DE4029626A1 - Ultraschnelle, optische logikvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Vorrichtungen und insbesondere optische Logikvorrichtungen.

Optische Vorrichtungen sind in den letzten Jahren entwickelt worden, die in Verbindung mit konventionellen Übertragungssystemen betrieben werden, um komplexe optische Signalverarbeitungen durchzuführen. Diese Vorrichtungen können in zwei Hauptklassen eingeteilt werden: In hohem Maße parallelgeschaltete Vorrichtungen zur Ausführung von kombinatorischen (Boolescher) Funktionen und in Beziehung herstellende Vorrichtungen, beispielsweise Schalter und Koppler, die einen direkten Zusammenhang oder eine Abbildung zwischen den Eingangs- und Ausgangstoren herstellen. Die letztgenannten Vorrichtungen arbeiten zwar mit einer hohen Bitrate, können aber nur einfache Funktionen realisieren. Im allgemeinen sind diese Vorrichtungen nicht in der Lage, "intelligente" Signalverarbeitungen durchzuführen, da sie keine Booleschen Operationen realisieren können. Parallelvorrichtungen dagegen führen zwar logische Operationen aus, arbeiten aber mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit und begrenzen damit die Bitrate der optischen Signale, die die Vorrichtungen durchlaufen.

Ultraschnelle, optische Logikvorrichtungen einschließlich UND, NICHT, NOR und EXOR-Gatter werden mit Hilfe doppelbrechender Fasern realisiert, in dem das Phänomen des Soliton-Einfangens zwischen zwei optischen Eingangssignalen ausgenützt wird. Diese optischen Logikvorrichtungen weisen zwei Anschlüsse für zwei orthogonal zueinander polarisierte Soliton-Eingangssignale und einen Anschluß für ein Ausgangssignal auf. Im Betrieb weisen die Vorrichtungen eine Phasenunempfindlichkeit, eine niedrige Schaltenergie, ein hohes Kontrastverhältnis zwischen den logischen Ausgangspegeln und die Möglichkeit zur Kaskadierung auf. Durch optisches Filtern des aus den beiden Eingangssignalen gebildeten optischen Summensignals am Ausgang der doppelbrechenden Faser lassen sich die gewünschten kombinatorischen (Booleschen) Logikoperationen ausführen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden ein erstes und ein zweites optisches Datensignal in die zwei Hauptachsen (schnelle und langsame Achse) einer doppelbrechenden Faser eingekoppelt. Ein auf die Mittenfrequenz des ersten und zweiten optischen Datensignals abgestimmtes Spektralfilter verwirklicht eine EXOR-Operation, wohingegen ein Spektralfilter eine UND-Operation realisiert, wenn es auf eine Mittenfrequenz abgestimmt wird, die sich auf die durch das Phänomen des Soliton-Einfangens hervorgerufene spektrale Verschiebung bezieht. Ferner realisiert ein Spektralfilter in Kombination mit einem Polarisator eine NICHT-Operation.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Mach-Zehnder-Interferometereinrichtung in Kombination mit einem Spektralfilter und einem Polarisator verfügbar gemacht, die ebenfalls eine UND-Operation realisiert. Eine weitere alternative Vorrichtung zur Ausführung einer UND-Operation wird realisiert, indem das Mach-Zehner-Interferometer aus einer Faserschleifen-Spiegeleinrichtung in Verbindung mit einem optischen Koppler gebildet wird.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel bestehend aus einer Faser, einem selektiven Polarisationskoppler, einem Spektralfilter und einem Polarisator kann eine NOR-Verknüpfung realisiert werden.

Gemäß den Grundsätzen der Erfindung ermöglichen die verschiedenen Ausführungsbeispiele, daß alle optischen Signale im wesentlichen die gleiche Wellenlänge aufweisen und sich als Solitone ausbreiten können. Folglich kann der Ausgang einer optischen Logikvorrichtung in Kaskade mit dem Eingang einer anderen optischen Logikvorrichtung geschaltet werden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung dient die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1, 6, 7, 8 und 9 Ausführungsbeispiele optischer Logikvorrichtungen nach den Prinzipien der Erfindung, einschließlich eines EXKLUSIV-ODER-, eines Inverters, eines UND- und eines NOR-Gatters; und

Fig. 2 bis 5 in Diagrammen die Kurvenverläufe der optischen Eingangs- und Ausgangssignale für die optische Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei die normierte Intensität über der Frequenz aufgetragen ist.

Optische Logikvorrichtungen einschließlich von EXKLUSIV-ODER, Inverter und NOR-Gattern sind nach den Prinzipien der Erfindung konstruiert worden. Die optischen Logikvorrichtungen nützen das Einfangphänomen von orthogonal polarisierten Solitonen aus, die sich in doppelbrechenden optischen Fasern ausbreiten.

Es erscheint daher hilfreich, zuerst die Natur der Solitone und des Soliton-Einfangphänomens kurz zu diskutieren, bevor eine detaillierte Beschreibung der optischen Logikvorrichtungen gemäß der Erfindung erfolgt.

