基于QD-SOA-MZI结构的全光逻辑门的性能优化*

王兆翔，王海龙，杨文华，韦志禄，龚 谦

（1.曲阜师范大学 物理工程学院,山东 曲阜 273165；2.中科院上海微系统与信息技术研究所 信息功能材料国家重点实验室,上海 200050）

基于QD-SOA-MZI结构的全光逻辑门的性能优化*

王兆翔1，王海龙1，杨文华1，韦志禄1，龚 谦2

（1.曲阜师范大学 物理工程学院,山东 曲阜 273165；2.中科院上海微系统与信息技术研究所 信息功能材料国家重点实验室,上海 200050）

基于QD-SOA的XPM效应，用细化分段方法对QD-SOA静态和动态过程建模，采用四阶龙格库塔法格式和牛顿迭代法求解光场传输方程和速率方程，模拟全光逻辑与门的逻辑功能。采用“功率对比度积”这一新型特征参数作为系统优化指标，讨论MZI结构的时延时间、输入光功率等关键参数对此特征参数的影响，快速找到了时延、输入光功率的最优工作点，即当时延为15 ps、输入功率为15 dBm时，全光逻辑与门的性能最优。

量子点光放大器；交叉相位调制；全光逻辑门；QD-SOA-MZI结构

0 引 言

随着网络技术的迅速发展，人们对信息传输的容量和速度的要求越来越高。由于电子技术本身的瓶颈，传统IP网络在数据处理速度和信息吞吐量上已很难有所突破。因此，全光网络的建立成为了研究热点。基于光纤的骨干网有着丰富的带宽资源，基于全光技术的光节点可以取代现有复杂的电节点，具有更快的处理速度和庞大的吞吐量，同时也大大提高了网络的透明度，克服了“电子瓶颈”的限制，能够适应超高速光通信系统的发展[1]。全光信号处理技术是全光网络中的核心技术，包括全光波长转换、全光调制和全光逻辑器件的实现等。其中，全光逻辑器件广泛应用于时钟提取、光计算、光判决、全光再生、全光传输和全光交换等方面[1]，是当前的研究热点之一。在超高速光信号处理过程中，要求新型光放大器具有较高的增益、较宽的增益带宽，动态恢复速度需限制在10 ps量级以下。与传统的体材料光放大器（Bulk-SOA）、量子阱光放大器相比（QW-SOA），量子点光放大器（QD-SOA）以其低注入电流、高微分增益、高调制宽带、增益恢复时间短等优异的非线性特性，成为了高速光信号处理过程中的首选。目前，全光逻辑门主要是基于QD-SOA的交叉增益效应、交叉相位效应、交叉偏振效应和四波混频效应四种非线性效应实现的。基于QD-SOA的Mach-Zehnder干涉仪（QD-SOAMZI）结构具有紧凑、可重复性高、工作稳定等优势，已广泛应用于全光信号处理[2-8]。

基于QD-SOA-MZI结构实现的全光逻辑门在保持结构简单的基础上提高了工作性能，非常适用于复杂的逻辑电路，因而受到了人们的广泛关注。本文利用此结构实现了全光逻辑与门的逻辑功能。通常，主要以Q因子作为衡量全光逻辑系统性能的指标[9]，本文则采用“功率对比度积”这一新型特征参数作为系统优化指标[10]。同时，讨论MZI结构的关键参数：时延时间、输入光功率对此特征参数的影响，最终确定了XPM型的全光逻辑与门的最佳工作点，实现了对此逻辑器件的性能优化。

1 MZI结构的逻辑与门

在基于XPM效应的全光逻辑门中，参与逻辑运算的信号光功率变化会引起QD-SOA有源区折射率和其内载流子浓度发生变化，进而使相位发生变化。在干涉作用下，将相位变化转化为输出光功率的变化，从而实现特定的逻辑功能[11]。本文讨论基于Mach-Zehnder干涉仪结构的全光逻辑与门。

