CN1133095A - 光开关器件 - Google Patents

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Abstract

一个非线性光开关包含一个半导体光学增益媒质。该开关根据加在该光增益媒质上的一个第二波长的控制信号开关一个第一波长的信号。根据该控制信号改变该增益媒质的折射率。并在该增益媒质上施加一个第三波长的光维持信号以激励该光学增益媒质从而固定费米能级。本开关可应用于OTDM分用器、时钟恢复回路、波长转换器和其它器件中。

Description

光开关器件
发明背景
本发明涉及一种非线性光开关，具体讲是涉及包括一种半导体光增益媒质的一种光开关，该半导体增益媒质将可进行开关控制的相位改变施加在一个光信号上，和涉及包括该开关的光回路。
本发明涉及的这种非线性光开关具有广阔的应用前景。例如，在光通讯系统中，本开关可构成使用OTDM(光时分复用)脉码串的分用器的核心部件。在非线性循环反射镜结构中使用一种半导体非线性元件的分用器在运行时比特率可高达10GHz。同样，在光通讯系统领域中，已提议用半导体非线性元件进行时钟恢复。我们的共同未决的国际申请PCT/GB93/00863公开和请求了在一个锁模激光器系统的腔内包括非线性元件的这种时钟恢复回路。
迄今为止，在使用普通半导体非线性元件的情况下，这种光开关的性能在很大程度上受该半导体光学增益媒质的恢复时间所限制。使用高的偏压高场可使半导体激光媒质的恢复速度达到最快，但即使这样，在某些应用中，例如时钟恢复，仍然不能获得所需要的恢复时间以便在最高数据速率下运行。
发明简介
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种含有一种半导体光增益媒质的非线性光学相位开关，该开关根据加在该半导体增益媒质上的一个第二波长(λ2)的控制信号开关一个第一波长(λ3)的信号，在控制信号作用下，该增益媒质的折射率被改变。
本发明的特征在于在该增益媒质上加有一个第三波长(λ1)的光维持信号，该光维持信号激励半导体光增益媒质、以固定该增益媒质的费米能级。
本发明使用第三个光束照在半导体增益媒质上以使该非线性开关元件的恢复时间缩短，并且恢复时间还可直接由通过改变维持光束的强度加以控制。该维持光束通过固定该增益媒质导带中的费米能级的位置，保证该非线性开关元件对该控制信号的响应是相同的，即使在该控制信号本身是不规则的的情况下也是如此。这在时钟恢复应用中的作用尤其显著，这时控制信号是一个数据流，它可能，例如，包括一长串零。
本系统也可运行于波长简开，即维持光束的波长与其它二个波长之一或全部相等。当然，最好使三个波长都不相同。这样可以根据放大器的波长增益特性选择合适的波长，以使器件的性能最佳。这也可让不同的光束用比如WDM耦合器进行分离。
对信号λ3的波长的选择几乎没有什么限制。它离带隙等效波长越近，相位调制越好；离维持光束越近，幅度调制越好。它还可以比维持光束能量大(即，在有损耗情况下)-这就是最近一种成功地工作在10GHz和20GHz的时钟恢复实验中的情况。另外一种信号波长可能的位置是低于半导体或材料的带隙能量，这时信号是透明的。
该光维持信号可以是一个连续波(cw)信号，或者是一个被定时于跟随该控制信号的脉冲信号(即在时域中处于跟随的位置)。
该开关最好包含一个把半导体激光放大器(SLA)作为其非线性元件的非线性循环反射镜(NOLM)。正如下面所详细讨论的，这样的开关尤其适合用作一种OTDM分用器，还可使用一种TOAD结构[2]。
尽管已证实本发明对NOLM特别有效，它也可使用其它开关结构。例如，半导体光学增益媒质可以被放在MachZehnder(Zender)(马赫·陈德尔)干涉仪的一个臂上。这可以构成一个集成的固态器件。这种结构提供增强了的时间分辨率，因为光开关的响应不再为如在NOLM结构中的通过光循环的传送时间所限制。
作为本发明的实施例的光开关可以用于OTDM分用器中，例如在文章“使用GaInAsP放大器进行40Gbit/s信号处理”，A.D.Ellis，D.M.Spirit Postdeadline Paper，NonlinearGuided-Wave Phehomena，Cambridge，England Sept.20-22，1993中所描述的。
