光逻辑运算的非门和与门制造技术

本发明专利技术涉及光逻辑运算的非门和与门，它们是用于实现光逻辑的“非”和“与”运算的全光器件。这种全光器件由半导体激光器，电吸收（ＥＡ）调制器，ＰＩＮ光电二极管以及光纤（或光波导）构成，结构简单、功耗低、可在半导体材料基片上采用集成电路制作工艺实现。本发明专利技术可以进行光数字逻辑运算还可构成光的单稳态触发器、光信号控制的光调制器、光信号控制的光开关等全光器件，可应用于波分复用光纤通信系统，全光通信网络以及光计算机中。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光逻辑运算器件的非门和与门，属于光电子

技术介绍
非门、与门和或门是进行逻辑运算的基本单元，由它们的组合就可以实现所有逻辑运算的功能。由于光逻辑中的或门可以由简单的2×1无源光耦合器实现，所以实现光非门和光与门则成为实现光逻辑运算的关键。目前，光非门和光与门的研究仍处于探索阶段，已经有一些基于半导体光放大器或光纤非线性四波混频效应的光与门研究报道。参考文献(1)Fortenberry，R.，A.J.Lowery，W.L.Ha，and R.S.Tucker，″Photonic Packet Switch UsingSemiconductor Optical Amplifier Gates″，Electron.Lett.，1991，27，pp.1305-1307.(2)NESSET，D.，TATHAM，M.C.，COTTER，D.，and WESTBROOK，L.D.″Degenerate wavelength operation of an ultrafast all-optical AND gateusing four wave mixing in a semiconductor laser amplifier″，Electron.Lett.，1994，30，(23)，pp.1938-1940.(3)NESSET，D.，TATHAM，M.C.，andCOTTER，D.″All-optical AND gate operating on 10 Gbit/s signals at thesame wavelength using four-wave mixing in a semiconductor laseramplifier″，Electron.Lett.，1995，31，(25)，pp.896-897.但现有技术的系统结构复杂，成本高，效率低，不可能采用集成电路工艺实现，因而也不可能构成光逻辑运算器件。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够执行光逻辑运算并且结构简单、功耗低并能在半导体材料基片上采用集成电路制造工艺实现的光逻辑运算器件。本专利技术提供的用于光逻辑运算的非门和与门的特征在于这种全光器件由半导体激光器、电吸收(EA)调制器、PIN光电二极管以及光纤(或光波导)构成，其输入、输出信号和控制信号均为光信号，结构简单、功耗低、可在半导体材料基片上采用集成电路制作工艺实现。本专利技术的具体实施可通过实例参考以下附图加以说明。图1和图2是本专利技术提供的光逻辑运算非门和与门的光路、电路图，以下简称光非门及光反相调制器为“非门”，光与门及光同相调制器为“与门”。一、如图1所示，非门包括由光纤A1和PIN光电二极管A2.构成的光信号输入系统以及由半导体激光器3，电吸收(EA)调制器A4和光纤B5构成的光信号输出系统，PIN光电二极管A2与电吸收(EA)调制器A4相串联并与直流电源构成电回路，半导体激光器3的输出光功率直接耦合到电吸收(EA)调制器A4。非门的工作过程如下(一)当光纤A1中无光信号输入时，PIN光电二极管A2的反向电阻将远大于电吸收(EA)调制器A4的反向电阻，因此电吸收(EA)调制器A4上的反向偏置电压趋于0。此时电吸收(EA)调制器A4的插入损耗较小，光纤B5中有光信号输出。(二)当光纤A1中有光信号输入时，PIN光电二极管A2的反向电阻可远小于电吸收(EA)调制器A4的反向电阻，因此电吸收(EA)调制器A4上的反向偏置电压趋于Vcc。此时电吸收(EA)调制器A4的插入损耗很大，光纤B5中无光信号输出。