Gemäß der Fourier-Transformation erfahren bandbegrenzte optische Impulse, die sich durch eine optische Faser fortpflanzen, in Folge einer Veränderung der Gruppengeschwindigkeit, auch Gruppengeschwindigkeitdispersion genannt, eine Impulsverbreiterung. Eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion resultiert aus einer linearen Abhängigkeit des Brechungsindexes von dem Frequenzspektrum. Das bedeutet, daß sich verschiedene Spektralanteile eines optischen Impulses mit unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten ausbreiten, die zu einer zeitlichen Verbreiterung des sich ausbreitenden optischen Impulses führen. Darüber hinaus weist die Faser einen nicht linearen Effekt (Selbst-Phasenmodulation) dritter Ordnung auf, der bewirkt, daß der Brechnungsindex n der Faser nach der Formel n=n₀+n₂I von der Lichtintensität I abhängt, worin n₀ der lineare Brechungsindex und n₂ der nichtlineare Brechungsindex ist. Kompensieren sich die negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion und der nichtlineare intensitätsabhängige Effekt, so bildet sich in der Faser ein Soliton. Ein optisches Eingangsfeld, das durch die Gleichung u=(1+a) sech(t) gegeben ist, enthält einen Grundsoliton, wenn die Amplitude a in dem Bereich -1/2<a<1/2 liegt. Darüber hinaus ist für einen optischen Impuls mit der Impulsdauer τ die Spitzenleistung P₁ notwendig, um einen Soliton in einer Monomodefaser mit einem wirksamen Modenfeldbereich A_eff zu erzeugen. Die Spitzenleistung P₁ ist gegeben durch die Gleichung

worin P₁ die Leistung des Grundsolitons, Z₀ die Solitonperiode und D die Dispersion in psec/nm · km ist. Weitere detaillierte Erläuterungen zu den Solitonen sind in der nachstehend genannten Literaturstelle angeführt, Hasegawa et al., Appl. Phys. Lett., Vol 23, Nr. 3, Seiten 142 bis 144, (1973).

Zwar sind Solitone nichtlineare optische Impulse, die sich im annormalen Zustand (D<0) der Faser ohne Dispersion ausbreiten, doch können sich Solitone mit unterschiedlichen Polarisationszuständen noch mit einer unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeit ("walk-off") als Folge der Doppelbrechung der Faser ausbreiten. Doppelbrechung ist die Eigenschaft eines Materials, die bewirkt, daß sich zwei verschiedene Polarisationszustände aufgrund eines ordentlichen und eines außerordentlichen Brechungsindex des Materials mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, d. h. das Material weist für jeden Polarisationszustand einen anderen Brechungsindex auf.

Inzwischen konnte nachgewiesen werden, wie sich orthogonal polarisierte Solitone gegenseitig einfangen und in Folge eines intensitätsabhängigen Effektes, der die Doppelbrechung kompensiert, als Einheit ausbreiten. Siehe dazu auch C. R. Menyuk, Optics Letter, Vol. 12, Nr. 8, Seiten 614 bis 616, (1987) und C. R. Menyuk, J. Opt. Soc. Am. B., Vol. 5, Nr. 2, Seiten 392 bis 402, (1988). Genaugenommen verschieben sich die spektralen Mittenfrequenz zweier Solitone in entgegengesetzter Richtung, so daß in Folge der Gruppengeschwindigkeitsdispersion das Soliton entlang der schnellen Achse abgebremst wird, während das Soliton entlang der langsamen Achse beschleunigt wird. Da sich auf diese Weise die Gruppengeschwindigkeiten beider Solitone ausgleichen, breiten sich die Solitone als Einheit aus. Das eingefangene Solitonpaar erscheint nach einer Zeit t+Δt am Ausgang der Faser, wobei t die Zeit ist, nach welcher ein einzelnes Soliton am Ausgang erschienen wäre.

Als Beispiel werden 300 fsec breite und orthogonal polarisierte, sich in einer Faser ausbreitende Solitonimpulse (λ=1,685 µm) betrachtet, wobei jeder Solitonimpuls eine Polarisationsdispersion ΔB′ von 80 psec/km aufweist und sich sein Frequenzspektrum jeweils um 0,52 THz verschiebt. Jedoch verschieben sich die Frequenzspektren von orthogonal zueinander polarisierten Solitonen in entgegengesetzter Richtung. Für eine gegebene Doppelbrechung und Faserlänge wird eine Mindestintensität gefordert, damit in der Faser das Einfangphänomen auftritt. In diesem Beispiel sind Impulse mit einer Energie von ungefähr 42 pJ erforderlich, damit sie sich in einer 20 Meter langen Faser einfangen.