最好在半导体增益媒质上施加一个较高的电压以使该维持光束在穿过放大器时有足够的增益，或者至少能基本弥补该光束的衰减。最好该维持束有一个较低的发射功率以使它在刚进入增益媒质时不会饱和，并且半导体的偏压能对该维持光束提供净增益。
本发明者发现加在放大器上的电压对恢复率有明显的影响，当偏压增加到使维持光束的增益至少足够抵消维持光束的衰减时恢复率为最佳。在这种方式中，使维持光束所需要的光输入功率可以比较小。维持光束的大部分能量根据外加电功率由该放大器内的增益来提供。
如在我们的未决的在1993年4月26申请的国际申请PCT/GB93/00863中描述和要求的，实施本发明的光开关可用于时钟恢复和/或信号产生电路中。它们也可用于光脉冲产生电路，如在先于EP93308067.3.申请的我们的共同未决的标题为“光开关(Optical Switch)”(代理处参考号为80/4633/02)的国际申请中描述和要求的。然而本发明并不只限于应用在这些领域，它可用在任何需要增强了的和简便可控的恢复时间的光开关元件的地方。
根据本发明的一个第二方面，本发明提供了一个含有一个开关的OTDM分用器。
本发明的一个第三方面是提供一个光脉冲产生器，在使用加在该增益媒质上的控制信号时(该媒质对该腔中传播的脉冲进行交叉相位调制)，该光脉冲产生器包含一个根据本发明的第一方面连接在一个锁模激光器的光腔中的开关。
根据本发明的第四方面是提供一种开关光信号的方法，该方法包括：引导一个第一波长的光信号通过一个半导体增益媒质，根据一个第二波长的一个控制信号改变该增益媒质的折射率，该方法的特征是在该增益媒质上施加一个第三波长的光信号以便激励该媒质。
附图的简要说明
现根据附图说明本发明实施例(只是作为例子)，其中：
图1是说明装有本发明开关的一个分用器的一个图；
图2表示一个包含本发明的开关的时钟恢复电路；
图3是说明一个现有技术的半导体激光器的能级的一个图；
图4a和4b表示对于一个规则时钟信号流图3中半导体的载流子浓度和相位随时间的变化；
图5是作为本发明的实施例的一个开关的一个能级图；
图6是图2的时钟恢复电路中浓度作为时间函数的变化；
图7是一个脉冲维持光束的一个时间分配图；
图8是表示开关恢复时间的一个图；
图9a和9b分别是一个有源波导器件的图；
图10a和10b分别是对于不同的外加偏置电流的幅度与相位调制曲线；
图11沿一个SLA的光功率分布；
图12表示一个相位调制开关的最佳波长。
实施例描述
图1表示作为本发明的实施例的第一个系统。一个用作一个分用器的非线性循环反射镜结构包含一个半导体激光放大器(SLA)，该放大器作为该循环中的非线性元件。该循环按常规方式工作，经耦合器2输入的数据依赖于在该循环中的相位变化或者被传送(T)或者被反射(R)。相位的变化由半导体激光放大器的状态决定。根据一个波长λ2的输入控制信号切换该放大器的状态。将该控制信号通过波分复用器WDM1耦合进入该循环。
在作为本发明的实施例的系统中，将另一个波长为λ1的维持信号经由一个第二波分复用器WDM2耦合进入该半导体激光放大器。如下面进一步所描述的，它的效果是在该半导体激光放大器上加上光学偏置以在脉冲源的每一个控制脉冲作用之后减少其恢复时间。这可使分用器工作于更高的比特率。
图2表示本发明的第二个实施例。其中，该回路是我们上面引证的共同未决的国际申请PCT/GB93/00863中的那种时钟恢复回路。在此例中，半导体激光放大器被用作一个连接在一个环形激光器的光腔中的调制器。在这种情形下，该控制信号是施加在半导体激光器上的一个数据流。对施加的数据流和腔内的脉冲进行交叉相位和幅度调节，结果是使腔内产生一个锁定在该数据流波形的时序上的脉冲串。这个脉冲串由该腔耦合出来，为后续的光学处理过程提供了一个时钟。同上面第一个回路的描述一样，当在这种情况下应用本发明时，也有一个由波长λ1的维持光束提供的附加信号被施加在该半导体激光放大器上。象上述一样，它对该放大器提供偏置以加速恢复时间，而且，在该特定的应用中其关键亦在于通过这样一种方式固定该半导体增益媒质的费米能级，从而确保：
