薛利梅 楊潞霞 馬淑欣 韓丙辰

［摘 要］ 全光邏輯在全光分組交換中起著重要作用，基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的交叉增益調(diào)制效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了輸出為A-B的邏輯關(guān)系，并進(jìn)行一定的組合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了全光比較和譯碼的功能。通過仿真軟件VIP進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到了全光邏輯組合下的一位比較器和譯碼器，并在譯碼器的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展組合，形成了兩位比較器。

［關(guān)鍵詞］ 光通信；比較器；交叉增益調(diào)制；譯碼器

［中圖分類號(hào)］ TN 929.11

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］ A

［文章編號(hào)］ 1005-0310（2023）04-0087-06

Research on All-optical Comparator and Decoder Based on SOA

XUE Limei1， YANG Luxia1， MA Shuxin1， HAN Bingchen2

（1.Department of Computer Science and Technology， Taiyuan Normal University， Jinzhong Shanxi 030619， China；2.Department of Physics， Taiyuan Normal University， Jinzhong Shanxi 030619， China）

Abstract： All-optical logic plays an important role in all-optical packet switching. Based on the cross-gain modulation effect of semiconductor optical amplifier （SOA）， the logic relation of output A-B is realized， and some combinatorial designs are carried out to realize the all-optical comparison and decoding function. A comparator and a decoder under all-optical logic combination are obtained by using the VIP simulation software， and the two-bit comparator is formed by expanding the combination of the decoder.

Keywords： Optical communication；Comparator；Cross-gain modulation （XGM）；Decoder

0 引言

在全光網(wǎng)絡(luò)［1］中，全光邏輯門技術(shù)是實(shí)現(xiàn)光邏輯計(jì)算［2］、光分組交換、全光再生以及光波長變換和大容量光傳輸?shù)年P(guān)鍵器件，是實(shí)現(xiàn)信息交換以及信息傳輸?shù)暮诵?。由于光邏輯器件能夠克服馮諾依曼和摩爾定律放緩的弊端，研究人員已經(jīng)提出了不少方案，如常見的邏輯門能夠處理“或”［3］“非”［4］ “或非”“異或”［5］之間的邏輯關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行組合后即可實(shí)現(xiàn)全光半減器［6］、編碼器［7］、譯碼器［8］以及觸發(fā)器［9］等基本邏輯功能［10］。

在光通信系統(tǒng)中，比較器作為邏輯器件，是比特判別、模數(shù)轉(zhuǎn)換的核心，其性能很大程度上決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。目前提出的全光比較器有：基于PolSK調(diào)制格式的FWM型全光比較器，其可以有效消除碼型效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)一位數(shù)據(jù)的比較［11］；基于SOA-MZI級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的全光比較器，其響應(yīng)速度較快，用級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)3位比較器和8位比較器［12］。但這些方案的原理和設(shè)備較為復(fù)雜，胡兵等人［13］利用1/4波長相移分布反饋式激光器實(shí)現(xiàn)的全光比較器，可以實(shí)現(xiàn)全光一位比較的功能，裝置簡(jiǎn)單易集成，但該方案只實(shí)現(xiàn)了一位比較的功能。

北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)2023年7月

第37卷第4期薛利梅等：基于SOA全光比較器和譯碼器的研究本文對(duì)基于SOA的一位比較器和2-4譯碼器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并在2-4譯碼器的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合，提出了一種基于SOA的全光二位比較器且進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，證明上述比較器和譯碼器的可行性，該裝置原理簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、易集成且抗干擾能力強(qiáng)。

