專利名稱：光學(xué)邏輯和開關(guān)功能的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種光學(xué)器件，尤其涉及實(shí)現(xiàn)光學(xué)邏輯和開關(guān)功能的方法和裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)邏輯和開關(guān)器件通常包括半導(dǎo)體元件，對(duì)它加上電偏壓，以適當(dāng)?shù)靥幚碚丈涞桨雽?dǎo)體元件上的光信號(hào)。這些電光器件存在多種缺點(diǎn)。最明顯的是，電光邏輯和開關(guān)器件的速度受到電極的RC時(shí)間常數(shù)據(jù)的限制，此外，電光轉(zhuǎn)換會(huì)造成能量損失。
近年來，已經(jīng)提出設(shè)計(jì)“全光學(xué)”邏輯門和開關(guān)的方案。例如，授予Doran的美國專利4,881,788號(hào)揭示了一種光學(xué)器件，其中，耦合信號(hào)經(jīng)分束，沿著長度相等但材料特性不同的第一和第二光纖傳播。信號(hào)傳播通過這些光纖同步但有相移地到達(dá)連接到這些光纖端頭的耦合器，通過檢測(cè)相移來實(shí)現(xiàn)邏輯或開關(guān)操作。在授予Islam的美國專利4,932,739號(hào)描述的器件中，把一對(duì)光信號(hào)在雙折射光纖中傳播，在這些信號(hào)之間產(chǎn)生孤波捕獲(soliton trapping)，通過檢測(cè)捕獲產(chǎn)生的效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)邏輯操作。上面這些設(shè)計(jì)遇到許多限制，包括開關(guān)功率高、環(huán)境不穩(wěn)定以及等待時(shí)間長等。因此需要一種沒有已有技術(shù)的器件中固有缺點(diǎn)的、提供全光學(xué)邏輯和開關(guān)功能的方法和裝置。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)其主要方面，從寬的方面來說，本發(fā)明是一種利用脈內(nèi)喇曼散射提供邏輯操作或開關(guān)功能的光學(xué)器件。
當(dāng)在光纖中激勵(lì)出喇曼散散時(shí)，光束入射功率的一小部分轉(zhuǎn)換成另一光束，其頻率下移量由媒體的振動(dòng)模式?jīng)Q定。脈內(nèi)喇曼散射也稱為孤波自頻移，發(fā)生在光譜對(duì)脈沖內(nèi)的短波長分量來說足夠?qū)挼膯蝹€(gè)光脈沖中，以把能量轉(zhuǎn)移到長波長分量。隨著脈沖沿光纖傳播，頻率持續(xù)下移(波長紅向偏移)。假設(shè)脈沖的時(shí)間寬度與其光譜之間成相反關(guān)系，也與喇曼增益譜的形狀成相反關(guān)系，則脈內(nèi)喇曼效應(yīng)對(duì)時(shí)間寬度極其靈敏。事實(shí)上，孤波在硅石光纖中傳播(具有雙曲脈沖形和校正峰功率對(duì)脈沖關(guān)系的光脈沖)的頻率下移量與脈寬的四次冪有關(guān)。由于通過調(diào)節(jié)孤波的次數(shù)(隨輸入功率而變化)，可以產(chǎn)生孤波脈沖寬度壓縮，所以在光纖中傳播的孤波脈沖的波長偏移可以通過調(diào)節(jié)脈沖的輸入功率來調(diào)節(jié)。對(duì)于呈指數(shù)增長的光纖中孤波傳播的的喇曼散射，輸入功率必須在喇曼閾值之上，該值由喇曼增益、光纖芯的有效面積以及光纖的有效長度決定。
在本發(fā)明的邏輯門實(shí)施例中，耦合多個(gè)中心波長相同的脈沖，產(chǎn)生功率電平等于這些輸入的總功率電平的輸出脈沖。當(dāng)足夠窄的輸出脈沖的功率電平超過喇曼閾值時(shí)，輸出將產(chǎn)生波長偏移。假設(shè)脈沖的孤波次數(shù)保持在接近N＝1的水平上，則波長偏移量隨輸入功率的增加而增加。
按慣例，在返回到零(RZ)的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)不存在孤波為邏輯“0”，有孤波為邏輯“1”。在本發(fā)明的雙輸入端與邏輯門中，孤波的功率電平約在0.5與1.0倍的喇曼閾值功率電平之間為邏輯“1”。因此，當(dāng)把一個(gè)或不把邏輯“1”脈沖輸入到雙輸入端與門耦合器中時(shí)，輸出功率電平將低于喇曼閾值功率電平，輸出脈沖的波長將不偏移。當(dāng)把兩個(gè)邏輯“1”輸入脈沖輸入到與門耦合器時(shí)，輸出功率將大于喇曼閾值，輸出脈沖的波長將發(fā)生偏移。
根據(jù)本發(fā)明的邏輯門還包括濾波器，根據(jù)輸出脈沖的波長傳送或阻斷耦合器輸出脈沖。在雙輸入端與門中，選擇的濾波器阻斷無偏移波長的輸出脈沖，而讓有偏移波長的輸出脈沖通過。因此，僅當(dāng)把兩個(gè)邏輯“1”輸入被耦合而產(chǎn)生波長發(fā)生偏移的輸出時(shí)，濾波器才讓輸出脈沖通過。
