基于PPLN波導的全光邏輯信號處理器設計思路

童 艷，馮 嵩，張囡囡

（1沈陽城市建設學院 遼寧 沈陽 110167）

（2沈陽市應急管理事務服務中心 遼寧 沈陽 110167）

1 引言

光纖通信網絡是現今社會的支柱網絡，提供了超大帶寬、超高容量、超快速率的通信。全光網是光纖通信網絡的終極發展目標，整個網絡只存在光信號，它的每一個網絡節點都是在光域上對信號進行處理。而現今光纖通信網絡由于技術的限制，某些網絡節點處需要進行“光－電－光”的轉換，需要在電域上對信號進行處理，而電信號處理存在速率的電子甁頸。全光網不再需要將光信號轉換為電信號，能克服現今光纖通信網絡的電子瓶頸，是未來光纖通信網絡的發展趨勢。全光網中全光信號處理是關鍵，全光信號處理包括全光波長轉換、全光邏輯信號處理、全光采樣、全光緩存等，其中全光邏輯信號處理是全光信號處理很重要的技術，研究全光網就必須要研究全光邏輯信號處理。

PPLN波導，即周期性極化鈮酸鋰波導，是一種非線性光學材料，由于其體積小且響應速度快等優點，目前已廣泛應用于各種全光信號處理器件的研發，尤其是在全光邏輯信號處理領域應用較多。本文分析目前基于PPLN波導的全光邏輯信號處理器的設計及實現方法，研究并提出用PPLN波導來設計及實現全光邏輯信號處理器的關鍵點及通用方案，為基于PPLN波導的全光邏輯信號處理器的研發提供一些設計思路。

2 已實現器件方案分析

目前，用PPLN波導設計及實現的全光邏輯信號處理器有很多，下面對其中一些典型器件的設計及實現方法和思路進行分析總結，以提出PPLN波導下全光邏輯信號處理器的一般設計思路。

申靜、秦晉[1]在2018年3月發表的《基于PPLN波導的全光數據選擇器的設計與研究》，設計了基于PPLN波導的全光2選1數據選擇器，其在一個PPLN波導的光信號邏輯運算的原理基礎上，首先給出了2選1數據選擇器的邏輯表達式，然后用PPLN波導1實現了邏輯表達式的前一項，由于為了讓光復用器實現邏輯表達式中兩項的或運算，因此要求邏輯表達式的前一項和后一項的速率和峰值功率要相同，這樣就需要利用PPLN波導2和PPLN波導3級聯來實現邏輯表達式的后一項。在這里，PPLN波導2和PPLN波導3利用了單個PPLN波導作邏輯非運算的原理。文中還對3個PPLN波導實現的全光2選1數據選擇器的設計方案進行了MATLAB數值仿真，并得到了各級波導的輸出光信號脈沖波形和眼圖，計算出了消光比、脈沖寬度以及峰值功率的延遲時間，通過分析這些指標，此文提出的基于PPLN波導的全光2選1數據選擇器的設計方案輸出光信號質量滿足要求，此方案完全可行。

申靜、秦晉[2]在2018年1月發表的《基于PPLN波導的全光數值比較器的設計》，在PPLN波導的光信號邏輯運算的原理基礎上，給出了數值比較器的邏輯表達式，并根據邏輯表達式確定單個PPLN波導無法實現數值比較器的邏輯運算，必須采用多個PPLN波導級聯的方式。文中利用3個PPLN波導來實現全光數值比較器的邏輯表達式，其中PPLN波導1和PPLN波導2級聯實現數值比較器的相等邏輯，PPLN波導3實現數值比較器的大于和小于邏輯。PPLN波導3僅僅利用了單個PPLN波導光信號邏輯運算的原理，而PPLN波導1和PPLN波導2利用了單個PPLN波導作邏輯非運算的原理。該設計也對由3個PPLN波導實現的全光數值比較器的設計方案進行了MATLAB數值仿真，同樣得到了各級波導的輸出光信號脈沖波形和眼圖，計算出了消光比、脈沖寬度以及峰值功率的延遲時間等指標，結果表明，該設計提出的基于PPLN波導的全光數值比較器的設計方案的輸出光信號質量可靠，此方案是完全可行的。

童艷、李丹、李晶晶[3]在2018年5月發表的《基于PPLN波導的單波長全光或門研究》，提出了PPLN波導級聯下單波長全光或門的設計方案，方案中在單個PPLN波導實現的邏輯關系式的前提下，分析出了或門的邏輯表達式，并根據PPLN波導對各輸入光信號的要求，利用3個PPLN波導相互級聯來最終實現此邏輯表達式。此方案同樣利用了單個PPLN波導作邏輯非運算的原理來滿足PPLN波導對各輸入光信號的要求，即要求各輸入光信號有相同的速率和峰值功率。這篇論文同樣對基于3個PPLN波導級聯的單波長全光或門的設計方案進行了MATLAB數值仿真，并通過分析得到的各級波導的輸出光信號脈沖的波形和眼圖，以及計算出的消光比、脈沖寬度以及峰值功率的延遲時間等指標，得出該設計方案設計的基于PPLN波導的單波長全光或門能很好實現或門的邏輯，且是單波長的，不需要將其轉換為電信號，輸出的單波長信號光直接能在光域上應用，而或門又是比較基本的邏輯運算器件，因此該設計實現的或門能用于其他較復雜的全光邏輯信號處理器件的研究與開發。

