【摘要】：全光邏輯的發(fā)展經歷了由單一邏輯功能到可重構邏輯功能的階段,而近年來伴隨著人工智能的熱潮,應用于全光通信網絡和光計算中的智能化信號處理技術逐漸成為研究熱點。全光邏輯運算實現可編程不僅能夠邁出通往智能化重要的一步,更能夠使邏輯系統(tǒng)在實際應用中達到性能提升。可編程邏輯陣列(PLA)是繼可重構邏輯的進一步發(fā)展,不僅能夠通過可編程選擇滿足用戶自定義從而大大提高邏輯功能輸出的靈活性,而且也能夠通過多個可編程控制點的設置來使輸出邏輯結果多樣化。本論文基于對全光可編程邏輯陣列計算容量提升和集成化兩個方面研究現狀的調研,一方面系統(tǒng)分析了PLA容量提升的方法,提出擴展型PLA的一般性結構并進行實驗驗證;另一方面設計并實驗驗證了集成全光PLA。主要研究貢獻包括以下內容:(1)理論研究了擴展型可編程邏輯陣列的一般性結構。相比于電域運算,光域運算除了速率上的優(yōu)勢,還有光的并行性優(yōu)勢。利用光的并行性,可以基于一個邏輯器件在不同空間信道和不同波長信道同時實現多種邏輯功能。因此,基于增加邏輯器件外部的輸出端口和增加邏輯器件內部的標準邏輯單元(CLUs)波長信道兩種思路,我們提出了三種提高可編程邏輯陣列計算容量的新方法:一是對邏輯器件采用雙向結構,二是利用四波混頻(FWM)的波長組播,三是同時利用多種非線性效應。基于以上方法,我們構建了擴展型CLUs-PLA的一般性結構,并對該結構的計算容量進行定量分析,得出結論:隨著各種類型CLUs波長信道數的增加,相對于標準型CLUs-PLA,擴展型CLUs-PLA的計算容量會明顯提升。(2)實驗驗證了基于高非線性光纖(7)HNLF)的兩輸入和三輸入擴展型可編程邏輯陣列。首先對基于FWM實現擴展型CLUs-PLA方案進行數值分析,主要針對輸入信號波長位置、波長間隔和HNLF長度對FWM效率的影響來進行研究,得出結論:泵浦光波長在零色散波長紅移1.6 nm的位置處,有最佳FWM轉換效率;對于FWM轉換效率最佳波長處,當HNLF長度從1000 m減小到300 m時,3 d B轉換帶寬會從3.2nm增加到6.4 nm。隨后,基于雙向結構和FWM多信道組播這兩種方法,我們分別實驗驗證了兩輸入容量擴展4倍型、10倍型CLUs-PLA和三輸入容量擴展7.5倍型CLUs-PLA。最后,我們一方面理論分析了實驗中輸出信號質量,另一方面分析各方案在有源和無源平臺的集成可行性,得出擴展型CLUs-PLA有潛力基于有源或無源平臺實現的結論。(3)系統(tǒng)研究了基于半導體光放大器(7)SOA)的(19)(15)Gb/s集成全光可編程邏輯陣列。我們設計并制作了集成全光PLA芯片,該芯片主要包括延時干涉儀(DI)和不同長度的SOA。DI作為輸入光路,作用是解調差分相移鍵控(DPSK)信號產生互補碼流;長SOA作為非線性介質,用于產生FWM或者交叉增益調制(XGM);短SOA作為開關陣列,實現對片上最小項的通斷選擇。我們首先實驗驗證了該PLA芯片在FWM和XGM這兩種工作模式下輸入光路的解調功能、CLUs光路的產生最小項功能以及開關陣列的通斷功能,并分別仿真分析了DI參數對不同工作模式下邏輯結果的不同影響。最后,我們從波長相關性、工作速率和計算容量三個方面來討論該集成PLA的可擴展性,并得出結論:1)在DI一個臂增加移相器可以提高PLA的波長靈活性;2)有潛力基于FWM或者XGM實現更高速率的邏輯運算;3)有潛力通過增加最小項信道數來擴展PLA計算容量,也可以通過增加輸入信號路數使兩輸入PLA擴展到多輸入PLA。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1
【圖文】：

