KR100289998B1 - 부스터 출력을 갖는 광 프로세서 - Google Patents

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Abstract

광학적 쌍안정성 모드에서 동작하며, 증폭을 실행할 수 있으며, 광 신호의 계산 및 스위칭을 할 수 있는 비선형 광학장치이며, 한쌍의 도파관 및 한쌍의 비선형 환형 공진기를 광학적으로 결합함으로써 형성되는 한쌍의 방향성 결합기 그리고 또한 위상변조기로 기능 가능한 광학적 능동 쌍갈래 형태의 혼합기를 병합한 광 트랜지스터를 포함한다.

Description

부스터 출력을 갖는 광 프로세서
제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 광 프로세서의 평면도.
제2도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 프로세서의 평면도.
제3도는 광 트랜지스터의 초기 이조영향을 도시한 도시도.
제4도는 방향성 결합기를 갖는 광 프로세서의 특성을 도시한 도시도.
제5도는 기억 프로세스를 도시한 도시도.
제6도는 d계수를 증가의 함수로써 광학 쌍안정성의 특징의 변화를 도시한 도시도.
제7도는 본 발명의 계산 과정을 나타내는 도시도.
제8도는 본 발명의 다중 안정성 특성을 이용하여 계산을 실행하기 위한 광 프로세서의 능력을 도시한 도시도.
제9도는 BOA(electrically active optical bifurcation)를 갖는 광 프로세서의 쌍갈래 표면을 도시한 도시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 광 도파관 2,2′ : 비선형 환형 공진기
3 : 광 혼합기 5 : 레이저
6 : 제1전극 7 : 광 트랜지스터
8 : 위상 변조기 12 : 한쌍의 미러
본 발명은 신호 프로세서에 관한 것으로, 특히 증폭, 커뮤테이션, 스위칭 및 광 신호의 계산의 실행이 가능한 비선형 광신호 프로세서에 관한 것이다.
전자적인 중간단계를 거치지 않고도 광 신호의 증폭 컴뮤테이션, 통신 및 계산등의 기능을 수행할 수 있는 광 소자들로 이루어진 장치에 대한 요구가 지속적으로 증대되고 있는 실정이다.
이러한 요구를 충족시키기 위해 제안된 방법중 하나로서, 지난 10년 동안 지속적으로 개발되어온 광 신호가 신호처리의 모든 단계에 존재하며 다수의 반도체 소재를 채택하여 충분히 큰 속도의 수행능력 및 단순한 구성을 가지는 시스템이 있다.
이러한 장치중의 하나는 Tooley 등에 의해 1983년 11월 Appl. Phys. Lett. 제43권 9호 807-809쪽에 개재되고 InSb(인듐/안티모니) 같은 광학적으로 비선형인 반도체 물질위에 형성된 미러를 갖는 광학적 비선형 위상 변조기를 포함하는 “High Gain Signal Amplification in an InSb Transphasor at 77K”에 개시된다. “광에 의한 광(light by light)” 증폭효과는 강력한 펌핑 빔과 데이타를 실은 약한 빔을 InSb 반도체 결정안으로 주입함으로써 얻어진다. 결과적으로, 다른 빔에 의한 한빔의 변조 및 40dB까지의 데이타를 실은 광 신호(Optical Signal; OS) 증폭이 얻어진다. 이러한 장치의 장점은 소형 디자인, 높은 비선형 계수 및 높은 이득계수를 갖는 것이다. 그렇지만, 외부 펌핑원, 단점은 단일 입력 및 단일 채널, 장치의 구조적 특이성에 기인한 복잡한 입/출력빔 그리고 파브리-페로 간섭계(FPI; Fabry Ferot Interferometer)와 입력 광 신호(OS：optical signal)간의 완전한 주파수 일치의 필요성이며, 이 장치는 실험적인 모형으로 실현성이 불투명하다.
Lomashevich S. 등에게 1991년 3월 19일 허여된 “광 트랜지스터” 명칭의 미합중국 특허 제5,001,523호에 개시된 광 장치는 본 발명의 기술적 특성에 가장 근접하며 본 명세서에 참고문헌으로 인용된다. 미합중국 특허 제5,001,523호에 개시된 광 트랜지스터는 다수의 채널에 의한 상이한-주파수 방사광의 선택은 물론 광 신호의 커뮤테이션 및 증폭을 가능하게 한다.
