DE69429416T2

DE69429416T2 - Vollständig optisches Flip-Flop

Info

Publication number: DE69429416T2
Application number: DE69429416T
Authority: DE
Inventors: Mohammad T. Fatehi; Clinton Randy Giles
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-12-01
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2014-12-02
Also published as: DE69429416D1; KR100343490B1; JP3283714B2; CA2135533A1; KR950019811A; CA2135533C; EP0658795B1; EP0658795A1; US5537243A; JPH07199254A

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Optik und insbesondere ein volloptisches Flipflop-Bauelement.

Allgemeiner Stand der Technik

Es werden gegenwärtig volloptische Signalverarbeitungs- und Telekommunikationseinrichtungen entwickelt, um die hohe Geschwindigkeit, die Festigkeit gegenüber elektromagnetischer Interferenz, die sehr große Bandbreite und Kapazität und die geringe Dämpfung, die geringe Verzerrung und das geringe Nebensprechen der Lichtwellenleitertechnologie, insbesondere in Formen, die optische Fasern verwenden, auszunutzen. Unter "volloptisch" wird verstanden, daß die Einrichtungen beziehungsweise Bauelemente nicht nur optische Eingänge und Ausgänge aufweisen, sondern daß die ganze dazwischenliegende Signalverarbeitung nicht elektrisch, sondern optisch erfolgt. Volloptische Bauelemente sind wünschenswerter als optoelektrische Bauelemente, die ein optisches Signal in ein elektrisches analoges Signal umwandeln, weil ein in dem einen optischen Bereich bleibendes Signal die charakteristischen Vorteile der Lichtwellentechnologie am besten ausnutzen kann. Außerdem erfordern volloptische Systeme im allgemeinen weniger Komponenten und sind weniger kompliziert als ihre optoelektrischen Gegenstücke, die ähnliche Funktionen ausführen.
Einer der ersten Bereiche, der sich bei der volloptischen Signalverarbeitung entwickelte, war die optische Verstärkung mit dem Erscheinen von optischen Halbleiterverstärkern und seltenerddotierten verstärkenden Lichtwellenleitern, wie etwa erbiumdotierten Lichtwellenleitern. Seltenerddotierte verstärkende Lichtwellenleiter weisen ein geringes Rauschen, eine relativ große polarisationsunabhängige Bandbreite, ein reduziertes Nebensprechen und eine geringe Einfügungsdämpfung auf und sind in der Herstellung relativ preiswert. Volloptische Verstärker weisen im Vergleich zu der konkurrierenden optoelektrischen Verstärkertechnologie wesentliche Leistungsvorteile auf.
Es gibt ganz eindeutig einen Bedarf nach mehr, über die optische Verstärkung hinausgehenden volloptischen Bauelementen, um die charakteristischen Vorteile der Lichtwellentechnologie bei digitalen Anwendungen weiter auszunützen. So hat es zwar beispielsweise über viele Jahre elektrische Flipflop-Bauelemente gegeben, doch ist bisher kein volloptisches Flipflop-Bauelement realisiert worden. Ein volloptischer Flipflop würde die Implementierung von volloptischen sequentiellen Logik- und Bitspeicherbauelementen erleichtern. Gegenwärtige optische Bitspeicherbauelemente, die elektrische Signalzwischenverarbeitung und Faserverzögerungsleitungen verwenden, funktionieren zwar bei einigen Anwendungen zufriedenstellend, eignen sich aber wegen ihrer inhärenten Begrenzungen, die alle optoelektrischen Bauelemente besitzen, nicht für andere Anwendungen.
Die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 sind zusammen aus GB 2118765 A bekannt.