在本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)實(shí)施例中，把光脈沖制成根據(jù)控制脈沖的幅度來切換到多條輸出線中的一條或多條輸出線。把輸入脈沖和控制脈沖輸入到光耦合器中，把這些脈沖組合，產(chǎn)生表示輸入脈沖和控制脈沖組合功率電平的輸出。正如邏輯門實(shí)施例中的情況一樣，當(dāng)耦合器輸出功率電平超過輸出光纖的喇曼閾值時(shí)，喇曼效應(yīng)使耦合器的輸出偏移。只要耦合器輸出的孤波次數(shù)保持在接近N＝1的程度，則波長偏移的大小隨著功率電平的增加而增加。
在開關(guān)的典型實(shí)施例中，把輸入信號(hào)制成功率電平接近等于喇曼閾值，并接近基本孤波次數(shù)N＝1，較佳地，接近約N＝0.5至N＝2的范圍內(nèi)。因此，功率電平約為零的控制脈沖將基本上不產(chǎn)生波長偏移，而功率電平大于零的控制脈沖將產(chǎn)生波長偏移，該偏移的大小隨控制脈沖功率電平的增加而增加。
把一分束器連接到耦合器的輸出端上，把耦合器的輸出提供給幾條輸出線中的每一條輸出線。接著，設(shè)置在每條輸出線上的波長選擇濾波器根據(jù)波長偏移的大小通過或阻斷耦合器輸出。一般地，每個(gè)波長選擇濾波器將使波長在特定范圍內(nèi)偏移的脈沖通過，而阻斷偏移超過特定范圍的脈沖。因此，通過根據(jù)與所要的輸出線有關(guān)的濾波器的特性，調(diào)節(jié)控制脈沖的功率電平，就可以選擇傳送耦合器輸出的一條或多條線路。
在邏輯門或開關(guān)中，耦合器輸出功率電平(在邏輯門的情況下表示輸入脈沖的組合功率電平，在開關(guān)的情況下表示輸入脈沖和控制脈沖的組合功率電平)應(yīng)當(dāng)保持在接近基本孤波次數(shù)(N＝1)的數(shù)值范圍內(nèi)，以防止脈沖過度整形或高次脈沖中斷。把耦合器輸出的次數(shù)保持在接近N＝1的程度，提供了一種可控制的、易于檢測(cè)的且與功率有關(guān)的波長偏移。
高次孤波(N≥2)經(jīng)歷有時(shí)間和光譜波動(dòng)，包括光譜變寬和變窄。
此外，喇曼散射的出現(xiàn)使增益不對(duì)稱，并失去孤波經(jīng)歷。因此，可以把高次孤波分成它們的分量脈沖(例如，N＝3的孤波分成三個(gè)光譜脈沖，它們的幅度可以由反向散射法獲知的內(nèi)容確定)。在傳播期間孤波的光譜變寬可以使波長選擇濾波器讓被濾波器阻斷的脈沖通過，否則使光譜變寬。為了限制光譜波動(dòng)和脈沖中斷，最好把門或開關(guān)耦合器輸出的孤波次數(shù)保持在N＝0.5與約N＝2之間。
在脈沖寬度約在1ps的數(shù)量級(jí)上或更小的數(shù)量級(jí)上的情況以及在脈沖的功率電平大于喇曼閾值的情況下，將產(chǎn)生明顯的脈內(nèi)喇曼散射。光路的設(shè)計(jì)者常常嘗試防止在它們的光路中激勵(lì)出喇曼散射，以避免不想要的能量傳遞。一般通過使標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)孤波脈沖寬度大大地大于1ps來保證光路內(nèi)防止出現(xiàn)脈內(nèi)喇曼散射。
由于他們發(fā)現(xiàn)在光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中使用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)脈沖的寬度大于1ps，所以本發(fā)明的器件通常需要額外的光學(xué)元件，使輸入脈沖的寬度變窄，這樣明顯的脈內(nèi)喇曼散射可以產(chǎn)生效果，并使輸出脈沖的寬度變寬，這樣，輸出脈沖的寬度將等于網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖寬度。
脈沖變窄可以通過多種不同的方法來實(shí)現(xiàn)，包括用線性調(diào)頻脈沖、光折射、光纖布拉絡(luò)光柵以及色散專用光纖。這些方法中有兩種方法可以在所有較佳的光纖長度中使用。光纖光柵更緊湊(長度約為1-10mm)，但在中心設(shè)計(jì)波長有反射，因此，需要用額外的元件來取得壓縮脈沖。色散減小光纖可以絕熱地壓縮孤波，同時(shí)維持其變換受限脈沖形狀。相反，色散增加光纖可以絕熱地?cái)U(kuò)展孤波，同時(shí)維持其變換受限脈沖形狀。線性調(diào)頻脈沖光纖光柵也可以把光以相對(duì)方向(反向)發(fā)射來延伸脈沖。
本發(fā)明邏輯門的一個(gè)主要特征是把受限制脈內(nèi)喇曼散射與檢測(cè)是否已激勵(lì)了喇曼散射的波長選擇濾波器組合在一起。這些主要部件的組合提供了一種全部由無源元件組成的全光學(xué)邏輯門。
本發(fā)明的開關(guān)的一個(gè)主要特征是把受控脈內(nèi)喇曼散射與對(duì)控制輸入激勵(lì)的喇曼散射的大小作出響應(yīng)的波長選擇濾波器陣列組合在一起。這兩個(gè)主要部件的組合提供了一種全部由無源元件組成的全光學(xué)開關(guān)。
本發(fā)明的邏輯門和開關(guān)兩者共有的特征是把耦合器輸出功率電平保持在接近N＝1的孤波次數(shù)上。把耦合器輸出功率電平保持到接近基本孤波次數(shù)N＝1可以在每個(gè)實(shí)施例的濾波級(jí)進(jìn)行準(zhǔn)確和可靠的波長選擇。
