[論文レビュー] On the SOA-based MZI all-optical logic gates for all-optical networks

Qing Jie Zheng|arXiv (Cornell University)|May 1, 2012

Optical Network Technologies参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、半導体光増幅器を用いたマハチンドル・インターオンメーター（SOA-MZI）を用いて、クロス位相変調（XPM）を活用した高速全光論理ゲートを提案する。数値シミュレーションを通じて、やや中程度のデバイスパラメータでも、全光ネットワークに適した高性能な全光論理処理を達成できることを示している。

ABSTRACT

In this paper, an all-optical logic scheme which exploits the cross-phase modulation (XPM) effect in semiconductor-optical-amplifier-assisted Mach-Zehnder Interferometer (SOA-MZI), is proposed, performance analyzed and parameters optimized. The proposal is validated and the system performance under various parameters is examined through numerical simulations. With only moderate parameters, high-speed all-optical AND gate based on SOA-MZI is realized with fairly high performance. The results are helpful for designing of SOA-based all-optical logic devices.

研究の動機と目的

• 全光ネットワーク向けに、SOA-MZI技術を用いた高速全光論理ゲート方式の開発を目的とする。
• 半導体光増幅器（SOA）におけるクロス位相変調（XPM）効果を活用し、全光信号処理を実現することを目的とする。
• さまざまなシステムパラメータ下での提案されたSOA-MZI論理ゲートの性能を分析・最適化することを目的とする。
• 数値シミュレーションを通じて、提案された手法の実現可能性と効率性を検証することを目的とする。
• 実用的な性能指標を伴うSOAベースの全光論理デバイスの設計指針を提供することを目的とする。

提案手法

• 全光信号処理を可能にするために、アームに半導体光増幅器（SOA）を用いたマハチンドル・インターオンメーター（MZI）構成を採用する。
• SOAにおけるクロス位相変調（XPM）を用い、制御信号の状態に応じてプローブ信号の位相を変化させる。
• 2つのアーム間の位相差が検出器での出力状態（論理1または0）を決定するようにMZIを設計する。
• 消光比と信号対雑音比を最大化するために、SOA電流、入力パワー、デバイス長さなどの主要パラメータを最適化する。
• フルベクトルモデルを用いた数値シミュレーションを実施し、さまざまな条件下でのシステム性能を評価する。
• 非一様な増幅と非線形位相シフトが論理ゲートのスイッチング忠実度に与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XPMに基づくSOA-MZI構成は、中程度のデバイスパラメータでも高性能な全光論理処理を達成できるか？
• RQ2 SOAにおけるクロス位相変調効果は、論理ゲートのスイッチング速度と消光比にどのように影響するか？
• RQ3 消光比を最大化するための最適な動作パラメータ（例：SOA電流、入力パワー）は何か？
• RQ4 入力信号パワーとSOAバイアス条件の変化に伴い、システム性能はどのように変化するか？
• RQ5 高速全光ネットワークにおいて、SOA-MZI論理ゲートはどれほど高い消光比と低いクロストークを維持できるか？

主な発見

• 提案されたSOA-MZI全光ANDゲートは、低SOA電流や低入力パワーといったやや中程度のデバイスパラメータでも、高い性能を達成している。
• 数値シミュレーションにより、XPMによって誘発される位相シフトが、高い消光比を実現する論理状態間の効果的スイッチングを可能にしていることが確認された。
• 高いビットレートでも良好な性能を維持していることから、高速全光ネットワークへの適性が示された。
• SOA電流と入力パワーの最適化により、出力信号の消光比と信号対雑音比が顕著に向上した。
• 結果から、SOA-MZIアーキテクチャは、将来の全光ネットワークにおける全光論理ゲートとして実現可能で効率的なソリューションであることが示された。
• 本研究は、シミュレーションによる検証を経た実用的な性能指標を伴う、SOAベースの全光論理デバイスの設計フレームワークを提供した。