Kurze Darstellung der Erfindung

Ein volloptisches Flipflop-Bauelement wird in einer Vorrichtung nach Anspruch 1 unter Einsatz von zwei optischen Verstärkern erzielt, die derart angeordnet sind, daß sie zu jedem Zeitpunkt zusammen nur in einem einzigen von zwei stabilen Zuständen arbeiten. In einem ersten stabilen Betriebszustand verhält sich der erste optische Verstärker wie ein Laser mit einer ersten charakteristischen Wellenlänge. Die Anordnung wird in einen zweiten stabilen Betriebszustand umgeschaltet, in dem sich der zweite optische Verstärker wie ein Laser mit einer zweiten charakteristischen Wellenlänge verhält, wobei sich die erste und zweite charakteristische Wellenlänge mindestens vom Nennwert her unterscheiden, wenn an dem Eingang des ersten optischen Verstärkers ein optischer Signalimpuls empfangen wird. Die Anordnung wird in den zweiten stabilen Zustand zurückgeschaltet, wenn an dem Eingang des zweiten optischen Verstärkers ein optischer Signalimpuls empfangen wird.
Das volloptische Flipflop-Bauelement kann vorteilhafterweise in einer Vielzahl verschiedener digitaler Anwendungen verwendet werden. So kann der volloptische Inverter beispielsweise vorteilhafterweise als ein volloptisches Schieberegister und als ein volloptisches digitales Speicherbauelement verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines in der Technik bekannten elektrischen Flipflop-Bauelements;
Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung von Elementen, einschließlich zwei optischen Verstärkern, die ein volloptisches Flipflop-Bauelement gemäß den Grundlagen der Erfindung bildet;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der berechneten Ausgangsleistung der in der Ausführungsform von Fig. 2 verwendeten optischen Verstärker als Funktion der Eingangssignalleistung für verschiedene Pumpleistungspegel;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung an dem Ausgangsport Q des volloptischen Flipflop-Bauelements, wenn es in seinem ersten stabilen Betriebszustand arbeitet;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung an dem Ausgangsport des volloptischen Flipflop-Bauelements, wenn es in seinem ersten stabilen Betriebszustand arbeitet;
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung an dem Ausgangsport Q des volloptischen Flipflop-Bauelements, wenn es in seinem zweiten stabilen Betriebszustand arbeitet;
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung an dem Ausgangsport des volloptischen Flipflop-Bauelements, wenn es in seinem zweiten stabilen Betriebszustand arbeitet; und
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Übertragungsfunktionen für die beiden bei dem volloptischen Flipflop-Bauelement verwendeten optischen Verstärker, die zwei stabile Betriebszustände A und B und einen instabilen Zustand C zeigt.