這兩個(gè)實(shí)施例共有的另一個(gè)特征是把脈沖變窄光學(xué)元件包括在邏輯門或開關(guān)的輸入端。包括了使脈沖寬度變窄到1ps次的寬度上的脈沖變窄光學(xué)元件可以使喇曼散射在邏輯門或開關(guān)中產(chǎn)生作用。
這兩個(gè)實(shí)施例共有的再一個(gè)特征是把脈沖變寬光學(xué)元件包括在邏輯門或開關(guān)的輸出端。包括了脈沖變寬光學(xué)元件使輸出脈沖變寬，這樣，使脈沖的寬度等于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)脈沖的寬度。
對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員來說，在閱讀了后面參照附圖對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。附圖概述

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的邏輯門的實(shí)施例；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)的實(shí)施例。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的邏輯門的另一個(gè)實(shí)施例；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)的另一實(shí)施例；圖5是喇曼效應(yīng)產(chǎn)生的頻移與輸入脈沖寬度的相關(guān)性的曲線圖；圖6是沿光纖長度傳播的N＝1.5的孤波的時(shí)間寬度壓縮圖；圖7是包含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線圖，示出了窄寬度脈沖的波長偏移與脈沖輸入功率的相關(guān)性；圖8是幫助理解本發(fā)明的曲線圖，示出了與幾種可能的耦合器輸出光譜相比較的輸入光譜。本發(fā)明的實(shí)施方式當(dāng)在光纖中激勵(lì)出喇曼散射時(shí)，光束中一小部分入射功率轉(zhuǎn)換成另一頻率下移了由媒體的振動(dòng)模式確定的量的光束。在具有多波長光信道的通信系統(tǒng)中，脈內(nèi)喇曼散射(不是本發(fā)明中利用的)是有害的。低波長信道損失了到高波長信道的能量，因而產(chǎn)生了串?dāng)_。
脈內(nèi)喇曼散射也稱為孤波自頻移，在單個(gè)光脈沖內(nèi)產(chǎn)生，其光譜對(duì)于脈沖內(nèi)的低波長分量寬得足以向高波長分量傳送能量。隨著脈沖沿光纖傳播，頻率連續(xù)下移(波長的紅向偏移)。假設(shè)脈沖的時(shí)間寬度與其光譜以及與喇曼增益譜的形狀之間成逆關(guān)系，則脈內(nèi)喇曼效應(yīng)對(duì)時(shí)間寬度極其敏感。在硅石光纖中傳播的孤波(具有雙曲脈沖形狀和校正峰值功率對(duì)脈沖關(guān)系的光脈沖)的頻率下移由脈沖寬度四次冪決定的量。在硅石光纖中傳播的經(jīng)過喇曼散射的孤波，其幅度的頻移接近下式表示的變化

其中L為光纖的長度，ΔT為輸入脈沖的脈沖寬度，色散等于15ps/nm/km。該結(jié)果用曲線圖示于圖5，對(duì)三根不同長度光纖畫出了脈沖寬度ΔT對(duì)光頻率偏移ωsH的關(guān)系。從圖5中看出，在～1km硅石光纖中傳播的寬度約為1ps或更小量級(jí)的脈沖中激勵(lì)出顯著的波長偏移(1nm或更大)。
喇曼效應(yīng)產(chǎn)生的波長偏移也可以與脈沖輸入功率有關(guān)。次數(shù)高于N＝1的孤波在它們以一速率在一定長度的光纖中傳播時(shí)經(jīng)過初始脈沖壓縮(時(shí)間變窄)，該速率隨輸入功率電平增加而增大。同時(shí)，次數(shù)低于N＝1的孤波在以一定速率傳播期間使脈沖變寬，該速率隨功率電平的降低而增大。因此，通常，在一定長度光纖的指定點(diǎn)上，傳播脈沖的寬度可以通過提高輸入功率電平而變窄。壓縮量與初始峰值功率有關(guān)。圖6示出了沿一定長度光纖傳播的N＝1.5孤波的時(shí)間脈沖壓縮的圖。由于喇曼效應(yīng)波長偏移是脈寬敏感的，因此，波長偏移量隨著輸入脈沖功率的增加而增加。作為孤波次數(shù)函數(shù)的孤波壓縮系數(shù)的表達(dá)式由下式給出

對(duì)于最佳光纖長度ZOPT，可由下式來確定

其中，ΔTin為輸入脈沖寬度，ΔTout為輸出脈沖寬度，N為孤波次數(shù)，Z0為孤波周期。圖7示出了波長與輸入功率這一關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，條件是～1ps脈沖傳播通過40km的色散減少光纖。
