研究并设计了一种基于差分编码技术的12.5 Gbit/s高速SerDes发射机。该电路由并串转换模块、去加重控制模块和驱动模块组成。驱动模块采用电流模逻辑异或门结构, 动态负载的加入可以在降低功耗的同时实现与传输线的阻抗匹配。首次提出在并串转换模块中加入差分编码电路的解决方案, 以保证原码输出, 从而使数据在发射机内完成差分编解码的过程。后仿真结果表明, 发射机数据传输速度达到12.5 Gbit/s。此时发射机整体功耗为39 mW, 输出总抖动为0.05 UI, 远小于JESD204B标准所要求的0.3 UI。

单双稳态转换逻辑单元(MOBILE)是基于共振隧穿二极管(RTD)电路的一个重要逻辑单元, 非常适合阈值逻辑电路设计。由MOBILE可以构成阈值逻辑门(TG)和广义阈值逻辑门(GTG)等阈值逻辑电路。本文通过将三变量异或函数转化为较简单、理想的GTG输入输出函数形式, 设计了由GTG构成的新型三变量异或门, 并利用该三变量异或门设计了新型的全加器。通过HSPICE仿真和性能比较, 该全加器不仅器件数量少, 输出延时短, 而且能达到较高的工作频率、更小的电路功耗与功耗-延迟积。

为了改善全光逻辑门的相位差特性, 对全光逻辑异或门的相位差进行了研究。采用细化分段模型对量子点半导体光放大器的动态过程进行建模, 利用牛顿法和4阶龙格-库塔法求解三能级跃迁速率方程以及光场传输方程, 实现了基于量子点半导体光放大器马赫-曾德尔干涉仪结构的全光逻辑异或门; 研究了有源区长度、最大模式增益、输入抽运光功率以及输入抽运光脉冲宽度对通过干涉仪两臂探测光相位差的影响,同时讨论了探测光的相位差与输出光功率的关系。结果表明, 增大有源区长度、最大模式增益以及输入抽运光功率, 均能使探测光相位差增大; 随着抽运光脉冲宽度增大, 探测光相位差先增大而后趋于平缓, 之后不断减小; 有源区长度为2.0mm、最大模式增益为3000m-1、输入抽运光功率为5dBm、抽运光脉冲宽度为1.0ps时, 最大相位差增加至0.3277π; 随着探测光相位差增大, 输出光功率增大;通过优化参量可以增大探测光的相位差, 而输出光功率会随着探测光相位差的增大而增大。该研究为提高转换信号质量提供了参考。

基于科斯塔斯(COSTAS)光学锁相环路载波恢复进行建模分析,得到系统的闭环传递函数、误差函数及需要恢复的载波信号;设计系统采用复合控制,内环借助声光移频器实现快速、小范围跟踪,外环通过环路直接控制激光器拉进快捕带;为了得到良好的载波恢复和信号解调,设计基于异或门的COSTAS环鉴相模块对鉴相器进行分析,实现鉴相范围为[-42°,42°],鉴相增益为14.4 mV/(°) ,在环路带宽为1.5 MHz时,搭建实验进行测试。实验结果表明在码速率5 Gb/s时,载波恢复、信号解调良好,信号光功率为-40.4 dBm时,误码率为1.55×10 ^-8,随着速率的提高或降低,系统性能虽有下降,但仍能恢复载波信号并解调数据,为零差相干通信实验室验证提供了参考。

设计了一种基于石墨烯表面等离子激元波导的同或/异或逻辑门,其采用了上下话路型微环谐振器为基本单元。通过调节石墨烯化学势来控制石墨烯表面等离子激元的传输状态,器件的两个不同输出端口同时获得同或和异或逻辑运算结果。仿真分析结果表明:当工作频率为30 THz,石墨烯化学势为0.677 eV和0.95 eV时,基于石墨烯表面等离子激元波导的上下话路型微环谐振器可实现开启与关闭;所构建的同或/异或逻辑门在‘00’、‘01’、‘10’、‘11’四组逻辑操作数下的最差串扰为-10.60 dB。

