оптический регенератор
Классы МПК: | G02F3/00 Оптические логические элементы; бистабильные оптические устройства |
Автор(ы): | Ломашевич С.А., Светиков Ю.В. |
Патентообладатель(и): | Фирма "Самсунг Электроникс Ко., Лтд." (KR) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-07-06 публикация патента:
20.12.1997 |
Использование: изобретение относится к области обработки цифровой информации. Сущность: оптический регенератор содержит два оптически связанных активных резонатора с омическими контактами на верхних и нижних основаниях. Резонаторы выполнены с внутренними и внешними зеркалами, а между резонаторами установлен прямоугольный фазовый модулятор так, что внутренние зеркала резонаторов и фазовый модулятор образуют нелинейный Фабри-Перо интерферометр. Внутренние зеркала связанных резонаторов имеют большее пропускание, чем внешние, при этом к одной из свободных граней фазового модулятора пристыкован многоэлектродный инжекционный лазер с насыщенным поглотителем с неоднородной инжекцией тока, оптически связанный с фазовым модулятором. На верхние и нижние грани фазового модулятора нанесены омические контакты. 7 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7
Формула изобретения
Оптический регенератор, отличающийся тем, что регенератор содержит два оптически связанных активных резонатора с омическими контактами на верхних и нижних основаниях, причем резонаторы выполнены с внутренними и внешними зеркалами, а между резонаторами установлен прямоугольный фазовый модулятор так, что внутренние зеркала резонаторов и фазовый модулятор образуют нелинейный Фабри-Перо интерферометр, причем внутренние зеркала связанных резонаторов имеют большее пропускание, чем внешние, при этом к одной из свободных граней фазового модулятора пристыкован многоэлектродный инжекционный лазер с насыщаемым поглотителем с неоднородной инжекцией тока, оптически связанный с фазовым модулятором, причем на верхние и нижние грани фазового модулятора нанесены омические контакты.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области обработки цифровой информации, представленной оптическими сигналами, в частности к устройствам регенерации, усиления, коммутации оптических сигналов полупроводниковыми структурами. Преимущественной областью применения являются волоконно-оптические системы связи и передачи информации (ВОССПИ) и вычислительной техники. Известно устройство, состоящее из трех связанных лазерных диодов для генерации оптического сигнала в режиме синхронизации мод (см. Tsang W.T. Olsson N. A. Logan R.A. Appl.Phys. Lett. 1983, 43, p. 339). В этом устройстве средняя секция лазерный диод является источником излучения и, совместно с секцией-поглотителем с электронным управлением, образуют лазер с насыщенным поглотителем, генерирующим оптические импульсы в режиме синхронизации мод. Третья секция является затвором, управляемым электрическим строб-импульсом, позволяющим выделить заданное количество импульсов на выходе. Электрическое управление выходом является недостатком для полностью оптического прибора. Рассматриваемое устройство представляет лабораторный макет, что, с точки зрения практики, также является недостатком. Также известно устройство, позволяющее выделять тактовую частоту с использованием многоэлектродного полупроводникового лазера (Jinno M. Matsumoto T. All-Optical Timing Extraction Using a 1,5 ms Self Pulsaiting Multielectrode DFB L D. El.Lett. 1988, N 23, 1426-1427). Это устройство, работающее в режиме синхронизации мод, способно синхронизировать выходные импульсы с тактовой частотой под действием дополнительных входных импульсов. Однако устройство не является регенератором оптических сигналов, так как не обладает усилением и не восстанавливает форму сигнала. Другое устройство (Jinno M. Matsumoto T. All-Optical Timing Extraction Using Optical Tank Circults, Procedings of 100"89, Technical Digest, vol. 4, pp. 96-97), основным элементом которого является кольцевой резонатор или интерферометр Фабри-Перо, настроенные на определенную частоту, позволяет выделять оптические импульсы с периодом, совпадающим со временем полного обхода резонатора. Однако это устройство не является регенератором оптического сигнала, так как в нем не предусмотрена возможность формирования информационных сигналов по форме и амплитуде. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство (Giles C.R. et. al. All-Optical Regenerator, El. Lett. 1988, v. 24, N 14, pp. 848-850), на ячейках SEED позволяет синхронизировать и усиливать (с коэффициентом усиления 2 дБ) импульсы тактовой частоты, но резонансным элементом является электрический L-C контур. С практической точки зрения, в полностью оптических линиях подобное устройство, содержащее электрические и оптические цепи, неприемлемо. К тому же из-за низкого быстродействия ячеек SEED (30 10 нс) и применения электрических цепей такие устройства не могут работать при больших скоростях: на рассматриваемом устройстве получено-5 КБит/с. К тому же устройство не может формировать выходной сигнал ни по форме, ни по длительности. В основу изобретения положена задача создания устройства, свободного от вышеуказанных недостатков, устройства, формирующего выходной оптический сигнал с заданными параметрами:форма сигнала;