이러한 광 트랜지스터의 장점으로 높은 증폭계수, 광 신호의 커뮤테이션 또는 스위칭능력, 소형화 그리고 링공진기(RR)에 기인하는 높은 Q-계수등이 있지만, 결점으로서는, 제한된 채널이용도(channel accessibility), 입력 채널에 대한 낮은 감도 수준 및 광 신호 처리에 대한 다단-수준(multi-level) 시스템의 결여(즉, 저장 및 논리의 능력의 부족)이 있다.
본 발명의 목적은 입력 광 신호에 의하여 조절 가능하고, 완전히 이용 가능하고, 입력 또는 출력 광 에너지에 대하여 증가된 수의 광 포트 또는 접점을 갖으며, 연산작용 및 저장 기능은 물론 광 신호의 다단처리(multi-level processing) 능력을 갖는 능동 광 신호 프로세서를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 한쌍의 제1도파관(waveguide), 한쌍의 제1전극 및 한쌍의 비선형 환형 공진기(NCR; nonlinear circular resonator)로부터 구성되며, 각각의 한쌍의 방향성 결합기는 각각의 NCR을 갖는 제1도파관 각각을 광학적으로 결합하여 형성하며, 각각의 방향성 결합기는 각각의 제1도파관 및 각각의 NCR 사이의 광학적 결합 영역에 위치하는 각각의 제1전극에 의하여 조절되며, 각각의 NCR은 한쌍의 제1반도체 레이저를 갖고 NCR의 상태는 다수의 제2전극을 변화함으로써 실행되며, 제1반도체 레이저 각각은 광 결합지역 외부의 영역내의 NCR의 각각에 배치되는 한쌍의 방향성 결합기(directional coupler); NCR 쌍들 사이에 위치하고 위상 변조기(PM; phase modulator)로 동작 가능한 능동 광 쌍갈래(BOA; electrically optical bifurcation) 광 혼합기(optical mixer)를 결합하며, 제2도파관, 한쌍의 반도체 레이저, 한쌍의 제3전극 및 한쌍의 미러를 포함하며, 각각의 미러 및 각각의 제2반도체 레이저는 제2도파관의 단부의 각각에 위치하며, OT의 변수를 조절하기 위한 각각의 제3전극은 제2도파관의 수직축에 평행하고 광 혼합기는 한쌍의 제2반도체 레이저 사이에 위치하는 광 트랜지스터(OT; optical transistor); 공통 기준 전극을 포함하는 광 프로세서를 제공한다.
전기된 광 프로세서에서, 각각의 비선형 환형 공진기 및 각각의 제1도파관을 광학적으로 결합함으로써 각각의 방향성 결합기를 형성하며, 비선형 환형 공진기 및 제1도파관은 물리적으로 같이 결합하거나 각각으로부터 이격할 수 있다.
본 발명의 다른 목적들과 특징들은 첨부도면에 관련하여 기술되는 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
본 발명은 레이저를 포함하는 도파관과 링 공진기의 전기적 능동 광학적 쌍갈래 결합 및 광 트랜지스터를 기능적으로 통합 또는 집적함으로써 통합된 광 시스템을 제공한다. 결합 지역안으로 반도체 레이저의 도입함으로써, 즉, 비선형 환형 공진기(NCR)와의 결합 영역내의 레이저 사이에 위상변조기를 갖는 “직접적(direct)” 광 트랜지스터를 제공함에 따라, 다수의 새로운 기능 및 이점들을 제공하는 전기적 능동 광학적 쌍갈래 형태의 혼합기를 생성 또는 발생시키는 것이다(전기적 능동 광학적 쌍갈래는 Papuchon M. 등에 의해 1977년 8월 Appl. Phys. Lett. 제31권 제4호 266-267쪽에 개재된 “Electrically Active Optical Bifurcation”에 더 상세히 개시되어 있다).