Verschiedene optische Logikvorrichtungen, die keine kritische Vorspannung erfordern, sind unter Ausnutzung des zuvor beschriebenen Phänomens konstruiert worden. Es sei darauf hingewiesen, daß die optischen Eingangssignale Impulse mit ausreichender Amplitude darstellen müssen, damit sie sich als Solitone in einer Faser ausbreiten können. Außerdem sollten die Solitone im wesentlichen die gleiche Wellenlänge aufweisen, das heißt das gleiche Frequenzspektrum besitzen. Außer den unterschiedlichen Polarisationszuständen zwischen den optischen Eingangssignalen bestehen zwischen ihnen keine weiteren physikalischen Unterschiede. Die optischen Eingangssignale können mit Hilfe optischer Linsen, Koppler oder Fasern, die beispielsweise bikonische Anschlußteile verwenden, in die Vorrichtungen eingekoppelt werden. Der Betrieb ist unempfindlich gegenüber einer relativen Phasenverschiebung zwischen den Eingangssignalen und außerdem kann der Ausgang einer Vorrichtung grundsätzlich in Kaskade mit dem Eingang einer anderen Vorrichtung geschaltet werden.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer optischen Vorrichtung mit drei Anschlüssen nach den Grundsätzen der Erfindung gezeigt, das eine EXKLUSIV-ODER- Funktion realisiert. Die Vorrichtung weist zwei optische Eingänge und einen optischen Ausgang auf. Es sei darauf hingewiesen, daß während des Betriebes der optischen Vorrichtung das Phänomen des Soliton-Einfanges innerhalb einer doppelbrechenden Faser 104 zwischen den einzelnen Datenimpulsen eines optischen Eingangssignals 101 (Datensignal A) und den einzelnen Datenimpulsen eines optischen Eingangssignal 102 (Datensignal B) auftritt. Deshalb verknüpft die Vorrichtung jeden Impuls der Datensignale A und B entsprechend einer EXKLUSIV-ODER-Funktion. Mit anderen Worten, die optische Vorrichtung realisiert eine EXKLUSIV-ODER- Funktion nach der Vorschrift f (A, B)=A⊕B. Ein optisches Signal 103 (Signal C′) stellt das Kombinationssignal aus den Datensignalen A und B dar. Ferner ist das optische Signal 101 gegenüber dem optischen Signal 102 orthogonal polarisiert. Übliche Polarisatoren, Polarisationsrotationsvorrichtungen (nicht gezeigt) können benutzt werden, um das Eingangssignal entsprechend zu polarisieren. Mit einem am Ausgang der Faser 104 positionierten Frequenzfilter 105 wird ein optisches Signal 106 (Datensignal C) gewonnen, das die EXKLUSIV-ODER- Funktion der Signal A und B darstellt. Das Filter 105 kann ein Fabry-Perot-Etalon sein, ein Beugungsgitter oder dergleichen. Diese Filter können aus diskreten Elementen, beispielsweise Fasern, aufgebaut oder sogar auf einem Substrat integriert werden.

Um die Wirkungsweise dieser Vorrichtung verstehen zu können, wird die Aufmerksamkeit jetzt auf die Fig. 2 bis 5 in Verbindung mit Fig. 1 gerichtet. Eine Beschreibung der Wirkungsweise einer EXKLUSIV-ODER-Funktion folgt unten. Weist das optische Signal A oder das optische Signal B eine ausreichende Amplitude auf, so daß sich ein Soliton innerhalb der Faser 104 ausbilden kann, so wird es als logische 1 interpretiert, wohingegen eine fehlende oder dispersive Wellenamplitude des optischen Signals A oder des optischen Signals B eine logische 0 darstellt. Fig. 2 zeigt das Frequenzspektrum der optischen Signale 101 und 102, die eine logische 1 darstellen. Die optischen Signale 101 und 102 weisen eine Mittelfrequenz von ν₀ auf. Es ist bekannt, daß die Wellenlänge λ mit der Frequenz ν₀ über die Gleichung λ=c/ν₀ in Beziehung steht. Bezieht man sich deshalb auf die Frequenz, so besteht über die obige Gleichung auch ein direkter Bezug auf die Wellenlänge.

Wird das Filter 105 auf die Mittenfrequenz der optischen Signale 101 und 102 abgestimmt und ist das Signal A oder das Signal B vorhanden, dann stimmt die Amplitude des übertragenen optischen Signals 106 (Signal C) im wesentlichen mit der Amplitude des optischen Signals 101 oder 102 überein.

Fig. 3 zeigt das Frequenzspektrum des optischen Signals 106 für diesen besonderen Fall.

Obwohl die Eingangs- und Ausgangsmittenfrequenzen übereinstimmen, unterscheiden sich doch ihre spektralen Bandbreiten in Abhängigkeit vom Frequenzbandpaß des Filters 105. Das Phänomen des Solitoneinfanges tritt zwischen den zusammenfallenden optischen Eingangssignalen A und B auf. Nach dem oben gesagten, wird die spektrale Spitze von jedem Datensignal um eine spektrale Frequenz Δν₀ innerhalb der Faser 104 verschoben, um die Polarisationsdispersion zu kompensieren. Die spektrale Verschiebung ist abhängig von der Gruppengeschwindigkeitsdispersion, der Polarisationsdispersion, und der Länge der Faser 104 sowie dem Frequenzspektrum der optischen Signale 101 und 102. Eine gute Schätzung der spektralen Verschiebung ist gegeben durch Δλ∼Δβ′/2D, worin Δλ die Wellenlängenverschiebung aller Solitone, Δβ′ die Polarisationsdispersion in psec/km und D die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in psec · (nm · km)^-1 ist.

In Fig. 4 ist das Frequenzspektrum des Signals C′ dargestellt, das die spektrale Verschiebung der optischen Signale 101 und 102 zeigt. Es sollte klar sein, daß für den Fall, daß beide Datensignale A und B den logischen Zustand 1 annehmen, das Ausgangsdatensignal C′ in Folge der spektralen Frequenzverschiebung beider Datensignale A und B durch das spektrale Filter 105 fast völlig gesperrt wird.