амплитуда;
соответствие тактовой частоте;
т.е. создание полностью оптического 3R-генератора. Поставленная задача решается тем, что, согласно изобретению, регенератор содержит два оптически связанных активных резонатора с омическими контактами на верхних и нижних основаниях, причем резонаторы выполнены с внутренними и внешними зеркалами, а между резонаторами установлен прямоугольный фазовый модулятор так, что внутренние зеркала резонаторов и фазовый модулятор образуют нелинейный Фабри-Перо интерферометр, причем внутренние зеркала связанных резонаторов имеют большее пропускание, чем внешние, при этом к одной из свободных граней фазового модулятора пристыкован многоэлектродный инжекционный лазер с насыщаемым поглотителем с неоднородной инжекцией тока, оптически связанный с фазовым модулятором, причем на верхние и нижние грани фазового модулятора нанесены омические контакты. Оптический регенератор позволяет:
1. Восстанавливать-формировать оптический сигнал по форме, усиливать по амплитуде и синхронизировать с тактовой частотой. 2. Коммутировать и разветвлять оптический сигнал по двум каналам. 3. Использовать устройство в качестве оптического генератора импульсов. 4. Работать в многочастотном режиме излучения, т.е. при постоянной входной частоте, позволяет варьировать выходную несущую путем соответствующего изменения параметров нелинейного фазового модулятора или параметров лазеров секции формирования выходных сигналов. Устройство малогабаритно и допускает применение в интегральных схемах, совместимых с другими элементами оптоэлектроники. В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен заявляемый полностью оптический регенератор, содержащий фазовый модулятор 1, расположенный между внутренними зеркалами резонаторов СЗ-лазера 2, фазовый модулятор с зеркалами 3 образует нелинейный Фабри-Перо интерферометр. Внешние зеркала 4 резонаторов СЗ-лазера образуют секцию формирования выходных сигналов. Двойной инжекционный лазер состоит из двух ячеек: активной 5 и насыщаемого поглотителя 6 с зеркалами 7. Омические контакты 8 позволяют подавать напряжение на разовый модулятор и ячейку насыщаемого поглотителя и токи на лазеры 2 и 5. Нижний контакт 9 одновременно является теплоотводом. Позиция 10 обозначает активную область лазеров. На фиг. 2 изображены зависимости (интенсивности) выходного оптического сигнала от входного в фазовый модулятор (1 f(i)) для нелинейного Фабри-Перо интерферометра и секции формирования. Фиг. 3 поясняет работу фазового модулятора в режиме каскада совпадения: только при одновременном появлении в нем сигналов с тактовой частотой устройство пропускает информацию, причем с усилением импульсов, длительность которых соответствует длительности, заданной в двойном инжекционном лазере. Фиг. 4 поясняет процесс синхронизации тактовой частоты с последовательностью информационных импульсов. На фиг. 4 а пунктиром изображены те импульсы тактовой частоты, которые были выработаны лазером в отсутствие сигнала на входе (например, 11001). Первый же импульс (фиг. 4) этой последовательности вносит дополнительное воздействие в насыщаемый поглотитель, чем способствует его просветлению и формированию импульса в лазере в момент смещения последовательности тактовых импульсов во времени. На фиг. 5 изображен вариант оптического регенератора с многоэлектродным инжекционным лазером, входная ячейка 6 которого является насыщаемым поглотителем. Остальные позиции совпадают с позициями фиг. 1. На фиг. 6 изображен вариант оптического регенератора, в котором насыщаемый поглотитель 6 лазера и фазовый модулятор 1 совмещено. Остальные позиции совпадают с фиг. 1. Фиг. 7 изображает вариант оптического регенератора с многоэлектродным инжекционным лазером, входная ячейка которого является насыщаемым поглотителем, а активная ячейка состоит из двух секций 5 и 11. Устройство работает следующим образом. а) Внешний оптический сигнал отсутствует. Величина токов 1 в лазерах секции формирования выходных сигналов в пропускном направлении подобрана такой, чтобы интенсивности этих лазеров было недостаточно для просветления фазового модулятора. В этом состоянии нелинейный Фабри-Перо интерферометр находится в состоянии, далеком от резонанса. При этом двойной инжекционный лазер 5 6 генерирует последовательность коротких по длительности (10-100 пс) импульсов тактовой частоты rT, которые поступают в фазовый модулятор. На выходе устройства (зеркала 4 лазеров 2) отсутствует импульсный выходной сигнал. Это ждущий режим, для изменения которого, т.