본 발명은 BOA/NCR 구조의 특징인 다중 안정성 효과에 기인한 광 신호의 다단 처리의 실행을 가능케 한다. 광 신호는 어떠한 광 접점 또는 포트를 통해서도 입력되어질 수 있으며 출력 방사는 입력 광 트랜지스터 및 전기적 능동 광 쌍갈래 결합 구조내에서 방사의 전파 방향 또는 경로에 의하여 결정되어지는 어떠한 출력 채널에서도 방출될 수 있다. 본 발명은 단일 집적 또는 통합된 광 장치를 사용함으로써 증폭, 저장, 입력 광 트랜지스터에 의해 규정되는 어떠한 주파수에서도 증폭된 신호의 재-방사, 스위칭 및 커뮤테이션을 포함하는 광 신호처리를 가능케 한다. 이 기능적 능력들은 이러한 장치에서 발생될 수 있는 일련의 광 신호처리 기능들에 의하여 규정되며 그들의 함수이다. 제1(입력) 광 트랜지스터는 증폭에 작용을 하며; 전기적 능동 광학적 쌍갈래 결합 및 NCR에 의하여 발생하는 다단 메모리는 저장을 수행하며; 결합 도파관 안으로 주입된 두개의 빔에 의하여 발생되는 C3-레이저의 조절 주파수를 갖는 제2출력 광 트랜지스터에 의하여 어떠한 주파수에서도 광 신호의 재-방사(re-radiation)가 이루어진다. 본 발명은 또한 잡음수준(noise level)정도 크기의 저-파워를 갖는 저-파워 광 신호의 처리를 가능하게 하며, 일련의 “예비증폭” 즉, 광 트랜지스터, 때문에 상기 처리가 가능하다. 낮은-세기의 광 신호는 재-동조(re-tuning), 광 신호 선택 및 채널스위칭을 포함하는 장치의 다양한 기능을 제어하는데 사용된다. 이러한 제어 특성은 처리의 초기단계에서의 광 신호의 증폭 및 즉 기능적 셀, 즉 위상변조기, 광 트랜지스터 및 NCR 고유의 또는 내부적인 특성과 상호 연결된 위상변조기, 광 트랜지스터 및 NCR의 비-선형성 특성 때문에 가능하다.
이러한 장점 및 기능적 특성은 광 트랜지스터, 링 공진기 그리고 전기적 능동 광학적 쌍갈래 결합 스위치 영역을 갖는 NCR의 구성에 의하여 얻어진다.
광 트랜지스터는 기본적으로 적절한 장치 특성 및 전극에 인가된 제어 신호의 선택에 따라 광 신호의 증폭 또는 기억 및 광 신호의 컴뮤테이션/통신을 가능하게 한다. 광 트랜지스터의 기능과 특성은 Lomashevich S.A. 등에 의해 1991년 Journal of Applied Spectroscopy 제55권 제3호 485-490쪽에 개재된 “Concept of Optical Transistor” 및 Morozov, E.P. 등에 의해 “Optical Transistor”로 명칭된 USSR 발명자증번호 제1225386호에 더 상세하게 개시되어 있다.
본 발명에서, 광 트랜지스터는 레이저들 사이에 위치하는 위상변조기인 도파관 및 두개의 레이저 의하여 규정되어 광 쌍안정성 모드에서 제1차 일련의 비-선형 증폭 작용을 한다. 광 신호가 광 트랜지스터의 위상변조기로 들어가고 광 세기가 어떤 임계치를 초과할 때 물질의 비-선형 특성 때문에 광 트랜지스터의 반-반사(anti-reflection) 또는 포화가 이루어져 공진까지 동조된다. 의존도 n=no+n2Ip이고(여기서 no는 무광도 굴절률, n2는 비-선형 계수이며 Ip는 공진기 내에서의 세기), Ip의 임계치가 되면 까지 가수의 영향이 중요하게 되며, 시스템은 자동적으로 공진상태를 향하여 동조되기 시작하고, 상기 과정은 급격하게 혹은 눈사태(avalanche-like) 방식이 발생하여 매우 가파른 특성이 구현되어, 따라서 광신호 처리의 초기 혹은 처음 단계에서 요구되는 증폭계수가 제공된다.
광 트랜지스터는 (a) 위상변조기의 전기적 동조 또는 (b) 위상변조기에서 NCR로 전파되는 광 방상의 어떤 부분에 결합되는 제어 광 신호에 의해 NCR과의 결합 소자로 또한 사용된다. 예를 들면, 다른 광 회로에서의 병렬 처리를 위하여 증폭된 광 신호는 광 트랜지스터의 출력 거울에서 방출될 수 있다.