In Fig. 5 ist das Frequenzspektrum für das Datensignal C mit einem logischen Ausgangspegel 0 dargestellt. Gemäß den Fig. 3 und 5 entspricht der normierte größere Intensitätspegel dem logischen Ausgangszustand 1 und der normierte kleinere Intensitätspegel dem logischen Ausgangszustand 0. Beide logischen Ausgangszustände sind keine Funktion der absoluten Intensitäten, sondern vielmehr eine Funktion der relativen Intensität zwischen den Amplitudenpegeln des Datensignals C. Aufgrund der vorangegangenen Diskussion erkennt der Durchschnittsfachmann, daß die optische Vorrichtung als ein EXKLUSIV-ODER-Gatter arbeitet. Mit anderen Worten, nur wenn das optische Signal A oder das optische Signal B logisch 1 ist, kann das optische Signal 103 das Filter 105 durchlaufen, andernfalls nicht. Deshalb arbeitet die Vorrichtung gemäß der untenstehenden Wahrheitstabelle.

Indem ein Polarisator (nicht gezeigt) in Kaskade mit dem Filter 105 geschaltet wird, kann die optische Vorrichtung nach Fig. 1 so umgebaut werden, daß sie als Inverter (NICHT) arbeitet. Der Polarisator kann zwar verschiedenartig gestaltet sein, doch liegt diesen Bauformen immer derselbe physikalische Mechanismus zugrunde, wonach ein besonderer Polarisationszustand ausgewählt wird und alle anderen Zustände unterdrückt werden. Speziell in diesem Fall überträgt der Polarisator nur ein optisches Signal das den gleichen Polarisationszustand wie das optische Signal 102 (Signal B) aufweist. Wird das Signal B auf dem logischen Zustand 1 gehalten, so nimmt das den Polarisator durchlaufende optische Ausgangssignal einen dem Datensignals A entgegengesetzten logischen Zustand an. Mit anderen Worten, die optische Vorrichtung bildet nun die Boolesche Funktion f(A)=.

Wird die Mittenfrequenz des Bandpasses des Filters 105 auf die spektrale Frequenz ν+Aν₀ oder auf ν-Δν₀ abgestimmt, so realisiert die optische Vorrichtung nach Fig. 1 eine UND-Funktion: f(A, B)=A · B. Mit anderen Worten, das Phänomen des Soliton-Einfangens tritt nur auf, wenn die Signale A und B vorhanden sind und deshalb das optische Signal 103 das Filter 105 durchlaufen kann. Eine UND-Funktion wird gemäß ihrer Wahrheitstabelle, wie sie unten dargestellt ist, beschrieben.

Obwohl die Mittenfrequenz des Datensignals C von der Mittenfrequenz der Datensignale A und B abweicht, kann die Vorrichtung in Kaskade geschaltet werden. Der zusätzliche Mehraufwand liegt darin, daß die Mittenfrequenzen der Filter in aufeinanderfolgenden Vorrichtungen verschoben und abwechselnd auf die Frequenz ν+Δν₀ und ν-Δν₀ abgestimmt werden müssen.

Bei einem praktischen Experiment wurden optische Impulse mit einer Breite von 300 fsec und einer Wellenlänge von 1,685 µm als optisches Signal 607 (Signal A) und 608 (Signal B) verwendet, um die EXKLUSIV-ODER-Funktion f(A, B)=A⊕B darzustellen.

Nach Fig. 6 wurden optische Strahlen 607 und 608 aus einem mehrquanten, farbzentrierten NaCl-Laser mit guten passiven, Moden unterdrückenden Eigenschaften gewonnen. Um die Eingangsleistung auf die doppelbrechende Faser 610 abzustimmen, wurde ein verstellbares Dämpfungsglied 602 hinter den Laser 601 angeordnet. Linsen, die die optischen Signale in die Faser 610 ein- und auskoppeln, sind nicht dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß Fasern mit optischen Verbindungselementen verwendet werden können, um die Signale in die Hauptachsen der Faser 610 einzukoppeln. Die doppelbrechende Faser 610 war näherungsweise 20 Meter lang und wies eine Polarisationsdispersion von 80 psec/km, eine Null-Dispersionswellenlänge von 1,51 µm und einen Dispersionsabfall von 0,05 psec/km · nm² auf. Ein optischer Isolator 603 verhinderte eine Rückkopplung in den Laser 601. Polarisierende Strahlteiler 605 und 606 spalteten die vom Laser 601 kommenden optischen Impulse und führten sie in Verbindung mit Spiegeln 614 und 615 zusammen, um optische Signale 607 und 608 zu erzeugen. Eine Halb-Wellenplatte 604 stellte die Amplituden der Signale A und B im wesentlichen auf einen gleichen Pegel ein, wobei die Halb-Wellenplatte 609 die Polarisationszustände der Signale A und B entlang der gewünschten Faserachsen ausrichtete. Ein Fabry-Perot-Etalon, das als Frequenzfilter 611 dient, wurde mit einem Spiegel 612 und 613 (85%ige Reflexionsfähigkeit) aufgebaut. Wird der Abstand zwischen den Spiegeln 612 und 613 auf 75 µm eingestellt, dann besitzt das Etalon eine Mittenfrequenz von 20 THz und eine Bandbreite Δν von ungefähr 0,2 THz. In diesem Fall wurde das Fabry-Perot-Etalon so eingestellt, daß die Bandpaßmittenfrequenz mit der Mittenfrequenz der optischen Signale 607 und 608 zusammenfiel. Wurde nur eines der Datensignale A oder B (ungefähr 42 pJ-Impuls) in die Faser 610 eingestrahlt, so verbreiterte sich das optische Signal 616 zeitlich von 300 fsec bis 620 fsec, aber eine spektrale Verschiebung wurde nicht beobachtet. Fielen jedoch die Datensignale A und B zeitlich zusammen, dann wurde eine Frequenzverschiebung von ungefähr 1,03 THz zwischen den spektralen Spitzen der optischen Signale 607 und 608 beobachtet, die aufgrund des Phänomens des Soliton-Einfangens auftrat. Außerdem verjüngten sich die eingefangenen Impulse (Signal A und B) in der Mitte auf 400 fsec. Ein hohes Kontrastverhältnis zwischen einer logischen 0 und einer logischen 1 am Ausgang des Filters 611 wurde erzielt. Es wurde insbesondere ein 8 : 1 Kontrastverhältnis gemessen. Mit anderen Worten, die Amplitude des optischen Signals 616 (Signal C) war acht Mal größer, wenn eines der beiden Signale A oder B vorhanden war, als wenn die Signale A und B gleichzeitig vorhanden waren.

