CN106933000A - 全光触发器 - Google Patents

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Abstract

一种全光触发器，包括：一耦合微腔激光器，由一回音壁型微腔和一法布里‑珀罗腔通过一电隔离槽连接构成，用于发射激光光束；一触发信号输入端，用于输入不同波长的光脉冲信号；一光纤环形器，分别与耦合微腔激光器和触发信号输入端连接，用于将光脉冲信号注入到耦合微腔激光器，还用于输出耦合微腔激光器发射的激光光束。回音壁型微腔处于损耗/增益状态时，所述耦合微腔激光器处于光学双稳态/非光学双稳态。因此通过调控回音壁型微腔的增益和损耗，可实现光双稳态的可控输出；且其光交换速率高，可达到皮秒量级。

Description

全光触发器
技术领域
本发明属于半导体光电子器件领域，尤其涉及一种全光触发器。
背景技术
为满足日益增长的信息量需求，高速大容量低功耗的光路由、光转换以及光传输技术成为下一代光通信网络发展的必经之路。全光触发器作为一种具有记忆功能的光逻辑元件，用于为数据存储、分组交换和信号恢复与再生等提供控制信号，是全光信号处理系统中最基本的处理单元，在全光寄存器、光缓存器、数据包交换节点等技术中都有广泛的应用。
光学双稳态是实现光触发器的一种重要手段，它是指在一个输入状态下具有两个稳定的光输出状态，并且输入输出具有迟滞回线效应，可利用注入触发脉冲实现输出状态在两种稳态间的交换，而且当触发脉冲消失后，该触发后的状态仍然能够得以保持。
目前国内外提出的光触发器的输出状态主要包括波长、光强、偏振、模式等。半导体双稳态激光器可以实现在同一注入电流下具有两个稳定的输出光状态，并且具有体积小、功耗低、成本低、光交换速度快、易于大面积集成等优点，近些年引起了人们的广泛重视。利用吸收区饱和吸收效应的双区共腔结构是最早提出的一种双稳态半导体激光器，然而由于该结构的光交换速度受限制于吸收区的载流子弛豫时间，信号光关闭的时间一般在纳秒量级。相比之下，基于模式竞争的双稳态激光器利用模式的非线性增益饱和效应，其状态变化时载流子变化很小，因此具有很高的转换速度，目前人们已经利用圆环腔中顺时针与逆时针模式竞争、对称与反对称模式竞争制成了双稳态激光器，在高速数字通信及光逻辑计算回路等方面有广阔的应用前景，但目前的双稳态激光器的双稳态并不是稳定可控的。因此，为了实现未来大规模全光集成逻辑回路，还需要进一步研究如何得到工艺简单、易于集成、低功耗、高转换速率、高重复性及双稳态可控的双稳态激光器，并探索其触发及存储功能，以实现高速大容量的数字信号通信系统。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提出一种全光触发器，用于解决以上技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种全光触发器，包括：
一耦合微腔激光器，由一回音壁型微腔和一法布里-珀罗腔通过一电隔离槽连接构成，用于发射激光光束；
一触发信号输入端，用于输入不同波长的光脉冲信号；
一光纤环形器，分别与耦合微腔激光器和触发信号输入端连接，用于将光脉冲信号注入到耦合微腔激光器，还用于输出耦合微腔激光器发射的激光光束。
进一步地，上述回音壁型微腔和法布里-珀罗腔均为有源腔。
进一步地，上述耦合微腔激光器中回音壁型微腔处于损耗/增益状态时，耦合微腔激光器处于光学双稳态/非光学双稳态。
进一步地，上述光脉冲信号的波长与耦合微腔激光器在光学双稳态下的对应波长相匹配。
进一步地，上述光纤环形器与触发信号输入端之间具有一光合束器，用于对不同波长的光脉冲信号合束。
进一步地，上述光合束器与光纤环形器之间还具有一偏振控制器，用于对光脉冲信号的偏振态进行调节。
进一步地，上述光纤环形器的输出端连接有一光滤波器，用于对耦合微腔激光器发射的激光光束进行滤波。
