輸出埠與第五I禹合器的第二輸入埠連接；第一非線性光波導的輸入埠用於接收第二耦合器的第一路信號光和控制光，第二非線性光波導的輸入埠用於接收第三耦合器的第二路信號光和控制光；第四I禹合器的輸出埠為控制交換門的第二輸出埠 Arat,其輸出信息Ar = A-C + B-C，其中G表不C的邏輯非；第五I禹合器的輸出埠為控制交換門的第三輸出埠 BQUt，其輸出信息足=+作為上述技術方案的改進，第一、第二非線性光波導可以為狹縫光波導、條形光波導、脊型光波導或者高非線性光纖等具有三階非線性效應的光波導。本發明是基於光波導器件的非線性效應來實現的控制交換門，要求光波導器件具有三階非線性效應。具體而言，本發明具有如下有益效果I、相比於傳統的控制交換門的實現方案，本發明採用兩個非線性光波導來實現，方法和裝置簡單易實現，操作簡便。2、本發明所述控制交換門的產生方法和裝置，利用的三階非線性效應具有飛秒(fs)超快響應時間，因此可以在高速情況下工作(如160Gbit/s及以上速率)。
圖I是本發明基於兩個非線性光波導的控制交換門的實現原理圖；圖2是本發明控制交換門基於四波混頻非線性效應的工作原理示意圖；圖3是具體實例中所用狹縫光波導的橫截面示意圖；圖4是本發明模擬的160Gbit/s控制交換門的時域波形圖；圖5是本發明控制交換門的真值表。
具體實施例方式本發明方法利用兩個具有三階非線性效應的非線性光波導，輸入兩路信號光分別在兩個非線性光波導中與控制光發生四波混頻非線性相互作用，通過對兩個非線性光波導輸出光波進行有選擇性的組合以得到控制交換門的輸出。下面通過藉助實施例更加詳細地說明本發明，但以下實施例僅是說明性的，本發明的保護範圍並不受這些實施例的限制。本發明方法中，第一路信號光和控制光進入第一非線性光波導中，當第一路信號光和控制光同時存在時會發生四波混頻非線性相互作用，使得兩者可以被消耗掉並產生新生閒頻光；當第一路信號光或者控制光為零時不會發生四波混頻非線性相互作用，第一非線性光波導輸出的結果仍然是輸入端輸入的光。第二路信號光和控制光進入第二非線性光波導中，當第二路信號光和控制光同時存在時也會發生四波混頻非線性相互作用，使得兩者可以被消耗掉並產生新生閒頻光；當第二路信號光或者控制光為零時不會發生四波混頻非線性相互作用，第二非線性光波導輸出的結果仍然是輸入端輸入的光。將兩個非線性光·波導輸出端的輸出光波進行有選擇的組合即可實現控制交換門。如圖I所示，本發明提供了基於第一非線性光波導和第二非線性光波導來實現控制交換門的方法和裝置。第一非線性光波導和第二非線性光波導可以是單狹縫光波導、多狹縫光波導、條形光波導、脊型光波導等，實現的控制交換門主要是利用光波導的三階非線性效應。因此，只要具備三階非線性效應的光波導即可用於實現控制交換門。本發明提供一種實現控制交換門的方法，具體實施方式
如下控制光、第一路信號光和第二路信號光分別由控制交換門第一輸入埠 Cin、第二輸入埠 Ain和第三輸入埠 Bin輸入。第一路信號光和控制光進入第一非線性光波導中，當輸入第一路信號光和控制光同為邏輯「I」時(即第一路信號光和控制光同時存在)，第一路信號光和控制光將會發生四波混頻非線性相互作用(如圖2 (a)所示)，第一路信號光和控制光的光功率會轉移到新產生的兩個閒頻光上面，從而使得第一路信號光和控制光的光功率衰減掉，輸出均為邏輯「0」;當輸入第一路信號光和控制光有邏輯「0」時(即第一路信號光和控制光不同時存在)，此時不會產生四波混頻非線性相互作用，第一路信號光和控制光輸出邏輯不變。依據上述分析可見，第一路信號光和控制光從第一非線性光波導輸出時攜帶的信息(即邏輯表達式河以分別表示為(波長^處)和波長X。