基于PPLN波導(dǎo)的全光邏輯信號(hào)處理器設(shè)計(jì)思路

童 艷，馮 嵩，張囡囡

（1沈陽城市建設(shè)學(xué)院 遼寧 沈陽 110167）

（2沈陽市應(yīng)急管理事務(wù)服務(wù)中心 遼寧 沈陽 110167）

1 引言

光纖通信網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)今社會(huì)的支柱網(wǎng)絡(luò)，提供了超大帶寬、超高容量、超快速率的通信。全光網(wǎng)是光纖通信網(wǎng)絡(luò)的終極發(fā)展目標(biāo)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只存在光信號(hào)，它的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都是在光域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。而現(xiàn)今光纖通信網(wǎng)絡(luò)由于技術(shù)的限制，某些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處需要進(jìn)行“光－電－光”的轉(zhuǎn)換，需要在電域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，而電信號(hào)處理存在速率的電子甁頸。全光網(wǎng)不再需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，能克服現(xiàn)今光纖通信網(wǎng)絡(luò)的電子瓶頸，是未來光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。全光網(wǎng)中全光信號(hào)處理是關(guān)鍵，全光信號(hào)處理包括全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、全光邏輯信號(hào)處理、全光采樣、全光緩存等，其中全光邏輯信號(hào)處理是全光信號(hào)處理很重要的技術(shù)，研究全光網(wǎng)就必須要研究全光邏輯信號(hào)處理。

PPLN波導(dǎo)，即周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)，是一種非線性光學(xué)材料，由于其體積小且響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各種全光信號(hào)處理器件的研發(fā)，尤其是在全光邏輯信號(hào)處理領(lǐng)域應(yīng)用較多。本文分析目前基于PPLN波導(dǎo)的全光邏輯信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，研究并提出用PPLN波導(dǎo)來設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)全光邏輯信號(hào)處理器的關(guān)鍵點(diǎn)及通用方案，為基于PPLN波導(dǎo)的全光邏輯信號(hào)處理器的研發(fā)提供一些設(shè)計(jì)思路。

2 已實(shí)現(xiàn)器件方案分析

目前，用PPLN波導(dǎo)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的全光邏輯信號(hào)處理器有很多，下面對(duì)其中一些典型器件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法和思路進(jìn)行分析總結(jié)，以提出PPLN波導(dǎo)下全光邏輯信號(hào)處理器的一般設(shè)計(jì)思路。

申靜、秦晉[1]在2018年3月發(fā)表的《基于PPLN波導(dǎo)的全光數(shù)據(jù)選擇器的設(shè)計(jì)與研究》，設(shè)計(jì)了基于PPLN波導(dǎo)的全光2選1數(shù)據(jù)選擇器，其在一個(gè)PPLN波導(dǎo)的光信號(hào)邏輯運(yùn)算的原理基礎(chǔ)上，首先給出了2選1數(shù)據(jù)選擇器的邏輯表達(dá)式，然后用PPLN波導(dǎo)1實(shí)現(xiàn)了邏輯表達(dá)式的前一項(xiàng)，由于為了讓光復(fù)用器實(shí)現(xiàn)邏輯表達(dá)式中兩項(xiàng)的或運(yùn)算，因此要求邏輯表達(dá)式的前一項(xiàng)和后一項(xiàng)的速率和峰值功率要相同，這樣就需要利用PPLN波導(dǎo)2和PPLN波導(dǎo)3級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)邏輯表達(dá)式的后一項(xiàng)。在這里，PPLN波導(dǎo)2和PPLN波導(dǎo)3利用了單個(gè)PPLN波導(dǎo)作邏輯非運(yùn)算的原理。文中還對(duì)3個(gè)PPLN波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的全光2選1數(shù)據(jù)選擇器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了MATLAB數(shù)值仿真，并得到了各級(jí)波導(dǎo)的輸出光信號(hào)脈沖波形和眼圖，計(jì)算出了消光比、脈沖寬度以及峰值功率的延遲時(shí)間，通過分析這些指標(biāo)，此文提出的基于PPLN波導(dǎo)的全光2選1數(shù)據(jù)選擇器的設(shè)計(jì)方案輸出光信號(hào)質(zhì)量滿足要求，此方案完全可行。

