基于PPLN波导的全光逻辑信号处理器设计思路

童 艳，冯 嵩，张囡囡

（1沈阳城市建设学院 辽宁 沈阳 110167）

（2沈阳市应急管理事务服务中心 辽宁 沈阳 110167）

1 引言

光纤通信网络是现今社会的支柱网络，提供了超大带宽、超高容量、超快速率的通信。全光网是光纤通信网络的终极发展目标，整个网络只存在光信号，它的每一个网络节点都是在光域上对信号进行处理。而现今光纤通信网络由于技术的限制，某些网络节点处需要进行“光－电－光”的转换，需要在电域上对信号进行处理，而电信号处理存在速率的电子甁颈。全光网不再需要将光信号转换为电信号，能克服现今光纤通信网络的电子瓶颈，是未来光纤通信网络的发展趋势。全光网中全光信号处理是关键，全光信号处理包括全光波长转换、全光逻辑信号处理、全光采样、全光缓存等，其中全光逻辑信号处理是全光信号处理很重要的技术，研究全光网就必须要研究全光逻辑信号处理。

PPLN波导，即周期性极化铌酸锂波导，是一种非线性光学材料，由于其体积小且响应速度快等优点，目前已广泛应用于各种全光信号处理器件的研发，尤其是在全光逻辑信号处理领域应用较多。本文分析目前基于PPLN波导的全光逻辑信号处理器的设计及实现方法，研究并提出用PPLN波导来设计及实现全光逻辑信号处理器的关键点及通用方案，为基于PPLN波导的全光逻辑信号处理器的研发提供一些设计思路。

2 已实现器件方案分析

目前，用PPLN波导设计及实现的全光逻辑信号处理器有很多，下面对其中一些典型器件的设计及实现方法和思路进行分析总结，以提出PPLN波导下全光逻辑信号处理器的一般设计思路。

申静、秦晋[1]在2018年3月发表的《基于PPLN波导的全光数据选择器的设计与研究》，设计了基于PPLN波导的全光2选1数据选择器，其在一个PPLN波导的光信号逻辑运算的原理基础上，首先给出了2选1数据选择器的逻辑表达式，然后用PPLN波导1实现了逻辑表达式的前一项，由于为了让光复用器实现逻辑表达式中两项的或运算，因此要求逻辑表达式的前一项和后一项的速率和峰值功率要相同，这样就需要利用PPLN波导2和PPLN波导3级联来实现逻辑表达式的后一项。在这里，PPLN波导2和PPLN波导3利用了单个PPLN波导作逻辑非运算的原理。文中还对3个PPLN波导实现的全光2选1数据选择器的设计方案进行了MATLAB数值仿真，并得到了各级波导的输出光信号脉冲波形和眼图，计算出了消光比、脉冲宽度以及峰值功率的延迟时间，通过分析这些指标，此文提出的基于PPLN波导的全光2选1数据选择器的设计方案输出光信号质量满足要求，此方案完全可行。

申静、秦晋[2]在2018年1月发表的《基于PPLN波导的全光数值比较器的设计》，在PPLN波导的光信号逻辑运算的原理基础上，给出了数值比较器的逻辑表达式，并根据逻辑表达式确定单个PPLN波导无法实现数值比较器的逻辑运算，必须采用多个PPLN波导级联的方式。文中利用3个PPLN波导来实现全光数值比较器的逻辑表达式，其中PPLN波导1和PPLN波导2级联实现数值比较器的相等逻辑，PPLN波导3实现数值比较器的大于和小于逻辑。PPLN波导3仅仅利用了单个PPLN波导光信号逻辑运算的原理，而PPLN波导1和PPLN波导2利用了单个PPLN波导作逻辑非运算的原理。该设计也对由3个PPLN波导实现的全光数值比较器的设计方案进行了MATLAB数值仿真，同样得到了各级波导的输出光信号脉冲波形和眼图，计算出了消光比、脉冲宽度以及峰值功率的延迟时间等指标，结果表明，该设计提出的基于PPLN波导的全光数值比较器的设计方案的输出光信号质量可靠，此方案是完全可行的。

童艳、李丹、李晶晶[3]在2018年5月发表的《基于PPLN波导的单波长全光或门研究》，提出了PPLN波导级联下单波长全光或门的设计方案，方案中在单个PPLN波导实现的逻辑关系式的前提下，分析出了或门的逻辑表达式，并根据PPLN波导对各输入光信号的要求，利用3个PPLN波导相互级联来最终实现此逻辑表达式。此方案同样利用了单个PPLN波导作逻辑非运算的原理来满足PPLN波导对各输入光信号的要求，即要求各输入光信号有相同的速率和峰值功率。这篇论文同样对基于3个PPLN波导级联的单波长全光或门的设计方案进行了MATLAB数值仿真，并通过分析得到的各级波导的输出光信号脉冲的波形和眼图，以及计算出的消光比、脉冲宽度以及峰值功率的延迟时间等指标，得出该设计方案设计的基于PPLN波导的单波长全光或门能很好实现或门的逻辑，且是单波长的，不需要将其转换为电信号，输出的单波长信号光直接能在光域上应用，而或门又是比较基本的逻辑运算器件，因此该设计实现的或门能用于其他较复杂的全光逻辑信号处理器件的研究与开发。