(1)有一个对应于施加的调制信号的恒定的相位；
(2)在没有一个信号时该相位不变化(即，对应于一个0的一个信号缺失)。
对于应用此器件的光处理而言，当该数据流被用作“时钟”信号流(λ2)时，这些功效就发挥了它们的作用，不管是在什么具体的应用(例如，波长变换、多路分用等)场合下都是如此。
在上述的回路用作时钟恢复时，如果数据流是重复性的信号，它的周期等于光绕腔走一周的时间或是其整数倍，则该回路输出的不是相同的时钟而是一种脉冲流，该脉冲流在对应载有数据的重复信号中的通道的二进制码位置上有二进制码，而且在信号是OFF，即永久置0时，这些通道对应的位置上没有二进制码。如在我们共同未决的国际申请(代表处参考号80/4633/03)中描述和要求的，回路在这时具有可编程脉冲发生器的功能，可以复制输入信号模式，可以被用来，例如，控制全光学分用器，在该全光学分用器中用脉冲发生器的输出控制如NOLM的一个光开关。
图3显示了一个普通半导体激光放大器的能级。迄今这种作开关应用的放大器只接收两种波长的信号，即，信号波长(例如分用器中数据的波长)和第二个波长的时钟或控制信号。在[1]中揭示的回路例子中，时钟的脉冲速率为10GHz。在半导体上施加一个高的偏置电场以提供时间尺度大约100psec的恢复时间。时钟脉冲费米能级在一个平均能量处涨落。当时钟使增益饱和时，迫使费米能级下降，然后(当时钟过去以后)在偏置电场的作用下电子和空穴分别注入导带和价带，使费米能级恢复。然后用下一个时钟脉冲再清除载流子(电子和空穴)浓度。由时钟脉冲引起的载流子浓度重新分布与信号脉冲经历的π相移有关。费米能级返回到相同位置是由于时钟信号的有规则的特性决定的。图4a和4b表示载流子浓度和信号波长的相位变化。非线性(或者相位变化)的符号可以为正或负，由对三个光束选定的特定的波长决定。
在时钟恢复应用中，由于在此比特率下不一定存在有规律的脉冲，故一个不规则的数据流取代时钟而且费米能级不再如以前那样被钉住。例如，一个1101001的数据串会使载波子浓度产生如图4c的变化。如此图中所示，对应1的变化并不相同而且0对应的相位变化也随时间不同而不同。
业已指出，在作为本发明的实施例的系统中，加在半导体上除信号和控制波长外还有一个第三波长的维持光束。图5表示在这种情形下半导体的能级图。现在费米能级在大部分时间内被波长为λ1的维持光束固定住。当一个时钟或控制信号到达时，过剩载流子浓度被消除，在波长λ3处产生一个折射率变化。由连续波的维持光束将载流子浓度激励返回基态。如果维持光束足够强的话，此过程非常快。因此激光放大器迅速回到它的初始态。在没有时钟信号时，增益仍然被固定在该维持光束存在时的相同值。在时钟恢复回路接收到数据串1101001时，载波子浓度变化如图6所示。与现有技术不同，在0出现时相位不变化，而且在下一个“时钟”(驱动)脉冲到达时，相位变化是相同的。而且，最重要的是，由于光偏置的存在，此光偏置将激发到价带的载流子激励返回导带，增益恢复率增加了。增益恢复率与维持光束提供的光偏置的强度成正比。此恢复率比由于时钟脉冲而使载流子浓度在价带增加的速率慢是很重要的，否则不会产生显著的浓度变化或相位变化。然而，在典型的数据流中，有1∶10的占空比，因此只需要保证恢复发生在二进制位周期的时间范围内，而不是在时钟脉冲的时间范围内。例如，对于10Gbit的时钟率，光脉冲是10psec而二进制位周期是100psec：恢复则必须在100psec时间范围内。这很方便，因为在时钟脉冲是on时消除载流子的速率不大(载流子注入价带的速率的1/10)。
作为使用连续波维持光束的替换，维持光束可以是脉冲的，这样增益只在该时钟或控制脉冲过去以后才被刷新，如图7所示。
由维持光束提供的光偏置可以取代电偏置或附加在电偏置上。电偏置是有益的，它提高了恢复率并对器件提供能量，而且如下面实施例讨论的那样，还提供了一个工作参数。作为优选实施例，希望有高的偏置电流(～200mA)。
本发明提供的方法具有开发极为小巧紧凑的器件的潜力。可使用另一个激光器或一个面发射激光器通过时钟或维持光束从一侧激励SLA。SLA可以是任何半导体激光器结构，如体材料器件或者量子阱器件，或者量子线器件(甚至量子点器件)。