申靜、秦晉[2]在2018年1月發(fā)表的《基于PPLN波導(dǎo)的全光數(shù)值比較器的設(shè)計(jì)》，在PPLN波導(dǎo)的光信號(hào)邏輯運(yùn)算的原理基礎(chǔ)上，給出了數(shù)值比較器的邏輯表達(dá)式，并根據(jù)邏輯表達(dá)式確定單個(gè)PPLN波導(dǎo)無法實(shí)現(xiàn)數(shù)值比較器的邏輯運(yùn)算，必須采用多個(gè)PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的方式。文中利用3個(gè)PPLN波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)全光數(shù)值比較器的邏輯表達(dá)式，其中PPLN波導(dǎo)1和PPLN波導(dǎo)2級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)值比較器的相等邏輯，PPLN波導(dǎo)3實(shí)現(xiàn)數(shù)值比較器的大于和小于邏輯。PPLN波導(dǎo)3僅僅利用了單個(gè)PPLN波導(dǎo)光信號(hào)邏輯運(yùn)算的原理，而PPLN波導(dǎo)1和PPLN波導(dǎo)2利用了單個(gè)PPLN波導(dǎo)作邏輯非運(yùn)算的原理。該設(shè)計(jì)也對(duì)由3個(gè)PPLN波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的全光數(shù)值比較器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了MATLAB數(shù)值仿真，同樣得到了各級(jí)波導(dǎo)的輸出光信號(hào)脈沖波形和眼圖，計(jì)算出了消光比、脈沖寬度以及峰值功率的延遲時(shí)間等指標(biāo)，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)提出的基于PPLN波導(dǎo)的全光數(shù)值比較器的設(shè)計(jì)方案的輸出光信號(hào)質(zhì)量可靠，此方案是完全可行的。

童艷、李丹、李晶晶[3]在2018年5月發(fā)表的《基于PPLN波導(dǎo)的單波長(zhǎng)全光或門研究》，提出了PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)下單波長(zhǎng)全光或門的設(shè)計(jì)方案，方案中在單個(gè)PPLN波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的邏輯關(guān)系式的前提下，分析出了或門的邏輯表達(dá)式，并根據(jù)PPLN波導(dǎo)對(duì)各輸入光信號(hào)的要求，利用3個(gè)PPLN波導(dǎo)相互級(jí)聯(lián)來最終實(shí)現(xiàn)此邏輯表達(dá)式。此方案同樣利用了單個(gè)PPLN波導(dǎo)作邏輯非運(yùn)算的原理來滿足PPLN波導(dǎo)對(duì)各輸入光信號(hào)的要求，即要求各輸入光信號(hào)有相同的速率和峰值功率。這篇論文同樣對(duì)基于3個(gè)PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的單波長(zhǎng)全光或門的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了MATLAB數(shù)值仿真，并通過分析得到的各級(jí)波導(dǎo)的輸出光信號(hào)脈沖的波形和眼圖，以及計(jì)算出的消光比、脈沖寬度以及峰值功率的延遲時(shí)間等指標(biāo)，得出該設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的基于PPLN波導(dǎo)的單波長(zhǎng)全光或門能很好實(shí)現(xiàn)或門的邏輯，且是單波長(zhǎng)的，不需要將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出的單波長(zhǎng)信號(hào)光直接能在光域上應(yīng)用，而或門又是比較基本的邏輯運(yùn)算器件，因此該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的或門能用于其他較復(fù)雜的全光邏輯信號(hào)處理器件的研究與開發(fā)。

申靜、林楊[4]在2020年2月發(fā)表的《基于PPLN波導(dǎo)的全光譯碼器的設(shè)計(jì)與研究》，提出了利用PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的方式設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)全光2線-4線譯碼器的方案。此方案同樣根據(jù)PPLN波導(dǎo)作邏輯運(yùn)算的原理，首先得到了2線-4線譯碼器的邏輯表達(dá)式。基于PPLN波導(dǎo)輸入的各路光波信號(hào)之間的速率和峰值功率要相同的原則，文中共采用7個(gè)PPLN波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)2線-4線譯碼器，其中PPLN波導(dǎo)1、3、5相互級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)邏輯表達(dá)式，PPLN波導(dǎo)2、7級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了第二個(gè)邏輯表達(dá)式，PPLN波導(dǎo)2、6級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了第三個(gè)邏輯表達(dá)式，PPLN波導(dǎo)1、3、4相互級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了第四個(gè)邏輯表達(dá)式。此方案實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)和第四個(gè)邏輯表達(dá)式也同樣利用了單個(gè)PPLN波導(dǎo)作為邏輯非運(yùn)算的原理。此文所提出的基于PPLN波導(dǎo)的全光譯碼器的設(shè)計(jì)方案，同樣也用MATLAB數(shù)值仿真得到的結(jié)果分析了其質(zhì)量和可行性，文中通過仿真得到了各級(jí)波導(dǎo)的輸出光信號(hào)脈沖波形和眼圖，并分析出了消光比、脈沖寬度以及峰值功率的延遲時(shí)間等指標(biāo)是符合指標(biāo)要求的，因此此文提出的基于PPLN波導(dǎo)的全光譯碼器的設(shè)計(jì)方案的輸出光信號(hào)質(zhì)量可以保證，此方案可以用于實(shí)際的研發(fā)。