申靜、林楊[4]在2020年2月發表的《基于PPLN波導的全光譯碼器的設計與研究》，提出了利用PPLN波導級聯的方式設計及實現全光2線-4線譯碼器的方案。此方案同樣根據PPLN波導作邏輯運算的原理，首先得到了2線-4線譯碼器的邏輯表達式。基于PPLN波導輸入的各路光波信號之間的速率和峰值功率要相同的原則，文中共采用7個PPLN波導實現2線-4線譯碼器，其中PPLN波導1、3、5相互級聯實現了第一個邏輯表達式，PPLN波導2、7級聯實現了第二個邏輯表達式，PPLN波導2、6級聯實現了第三個邏輯表達式，PPLN波導1、3、4相互級聯實現了第四個邏輯表達式。此方案實現的第一個和第四個邏輯表達式也同樣利用了單個PPLN波導作為邏輯非運算的原理。此文所提出的基于PPLN波導的全光譯碼器的設計方案，同樣也用MATLAB數值仿真得到的結果分析了其質量和可行性，文中通過仿真得到了各級波導的輸出光信號脈沖波形和眼圖，并分析出了消光比、脈沖寬度以及峰值功率的延遲時間等指標是符合指標要求的，因此此文提出的基于PPLN波導的全光譯碼器的設計方案的輸出光信號質量可以保證，此方案可以用于實際的研發。

3 PPLN波導下全光邏輯信號處理器設計思路

以上對一些典型的基于PPLN波導的全光邏輯信號處理器件的設計及實現方案進行了總結和分析，由以上總結和分析可見，基于PPLN波導的全光邏輯信號處理器的設計思路包括3個步驟：得到合適的邏輯表達式、研究波導級聯方案、用MABLAB進行數值仿真并分析性能指標。

首先，根據單個PPLN波導可實現的邏輯關系式（在連續抽運光P的作用下，如果PPLN波導輸入兩路速率和峰值功率均相同的信號光波A、B，則根據和頻SFG+差頻DFG效應，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PPLN波導實現的邏輯運算為非和與），并由邏輯信號處理器的真值表，分析得到邏輯信號處理器的邏輯表達式，且邏輯表達式是由非、與和或組成的，這樣可以利用單個PPLN波導可實現的邏輯運算以及結合PPLN波導級聯的方式來實現邏輯信號處理器的邏輯表達式。

然后，研究波導級聯方案。PPLN波導級聯時，需要保證級聯的每一個PPLN波導的所有輸入信號光波相互之間的速率和峰值功率均相同，由于單個PPLN波導輸出的和頻剩余光波與原輸入信號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光波很有可能不一致，因此每個級聯的PPLN波導的各路輸入信號光波必須是原信號光波或者和頻剩余光波。根據以上要求，邏輯信號處理器的邏輯表達式的實現一般是不能僅僅用單個PPLN波導或者多個PPLN波導簡單組合，而是要用多個PPLN波導級聯的方式。而在用多個PPLN波導級聯的方式時，由于為了滿足波導輸入信號光波速率和峰值功率相同的要求，且邏輯表達式中一般有與、或、非的基本運算邏輯，因此一般需要利用單個PPLN波導實現邏輯非運算的原理。利用PPLN波導實現邏輯非的運算，再根據單個PPLN波導可實現的邏輯運算以及PPLN波導級聯的要求，在多個PPLN波導的組合及部分PPLN波導的級聯下，來最終實現邏輯信號處理器的邏輯表達式。

最后，用MABLAB編程，對PPLN波導進行數值仿真，得到上一步的波導級聯方案中的各級波導的輸出光信號的脈沖波形圖和眼圖，并計算出消光比、脈沖寬度以及峰值功率的延遲時間等性能指標，從而分析這些性能指標是否符合通信的指標要求，進而判斷出波導級聯方案是否可行。

4 結語

全光網是光纖通信網絡的終極目標，全光邏輯信號處理技術是實現全光網的關鍵技術。本文對幾個典型的基于PPLN波導的全光邏輯信號處理器的設計及實現方案進行了總結和分析，包括全光數據選擇器、全光數值比較器、單波長全光或門和全光譯碼器，并提出了基于PPLN波導的全光邏輯信號處理器的設計思路，即首先根據真值表和單個PPLN波導的邏輯運算原理得到合適的邏輯表達式，然后根據PPLN波導實現邏輯非的原理和PPLN波導級聯的要求，設計可行的波導級聯方案，從而實現邏輯表達式，最后用MABLAB進行數值仿真并分析性能指標，判斷方案是否可行。此設計思路可以為基于PPLN波導的全光邏輯信號處理器的研發提供參考。