Es bleibt festzuhalten, daß, obwohl die Frequenzen der optischen Signale 607, 608 und 616 im wesentlichen gleich waren, sich das optische Signal 616 zeitlich verbreiterte und zwar näherungsweise umgekehrt proportional zu dem Frequenzbandpaß des Filters 611 gemäß 1/Δν. Um die optische Vorrichtung mit einer anderen Vorrichtung in Kaskade schalten zu können, sollte das Datensignal C sich als ein Soliton fortpflanzen können. Dies würde ein Vergrößern des Filterbandpasses notwendig machen, wodurch sich das Kontrastverhältnis zwischen den logischen Ausgangspegeln aber erniedrigen würde. So wurde beispielsweise das Kontrastverhältnis der logischen Ausgangspegel auf 5 : 1 reduziert, indem Spiegel (Bandpaß ungefähr 0,58 THz) mit einem Reflexionsvermögen von 70% verwendet worden sind.

Fig. 7 erläutert ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine optische UND-Vorrichtung, die die Ausgangssignalfrequenz nicht verschiebt. Diese Ausführung benutzt ein Mach-Zehnder-Interferometer. Bei einem Mach- Zehnder-Interferometer wird ein optisches Eingangssignal auf zwei getrennte optische Pfade mit leicht unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten verteilt, um einen gewünschten Effekt zu erzeugen. So wird beispielsweise ein optisches Signal in eine Eingangsfaser eingekoppelt und nach einer kurzen Strecke durch einen Signal spaltenden Y-Ast in zwei armförmige Fasern eingespeist. Die Ausbreitungskonstante für einen Faserast oder für beide Faseräste wird so festgelegt, daß sich eine relative Phasenverschiebung zwischen den optischen Signalen in jedem Faserast einstellt, sobald die Signale durch einen zusammenführenden Y-Ast wieder in eine Ausgangsfaser eingekoppelt werden.

Wie Fig. 7 zeigt, weist das Mach-Zehnder- Interferometer Eingangsfasern 701 und 702, einen Signal teilenden Y-Ast 703, einen Koppler 713, einen Signal zusammenführenden Y-Ast 704, Interferometer-Armfasern 705 und 706 und eine Ausgangsfaser 707 auf. Ebenso sind neben dem Interferometer ein Frequenzfilter 708 und ein Polarisator 709 dargestellt. Das Interferometer bildet in Verbindung mit dem Filter 708 und dem Polarisator 709 eine UND-Logikvorrichtung. Das Frequenzfilter 708 besitzt einen Bandpaß, dessen Mittenfrequenz auf die Mittenfrequenz der optischen Signale 710 (Datensignal A) und 711 (Datensignal B) abgestimmt ist. Der Polarisator 709 ist so ausgerichtet, daß er ein optisches Signal mit dem gleichen Polarisationszustand wie dem des optischen Strahls 711 durchläßt. Ferner sind die Ausbreitungskonstanten der Arme des Interferometers so bemessen, daß der relative Phasenunterschied zwischen den Armen 705 und 706 zu einer destruktiven Interferenz führt und eine logische 0 am Ausgang des zusammenführenden Y-Ast 704 erzeugt wird, wenn das Datensignal B alleine auftritt. Tritt das Datensignal A allein auf, dann durchläuft es zwar das Filter 708, aber es wird durch den Polarisator 709 gesperrt, da "A" nicht den richtigen Polarisationszustand aufweist. Das Phänomen des Solitoneinfangens tritt in dem Arm 705 auf, sobald das Datensignal A und das Datensignal B vorhanden sind. Folgerichtig erzeugen sie, wenn sich die optischen Signale in den Faserarmen 705 und 706 vereinen, keine destruktive Interferenz, da beide Signale aufgrund des in dem Arm 705 auftretenden Phänomens des Solitoneinfangens spektral und zeitlich versetzt sind. Das Datensignal B in dem Arm 706 durchläuft deshalb sowohl das Filter 708 als auch den Polarisator 709. Dementsprechend realisiert die optische Vorrichtung eine UND-Funktion, d. h., das Datensignal C ist nur dann logisch 1, wenn die Datensignale A und B gleichzeitig den logischen Zustand 1 annehmen.