1 基本原理

1.1 交叉增益調(diào)制的“與”門

由交叉增益調(diào)制構(gòu)成的“與”門如圖1所示：A和B分別為攜帶數(shù)字信號(hào)的信號(hào)光，對(duì)應(yīng)的波長為λ1和λ2，其中信號(hào)光A經(jīng)過功率放大器后進(jìn)入SOA中，信號(hào)光B也進(jìn)入SOA 中，信號(hào)光A和信號(hào)光B經(jīng)過SOA后，再經(jīng)過濾波波長與信號(hào)光B保持一致的濾波器，濾出信號(hào)光B，之后進(jìn)行信號(hào)輸出。當(dāng)信號(hào)光A的輸入為“1”時(shí)，經(jīng)過放大器對(duì)功率進(jìn)行放大，大功率信號(hào)進(jìn)入SOA之后消耗絕大部分的載流子，SOA處于飽和狀態(tài)，此時(shí)無論信號(hào)光B的輸入為“1”或“0”，經(jīng)過濾波的輸出信號(hào)都可以忽略不計(jì)，即可計(jì)為邏輯“0”。當(dāng)信號(hào)光A的輸入為“0”時(shí)，SOA處于放大狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)光B=1時(shí)，輸出為“1”；當(dāng)信號(hào)光B=0時(shí)，輸出為“0”。此時(shí)利用SOA的交叉調(diào)制效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)“與”的邏輯關(guān)系：Y=A-B。

用上述多個(gè)邏輯“與”門組合成為比較器和譯碼器，為了簡(jiǎn)潔，將“與”門簡(jiǎn)化為圖2，兩個(gè)輸入端分別對(duì)應(yīng)A和B，輸出端對(duì)應(yīng)Y端。

2-4譯碼器的真值表如表2所示：輸入二進(jìn)制的00，則對(duì)應(yīng)輸出十進(jìn)制的0；輸入二進(jìn)制的01，則對(duì)應(yīng)輸出十進(jìn)制的1；輸入二進(jìn)制的10，則對(duì)應(yīng)輸出十進(jìn)制的2；輸入二進(jìn)制的11，則對(duì)應(yīng)輸出十進(jìn)制的3。

1.2.3 基于2-4譯碼器的二位比較器

對(duì)上述的2-4譯碼器進(jìn)行組合可形成二位比較器：先把兩位數(shù)據(jù)分別譯為四位數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相應(yīng)的輸入位比較，輸出端口同時(shí)有兩路信號(hào)輸出時(shí)視為有效信號(hào)。二位比較器如圖5所示。圖5為譯碼后的四位數(shù)據(jù)，輸出端口會(huì)占用數(shù)據(jù)A和數(shù)據(jù) B 各一條線，數(shù)據(jù)輸出共占用4×4個(gè)端口，若輸出端同時(shí)有兩路信號(hào)輸出，則視為有輸出信號(hào)。將每次比較結(jié)果輸出線的端口定義為 Yij，若i>j，則數(shù)據(jù)A大于數(shù)據(jù)B，否則，數(shù)據(jù)A小于數(shù)據(jù)B或者數(shù)據(jù)A等于數(shù)據(jù)B。將Yij分為3類：將Y00、Y11、Y22、Y33歸類為相等；將Y01、Y02、Y03、Y12、Y13、Y23歸類為AB。根據(jù)信號(hào)輸出的類別即可知數(shù)據(jù)A與B的比較結(jié)果。

2實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

2.1 一位比較器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一位比較器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，其中輸入通道1（Input1）有輸出表示AB，輸入通道3（Input3）有輸出表示A=B。仿真輸出結(jié)果如圖6所示：圖6（a）表示當(dāng)輸入信號(hào)A=1、B=0時(shí)，輸入通道2有較大的輸出信號(hào)，表示A>B；圖6（b）表示當(dāng)輸入信號(hào)A=0、B=1時(shí)，輸入通道1有較大的輸出信號(hào)，表示A