进一步地，通过对光滤波器的中心波长调谐，选择性输出耦合微腔激光器发射的双稳态激光光束。
进一步地，上述耦合微腔激光器、光纤环形器、光合束器、偏振控制器和光滤波器通过光纤相互连接，或全部/部分形成于同一基片上并通过光波导相互连接。
进一步地，上述耦合微腔激光器发射的激光光束的波长范围为400～2500nm。
进一步地，上述耦合微腔激光器发射的激光光束的边模抑制比不小于20dB。
本发明提出的全光触发器具有以下有益效果：
1、本发明提出的全光触发器，其中耦合微腔双稳态激光器由一回音壁型微腔与一法布里-珀罗腔相连构成，两个区域可以分别控制电流注入，由于吸收区饱和吸收效应可使回音壁型微腔处于吸收或增益状态，因此通过调控回音壁型微腔的增益和损耗，可实现光双稳态的可控输出；
2、本发明提出的全光触发器，由于采用回音壁型微腔与法布里-珀罗腔组成的耦合微腔双稳态激光器，利用激光器输出光两个纵模之间的非线性增益实现模式竞争，因此其光交换速率高，达到了皮秒量级；
3、本发明提出的全光触发器，其制作工艺简单、成本低、能耗低、双稳态可控且易于集成，在光子集成回路、数字光通信、光互连等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一实施例提出的全光触发器的结构示意图；
图2是本发明一实施例中耦合微腔激光器在保持回音壁型微腔无电流注入，法布里-珀罗腔注入电流分别上升和下降过程中，激射阈值附近对应的功率-电流曲线图；
图3是本发明一实施例中耦合微腔激光器在保持回音壁型微腔无电流注入，法布里-珀罗腔注入电流为23.5mA时对应的光双稳态的光谱图；
图4是本发明一实施例中耦合微腔激光器在保持回音壁型微腔无电流注入，法布里-珀罗腔注入电流分别上升和下降过程中，激射模式跳变时对应的功率-电流曲线图；
图5是本发明一实施例中耦合微腔激光器在保持回音壁型微腔无电流注入，法布里-珀罗腔注入电流为48mA时对应的光双稳态的光谱图；
图6(a)是本发明一实施例输入的光脉冲信号图；
图6(b)是本发明一实施例中光滤波器的中心波长为1530.2nm时获得通道的输出信号图；
图6(c)是本发明一实施例中光滤波器的中心波长为1560.4nm时获得通道的输出信号图；
图7(a)是本发明一实施例在波长为1560.4nm通道输出信号时上升沿的局部放大图；
图7(b)是本发明一实施例在波长为1560.4nm通道输出信号时下降沿的局部放大图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种全光触发器，包括：
一耦合微腔激光器，由一回音壁型微腔和一法布里-珀罗腔通过一电隔离槽连接构成，用于发射激光光束；
一触发信号输入端，用于输入不同波长的光脉冲信号；
一光纤环形器，分别与耦合微腔激光器和触发信号输入端连接，用于将光脉冲信号注入到耦合微腔激光器，还用于输出耦合微腔激光器发射的激光光束。
上述回音壁型微腔和法布里-珀罗腔均为有源腔。
优选地，上述耦合微腔激光器的两个腔体之间通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成的电隔离槽实现相互之间的电隔离，因此两个腔体可以分别控制电流注入，由于吸收区饱和吸收效应可使回音壁型微腔处于吸收或增益状态，从而在激光器的阈值或模式跳变附近获得可控的光双稳态输出。当回音壁微腔不加电处于吸收状态时，耦合微腔激光器在激光模式跳变处呈现光双稳态输出；当回音壁微腔处于增益状态时，上述双稳态将消失。其中模式跳变附近的光双稳态输出具有不同的激射波长，输出的激光具有20dB及以上的边摸抑制比。
又由于耦合微腔激光器在双稳态模式下输出光两个纵模之间的非线性增益，存在模式竞争，其模式跳变时载流子变化很小，因此耦合微腔激光器的光交换速率高，可达到皮秒量级，因此耦合微腔激光器在激光模式跳变处可作为光开关。
优选地，上述耦合微腔激光器发射的激光波长为400～2500nm。