위상변조기는 집적된 방사의 세기에 의존하는 비-선형 파브리-페로 간섭계 광로인 내부에 병합된 공진기로 작동한다. 위상변조기는 큰 공진기의 광학적 길이를 변화시키고 또한 그것의 임계전류의 변화를 일으키는 Q-계수를 변화시킨다. 이러한 재-동조는 장치가 발생 임계치를 통과하여 레이징 또는 레이저 모드를 얻게 한다.
광 트랜지스터 개념에 따르면, 일련의 제1증폭(즉, 위상변조기에 의한)은 기본적으로 부합 기능을 구현한다. 즉, 입력 신호와 공진 주파수가 정확히 일치하지 않아도 시스템 전체의 이러한 응답을 갖는 것을 가능하게 한다. 입력 신호 i의 영향하에 위상변조기에서 증폭된 신호는, IPM=G1i가 되며 귀환 회로(feedback circuit)를 통과하여 반도체 레이저 증폭기(semiconductor laser amplifier; SLA)에서 증폭되면 IOT=G1G1i가 되고, 광 트랜지스터 공진기의 굴절률이 변화하여 최종적으로 광 트랜지스터는 아래함수로 주어진다.
투과특성,
G10; 광 트랜지스터의 내부증폭 이득계수
G1; G1=3/(3-θ1 2)인 위상변조기의 이득계수
θ1; 광 트랜지스터의 이조 위상각
θ1; 위상변조기의 이조 위상각
광 트랜지스터 개념의 부가적인 개시는 Lomashevich S.A. 등에 의해 1991년 Journal of Applied Spectroscopy 제55권 제3호 485-490쪽에 개재된 “Concept of Optical Transistor”에 개시되어 있다.
반도체 레이저 증폭기로도 작용하는 능동 레이저 소자 및 방향성 결합기(directional coupler)인 부합소자를 갖는 링 공진기 또한 광 트랜지스터를 나타내며(참고문헌 미합중국 특허 제5,001,523호를 인용하여 상기 개시된 것처럼), 상기 참고문헌에는 색인 “1”이 색인 “2”인 것을 제외하면 입력 신호 i와 출력 신호 I 사이의 관계는 식 (1)과 동일하게 표현된다. 본 발명에서 이득계수 G는 전기적 능동 광학적 쌍갈래 결합에서 NCR 안으로 투과 수준을 나타낸다.
전기적 능동 쌍갈래 결합(BOA) 스위치를 갖는 NCR 구성은 이들 소자의 각각에서 발견되지 않는 새로운 기능적 특성을 제공한다. 즉, 새로운 특성은 전기적 능동 쌍갈래 결합(BOA) 스위치 또는 NCR 내에서 발견할 수 없다. 개시된 발명에서, 전기적 능동 쌍갈래 결합 소자는 광 트랜지스터(OT)와 NCR을 결합시킨다.
광학적 쌍안정성(optical bistability; OB)의 영향은 굴절률이 매질내의 광 에너지의 세기에 따르고 그의 함수, 즉 n=n0+n2Ip이며 그리고 그 시스템내에 귀환이 있는 경우 명확해진다. 개시된 장치에서, 전체로써의 시스템(분산적인 또는 흡수적이며, 비선형성 그리고 귀환 형태로 작동하는 비선형 환형 공진기와 동일한 물질로 만들어진)은 물론 그것의 각각의 소자(즉, 귀환이 외곽 거울에 의하여 제공되는 비선형 환형 공진기) 모두가 상기 조건에 부합된다. 또한 이들에 대한 추가적인 설명은 Bystrov, Yu. L. 등에 의해 1992년 Elektrosvyazj 제1호 22-25쪽에 개재된 “Optical Transistor as a New Functional Element of VOSP Technique”에 기재되어 있다. 입력 광 트랜지스터에서 발생되는 입력 방사에 대한 시스템의 초기 반응이 지연(stalling)에 따라서 일어나고, 결과적으로 시간적으로 빠르게(10-13초 정도) 그리고 매우 급격한 특성을 갖고 발생하는 것은 상기 개시된 장치의 작동에 중요하다. 더우기, 출력 신호의 형성은 또한 광학적 쌍안정성 모드에서 작동하는 시스템에 의해 영향을 받는다. 일련의 예비증폭, 증폭 그리고 파워증폭은 시스템에서의 출력신호를 연속적으로 형성하게 하는 단순화된 방법이다. 