3 PPLN波導(dǎo)下全光邏輯信號(hào)處理器設(shè)計(jì)思路

以上對(duì)一些典型的基于PPLN波導(dǎo)的全光邏輯信號(hào)處理器件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了總結(jié)和分析，由以上總結(jié)和分析可見，基于PPLN波導(dǎo)的全光邏輯信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)思路包括3個(gè)步驟：得到合適的邏輯表達(dá)式、研究波導(dǎo)級(jí)聯(lián)方案、用MABLAB進(jìn)行數(shù)值仿真并分析性能指標(biāo)。

首先，根據(jù)單個(gè)PPLN波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)的邏輯關(guān)系式（在連續(xù)抽運(yùn)光P的作用下，如果PPLN波導(dǎo)輸入兩路速率和峰值功率均相同的信號(hào)光波A、B，則根據(jù)和頻SFG+差頻DFG效應(yīng)，將輸出三路光波，分別是兩路和頻剩余光波AB-、A-B和一路差頻輸出光波AB，因此單個(gè)PPLN波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的邏輯運(yùn)算為非和與），并由邏輯信號(hào)處理器的真值表，分析得到邏輯信號(hào)處理器的邏輯表達(dá)式，且邏輯表達(dá)式是由非、與和或組成的，這樣可以利用單個(gè)PPLN波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)的邏輯運(yùn)算以及結(jié)合PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)邏輯信號(hào)處理器的邏輯表達(dá)式。

然后，研究波導(dǎo)級(jí)聯(lián)方案。PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)時(shí)，需要保證級(jí)聯(lián)的每一個(gè)PPLN波導(dǎo)的所有輸入信號(hào)光波相互之間的速率和峰值功率均相同，由于單個(gè)PPLN波導(dǎo)輸出的和頻剩余光波與原輸入信號(hào)光波具有相同的速率和峰值功率，而差頻輸出光波的速率和峰值功率與原輸入信號(hào)光波很有可能不一致，因此每個(gè)級(jí)聯(lián)的PPLN波導(dǎo)的各路輸入信號(hào)光波必須是原信號(hào)光波或者和頻剩余光波。根據(jù)以上要求，邏輯信號(hào)處理器的邏輯表達(dá)式的實(shí)現(xiàn)一般是不能僅僅用單個(gè)PPLN波導(dǎo)或者多個(gè)PPLN波導(dǎo)簡(jiǎn)單組合，而是要用多個(gè)PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的方式。而在用多個(gè)PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的方式時(shí)，由于為了滿足波導(dǎo)輸入信號(hào)光波速率和峰值功率相同的要求，且邏輯表達(dá)式中一般有與、或、非的基本運(yùn)算邏輯，因此一般需要利用單個(gè)PPLN波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)邏輯非運(yùn)算的原理。利用PPLN波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)邏輯非的運(yùn)算，再根據(jù)單個(gè)PPLN波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)的邏輯運(yùn)算以及PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的要求，在多個(gè)PPLN波導(dǎo)的組合及部分PPLN波導(dǎo)的級(jí)聯(lián)下，來最終實(shí)現(xiàn)邏輯信號(hào)處理器的邏輯表達(dá)式。

最后，用MABLAB編程，對(duì)PPLN波導(dǎo)進(jìn)行數(shù)值仿真，得到上一步的波導(dǎo)級(jí)聯(lián)方案中的各級(jí)波導(dǎo)的輸出光信號(hào)的脈沖波形圖和眼圖，并計(jì)算出消光比、脈沖寬度以及峰值功率的延遲時(shí)間等性能指標(biāo)，從而分析這些性能指標(biāo)是否符合通信的指標(biāo)要求，進(jìn)而判斷出波導(dǎo)級(jí)聯(lián)方案是否可行。

4 結(jié)語

全光網(wǎng)是光纖通信網(wǎng)絡(luò)的終極目標(biāo)，全光邏輯信號(hào)處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。本文對(duì)幾個(gè)典型的基于PPLN波導(dǎo)的全光邏輯信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了總結(jié)和分析，包括全光數(shù)據(jù)選擇器、全光數(shù)值比較器、單波長(zhǎng)全光或門和全光譯碼器，并提出了基于PPLN波導(dǎo)的全光邏輯信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)思路，即首先根據(jù)真值表和單個(gè)PPLN波導(dǎo)的邏輯運(yùn)算原理得到合適的邏輯表達(dá)式，然后根據(jù)PPLN波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)邏輯非的原理和PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的要求，設(shè)計(jì)可行的波導(dǎo)級(jí)聯(lián)方案，從而實(shí)現(xiàn)邏輯表達(dá)式，最后用MABLAB進(jìn)行數(shù)值仿真并分析性能指標(biāo)，判斷方案是否可行。此設(shè)計(jì)思路可以為基于PPLN波導(dǎo)的全光邏輯信號(hào)處理器的研發(fā)提供參考。