【摘要】：全光邏輯的發(fā)展經(jīng)歷了由單一邏輯功能到可重構(gòu)邏輯功能的階段,而近年來伴隨著人工智能的熱潮,應(yīng)用于全光通信網(wǎng)絡(luò)和光計算中的智能化信號處理技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。全光邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)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(shí)際應(yīng)用中達(dá)到性能提升�？删幊踢壿嬯嚵�(PLA)是繼可重構(gòu)邏輯的進(jìn)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(diǎn)的設(shè)置來使輸出邏輯結(jié)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(xiàn)狀的調(diào)研,一方面系統(tǒng)分析了PLA容量提升的方法,提出擴(kuò)展型PLA的一般性結(jié)構(gòu)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;另一方面設(shè)計并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了集成全光PLA。主要研究貢獻(xiàn)包括以下內(nèi)容:(1)理論研究了擴(kuò)展型可編程邏輯陣列的一般性結(jié)構(gòu)。相比于電域運(yùn)算,光域運(yùn)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(shí)現(xiàn)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(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu),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(yīng)。基于以上方法,我們構(gòu)建了擴(kuò)展型CLUs-PLA的一般性結(jié)構(gòu),并對該結(jié)構(gòu)的計算容量進(jìn)行定量分析,得出結(jié)論:隨著各種類型CLUs波長信道數(shù)的增加,相對于標(biāo)準(zhǔn)型CLUs-PLA,擴(kuò)展型CLUs-PLA的計算容量會明顯提升。(2)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于高非線性光纖(7)HNLF)的兩輸入和三輸入擴(kuò)展型可編程邏輯陣列。首先對基于FWM實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展型CLUs-PLA方案進(jìn)行數(shù)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(jìn)行研究,得出結(jié)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(zhuǎn)換效率;對于FWM轉(zhuǎn)換效率最佳波長處,當(dāng)HNLF長度從1000 m減小到300 m時,3 d B轉(zhuǎn)換帶寬會從3.2nm增加到6.4 nm。隨后,基于雙向結(jié)構(gòu)和FWM多信道組播這兩種方法,我們分別實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩輸入容量擴(kuò)展4倍型、10倍型CLUs-PLA和三輸入容量擴(kuò)展7.5倍型CLUs-PLA。最后,我們一方面理論分析了實(shí)驗(yàn)中輸出信號質(zhì)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(kuò)展型CLUs-PLA有潛力基于有源或無源平臺實(shí)現(xiàn)的結(jié)論。(3)系統(tǒng)研究了基于半導(dǎo)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(shè)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(diào)差分相移鍵控(DPSK)信號產(chǎn)生互補(bǔ)碼流;長SOA作為非線性介質(zhì),用于產(chǎn)生FWM或者交叉增益調(diào)制(XGM);短SOA作為開關(guān)陣列,實(shí)現(xiàn)對片上最小項(xiàng)的通斷選擇。我們首先實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該P(yáng)LA芯片在FWM和XGM這兩種工作模式下輸入光路的解調(diào)功能、CLUs光路的產(chǎn)生最小項(xiàng)功能以及開關(guān)陣列的通斷功能,并分別仿真分析了DI參數(shù)對不同工作模式下邏輯結(jié)果的不同影響。最后,我們從波長相關(guān)性、工作速率和計算容量三個方面來討論該集成PLA的可擴(kuò)展性,并得出結(jié)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(shí)現(xiàn)更高速率的邏輯運(yùn)算;3)有潛力通過增加最小項(xiàng)信道數(shù)來擴(kuò)展PLA計算容量,也可以通過增加輸入信號路數(shù)使兩輸入PLA擴(kuò)展到多輸入PLA。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1
【圖文】：

復(fù)用圖1-1 全光通信網(wǎng)絡(luò)示意圖當(dāng)今社會是科技發(fā)達(dá)、信息流通的時代，各行各業(yè)都需要產(chǎn)生、存儲和傳輸大量的數(shù)據(jù)。隨著高速骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)據(jù)和視頻資源共享、云計算和數(shù)據(jù)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(lián)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(shù)據(jù)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(jù)報道 2015 年單根光纖最高傳輸速率達(dá)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(fù)用（OTDM）[2]、密集波分復(fù)用（DWDM）[3]、正交頻分復(fù)用（OFDM）[4]以及高級調(diào)制格式[5]等復(fù)用技術(shù)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(jìn)行高效傳輸[6]，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的光交換過程仍有賴于光-電-光的轉(zhuǎn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[55]近年來伴隨著人工智能的熱潮，應(yīng)用于全光通信網(wǎng)絡(luò)和光計算中的智能化信號處理技術(shù)開始引起人們的關(guān)注。使信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(shí)際應(yīng)用中達(dá)到系統(tǒng)級性能提升[56]。目前，人們在應(yīng)用于全光通信網(wǎng)絡(luò)的可編程信號處理技術(shù)方面已經(jīng)進(jìn)行了很多相關(guān)研究。2016年英國布里斯托大學(xué)研究人員Yan Yan等提出了可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)接口卡的新型開關(guān)和接口卡，能夠直接插入服務(wù)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(shí)現(xiàn)全光可編程分類數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)[57]。2015年美國哥倫比亞大學(xué)研究人員David M. Calhoun等提出基于微環(huán)陣列實(shí)現(xiàn)WDM波長信道鎖定的可編程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于實(shí)現(xiàn)硅光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的任意解復(fù)用和快速波長選擇，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表

重構(gòu)邏輯的進(jìn)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(diǎn)的設(shè)化，因此本論文工作主要圍繞可編程邏輯陣列進(jìn)行研究。邏輯陣列定義型可編程邏輯陣列結(jié)構(gòu)與容量定義編程邏輯陣列指的是基于非線性器件產(chǎn)生的全套標(biāo)準(zhǔn)邏輯單功能的結(jié)構(gòu)。由電子技術(shù)中的布爾代數(shù)可知，任何一個邏輯小項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)和，或者若干個邏輯最大項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)積來表示，因大項(xiàng)都是構(gòu)建任意邏輯運(yùn)算的基本構(gòu)建單元，也被定義為標(biāo)個非線性器件只產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元的可編程邏輯陣列稱。輸入輸入與最大項(xiàng)輸出

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 王菲;鄭仰東;李淳飛;;基于自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制的全光開關(guān)特性研究[J];光子學(xué)報;2009年04期

2 牟寧;徐榮輝;桑明煌;況慶強(qiáng);王賢平;張祖興;;基于交叉相位調(diào)制波長轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)研究[J];江西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2008年05期

3 董建績;張新亮;丁園;沈平;黃德修;;利用半導(dǎo)體光放大器和濾波器組合實(shí)現(xiàn)高速波長轉(zhuǎn)換和碼型轉(zhuǎn)換[J];中國激光;2007年07期

本文編號：2781471