申静、林杨[4]在2020年2月发表的《基于PPLN波导的全光译码器的设计与研究》，提出了利用PPLN波导级联的方式设计及实现全光2线-4线译码器的方案。此方案同样根据PPLN波导作逻辑运算的原理，首先得到了2线-4线译码器的逻辑表达式。基于PPLN波导输入的各路光波信号之间的速率和峰值功率要相同的原则，文中共采用7个PPLN波导实现2线-4线译码器，其中PPLN波导1、3、5相互级联实现了第一个逻辑表达式，PPLN波导2、7级联实现了第二个逻辑表达式，PPLN波导2、6级联实现了第三个逻辑表达式，PPLN波导1、3、4相互级联实现了第四个逻辑表达式。此方案实现的第一个和第四个逻辑表达式也同样利用了单个PPLN波导作为逻辑非运算的原理。此文所提出的基于PPLN波导的全光译码器的设计方案，同样也用MATLAB数值仿真得到的结果分析了其质量和可行性，文中通过仿真得到了各级波导的输出光信号脉冲波形和眼图，并分析出了消光比、脉冲宽度以及峰值功率的延迟时间等指标是符合指标要求的，因此此文提出的基于PPLN波导的全光译码器的设计方案的输出光信号质量可以保证，此方案可以用于实际的研发。

3 PPLN波导下全光逻辑信号处理器设计思路

以上对一些典型的基于PPLN波导的全光逻辑信号处理器件的设计及实现方案进行了总结和分析，由以上总结和分析可见，基于PPLN波导的全光逻辑信号处理器的设计思路包括3个步骤：得到合适的逻辑表达式、研究波导级联方案、用MABLAB进行数值仿真并分析性能指标。

首先，根据单个PPLN波导可实现的逻辑关系式（在连续抽运光P的作用下，如果PPLN波导输入两路速率和峰值功率均相同的信号光波A、B，则根据和频SFG+差频DFG效应，将输出三路光波，分别是两路和频剩余光波AB-、A-B和一路差频输出光波AB，因此单个PPLN波导实现的逻辑运算为非和与），并由逻辑信号处理器的真值表，分析得到逻辑信号处理器的逻辑表达式，且逻辑表达式是由非、与和或组成的，这样可以利用单个PPLN波导可实现的逻辑运算以及结合PPLN波导级联的方式来实现逻辑信号处理器的逻辑表达式。

然后，研究波导级联方案。PPLN波导级联时，需要保证级联的每一个PPLN波导的所有输入信号光波相互之间的速率和峰值功率均相同，由于单个PPLN波导输出的和频剩余光波与原输入信号光波具有相同的速率和峰值功率，而差频输出光波的速率和峰值功率与原输入信号光波很有可能不一致，因此每个级联的PPLN波导的各路输入信号光波必须是原信号光波或者和频剩余光波。根据以上要求，逻辑信号处理器的逻辑表达式的实现一般是不能仅仅用单个PPLN波导或者多个PPLN波导简单组合，而是要用多个PPLN波导级联的方式。而在用多个PPLN波导级联的方式时，由于为了满足波导输入信号光波速率和峰值功率相同的要求，且逻辑表达式中一般有与、或、非的基本运算逻辑，因此一般需要利用单个PPLN波导实现逻辑非运算的原理。利用PPLN波导实现逻辑非的运算，再根据单个PPLN波导可实现的逻辑运算以及PPLN波导级联的要求，在多个PPLN波导的组合及部分PPLN波导的级联下，来最终实现逻辑信号处理器的逻辑表达式。

最后，用MABLAB编程，对PPLN波导进行数值仿真，得到上一步的波导级联方案中的各级波导的输出光信号的脉冲波形图和眼图，并计算出消光比、脉冲宽度以及峰值功率的延迟时间等性能指标，从而分析这些性能指标是否符合通信的指标要求，进而判断出波导级联方案是否可行。

4 结语

全光网是光纤通信网络的终极目标，全光逻辑信号处理技术是实现全光网的关键技术。本文对几个典型的基于PPLN波导的全光逻辑信号处理器的设计及实现方案进行了总结和分析，包括全光数据选择器、全光数值比较器、单波长全光或门和全光译码器，并提出了基于PPLN波导的全光逻辑信号处理器的设计思路，即首先根据真值表和单个PPLN波导的逻辑运算原理得到合适的逻辑表达式，然后根据PPLN波导实现逻辑非的原理和PPLN波导级联的要求，设计可行的波导级联方案，从而实现逻辑表达式，最后用MABLAB进行数值仿真并分析性能指标，判断方案是否可行。此设计思路可以为基于PPLN波导的全光逻辑信号处理器的研发提供参考。