光邏輯運算的非門和與門的製作方法

2023-05-19 01:57:36 1

專利名稱：光邏輯運算的非門和與門的製作方法
技術領域：
本發明涉及光邏輯運算器件的非門和與門，屬於光電子技術領域。
背景技術：
非門、與門和或門是進行邏輯運算的基本單元，由它們的組合就可以實現所有邏輯運算的功能。由於光邏輯中的或門可以由簡單的2×1無源光耦合器實現，所以實現光非門和光與門則成為實現光邏輯運算的關鍵。目前，光非門和光與門的研究仍處於探索階段，已經有一些基於半導體光放大器或光纖非線性四波混頻效應的光與門研究報導。參考文獻(1)Fortenberry，R.，A.J.Lowery，W.L.Ha，and R.S.Tucker，″Photonic Packet Switch UsingSemiconductor Optical Amplifier Gates″，Electron.Lett.，1991，27，pp.1305-1307.(2)NESSET，D.，TATHAM，M.C.，COTTER，D.，and WESTBROOK，L.D.″Degenerate wavelength operation of an ultrafast all-optical AND gateusing four wave mixing in a semiconductor laser amplifier″，Electron.Lett.，1994，30，(23)，pp.1938-1940.(3)NESSET，D.，TATHAM，M.C.，andCOTTER，D.″All-optical AND gate operating on 10 Gbit/s signals at thesame wavelength using four-wave mixing in a semiconductor laseramplifier″，Electron.Lett.，1995，31，(25)，pp.896-897.但現有技術的系統結構複雜，成本高，效率低，不可能採用集成電路工藝實現，因而也不可能構成光邏輯運算器件。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠執行光邏輯運算並且結構簡單、功耗低並能在半導體材料基片上採用集成電路製造工藝實現的光邏輯運算器件。
本發明提供的用於光邏輯運算的非門和與門的特徵在於這種全光器件由半導體雷射器、電吸收(EA)調製器、PIN光電二極體以及光纖(或光波導)構成，其輸入、輸出信號和控制信號均為光信號，結構簡單、功耗低、可在半導體材料基片上採用集成電路製作工藝實現。
本發明的具體實施可通過實例參考以下附圖加以說明。
圖1和圖2是本發明提供的光邏輯運算非門和與門的光路、電路圖，以下簡稱光非門及光反相調製器為「非門」，光與門及光同相調製器為「與門」。
一、如圖1所示，非門包括由光纖A1和PIN光電二極體A2.構成的光信號輸入系統以及由半導體雷射器3，電吸收(EA)調製器A4和光纖B5構成的光信號輸出系統，PIN光電二極體A2與電吸收(EA)調製器A4相串聯並與直流電源構成電迴路，半導體雷射器3的輸出光功率直接耦合到電吸收(EA)調製器A4。
非門的工作過程如下(一)當光纖A1中無光信號輸入時，PIN光電二極體A2的反向電阻將遠大於電吸收(EA)調製器A4的反向電阻，因此電吸收(EA)調製器A4上的反向偏置電壓趨於0。此時電吸收(EA)調製器A4的插入損耗較小，光纖B5中有光信號輸出。
(二)當光纖A1中有光信號輸入時，PIN光電二極體A2的反向電阻可遠小於電吸收(EA)調製器A4的反向電阻，因此電吸收(EA)調製器A4上的反向偏置電壓趨於Vcc。此時電吸收(EA)調製器A4的插入損耗很大，光纖B5中無光信號輸出。
因此，本發明可以作為光邏輯的非門或光信號的倒相器。
二、如圖2所示，與門包括由光纖A1和PIN光電二極體A2構成的光信號輸入系統A，由光纖B5和電吸收(EA)調製器B7構成的光信號輸入系統B，由雷射器3、PIN光電二極體A2、PIN光電二極體B6和電吸收(EA)調製器A4、電吸收(EA)調製器B7構成的控制系統以及由電吸收(EA)調製器B7和光纖C8構成的光信號輸出系統。
PIN光電二極體A2與電吸收(EA)調製器A4相串聯並和直流電源構成電迴路；PIN光電二極體B6與電吸收(EA)調製器B7相串聯並和直流電源構成電迴路。
與門的工作過程如下(1)當光纖A1中有光信號輸入到PIN光電二極體A2時，PIN光電二極體A2的反向電阻將遠小於電吸收(EA)調製器A4的反向電阻，因此電吸收(EA)調製器A4上的反向偏置電壓將趨於Vcc並且產生很大的插入損耗，此時PIN光電二極體B6上將無光信號輸入。當PIN光電二極體B6上無光信號輸入時，PIN光電二極體B6的反向電阻將遠大於電吸收(EA)調製器B7的反向電阻，因此電吸收(EA)調製器B7上的反向偏置電壓將趨於0並且插入損耗會降到最小。此時，如果光纖B5中也有輸入光信號則光纖C8中將有光信號輸出，否則光纖C8中將無光信號輸出。
(2)當光纖A1中無光信號輸入到PIN光電二極體A2時，PIN光電二極體A2的反向電阻將遠大於電吸收(EA)調製器A4的反向電阻，因此電吸收(EA)調製器A4上的反向偏置電壓將趨於0並且插入損耗會降到最小，此時PIN光電二極體B6上將有光信號輸入。當PIN光電二極體B6上有光信號輸入時，PIN光電二極體B6的反向電阻將遠小於電吸收(EA)調製器B7的反向電阻，因此電吸收(EA)調製器B7上的反向偏置電壓將趨於Vcc並且產生很大的插入損耗。此時，不論光纖B5中有無輸入光信號，光纖C8中都不會有光信號輸出。
顯然，只有當輸入光信號A和B都存在時，輸出光纖C8中才有光信號輸出。因此，本發明可以作為光邏輯的與門或全光信號調製器。
本發明能夠執行光邏輯運算並且結構簡單、功耗低，是能在半導體材料基片上採用集成電路製造工藝實現的光邏輯運算器件。本發明不但實現了光數字邏輯運算還可構成光的單穩態觸發器、光信號控制的光調製器、光信號控制的光開關等全光器件，可應用于波分復用光纖通信系統，全光通信網絡以及光計算機中。
說明書