为提高全光波长转换器的波长转换效率，在量子点半导体光放大器(QD-SOA)波长转换特性研究的基础上，分别对基于交叉增益调制(XGM)效应和交叉相位调制(XPM)效应的全光波长转换器的转换效率进行了仿真分析。利用三能级QD-SOA模型并基于XGM型全光波长转换器，计算了输入脉冲宽度、有源区长度、损耗系数、最大增益模式和电子跃迁时间的变化对转换效率的影响。结果表明，减小输入脉冲宽度、损耗系数、电子跃迁时间和增加有源区长度、最大增益模式均可以提高全光波长转换器的转换效率。该研究对全光逻辑异或门的设计及QD-SOA的应用有一定的指导意义。

为了解决基于太赫兹光解复用器-交叉相位调制效应全光异或门的三个问题, 即严格的同步要求；不能应用于输入信号为非归零码信号的情况；异或处理速率受半导体光放大器载流子速率限制.提出了一种应用于输入为开关调制信号, 利用太赫兹光解复用器结构, 基于半导体光放大器四波混频效应的全光异或门方案.该方案由于基于四波混频效应, 因此能从根本上解决基于太赫兹光解复用器-交叉相位调制效应全光异或门方案所存在的三个问题.通过理论分析介绍了该方案的原理, 并通过仿真分别实现了该方案对输入为40 Gbps, 归零码信号；80 Gbps, 归零码信号；10 Gbps, 非归零码信号的异或操作.三种输入信号对应的异或输出Q因子与误码率分别为11.7, 2.4×10-18；8, 1.1×10-10；22, 1.3×10-40.分析了太赫兹光解复用器主要组成元件参数, 以及温度起伏与色散效应对异或们输出信号质量的影响.理论分析与仿真共同验证了该方案对于解决基于太赫兹光解复用器-交叉相位调制效应全光异或门三种问题的可行性与有效性.

理论分析了SOA动态模型和SOA-MZI全光异或原理, 采用光通信系统设计软件OptiSystem搭建了基于SOA-MZI的全光异或实验模型, 仿真研究了注入SOA的数据信号光功率、连续探测光功率、偏置电流等工作条件对异或输出消光比、Q值以及误码性能的影响, 取得了一组最佳工作条件, 即数据信号光功率为3dBm, 连续探测光功率为0dBm, 偏置电流为600mA, 此时可以得到最佳的异或输出性能: 消光比约11.5dB, Q值约22, 误码率约10-108量级。研究方法和相关结论可以推广到基于SOA的其他全光信号处理应用中, 为未来全光网络的全面建设做准备。

利用两段色散互补的单模光纤跨段，并结合一个相位偏移器，设计出了一种基于光纤自相位调制效应的全光信号优化结构。理论分析了光纤中的自相位调制效应，介绍了优化结构的工作原理和基于半导体光放大器(SOA)与马赫曾德尔干涉仪(MZI)的全光异或原理，并通过光通信系统设计软件OptiSystem搭建了全光异或门和全光信号优化结构的仿真模型，分别对速率为10 Gb/s和40 Gb/s的全光异或输出结果进行了优化，使得异或输出消光比分别从10 dB和9 dB提高到约26 dB，并得到质量优良的输出眼图。结果表明，常规的全光异或输出消光比普遍较低，通过全光信号优化结构可以使消光比得到大幅提高，改善输出信号的质量。

针对目前光通信保密系统中基于电信号处理的流密码加解密技术的局限性, 提出基于全光信号处理的加解密技术; 对几种典型的全光异或加密方案进行了研究, 介绍了各自的工作原理、特点及研究进展; 利用OptiSystem软件搭建了基于SOA-MZI(半导体光放大器－马赫-曾德干涉仪)异或门的全光加解密系统仿真模型, 并基于HNLF(高非线性光纤)的自相位调制效应设计了一个优化结构对系统进行优化。研究表明: 全光加解密技术具有优良的特性, 能使整个光通信保密系统运算速率更高,传输更安全。