Ausführliche Beschreibung

Elektrische Flipflop-Bauelemente nach dem Stand der Technik weisen in der Regel zwei Eingangsports einschließlich SET und RESET und zwei Ausgangports, einschließlich Q und ("nicht Q") auf, wie in Fig. 1 gezeigt. Falls von dem SET-Eingangsport ein Signalimpuls empfangen wird, dann emittiert der Q- Ausgangsport ein Signal, während der -Ausgangsport ein Nullsignal (d. h. kein Signal) emittiert. Der Flipflop verriegelt bzw. hält diesen Betriebszustand, bis von dem RESET-Eingangsport ein Signal empfangen wird. Dieser verriegelte Zustand, bei dem an dem Q- Ausgangport ein Signal ausgegeben wird, ist ein stabiler Betriebszustand. Falls von dem RESET-Eingangsport ein Signal empfangen wird, werden die Ausgaben der Ausgangports umgekehrt (das heißt, die Ausgangsports kippen). Der Q-Ausgangsport, der zuvor ein Signal emittierte, emittiert nun ein Nullsignal, und der -Ausgangsport, der zuvor ein Nullsignal emittierte, emittiert nun ein Signal. Der elektrische Flipflop arbeitet solange in diesem stabilen Zustand, bis von dem SET-Eingangsport ein Signal empfangen wird und die Ausgangsports wieder kippen.
Fig. 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels von einen volloptischen Flipflop 15 bildenden Elementen, einschließlich optischer Verstärker 150 und 160, gemäß den Grundlagen der Erfindung. In dem optischen Verstärker 150 koppelt der Rückkopplungszweig 30, der aus einem dotierten oder undotierten Lichtwellenleiter besteht, den Ausgang des erbiumdotierten Faserverstärkers (EDFA) 10 an seinen Eingang. Der Fachmann versteht, daß es bei einigen Anwendungen möglicherweise wünschenswert ist, in dem Rückkopplungszweig 30 eine als sättigbares Dämpfungsglied wirkende seltenerddotierte Faser zu verwenden. Die vorteilhafte Verwendung von Dämpfungsgliedern wird unten ausführlicher beschrieben.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 besteht der EDFA 10 aus einer Pumpe 110, einem Multiplexer 120, einer erbiumdotierten Faser 130 und einem optischen Isolator 140, die so angeordnet sind, daß das Licht von der Pumpe 110 sich in entgegengesetzter Richtung zu dem Signal ausbreitet. Jede dieser Komponenten und die hier verwendeten Funktionen sind in der Technik wohl bekannt. Bei einigen Anwendungen ist es möglicherweise wünschenswert, die Komponenten in dem EDFA 10 derart anzuordnen, daß sich das Licht von der Pumpe 110 in gleicher Richtung oder bidirektional zu dem Signal ausbreitet.
Das optische Bandpaßfilter 50 ist in dem Vorwärtszweig 60 zwischen dem Ausgang des EDFA 10 und dem optischen Ausgangskoppler 70 angeordnet. Der Vorwärtszweig 60 besteht aus einem undotierten Lichtwellenleiter. Der optische Ausgangskoppler 70 koppelt einen vorbestimmten Teil des sich im Vorwärtszweig 60 ausbreitenden Signals in den Rückkopplungszweig 30. Der optische Eingangskoppler 80 koppelt einen vorbestimmten Teil des sich in dem Rückkopplungszweig 30 ausbreitenden Signals in den Eingang des EDFA 10. Für die Zwecke dieses Ausführungsbeispiels und nicht als Einschränkung der Erfindung koppelt der optische Ausgangskoppler 70 20% des sich in dem Vorwärtszweig 60 ausbreitenden Signals in den Rückkopplungszweig 30 und 80% des Signals in eine Koppelfaser 90. Analog koppelt der optische Eingangskoppler 80 50% des sich in dem Rückkopplungszweig 30 ausbreitenden Signals in den Eingang des EDFA 10 und 50% des Signals in den Ausgangsport . Bei diesem Beispiel kann es sich bei dem optischen Ausgangskoppler 70 und dem optischen Eingangskoppler 80 um in der Technik wohlbekannte optische 7dB-Koppler handeln.
Bei dem optischen Verstärker 160 koppelt der aus einem dotierten oder undotierten Lichtwellenleiter bestehende Rückkopplungszweig 230 den Ausgang an den Eingang des EDFA 210. Der Rückkopplungszweig 230 und der EDFA 210 gleichen hinsichtlich Struktur und Funktionsweise dem Rückkopplungszweig 30 bzw. dem EDFA 10 in dem optischen Verstärker 150. Der EDFA 210 besteht aus einer Pumpe 410, einem Multiplexer 420, einer erbiumdotierten Faser 430 und einem optischen Isolator 440. Diese Elemente gleichen hinsichtlich Struktur und Funktionsweise jenen entsprechenden Elementen, die den EDFA 10 ausmachen, wie oben beschrieben.