圖1、光非門及光反相調製器圖2、光與門及光同相調製器圖3、非門輸入信號與輸出信號消光比的關係圖中1-光纖A，2-PIN光電二極體A，3-雷射器，4-EA調製器A，5-光纖B，6-PIN光電二極體B，7-EA調製器B，8-光纖C。
實施例本發明的實例即圖1所示的光非門和圖2所示的光與門。其中非門輸入信號與輸出信號消光比的關係如圖3所示。
權利要求
1.一種執行光邏輯運算的非門，包括光信號輸入系統、光信號輸出系統，其特徵在於1)光信號輸入系統由光纖A(1)，PIN光電二極體A(2)構成；2)光信號輸出系統由半導體雷射器(3)，電吸收(EA)調製器A(4)和光纖B(5)構成。
2.根據權利要求1所述的光邏輯運算非門，其特徵在於1)電吸收(EA)調製器A(4)和PIN光電二極體A(2)相串聯並施加反向直流偏置電壓Vcc；2)半導體雷射器(3)的輸出光功率直接耦合到電吸收(EA)調製器A(4)。
3.一種執行光邏輯運算的與門，包括光信號輸入系統、光信號輸出系統以及光控制系統，其特徵在於1)光信號輸入系統A由光纖A(1)，PIN光電二極體A(2)構成；2)光信號輸入系統B由光纖B(5)，電吸收(EA)調製器B(7)構成；3)光信號輸出系統由電吸收(EA)調製器B(7)，光纖C(8)構成；4)光信號控制系統由半導體雷射器(3)，PIN光電二極體A(2)，PIN光電二極體B(6)，電吸收(EA)調製器A(4)，電吸收(EA)調製器B(7)構成。
4.根據權利要求3所述的光邏輯運算與門，其特徵在於1)電吸收(EA)調製器A(4)和PIN光電二極體A(2)相串聯、電吸收(EA)調製器B(7)和PIN光電二極體B(6)相串聯並分別施加反向直流偏置電壓Vcc；2)半導體雷射器(3)的輸出光功率通過電吸收(EA)調製器A(4)耦合到PIN光電二極體B(6)。
全文摘要
本發明涉及光邏輯運算的非門和與門,它們是用於實現光邏輯的「非」和「與」運算的全光器件。這種全光器件由半導體雷射器,電吸收(EA)調製器,PIN光電二極體以及光纖(或光波導)構成,結構簡單、功耗低、可在半導體材料基片上採用集成電路製作工藝實現。本發明可以進行光數字邏輯運算還可構成光的單穩態觸發器、光信號控制的光調製器、光信號控制的光開關等全光器件,可應用于波分復用光纖通信系統,全光通信網絡以及光計算機中。
文檔編號G02B6/26GK1363855SQ02100840
公開日2002年8月14日 申請日期2002年1月30日 優先權日2002年1月30日
發明者王子宇 申請人:北京大學