上述光纤环形器与触发信号输入端之间具有一光合束器，用于对不同波长的光脉冲信号合束；光合束器与光纤环形器之间还具有一偏振控制器，用于对光脉冲信号的偏振态进行调节。
优选地，上述光纤环形器的输出端连接有一光滤波器，用于对耦合微腔激光器发射的激光光束进行滤波；通过对光滤波器的中心波长调谐，选择性输出耦合微腔激光器输出的双稳态光束。
上述耦合微腔激光器、光纤环形器、光合束器、偏振控制器和光滤波器通过光纤相互连接，或全部/部分形成于同一基片上并通过光波导相互连接。
上述不同波长的光脉冲信号作为设置set和重置reset信号，且光脉冲信号的波长与耦合微腔激光器在光学双稳态下的对应波长相匹配。
上述耦合微腔激光器的衬底可以是硅、镓砷、铟磷和蓝宝石衬底，有源层可以是体材料、量子阱、量子线或量子点。
上述法布里-珀罗腔和回音壁型微腔可以由相同材料相同工艺制成，也可由不同材料制备而成；且回音壁型微腔的形状可以为多边形、圆盘形、圆环形或不规则变形腔。
以下通过具体实施例对本发明提出的全光触发器进行详细描述。
实施例
如图1所示，本实施例提出一种全光触发器，包括：
一耦合微腔激光器101，该耦合微腔激光器为室温连续电注入激光器，其结构是将一回音壁型微腔201与一法布里-珀罗腔202相连而成；
一触发信号输入端102，用于输入不同波长的光脉冲信号作为设置set和重置reset信号，其波长对应于耦合微腔激光器101的输出光双稳态波长；
一光合束器103，用于将不同波长的光脉冲信号合束；
一偏振控制器104，其输入端与光合束器103的输出端相连接，用于对光脉冲信号的偏振态进行调节；
一光纤环形器105，为三端口结构，其中光信号只能沿106端口到107端口，107端口到108端口传输，反方向是隔离的；其中106端口与偏振控制器104的输出端相连接，107端口与耦合微腔激光器101的输出端相连接，从而将光脉冲信号注入到耦合微腔激光器101内；
一光滤波器109，与环形器的输出端口108相连接，其输出作为全光信号输出端；光滤波器109的中心波长可调谐，用于对耦合微腔激光器101的输出光双稳态波长选择性输出。
上述基于回音壁型微腔201与法布里-珀罗腔202的全光触发器通过注入的光脉冲信号来控制激光器输出在双稳态之间的快速光交换，经过光滤波器109滤波后获得全光触发器信号输出。
上述耦合微腔激光器101、光合束器103、偏振控制器104、光纤环形器105、光滤波器109为通过光纤相互连接的。
耦合微腔激光器101选用的衬底材料为磷化铟，有源层为铝镓铟砷多量子阱结构；回音壁型微腔201为一正方形结构，其通过角向与法布里-珀罗腔202直接相连而成，其中回音壁型微腔201的边长为15μm，法布里-珀罗腔202的长度为300μm，宽度为1.5μm。在叠层结构方向上，两腔体采用相同材料以及相同的工艺制备而成。回音壁型微腔201与法布里-珀罗腔202之间存在一电隔离区，其长约20μm，隔离电阻为13000Ω。
如图2所示，是本实施例提出的全光触发器中的耦合微腔激光器在保持回音壁型微腔201无电流注入时，法布里-珀罗腔202的注入电流在上升和下降过程中激射阈值附近对应的功率-电流曲线图，从图2中可以看出激光器的输出功率在激射阈值附近呈现双稳特性。
图3为图2中法布里-珀罗腔202的注入电流为23.5mA时的双稳态光谱图，从光谱图中可以看出，双稳态的低态为该激光器未达到激射阈值时的状态，高态为该激光器处于激射阈值之上时的状态，此时激射波长为1529.7nm，边摸抑制比为30dB。
如图4所示，给出了本实施例提出的全光触发器中的耦合微腔激光器在保持回音壁型微腔201无电流注入时，法布里-珀罗腔202的注入电流在上升和下降过程中，激光模式跳变时对应的功率-电流曲线图，从图4中可以看出此时耦合微腔激光器呈现光双稳特性。
图5为图4中法布里-珀罗腔202的注入电流为48mA时的双稳态光谱图，此时双稳态对应的激射光波长分别为1530.2nm和1560.4nm。上述双稳态均是通过回音壁微腔201处于损耗状态时的可饱和吸收效应实现的，当回音壁微腔201处于增益状态时，上述双稳态将消失，因此可以通过调节回音壁微腔201的增益或吸收状态，实现可控的光双稳态输出。
