基于孤子控制的载流子储备库型SOA马赫-曾德尔干涉仪的超快全光逻辑门

《Optics & Laser Technology》：Ultrafast All-Optical logic gates based on Soliton-Controlled Carrier-Reservoir SOAs Mach–zehnder interferometers

　　

•首个孤子辅助的 CR-SOA-MZI 架构，用于光学逻辑处理。
•在统一的 120 Gb/s 平台上实现了六种布尔逻辑功能。
•孤子抑制色散、抖动和码间干扰。
•CR-SOAs 实现超快载流子恢复和稳定的相位切换。
•Q 因子高达 35.22，优于已报道的基于 SOA 的逻辑方案。

引言
人工智能、高性能计算、光互连和下一代通信网络的快速发展，对超快且节能的信息处理平台提出了前所未有的需求 [1], [2], [3]。传统的电子处理架构在接近太比特每秒级时，越来越受到带宽限制、电阻损耗、热耗散和互连瓶颈的困扰。因此，光子计算凭借其固有的优势，包括超宽带宽、低延迟、并行处理能力和低功耗，作为一种有前景的解决方案脱颖而出 [4], [5], [6]。
在各种光子计算方法中，全光逻辑门是未来光处理器、光交换系统和光子神经网络的基本构建模块，因为它们能够在不需要光电转换的情况下直接操纵光信息 [4], [11], [12], [13], [14], [15]。为了实现超快逻辑功能，已经探索了各种光学平台，包括光子晶体、微环谐振器、等离子体结构和半导体光放大器（SOA）[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]。在这些技术中，基于 SOA 的逻辑器件由于其紧凑的尺寸、高非线性响应、与光子集成的兼容性以及多功能操作能力而引起了广泛关注 [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]。
基于 SOA 的光学逻辑工作原理主要依赖于非线性效应，包括交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM），这些效应实现了对光信号强度和相位的控制 [17], [18], [19], [20], [21], [22]。几种 SOA 辅助架构，如马赫 - 曾德尔干涉仪（SOA-MZIs）、延迟干涉仪和并行干涉结构，已证明可以在高数据速率下实现各种布尔运算 [23], [24], [25], [26], [27]。然而，传统基于 SOA 系统的性能从根本上受到缓慢的载流子恢复、增益饱和、放大自发辐射（ASE）噪声和模式相关失真的限制，这些限制在超高速操作下变得更加严重 [17], [18], [19]。
为了克服这些限制，引入了载流子存储半导体光放大器（CR-SOAs），通过在有源区相邻处增加一个载流子存储区，允许快速的载流子转移并在饱和后加速增益恢复 [19], [37], [38], [39], [40], [41], [42]。CR-SOAs 增强的载流子动力学实现了高速全光信号处理和逻辑应用的显著提升。
值得注意的是，量子点半导体光放大器（QD-SOAs）代表了一种替代技术，能够通过润湿层的存在实现超快增益恢复 [49]。虽然 QD-SOAs 展示了卓越的速度和精度，但它们需要严格控制量子点的大小、密度和材料均匀性，这大大复杂化了制造并限制了可扩展性 [49]。相比之下，CR-SOAs 可以使用成熟的基于 InP 的外延生长工艺和常规半导体制造技术来实现，提供了更高的制造良率和可重复性 [37], [50]。这种固有的耐受性促进了其在大规模片上光子集成电路（PICs）中的无缝实施，使 CR-SOAs 成为近期应用的更实际选择。此外，CR-SOAs 已经展示了皮秒级的增益恢复和超过 100 Gb/s 数据速率的成功操作 [37], [38], [39], [40], [41], [42]。
尽管如此，即使改善了载流子恢复，在强非线性相互作用后保持超短光脉冲的时间完整性仍然是一个关键挑战。载流子耗尽、载流子加热（CH）、光谱烧孔（SHB）和非线性相位调制可能会引入脉冲失真、时间波动和波形退化，特别是在高速操作下。光学孤子提供了一种解决脉冲退化的有前景的方法，因为它们在传播过程中通过自相位调制（SPM）和异常色散之间的平衡来保持其时间轮廓 [7], [8], [9], [10]。与通常用于基于 SOA 的光学逻辑系统中的常规高斯脉冲相比，孤子表现出对脉冲展宽、定时抖动和码间干扰的更好抵抗力，使其成为超快非线性光处理的有吸引力候选者 [8], [9], [10]。
由于几个关键优势，提出了 MZI 配置用于该架构，优于单开关实现。首先，MZI 能够在统一架构内实现所有六种布尔逻辑功能（异或、同或、与、与非、或、非），而单开关实现通常仅支持基于 XGM 的有限功能 [16]。其次，基于 MZI 的开关通过相位到强度的转换实现了更好的消光比，可以在逻辑“0"状态产生近乎完全的破坏性干涉，而基于 XGM 的开关在零电平存在残余输出且增益动力学不对称。第三，MZI 提供波长无关操作，消除了与基于 XGM 方案相关的光滤波需求。虽然单 CR-SOA 开关可能提供较低的复杂性，但 MZI 配置提供了卓越的多功能性、更高的逻辑保真度和增强的光子集成可扩展性。最近的演示确认了在 100–120 Gb/s 下成功实施 CR-SOA-MZI 架构进行全光逻辑处理 [38], [39], [40], [41], [42]，验证了它们对所提出的孤子辅助方案的适用性。
尽管取得了这些进展，仍有一些研究空白未得到解决：(1) 孤子脉冲保持与 CR-SOA 超快载流子动力学的集成尚未被系统探索；(2) 大多数先前的研究仅评估了有限的逻辑功能子集，而实际应用中希望有多功能平台；以及 (3) 传统性能指标并未量化非线性处理后的波形保持情况，这对于孤子系统至关重要。此外，以前的调查主要使用品质因子（QF）、消光比（ER）、误码率（BER）和伪眼图（PED）分析来评估系统性能 [21], [53], [54], [55]。虽然这些指标有效地表征了逻辑判决可靠性和噪声容限，但它们并未直接量化非线性处理后原始光脉冲波形的保持情况。对于孤子辅助的光学计算系统，保持孤子的特征时间形状是至关重要的，因为波形失真会影响非线性相位调制效率、干涉稳定性和整体切换可靠性。因此，需要额外的波形保真度指标来更全面地评估孤子逻辑架构。
在本工作中，我们提出了一个新型的光学孤子辅助载流子存储半导体光放大器马赫 - 曾德尔干涉仪（soliton-CR-SOAs-MZIs）架构，并进行数值研究，用于超快多功能全光逻辑处理。所提出的方案利用色散抗性孤子传播和 CR-SOAs 中超快载流子补充的结合优势，在 120 Gb/s 数据速率下实现六种基本布尔逻辑功能（异或、同或、与、与非、或、非）。使用 QF、ER、PED 和皮尔逊相关系数（PCC）分析进行综合性能评估，以评估逻辑保真度、噪声鲁棒性和时间波形保持。此外，系统地调查了关键物理和操作参数的影响，包括线宽增强因子（α）、饱和功率（Psat）、色散系数（D）、脉冲能量（E0）、数据速率和 ASE 噪声。获得的结果表明，所提出的孤子控制 CR-SOAs-MZIs 架构与以前报道的基于 SOA 的全光逻辑方案相比，实现了卓越的逻辑性能、优异的波形保持和增强的鲁棒性，为未来的超高速度集成光子计算系统提供了一条有前景的途径。