尽管在上面描述的第一个例子中，维持光束的波长比控制信号的波长或载有信号的数据的波长都短，这些波长也可以另外安排。例如，在时钟恢复中，用较长的波长λ2作偏置或维持光束，并用最短的波长λ1作为数据流可能很有益处。而且数据流增加系统的增益。这种波长的选择有如下的优点：任何数据脉冲产生的幅度调制趋于增加已恢复的时钟信号的增益以提供一种“闸”效果。过剩的增益由于在维持光束波长上的受激发射而消除。这种安排使折射率变化的符号相反，这对时钟恢复回路中环形激光器部分的性能是有益的。
维持光束波长(λ1)和时钟波长(λ2)间的最小波长间距由具体应用要求的相位变化(OTDM中为π，时钟恢复中为π/10或更少)来决定，它设定了所需的最小载流子浓度变化(对π相变约为1017cm-3)。在两个波长之间至少要存在这么多的过剩载流子浓度。因此波长间距依赖于对能带结构(抛物形或其它形状)和态密度的详细理解。对于一个π相位变化的开关能量是3PJ，而要求π/10相位变化的时钟恢复回路所需的能量为0.3PJ。在OTDM实施例中，10ps的恢复时间需要约300mW的光功率。
发明者进行了一系列实验，研究在半导体激光放大器(SLA)上施加和不施加高强度连续维持光束(上文λ1所指)时半导体激光放大器的恢复速率和在维持光束存在时电偏置对恢复速率的影响。在较强的“激励”脉冲改变了SLA的特性后，通过施加一个弱的“探测”脉冲穿过放大器，这些实验可以给出幅度和相位的变化。因此实验给出了放大器恢复速率的时分测量。
紧挨在放大器前的光纤中的维持光束的能量是约37mW。假定有3dB的损耗，输SLA的功率约18mW。维持光束的波长是1535nm。“激励”和“探测”脉冲对应于“时钟”(λ2)和“数据”(或“信号”)(λ3)脉冲。在这些实验中，“激励”和“探测”脉冲波长相同，1562nm。脉冲持续时间都是约10ps，“激励”脉冲的能量约为1.5PJ(也是在输入SLA前的光纤内测量的，因此输入SLA的能量约为0.7PJ)。电偏置从约20mA变化到200mA以观察对恢复速率的作用。图10a和10b是这些实验的结果，分别给出幅度调制和相位调制(同时测量的)。可以看出，增加电偏置的效果很显著。下面的表1概括了这些结果。注意表中(1/e)寿命是将数据曲线的直线关系取对数获得的。
表1
直流光束功率(mW)  偏置电流(mA)  寿命(ps)
        0      23.3     500
       37      23.3     105
       37     100.0    ～45
       37     199.9    13.2
注：图中未画出100mA的数据。
据认为增加偏置电流的显著效果大部分是由于放大器的纵向效果。在低的偏置电流下，连续光束使可得到的增益饱和，但由于散射损耗，当它通过放大器时，它仍要被损耗。在偏置电流约为25mA，测量这种损耗约为10dB.在200mA偏置电流下，连续波光束几乎没有损耗。因此在低偏置下，SLA的前端只有20mW的能量。在高的偏置下，SLA整个的长度内有均匀的照度。图11概略地示出了这种情况。因此，我们可以作出使用高的偏置电流(200mA或更大)能获得最佳(或最快)的工作的结论。这一点很重要，因为它降低了对非常大的维持光束功率的要求，而功率非常大的维持光束在实用上很难获得。在高的偏置电流下，可以产生载流子密度效应，在没有维持光束时该效应会降低寿命，在有维持光束时会减少寿命。泄漏效应也使寿命降低。
在发明者的进一步实验中，用更低功率的维持光束，在输入光纤处的功率为5～30mW和300mA的偏置电流和情况下，获得了更短的寿命。响应寿命小于或等于实验系统的时间分辨率，即≤10ps。在这些更低的输入功率下，维持光束不使入口处半导体的增益饱和并且有更大的放大率。
