полностью оптический регенератор

Формула изобретения

1. Полностью оптический регенератор, содержащий нелинейный кольцевой резонатор, два волновода с электродами, размещенные на резонаторе по его диаметральной оси, и два полупроводниковых лазера, размещенных в резонаторе, отличающийся тем, что один полупроводниковый лазер выполнен многосекционным с насыщаемым поглотителем, а волноводы снабжены диаметрально расположенными оптическими контактами, два из которых являются входами для оптических сигналов, а два других выходами.

2. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что зеркала лазеров выполнены в виде брегговских зеркал.

3. Регенератор по п.1, отличающийся тем, что в полупроводниковую структуру многосекционного лазера введена распределенная обратная связь в виде брегговской решетки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обработки информации, представленной оптическими сигналами, в частности к устройствам регенерации, усиления, коммутации оптических сигналов (ОС) полупроводниковыми структурами.

Преимущественной областью применения являются волоконно-оптические системы связи и передачи информации (ВОССПИ), схемы вычислительной техники.

Известно устройство [1], состоящее из трех связанных лазерных диодов для генерации ОС в режиме синхронизации мод.

В этом устройстве средняя секция - лазерный диод - является источником излучения и совместно с секцией - поглотителем с электронным управлением образует лазер с насыщаемым 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 [2], позволяющее выделять тактовую частоту с использованием многоэлектродного полупроводникового лазера. Это устройство, работающее в режиме синхронизации мод, способно синхронизировать выходные импульсы с тактовой частотой под действием дополнительных входных импульсов. Однако устройство не является регенератором ОС, т.к. не обладает усилением и не восстанавливает форму сигнала.

Известно другой устройство [3], основным элементом которого является кольцевой резонатор или интерферометр Фабри-Перо, настроенные на определенную частоту. Оно позволяет выделять оптические импульсы с периодом, совпадающим со временем полного обхода резонатора. Однако это устройство не является регенератором ОС, т.к. в нем не предусмотрена возможность формирования информационных сигналов по форме и амплитуде.

Последнее [4] из известных устройств на ячейках SEED позволяет синхронизировать и усиливать (с коэффициентом усиления 2 дБ) импульсы тактовой частоты, но резонансным элементом является электрический LC-контур. С практической точки зрения в полностью оптических линиях подобное устройство, содержащее электрические оптические цепи, не приемлемо. К тому же из-за низкого быстродействия ячеек SEED (30-10⁶ пс) 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.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является оптический транзистор [5] , позволяющий коммутировать и усиливать оптические сигналы, а также селектировать излучения различных частот по каналам. Достоинствами этого прибора являются высокий коэффициент усиления, возможность коммутации ОС, малогабаритность: применение резонансных колец в качестве элементов интегральной оптики позволяет реализовать резонаторы с высокой добротностью Q (Q=10⁸) и при разности показателей преломления волноводов и окружающей среды в 0,01% радиус кольцевого резонатора на стекле с n=1,5 и разностью n показателей преломления внутри и вне волновода n= 0,1 R=57 мкм, а для n=0,01 R=1550 мкм для длины волны излучения, равной 1 мкм (см. Maracatili E.A.J., Miller S.e. Improved Relations Describing Directional Control in Electromagnetic.//The Bell System Tecnical Jornal, vol. 48, N 7, 1969, 2161-2188).

Недостатками этого прибора являются отсутствие элементов выделения при формировании тактовой частоты, невозможность полной регенерации ОС, т.е. в оптическом транзисторе отсутствует возможность синхронизации выходных ОС с тактовой частотой.

В основу изобретения положена задача создания активного, управляемого входными оптическими сигналами, устройства, формирующего оптический сигнал с заданными параметрами: форма сигнала, амплитуда сигнала, соответствие тактовой частоте, т.е. создание полностью оптического регенератора ОС.

