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光电智能计算研究进展与挑战

中国激光 2022年第12期49卷 321-333页

作者：成骏伟江雪怡周海龙董建绩华中科技大学武汉光电国家研究中心湖北武汉430074 湖北光谷实验室湖北武汉430074

随着人工智能技术的高速发展,全球的计算量急剧增长,需要以快速、高效的方式处理海量数据,这对计算硬件的算力和能效提出了较高的要求。受限于电子器件的固有极限和冯·诺依曼架构,传统的电子计算在速度和能效方面遇到了难以突破的瓶颈... 详细信息

随着人工智能技术的高速发展,全球的计算量急剧增长,需要以快速、高效的方式处理海量数据,这对计算硬件的算力和能效提出了较高的要求。受限于电子器件的固有极限和冯·诺依曼架构,传统的电子计算在速度和能效方面遇到了难以突破的瓶颈。光电智能计算充分融合光学的多维复用、大带宽、低能耗等优势和电学的细粒度灵活控制特性,具有光算电控和软硬协同的特点,是一种更实用、更有竞争力的人工智能计算加速方案。回顾了光电智能计算的研究进展,探讨了目前用于光学信号处理和光学神经网络的主流计算架构在线训练算法以及算力、能效提升方面的挑战,并进行了展望。

关键词：光计算光电智能计算人工智能计算加速光学信号处理光学神经网络

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基于单个半导体光放大器的高速多功能逻辑门

物理学报 2008年第4期57卷 2222-2228页

作者：董建绩张新亮王阳黄德修华中科技大学光电子科学与工程学院武汉430074

采用半导体光放大器(SOA)中的非线性效应可以实现多种多样的高速全光信号处理.利用SOA的非线性效应(包括四波混频、交叉增益调制、瞬态交叉相位调制等)实现了多种功能的逻辑运算,包括"与"、"或非"、"同或"、"或"和"非".由于SOA用于全光... 详细信息

采用半导体光放大器(SOA)中的非线性效应可以实现多种多样的高速全光信号处理.利用SOA的非线性效应(包括四波混频、交叉增益调制、瞬态交叉相位调制等)实现了多种功能的逻辑运算,包括"与"、"或非"、"同或"、"或"和"非".由于SOA用于全光信号处理的调制速率受到增益恢复时间较慢的限制而无法实现高速的信号处理,在SOA后面级联一个带宽为0.32nm的失谐滤波器可以提高SOA的工作速率,仅用一个SOA实现了40Gbit/s的多功能逻辑门.

关键词：半导体光放大器全光逻辑门瞬态交叉相位调制

基于半导体光放大器四波混频效应的多种调制格式的波长转换实验

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光学学报 2008年第7期28卷 1327-1332页

作者：董建绩张新亮黄德修华中科技大学光电子科学与工程学院武汉光电国家实验室湖北武汉430074

实验报道了利用半导体光放大器(SOA)的四波混频(FWM)效应实现多种码型的波长转换,其中对于非归零(NRZ)信号实现了从单信道到三信道的多波长转换,调制速率从10 Gb/s到40 Gb/s均实现多波长转换。对于归零(RZ)信号分别实现了20 Gb/s和40 G... 详细信息

实验报道了利用半导体光放大器(SOA)的四波混频(FWM)效应实现多种码型的波长转换,其中对于非归零(NRZ)信号实现了从单信道到三信道的多波长转换,调制速率从10 Gb/s到40 Gb/s均实现多波长转换。对于归零(RZ)信号分别实现了20 Gb/s和40 Gb/s的RZ格式的波长转换和40 Gb/s的载波抑制归零(CSRZ)格式的波长转换,利用光纤布拉格光栅(FBG)作为带陷滤波器消除共轭光和抽运光之间的串扰。对于非归零差分相移键控(NRZ-DPSK)信号分别实现了20 Gb/s和40 Gb/s的波长转换,利用实验室自制的光纤延时干涉仪进行NRZ-DPSK信号的解调。基于FWM效应的转换光的输出消光比大于7 dB,转换后消光比退化约为3 dB。