SLA的自然寿命约1ns，长度约0.5mm、此长度比以前提议的用于时钟恢复电路的光纤调制器的长度短得多。因此有可能大大减少等待时间，即电路响应一个输入信号并输出一个时钟信号占用的时间。SLA还能提供在放大器增益谱上的宽带操作，通常带宽约为100nm。该信号(λ3)在能量图中的位置几乎没有限制。它离带隙等效波长越近，纯FM工作(即相位调制)越好，它离维持光束越近，AM调制(即幅度调制)越好。它也可以在维持光束能量以上(即有损耗)—这是最近在10GHz和20GHz下进行的成功的时钟恢复实验的情况。图12是增益与波长(即返转能量)函数曲线。我们假定一个波长λ1的饱和光束，该光束在SLA的增益带宽中。波长λ2的“时钟”或“控制”脉冲最好靠近增益峰，这是因为可以最大程度地减少在分用器应用或时钟恢复或其它操作中开关过程所需要的脉冲能量。“信号”波长λ3的选择依赖于开关所要求的功能。对于一个大的幅度调制来说，λ3应接近短波长增益的最小值(即接近维持光束波长)。如果需要小的幅度调制(例如分用器应用中)，λ3应接近长波长增益的最小值。在增益谱上对λ3的相位调制应大致相同。在信号脉冲λ3通过SLA时希望使其损耗最小。最理想的是需要一种透明的开关器件。因此对λ3需要有一些增益，以弥补在SLA两端的发射损耗，大约6dB。
在发明者进行的实验中，所需的约300mW光功率中有37mW直接作为光束的输入功率提供，其余的通过在放大器中光束的放大来提供，放大器约消耗450mW电功率。
图8中示出使用上文描述的参照图2的回路的进一步实验获得的结果。为方便起见，显示的是幅度调制中而不是相位调制中的恢复情况。可以看出，对于100mW的维持光束，恢复时间约为34psec。
对如分用器的NOLM应用中，在光偏置波长上的激射可能是有益的，因为可确保费米能级被钉住。对时钟恢复应用，信号波长的功率(即恢复时钟)应不会使增益饱和。而在所有应用中，信号光束(λ3)的功率应该较小以避免在此波长饱和。在使用图2的时钟恢复回路的另一个例子中，数据信号为1.5567μm，比特率为10Gbit/sec，功率电平为+7.6dB，恢复时钟为1.544μm，10Gbit/s，而连续波维持光束为1.5577μm，能量为8.1dB。该恢复时钟功率为+1.2dB。此例子的维持光束能量比恢复时钟的能量(λ3)小，即波长比λ3长；因此，元件中有损耗，即恢复时钟在通过元件时被损耗。使用的数据串的典型长度为231-1。
这些实施例中使用的半导体是峰值波长在1.54μm的对极性不敏感的体材料层半导体激光放大器GaAsInP器件。它具有22dB的面/面增益，1.2dB的FE/TM敏感度，和+2dBm的饱和输出功率。这种器件可以从BT&D/Hewlett Packard of Whitehouse Way，Ipswich，U.K.购买到，如SOA1100/SOA3100。
业已指出，本发明的非线性开关元件的应用并不限于时钟恢复和分用器这两个领域，而可以有很多处用途。例如，光开关可以构成光信号处理应用和光计算用的一种逻辑元件的基础。在使用一个脉冲偏置和一个时钟光束的情况下，此开关可用于非常高速的开关(on-off)。此开关还可以构成光学相位触发器元件的基础。通过使用交叉相位调制以改变信号波长，此开关还可形成一个波长转换器件的部件。在这种情况下，再参照图5，λ1是维持光束，λ2是时钟信号，λ3是连续波信号。对时钟λ2和信号λ3进行交叉相位调节使λ3的频率产生周期性变化，然后可对λ3变化的部分进行滤波输出以获得一个波长变化了的数据流。
上文描述的OTDM和时钟恢复回路可以结合在一起形成一个全光学信号发生器，如在我们上文引述的共同未决的国际申请中描述的。在这种情况下，将费米能级保持在预定位置上仍旧很有益处。
迄今描述的全部例子都基于利用在下述范围内产生的非线性，其中载流子浓度的变化导致了一个信号(如时钟信号)对另一个信号(如数据信号)进行交叉相位调制。然而本发明并不仅仅限于工作于该范围，还可以应用于开发了其它非线性特性的半导体器件。尤其，本发明可用于如我们的共同未决的国际申请No.PCT/GB93/01897(BT案卷A24475/WO)中描述的器件。那个申请公开和要求了一种用于光通讯系统数据操作的非线性有源光学半导体器件，该器件包括：
(i)一个能在应用中输入一个光信号的有源区；
(ii)光学激励输入方法，该法用来对上述有源区输入光激励能量，上述光激励源的波长小于上述有源区的带隙等效波长；和