Поставленная задача решается тем, что согласно изобретению один полупроводниковый лазер выполнен многосекционным с насыщаемым поглотителем, а волноводы снабжены диаметрально расположенными оптическими контактами, два из которых являются входами для оптических сигналов, а два других - выходами.

Желательно, чтобы зеркала лазеров были выполнены в виде брегговских зеркал.

Желательно, чтобы в полупроводниковую структуру многосекционного лазера была введена распределенная обратная связь в виде брегговской решетки.

Наличие многосекционного полупроводникового лазера (МПЛ), работающего в режиме синхронизации мод, объединенного вместе с нелинейным кольцевым резонатором (НКР), полупроводниковыми ответвителями (ПО) в единую оптическую систему, представляемую с помощью фазового модулятора (ФМ), позволяет устройству приобрести новые свойства, отличные от свойств прототипа, а именно

восстановление оптического сигнала, искаженного по форме и растянутого по длительности в результате прохождения по волоконно-оптическому тракту,

генерацию тактовой частоты и возможность синхронизации тактовых импульсов с последовательностью информационных сигналов,

возможность работы в режиме оптического генератора в диапазоне длин волн 6-10 нм,

возможность переключения в режим оптического транзистора с разветвлением или переключением по двум оптическим каналам.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 изображает полностью оптический регенератор ОС, фиг. 2 изображает в координатах i - оптическое излучение в ФМ, I - выходное излучение, пунктиром - характеристику бистабильного оптического устройства, кривая 1 - характеристику дифференциального усиления, кривая 2 - оптического транзистора, фиг. 3 представляет процесс срабатывания устройства при одновременном воздействии входных импульсов (11001) и импульсов тактовой частоты (11111), фиг. 4 поясняет процесс синхронизации, происходит "сдвиг" всей последовательности тактовых импульсов в соответствии с временным положением входных ОС, фиг. 5 изображает "путь" входных ОС в НКР-1 из волновода 2 через посредство элемента связи, ограниченного пунктирным прямоугольником, фиг. 6 изображает способ вывода сформированных в НКР-1 выходных ОС на оптические контакты III и IV волноводов 2, фиг. 7 относится к способу изготовления устройства, где a изображает расположение электрического контакта для случая непрерывно распределенной активной среды, б изображает вариант полупроводниковой структуры, фиг. 8 представляет вариант зарощенной двойной гетероструктуры для трех компонентного раствора AlGaAs, фиг. 9 изображает интегрально-оптический вариант основного элемента заявляемого устройства с распределенными брэгговскими зеркалами, фиг. 10 изображает полупроводниковую структуру с квантоворазмерной активной областью.

На фиг. 1 представлен заявляемый полностью оптический регенератор ОС, содержащий нелинейный кольцевой резонатор (НКР) 1, два прямолинейных волновода 2, расположенных диаметрально противоположно по отношению к НКР, лазер 3, являющийся источником энергии и усилителем ОС, многосекционный полупроводниковый лазер 4 с электродами 7.