章节片段
模型和工作原理
所提出的孤子-CR–SOAs–MZIs 全光逻辑方案的整体架构如图 1 所示。系统由五个模块组成：输入编码、孤子脉冲生成、包含 CR-SOA 超快载流子动力学和 MZI 干涉单元的非线性干涉核心、逻辑门实现和性能评估。为了抑制色散引起的脉冲失真并在 120 Gb/s 下保持高峰值功率，一个（27-1）位伪随机二进制序列（PRBS）被

逻辑门的性能
在六种基本逻辑门中，异或门表现出最佳输出性能。如图 9 所示，QF 和 ER 分别达到 35.22 dB 和 27.68 dB，远超系统验收标准（QF > 6）。这表明孤子脉冲的稳定时间轮廓和 CR-SOAs 的超快载流子恢复共同维持了 120 Gb/s 下的稳定干涉调制。图 9、图 10、图 11、图 12、图 13、图 14 a 和 b 显示了输入波形

与现有逻辑架构的比较分析
表 4 比较了所提出的 soliton-CR-SOAs-MZIs 架构与文献中报道的代表性基于 SOA、CR-SOA 和 QD-SOA 的全光逻辑方案的性能。比较清楚地表明，与以前报道的配置相比，所提出的方法同时实现了卓越的信号质量和多功能性。传统的基于 SOA 的逻辑门从根本上受到体 SOA 载流子恢复动力学的限制，其

潜在实验装置
为了在实验上验证所提出的 CR-SOAs-MZIs 架构，可以使用市售的超快光通信组件实现原理验证装置。图 21 展示了潜在实验配置的示意图，分为三个主要阶段：脉冲源和孤子生成、CR-SOA-MZI 逻辑核心以及测量和分析。在第一阶段，一个工作在 1550 nm 附近的锁模光纤激光器（MLFL）作为光脉冲

结论
提出并数值研究了一种新型的光学孤子辅助载流子存储半导体光放大器马赫 - 曾德尔干涉仪（soliton-CR-SOAs-MZIs）架构，用于超快全光逻辑处理。通过将光学孤子的色散抗性传播特性与 CR-SOAs 的皮秒级载流子恢复能力相结合，所提出的架构成功实现了六种基本布尔逻辑功能（异或、同或、与、

CRediT 作者贡献声明
Jiali Cui：初稿撰写、软件、方法论、调查、资金获取、数据整理、概念化。Kyriakos E. Zoiros：审阅与编辑、调查。Ian Sandall：审阅与编辑。Wei Chen：审阅与编辑。Amer Kotb：审阅与编辑、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据整理、概念化。

资金
作者声明在准备本文期间未收到任何资金、拨款或其他支持。

未引用参考文献
[29], [32], [33], [34], [35], [36], [43], [44], [45], [69], [70], [71].

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢
Amer Kotb 真诚感谢西交利物浦大学研究发展基金（RDF-23-02-001）提供的关键支持。

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