(iii)确定光增益的方法，该法在相对于该光激励是透明的或基本上是透明的情况下设定上述有源区；并如此安排：在应用中，光激励源以一种非线性的方式影响上述有源区的折射率，以使光信号在器件中的传输可以控制。此器件使用了超带隙超快光非线性，该非线性可在被材料透明电流驱动的有源波导中观察到。这种非线性在文章：“在InGaAsP放大器中超快非线性折射的观察”(发表于Applied PhysicsLetters，Volume58，1119-1121页(1991)，作者.R.S.Grant和W.Sibbett)和文章“AIGaAs激光二极管放大器中超快折射率动力学”(发表于Applied Physics Letters，Vol.59，635页(1991)，作者C.T.Hultgern和E.P.Ippen)中报道过。图9中示出了一个合适的利用此非线性的器件。它用平面图显示了一个定向耦合器20，该耦合器包括一个具有一对平行脊形波导21、22的器件。参照图9b，这些波导的结构可从剖面图中看出，具有如下的特征：
(i)一个InP衬底23，约100μm厚，n型掺杂；
(ii)一个InP缓冲层24，1.5μm厚，n型掺杂，掺杂浓度n＝2×1018；
(iii)一个未掺杂的有源/波导层25，MQW(多量子阱)结构，总厚度0.4μm；
(iv)一个0.2μm厚，p型掺杂至5×1017的InP覆盖层26；
(v)一个0.03μm厚、P型掺杂至5×1017的GaInAsP刻蚀停止层27；
(vi)波导21、22各自一个InP脊28，脊厚1.0μm厚，并p型掺杂至5×1017；
(vii)在每个脊28上的厚0.1μm并p型掺杂至1019的一个GaInAs半导体接触层29；
(viii)一个SiO2隔离层30；
(ix)一个Ti/Au金属接触层31。
所有掺杂浓度的单位是cm-3。
引用的这些厚度和掺杂浓度是为说明而用，仅作为能给出相似器件特性的不同参数的一个范围。
具有相同宽度W的两个脊28通过刻蚀穿过脊和接触层28、29来形成沟道而被分开一段距离S。如果采用选择性化学刻蚀工艺的话，则刻蚀停止层27可用来控制刻蚀深度。
有源/波导层25包括32个GaInAs量子阱，每个阱65厚，两边各有60InP势垒层。
在一个例子中，器件工作时光信号的透过波长是1526.8nm。在15℃时透明电流是12.6mA。当根据本发明工作时，除了第一个信号波长的光束和第二个波长的光激励源外，还对器件输入了第三个波长的维持光束。与前面一样，维持光束的作用是钉住费米能级。维持光束可以很方便地把该系统控制在透明状态，因而避免了要对一个电偏置信号进行精密的反馈控制。维持光束的波长可以等于或大于信号波长，如在本实施例中为1528nm。
尽管上述实施例只考虑了三个波长，技术上容许对大量不同的“信号”(λ3)波长同时地进行交叉相位调制。这意味着本器件可以应用于波分复用(WDM)信号的信号处理。尽管在实施例中信号是脉冲流，但并不是必须这样。一个非饱和的波长为λ3连续波光束象波长为λ1的维持光束一样会被波长为λ2的脉冲流进行相位/幅度调制。频率滤波技术可恢复波长为λ3和λ1的光束的较快的(即被调制的)部分，因此可通过一个脉冲(数据或时钟)流对很多不同的波长同时进行波长转换。
                     参考文献
1.‘The use of GalnAsP amplifiers for 40Gbit/s signal
   processing’A.D.EIIis，D.M.Spirit.Postdeadline Paper，
   Nonlinear Guided-Wave Phenomena，Cambridge，England
   Sept20-22，1993。
2.‘A Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer(TOAD)’
   J.P.Sokoloff，P.R.Pruncal，I.Glesk，and M.Kane.IEEE
   Photonics Technology Letters，Vol5，No.7，July 1993pp
   787-790.