关键词：半导体光放大器四波混频波长转换多点传送

基于单端耦合SOA的波长转换器啁啾特性分析

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光子学报 2005年第2期34卷 255-258页

作者：董建绩张新亮黄德修华中科技大学光电子工程系湖北武汉430074

提出了一种基于单端半导体光放大器 (SOA)的交叉增益调制型 (XGM)全光波长转换器结构,并针对这种结构建立了动态理论模型,以这个模型为基础分析了泵浦光功率、探测光功率、输出消光比、输入消光比对转换后信号啁啾的影响结果表明利用... 详细信息

提出了一种基于单端半导体光放大器 (SOA)的交叉增益调制型 (XGM)全光波长转换器结构,并针对这种结构建立了动态理论模型,以这个模型为基础分析了泵浦光功率、探测光功率、输出消光比、输入消光比对转换后信号啁啾的影响结果表明利用这种结构的波长转换器实现波长转换,在提高输出消光比的同时也降低了转换光的啁啾,较传统的波长转换器是一种改进.

关键词：半导体光放大器交叉增益调制全光波长转换器啁啾消光比

利用半导体光放大器和滤波器组合实现高速波长转换和码型转换

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中国激光 2007年第7期34卷 940-944页

作者：董建绩张新亮丁园沈平黄德修华中科技大学武汉光电国家实验室湖北武汉430074 南洋理工大学网络技术研究中心新加坡637553

将半导体光放大器(SOA)和滤波器组合使用是实现高速全光信号处理的有效途径。利用半导体光放大器和带宽为0.32nm的可调窄带滤波器同时实现了40Gbit/s的非归零(NRZ)信号的反相波长转换(WC)和非归零到伪归零(PRZ)信号的码型转换,波长转换... 详细信息

将半导体光放大器(SOA)和滤波器组合使用是实现高速全光信号处理的有效途径。利用半导体光放大器和带宽为0.32nm的可调窄带滤波器同时实现了40Gbit/s的非归零(NRZ)信号的反相波长转换(WC)和非归零到伪归零(PRZ)信号的码型转换,波长转换和码型转换的结果差异取决于滤波器中心波长相对于探测光波长的失谐量。当滤波器的失谐量为-0.24nm时,输出反相的波长转换,此时滤波器起到加速半导体光放大器增益恢复的功能。当滤波器失谐量为+0.41nm和-0.48nm时,得到非归零到伪归零的码型转换,并且产生的伪归零脉冲分别出现在非归零信号的上升沿和下降沿,此时滤波器的作用是将探测光的相位信息转换为强度信息,并且该码型转换结果兼有波长转换的功能。

关键词：光通信半导体光放大器瞬态交叉相位调制波长转换码型转换

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SOA动态增益特性的理论和实验研究

物理学报 2005年第2期54卷 763-767页

作者：董建绩张新亮黄德修华中科技大学光电子工程系武汉430074

提出了SOA有效增益恢复时间的概念 ,同时推导了有效增益恢复时间的解析表达式 .针对SOA在交叉增益调制型波长转换方面的应用 ,从理论上分析了注入电流、探测光功率、有源区长度对增益恢复时间的影响 ,实验测量了不同条件下SOA的增益恢... 详细信息

提出了SOA有效增益恢复时间的概念 ,同时推导了有效增益恢复时间的解析表达式 .针对SOA在交叉增益调制型波长转换方面的应用 ,从理论上分析了注入电流、探测光功率、有源区长度对增益恢复时间的影响 ,实验测量了不同条件下SOA的增益恢复时间 ,实验结果与理论计算结果相符合 .

关键词： SOA 交叉增益调制波长转换光功率恢复时间注入电流解析表达式实验研究影响实验结果

基于单端SOA的全光波长转换器的理论和实验研究

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基于单端SOA的全光波长转换器的理论和实验研究

作者：董建绩华中科技大学

学位级别：硕士

全光波长转换器是自动交换光网络中波长级交换的关键光电子器件。在众多实现全光波长转换的方案中,基于半导体光放大器(SOA)的交叉增益调制型波长转换器研究的最为成熟也最具实用化前景,具有结构简单、转换效率高和转换波长范围宽等优点... 详细信息