Fig. 8 erläutert ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine optische UND-Vorrichtung. Eine Faserschleifenspiegelanordnung bestehend aus einer Faser und einem 3-dB-Koppler 804, bildet hierbei das Mach-Zehnder- Interferometer. Der optische Eingangsstrahl 805 (Signal B) wird in zwei optische Signale B_cw und B_ccw zerlegt. Dies bewirkt der 3-dB-Koppler 804. Ein die Faser 802 im Uhrzeigersinn (in Verbindung mit dem Signal B_cw) und ein die Faser 802 gegen den Uhrzeigersinn durchlaufender Pfad (in Verbindung mit dem Signal B_ccw) bilden die zwei Arme des Interferometers, so wie es durch die Pfeile in Fig. 8 angedeutet ist. Neben dem Faserschleifenspiegel sind ein Frequenzfilter 808, ein selektiver Polarisationskoppler 803 und ein Polarisator 809 gezeigt. Die Mittenfrequenz des Bandpasses des Filters 808 ist auf die Mittenfrequenz der optischen Eingangssignale 806 (Signal A) und 805 (Signal B) abgestimmt. Wie in den voranstehenden Ausführungsbeispielen sind die zwei optischen Eingangssignale orthogonal zueinander polarisiert. Der Polarisator 809 ist so ausgerichtet, daß ein optisches Signal hindurchlaufen kann, das den gleichen Polarisationszustand wie das optische Signal 805 (Signal B) aufweist. Das allein vorhandene Datensignal A wird von der Faser 801 über den selektiven Polarisationskoppler 803 in einen im Uhrzeigersinn durchlaufenen Arm des Faserschleifenspiegels 802 eingekoppelt. Das Datensignal A durchläuft zwar das Filter 808, wird aber durch den Polarisator 809 gesperrt, da es nicht den richtigen Polarisationszustand aufweist. Der Faserschleifenspiegel ist so bemessen, daß der relative Phasenunterschied zwischen den aufgespalteten Datensignalen B_cw und B_ccw zur destruktiven Interferenz führt und eine logische 0 am Ausgang des Kopplers 804 erzeugt wird, wenn das Datensignal B allein vorhanden ist. Das Phänomen des Soliton-Einfangens tritt in der Faser 802 zwischen den Signalen A und B_cw nur dann auf, wenn die Signale A und B vorhanden sind. Daraus ergibt sich, daß für den Fall, daß sich die Datensignale A und B (_Bcw und B_ccw) im Koppler 804 wieder vereinen, keine destruktive Interferenz auftritt, da die Signale A und B_cw eine spektrale und zeitliche Verschiebung aufweisen. Eines der aufgespalteten Signale B (_Bccw) kann deshalb das Filter 808 und den Polarisator 809 durchlaufen. Das optische Ausgangssignal 807 (Signal C) stellt deshalb die UND-Verknüpfung der Datensignalen A und B dar.

Zu den obengenannten Ausführungen kann gemäß den Grundsätzen der Erfindung eine optische Vorrichtung zur Darstellung einer NOR-Operation konstruiert werden.

Wie in Fig. 9 dargestellt, weist die optische Vorrichtung Fasern 901, 909 und 910, einen selektiven Polarisationskoppler 905, ein Filter 906 und einen Polarisator 907 auf. Optische Signale 903 (Datensignal A) und 904 (Datensignal B) sind orthogonal zu einem optischen Signal 902 (Freigabesignal) polarisiert. Die Mittenfrequenz des Bandpasses des Filters 906 fällt mit der Mittenfrequenz der optischen Signale 902, 903 und 904 zusammen. Darüber hinaus läßt der Polarisator 907 nur ein optisches Signal durchlaufen, das den gleichen Polarisationszustand wie das optische Signal 902 aufweist. Es wird weiter festgehalten, daß das optische Signal 902 zeitlich mit den optischen Signalen 903 und 904 zusammenfällt. Mit anderen Worten, das optische Signal 902 stimmt mit den optischen Signal 903 am Eingang der Faser 901 und mit dem optischen Signal 904 am selektiven Polarisationskoppler 905 überein. Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende. Beim Fehlen der optischen Signale 903 und 904 durchläuft das optische Signal 902 das Filter 906 und den Polarisator 907. Das optische Signal 908 (Datensignal C) mit großer Intensität erscheint deshalb am Ausgang des Polarisators 907. Ist das optische Signal 903 gemeinsam mit dem optischen Signal 902 (Freigabesignal) vorhanden, dann tritt das Phänomen des Soliton-Einfangens zwischen den Impulsen dieser optischen Signale auf. Demgemäß tritt eine spektrale Verschiebung in den optischen Signalen 902 und 903 auf und das optische Signal 908 erscheint als eine logische 0. In ähnlicher Weise fängt das über den selektiven Polarisationskoppler 905 eingekoppelte optische Signal 904 das optische Signal 902 in der Faser 910 ein, so daß eine logische 0 am Ausgang des Polarisators 907 detektiert wird, wenn nur die optischen Signale 902 und 904 übereinstimmen. Das Vorhandensein aller drei optischen Signale 902, 903 und 904 führt zu einem logischen Ausgangszustand 0 des optischen Signals 908. In diesem Fall tritt das Phänomen des Soliton- Einfangens innerhalb der Faser 901 zwischen den optischen Signalen 902 und 903 auf und infolgedessen wechselwirkt das optische Signal 904 weder mit dem optischen Signal 902 noch mit dem optischen Signal 903 aufgrund ihrer unterschiedlichen Frequenzen und Zeitverschiebungen. Deshalb kann keines der optischen Signale 902, 903 und 904 die Filterkombinationen 906 und 907 durchlaufen. Daraus folgt, daß die Vorrichtung eine NOR-Funktion nach der Vorschrift: f(A, B)= realisiert.