Claims (15)

1.一种包含一种半导体光学增益媒质(SLA)的非线性光学相位开关，其中该(SLA)根据施加在该光学增益媒质上的第二个波长(λ2)的控制信号，来开关第一个波长(λ3)的信号。根据该控制信号改变该增益媒质的折射率。其特征是通过(WDM2)的方式在该增益媒质上施加第三个波长(λ1)的一个光维持信号，该光维持信号激励该半导体光学增益媒质从而固定该增益媒质中的费米能级。
2.权利要求1中所述的一种开关，其中该维持信号是一个连续波信号。
3.权利要求1中所述的一种开关，其中该维持信号是一个定时于跟随该控制信号的脉冲信号。
4.上述任何一项权利要求中所述的一种开关，其中该半导体光学增益媒质是一种非线性循环镜面(NOLM)[1]中的非线性元件。
5.一种包括上述任何一项权利要求中所述的一种开关的OTDM分用器。
6.一种光学脉冲发生器(图2)，其中包括一个根据上述任何一项权利要求所述的开关，此开关被连接在一个锁模激光器的腔中，在应用中施加在该增益媒质上的控制信号对腔中传播的脉冲进行交叉相位调制。
7.一种权利要求6中所述的光学脉冲发生器，其中腔中传播的脉冲被锁定到一个加到该增益媒质上的、作为上述控制信号的数据流的定时波，从而产生一个恢复了的时钟信号。
8.一种包括上述权利要求1至4中任一项所述的一种开关的波长转换器。
9.一种开关一个光信号的方法，该方法包括引导一个第一波长的光信号穿过一个半导体增益媒质并根据一个第2波长的控制信号改变该增益媒质的折射率，其特征在于在该增益媒质上施加一个第三波长的光信号以激励该增益媒质。
10.权利要求9中所述的一种方法，其中该维持信号是一个连续波信号。
11.权利要求9中所述的一种方法，其中该维持信号是一个定时于跟随该控制信号的脉冲信号。
12.权利要求9、10或11中所述的一种方法，其中在该半导体增益媒质上施加一个电偏置以使该维持光束得到足够大的增益以大体上抵消该维持光束通过该增益媒质时的衰减。
13.权利要求12中所述的一种方法，其中偏置电流大于或等于200mA。
14.上述权利要求9至12中任一项所述中的一种方法，其中该维持光束的光功率小于该增益媒质的饱和功率。
15.权利要求13中所述的一种方法，其中该维持光束的光功率范围是5mW至30mW。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105119704A (zh) * 2014-05-23 2015-12-02 联发科技股份有限公司 回路增益校正装置及方法

Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5999287A (en) * 1994-12-23 1999-12-07 British Telecommunications Public Limited Company Node in optical TDM network
DE69610087T2 (de) 1995-05-22 2001-04-12 British Telecomm Optischer schalter
FR2734920B1 (fr) * 1995-05-29 1997-07-11 Alcatel Nv Procede et dispositif pour combiner des signaux optiques
AUPN694595A0 (en) * 1995-12-01 1996-01-04 University Of Sydney, The Method for inducing broad-band resonant nonlinearities in optical fibre and apparatus for use thereof
DE69734578T2 (de) * 1996-05-08 2006-07-20 British Telecommunications P.L.C. Optische taktteilung
US6049642A (en) * 1996-10-09 2000-04-11 Nec Corporation Nonlinear optical switch
EP0854379B1 (en) * 1996-12-19 2010-11-03 Nortel Networks Limited Interferometer for all-optical timing recovery
GB2320635A (en) 1996-12-19 1998-06-24 Northern Telecom Ltd Optical timing detection using an interferometer
WO1998044512A1 (en) * 1997-03-27 1998-10-08 British Telecommunications Public Limited Company An optical memory
US6192225B1 (en) * 1998-04-22 2001-02-20 Ericsson Inc. Direct conversion receiver
US6192027B1 (en) * 1998-09-04 2001-02-20 International Business Machines Corporation Apparatus, system, and method for dual-active fibre channel loop resiliency during controller failure
JP3141854B2 (ja) * 1998-09-28 2001-03-07 日本電気株式会社 光半導体装置の製造方法
WO2001005084A1 (en) * 1999-07-08 2001-01-18 Prucnal Paul R Terahertz optical asymmetric demultiplexing system and method
JP4961634B2 (ja) * 2000-07-07 2012-06-27 Ｋｄｄｉ株式会社 光ゲート装置
JP3948598B2 (ja) * 2000-09-01 2007-07-25 富士通株式会社 光信号を処理するための方法、装置及びシステム
US6671426B2 (en) * 2001-03-19 2003-12-30 General Instrument Corporation Monolithic integrated terahertz optical asymmetric demultiplexer