如图1所示，携带输入信号A的波长为λ1的信号光，经过耦合器分成两束。其中，一束从端口1注入到MZI结构上臂的QD-SOA中，另一束经过延时后，从端口3注入到MZI结构下臂的QD-SOA中。与此逻辑与门输出结果波长λ2相同，携带了输入信号B的信号光经端口2注入到MZI中。当输入信号A为0时，其在MZI上下两臂的QD-SOA中调制所产生的光学增益是相等的。此时，干涉仪处于平衡状态，输出信号在输出端干涉相消，输出端口无信号输出。当输入信号A为1时，由于延时的存在，QD-SOA-MZI上下两臂会出现一个相位差，该相位差也同时作为输入信号B的判决门。当输入信号B为1时，MZI的上下两臂处于非平衡状态且信号可以通过这个判决门，从而最终到达输出端口，即只有当A和B同时为1时，MZI输出端才为1，从而实现了逻辑与的运算。

图1 基于QD-SOA-MZI结构的全光逻辑与门

从MZI输出的信号功率用式（1）表达：

式中，P1(t)、P2(t)分别代表上下臂的信号功率，△φ是上下两臂信号的相位差(△φ=φ1(t)φ2(t))。表1则是逻辑与门的真值表。

表1 逻辑与门的真值表

2 QD-SOA

不同于QW-SOA和Bulk-SOA，QD-SOA的有源区是由量子点组成的。有源区可视为由基态能级、激发态能级和浸润层能级构成的三能级系统，如图2所示。

图2 QD-SOA的三维能级结构示意

三能级速率方程能够描述浸润层载流子的浓度变化、激发态和基态内载流子的占有率变化。电子在浸润层、激发态和基态中的跃迁速率方程分别为[12-13]：

式中，Nw是浸润层的载流子浓度,h、f分别是电子在激发态和基态的占有几率，Lw是有源区厚度，J和e分别为注入电流密度和电子电量，NQ为表面量子点的密度，τw2是电子从浸润层到激发态的跃迁时间，τ2w是电子从激发态到浸润层的跃迁时间，τ21是电子从激发态到基态的跃迁时间，τ12是电子从基态到激发态的跃迁时间，τwR、τ1R分别是电子在浸润层和量子点的自发辐射时间，h1wi是光子能量，wi是光的频率，σ为有源区的横截面积。

输入信号光可用如下光场方程[14]描述：

式中，z为光的传输方向，E+、E-分别是沿+z和-z方向传播光的电场分量，Γ是光场限制因子，α是光在波导中传输的损耗系数，η是线宽增强因子。

沿着光传输方向探测光相位的变化为：

沿QD-SOA有源区+L方向，积分式（8）可得到相位随时间的变化：

3 数值模拟

用细化分段方法对QD-SOA静态和动态过程建模，采用牛顿迭代法和四阶龙格-库塔法进行模拟计算。输入信号光A和信号光B的波长分别取为1 500 nm和1 550 nm；设定MZI上下臂中的QD-SOA的注入电流均为80 mA，峰值功率为5 dBm，其他参数设置见表2。

表2 基本参数

图3是全光逻辑与门的模拟结果。当输入信号A为1101、输入信号B为1011时，输出信号为1001，模拟结果符合“与”逻辑。

图3 全光逻辑与门的输入与输出

基于QD-SOA-MZI结构的全光信号处理涉及的参数很多，除了QD-SOA的固有参数外，待处理的输入信号的诸多参数和多路信号带来的新参数等，都可能对全光信号处理单元的输出性能有很大影响。如果对这些参数一一进行调试再找出最佳工作点，工作量非常大。此处，采用“功率对比度积”这一参数来寻找最优工作点，从而对XPM型全光逻辑与门的性能进行优化。

用信号对比度来衡量输出信号质量，对比度的定义为输出信号中“1”的最小峰值和“0”的最大峰值之比：

它表示信号眼图的张开程度[11]。在光信号处理单元中，CR越大，表明该处理单元性能越好。通常，要求光逻辑器件的输出有较大的功率绝对值，这也符合QD-SOA进行光放大的初衷，省去了后续可能再进行光放大的过程。

3.1 时延的影响

输入到上、下两臂的信号光有一段时延，它可以通过调节时延线来控制。这里采用时延这一参数对逻辑与门进行仿真。如图4所示，横轴为时延，左侧纵轴为对比度，右侧纵轴为输出信号功率。