Soll eine Vorrichtung in Kaskade geschaltet werden, so solte sich das Ausgangssignal wünschenswerterweise als Soliton in einer Eingangsfaser einer nachfolgenden optischen Vorrichtung ausbreiten. In dem Amplitudenbereich -1/2<a<1/2 bildet sich das Soliton adiabatisch zurück, um einen π-förmigen Impuls mit einem asymptotisch verlaufenden elektrischen Feld gemäß der Gleichung u₀₀ = (1+2a) sech [(1+2a)t] zu bilden. Für a<0 verbreitert sich das Soliton in der Faser und für a<0 verjüngt sich das Soliton. Um Vorrichtungen in Kaskade schalten zu können, verlangt ein exemplarisches Verfahren, daß der Ausgangspegel einer logischen 1 einer Vorrichtung in dem Bereich -1/2<a<1/2 und der Ausgangspegel einer logischen 0 in dem Bereich a<-1/2 liegt.

Bezüglich der doppelbrechenden Eigenschaft von Fasern bleibt festzuhalten, daß für den Fall, daß das Phänomen des Soliton-Einfangens zwischen zwei orthogonal polarisierten Solitonen auftreten soll, die Trennung zwischen den beiden Solitonen nach einer Entfernung Z₀ kleiner oder gleich der Impulsbreite τ der optischen Eingangssignale sein soll. Dafür gilt die Formel Δβ′ · Z₀τ, wobei Δβ′ die Polarisationsdoppelbrechung ist und näherungsweise durch Δn/c (Δn ist die Brechungsindexdifferenz zwischen dem ordentlichen und außerordentlichen Brechungsindex) gegeben ist.

Verschiedene Änderungen können von einem Durchschnittsfachmann vorgenommen werden, die den Grundsätzen der Erfindung zugrunde liegen und in den Erfindungsbereich fallen. So kann beispielsweise das optische Signal durch eine Raman-Verstärkung einer anderen Faserlänge verstärkt werden, bevor das optische Ausgangssignal mit einem Eingang einer ähnlichen Vorrichtung in Kaskade geschaltet wird, wie es beispielsweise in der nachstehend genannten Literaturstelle beschrieben ist: L. F. Mollenauer et al., Opt. Lett., Vol. 10, Nr. 5, Seiten 229 bis 231, (1985). Unter Verwendung der Raman- Verstärkung kann das optische Ausgangssignal entsprechend der ursprünglichen Form und Intensität des optischen Eingangssignals regeneriert werden. Vorteilhafterweise ist die Ausbildung eines Basissoliton zur Regenerierung des logischen Pegels nützlich, um einen konstanten π-förmigen Impuls zu erhalten. Auf diese Weise bleibt eine logische 0 eine dispersive Welle, wohingegen ein logisches 1-Signal sich verjüngt und die nicht zum Soliton gehörenden Anteile vom Impuls entfernt werden, solange das optische Ausgangssignal verstärkt wird.

Claims (19)

1. Optische Logikvorrichtung zur Ausführung logischer Boolescher Operationen mit einem ersten und zweiten optischen Signal mit folgenden Merkmalen:
ein dielektrischer Wellenleiter (610) spricht auf das erste (607) und zweite (608) optische Signal an und bewirkt, daß das Phänomen des Soliton-Einfangens zwischen einzelnen Impulsen des ersten (607) und zweiten (608) optischen Signals auftritt, wobei das erste (607) und zweite (608) optische Signal im wesentlichen orthogonal zueinander polarisiert sind;
eine Einrichtung, die das erste (607) und zweite (608) optische Signal in den Eingang des dielektrischen Wellenleiters (610) einkoppelt; und
eine optisch mit einem Ausgang des dielektrischen Wellenleiters gekoppelte Einrichtung (611), die einen vorbestimmten Spektralbereich des ersten (607) und zweiten (608) optischen Signals filtriert.

2. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kopplungseinrichtung eine Einrichtung (605, 606, 614, 615) aufweist, die das zweite optische Signal (608) im wesentlichen orthogonal zu dem ersten optischen Signal (607) polarisiert.

3. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Filtereinrichtung (611) ein Fabry-Perot-Etalon ist.

4. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 3, bei der der dielektrische Wellenleiter (610) eine optische Faser ist.

5. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 4, bei der der vorbestimmte Spektralbereich auf die mittlere Wellenlänge des ersten (607) und zweiten (608) optischen Signals festgelegt ist, so daß die logische Boolesche Operation eine EXKLUSIV-ODER-Funktion ist.

6. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 4, bei der der vorbestimmte Spektralbereich auf die, infolge des Soliton-Einfangens des ersten und zweiten optischen Signals (607, 608) verursachte mittlere, spektrale Wellenlängenverschiebung festgelegt ist, so daß die logische Boolesche Operation eine UND-Funktion bildet.

7. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 3, mit einer Einrichtung (709), die optische mit dem Ausgang gekoppelt ist, und einen vorbestimmten Polarisationszustand des ersten und zweiten optischen Signals (710, 711) überträgt, wobei der vorbestimmte Polarisationszustand im wesentlichen der gleiche ist wie der des zweiten optischen Signals (711) und wobei der vorbestimmte Spektralbereich auf die mittlere Wellenlänge des ersen und zweiten optischen Signals (710, 711) festgelegt ist, so daß die logische Boolesche Operation eine UND-Funktion liefert.

8. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 7, bei der der dielektrische Wellenleiter einen ersten (705) und zweiten (706) optischen Pfad aufweist, um auf beiden optischen Pfaden eine optische Signalausbreitung zu unterstützen.

9. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 8, mit einer Einrichtung (713), die das erste optische Signal (710) in den ersten optischen Pfad (705) einkoppelt, mit einer Einrichtung (703), die das zweite optische Signal (711) in den ersten (705) und den zweiten (706) optischen Pfad einkoppelt, und mit einer Einrichtung (704), die den ersten (705) und zweiten (706) optischen Pfad zu einem Ausgangssignal zusammenführt.

10. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 9, bei der der dielektrische Wellenleiter eine erste (705) und zweite (706) optische Faser entsprechend dem ersten und zweiten optischen Pfad aufweist.

11. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 9, bei der der dielektrische Wellenleiter eine optische Faser (802), sowie den ersten und zweiten optischen Pfad entsprechend der gegensinnigen Ausbreitungsrichtungen innerhalb der optischen Faser (802) aufweist.

12. Optische Logikvorrichtung, die eine logische, Boolesche NOR-Operation mit einem ersten und zweiten optischen Signal ausführt, weist folgende Merkmale auf:
einen dielektrischen Wellenleiter, der auf das erste (903) und zweite (904) sowie auf ein drittes (902) optisches Signal anspricht und bewirkt, daß ein Soliton-Einfangen zwischen einzelnen Impulsen des ersten (903) und dritten (902) bzw. dem zweiten (904) und dritten (902) optischen Signal bei Fehlen des ersten optischen Signals (903) auftritt, wobei das dritte optische Signal (902) im wesentlichen orthogonal zu dem ersten (903) und zweiten (902) optischen Signal polarisiert ist; eine Einrichtung, die das erste, zweite und dritte optische Signal in den Eingang des dielektrischen Wellenleiter einkoppelt;
eine optisch an den Ausgang des dielektrischen Wellenleiters gekoppelte Einrichtung (906), die einen vorbestimmten Spektralbereich des ersten (903), zweiten (904) und dritten (902) optischen Signals ausfiltert, wobei der vorbestimmte Spektralbereich auf die mittlere Wellenlänge des ersten (903) und zweiten (904) optischen Signals festgesetzt ist; und
eine optisch an den Ausgang gekoppelte Einrichtung (907), die einen vorbestimmten Polarisationszustand des ersten (903) und zweiten (904) optischen Signals überträgt, wobei der vorbestimmte Polarisationszustand im wesentlichen der gleiche ist wie der des dritten optischen Signals (902).

13. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Kopplungseinrichtung eine Einrichtung aufweist, die das dritte optische Signal (902) im wesentlichen orthogonal zu dem ersten (903) und zweiten (904) optischen Signal polarisiert.

14. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Filtereinrichtung (906) ein Fabry-Perot-Etalon ist.

15. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 14, bei der der dielektrische Wellenleiter eine optische Faser ist.

16. Optische Logikvorrichtung, die eine logische Boolesche NICHT-Operation mit einem ersten optischen Signal ausführt, weist folgende Einrichtungen auf:
einen dielektrischen Wellenleiter (104), der auf das erste (101) und ein zweites (102) optisches Signal anspricht und bewirkt, daß das Soliton-Einfangen zwischen einzelnen Impulsen des ersten (101) und zweiten (102) optischen Signals auftritt, wobei das erste optische Signal (101) und das zweite optische Signal (103) im wesentlichen orthogonal zueinander polarisiert sind;
eine Einrichtung, die das erste und zweite optische Signal in den dielektrischen Wellenleiter einkoppelt;
eine optisch an den Ausgang des dielektrischen Wellenleiters gekoppelte Einrichtung (105), die einen vorbestimmten Spektralbereich des ersten (101) und zweiten (102) optischen Signals filtert, wobei der vorbestimmte Spektralbereich auf die mittlere Wellenlänge des ersten (101) und zweiten (102) optischen Signals festgelegt ist; und
eine mit dem Ausgang optisch gekoppelten Einrichtung, die einen vorbestimmten Polarisationszustand des ersten (101) und zweiten (102) optischen Signals überträgt, wobei der vorbestimmte Polarisationszustand im wesentlichen der gleiche ist wie der des zweiten optischen Signals.

17. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Kopplungseinrichtung eine Einrichtung aufweist, die das zweite (102) und das erste (101) optische Signal im wesentlichen orthogonal zueinander polarisiert.

18. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Filtereinrichtung (105) ein Fabry-Perot-Etalon ist.

19. Optische Logikvorrichtung nach Anspruch 18, bei der der dielektrische Wellenleiter (104) eine optische Faser ist.