Электроды 5 управляют оптической связью с помощью напряжения U₁ между волноводом 2 и кольцевым резонатором 1, образующими направленные ответвители (НО). Электроды 6 позволяют изменять настройку НКР за счет электрооптических свойств материала напряжением U₂, изменяющим параметры кольцевого резонатора 1. Напряжение U₂ подается на четыре отдельные секции, которые образуют фазовый модулятор (ФМ) 8. Позиция 9 обозначает зеркала лазера и МПЛ. На фиг. 2 изображены графики бистабильных характеристик: 1 - усиления ОС, 2 - оптического транзистора. I_о обозначает оптическую накачку для выбора рабочей точки, I_р.п. - интенсивность излучения резонансной полости - кольцевого резонатора. Фиг. 3 поясняет процесс формирования выходных ОС последовательности 11001. I_о - оптическая накачка, i - интенсивность входных импульсов, i_т - тактовой частоты. Временные графики фиг. 4 показывают процесс синхронизации тактовых импульсов i_т под воздействием последовательности 11001 входных импульсов i. Фиг. 5 указывает направление оптического излучения при вводе ОС через входы I и II. Позиции 1 и 2 обозначают кольцевой резонатор и прямолинейные волноводы как на фиг. 1. Фиг. 6 указывает направление оптического излучения при вводе ОС через выходные оптические контакты III и IV. Остальные обозначения соответствуют фиг. 5. На фиг. 7 позиция 1 обозначает кольцевой резонатор, 2 - металлический контакт. Фиг. 7б представляет полупроводниковую структуру, в которой 1 -контакт, 2 - изоляционный слой, 3 - буферный слой, 4 -волновод, 5 - активный слой, 6 - волновод, 7 - контакт. Стрелка показывает направление оптического излучения по кольцевому резонатору. На фиг. 8 изображена полупроводниковая структура: 1 - n-GaAs, буферный слой, 2 -AlGaAs, защитный слой, 3 - AlGaAs, активный слой, 4 - p-AlGaAs, защитный слой, 5 - n-AlGaAs, слой заращивания, 6 -n-GaAs, контактный слой, 7 - омический контакт, 8 -подложка, 9 - область с диффузией Zn. На фиг. 9 представлена секция кольцевого резонатора с брэгговской решеткой: 1 - подложка, 2 - волновод, 3 - активный слой, 4 - волновод, 5 - ограничивающие слои, 6 - контакт, 7 - изолирующий слой, 8 - контакт, 9 - брэгговская решетка. Стрелки обозначают направление излучения. На фиг. 10 изображена квантоворазмерная структура с указанием состава, концентрации носителей и толщины слоев.

Кратко поясним сущность рассматриваемых далее явлений. Оптическая бистабильность проявляется в том, что среда под воздействием оптического излучения и положительной обратной связи при достижении некоторого порогового значения величины подающего на образец излучения I_p.п. просветляется (фиг. 2). Характеристика "свет-свет", т.е. I_вых = (i_вх) (i_вх - интенсивность оптического излучения на входе, I_вых - на выходе), имеет крутой подъем, носит срывной характер, обусловленный динамикой взаимодействия электромагнитного поля оптического излучения атомами среды, в данном случае полупроводниковой структуры (см. Miller D. et al. Optical Bistability in Semicondactors.//IEEE Journal of Quantum Electronics. 1981-QE17, N 3, pp. 312-317).

Теоретически и экспериментально изучены возможности и режимы получения характеристик бистабильных систем в лабораторных условиях: двузначной с устойчивыми "нижним" и "верхним" состояниями и характеристикой "триодного" режима - усиления ОС для различных типов нелинейностей материалов (см. Miller A. , Miller D. , Smith S. Dynamic Non-Iinear Optical Processes in Semicjndactors. //Advances in Phisics. 1981, vol. 30, N 6, pp. 690-800) (кривая 1, фиг. 2).

Сверхкороткие (nc, доли nc) импульсы в полупроводниковых образцах получают методом синхронизации мод: разность между генерируемыми модами в лазере поддерживается постоянной с помощью насыщающегося поглотителя. В заявляемом устройстве таким поглотителем является одна из ячеек МПЛ. Устройства подобного типа позволяют получить непрерывную последовательность коротких импульсов, длительность и частота следования которых регулируется применяемым материалом, геометрическими размерами и электрическими воздействиями: напряжением на насыщенном поглотителе и величиной токов в активных частях МПЛ.

Устройство работает следующим образом.

а) Внешний оптический сигнал отсутствует.

Величины токов в секциях МПЛ подобраны таким образом, чтобы первая из них являлась насыщаемым поглотителем (i<0), а две другие - активными, работающими в режиме излучения с величинами инжекционных токов выше порогового значения : > J_th (фиг. 1). Величина тока в полупроводниковом лазере ниже его порогового значения: J₁ < J_th. При такой установке мощности излучения, заполняющего ФМ, не достигается того порогового значения, при котором начинают сказываться нелинейные эффекты. НКР находится в состоянии, далеком от резонанса. Это "нижнее" состояние на кривой 1 (фиг. 2) относится к прибору с оптической бистабильностью. При превышении некоторой пороговой величины I_p.п. интенсивности излучения в ФМ происходит его просветление и настройка НКР в резонанс.