Das optische Bandpaßfilter 150 ist in dem Vorwärtszweig 160 zwischen dem Ausgang des EDFA 210 und dem optischen Ausgangskoppler 170 angeordnet. Das optische Bandpaßfilter 150, der Vorwärtszweig 160 und der Ausgangskoppler 170 gleichen hinsichtlich Struktur und Funktionsweise dem optischen Bandpaßfilter 50, dem Vorwärtszweig 60 bzw. dem Ausgangskoppler 70 im optischen Verstärker 150. Der optische Ausgangskoppler 170 koppelt einen vorbestimmten Teil des sich im Vorwärtszweig 160 ausbreitenden Signals in den Rückkopplungszweig 130. Der optische Eingangskoppler 180 koppelt einen vorbestimmten Teil des sich in dem Rückkopplungszweig 130 ausbreitenden Signals in den Eingang des EDFA 210. Der optische Eingangskoppler 180 gleicht hinsichtlich Struktur und Funktionsweise dem optischen Eingangskoppler 80 in dem optischen Verstärker 150.
Der Ausgang des optischen Verstärkers 150 ist über den Ausgangskoppler 70, die Koppelfaser 90 und den Eingangskoppler 180 an den Eingang des optischen Verstärkers 160 angekoppelt. Analog ist der Ausgang des optischen Verstärkers 160 über den Ausgangskoppler 170, die Koppelfaser 95 und den Eingangskoppler 80 an den Eingang des optischen Verstärkers 150 angekoppelt. Die Koppelfasern 90 und 95 bestehen aus undotierten Lichtwellenleitern.
Ein Ende der Koppelfaser 90 fungiert als der SET-Eingangsport zu dem volloptischen Flipflop und das andere Ende der Koppelfaser 90 als der Q-Ausgangsport. Ein Ende der Koppelfaser 95 fungiert als der RESET- Eingangsport zu dem volloptischen Flipflop 15 und das andere Ende der Koppelfaser 95 als der -Ausgangsport. Das optische Bandpaßfilter 40, das auf das Durchlassen von Signalwellenlängen, die im wesentlichen gleich lA sind, abgestimmt ist, ist an dem Ende der Koppelfaser 90 an dem Q-Ausgangsport angeordnet. Das optische Bandpaßfilter 45, das auf das Durchlassen von Signalwellenlängen, die im wesentlichen gleich lB sind, abgestimmt ist, ist an dem Ende der Koppelfaser 95 an dem - Ausgangsport angeordnet.
Wenn bei Betrieb an dem SET-Eingang kein optisches Impulssignal anliegt, wird die verstärkte spontane Emission (ASE) von dem EDFA 10 mit der Wellenlänge lA durch das optische Bandpaßfilter 50 gefiltert, wenn sie sich entlang dem Vorwärtszweig 60 ausbreitet. ASE wird durch den EDFA 10 aus dem verstärkten Licht erzeugt, das durch die spontane Emission von angeregten Erbiumionen aus der erbiumdotierten Faser 130 produziert wird. Wie oben erörtert, werden 20% der gefilterten ASE von dem Ausgang des EDFA 10 durch den optischen Ausgangskoppler 70 zur Rückkopplungsschleife 30 gekoppelt. Der optische Eingangskoppler 80 läßt 50% der ASE als Rückkopplungssignal wieder in den Eingang des EDFA 10 eingekoppeln. Dieses Rückkopplungssignal reicht aus, um eine stimulierte Emission in dem EDFA 10 zu bewirken, die zu einer selbsterregten Laserausgabe durch den volloptischen Verstärker 150 bei der Wellenlänge lA führt. Die übrigen 50% des sich in dem Rückkopplungszweig 30 ausbreitenden Signals wird durch den optischen Eingangskoppler 80 an den -Ausgangsport angekoppelt, wo sie von dem optischen Bandpaßfilter 45 blockiert werden, da das optische Bandpaßfilter 45 darauf abgestimmt ist, Wellenlängen bei lB durchzulassen und das Signal eine Wellenlänge von lA aufweist.
Die folgende mathematische Darlegung sollte dem Fachmann beim Verständnis der detaillierten Funktionsweise des oben erörterten selbsterregten Laserbetriebs helfen. Die Eingangs- und Ausgangsphotonenflüsse zu der erbiumdotierten Faser 130 stehen über die folgenden gekoppelten impliziten Gleichungen in Beziehung:
und
wobei λ&sub1; die Wellenlänge des Eingangssignals, λ&sub2; die Wellenlänge des Ausgangssignals, λp die Wellenlänge des Pumplichts in dem EDFA 10, q die Photonenflüsse, die in die erbiumdotierte Faser 130 eintreten und aus dieser austreten, a und g* die Absorptions- und Emissionskoeffizienten bei der Steuer- bzw. Pumpwellenlänge, z ein Sättigungsparameter und L die Länge der erbiumdotierten Faser 130 ist.
Der Rückkopplungszweig 30 fixiert die Beziehung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des EDFA 10 mit der Wellenlänge λ&sub2;:
wobei Tin und Tout der Durchlässigkeitsgrad der optischen Komponenten am Eingang und Ausgang des EDFA 10 und Tf der Durchlässigkeitsgrad des Rückkopplungszweigs 30 ist, wobei T&sub1; = TinToutTf, und Fin und Fout die Ankopplungsverhältnisse des optischen Eingangskopplers 80 beziehungsweise des optischen Ausgangskopplers 70 sind.
Die Gleichungen (1) bis (3) werden auf eine explizite Gleichung für den Ausgang des EDFA 10 reduziert, die über dem Laserschwellwert gültig ist und die linear von den Leistungen des Pumpsignals und des Eingangssignals abhängt:
wobei die Übertragungsfunktion Hλ1 definiert ist als:
Hλ1 = (αλ2L - ln(T&sub1;FinFout)) - αλ1L i = 1, p (5)
und Qλ1 die in den EDFA 10 eintretenden und aus ihm austretenden Photonenflüsse sind. Damit die Gleichungen (4) und (5) gültig sind, muß der EDFA 10 wie ein Laser arbeiten, was erfordert, daß der Gesamtgewinn durch die Kombination aus Vorwärtszweig 60 und Rückkopplungszweig 30 größer oder gleich Eins ist. Für den Fachmann ist klar, daß der Gewinn durch die Kombination aus Vorwärtszweig 60 und Rückkopplungszweig 30 durch Ändern des Anteils des sich in dem Rückkopplungszweig 30 ausbreitenden Lichts ohne weiteres gesteuert werden kann, indem die Ankopplungsverhältnisse des Ausgangskopplers 70 und des Eingangskopplers 80 verändert werden. Es kann aber auch wünschenswert sein, ein steuerbares Dämpfungselement aufzunehmen, das in dem Rückkopplungszweig 30 positioniert ist, um den Gewinn durch die Kombination aus Vorwärtszweig 60 und Rückkopplungszweig 30 zu steuern.
Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung der Gleichung (4), wobei die berechnete Ausgangsleistung des EDFA 10 in dem optischen Verstärker 150 als Funktion der Eingangssignalleistung unter den folgenden beispielhaften Bedingungen aufgetragen ist:
λp = 980nm
λ&sub1; = 1560nm
Tin = Tout = 0,8
Tf = 0,5
F&sub1; = F&sub2; = 0,5
L = 13m
= 1,5 · 10¹&sup5;m&supmin;¹s&supmin;¹
α = 0,38m&supmin;¹
g* = 0,62m&supmin;¹
Die Steigung (oder der "Gewinn") der Übertragungsfunktion Hλ1, ist unabhänging von der Pumpleistung und wird hauptsächlich durch die Terme für Durchlässigkeitsgrad Tin, Tout und Tf und die Ankopplungsverhältnisse Fin und Fout bestimmt. Wenn λ&sub1; λ&sub2;, αλ&sub1; = αλ&sub2;, und g*λ1 = g*λ2, dann reduziert sich die Gewinnübertragungsfunktion auf:
Somit wird der hohe Übertragungsfunktionsgewinn durch eine schwache Rückkopplung erzielt, die durch einen kleinen Term TfFinFout gekennzeichnet ist. Zu diesem Ergebnis kommt es, weil der EDFA 10 auf einen hohen Gewinn geklemmt wird, so daß auch das Eingangssignal einen hohen Gewinn erfährt, wodurch die Ausgangsleistung des EDFA 10 ohne weiteres gesättigt wird. Der Fachmann versteht ohne weiteres, daß der Ausdruck TfFinFout vorteilhafterweise nachgestellt werden kann, um die Gewinncharakteristik des volloptischen Flipflop 15 abzuändern, indem beispielsweise der Durchlässigkeitsgrad Tf des Rückkopplungszweigs 30 durch Integrieren eines steuerbaren Dämpfungselements in den Rückkopplungszweig 30 geändert wird. Es kann aber auch wünschenswert sein, andere Elemente in den Rückkopplungszweig 30 zu integrieren, wie etwa sättigbare oder steuerbare Absorber und Modulatoren.
Wieder unter Bezugnahme auf Fig. 2 koppelt der optische Ausgangskoppler 70 einen vorbestimmten Teil der Laserausgabe des optischen Verstärkers 150 in die Koppelfaser 90. Wie oben angegeben koppelt der optische Ausgangskoppler 70 bei dem vorliegenden Beispiel 80% des sich in dem Vorwärtszweig 60 ausbreitenden Signals in die Koppelfaser 90. Der optische Eingangskoppler 180 koppelt 50% des sich in der Koppelfaser 90 ausbreitenden Signals in das optische Bandpaßfilter 40 als ein Ausgangssignal an dem Q-Ausgangsport. Die übrigen 50% des Signals werden in den Eingang des EDFA 210 in dem optischen Verstärker 160 gekoppelt. Diese gekoppelte Laserausgabe von dem optischen Verstärker 150 sättigt den EDFA 210 derart, daß der Gewinn durch den EDFA 210 unter den Schwellwert reduziert wird, der notwendig ist, damit der EDFA 210 wie oben beschrieben wie ein selbsterregter Laser arbeiten kann.
Obwohl der EDFA 210 durch die Ausgabe des optischen Verstärkers 150 gesättigt wird, um ein Lasern zu verhindern, breitet sich die in dem EDFA 210 erzeugte ASE durch das optische Bandpaßfilter 150 aus, wo sie bei lB gefiltert wird. Die ASE breitet sich dann entlang dem Vorwärtszweig 160 zu dem Ausgangskoppler 170 aus. Der Ausgangskoppler 170 koppelt 80% dieses gefilterten Signals in die Koppelfaser 95 und über den Eingangskoppler 80 in das optische Bandpaßfilter 45, wo es an dem -Ausgangsport ausgegeben wird. Die übrigen 20% des Signals von dem Koppler 170 werden in den Rückkopplungszweig 230 und den Eingangskoppler 180 gekoppelt. Der Eingangskoppler 180 koppelt 50% des sich in dem Rückkopplungszweig 230 ausbreitenden Signals in den Q-Ausgangsport, wo es von dem optischen Bandpaßfilter 40 blockiert wird, da das optische Bandpaßfilter 40 darauf abgestimmt ist, Wellenlängen bei lA durchzulassen und das sich in dem Rückkopplungszweig 230 ausbreitende Signal eine Wellenlänge von lB aufweist. Die übrigen 50% des sich in dem Rückkopplungszweig 230 ausbreitenden Signals werden von dem optischen Koppler 180 als Rückkopplungssignal in den Eingang des EDFA 210 gekoppelt. Dieses Rückkopplungssignal bewirkt kein Lasern des EDFA 210 in dem optischen Verstärker 160, da der EDFA 210 wie oben erörtert durch die Laserausgabe des optischen Verstärkers 150 bereits gesättigt ist.
