基于PPLN波導(dǎo)的全光普通4線2線編碼器設(shè)計(jì)

童 艷

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院 遼寧 沈陽 110167）

1 引言

隨著各種寬帶業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率和帶寬的要求越來越高，通信網(wǎng)絡(luò)需要采用一些技術(shù)來進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的速率和帶寬。光纖通信作為現(xiàn)代社會(huì)的主要網(wǎng)絡(luò)，提供了大帶寬和高速率的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。而由于技術(shù)的限制，目前光網(wǎng)絡(luò)某些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處還需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)耦合進(jìn)光纖，而正因?yàn)橐M(jìn)行電信號(hào)處理，所以目前光網(wǎng)絡(luò)的這些節(jié)點(diǎn)的信號(hào)處理速度不會(huì)太快，從而影響了光網(wǎng)絡(luò)的整體速率。而全光網(wǎng)的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處都只存在光信號(hào)的處理，大大提高了處理速度，因此全光網(wǎng)是光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

全光信號(hào)處理是實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括全光波長(zhǎng)變換、全光開關(guān)、全光邏輯信號(hào)處理等等，其中全光邏輯信號(hào)處理是全光信號(hào)處理的很重要的技術(shù)。由于PPLN（周期性極化鈮酸鋰）波導(dǎo)這種非線性光學(xué)材料的優(yōu)點(diǎn)，目前很多全光邏輯信號(hào)處理器都是用PPLN波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)的，比如基于PPLN波導(dǎo)的全光數(shù)據(jù)選擇器[1]、全光譯碼器[2]、全光數(shù)值比較器[3]、全光4線-2線優(yōu)先編碼器[4]等，且這些器件通過仿真和數(shù)值分析，性能良好。雖然目前已實(shí)現(xiàn)的全光邏輯信號(hào)處理器件有不少，但要完全實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)，這些全光邏輯信號(hào)處理器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此還需要繼續(xù)研究新型全光邏輯信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案。本文就是要研究基于PPLN波導(dǎo)的新型全光邏輯信號(hào)處理器，提出新型全光邏輯信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案。

2 PPLN波導(dǎo)全光邏輯運(yùn)算原理

基于PPLN波導(dǎo)的全光邏輯信號(hào)處理器需要根據(jù)PPLN波導(dǎo)的全光邏輯運(yùn)算原理來進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1所示為PPLN波導(dǎo)全光邏輯運(yùn)算原理圖，其中A、B為兩路速率和峰值功率都相同的二進(jìn)制輸入脈沖信號(hào)光，P為連續(xù)抽運(yùn)光，由于PPLN波導(dǎo)的和頻+差頻效應(yīng)，A、B信號(hào)光會(huì)在PPLN波導(dǎo)中經(jīng)歷和頻過程，產(chǎn)生的和頻光又會(huì)與抽運(yùn)光P進(jìn)行差頻過程，最終PPLN波導(dǎo)輸出兩路和頻剩余光（分別是信號(hào)光A和B的和頻剩余光波）和一路差頻輸出光。

圖1 PPLN波導(dǎo)全光邏輯運(yùn)算原理

下面分析一下PPLN波導(dǎo)的這三路輸出光波的邏輯關(guān)系式。假設(shè)某一時(shí)隙內(nèi)A、B信號(hào)光的邏輯分別為0、0或1、0或0、1，則A、B信號(hào)光在PPLN波導(dǎo)中不會(huì)發(fā)生和頻效應(yīng)，從而也不會(huì)有差頻效應(yīng)的產(chǎn)生，輸出就不會(huì)有差頻光波，此時(shí)PPLN波導(dǎo)的兩路輸出和頻剩余光還是原來的A、B輸入信號(hào)光。假設(shè)某一時(shí)隙內(nèi)A、B信號(hào)光的邏輯都為1，那么A、B信號(hào)光會(huì)在PPLN波導(dǎo)中經(jīng)歷和頻過程，產(chǎn)生的和頻光再與抽運(yùn)光P進(jìn)行差頻，輸出差頻光，一般在抽運(yùn)光的差頻作用下，和頻過程能充分進(jìn)行，因此此時(shí)PPLN波導(dǎo)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(dǎo)的輸出光波中的A信號(hào)光的和頻剩余光的邏輯表達(dá)式為AB-，PPLN波導(dǎo)的輸出光波中的B信號(hào)光的和頻剩余光的邏輯表達(dá)式為A-B，PPLN波導(dǎo)的輸出光波中的差頻光的邏輯表達(dá)式為AB。