如图6(a)所示，为本实施例中输入的光脉冲信号图，信号波长λA和λB分别为1530.2nm和1560.4nm，触发脉冲宽度100ps；图6(b)为本实施例中光滤波器的中心波长为λA，即1530.2nm的信道输出，系统首先位于高功率输出状态，对应数字信号“1”，当波长为λB的触发信号注入该耦合微腔激光器中时，系统被触发到双稳态的λB的输出状态，对应于λA的信道输出功率降低，脉冲消失后，由于双稳态的记忆特性，系统仍然维持低功率状态，对应数字信号“0”，实现了由“1”到“0”的翻转；同理，当注入波长为λA的触发信号时，系统被触发到双稳态的λA的输出状态，对应于λA的信道输出功率增加，脉冲消失后，系统仍然维持高功率状态，对应数字信号“1”，实现了由“0”到“1”的翻转。同样，图6(c)对应于λB为1560.4nm的信道输出，系统首先位于低功率输出状态，对应数字信号“0”，当波长为λB的触发信号注入该耦合微腔激光器中时，系统被触发到双稳态的λB的输出状态，对应于λB的信道输出功率增加，脉冲消失后，由于双稳态的记忆特性，系统仍然维持高功率状态，对应数字信号“1”，实现了由“0”到“1”的翻转；同理，当注入波长为λA的触发信号时，系统被触发到双稳态的λA的输出状态，对应于λB的信道输出功率降低，脉冲消失后，系统仍然维持低功率状态，对应数字信号“0”，实现了由“1”到“0”的翻转。
图7(a)和图7(b)分别为对应于图6(c)中1560.4nm通道输出信号的上升沿和下降沿的局部细节图，从图7(a)中可看出，上升沿为160ps，从图7(b)中可看出，下降沿为60ps。
通过上述分析可知，本实施例提出的全光触发器的光交换速度可达到ps量级，且可实现可控的双稳态输出。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全光触发器，包括：
一耦合微腔激光器，由一回音壁型微腔和一法布里-珀罗腔通过一电隔离槽连接构成，用于发射激光光束；
一触发信号输入端，用于输入不同波长的光脉冲信号；
一光纤环形器，分别与所述耦合微腔激光器和触发信号输入端连接，用于将所述光脉冲信号注入到所述耦合微腔激光器；还用于输出耦合微腔激光器发射的激光光束。
2.如权利要求1所述的全光触发器，其特征在于，所述回音壁型微腔和法布里-珀罗腔均为有源腔。
3.如权利要求2所述的全光触发器，其特征在于，所述回音壁型微腔处于损耗/增益状态时，所述耦合微腔激光器处于光学双稳态/非光学双稳态。
4.如权利要求3所述的全光触发器，其特征在于，所述光脉冲信号的波长与所述耦合微腔激光器在光学双稳态下的对应波长相匹配。
5.如权利要求1所述的全光触发器，其特征在于，所述光纤环形器与所述触发信号输入端之间具有一光合束器，用于对所述不同波长的光脉冲信号合束。
6.如权利要求5所述的全光触发器，其特征在于，所述光合束器与所述光纤环形器之间还具有一偏振控制器，用于对所述光脉冲信号的偏振态进行调节。
7.如权利要求6所述的全光触发器，其特征在于，所述光纤环形器的输出端连接有一光滤波器，用于对所述耦合微腔激光器发射的激光光束进行滤波。
8.如权利要求7所述的全光触发器，其特征在于，通过对所述光滤波器的中心波长调谐，选择性输出所述耦合微腔激光器发射的双稳态激光光束。
9.如权利要求7所述的全光触发器，其特征在于，所述耦合微腔激光器、光纤环形器、光合束器、偏振控制器和光滤波器通过光纤相互连接，或全部/部分形成于同一基片上并通过光波导相互连接。
10.如权利要求1所述的全光触发器，其特征在于，所述耦合微腔激光器发射的激光光束的波长范围为400～2500nm、边模抑制比不小于20dB。
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