Действительно, если материал в ФМ имеет зависимость показателя преломления n от интенсивности I_p: n = n₀+n₂ I_p, где n₀ - показатель преломления в отсутствии излучения, n₂ - коэффициент нелинейности среды, то в результате эффекта оптической бистабильности НКР оказывается в "верхнем" состоянии (фиг. 2), когда интенсивность излучения достигает пороговой величины и значение отличается от значения показателя преломления, которое соответствует "нижнему" состоянию. Причем это изменение происходит скачком из-за резко выраженных свойств резонансного кольца, обратной связи и увеличения интенсивности из-за включения лазера. Излучение изменяет оптическую длину резонатора nL в сторону резонанса. Увеличивается внутреннее поле, которое еще сильнее сдвигает частоту резонанса к частоте падающего поля до тех пор, пока не будет достигнут полный резонанс. С увеличением внутрирезонаторной интенсивности увеличивается оптическое поле в полупроводниковом лазере из-за инжекции света, понижается плотность носителей тока, показатель преломления в активной области лазера увеличивается, происходит срыв лазера в режим стимулированного излучения, что еще более увеличивает интенсивность светового поля в системе, которая переходит (перескакивает) на резонансную кривую 2 (фиг. 2), соответствует режиму оптического транзистора (см. Быстров Ю.Л., Ломашевич С. А., Светиков Ю.В. Оптический транзистор - новый функциональный элемент техники ВОСП.//Электросвязь, 1992, 11, с. 22-25).

Итак, возрастание интенсивности оптического поля внутри резонатора, изменение показателя преломления приводят к переходу на характеристику с меньшим пороговым значением по величине внутрирезонаторной интенсивности и с большим динамическим диапазоном по сравнению с известными бистабильными устройствами (кривая 2, фиг. 2). Нормальное состояние - "нижнее". Это ждущий режим. Причем только одновременное воздействие входного ОС и импульса тактовой частоты, вырабатываемого в МПЛ, позволяет превысить пороговое значение внутрирезонаторной интенсивности.

б) Внешний сигнал подан одновременно на входы I и II устройства (фиг. 1), например, с помощью разветвителя. Оптический сигнал, поступающий на вход I через направленный ответвитель, вводится в НКР (фиг. 5) и через зеркало 9 (фиг. 1) в полупроводниковый лазер 3, который под воздействием этого ОС переходит в режим лазерного излучения. Для работы устройства необходимо синхронизировать импульсы тактовой частоты, вырабатываемые МПЛ, и входные импульсы. Поэтому входные ОС подаются на II-ой вход и далее через НО в зеркало 9 МПЛ и вызывают дополнительное просветление насыщаемого поглотителя и, как следствие, оптическую синхронизацию мод вводимым в МПЛ потоком импульсов (фиг. 4). В результате синхронизации тактовых и входных импульсов они поступают в ФМ одновременно. Пространство НКР оказывается "замкнутым" оптическим полем лишь в том случае, когда вводимая в ФМ энергия оптического излучения превышает некоторое пороговое значение. Это происходит при выполнении условия синхронизации между тактовыми и входными импульсами: два импульса появляются в ФМ одновременно. При этом "единице" входного ОС соответствует режим формирования выходного импульса (фиг. 3). Через направленные ответвители ОС выводится из НКР и поступает на выходные оптические контакты III и IV (фиг. 6). Выходные импульсы по длительности равны длительности импульсов МПЛ, т. е. лежат в интервале от долей до сотен пc в зависимости от уровней неоднородности токовой инжекции в ячейках МПЛ, параметров полупроводниковой структуры и конструкции (токов в ячейках МПЛ), выбором материала и размеров МПЛ достигается требуемая длительность выходных регенерированных импульсов.