е. перехода к режиму включения, необходимо достижение некоторой пороговой величины интенсивности излучения внутри нелинейного Фабри-Перо интерферометра, при которой происходит его просветление за счет нелинейных свойств материала фазового модулятора и настройка интерферометра в резонанс. Такое состояние достигается, если в фазовый модулятор поступают одновременно сигнал тактовой частоты и входной оптический импульс, суммарная интенсивность которых оказывается больше некоторой пороговой величины 1п (фиг. 2 ) на характеристике оптической бистабильности. Если материал нелинейного фазового модулятора имеет зависимость показателя преломления n n + n2Ip, где n0 показатель преломления материала в отсутствие излучения, n2 нелинейный коэффициент среды, Ip - интенсивность излучения внутри интерферометра, то в силу эффекта оптической бистабильности пропускание интерферометра скачком изменяется и интерферометр переходит в "верхнее" состояние (фиг. 2). Таким образом происходит установление оптической связи между лазерами 2. При этом оба лазера входят в режим когерентного излучения, что резко повышает интенсивность оптического излучения в резонаторе, ограниченном зеркалами 4. Проявление нелинейных эффектов, описанных выше в секции формирования приводит к просветлению секции формирования, и резкому возрастанию выходной интенсивности сигнала на зеркалах 4 явлению, свойственному оптическому транзистору с реализацией характеристики, представленной на фиг. 2. б) Внешний оптический сигнал i подан одновременно на вход двойного инжекционного лазера (на зеркало 7) и на вход фазового модулятора, как показано на фиг. 1, например, с помощью разветвителя. Лазер работает в режиме синхронизации мод с насыщаемым поглотителем (секция 6, фиг. 1), что позволяет получить периодические непрерывные последовательности оптических импульсов (фиг. 4 а) с длительностью от долей пс до сотен пс, определяемой по формуле:
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099762/2099762-2t.gif)
где
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099005/916.gif)
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099108/955.gif)
и с периодом
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099762/2099762-3t.gif)
где L длина резонатора, что соответствует частоте повторения импульсов в гигагерцевом диапазоне для реальных полупроводниковых лазеров. Для работы устройства необходимо синхронизировать импульсы тактовой частоты, вырабатываемые двойным инжекционным лазером, и входные импульсы. Поэтому входные импульсы подаются на вход лазера (фиг. 4 в) и вызывают дополнительное просветление насыщаемого поглотителя 6 и, как следствие, оптическую синхронизацию мод вводимым в лазер потоком импульсов (фиг. 4 с). В результате синхронизации тактовых импульсов они поступают в фазовый модулятор одновременно. Нелинейный Фабри-Перо интерферометр и секция формирования срабатывают лишь в том случае, когда вводимая в фазовый модулятор энергия оптического излучения превышает некоторое пороговое значение. Это происходит при выполнении условия синхронизации между тактовыми и входными импульсами. Причем "единице" соответствует режим формирования выходного импульса, "нулю" ноль (фиг. 3). Выходные импульсы по длительности соответствуют длительности импульсов двойного инжекционного лазера, т.е. лежат в интервале от долей до сотен пс в зависимости от уровней неоднородности токовой инжекции в ячейках лазера, параметров используемой полупроводниковой структуры (концентрации неравновесных носителей, времени жизни фотонов и носителей тока, модового состава) и отношения длин ячеек 5 и 6. Таким образом, соответствующими регулировками (токами в ячейках лазера), выбором материала полупроводникового лазера 5-6, выбором размеров его ячеек 5 и 6 достигается требуемая длительность выходных регенерированных импульсов. По амплитуде выходные импульсы усиливаются до величины, определяемой крутизной линейного участка характеристик оптического транзистора:
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099762/2099762-4t.gif)
где
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099762/2099762-5t.gif)
где G0 внутренний коэффициент усиления секции формирования;
G1 коэффициент пропускания нелинейного Фабри-Перо интерферометра;
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099120/920.gif)
qo фазовый угол расстройки секции формирования;
i амплитуда интенсивности входного сигнала;
I амплитуда интенсивности выходного сигнала. Наклон характеристики регулируется двумя параметрами
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099120/920.gif)
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099120/920.gif)
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099120/920.gif)
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099120/920.gif)
![оптический регенератор, патент № 2099762](/images/patents/373/2099132/964.gif)
Класс G02F3/00 Оптические логические элементы; бистабильные оптические устройства
оптический наногенератор - патент 2465623 (27.10.2012) | ![]() |
оптический наногенератор - патент 2462740 (27.09.2012) | ![]() |
оптический jk-нанотриггер - патент 2461032 (10.09.2012) | ![]() |
оптический т-триггер - патент 2461031 (10.09.2012) | ![]() |
оптический jk-триггер - патент 2458377 (10.08.2012) | ![]() |
способ фотопереключения ретинальсодержащего белка и оптический логический элемент на его основе - патент 2420773 (10.06.2011) | ![]() |
оптический т-нанотриггер - патент 2416117 (10.04.2011) | ![]() |
оптический rs-нанотриггер - патент 2411562 (10.02.2011) | ![]() |
оптическое невзаимное устройство - патент 2359300 (20.06.2009) | ![]() |
магнитооптический вентиль - патент 2324209 (10.05.2008) | ![]() |