本發(fā)明利用了這種可控制的偏移(可以根據(jù)輸入功率電平來改變)來提供邏輯門或開關(guān)。在光學(xué)札記第11卷第10號(hào)第662-664頁上，J.P.Gordon撰寫的“孤波自頻率偏移的理論”中詳細(xì)討論于脈內(nèi)喇曼散射和脈沖寬度相關(guān)波長偏移。在AcademicPress(1995)中，Govind P.Agrawal撰寫的“非線性光纖光學(xué)”中有對(duì)孤波脈沖傳播期間遇到的各種非線性效應(yīng)的詳細(xì)處理方法。為了更詳細(xì)地討論高次孤波脈沖壓縮的現(xiàn)象，請(qǐng)參見Agrawal所撰寫的文章的第6.4節(jié)。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的邏輯門。邏輯門10包括光纖耦合器12和波長選擇濾波器14。耦合器12接收兩個(gè)或多個(gè)輸入脈沖，表示成16和18，它們具有預(yù)定的功率電平，耦合器12組合這些脈沖，產(chǎn)生幅度約等于輸入脈沖之和的輸出脈沖20。波長選擇濾波器14根據(jù)傳播信號(hào)的波長選擇性地通過或阻斷光信號(hào)。
通常，如果脈沖的寬度足夠窄，并且如果脈沖的功率電平在喇曼閾值之上，則通過耦合器輸出光纖22傳播的耦合器輸出脈沖就經(jīng)歷激勵(lì)的喇曼散射。如果激勵(lì)了脈沖20的喇曼散射，則脈沖20將經(jīng)歷波長偏移。因此，無論波長選擇濾波器14是否通過耦合器，輸出脈沖20都間接地與耦合輸出的功率電平有關(guān)。由于濾波器12通過與耦合器輸出的功率電平間接有關(guān)的脈沖，所以濾波器輸出指示屬于輸入到耦合器16和18的輸入脈沖的耦合器輸入圖形的信息，它具有預(yù)定的功率電平，并決定耦合器的輸出功率電平。器件的各種邏輯操作可以通過調(diào)整下列各項(xiàng)來進(jìn)行輸入到耦合器16和18的功率電平；輸入到16和18的數(shù)量；耦合器輸出光纖的喇曼閾值；輸出光纖長度22；以及濾波器14的通帶。
按照慣例，不出現(xiàn)孤波表示邏輯“0”，出現(xiàn)孤波表示邏輯“1”。在本發(fā)明中，如果要求輸入圖形為“0”邏輯輸出，濾波器14就阻斷耦合器輸出脈沖，如果要求輸入圖形為“1”邏輯輸出，就通過耦合器輸出脈沖。通過例子最佳地描述了利用根據(jù)本發(fā)明的邏輯門進(jìn)行的邏輯操作。
在兩輸入的與邏輯門中，調(diào)節(jié)輸入16和18的功率電平、耦合器輸出光纖22的喇曼閾值以及波長選擇濾波器14的通帶，以便只有在一對(duì)孤波脈沖輸入(一對(duì)“1”)出現(xiàn)在耦合器12上時(shí)才通過孤波脈沖，作為“1”邏輯濾波器輸出。
可以通過調(diào)整耦合器輸入16和18的功率電平以及耦合器輸出20的喇曼閾值來提供兩輸入與邏輯門，以便只有在耦合器輸出的功率電平對(duì)應(yīng)于兩輸入都為“1”的輸入圖形時(shí)才激勵(lì)耦合器輸出20的喇曼散射。這種喇曼散射的選擇激勵(lì)是這樣提供的，即對(duì)耦合器輸入端的“1”輸入功率電平選擇在耦合器輸出光纖22上傳播的耦合器輸出的喇曼閾值的約0.5至1.0倍之間。
在與門中，濾波器14使有波長偏移的脈沖通過，并阻斷中心波長等于輸入波長的脈沖而產(chǎn)生“I”邏輯輸出。與邏輯操作也可以通過把輸入功率電平設(shè)置在喇曼閾值之上實(shí)現(xiàn)，使喇曼偏移在01，10輸入圖形下以及在11輸入圖形下發(fā)生，而且只有在耦合器輸出的波長偏移程度相對(duì)于11輸入圖形較大時(shí)，濾波器才通過耦合器輸出。
根據(jù)本發(fā)明的與門可以容易地?cái)U(kuò)展出另外的輸入端，如圖1中虛線輸入端26和28。輸入與門可以通過選擇至少1/m倍喇曼閾值的輸入功率電平來提供，其中M為輸入端數(shù)，所以全“1”的輸入圖形導(dǎo)致了可以由濾波器14檢測(cè)到的偏移的波長。
在根據(jù)本發(fā)明的異或邏輯門中，把輸入功率電平選擇成高于喇曼閾值，0 1和1 0輸入圖形激勵(lì)具有第一波長偏移幅度的耦合器輸出，11輸入圖形激勵(lì)具有大于第一波長偏移幅度的第二波長偏移幅度的耦合器輸出。選擇濾波器14具有窄的通帶，它通過波長對(duì)應(yīng)于01和1 0輸入圖形的脈沖，但阻斷波長對(duì)應(yīng)于11輸入圖形的脈沖，提供了異或的邏輯操作。
利用一對(duì)耦合的“0”輸入脈沖總能在濾波器14的輸出端產(chǎn)生“0”邏輯輸出的事實(shí)，可以通過提供約在輸出光纖22的喇曼閾值0.5至1.0倍之間的脈沖輸入功率，并選擇濾波器14使其阻斷有偏移波長的脈沖而通過無偏移波長的脈沖，來實(shí)現(xiàn)異或邏輯門簡單的實(shí)施例。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2描述根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)的工作情況。開關(guān)30包括耦合器12、分束器32和多條輸出線，例如34、36、38和40，每條輸出線具有與其相關(guān)的波長選擇濾波器14，用于根據(jù)脈沖的波長選擇通過耦合器輸出脈沖。耦合器12接收表示成42的預(yù)定功率電平的輸入脈沖和控制脈沖44，并把這些脈沖組合，產(chǎn)生功率電平接近等于輸入脈沖功率電平與控制脈沖功率電平之和的耦合器輸出脈沖20。
當(dāng)耦合器輸出脈沖20有足夠窄的寬度，并且功率電平超過在耦合器輸出光纖22中傳播的脈沖的喇曼閾值時(shí)，耦合器輸出脈沖20的波長將發(fā)生偏移。對(duì)于次數(shù)接近N＝1的孤波，波長偏移的量將隨耦合器輸出功率電平的增加而增加。在一般的開關(guān)中，每個(gè)輸出線濾波器34、36、38、40將有不同的通帶(雖然開關(guān)也可以做成一個(gè)以上的濾波器可以具有相同的通帶)。因此，控制耦合器輸出20產(chǎn)生的波長偏移量，控制脈沖44控制通過哪個(gè)濾波器，因此，把耦合器輸出脈沖通過哪條(哪些)輸出線。