處)(其中C和A分別為第一輸入埠 Cin控制光和第二輸入埠 Ain第一路信號光攜帶的信息,C和Z分別表示C和A的邏輯非)。另外，由四波混頻非線性效應產生的閒頻光只有在第一路信號光和控制光同時存在時才出現，所以新生閒頻光攜帶的信息(即邏輯表達式)為A *C (波長入 或入i2處)，即為A和C的邏輯與。同理，第二路信號光和控制光進入第二非線性光波導中，經過四波混頻非線性相互作用(如圖2(b)所示)，第二路信號光和控制光從第二非線性光波導輸出時攜帶的信息(即邏輯表達式)可以分別表示為5.6(波長^處)和及.('(波長\處)(其中C和B分別為第一輸入埠 Cin控制光和第三輸入埠 Bin第二路信號光攜帶的信息，C和亙分別表示C和B的邏輯非)，四波混頻新生閒頻光攜帶的信息(即邏輯表達式)為B *C(波長X n或X i2處)，即為B和C的邏輯與。將第一非線性光波導與第二非線性光波導輸出光波進行有選擇的組合可以得到控制交換門的輸出，提供給控制交換門的第二輸出埠Aout 為第二輸出埠 Awt輸出光波攜帶的信息)和第三輸出埠 BtjutCT = J.C + 5.0，其中B丨為第三輸出埠 Btjut輸出光波攜帶的信息)，控制交換門的第一輸出埠 Crat輸出第一輸入埠 Cin輸入的控制光(C ' =C,其中C為第一輸入埠Cin控制光攜帶的信息，C丨為第一輸出埠 Cwt輸出光波攜帶的信息)。本發明裝置是實現控制交換門的一種裝置，具體說明如下該裝置包括第一至第五耦合器，第一、第二非線性光波導，第一、第二波分解復用器。第一稱合器的輸入埠作為控制交換門的第一輸入埠 Cin,輸入控制光之後將控制光一分為二由第一I禹合器的兩個輸出埠輸出，第二I禹合器的第一輸入埠作為控制交換門的第二輸入埠 Ain，用於接收第一路信號光，第二耦合器的第二輸入埠與第一耦合器的第一輸出埠連接，第一非線性光波導的輸入埠與第二耦合器的輸出埠連接，第一非線性光波導的輸出埠與第一波分解復用器的輸入埠連接。第三稱合器的第一輸入埠與第一耦合器的第二輸出埠連接，第三耦合器的第二輸入埠作為控制交換門的第三輸入埠 Bin，用於接收第二路信號光，第二非線性光波導的輸入埠與第三耦合器的輸出埠連接，第二非線性光波導的輸出埠與第二波分解復用器的輸入埠連接。第一波分解復用器的輸出埠與第四I禹合器的第一輸入埠和第五I禹合器的第一輸入埠連接，第二·波分解復用器的輸出埠與第四I禹合器的第二輸入埠和第五I禹合器的第二輸入埠連接。第四耦合器的輸入埠接收的是第一波分解復用器分離出的第一路信號光的第二波分解復用器分離出的閒頻光，其輸出埠即為控制交換門的第二輸出埠 Awt。第五耦合器的輸入埠接收的是第一波分解復用器分離出的閒頻光和第二波分解復用器分離出的第二路信號光，其輸出埠即為控制交換門的第三輸出埠 Bwt。所述控制光還提供給控制交換門的第一輸出埠 Crat。本發明所述的適用於光信號處理技術的控制交換門的產生方法和裝置採用兩個狹縫光波導來實現。下面結合具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。實施例使用兩個狹縫光波導，主要利用狹縫光波導中的非線性效應來實現。狹縫光波導如圖3示意，其結構參數如下波導長度L為5mm，波導寬度W為250nm，上層高度Hu為180nm，下層高度Hl為180nm，中間狹縫層高度Hs為35nm。波導上層和下層(圖中標號I)為高折射率矽(Si)材料，中間狹縫層(圖中標號2)為低折射率矽納米晶(Si-nc)材料，基底(圖中標號3)是低折射率二氧化矽(SiO2)材料。導光區域為低折射率中間狹縫層。以下實施方式中的模擬參數均採用此例中結構參數。