因此，本专利技术可以作为光逻辑的非门或光信号的倒相器。二、如图2所示，与门包括由光纤A1和PIN光电二极管A2构成的光信号输入系统A，由光纤B5和电吸收(EA)调制器B7构成的光信号输入系统B，由激光器3、PIN光电二极管A2、PIN光电二极管B6和电吸收(EA)调制器A4、电吸收(EA)调制器B7构成的控制系统以及由电吸收(EA)调制器B7和光纤C8构成的光信号输出系统。PIN光电二极管A2与电吸收(EA)调制器A4相串联并和直流电源构成电回路；PIN光电二极管B6与电吸收(EA)调制器B7相串联并和直流电源构成电回路。与门的工作过程如下(1)当光纤A1中有光信号输入到PIN光电二极管A2时，PIN光电二极管A2的反向电阻将远小于电吸收(EA)调制器A4的反向电阻，因此电吸收(EA)调制器A4上的反向偏置电压将趋于Vcc并且产生很大的插入损耗，此时PIN光电二极管B6上将无光信号输入。当PIN光电二极管B6上无光信号输入时，PIN光电二极管B6的反向电阻将远大于电吸收(EA)调制器B7的反向电阻，因此电吸收(EA)调制器B7上的反向偏置电压将趋于0并且插入损耗会降到最小。此时，如果光纤B5中也有输入光信号则光纤C8中将有光信号输出，否则光纤C8中将无光信号输出。(2)当光纤A1中无光信号输入到PIN光电二极管A2时，PIN光电二极管A2的反向电阻将远大于电吸收(EA)调制器A4的反向电阻，因此电吸收(EA)调制器A4上的反向偏置电压将趋于0并且插入损耗会降到最小，此时PIN光电二极管B6上将有光信号输入。当PIN光电二极管B6上有光信号输入时，PIN光电二极管B6的反向电阻将远小于电吸收(EA)调制器B7的反向电阻，因此电吸收(EA)调制器B7上的反向偏置电压将趋于Vcc并且产生很大的插入损耗。此时，不论光纤B5中有无输入光信号，光纤C8中都不会有光信号输出。显然，只有当输入光信号A和B都存在时，输出光纤C8中才有光信号输出。因此，本专利技术可以作为光逻辑的与门或全光信号调制器。本专利技术能够执行光逻辑运算并且结构简单、功耗低，是能在半导体材料基片上采用集成电路制造工艺实现的光逻辑运算器件。本专利技术不但实现了光数字逻辑运算还可构成光的单稳态触发器、光信号控制的光调制器、光信号控制的光开关等全光器件，可应用于波分复用光纤通信系统，全光通信网络以及光计算机中。说明书附图说明图1、光非门及光反相调制器图2、光与门及光同相调制器图3、非门输入信号与输出信号消光比的关系图中1-光纤A，2-PIN光电二极管A，3-激光器，4-EA调制器A，5-光纤B，6-PIN光电二极管B，7-EA调制器B，8-光纤C。实施例本专利技术的实例即图1所示的光非门和图2所示的光与门。其中非门输入信号与输出信号消光比的关系如图3所示。权利要求1.一种执行光逻辑运算的非门，包括光信号输入系统、光信号输出系统，其特征在于1)光信号输入系统由光纤A(1)，PIN光电二极管A(2)构成；2)光信号输出系统由半导体激光器(3)，电吸收(EA)调制器A(4)和光纤B(5)构成。2.根据权利要求1所述的光逻辑运算非门，其特征在于1)电吸收(EA)调制器A(4)和PIN光电二极管A(2)相串联并施加反向直流偏置电压Vcc；2)半导体激光器(3)的输出光功率直接耦合到电吸收(EA)调制器A(4)。3.一种执行光逻辑运算的与门，包括光信号输入系统、光信号输出系统以及光控制系统，其特征在于1)光信号输入系统A由光纤A(1)，PIN光电二极管A(2)构成；2)光信号输入系统B由光纤B(5)，电吸收(EA)调制器B(7)构成；3)光信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种执行光逻辑运算的非门，包括光信号输入系统、光信号输出系统，其特征在于： １）光信号输入系统由光纤Ａ（１），ＰＩＮ光电二极管Ａ（２）构成； ２）光信号输出系统由半导体激光器（３），电吸收（ＥＡ）调制器Ａ（４）和光纤Ｂ（５）构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王子宇，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]