在一個(gè)較佳實(shí)施例中，可以把輸入脈沖42的功率電平選擇為接近輸出光纖22的喇曼閾值得到根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)。如果輸入脈沖42選擇成其功率電平喇曼閾值，并且孤波次數(shù)接近N＝1，則零功率電平控制脈沖將產(chǎn)生波長無偏移的耦合器輸出脈沖，對(duì)于功率電平高于零的每個(gè)控制脈沖來說，控制脈沖將產(chǎn)生隨控制脈沖功率增加而增加的波長偏移。根據(jù)這種方案，可以選擇一個(gè)濾波器34，使其的通帶對(duì)應(yīng)于輸入波長，每個(gè)后續(xù)的濾波器36和38可以選擇波長逐漸增加的通帶，每個(gè)濾波器對(duì)應(yīng)于根據(jù)控制脈沖44的功率電平增加得到的波長偏移。
至此，已描述了根據(jù)本發(fā)明的邏輯門和開關(guān)的基本工作原理?，F(xiàn)在的討論將擴(kuò)展到根據(jù)本發(fā)明的包括更具體的門和開關(guān)設(shè)計(jì)要求。
在給定長度光纖中傳播的光信號(hào)的喇曼閾值PTH由下式給出

其中Aeff為光纖的有效芯子面積，Leff為光纖的有效長度，gR為喇曼增益系數(shù)。因此，可以看出，減小光纖的有效芯子面積，增加光纖的有效長度，或增加光纖的喇曼增益系數(shù)，可以降低喇曼閾值。
在孤波光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中，希望調(diào)整孤波的功率電平，以在不激勵(lì)喇曼散射的整個(gè)光纖鏈路中形成均勻或?qū)蛑行牡墓虏āＯ喾?，在本發(fā)明的器件中，是控制耦合器輸出光纖22的材料特性，有選擇地激勵(lì)耦合器輸出脈沖20的喇曼散射。根據(jù)不同的應(yīng)用，把耦合器輸出光纖的喇曼閾值調(diào)節(jié)到N＝1與N＝M倍輸入脈沖功率電平之間的功率電平，其中M為輸入端口數(shù)。因此，在本發(fā)明中必須調(diào)節(jié)耦合器輸出光纖22的有效面積和有效長度，以使喇曼閾值處于該范圍內(nèi)所要求的功率電平上。
必須協(xié)調(diào)輸入功率電平和喇曼閾值，以便在耦合器輸出超過閾值時(shí)產(chǎn)生濾波器可檢測(cè)的波長偏移。例如，在耦合器輸出脈沖的光譜分布圖不與輸入脈沖的光譜分布圖沖突(或重疊)時(shí)，就輸出濾波器可檢測(cè)的波長偏移。參照?qǐng)D8以光譜50示出了代表～1ps，～1W輸入脈沖的光譜分布圖。輸出光譜52與輸入脈沖50相比，具有不可檢測(cè)的波長偏移，這是由于該光譜覆蓋了輸入的光譜，而用波長選擇濾波器可以從光譜50中清楚地鑒別出輸出光譜54。
在邏輯門的情況下，輸入功率電平、喇曼閾值和波長選擇濾波器14的工作波長不一定要作的精確控制，這是因?yàn)樵诳赡艿妮斎霔l件下一般僅需要產(chǎn)生一個(gè)或有時(shí)兩個(gè)估計(jì)的波長偏移。然而，在具有多條輸出線的開關(guān)的情況下，每條輸出線34、36、38、40都需要一個(gè)估計(jì)的濾波器可檢測(cè)的波長偏移。
假設(shè)多個(gè)濾波器可檢測(cè)的波長偏移需要控制公式1給出的中心波長的偏移和可以由下式對(duì)轉(zhuǎn)換受限的孤波脈沖近似的輸出光譜的光譜寬度ΔYout的偏移，

其中，ΔT為脈沖時(shí)間全寬的最大值的一半。因此可以看出，重新變寬脈沖的時(shí)間將使光譜變窄，可以改善耦合器輸出端產(chǎn)生的波長偏移的可檢測(cè)性。
除了輸入脈沖寬度之外，影響波長偏移可檢測(cè)性的另一個(gè)因素是耦合器輸出功率電平。
較佳地，控制耦合器輸出功率電平，避免產(chǎn)生高次(N≥2)的孤波和低次(N≤1)的孤波。
功率電平在基本孤波功率電平N＝1上的孤波脈沖將在它沿一定長度的光纖傳播時(shí)保持一致的時(shí)間和光譜分布。當(dāng)1和孤波數(shù)N之間的差值增大時(shí)，孤波經(jīng)歷越來越顯著的時(shí)間和光譜波動(dòng)，包括光譜變窄和變寬。為了更詳細(xì)地討論低次和高次孤波，請(qǐng)參見Agrawal所撰寫的文章的第5部分。
在傳播期間孤波光譜變寬可能使波長選擇濾波器通過已被濾波器阻斷的脈沖，否則光譜會(huì)變寬?？梢钥闯?，圖8中示出的典型高次N＝2.5的光譜56被設(shè)計(jì)成阻斷輸入頻率的脈沖的濾波器錯(cuò)誤地通過，這是由于光譜56極寬，并包含了輸入波長的額外的光譜峰值58。為了限制由于高次和低次孤波的產(chǎn)生造成的光譜變寬，應(yīng)當(dāng)把耦合器輸出20的功率電平保持在對(duì)應(yīng)于約N＝0.5與N＝2之間的孤波數(shù)上。
雖然孤波次數(shù)在N＝0.5與N＝2之間的孤波也將經(jīng)過光譜變寬或變窄，但濾波器14可以設(shè)計(jì)成避免各種輸出狀態(tài)之間的交叉干擾，或者可以再次擴(kuò)展輸出脈沖，使輸出光譜重新變窄。