In dem ersten stabilen Betriebszustand, in dem der optische Verstärker 150 lasert und der optische Verstärker 160 gesättigt ist, erzeugt der volloptische Flipflop 15 daher an dem Q-Ausgangsport ein starkes Signal mit der Wellenlänge lA und an dem -Ausgangsport ein schwaches Signal mit der Wellenlänge lB. Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung an dem Q-Ausgangsport des volloptischen Flipflop 15, wenn er in seinem ersten stabilen Betriebszustand arbeitet, wobei die oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen beispielhaften Betriebsbedingungen angewendet werden und wobei lA = 1544 nm und lB = 1566 nm. Fig. 4 zeigt die starke und schmale Spitze, die für die Laserausgabe charakteristisch ist.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung an dem -Ausgangsport des volloptischen Flipflop 15, wenn er in seinem ersten stabilen Betriebszustand arbeitet. Hierbei ist die Leistungsabgabe im Vergleich zu dem Q-Ausgangsport stark reduziert, da nur ASE von dem EDFA 210 mit der Wellenlänge lB die optischen Bandpaßfilter 150 und 45 passieren kann. Es hat sich gezeigt, daß das Extinktionsverhältnis zwischen den Ausgangsports Q und in der Regel um 40 dB unter den unter Bezugnahme auf Fig. 3 erörterten beispielhaften Betriebsbedingungen liegt, und wobei lA = 1544 nm und lB = 1566 nm. Der volloptische Flipflop 15 hält diesen ersten stabilen Betriebszustand für unbestimmte Zeit oder bis er in den zweiten stabilen Betriebszustand geschaltet wird, wie unten erörtert.
Der volloptische Flipflop 15 wird in seinen zweiten stabilen Betriebszustand geschaltet, wenn an dem RESET- Port ein optischer Signalimpuls mit einer in der Gewinnbandbreite des EDFA 10 liegenden Wellenlänge empfangen wird. Der optische Ausgangskoppler 170 koppelt 80% des optischen Signalimpulses von dem RESET- Port über die Koppelfaser 95 in den optischen Eingangskoppler 80. Der optische Eingangskoppler 80 koppelt 50% des Impulssignals von der Koppelfaser 95 in den Eingang des EDFA 10 in dem optischen Verstärker 150. Wenn dieses in den Eingang des EDFA 10 gekoppelte Impulssignal genügend Leistung aufweist und ausreichend lang ist, wird der EDFA 10 gesättigt, was den Gewinn durch den EDFA 10 unter den Schwellwert reduziert, der notwendig ist, damit der optische Verstärker 150 wie oben beschrieben wie ein selbsterregter Laser arbeiten kann. Es hat sich gezeigt, daß unter den oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen beispielhaften Bedingungen, und wobei lA = 1544 nm und lB = 1566 nm, zum Sättigen des EDFA 10 ein optischer Signalimpuls mit einer Eingangsleistung von -8 dBm mit einer kürzesten Impulsdauer von 100 ms ausreicht.
Wenn der EDFA 10 im optischen Verstärker 150 gesättigt ist, so daß er nicht lasern kann, reicht seine Ausgangsleistung an den optischen Verstärker 160 über die optischen Koppler 70 und 180 und die Koppelfaser 90 nicht länger aus, um den EDFA 210 in dem optischen Verstärker 160 unter seinem Laserschwellwert zu sättigen. Der optische Verstärker 160 kann dann auf die oben beschriebene ASE-Rückkopplungsart lasern. Der optische Verstärker 160 lasert dann natürlich bei einer Wellenlänge lB, da das optische Bandpaßfilter 150 auf lB abgestimmt ist.
Die Laserausgabe des optischen Verstärkers 160 bei der Wellenlänge lB wird über die Koppler 170 und 80 und die Koppelfaser 95 an den optischen Verstärker 150 angekoppelt. Durch diese gekoppelte Laserausgabe bleibt der optische Verstärker 150 nach Ablauf des optischen Signalimpulses an dem RESET-Port unter seinem Laserschwellwert gesättigt.