以狹縫光波導為實例介紹實現控制交換門的方法。具體說明如下控制交換門三個輸入埠和三個輸出埠的時域波形如圖4所示。在數值模擬中，控制交換門第一至第三輸入埠(Cin、Ain, Bin)依次輸入的控制光(攜帶信息C)、第一路信號光(攜帶信息A)和第二路信號光(攜帶信息B)均採用160 Gbit/s偽隨機(PRBS)歸零碼(RZ)。控制光、第一路信號光和第二路信號光的波長分別為1555nm、1551nm和1553nm,峰值功率均為250mw。從圖4模擬結果可見實現了控制交換門當輸入埠 Cin控制光為邏輯「0」時,輸出埠 Atjut輸出的光波攜帶輸入埠 Ain信號光的信息，輸出埠 Brat輸出的光波攜帶輸入埠 Bin信號光的信息；當輸入埠 Cin控制光為邏輯「I」時，輸出埠 Atjut輸出的光波攜帶輸入埠 Bin信號光的信息，輸出埠 Btjut輸出的光波攜帶輸入埠 Ain信號光的信息，即輸出發生了交換。所得模擬結果與圖5所示控制交換門的真值表相吻合。本發明所述控制交換門的實現裝置，下面以狹縫光波導作為實例來進行詳細說明如圖I所示，控制光(攜帶信息C)由第一耦合器的輸入埠(即控制交換門的第一輸入埠 Cin)輸入,控制光被分為兩束由第一I禹合器的兩個輸出埠輸出，第一路信號光(攜帶信息A)由第二I禹合器的第一輸入埠(即控制交換門的第二輸入埠 Ain)輸入，第二耦合器的第二輸入埠接收第一耦合器的第一輸出埠輸出的控制光，第二耦合器的輸出埠與第一狹縫光波導的輸入埠連接，第一路信號光(攜帶信息A)與控制光(攜帶信息C)在第一狹縫光波導中經過四波混頻非線性相互作用後輸出時攜帶的信息(即邏輯表達式)可以分別表示為if和:I.r，同時由四波混頻產生的新生閒頻光攜帶的信息(即邏輯表達式)為A *C,第一狹縫光波導的輸出埠輸入到第一波分解復用器中,第一波分解復用器將第一路信號光(邏輯表達式if)和閒頻光(邏輯表達式A C)分離出來；第二路信號光(攜帶信息B)由第三耦合器的第二輸入埠(即控制交換門的第三輸入埠 Bin)輸入，第三耦合器的第一輸入埠接收第一耦合器的第二輸出埠輸出的控制光，第三耦合器的輸出埠與第二狹縫光波導的輸入埠連接，第二路信號光(攜帶信息B)與控制光(攜帶信息C)在第二狹縫光波導中經過四波混頻非線性相互作用後輸出時攜帶的信息(即邏輯表達式)可以分別表示為5.(I和孓C，同時由四波混頻產生的新生閒頻光攜帶的信息(即邏輯表·達式)為B C，第二狹縫光波導的輸出埠輸入到第二波分解復用器中，第二波分解復用器將第二路信號光(邏輯表達式5 D和閒頻光(邏輯表達式B 分離出來。第一波分解復用器分離出的第一路信號光(邏輯表達式4 D與第二波分解復用器分離出的閒頻光(邏輯表達式B 輸入到第四耦合器中，第四耦合器的輸出埠即為控制交換門的第二輸出埠 Kut (輸出信息1 = + C);第一波分解復用器分離出的閒頻光(邏輯表達式A *C)與第二波分解復用器分離出的第二路信號光(邏輯表達式5.f)輸入到第五耦合器中，第五率禹合器的輸出埠即為控制交換門的第三輸出埠 Btjut (輸出信息5' = 3.€* + 5.€0，所述控制光還提供給控制交換門的第一輸出埠 Cwt (輸出信息C =C)。本發明不僅局限於上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的內容，可以採用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是採用本發明的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計(如用來實現多位控制交換門，或者是選用其他結構具有三階非線性效應的光波導)，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種實現控制交換門的方法，其特徵在於，利用兩個具有三階非線性效應的非線性光波導，實現適用於可逆計算的、具有三個輸入埠和三個輸出埠的控制交換邏輯門。