作為脈沖功率函數(shù)的孤波次數(shù)N由下式給出

其中P0為峰值功率，K為比例常數(shù)，Z0為孤波周期，N2為非線性克爾系數(shù)，Aeff為光纖的有效芯子面積。
在本發(fā)明中，耦合器輸出必須在，以足夠產(chǎn)生濾波器可檢測(cè)的波長偏移范圍內(nèi)的功率電平范圍內(nèi)。同時(shí)，如從上面所看到的，功率電平的范圍應(yīng)當(dāng)受到限制，以避免產(chǎn)生低次和高次孤波。
雖然為了改進(jìn)控制和性能最好把孤波次數(shù)保持在約N＝0.5與約N＝2之間，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的實(shí)施例中也可以利用孤波次數(shù)在該范圍外的耦合器輸出脈沖，如果這種利用不影響波長選擇濾波器14的功能。例如，在根據(jù)本發(fā)明的門和開關(guān)中可以使用圖8的具有輸入波長的額外光譜峰值58的輸出光譜分布圖56，只要這些門和開關(guān)不需要通帶在輸入波長上的濾波器。
圖3和圖4分別示出了門和開關(guān)的另一種實(shí)施例，它們用額外元件來改善性能。
在脈沖寬度約在1ps或更小數(shù)量級(jí)上以及在脈沖功率電平超出喇曼閾值的情況下，將產(chǎn)生顯著的脈內(nèi)喇曼散射。光路的設(shè)計(jì)者一般試圖在它們的光路中防止激勵(lì)出喇曼散射，以避免不想要的能量傳遞。在多波長光學(xué)系統(tǒng)中，脈內(nèi)喇曼散射會(huì)在信道之間引起交叉干擾。在目前的光學(xué)通信系統(tǒng)中，這兩種效果與其它光纖非線性一樣受到限制。
在根據(jù)本發(fā)明的門或開關(guān)中，可以構(gòu)成一種色散減小的光纖(DDF)60(最方便是把它作為輸出光纖22的一部分)，使網(wǎng)絡(luò)脈沖寬度的脈沖變窄到在根據(jù)本發(fā)明的器件中能產(chǎn)生顯著的激勵(lì)喇曼散射和脈沖自頻率偏移的寬度。色散減小光纖沿其長度連續(xù)或逐步地減小色散，并提供時(shí)間寬度為ΔT(Z)的變窄的輸出脈沖，ΔT(Z)根據(jù)下式確定
ΔT(Z)＝ΔT(0)e-pZ(式6)其中ΔT(0)是z＝0時(shí)的脈沖寬度，如果色散的變化率也是呈指數(shù)的和絕熱的(adiabatic)，p是脈沖的色散變化率。對(duì)于絕熱脈沖，變窄的p必須小于零。
本發(fā)明的門或開關(guān)可以進(jìn)一步包括光學(xué)元件使通過門或開關(guān)傳播的脈沖的輸出脈沖寬度變寬，以使當(dāng)該脈沖退出門或開關(guān)時(shí)，處于其原來的輸入脈沖寬度(可以是標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)脈沖寬度)。在邏輯門中，脈沖變寬元件最好是設(shè)置在波長選擇濾波器14之前，而在本發(fā)明的開關(guān)實(shí)施例中，脈沖變寬光學(xué)元件最好設(shè)置在分束器32之前。
較佳地用色散增加光纖(DIF)62來實(shí)現(xiàn)脈沖變寬。色散增加光纖能沿其長度方向連續(xù)或逐漸地增加色散，并增加傳播通過光纖的脈沖的時(shí)間寬度ΔT(Z)，ΔT(Z)可根據(jù)下式得到ΔT(Z)＝ΔT(0)epZ(式7)其中ΔT(0)為z＝0時(shí)的脈沖寬度，如果色散的變化率也是呈指數(shù)和絕熱的(adiabatic)，p是脈沖的色散變化率。對(duì)于絕熱脈沖，變寬的p必須大于零。
為更詳細(xì)地討論色散布增加和色散減小光纖，請(qǐng)參見光波技術(shù)雜志第9卷第5期(1991年5月)第561-566頁上V.Bogatyrev等撰寫的“色散沿長度變化的單模光纖”一文。
脈沖變窄和變寬也可以利用線性調(diào)頻脈沖、光折射、光纖布拉絡(luò)光柵來實(shí)現(xiàn)。光纖光柵更小(長度約為1-10nm)但在中心設(shè)計(jì)波長上有反射，因此需要另外的元件取出壓縮的脈沖。色散專用光纖可以絕熱地壓縮或擴(kuò)展孤波，同時(shí)保持其形變受限的脈沖形狀。線性調(diào)頻脈沖光纖光柵通過使光以相反方向(反向)發(fā)射也可以延伸脈沖。
在激勵(lì)出喇曼散射之后，在門或開關(guān)的耦合器輸出光纖22中構(gòu)制使脈沖變寬的脈沖變寬元件可以提供另外一些優(yōu)點(diǎn)。即，增加了波長偏移的可檢測(cè)性。通常，當(dāng)把脈沖的時(shí)間寬度變寬時(shí)，其光譜分布變窄了。因此，通過在激勵(lì)出喇曼散射之后使耦合器輸出脈沖的寬度變寬，可以增加在正常工作頻帶內(nèi)(例如鉺放大器增益頻帶)能檢測(cè)到的濾波器可檢測(cè)波長的數(shù)量。因此，在開關(guān)配備多條輸出線的情況下，使耦合器輸出脈沖的光譜變窄尤其有用。