In dem zweiten stabilen Betriebszustand, in dem der optische Verstärker 160 lasert und der optische Verstärker 150 gesättigt ist, erzeugt der volloptische Flipflop 15 daher an dem -Ausgangsport ein starkes Signal mit der Wellenlänge lB und an dem Q-Ausgangsport ein schwaches Signal mit der Wellenlänge lA.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung an dem Q-Ausgangsport des volloptischen Flipflop 15, wenn er in seinem zweiten stabilen Betriebszustand arbeitet, wobei die oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen beispielhaften Betriebsbedingungen angewendet werden und wobei lA = 1544 nm und lB = 1566 nm. Hierbei ist die Leistungsabgabe im Vergleich zu dem -Ausgangsport stark reduziert, da nur ASE von dem EDFA 10 mit der Wellenlänge lA die optischen Bandpaßfilter 50 und 40 passieren kann.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung an dem -Ausgangsport des volloptischen Flipflop 15, wenn er in seinem zweiten stabilen Betriebszustand arbeitet. Fig. 6 zeigt die starke und schmale Spitze, die für die Laserausgabe charakteristisch ist. Es hat sich gezeigt, daß das Extinktionsverhältnis zwischen den Ausgangsports und Q in der Regel um 40 dB unter den unter Bezugnahme auf Fig. 3 erörterten beispielhaften Betriebsbedingungen liegt. Der volloptische Flipflop 15 hält diesen zweiten stabilen Betriebszustand für unbestimmte Zeit oder bis er in den ersten stabilen Betriebszustand geschaltet wird, wie unten erörtert.
Der volloptische Flipflop 15 wird in seinen ersten stabilen Betriebszustand geschaltet, wenn an dem SET- Port ein optischer Signalimpuls mit einer in der Gewinnbandbreite des EDFA 210 liegenden Wellenlänge empfangen wird. Der optische Ausgangskoppler 70 koppelt 80% des optischen Signalimpulses von dem SET-Port über die Koppelfaser 90 in den optischen Eingangskoppler 180. Der optische Eingangskoppler koppelt 50% des Impulssignals von der Koppelfaser 90 in den Eingang des EDFA 210 in dem optischen Verstärker 160. Wie oben bei Erörterung des Umschaltens aus dem ersten in den zweiten stabilen Zustand wird, wenn dieses in den Eingang des EDFA 210 gekoppelte Impulssignal genügend Leistung aufweist und ausreichend lang ist, der EDFA 210 gesättigt, was den Gewinn durch den EDFA 210 unter den Schwellwert reduziert, der notwendig ist, damit der optische Verstärker 160 wie ein selbsterregter Laser arbeiten kann. Wenn der optische Verstärker 160 nicht weiter lasert, wird der optische Verstärker 150 nicht länger durch die Laserausgabe gesättigt und kann auf die oben beschriebene ASE-Rückkopplungsart lasern. Die Laserausgabe des optischen Verstärkers 150 bei der Wellenlänge lA wird über die Koppler 70 und 180 und die Koppelfaser 90 an den optischen Verstärker 160 angekoppelt. Durch diese gekoppelte Laserausgabe bleibt der optische Verstärker 150 nach Ablauf des optischen Signalimpulses an dem SET-Port unter seinem Laserschwellwert gesättigt.
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der durch die Gleichung (5) dargestellten Übertragungsfunktionen für die beiden optischen Verstärker 150 und 160 und zeigt den ersten und zweiten Betriebszustand für den volloptischen Flipflop 15 als Punkte A und B. Der Schnittpunkt der Übertragungsfunktionen an Punkt C stellt einen instabilen Betriebszustand des volloptischen Flipflop 15 dar.
Der Fachmann versteht, daß mit dem volloptischen Flipflop 15 alle gegenwärtig mit elektrischen Flipflops implementierten Schaltungen volloptisch realisiert werden können. Mit dem volloptischen Flipflop 15 können außerdem bei Kombination mit den entsprechenden, unter Verwendung von volloptischen Invertern implementierten volloptischen Logikgattern (wie in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 168,291 beschrieben) volloptische Schieberegister und Bitspeicherbauelemente realisiert werden.
Der Fachmann versteht außerdem, daß mit dem volloptischen Flipflop 15 auch optische modulo-n Logikschaltungen (d. h. n-äre) realisiert werden können, indem seine Mehrwellenlängenarbeitscharakteristiken ausgenutzt werden. Durch diese Charakteristik könnten modulo-n Logikbauelemente realisiert werden, da der volloptische Flipflop 15 an seinen Ausgängen nicht nur Leistung, sondern auch Wellenlänge umschaltet.
Die oben beschriebenen Anordnungen sind natürlich für die Anwendung der Grundlagen der Erfindung lediglich beispielhaft. Der Fachmann kann sich andere Anordnungen ausdenken, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. So ist es für den Fachmann beispielsweise offensichtlich, daß anstelle des EDFA 10 und des EDFA 210 in Fig. 2 ein optischer Halbleiterverstärker vorteilhafterweise verwendet werden kann, um ein wesentlich schnelleres Umschalten des volloptischen Flipflop 15 zu gestatten. Ein derartiger volloptischer Flipflop könnte somit in einem photonischen integrierten Schaltungsbaustein benutzt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Verwendung als volloptisches Flipflop-Bauelement, die folgendes umfaßt:

