[发明专利]使用非线性元件的全光逻辑门

说明书

本申请为于2008年10月14日提交、申请号为200680054226.3、发明名称为“使用非线性元件的全光逻辑门”的中国专利申请的分案申请。所述母案申请的国际申请日为2006年12月6日，国际申请号为PCT/US2006/046507。

技术领域

本发明涉及用作全光逻辑门的光学设备。更具体地，数字光信号被组合并被提供给非线性元件，如光学谐振器或谐振腔开关，它们的谐振频率被调整为产生期望的逻辑输出信号。

背景技术

在电子设备中，由晶体管构成的逻辑门构成数字电路的基本元件。所述门接收基于电压的输入，产生与期望的逻辑功能对应的基于电压的输出信号。

近年来，人们已开始对开发与电子逻辑门的特性类似的光学设备产生兴趣。产生这种兴趣的原因在于光信号在集成电路中可比电信号传输得快，因为光信号不受电容的制约，而电容使逻辑状态之间的切换速度减慢。鉴于对更快切换速度的需求不断增长，因此预期在将来，如果在电子学方面缺乏显著的技术进步，则对数字光学设备的使用即使不是必须的也将会变得越来越令人期望。

然而，使用光学设备形成集成逻辑电路存在特别的挑战。由于光的特性，光进行传播但不能被存储。在所期望的长的时间内稳定地代表一个逻辑电平的能力成为一个问题。因此，期望提供可用于使用光信号稳定地代表逻辑状态的光逻辑门。

再有，已经建立了使用光部件的产业，这些光部件主要使用调幅光信号，其中光脉冲的振幅或强度代表数字逻辑状态。任何能够在光学上对数据进行存储和处理的能力理想上也应当与现有的光通信基础设施兼容。

在一些光调制方案中，由多于两个的波幅电平来代表数据。这种做法的问题在于它需要对要被进行逻辑操作的光信号的振幅进行很精确的控制。例如，在与(AND)门中，如果两个脉冲都处于高或“1”逻辑电平，在本例中用为“1”的振幅代表，那么输出的振幅将是这两个电平的线性和或“2”。然后，将“2”传输到下一级的逻辑门，该下一级必须被配置成将“2”解释为代表高逻辑电平，而将“1”或“0”解释为代表低逻辑电平。这样，当逻辑门被级联时，两个或更多个高电平相加的问题变得更加复杂。所以，人们希望提供能避免这一问题的光电路。

当信号穿过光学设备传播时，传播损失变成通常会阻止光学设备级联的重要问题。再有，实现在密集集成的基片中向光信号提供增益在当前有技术上的和实践中的障碍。如果能以其他方式管理数字光信号的恢复，则对若干光逻辑门的级联将是可能的。

非线性光学谐振腔通常用于实现全光切换。术语“非线性”特指一种谐振器，构成该谐振器的材料的折射率依赖于谐振器内部的强度或功率。入射功率依赖于输入信号的组合，而入射功率又决定谐振器内部的折射率。谐振器的谐振频率对其折射率的依赖关系如下：

f＝qc/2nL，

其中f是谐振器的谐振频率，c是光速，L是谐振器的长度，q是一个正整数，n是折射率。谐振器的无载折射率和长度可被调整，使得谐振频率与输入载频略有不同，由此使得只有具有足够功率的光才能增大或减小谐振器的折射率达到足以使谐振器的谐振频率移动至等于输入的载频。一旦输入光在谐振器内谐振，则光子有高得多的谐振器寿命，由此有更大比例的输入被传输通过谐振器作为输出。谐振器能根据所设计的输入功率的量容易地从不透光状态切换到透光状态的能力是非线性谐振腔成为全光开关最常见的形式的原因。

足够的功率能使非线性谐振器切换到传输，然而，更大的输入功率量将进一步使谐振器的谐振频率移动，直至它不再与载频匹配，从而切断输出。这种特性总被认为是不希望有的，因为传统的数字设计要求一旦达到阈值就有恒定的输出电平，而不管输入电平如何。在研究和产业界，当前的思想和技术未能认识到这一特性反而会通过以下方式而对设计者有好处：实现全光逻辑将会比现在更加受欢迎地被考虑。

通过使非线性谐振器的无载谐振频率等于输入载频，所述非线性谐振器还可起到与上述解谐谐振器相反的作用。具有相对较低功率的输入将被传输，而具有相对较高功率的输入将使谐振器移出谐振状态从而切断输出。人们至今还没有认识到，如果与上述其他特性结合使用，那么非线性元件的这种相反功能是有用的。

发明内容

本发明在各种实施例中公开的设备相应地克服了一个或多个上述问题，并实现了下述进一步的优点。