基于PPLN波導的全光普通4線2線編碼器設計

童 艷

（沈陽城市建設學院 遼寧 沈陽 110167）

1 引言

隨著各種寬帶業務對網絡速率和帶寬的要求越來越高，通信網絡需要采用一些技術來進一步提高網絡的速率和帶寬。光纖通信作為現代社會的主要網絡，提供了大帶寬和高速率的網絡服務。而由于技術的限制，目前光網絡某些網絡節點處還需要將光信號轉換成電信號，對電信號進行處理，再將電信號轉換成光信號耦合進光纖，而正因為要進行電信號處理，所以目前光網絡的這些節點的信號處理速度不會太快，從而影響了光網絡的整體速率。而全光網的每個網絡節點處都只存在光信號的處理，大大提高了處理速度，因此全光網是光網絡的發現目標。

全光信號處理是實現全光網的關鍵技術，包括全光波長變換、全光開關、全光邏輯信號處理等等，其中全光邏輯信號處理是全光信號處理的很重要的技術。由于PPLN（周期性極化鈮酸鋰）波導這種非線性光學材料的優點，目前很多全光邏輯信號處理器都是用PPLN波導來實現的，比如基于PPLN波導的全光數據選擇器[1]、全光譯碼器[2]、全光數值比較器[3]、全光4線-2線優先編碼器[4]等，且這些器件通過仿真和數值分析，性能良好。雖然目前已實現的全光邏輯信號處理器件有不少，但要完全實現全光網，這些全光邏輯信號處理器遠遠不夠，因此還需要繼續研究新型全光邏輯信號處理器的設計及實現方案。本文就是要研究基于PPLN波導的新型全光邏輯信號處理器，提出新型全光邏輯信號處理器的設計及實現方案。

2 PPLN波導全光邏輯運算原理

基于PPLN波導的全光邏輯信號處理器需要根據PPLN波導的全光邏輯運算原理來進行設計。如圖1所示為PPLN波導全光邏輯運算原理圖，其中A、B為兩路速率和峰值功率都相同的二進制輸入脈沖信號光，P為連續抽運光，由于PPLN波導的和頻+差頻效應，A、B信號光會在PPLN波導中經歷和頻過程，產生的和頻光又會與抽運光P進行差頻過程，最終PPLN波導輸出兩路和頻剩余光（分別是信號光A和B的和頻剩余光波）和一路差頻輸出光。

圖1 PPLN波導全光邏輯運算原理

下面分析一下PPLN波導的這三路輸出光波的邏輯關系式。假設某一時隙內A、B信號光的邏輯分別為0、0或1、0或0、1，則A、B信號光在PPLN波導中不會發生和頻效應，從而也不會有差頻效應的產生，輸出就不會有差頻光波，此時PPLN波導的兩路輸出和頻剩余光還是原來的A、B輸入信號光。假設某一時隙內A、B信號光的邏輯都為1，那么A、B信號光會在PPLN波導中經歷和頻過程，產生的和頻光再與抽運光P進行差頻，輸出差頻光，一般在抽運光的差頻作用下，和頻過程能充分進行，因此此時PPLN波導的兩路輸出和頻剩余光功率為零，輸出存在差頻光波。由以上描述可見，PPLN波導的輸出光波中的A信號光的和頻剩余光的邏輯表達式為AB-，PPLN波導的輸出光波中的B信號光的和頻剩余光的邏輯表達式為A-B，PPLN波導的輸出光波中的差頻光的邏輯表達式為AB。

3 全光普通4線-2線編碼器設計方案

普通4線-2線編碼器屬于編碼器的一種，有4路二進制輸入信號，2路二進制輸出信號。假設4路輸入信號分別是I0、I1、I2、I3，2路輸出信號分別是Y1、Y0，那么普通4線-2線編碼器的真值表如表1所示，當I0、I1、I2、I3分別是1000時，Y1、Y0為00；當I0、I1、I2、I3分別是0100時，Y1、Y0為01，當I0、I1、I2、I3分別是0010時，Y1、Y0為10；當I0、I1、I2、I3分別是0001時，Y1、Y0為11。由普通4線-2線編碼器的輸入與輸出之間的關系，可以得出Y1和Y0的邏輯表達式為：Y1=I2+I3，Y0=I1+I3。由圖1所示的PPLN波導的全光邏輯運算原理，可知如果要用PPLN波導來實現Y1和Y0的邏輯表達式，就必須將Y1和Y0的邏輯表達式的形式變換為與非、或者與非或的形式，經過分析，將Y1和Y0的邏輯表達式變換為：此表達式只含有與非邏輯運算。

