基于SOA全光比較器和譯碼器的研究

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，基于半導體光放大器（SOA）的交叉增益調制效應，實現了輸出為A-B的邏輯關系，并進行一定的組合設計，實現了全光比較和譯碼的功能。通過仿真軟件VIP進行仿真驗證，得到了全光邏輯組合下的一位比較器和譯碼器，并在譯碼器的基礎上進行擴展組合，形成了兩位比較器。

［關鍵詞］ 光通信；比較器；交叉增益調制；譯碼器

［中圖分類號］ TN 929.11

［文獻標志碼］ A

［文章編號］ 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

在全光網絡［1］中，全光邏輯門技術是實現光邏輯計算［2］、光分組交換、全光再生以及光波長變換和大容量光傳輸的關鍵器件，是實現信息交換以及信息傳輸的核心。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］之間的邏輯關系，對其進行組合后即可實現全光半減器［6］、編碼器［7］、譯碼器［8］以及觸發器［9］等基本邏輯功能［10］。

在光通信系統中，比較器作為邏輯器件，是比特判別、模數轉換的核心，其性能很大程度上決定著整個系統的性能。目前提出的全光比較器有：基于PolSK調制格式的FWM型全光比較器，其可以有效消除碼型效應從而實現一位數據的比較［11］；基于SOA-MZI級聯結構的全光比較器，其響應速度較快，用級聯的方式實現3位比較器和8位比較器［12］。但這些方案的原理和設備較為復雜，胡兵等人［13］利用1/4波長相移分布反饋式激光器實現的全光比較器，可以實現全光一位比較的功能，裝置簡單易集成，但該方案只實現了一位比較的功能。

北京聯合大學學報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基于SOA的一位比較器和2-4譯碼器進行了仿真驗證，并在2-4譯碼器的基礎上進行組合，提出了一種基于SOA的全光二位比較器且進行了仿真驗證，證明上述比較器和譯碼器的可行性，該裝置原理簡單、易實現、易集成且抗干擾能力強。

1 基本原理

1.1 交叉增益調制的“與”門

由交叉增益調制構成的“與”門如圖1所示：A和B分別為攜帶數字信號的信號光，對應的波長為λ1和λ2，其中信號光A經過功率放大器后進入SOA中，信號光B也進入SOA 中，信號光A和信號光B經過SOA后，再經過濾波波長與信號光B保持一致的濾波器，濾出信號光B，之后進行信號輸出。當信號光A的輸入為“1”時，經過放大器對功率進行放大，大功率信號進入SOA之后消耗絕大部分的載流子，SOA處于飽和狀態，此時無論信號光B的輸入為“1”或“0”，經過濾波的輸出信號都可以忽略不計，即可計為邏輯“0”。當信號光A的輸入為“0”時，SOA處于放大狀態，當信號光B=1時，輸出為“1”；當信號光B=0時，輸出為“0”。此時利用SOA的交叉調制效應來實現“與”的邏輯關系：Y=A-B。

用上述多個邏輯“與”門組合成為比較器和譯碼器，為了簡潔，將“與”門簡化為圖2，兩個輸入端分別對應A和B，輸出端對應Y端。

2-4譯碼器的真值表如表2所示：輸入二進制的00，則對應輸出十進制的0；輸入二進制的01，則對應輸出十進制的1；輸入二進制的10，則對應輸出十進制的2；輸入二進制的11，則對應輸出十進制的3。

1.2.3 基于2-4譯碼器的二位比較器

對上述的2-4譯碼器進行組合可形成二位比較器：先把兩位數據分別譯為四位數據，再進行相應的輸入位比較，輸出端口同時有兩路信號輸出時視為有效信號。二位比較器如圖5所示。圖5為譯碼后的四位數據，輸出端口會占用數據A和數據 B 各一條線，數據輸出共占用4×4個端口，若輸出端同時有兩路信號輸出，則視為有輸出信號。將每次比較結果輸出線的端口定義為 Yij，若i>j，則數據A大于數據B，否則，數據A小于數據B或者數據A等于數據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。根據信號輸出的類別即可知數據A與B的比較結果。

2實驗仿真結果

2.1 一位比較器的實驗結果

一位比較器的實驗結果如圖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。仿真輸出結果如圖6所示：圖6（a）表示當輸入信號A=1、B=0時，輸入通道2有較大的輸出信號，表示A>B；圖6（b）表示當輸入信號A=0、B=1時，輸入通道1有較大的輸出信號，表示A

2.2 2-4譯碼器的實驗結果

2-4譯碼器的仿真實驗結果如圖7所示，該實驗實現了把兩位二進制數轉化為一位十進制數的功能。其中輸入通道1有輸出表示譯碼結果為0，輸入通道2有輸出表示譯碼結果為2，輸入通道3有輸出表示譯碼結果為3，輸入通道4有輸出表示譯碼結果為1。圖7（a）表示當輸入的二進制數A1A0為00時，對應的十進制數為0，即通道1有較大功率的輸出信號；圖7（b）表示輸入的二進制數A1A0為01時，對應的十進制數為1，即通道4有較大功率的輸出信號；圖7（c）表示輸入的二進制數A1A0為10時，對應的十進制數為2，即通道2有較大功率的輸出信號；圖7（d）表示輸入的二進制數A1A0為11時，對應的十進制數為3，即通道3有較大功率的輸出信號。由此實現了2-4譯碼器的功能。

2.3 二位比較器的實驗結果

二位比較器由兩個2-4譯碼器構成，所以有4×4個輸出端，輸出端同時有兩路信號輸出時視為有有效信號輸出。設兩個二進制輸入數據為Y1和Y2，由于原理相同，此次實驗僅展示數據Y1=00時，分別與數據Y2=00、01、10、11時的比較結果。輸出信號的最大功率為100 mW，最小功率為1 mW，因此在進行兩路信號輸出時，幅值差距比較大，導致二位比較器中的輸出結果不明顯，因此，在信號輸出端采取將功率統一放大為100 mW的改進，使輸出結果更為明顯。仿真輸出結果如圖8所示。第1個示波器如圖8（a）所示，兩個通道都有數據輸出視為有信號輸出，由前面所述的分類可知：Y1=00、Y2=00時的比較結果屬于相等分類，即實現了00與00的比較；第2個示波器如圖8（b）所示，由分類可知：Y1=00、Y2=01時的比較結果屬于AB的分類，即實現了00與11的比較。

由圖8（a）～（d）可知，仿真實現了當數據Y1=00時，分別與數據Y2=00、01、10、11時的比較，同樣可以類比到數據Y1和數據Y2為其他數值時的比較。此設計方案運用了SOA中的交叉增益調制效應下的A-B仿真單元，其實現過程簡單且不易受其他非線性效應和外界環境的影響，有穩定的判別輸出。該系統具有搭建簡單和運行可靠的優點，同時具有體積小、易集成的優勢，但其占用較多的輸出端口，需要對信號輸出端做進一步改進。

3 結束語

本文基于半導體激光放大器的交叉增益調制效應，利用A-B“與”門的邏輯關系進行組合后分別實現了一位比較器、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，由于兩通道同時輸入為0時，噪聲比較大，示波器的輸出噪聲占很大比例，所以實現了兩數據相等時對數據情況的判別。本文通過仿真驗證了全光“與”門和上述組合邏輯的可行性。文中所設計的邏輯組合結構簡單易集成，輸出信號抗干擾能力強，在光通信的全光邏輯信號處理等方面具有良好的應用前景及借鑒意義。

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（責任編輯 柴 智；責任校對 白麗媛）