基于SOA全光比较器和译码器的研究

薛利梅 杨潞霞 马淑欣 韩丙辰

［摘 要］ 全光逻辑在全光分组交换中起着重要作用，基于半导体光放大器（SOA）的交叉增益调制效应，实现了输出为A-B的逻辑关系，并进行一定的组合设计，实现了全光比较和译码的功能。通过仿真软件VIP进行仿真验证，得到了全光逻辑组合下的一位比较器和译码器，并在译码器的基础上进行扩展组合，形成了两位比较器。

［关键词］ 光通信；
比较器；
交叉增益调制；
译码器

［中图分类号］ TN 929.11

［文献标志码］ A

［文章编号］ 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

在全光網络［1］中，全光逻辑门技术是实现光逻辑计算［2］、光分组交换、全光再生以及光波长变换和大容量光传输的关键器件，是实现信息交换以及信息传输的核心。由于光逻辑器件能够克服冯诺依曼和摩尔定律放缓的弊端，研究人员已经提出了不少方案，如常见的逻辑门能够处理“或”［3］“非”［4］ “或非”“异或”［5］之间的逻辑关系，对其进行组合后即可实现全光半减器［6］、编码器［7］、译码器［8］以及触发器［9］等基本逻辑功能［10］。

在光通信系统中，比较器作为逻辑器件，是比特判别、模数转换的核心，其性能很大程度上决定着整个系统的性能。目前提出的全光比较器有：基于PolSK调制格式的FWM型全光比较器，其可以有效消除码型效应从而实现一位数据的比较［11］；
基于SOA-MZI级联结构的全光比较器，其响应速度较快，用级联的方式实现3位比较器和8位比较器［12］。但这些方案的原理和设备较为复杂，胡兵等人［13］利用1/4波长相移分布反馈式激光器实现的全光比较器，可以实现全光一位比较的功能，装置简单易集成，但该方案只实现了一位比较的功能。

北京联合大学学报2023年7月

第37卷第4期薛利梅等：基于SOA全光比较器和译码器的研究本文对基于SOA的一位比较器和2-4译码器进行了仿真验证，并在2-4译码器的基础上进行组合，提出了一种基于SOA的全光二位比较器且进行了仿真验证，证明上述比较器和译码器的可行性，该装置原理简单、易实现、易集成且抗干扰能力强。

1 基本原理

1.1 交叉增益调制的“与”门

由交叉增益调制构成的“与”门如图1所示：A和B分别为携带数字信号的信号光，对应的波长为λ1和λ2，其中信号光A经过功率放大器后进入SOA中，信号光B也进入SOA 中，信号光A和信号光B经过SOA后，再经过滤波波长与信号光B保持一致的滤波器，滤出信号光B，之后进行信号输出。当信号光A的输入为“1”时，经过放大器对功率进行放大，大功率信号进入SOA之后消耗绝大部分的载流子，SOA处于饱和状态，此时无论信号光B的输入为“1”或“0”，经过滤波的输出信号都可以忽略不计，即可计为逻辑“0”。当信号光A的输入为“0”时，SOA处于放大状态，当信号光B=1时，输出为“1”；
当信号光B=0时，输出为“0”。此时利用SOA的交叉调制效应来实现“与”的逻辑关系：Y=A-B。

用上述多个逻辑“与”门组合成为比较器和译码器，为了简洁，将“与”门简化为图2，两个输入端分别对应A和B，输出端对应Y端。

2-4译码器的真值表如表2所示：输入二进制的00，则对应输出十进制的0；
输入二进制的01，则对应输出十进制的1；
输入二进制的10，则对应输出十进制的2；
输入二进制的11，则对应输出十进制的3。

1.2.3 基于2-4译码器的二位比较器

对上述的2-4译码器进行组合可形成二位比较器：先把两位数据分别译为四位数据，再进行相应的输入位比较，输出端口同时有两路信号输出时视为有效信号。二位比较器如图5所示。图5为译码后的四位数据，输出端口会占用数据A和数据 B 各一条线，数据输出共占用4×4个端口，若输出端同时有两路信号输出，则视为有输出信号。将每次比较结果输出线的端口定义为 Yij，若i>j，则数据A大于数据B，否则，数据A小于数据B或者数据A等于数据B。将Yij分为3类：将Y00、Y11、Y22、Y33归类为相等；
将Y01、Y02、Y03、Y12、Y13、Y23归类为A将Y10、Y20、Y21、Y30、Y31、Y32归类为A>B。根据信号输出的类别即可知数据A与B的比较结果。