einen ersten und einen zweiten optischen Verstärker (150, 160) mit jeweils einem Eingang und einem Ausgang;

ein erstes Rückkopplungsmittel (30) mit einem Signalweg zum Koppeln des Ausgangs des ersten optischen Verstärkers an den Eingang des ersten optischen Verstärkers, so daß der erste optische Verstärker in einem ersten stabilen Zustand arbeitet, indem er bei einer ersten charakteristischen Wellenlänge lasert;

ein zweites Rückkopplungsmittel (230) mit einem Signalweg zum Koppeln des Ausgangs des zweiten optischen Verstärkers an den Eingang des zweiten optischen Verstärkers, so daß der zweite optische Verstärker in einem zweiten stabilen Zustand arbeitet, indem er mit einer zweiten charakteristischen Wellenlänge lasert, wobei die erste und die zweite charakteristische Wellenlänge mindestens vom Nennwert her unterschiedlich sind; und

ein Mittel (90, 95) zum Koppeln des ersten und des zweiten optischen Verstärkers in einer gekoppelten Anordnung, so daß die optischen Verstärker nur in einem des ersten und des zweiten stabilen Zustands arbeiten; gekennzeichnet durch:

einen Rücksetzanschluß (RESET), der an den Eingang des ersten optischen Verstärkers angekoppelt ist, um als Reaktion auf ein an dem Rücksetzanschluß erhaltenes optisches Impulssignal zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen Arbeitszustand umzuschalten; und

einen Setzanschluß (SET), der an den Eingang des zweiten optischen Verstärkers angekoppelt ist, um als Reaktion auf ein an dem Setzanschluß erhaltenes optisches Impulssignal zwischen dem zweiten und dem ersten stabilen Zustand umzuschalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste und der zweite optische Verstärker erbiumdotierte Faserverstärker sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste und der zweite Verstärker Halbleiterlaser sind.