본 발명에서, 광 접속 상태에 있는 NCR의 각각이 강력하게 결합되어 있을 때, 링 공진기는 자체내로 광 에너지를 펌프하여, 이격된 도파관과 관련된 비-정규적 또는 비-주기적 요동을 평탄하게 하며, 역으로 본 시스템에 특이하며 광 프로세서의 특성 및 출력 데이타의 형태를 변화시킬 수 있는 매개변수들에 의하여 규정되는 효과를 증대시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 두개의 광 프로세서(100), (200)의 평면도가 각각 제1도 및 제2도에 도시되며: 한쌍의 제1도파관(1),(1′) 한쌍의 제1전극(6),(6') 및 한쌍의 비선형 환형 공진기(NCR; (2),(2′))로부터 구성되며, 각각의 한쌍의 방향성 결합기(예를들면, (10'))는 NCR(2)을 갖는 제1도파관(1)을 광학적으로 결합하여 형성하며, 각각의 방향성 결합기(예를들면, (10))는 제1도파관(1) 및 NCR(2)사이의 광학적 결합 영역에 위치하는 제1전극(6)에 의하여 조절되며, 각각의 NCR(예를들면, (2))은 한쌍의 제1반도체 레이저(5A),(5B)를 갖고 NCR의 상태는 다수의 제2전극(13)을 변화함으로써 실행되며, 제1반도체 레이저(예를들면, (5A)) 각각은 광 결합지역 외부의 영역내의 NCR(2) 내에 배치되는 한쌍의 방향성 결합기(10),(10′); NCR(2),(2')쌍들 사이에 위치하고 위상변조기로 동작가능한 능동 광 쌍갈래 광 혼합기(8)를 결합하며, 제2도파관(9), 한쌍의 제2반도체 레이저(5E),(5F), 한쌍의 제3전극(11) 및 한쌍의 미러(12),(12′)를 포함하며, 각각의 미러(예를들면, (12)) 및 각각의 제2반도체 레이저(예를들면, (5E))는 제2도파관(9)의 단부(E)의 각각에 위치하며, OT의 변수를 조절하기 위한 각각의 제3전극(예를들면, (11))은 제2도파관(9)의 수직축에 평행하고 광 혼합기(8)는 한쌍의 제2반도체 레이저(5E) 사이에 위치하는 광 트랜지스터(OT, (7)); 공통 기준 전극(도시되지 않음)을 포함하는 광 프로세서를 제공한다.
전기된 광 프로세서에서, 각각의 비선형 환형 공진기 및 각각의 제1도파관을 광학적으로 결합함으로써 각각의 방향성 결합기를 형성하며, 광 프로세서(200)에서 처럼 비선형 환형 공진기 및 제1도파관은 물리적으로 같이 결합하거나 광 프로세서(100)에서 처럼 각각으로부터 이격할 수 있다.
본 발명인 광 프로세서(100)의 동작은 제1도 및 제2도에 따라 기술될 것이다. 입력-출력 광 접점(A), (B), (C) 및 (D)가 본질적으로 동일하기 때문에, 다음 설명은 입력 광 신호가 광 도파관(1)내의 출력 접점(A)으로 들어가는 것에 따라서 기술하겠다.
제1전극(6)에 인가되는 전압 U6는 NCR(1) 내의 광 신호의 스위칭을 조절한다. 전압 U6를 적절하게 조절하여, 차동증폭(differential amplification) 특성을 갖는 증폭은 광 도파관(1) 및 NCR(2)을 포함하는 광 쌍안정셀(optical bistability cell)에서 구현된다. 이는 제1차 직렬 광 신호의 증폭이며, 위상변조기(PM, (8))의 초기 상태에서 발생하고 레이저(5E),(5F)에 전달되어 우세한 모드가 되어 레이저 발생모드가 되며, 이는 NCR(2) 내에서 급격한 광 세기의 증가가 일어나며, 이에 의하여 상기 물질이 NCR(2)에서 비선형 특성을 일으키도록 강요한다. 결과적으로, NCR(2)의 공진은 입력 광 신호 주파수와 일치하게 되고 위상변조를 초기화하기에 충분한 광 출력방사는 위상변조기(8)로 들어가게 된다. 한쌍의 OT 레이저(5E),(5F)로부터 레이저빔이 한쌍의 미러(12′),(12″)에 의하여 한정되고, 광 트랜지스터((7)(EF))의 공진까지 재동조되며, 이는 광 트랜지스터((7)(EF))가 광 트랜지스터(7)에 병합되어 이 시스템에서 한쌍의 NCR(2),(2')에 대하여 광 혼합기로 작용하는 위상변조기로써의 전체 시스템을 조절하게 한다.