По амплитуде выходные ОС усиливаются до величины, определяемой крутизной линейного участка характеристики 2 (фиг. 2) оптического транзистора. Наклон характеристики 2 (фиг. 2) регулируется параметрами и может быть задан при изготовлении устройства либо изменен с помощью напряжения, подаваемого на ФМ, или токов в МПЛ 3 и полупроводниковом лазере 4 (фиг. 1 ) в силу зависимости показателя преломления от уровня инжекции носителей тока. Итак, синхронизированный ввод в ФМ оптических импульсов входных i и тактовой частоты i_т (фиг. 3) позволяет получить ту необходимую добавку в НКР, чтобы инициировать описанный выше процесс лавинообразного изменения свойств среды в ФМ, установление резонансного состояния в ней, изменения оптической длины НКР, а следовательно, и резонансной настройки НКР, резкое возрастание интенсивности и переход в "верхнее" состояние всей системы. При выполнении ограничительных условий на параметры расстройки Q₀ и Q₁ реализуется характеристика дифференциального усиления оптического транзистора (фиг. 3). Происходит усиление ОС, сформированного в НКР. При работе в режиме усиления ОС токами J₁ и устанавливается значение интенсивности I₀, соответствующее рабочей точке на характеристике I= f(i). Усиленные и ограниченные по длительности импульсы ОС выводятся в узкой спектральной области (чему способствует высокая добротность НКР в точке резонанса) с выходных оптических контактов III и IV в соответствии с тактовой частотой (фиг. 6).

Способ изготовления устройства.

Материалы, используемые для изготовления устройства: трехкомпонентные (например, GaAlAs) и четырехкомпонентные (например, InGaAsP), твердые растворы, композиционный состав которых зависит от диапазона перекрываемых длин волн оптического излучения.

Технологический процесс: жидкофазная, газофазная, мосгидридная и молекулярно-лучевая эпитаксии. Конструкция и структура активных ячеек регенератора в составном (гибридном) варианте регенератора изготавливается по вышеуказанной технологии и устанавливается в протравленные окна в кольцевой резонатор. Крепление производится с помощью припоя на основе индия.

В интегрально-оптическом варианте предлагаются следующие структуры.

В основе лазера и МПЛ применяется двойная гетероструктура.

Наиболее простой случай реализуется при создании распределенного активного слоя по всему кольцевому резонатору. Формирование такого активного слоя по вертикали происходит при росте гетероструктуры, в планарном плане ограничение активного слоя производится за счет размеров контактной площади, также имеющей кольцевой вид (фиг. 7а), созданием полосковой геометрии (фиг. 7б). Другим вариантом ограничения является изготовление узкого активного слоя в погруженной зарощенной гетероструктуре (фиг. 8). Таковы беззеркальные варианты.

Реализация предельных высокоскоростных параметров передачи информации возможна при оптической связи между активными резонаторами через посредство общего поля. Поэтому для создания устройства, способного работать при высоких скоростях формирования OC, необходимо изготовить зеркала лазеров в интегрально-оптическом варианте. Возможны для способа решения этой проблемы: распределенная обратная связь (РОС) или распределенные брэгговские зеркала (РБЗ). На фиг. 9 представлена вторая структура в системе InGaAsP, работающая в диапазоне длин волн 1,5-1,6 мкм. При изготовлении такой структуры применяются технологии: жидкофазная, молекулярно-лучевая, мосгидридная, химическое травление и голографическая литография для изготовления брэгговских решеток. Возможны следующие параметры: активная область от 60 до 250 мкм, ширина полоскового контакта 2-5 мкм, толщина активного слоя 0,3-0,7 мкм. Область распределенных брэгговских зеркал занимает пространство активными зонами или ограничен размерами 300-400 мкм.

Рассмотренная выше конструкция может быть реализована на квантоворазмеренной структуре, представленной на фиг. 10.