全光波长转换器是自动交换光网络中波长级交换的关键光电子器件。在众多实现全光波长转换的方案中,基于半导体光放大器(SOA)的交叉增益调制型波长转换器研究的最为成熟也最具实用化前景,具有结构简单、转换效率高和转换波长范围宽等优点,但存在的主要问题是输出消光比退化,尤其是向上转换时退化更严重。本文在国家高技术研究发展计划(863-2002AA312160)和武汉市科技攻关光通信专项(2002100513013)项目的资助下,采用单端SOA 来实现交叉增益调制型波长转换,在解决输出消光比退化的同时,又保持了其他方面的优点。论文对基于单端SOA 的交叉增益调制型波长转换器进行了深入的理论和实验研究,研究成果主要包括以下几个方面: (1)分析了全光波长转换器的研究意义,概括了全光波长转换器的实现方案。 (2)建立了单端SOA 全光波长转换器的理论模型。首先分析了几种不同的静态数值模型,包括忽略ASE 噪声的静态模型和考虑ASE 噪声和端面反射的静态模型,然后建立了单端SOA 的动态模型,最后建立了分析SOA 的动态增益的解析模型。这些模型的建立为单端SOA 的参数优化设计奠定了基础。 (3)以SOA 理论分析模型为基础,从理论上分析单端SOA 波长转换器的输出性能,主要包括输出消光比特性、啁啾特性、转换效率和增益恢复特性,研究这些性能指标和探测光功率、平均泵浦光功率、波长间隔、注入电流、后端面反射率和放大器长度之间的关系。比较了单端SOA 波长转换方案和普通SOA 方案的输出性能,结果表明:通过参数的优化选择,单端SOA 方案能获得更好的输出性能。 (4)实验研究了单端SOA 波长转换器的输出特性。测试了单端SOA 的性能指标,分别验证了10Gb/s 和20Gb/s 速率下的波长转换。分析了不同条件下的10Gb/s 波长转换输出特性,实验结果与理论计算结果相吻合。针对20Gb/s 速率下的波长转换,分析了码型效应产生的原因。进行了转换信号在100km 光纤线路中的传输实验,分析了传输特性。

关键词：半导体光放大器单端耦合全光波长转换交叉增益调制消光比

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新型全光逻辑与门的理论和实验研究

物理学报 2005年第5期54卷 2066-2071页

作者：张新亮董建绩王颖黄德修华中科技大学光电子工程系武汉430074

提出一种基于级联单端半导体光放大器 (SOA)中交叉增益调制效应的新型全光逻辑与门 ,建立了该方案的理论模型 ,数值模拟和实验实现了 10Gb s的全光逻辑与运算功能 ,分析了逻辑与运算结果与输入信号功率和消光比之间的关系 ,理论分析结... 详细信息

提出一种基于级联单端半导体光放大器 (SOA)中交叉增益调制效应的新型全光逻辑与门 ,建立了该方案的理论模型 ,数值模拟和实验实现了 10Gb s的全光逻辑与运算功能 ,分析了逻辑与运算结果与输入信号功率和消光比之间的关系 ,理论分析结果与实验结果相符合 .

关键词：半导体光放大器交叉增益调制全光逻辑门数值模拟非线性光

半导体光放大器超快折射率变化动态特性的研究

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物理学报 2009年第5期58卷 3185-3192页

作者：黄喜张新亮董建绩黄德修武汉光电国家实验室华中科技大学光电子科学与工程学院武汉430074

建立了分析半导体光放大器(SOA)飞秒量级超快动态特性的数值模型,考虑了增益色散以及群速度色散,能更精确地反映飞秒级超短脉冲经过SOA时的传输特性.基于该模型,可以分析由载流子密度脉动以及载流子加热对折射率变化的影响.同时,也考虑... 详细信息

建立了分析半导体光放大器(SOA)飞秒量级超快动态特性的数值模型,考虑了增益色散以及群速度色散,能更精确地反映飞秒级超短脉冲经过SOA时的传输特性.基于该模型,可以分析由载流子密度脉动以及载流子加热对折射率变化的影响.同时,也考虑了不同的工作条件以及SOA的结构参数对折射率的影响.理论分析和模拟实验为优化SOA的结构、改善SOA飞秒量级超高速动态特性提供了理论指导.

关键词：半导体光放大器折射率动态特性增益色散群速度色散