한쌍의 미러(12) 사이에서 광선이 통과함으로써 NCR(1) 및 NCR(2)에 광 출력의 결합 부분이 생기며, 방향성 결합기(10),(10′)에 의하여 증폭된 주파수는 출력 접점(A) (B) (C) 및 (D)를 통하여 방출된다. 대부분의 광 출력은 광 트랜지스터를 한정하는 한쌍의 미러(12)를 통하여 출력된다.
전체적인 유니트(unit)로써 광 시스템은 대기 모드에서 동작하고, 시스템으로 들어가는 입력 신호가 광 쌍안정성 영향을 나타내는 시스템을 구성하고 있는 물질의 비선형특성을 이용한 공진 상태로 알처적으로 재동조되어야만 하며, 광 신호의 모든 단계에 대하여 식(1)에 기술된 세기에 관한 굴절률, n의 의존도는 방향성 결합기(AB-NCR(1), CD-NCR(2)), NCR(NCR(1), NCR(2)), 광 혼합기(8) 및 광 트랜지스터(EF)내에서 처리된다. 제1 및 2도에서 도시된 바와 같이 본 발명인 광 프로세서 각각이 한쌍의 NCR 사이에 위치한 BOA 형태의 광 혼합기에 대하여 축에 대한 대칭을 가지므로, 출력 광 신호 I의 특성은 입력 신호 i 및 다음 알고리즘의 사용을 통한 변수로부터 얻을 수 있다.
고려된 광 시스템의 기본 성분은 특성이 다음 함수에 의하여 기술된 환형 공진기(OT-CR)를 갖는 광 트랜지스터이다.
여기서, G0=환형 공진기를 갖는 광 트랜지스터의 내부 증폭이득계수
T=위상변조기의 이득계수
θ=환형 공진기를 갖는 광 트랜지스터의 이조 위상각
I=출력 방사광의 세기
=환형 공진기를 갖는 광 트랜지스터의 투과특성
본 발명의 방향성 결합기의 특성은 연결된 모드를 기술하는 식으로부터 얻어지며, 양 귀환에 대한 시스템의 응답은 광 진동 모드의 전파상수 및 제2채널(channel)의 광로에서 G 계수의 값 사이의 차이에 대하여 의존하는 식을 도입함으로써 고려된다. 이러한 개념에 대하여 Scrapper 등에 의해 1981년 IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-17, N3, 332에 개재된 “Remotely Controlled Integrated Directional Coupler Switch”에 부가적으로 개시된다.
광학적 쌍안정성 모드에서, 대역통과(band-pass) 도파관으로부터 NCR로 출력의 전환을 기술한 함수(F1)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
식, (4)
여기서, i=입력 방사광의 세기
IRR=공진기내에서 광의 세기
△β1=전파모드 상수사이의 초기차이
전기적 능동 광학적 쌍안정성(BOA) 형태의 컴뮤테이터 또는 스위칭에서 광 쌍안정성 연구는 Andreev 등에 의해 1984년 Tekhnicheski Sredstva Svyazi, seria: Tekhn. Prov. Svyazi, Vypusk 6, 115-121쪽에 개재된 “Optical Bistable Commutating Device with Electronic Feedback”에 더 상세히 개시되어 있다. Andreev에 따르면, OB 모드에서 BOA-혼합기의 변환 함수는 다음과 같다.
여기서, 출력의 최대 가능한 수준을 특징짓는 변수 d2는 혼합기의 적절한 모드에 대한 다음 식에 의하여 기술되는 입력 신호의 분해계수에 의하여 한정된다.
여기서, △β0는 전파모드 상수사이의 초기차이 이다.
광 시스템의 입력-출력 회로에 대한 변환 함수는 선형 OT의 변환 함수를 고려함으로써 결정 가능하다. 이로부터, OP 특성은 다음식을 이용하여 기술된다.
여기서, 각각의 지수 0, 1, 2 및 3은 OT-CR, DC, BOA 및 선형 OT 각각에 대응한다.
광 메모리 모드(제3도 및 제4도), 차동 증폭 모드(제4도, 곡선 2), 광 프로세서 모드와 같은 모드는 구현되어, 제3도 및 제4도에서 결과는 도시되어 확인된다.