可以控制門或開關(guān)的輸出光纖內(nèi)DDF或DIF的材料特性，以獲得要求的喇曼閾值，并且在選擇輸入條件的情況下產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牟ㄩL偏移。然而，較佳地，提出一種設(shè)計(jì)控制，使本發(fā)明的器件包括獨(dú)立長度的光纖并指定為中央光纖64，控制喇曼閾值和波長偏移。門或開關(guān)的輸出光纖22的中央光纖64通過光學(xué)方式連接在脈沖壓縮器件60的輸出端上，使傳播的脈沖沒有足夠的脈沖寬度得到明顯的喇曼散射效果，一直到脈沖到達(dá)中央光纖64。因而，輸出光纖22中輸出脈沖20的所有喇曼散射基本上都發(fā)生在中央光纖64內(nèi)。中央光纖64可以是色散減小光纖，設(shè)計(jì)成如果中央光纖64長到足以使損失明顯地使脈沖變寬，則保持孤波的脈沖寬度。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生隨多個(gè)輸入脈沖的輸入圖形變化的邏輯輸出的方法，其中每個(gè)輸入脈沖具有預(yù)定的高狀態(tài)功率電平，其特征在于，所述方法包含下列步驟把多個(gè)輸入脈沖耦合到輸出光纖上，產(chǎn)生功率電平接近等于所述輸入脈沖的功率電平之和的耦合器輸出脈沖，所述多個(gè)輸入脈沖具有原始的輸入脈沖寬度，所述輸出光纖具有喇曼閾值；當(dāng)所述輸出脈沖的功率電平超過所述喇曼閾值時(shí)，激勵(lì)所述耦合器輸出脈沖的喇曼散射，所述激勵(lì)步驟有選擇地使所述輸出脈沖的波長偏移；以及在所述脈沖具有對(duì)應(yīng)于要得到“0”邏輯輸出的輸入圖形的情況下，利用波長選擇濾波器阻斷所述輸出脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述每個(gè)輸入脈沖具有至少是所述喇曼閾值1/M倍的功率電平，其中，M為輸入端數(shù)，所述濾波步驟僅讓波長對(duì)應(yīng)于每個(gè)輸入為高的條件的脈沖通過，以使所述方法提供與邏輯操作。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述每個(gè)輸入脈沖的功率電平約在所述喇曼閾值的1/M與1/(M-1)倍之間，其中M為輸入端數(shù)，所述濾波步驟阻斷波長未偏移的脈沖，使所述方法提供與邏輯操作。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)輸入脈沖是兩個(gè)輸入脈沖，每個(gè)輸入脈沖的高狀態(tài)功率電平都高于所述喇曼閾值，所述濾波步驟阻斷無偏移的脈沖和波長對(duì)應(yīng)于兩個(gè)輸入都為高條件的脈沖，使所述方法提供異或邏輯操作。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)輸入脈沖為兩個(gè)輸入脈沖，每個(gè)輸入脈沖的高狀態(tài)功率電平約在0.5與1.0倍所述喇曼閾值之間，所述濾波步驟阻無偏移的脈沖，使所述方法提供異或邏輯操作。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合步驟包括這樣一個(gè)步驟，即把所述耦合器輸出的功率電平保持在接近基本孤波次數(shù)的電平上，以限制所述耦合器輸出的光譜波動(dòng)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合步驟包括這樣一個(gè)步驟，即把所述耦合器輸出的功率電平保持在約N＝0.5與N＝2之間的孤波次數(shù)上，以限制所述耦合器輸出的光譜波動(dòng)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包含下列步驟把所述耦合器輸出脈沖的時(shí)間寬度變窄到數(shù)量級(jí)為1ps或更小的寬度上，以使所述耦合器輸出脈沖產(chǎn)生有效的脈內(nèi)喇曼散射。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包含下列步驟利用色散減小光纖把所述耦合器輸出脈沖的時(shí)間寬度變窄到數(shù)量級(jí)為1ps或更小的寬度上，以使所述耦合器輸出脈沖產(chǎn)生有效的脈內(nèi)喇曼散射。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括下列步驟變寬所述輸出脈沖的時(shí)間寬度，使所述脈沖的寬度接近等于所述原始輸入脈沖的寬度。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括下列步驟利用包散增加光纖變寬所述輸出脈沖的時(shí)間寬度，使所述脈沖的寬度接近等于所述原始輸入脈沖的寬度。
12.一種把輸入脈沖轉(zhuǎn)換到多條可能的輸出線中所選擇的輸出線上的方法，其特征在于，所述方法包含下列步驟把輸入脈沖與控制脈沖耦合到輸出光纖上，以產(chǎn)生功率電平接近等于所述輸入脈沖和所述控制脈沖組合功率電平的耦合器輸出脈沖，所述輸出光纖具有喇曼閾值，所述輸入脈沖具有孤波次數(shù)和原始脈沖寬度；如果所述耦合器輸出脈沖的電平功率超過所述喇曼閾值，則激勵(lì)所述耦合器輸出脈沖的喇曼散射，所述激勵(lì)步驟使所述耦合器輸出脈沖的波長偏移由所述耦合器輸出脈沖的功率電平確定的量；把所述耦合器輸出脈沖分束成多個(gè)開關(guān)輸出脈沖；以及用波長選擇濾波器濾波所述多個(gè)開關(guān)輸出脈沖的每一個(gè)脈沖，所述濾波步驟根據(jù)所述濾波器的通帶和所述開關(guān)脈沖的波長，由所述控制脈沖確定通過或不通過開關(guān)輸出脈沖。