WO2003007068A1 (en) * 2001-07-11 2003-01-23 Danmarks Tekniske Universitet A method and an apparatus for reducing amplitude variations when modulating optical signals in semiconductor based components
JP2003110533A (ja) * 2001-09-27 2003-04-11 Fujitsu Ltd 光信号処理装置
US6701049B1 (en) * 2002-03-22 2004-03-02 The United States Of America As Represented By The National Security Agency Optical clock recovery device using non-linear optical waveguides
US6813447B2 (en) * 2002-05-23 2004-11-02 Corning Incorporated Recovery of clock pulses of wavelength division multiplexed optical signals
KR100541845B1 (ko) * 2002-06-12 2006-01-16 한국전자통신연구원 직접광변조형 파장변환기
US7330304B2 (en) * 2003-11-03 2008-02-12 Hrl Laboratories, Llc Method and apparatus for PPM demodulation using a semiconductor optical amplifier
EP1648058A1 (en) * 2004-10-18 2006-04-19 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) An integrated holding-beam-at-transparency (HBAT) configuration for semiconductor optical amplification or emission
US20070292131A1 (en) * 2006-06-15 2007-12-20 Volodymyr Slobodyanyuk Methodes and processes of all-optical switching of optical data packets
US7466881B1 (en) 2007-07-13 2008-12-16 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optical switch
US8750444B2 (en) * 2011-05-06 2014-06-10 Northrop Grumman Systems Corporation Snapshot processing of timing data
DE102013220737A1 (de) * 2013-10-14 2015-04-16 Technische Hochschule Wildau (Fh) Vorrichtung zum Modulieren und/oder Schalten eines optischen Signals mittels Licht und entsprechendes Verfahren
US20170329159A1 (en) * 2014-10-30 2017-11-16 The University Of Sydney Optical tuning system and method
LT3360209T (lt) * 2015-10-06 2021-01-11 Ipg Photonics Corporation Lazerinė sistema subnanosekundinio plataus spektro generavimui

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0557341B1 (en) * 1990-11-16 1997-05-28 BRITISH TELECOMMUNICATIONS public limited company Optical clock recovery
EP0567693A1 (en) * 1992-04-27 1993-11-03 BRITISH TELECOMMUNICATIONS public limited company Optical clock recovery
US5369520A (en) * 1992-05-22 1994-11-29 At&T Corp. Optical regeneration circuit
JP2804954B2 (ja) * 1992-08-13 1998-09-30 日本電信電話株式会社 偏波無依存型光パルス分離回路および偏波無依存型光パルス多重回路
KR0133473B1 (ko) * 1994-04-13 1998-04-23 양승택 비선형 광섬유 루프거울형 완전 광 스위치 장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105119704A (zh) * 2014-05-23 2015-12-02 联发科技股份有限公司 回路增益校正装置及方法
CN105119704B (zh) * 2014-05-23 2018-04-20 联发科技股份有限公司 回路增益校正装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
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JPH09503598A (ja) 1997-04-08
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EP0723676B1 (en) 1998-04-08
DE69409539D1 (de) 1998-05-14
AU7821094A (en) 1995-05-04
CN1053744C (zh) 2000-06-21
CA2173237C (en) 2000-04-18

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