따라서, 광 시스템은 광 신호의 일련의 덧셈을 제공하고 그 결과를 기억하고며, 한정된 값을 기억하고 그것에 입력된 광 신호를 더하고 그 결과를 기억하며(제5도상의 3, 4 및 5지점 등.), 다른 광 접점들로 입력된 광 신호를 더하고, 그 결과를 기억할 수 있는 능력을 갖는다.
기능적 특성의 변경 및 장치의 특성은 변수를 변화함으로써 얻어진다.
제2도에서 도시된 실시예의 기술에서, 광 프로세서의 분리된 요소를 이전에 한정한 함수는 입력 i 및 출력 I 사이의 의존도를 얻을 수 있도록 한다.
여기서, 각각의 지수는 다음과 같이 표시된다.
0=OT-CR
1=BOA-혼합기
2=광 혼합기(3)(제2도)
3=선형 OT
분석 결과로부터, d=1.5(제6도에서, 곡선 2)일 때 제1차 및 제2차에서 차동에서의 차동증폭의 광 메모리, d=1.5(제6도에서, 곡선 1)일 때 다중-안정 메모리, d=1.5(제6도에서, 곡선 1)일 때 값 및 메모리의 차수를 형성하는 OS의 덧셈, 다중-안정 특성에 관한 OS의 덧셈(제7도), 그리고 값들과 이러한 값들의 메모리의 차수를 형성하는 OS의 덧셈(제8도)과 같은 동작 모드들이 입력 BOA 혼합기를 갖는 OP에서 가능하다는 것을 볼 수 있다.
다양한 특성 및 모드는 증폭-다중-안정성(곡선 1), 히스테리시스의 면적을 변화를 갖는 다중-안정성(제9도에서, 곡선 2 및 3)의 특성이 나타난 쌍갈래 표면 I=f(i, θ0)(제9도)에 의하여 도시된다. 이러한 특징으로부터 변수의 영향은 명확해지는 것을 볼 수가 있다.
상이한 모드로 재-동조를 가능하게 하고 다양한 특성을 구현하는 다른 변수는 d1, d2, △β1, △β2G0, G3, θ0및 θ3이다.
따라서, 광 접점중의 어떠한 곳으로 들어가는 입력 OS는 공진방향으로 전 광학 시스템의 재 동조 및 전 광학 시스템은 물론 분리된 셀(cell)에서 광학적 쌍안정성의 초기상태를 일으킨다. 이러한 결과는 레이저가 모드를 발생하도록 하고, 이 시스템에서 방사광의 세기를 급격하게 증가시키며, OT 미러에 의하여 이 방사광을 가두어두고, 출력 채널을 통하여 광 출력을 증폭하고 분배한다. 더우기, 광 시스템이 광 신호에 의하여 주어진 값의 덧셈 과정을 수행가능하게 하는 적절한 변수 값에 의하여 다중 안정성 특성은 구현된다.
미리 증폭된 펄스의 기억화, 덧셈, 이 결과의 기억화 및 다음 단계로의 변환은 계산 모드에서 모두 얻어진다.
상기 장치를 제작하는데 사용되는 전형적인 물질은 3성분시스템(예, GaAlAs), 4성분시스템(예, InGaAsP) 및 고체용액(solid solutions)을 포함하며, 그 성분은 광 방사의 겹쳐진 파장 영역에 따라 결정된다. 상기 광 프로세서를 제조하기 위한 방법은 액상 에피택시(epitaxy), 기상 에피택시, MOCVD(Metal-Oxide Chemical Vapor Deposition) 및 모스하이드레이트(moshydrate) 분자-빔 에피택시(molecular-beam epitaxy)를 포함한다.
하이브리드(hybrid) 형태의 광 프로세서 능동 셀의 설계 및 구조는 상기 기술한 기법을 이용하여 제작되어 인듐-베이스(In-based) 땜납을 이용하여 링 공진기와 도파관의 식각창(etched-window)내에 설치된다.