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述輸入脈沖的功率電平接近等于所述喇曼閾值。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述耦合步驟包括這樣一個(gè)步驟，即把所述耦合器輸出的功率電平保持在接近基本孤波次數(shù)的電平上，以限制所述耦合器輸出脈沖的光譜波動(dòng)。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述耦合步驟包括這樣一個(gè)步驟，即把所述耦合器輸出的功率電平保持在約N＝0.5與N＝2之間的電平上，以限制所述耦合器輸出的光譜波動(dòng)。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包含下列步驟把所述耦合器輸出脈沖的時(shí)間寬度變窄到數(shù)量級(jí)為1ps或更小的寬度上，以使所述耦合器輸出脈沖產(chǎn)生有效的喇曼散射。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包含下列步驟利用邑散減小光纖把所述耦合器輸出脈沖的時(shí)間寬度變窄到數(shù)量級(jí)為1ps或更小的寬度上，以使所述耦合器輸出脈沖產(chǎn)生有效的喇曼散射。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包含下列步驟變寬所述輸出脈沖的時(shí)間寬度，以使所述脈沖的寬度接近等于原始輸入脈沖的寬度。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包含下列步驟利用色散增加光纖變寬所述輸出脈沖的時(shí)間寬度，以使所述脈沖的寬度接近等于原始輸入脈沖的寬度。
20.一種光學(xué)邏輯門，其特征在于，包含多條輸入線，每條輸入線適于傳輸預(yù)定功率電平的輸入脈沖；具有喇曼閾值的輸出光纖；耦合所述輸入線的耦合裝置，所述耦合裝置適于把多個(gè)所述輸入脈沖耦合到所述輸出光纖上，所述耦合裝置產(chǎn)生功率電平接近等于所述輸入脈沖的總功率電平的耦合器輸出脈沖；激勵(lì)裝置，適于當(dāng)所述輸出脈沖的功率電平超過所述喇曼閾值時(shí)有選擇地激勵(lì)所述耦合器輸出脈沖的喇曼散射，所述激勵(lì)裝置有選擇地偏移所述輸出脈沖的波長；以及波長選擇濾波器，適于阻斷所述脈沖的波長對(duì)應(yīng)于要求結(jié)果為“0”邏輯輸出的輸入圖形的所述輸出脈沖。
21.一種光學(xué)開關(guān)，其特征在于，包含輸入線，適于傳輸輸入脈沖，所述輸入脈沖具有預(yù)定的功率電平；控制線，適于傳輸控制脈沖；具有喇曼閾值的輸出光纖；耦合裝置，耦合所述輸入線和所述控制線，所述耦合裝置適于把所述輸入脈沖和所述控制脈沖耦合到所述輸出光纖上，所述耦合裝置產(chǎn)生功率電平接近等于所述輸入脈沖和所述控制脈沖的組合功率電平的耦合器輸出脈沖；激勵(lì)裝置，如果所述耦合器輸出脈沖的功率電平超過所述喇曼閾值，有選擇地激勵(lì)所述耦合器輸出脈沖的喇曼散射，所述激勵(lì)步驟使所述耦合器輸出脈沖的波長偏移所述耦合器輸出脈沖的功率電平確定的量；與所述輸出光纖連接的分束裝置，用于把所述耦合器輸出脈沖分束成多個(gè)開關(guān)輸出脈沖；多條輸出線，每條輸出線適于接收一個(gè)所述分束器輸出脈沖；多個(gè)波長選擇濾波器，每個(gè)濾波器連接在一條所述輸出線上，所述每個(gè)濾波器適于根據(jù)所述濾波器的通帶和所述開關(guān)脈沖的波長，由所述控制脈沖確定通過或不通過開關(guān)輸出脈沖。
全文摘要
脈內(nèi)喇曼散射應(yīng)用于提供光學(xué)器件,這種器件可以實(shí)現(xiàn)各種邏輯和開關(guān)功能。在本發(fā)明的邏輯門的實(shí)施例中,耦合多個(gè)中心波長相同的脈沖(16,18),產(chǎn)生功率電平等于輸入的總功率電平的輸出脈沖(24)。當(dāng)足夠窄的輸出脈沖的功率電平超過喇曼閾值時(shí),輸出脈沖的波長有一偏移,偏移量可以通過調(diào)節(jié)輸入功率來控制。光學(xué)濾波器(14)根據(jù)所要求的器件的邏輯操作,有選擇地阻斷耦合器輸出脈沖。在根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)(10)中,耦合輸入脈沖(28)和控制脈沖(16),激勵(lì)輸出脈沖的喇曼散射。把輸出脈沖(4)加到幾條輸出線上,每條輸出線具有一個(gè)定于預(yù)定通帶中心的濾波器。因而,根據(jù)控制脈沖的幅度,把輸入脈沖通到所選的輸出線上。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1205779SQ96199173
公開日1999年1月20日 申請(qǐng)日期1996年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月22日
發(fā)明者艾倫·F·埃文斯 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司