表1 普通4線-2線編碼器真值表

由Y1和Y0的邏輯表達式的變換形式，可知只利用單個PPLN波導是不能實現Y1和Y0的邏輯表達式的。由申靜、秦晉在2018年5月發表的“基于PPLN波導的全光數據選擇器的設計與研究”期刊論文中的圖3可知，Y1和Y0的邏輯表達式中的輸入信號I1、I2、I3的非運算可以利用PPLN波導作邏輯“非”運算的基本原理來實現。因為Y1和Y0的邏輯表達式中都有輸入信號I3，所以可以先利用PPLN波導作邏輯“非”運算的原理來實現然后再利用PPLN波導級聯的方式進一步實現Y1和Y0的邏輯表達式。在利用PPLN波導級聯的方式來實現普通4線-2線編碼器的邏輯表達式時，需要考慮PPLN波導級聯的條件，即各級PPLN波導的輸入信號的速率和峰值功率都必須相同，在這種條件下，利用PPLN波導級聯實現Y1和Y0的邏輯表達式的設計方案如圖2所示。

圖2 基于PPLN波導的全光普通4線-2線編碼器的設計方案

圖2基于PPLN波導的全光普通4線-2線編碼器的設計方案，一共采用了5個PPLN波導，為了簡略，圖中省略了每個PPLN波導的抽運光。圖中clock1、clock2、clock3均為速率和峰值功率與I1、I2、I3相同的全1脈沖信號。其中用PPLN1實現邏輯，輸入速率和峰值功率都相同的clock1和I3二進制脈沖信號，由PPLN1波導的邏輯運算原理，其輸出為、I3、0。由于是輸入信號clock1的和頻剩余光波因此它與I1、I2的速率和峰值功率相同，可以作為PPLN2和PPLN3的輸入信號。PPLN2輸入I2和，其的和頻剩余光波由于速率與峰值功率與clock2相同，因此可以繼續作為PPLN4的輸入信號。PPLN3輸入I1和，其的和頻剩余光波由于速率與峰值功率與clock3相同，因此可以繼續作為PPLN5的輸入信號。PPLN4輸入clock2和，其clock2的和頻剩余光波即為普通4線-2線編碼器的輸出Y1的邏輯表達式。PPLN5輸入clock3和其clock3的和頻剩余光波即為普通4線-2線編碼器的輸出Y0的邏輯表達式。因此圖2所示的PPLN1、PPLN2、PPLN4三個波導級聯能實現普通4線-2線編碼器的輸出Y1的邏輯表達式，PPLN1、PPLN3、PPLN5三個波導級聯能實現普通4線-2線編碼器的輸出Y0的邏輯表達式。

3 結語

本文提出了基于PPLN波導的全光普通4線-2線編碼器的設計方案。首先在單個PPLN波導邏輯運算原理的基礎上，分析并得出了普通4線-2線編碼器的兩個輸出的只含有與非的邏輯表達式。然后根據兩個輸出的邏輯表達式，分析出了要實現這樣的邏輯表達式，就需要利用PPLN波導作邏輯非運算的原理以及利用多個PPLN波導級聯的方式。最后一共用5個PPLN波導實現了普通4線-2線編碼器的兩個輸出的邏輯表達式，其中用PPLN1、PPLN2和PPLN4實現了普通4線-2線編碼器的高位輸出的邏輯表達式，用PPLN1、PPLN3和PPLN5實現了普通4線-2線編碼器的低位輸出的邏輯表達式。此設計方案滿足PPLN波導的級聯條件，能實現普通4線-2線編碼器的邏輯功能，且所有信號處理均在光域上進行，實現了全光的普通4線-2線編碼器。此設計方案能為基于PPLN波導的全光普通4線-2線編碼器以及其他全光邏輯信號處理器件的研發提供參考。后續將對此設計方案進行MATLAB數值計算及仿真，分析該方案的性能。