3 全光普通4線-2線編碼器設(shè)計(jì)方案

普通4線-2線編碼器屬于編碼器的一種，有4路二進(jìn)制輸入信號(hào)，2路二進(jìn)制輸出信號(hào)。假設(shè)4路輸入信號(hào)分別是I0、I1、I2、I3，2路輸出信號(hào)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(dāng)I0、I1、I2、I3分別是1000時(shí)，Y1、Y0為00；當(dāng)I0、I1、I2、I3分別是0100時(shí)，Y1、Y0為01，當(dāng)I0、I1、I2、I3分別是0010時(shí)，Y1、Y0為10；當(dāng)I0、I1、I2、I3分別是0001時(shí)，Y1、Y0為11。由普通4線-2線編碼器的輸入與輸出之間的關(guān)系，可以得出Y1和Y0的邏輯表達(dá)式為：Y1=I2+I3，Y0=I1+I3。由圖1所示的PPLN波導(dǎo)的全光邏輯運(yùn)算原理，可知如果要用PPLN波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)Y1和Y0的邏輯表達(dá)式，就必須將Y1和Y0的邏輯表達(dá)式的形式變換為與非、或者與非或的形式，經(jīng)過分析，將Y1和Y0的邏輯表達(dá)式變換為：此表達(dá)式只含有與非邏輯運(yùn)算。

表1 普通4線-2線編碼器真值表

由Y1和Y0的邏輯表達(dá)式的變換形式，可知只利用單個(gè)PPLN波導(dǎo)是不能實(shí)現(xiàn)Y1和Y0的邏輯表達(dá)式的。由申靜、秦晉在2018年5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”期刊論文中的圖3可知，Y1和Y0的邏輯表達(dá)式中的輸入信號(hào)I1、I2、I3的非運(yùn)算可以利用PPLN波導(dǎo)作邏輯“非”運(yùn)算的基本原理來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閅1和Y0的邏輯表達(dá)式中都有輸入信號(hào)I3，所以可以先利用PPLN波導(dǎo)作邏輯“非”運(yùn)算的原理來實(shí)現(xiàn)然后再利用PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)Y1和Y0的邏輯表達(dá)式。在利用PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)普通4線-2線編碼器的邏輯表達(dá)式時(shí)，需要考慮PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的條件，即各級(jí)PPLN波導(dǎo)的輸入信號(hào)的速率和峰值功率都必須相同，在這種條件下，利用PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)Y1和Y0的邏輯表達(dá)式的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 基于PPLN波導(dǎo)的全光普通4線-2線編碼器的設(shè)計(jì)方案

圖2基于PPLN波導(dǎo)的全光普通4線-2線編碼器的設(shè)計(jì)方案，一共采用了5個(gè)PPLN波導(dǎo)，為了簡(jiǎn)略，圖中省略了每個(gè)PPLN波導(dǎo)的抽運(yùn)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(hào)。其中用PPLN1實(shí)現(xiàn)邏輯，輸入速率和峰值功率都相同的clock1和I3二進(jìn)制脈沖信號(hào)，由PPLN1波導(dǎo)的邏輯運(yùn)算原理，其輸出為、I3、0。由于是輸入信號(hào)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(hào)。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(xù)作為PPLN4的輸入信號(hào)。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(xù)作為PPLN5的輸入信號(hào)。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(dá)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(dá)式。因此圖2所示的PPLN1、PPLN2、PPLN4三個(gè)波導(dǎo)級(jí)聯(lián)能實(shí)現(xiàn)普通4線-2線編碼器的輸出Y1的邏輯表達(dá)式，PPLN1、PPLN3、PPLN5三個(gè)波導(dǎo)級(jí)聯(lián)能實(shí)現(xiàn)普通4線-2線編碼器的輸出Y0的邏輯表達(dá)式。

3 結(jié)語

本文提出了基于PPLN波導(dǎo)的全光普通4線-2線編碼器的設(shè)計(jì)方案。首先在單個(gè)PPLN波導(dǎo)邏輯運(yùn)算原理的基礎(chǔ)上，分析并得出了普通4線-2線編碼器的兩個(gè)輸出的只含有與非的邏輯表達(dá)式。然后根據(jù)兩個(gè)輸出的邏輯表達(dá)式，分析出了要實(shí)現(xiàn)這樣的邏輯表達(dá)式，就需要利用PPLN波導(dǎo)作邏輯非運(yùn)算的原理以及利用多個(gè)PPLN波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的方式。最后一共用5個(gè)PPLN波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了普通4線-2線編碼器的兩個(gè)輸出的邏輯表達(dá)式，其中用PPLN1、PPLN2和PPLN4實(shí)現(xiàn)了普通4線-2線編碼器的高位輸出的邏輯表達(dá)式，用PPLN1、PPLN3和PPLN5實(shí)現(xiàn)了普通4線-2線編碼器的低位輸出的邏輯表達(dá)式。此設(shè)計(jì)方案滿足PPLN波導(dǎo)的級(jí)聯(lián)條件，能實(shí)現(xiàn)普通4線-2線編碼器的邏輯功能，且所有信號(hào)處理均在光域上進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了全光的普通4線-2線編碼器。此設(shè)計(jì)方案能為基于PPLN波導(dǎo)的全光普通4線-2線編碼器以及其他全光邏輯信號(hào)處理器件的研發(fā)提供參考。后續(xù)將對(duì)此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行MATLAB數(shù)值計(jì)算及仿真，分析該方案的性能。