图4 输出信号功率和对比度与时延的关系

MZI输出端的信号功率随着时延的增大先减小后增大，对比度随时延的增大先增大后减小。图5则给出了功率对比度积随时延的变化。容易看出，最优时延量为15 ps。

图6给出了泵浦光功率为5 dBm，时延分别为12 ps、15 ps、17 ps时的输出波形图像。容易看出，在时延量为12 ps或17 ps的情况下，输出信号的码型效应较严重，输出信号的波形中有小杂峰出现。时延为12 ps时，杂峰强度已近主峰的一半；时延为17 ps时，杂峰强度几乎可以和主峰比拟，对该逻辑门的码型判决造成干扰；时延为15 ps时，输出波形最为理想，但此时的输出信号功率较低。

图5 功率对比度积与时延的关系

图6 不同时延情况下MZI输出信号

3.2 输入功率的影响

保持最优时延点（15 ps）不变，考虑输入光功率对输出信号的影响。

图7和图8分别给出了输出信号功率与对比度、功率对比度积随输入光功率的变化情况。从图7可以看出，随着输入光功率的增大，输出信号的平均功率单调上升；当输入光功率小于15 dBm时，输出信号对比度随着它的增大而增大，而当输入光功率大于15 dBm时，输出信号对比度急剧下降。从图8可以看出，在输入泵浦光功率等于15 dBm时，“功率对比度积”达到最大。

图9为不同输入光功率时的输出信号比较。当输入信号功率为15 dBm的时候，码型更好了，输出信号功率也得到了明显的提高。

综上，当时延为15 ps、输入功率为15 dBm时，基于QD-SOA-MZI结构的全光逻辑与门的性能最优。

图7 输出信号功率和对比度与输入光功率的关系

图8 功率对比度积与输入光功率的关系

图9 不同输入光功率下的输出信号

4 结 语

本文基于QD-SOA的XPM效应，利用MZI结构，实现了全光逻辑与门的逻辑功能。通过功率对比度积找到了时延、输入光功率的最优工作点，即当时延为15 ps、输入功率为15 dBm时，基于QDSOA-MZI结构的全光逻辑与门的性能最优。

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王兆翔（1991—），女，硕士研究生，主要研究方向为光通信及光组网；

王海龙（1971—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为光通信、半导体光电子学等；

杨文华（1990—），女，硕士研究生，主要研究方向为光通信及光组网；

韦志禄（1987—），男，硕士研究生，主要研究方向为光通信及光组网；

龚 谦（1971—），男，博士，研究员，博士生导师，主要研究方向为半导体光电子学。

Performance Optimization of All Optical Logic Gates based on QD-SOA-MZI Structure

WANG Zhao-xiang1，WANG Hai-long1,YANG Wen-hua1,WEI Zhi-lu1,GONG Qian2
(1.College of Physics and Engineering，Qufu Normal University, Qufu Shandong 273165, China; 2.State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)

Based on XPM effect of QD-SOA，by refining segmentation method of QD-SOA static and dynamic process modeling,the Newton iteration method by the four order Runge-Kutta format is used to solve the transition rate equation and light propagation equations, the logic function of the all-optical logic AND gate is simulated. The product of power and contrast ratio is used as a parameter to measure the performance of the QD-SOA-MZI structure based all-optical logic gate, by which we can quickly get the optimal working point of the gate.Meanwhile,the influence of the key parameters such as the time delay of the MZI structure and the input optical power on the characteristic parameters are discussed.It has been shown that the optimal delay time is 15 ps, and the optimal input power is 15 dBm, for these parameters the optimal performance of the all-optical logic AND gate can be achieved.

QD-SOA;Cross phase modulation;All-optical logic gate;QD-SOA-MZI structure

TN929.1

：A

：1002-0802(2016)-06-0782-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.06.024

2016-02-07;

：2016-05-01 Received date:2016-02-07;Revised date:2016-05-01

山东省自然科学基金 (No.ZR2014FM011)以及信息功能材料国家重点实验开放课题(No.SKL201307)资助

Foundation Item: Shandong Province Natural Science Foundation (No.ZR2014FM011) and Open Project of State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics (Grant No. SKL201307) funded