2.根據權利要求I所述的實現控制交換門的方法，其特徵在於，控制交換門的第一、第二和第三輸入埠依次輸入控制光、第一路信號光和第二路信號光，讓第一路信號光和控制光進入第一非線性光波導中，讓第二路信號光和所述控制光進入第二非線性光波導中，將第一非線性光波導輸出的第一路信號光與第二非線性光波導輸出的新生閒頻光進行組合提供給控制交換門的第二輸出埠輸出，將第一非線性光波導輸出的新生閒頻光和第二非線性光波導輸出的第二路信號光進行組合提供給控制交換門的第三輸出埠輸出，所述控制光提供給控制交換門的第一輸出埠輸出。
3.一種實現控制交換門的裝置，其特徵在於該裝置包括第一至第五耦合器，第一、第二非線性光波導，第一、第二波分解復用器，其中，第一、第二非線性光波導為具有三階非線性效應的光波導。
第一耦合器的輸入埠為控制交換門的第一輸入埠 Cin，用於接收攜帶信息C的控制光，該控制光還提供給控制交換門的第一輸出埠 Ctjut,其輸出信息C' =C ； 第二耦合器的第一輸入埠為控制交換門的第二輸入埠 Ain，用於接收攜帶信息A的第一路信號光，第二稱合器的第二輸入埠與第一稱合器的第一輸出埠連接； 第一非線性光波導的輸入埠與第二耦合器的輸出埠連接，第一非線性光波導的輸出埠與第一波分解復用器的輸入埠連接，第一波分解復用器的第一輸出埠與第四率禹合器的第一輸入埠連接，第一波分解復用器的第二輸出埠與第五稱合器的第一輸入埠連接； 第三稱合器的第一輸入埠與第一稱合器的第二輸出埠連接，第三稱合器的第二輸入埠為控制交換門的第三輸入埠 Bin，用於接收攜帶信息B的第二路信號光； 第二非線性光波導的輸入埠與第三耦合器的輸出埠連接，第二非線性光波導的輸出埠與第二波分解復用器的輸入埠連接，第二波分解復用器的第一輸出埠與第四耦合器的第二輸入埠連接，第二波分解復用器的第二輸出埠與第五稱合器的第二輸入埠連接； 第一非線性光波導的輸入埠用於接收第二耦合器的第一路信號光和控制光，第二非線性光波導的輸入埠用於接收第三耦合器的第二路信號光和控制光； 第四I禹合器的輸出埠為控制交換門的第二輸出埠 Atjut,其輸出信息Af = A-C+ B-C，其中Cf表不C的邏輯非；第五I禹合器的輸出埠為控制交換門的第三輸出埠 Btjut，其輸出信息V = ,4. C』 + /i. Γ。
4.根據權利要求3所述的實現控制交換門的裝置，其特徵在於第一、第二非線性光波導為狹縫光波導、條形光波導、脊型光波導或者高非線性光纖。
全文摘要
本發明屬於光信號處理技術，涉及一種實現控制交換門的方法和裝置。本發明利用兩個具有三階非線性效應的非線性光波導來實現，輸入的信號光和控制光在非線性光波導內發生四波混頻非線性相互作用，對非線性光波導輸出的光波進行有選擇性的組合以得到控制交換門的輸出。相比於傳統的控制交換門的實現方案，本發明採用兩個非線性光波導來實現，方法和裝置簡單易實現，操作簡便。本發明利用的三階非線性效應具有飛秒(fs)超快響應時間，因此可以在高速情況下工作(如160Gbit/s及以上速率)。
文檔編號G02F3/00GK102789110SQ201210293290
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月7日 優先權日2012年8月7日
發明者劉勇豪, 向超, 桂成程, 王健 申請人:華中科技大學