復用圖1-1 全光通信網絡示意圖當今社會是科技發(fā)達、信息流通的時代，各行各業(yè)都需要產生、存儲和傳輸大量的數據。隨著高速骨干數據網絡技術的發(fā)展，以及數據和視頻資源共享、云計算和數據采集系統(tǒng)等的迅速發(fā)展，傳輸帶寬的需求量急劇增加，信號傳輸和信號處理的容量需求也大大增加。光互聯和光通信以其較大的帶寬特性成為了有潛力解決傳輸大數據容量的方案。光纖作為傳輸光信號的媒介，就傳輸速率而言，據報道 2015 年單根光纖最高傳輸速率達到了 2.15 Pb/s[1]；就傳輸容量而言，由于信號可以加載在光波的幅度、相位、波長、偏振等特性上，光時分復用（OTDM）[2]、密集波分復用（DWDM）[3]、正交頻分復用（OFDM）[4]以及高級調制格式[5]等復用技術可以有效提高通信傳輸容量。 光信號在傳輸鏈路中以高速大容量進行高效傳輸[6]，但在網絡節(jié)點處的光交換過程仍有賴于光-電-光的轉換過程

輸出層隱藏層輸入層圖1-2 由一個輸入層，一個隱藏層和一個輸出層組成的一般性人工神經網絡體系結構[55]近年來伴隨著人工智能的熱潮，應用于全光通信網絡和光計算中的智能化信號處理技術開始引起人們的關注。使信號處理技術實現可編程不僅能夠邁出通往智能化重要的一步，更能夠使系統(tǒng)在實際應用中達到系統(tǒng)級性能提升[56]。目前，人們在應用于全光通信網絡的可編程信號處理技術方面已經進行了很多相關研究。2016年英國布里斯托大學研究人員Yan Yan等提出了可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光網絡接口卡的新型開關和接口卡，能夠直接插入服務器，并滿足通信需求支持光分組交換、光路切換、OTDM和WDM等功能，從而實現全光可編程分類數據中心網絡[57]。2015年美國哥倫比亞大學研究人員David M. Calhoun等提出基于微環(huán)陣列實現WDM波長信道鎖定的可編程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于實現硅光互聯網絡中的任意解復用和快速波長選擇，從而實現網絡中的可編程波長鎖定和路由[56]。而在光計算方面的研究主要以人工神經網絡為代表

重構邏輯的進一步發(fā)展，不僅能夠通過可編程選擇滿足用戶功能輸出的靈活性，而且也能夠通過多個可編程控制點的設化，因此本論文工作主要圍繞可編程邏輯陣列進行研究。邏輯陣列定義型可編程邏輯陣列結構與容量定義編程邏輯陣列指的是基于非線性器件產生的全套標準邏輯單功能的結構。由電子技術中的布爾代數可知，任何一個邏輯小項的標準和，或者若干個邏輯最大項的標準積來表示，因大項都是構建任意邏輯運算的基本構建單元，也被定義為標個非線性器件只產生一個標準邏輯單元的可編程邏輯陣列稱。輸入輸入與最大項輸出

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 王菲;鄭仰東;李淳飛;;基于自相位調制和交叉相位調制的全光開關特性研究[J];光子學報;2009年04期

2 牟寧;徐榮輝;桑明煌;況慶強;王賢平;張祖興;;基于交叉相位調制波長轉換的實驗研究[J];江西師范大學學報(自然科學版);2008年05期

3 董建績;張新亮;丁園;沈平;黃德修;;利用半導體光放大器和濾波器組合實現高速波長轉換和碼型轉換[J];中國激光;2007年07期

本文編號：2781471