2.2 2-4譯碼器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2-4譯碼器的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了把兩位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為一位十進(jìn)制數(shù)的功能。其中輸入通道1有輸出表示譯碼結(jié)果為0，輸入通道2有輸出表示譯碼結(jié)果為2，輸入通道3有輸出表示譯碼結(jié)果為3，輸入通道4有輸出表示譯碼結(jié)果為1。圖7（a）表示當(dāng)輸入的二進(jìn)制數(shù)A1A0為00時(shí)，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為0，即通道1有較大功率的輸出信號(hào)；圖7（b）表示輸入的二進(jìn)制數(shù)A1A0為01時(shí)，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為1，即通道4有較大功率的輸出信號(hào)；圖7（c）表示輸入的二進(jìn)制數(shù)A1A0為10時(shí)，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為2，即通道2有較大功率的輸出信號(hào)；圖7（d）表示輸入的二進(jìn)制數(shù)A1A0為11時(shí)，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為3，即通道3有較大功率的輸出信號(hào)。由此實(shí)現(xiàn)了2-4譯碼器的功能。

2.3 二位比較器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

二位比較器由兩個(gè)2-4譯碼器構(gòu)成，所以有4×4個(gè)輸出端，輸出端同時(shí)有兩路信號(hào)輸出時(shí)視為有有效信號(hào)輸出。設(shè)兩個(gè)二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)為Y1和Y2，由于原理相同，此次實(shí)驗(yàn)僅展示數(shù)據(jù)Y1=00時(shí)，分別與數(shù)據(jù)Y2=00、01、10、11時(shí)的比較結(jié)果。輸出信號(hào)的最大功率為100 mW，最小功率為1 mW，因此在進(jìn)行兩路信號(hào)輸出時(shí)，幅值差距比較大，導(dǎo)致二位比較器中的輸出結(jié)果不明顯，因此，在信號(hào)輸出端采取將功率統(tǒng)一放大為100 mW的改進(jìn)，使輸出結(jié)果更為明顯。仿真輸出結(jié)果如圖8所示。第1個(gè)示波器如圖8（a）所示，兩個(gè)通道都有數(shù)據(jù)輸出視為有信號(hào)輸出，由前面所述的分類可知：Y1=00、Y2=00時(shí)的比較結(jié)果屬于相等分類，即實(shí)現(xiàn)了00與00的比較；第2個(gè)示波器如圖8（b）所示，由分類可知：Y1=00、Y2=01時(shí)的比較結(jié)果屬于AB的分類，即實(shí)現(xiàn)了00與11的比較。

由圖8（a）～（d）可知，仿真實(shí)現(xiàn)了當(dāng)數(shù)據(jù)Y1=00時(shí)，分別與數(shù)據(jù)Y2=00、01、10、11時(shí)的比較，同樣可以類比到數(shù)據(jù)Y1和數(shù)據(jù)Y2為其他數(shù)值時(shí)的比較。此設(shè)計(jì)方案運(yùn)用了SOA中的交叉增益調(diào)制效應(yīng)下的A-B仿真單元，其實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單且不易受其他非線性效應(yīng)和外界環(huán)境的影響，有穩(wěn)定的判別輸出。該系統(tǒng)具有搭建簡(jiǎn)單和運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有體積小、易集成的優(yōu)勢(shì)，但其占用較多的輸出端口，需要對(duì)信號(hào)輸出端做進(jìn)一步改進(jìn)。

3 結(jié)束語

本文基于半導(dǎo)體激光放大器的交叉增益調(diào)制效應(yīng)，利用A-B“與”門的邏輯關(guān)系進(jìn)行組合后分別實(shí)現(xiàn)了一位比較器、2-4譯碼器和基于2-4譯碼器的二位比較器的功能。在一位比較器中，由于兩通道同時(shí)輸入為0時(shí)，噪聲比較大，示波器的輸出噪聲占很大比例，所以實(shí)現(xiàn)了兩數(shù)據(jù)相等時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)情況的判別。本文通過仿真驗(yàn)證了全光“與”門和上述組合邏輯的可行性。文中所設(shè)計(jì)的邏輯組合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易集成，輸出信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，在光通信的全光邏輯信號(hào)處理等方面具有良好的應(yīng)用前景及借鑒意義。

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（責(zé)任編輯 柴 智；責(zé)任校對(duì) 白麗媛）