집적-광(integrated-optical) 형태로, 다음의 구조가 제안된다. 레이저는 이중 헤테로구조(heterostructure)를 가지며 가장 간단한 형태로 능동층이 링 공진기와 도파관상에 분포되게 생성된다. 능동층의 수직 방향으로의 형성은 헤테로접합의 성장과 함께 이루어진다. 평면방향(planar-wise)으로의 능동 층은 프로세서 소자의 형태를 따르는 접점패드(pads)의 크기에 의하여 제한된다. 다른 방법으로, 소자 크기의 제한은 잠긴 마스크드(immersed masked) 헤테로 구조내에 좁은 능동결합층을 제작함으로써 이루어질 수 있다. 집적-광 형태에서, 거울들은 화학식각을 수반하는 리쏘그라피 프로세스를 이용하여 제작된다. 상기 고려된 디자인은 양자-크기(quantum-sized) 구조를 이용함으로써 실행 가능하다.
개시된 장치는, 광 임펄스(impulse)에 따른 논리동작 및 계산의 수행능력 및 다단 모드에서의 저장을 특징으로 한다. 관계 i=f(I)에 의하여 결정되며 바람직하게 장치전극을 통한 전기적인 제어에 따른 매개변수들을 이용한 광 프로세서의 다양한 기능의 제어능력 등의 주요한 장점을 갖는다. 입력 광 신호가 광 트랜지스터의 위상변조기에 주입되는 방법은 광 신호 주파수와 광 트랜지스터의 동조 주파수의 정확한 일치를 피할 수 있게 한다. 높은 증폭 계수(40dB 이상), 높은 응답도 그리고 비-정규 요동의 억압이 이루어진다. 완전한 이용도(accessibility), 네개의 광 출력 그리고 증폭과 함께 광 신호의 컴뮤테이팅이나 스위칭을 할 수 있는 능력은 같은 방식으로 얻어진다.
당 업자들에게 명백한 바와같이, 청구항 및 청구항에 균등한 것에 규정된 본 발명의 사상 및 범주에 벗어나지 않고 본 발명의 개시된 광 프로세서에 많은 변화와 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (5)

  1. 증폭, 컴뮤테이션(commutation) 및 스위칭, 그리고 광 신호의 계산이 이 가능한 신호 처리 시스템에 사용되는 광 프로세서로써; 한쌍의 제1도파관, 한쌍의 제1전극 및 한쌍의 비선형 환형 공진기(NCR; nonlinear circular resonator)로부터 형성되며, 상기에서 각각의 한쌍의 방향성 결합기는 각각의 상기 NCR을 갖는 각각의 상기 제1도파관에 광학적으로 결합됨으로써 형성되고, 각각의 상기 방향성 결합기는 각각의 상기 제1도파관 및 각각의 상기 NCR 사이의 광학적 결합 영역에 걸쳐서 인가되는 각각의 제1전극에 의하여 조절되며, 각각의 상기 NCR은 한쌍의 제1반도체 레이저 및 상기 NCR의 상태의 변화를 실행할 수 있는 다수의 제2전극을 갖으며, 각각의 상기 제1반도체 레이저는 상기 광 결합지역 외부의 영역내에서 각각의 상기 NCR에 배치되는 한쌍의 방향성 결합기(directional coupler); 상기 NCR 쌍들 사이에 위치하고 위상 변조기로 동작 가능한 능동 광 쌍갈래 광 혼합기를 결합하며, 제2도파관, 한쌍의 반도체 레이저, 한쌍의 제3전극 및 한쌍의 미러를 포함하며, 상기에서 각각의 상기 미러 및 각각의 상기 제2반도체 레이저는 상기 제2도파관의 단부의 각각에 위치하며, 상기 OT의 변수를 조절하기 위한 각각의 상기 제3전극은 상기 제2도파관의 수직축에 평행하고 상기 광 혼합기는 한쌍의 상기 제2반도체 레이저 사이에 위치하는 광 트랜지스터(OT); 공통 기준 전극을 포함하는 광 프로세서 광 프로세서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각각의 방향성 결합기가 상기 각각의 NCR의 수평축상에 형성된 광 프로세서.
  3. 제2항에 있어서, 방향성 결합기를 형성하는 상기 각각의 NCR 및 제1도파관이 각각으로부터 물리적으로 이격된 광 프로세서.
  4. 제2항에 있어서, 방향성 결합기를 형성하는 상기 각각의 NCR 및 제1도파관이 물리적으로 함께 결합된 광 프로세서.
  5. 제2항에 있어서, 각각의 제1전극이 상기 각각의 NCR 내에서 한쌍의 상기 제1반도체 레이저의 중간에 위치된 광 프로세서.
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