2实验仿真结果

2.1 一位比较器的实验结果

一位比较器的实验结果如图6所示，其中输入通道1（Input1）有输出表示AB，输入通道3（Input3）有输出表示A=B。仿真输出结果如图6所示：图6（a）表示当输入信号A=1、B=0时，输入通道2有较大的输出信号，表示A>B；
图6（b）表示当输入信号A=0、B=1时，输入通道1有较大的输出信号，表示A图6（c）表示当输入信号A=1、B=1时，输入通道3有较大的输出信号，表示A=B；
图6（d）表示当输入信号A=0、B=0时，输入通道3有信号输出，表示A=B。除此之外，由于当A=0，B=0时，信道中噪声占比较大，所以输出信号也以噪声居多，可以根据输出信号是规律的波形或是噪声波形，从而判定在A=B的情况下，输入信号为A=0、B=0或者A=1、B=1。< p>

2.2 2-4译码器的实验结果

2-4译码器的仿真实验结果如图7所示，该实验实现了把两位二进制数转化为一位十进制数的功能。其中输入通道1有输出表示译码结果为0，输入通道2有输出表示译码结果为2，输入通道3有输出表示译码结果为3，输入通道4有输出表示译码结果为1。图7（a）表示当输入的二进制数A1A0为00时，对应的十进制数为0，即通道1有较大功率的输出信号；
图7（b）表示输入的二进制数A1A0为01时，对应的十进制数为1，即通道4有较大功率的输出信号；
图7（c）表示输入的二进制数A1A0为10时，对应的十进制数为2，即通道2有较大功率的输出信号；
图7（d）表示输入的二进制数A1A0为11时，对应的十进制数为3，即通道3有较大功率的输出信号。由此实现了2-4译码器的功能。

2.3 二位比较器的实验结果

二位比较器由两个2-4译码器构成，所以有4×4个输出端，输出端同时有两路信号输出时视为有有效信号输出。设两个二进制输入数据为Y1和Y2，由于原理相同，此次实验仅展示数据Y1=00时，分别与数据Y2=00、01、10、11时的比较结果。输出信号的最大功率为100 mW，最小功率为1 mW，因此在进行两路信号输出时，幅值差距比较大，导致二位比较器中的输出结果不明显，因此，在信号输出端采取将功率统一放大为100 mW的改进，使输出结果更为明显。仿真输出结果如图8所示。第1个示波器如图8（a）所示，两个通道都有数据输出视为有信号输出，由前面所述的分类可知：Y1=00、Y2=00时的比较结果属于相等分类，即实现了00与00的比较；
第2个示波器如图8（b）所示，由分类可知：Y1=00、Y2=01时的比较结果属于A第3个示波器如图8（c）所示，由分类可知：Y1=00、Y2=10时的比较结果属于A第4个示波器如图8（d）所示，由分类可知：Y1=00、Y2=11时的比较结果属于A>B的分类，即实现了00与11的比较。

由图8（a）～（d）可知，仿真实现了当数据Y1=00时，分别与数据Y2=00、01、10、11时的比较，同样可以类比到数据Y1和数据Y2为其他数值时的比较。此设计方案运用了SOA中的交叉增益调制效应下的A-B仿真单元，其实现过程简单且不易受其他非线性效应和外界环境的影响，有稳定的判别输出。该系统具有搭建简单和运行可靠的优点，同时具有体积小、易集成的优势，但其占用较多的输出端口，需要对信号输出端做进一步改进。

3 结束语

本文基于半导体激光放大器的交叉增益调制效应，利用A-B“与”门的逻辑关系进行组合后分别实现了一位比较器、2-4译码器和基于2-4译码器的二位比较器的功能。在一位比较器中，由于两通道同时输入为0时，噪声比较大，示波器的输出噪声占很大比例，所以实现了两数据相等时对数据情况的判别。本文通过仿真验证了全光“与”门和上述组合逻辑的可行性。文中所设计的逻辑组合结构简单易集成，输出信号抗干扰能力强，在光通信的全光逻辑信号处理等方面具有良好的应用前景及借鉴意义。

［参考文献］

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［9］ 王丽娜.基于半导体光放大器的全光触发器研究［D］.北京：北京邮电大学，2017.

［10］ 邓跃平.基于光非线性器件的全光逻辑门研究［D］.杭州：杭州电子科技大学，2021.

［11］ 纪鹏辉，李培丽，施伟华，等.基于PolSK调制格式的FWM型全光比较器［J］.光通信研究，2009（4）：57-60.

［12］ 张丽梅.QD-SOA的超快動力学过程及全光比较器［D］.北京：北京交通大学，2014.

［13］ 胡兵，李璞，江镭，等.基于双稳态实现具有陡峭阈值的全光比较器［J］.中国科技论文，2015，10（14）：1665-1670.

（责任编辑 柴 智；
责任校对 白丽媛）

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