KR100343490B1

KR100343490B1 - 전-광학플립플롭용장치

Info

Publication number: KR100343490B1
Application number: KR1019940033392A
Authority: KR
Inventors: 모하마드티.파테히; 클린턴랜디질레스
Original assignee: 에이티 앤드 티 코포레이션
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 2002-11-23
Also published as: CA2135533A1; JPH07199254A; DE69429416D1; US5537243A; DE69429416T2; JP3283714B2; EP0658795A1; CA2135533C; KR950019811A; EP0658795B1

Abstract

전-광학 플립플롭 장치는 2개의 광학 증폭기를 사용하여 이루어지는데, 상기 2개의 광학 증폭기들은 주어진 시간에 2가지 안정 상태들 중 하나의 안정 상태에서만 동작하도록 구성된다. 동작의 제 1 안정 상태에서는, 제 1 광학 증폭기가 제 1의 소정 특성 파장을 갖는 레이저로 동작한다. 상기 구성은 동작의 제 2 안정 상태로 절환되는데, 이 상태에서는 제 2 광학 증폭기가 제 2 특성 파장을 갖는 레이저로 동작한다. 여기에서 광 펄스 신호가 제 1 광학 증폭기의 입력단에서 수신될 때, 제 1 및 제 2 특성 파장은 미세하지만 서로 상이하다. 상기 구성은 광 펄스신호가 제 2 광학 증폭기의 입력단에서 수신될 때, 제 1 안정 상태로 다시 절환된다.

Description

전-광학 플립플롭용 장치{All-optical flip-flop}

본 발명은 일반적으로 광학에 관한 것으로, 특히 전-광학(all-optical) 플립플롭 장치에 관한 것이다.

전-광학 신호 처리 및 원거리 통신 장치들은 현재 발전을 거듭하여, 특히 광 섬유를 사용하는 형태로, 유도 전파 광파 기술(guided-wave lightwave technology)의 고속도, 전자기 간섭에 대한 내성, 초광대역폭 및 고용량과, 저손실, 저왜곡 및 저 누화 특성들을 이용하고 있다. "전-광학"의 의미는 장치들이 광 입력단들과 출력단들을 가질 뿐만 아니라, 모든 중간 신호 처리가 전기적으로 보다는 광학적으로 이루어지는 것을 뜻한다.

전-광학 장치들은 광 신호를 전기적인 아날로그 신호로 변환하는 광-전기 장치들보다 더 유용한데, 그 이유는 단일 광 영역에 남아 있는 신호가 광파 기술의 고유의 이점들을 가장 잘 이용할 수 있기 때문이다. 또한, 전-광학 시스템들은 일반적으로 유사한 기능들을 수행하는 광-전기 시스템보다 적은 구성요소들을 필요로 하고, 보다 덜 복잡하다.

전-광학 신호 처리에서 발전한 최초의 영역들 중의 하나는 반도체 광증폭기들과, 에르븀 도핑(erbium-doped) 광섬유들과 같은 희토류가 도핑된 증폭 광섬유의 등장과 같이한 광증폭 분야였다. 희토류가 도핑된 증폭 광섬유들은 저잡음, 비교적 큰 편광에 의존하지 않는 대역폭, 누화의 저감, 저 삽입 손실을 나타내며, 제조비용도 비교적 낮다. 따라서, 전-광학 증폭기들은 광전기 증폭기 기술을 능가하는 실제 성능상의 이점들을 제공한다.

분명히, 디지털 응용들에서 광파 기술의 고유의 이점들을 더 이용하기 위해서는, 광학 증폭 이외의, 보다 많은 전-광학 장치들이 요구된다. 예를 들어, 전기 플립플롭 장치들이 오랜 세월동안 존속되어온 반면, 전-광학 플립플롭 장치는 아직까지 실현되지 않았다. 전-광학 플립플롭은 전-광학 순차 논리 및 비트 기억 장치들의 구현을 용이하게 한다.

전기적 중간 신호 처리와 섬유 지연선들을 이용하는 현재의 광학 비트 기억장치들은, 어떤 응용들에서는 만족할만큼 동작하는 반면, 다른 응용들에서는 적합하지 못한데, 그 이유는 광전기 장치들이 지닌 고유의 한계들 때문이다.

발명의 개요

전-광학 플립플롭 장치는 주어진 시간에서 2가지 안정 상태들 중 한 상태에서만 2개의 광학 증폭기들이 함께 동작되도록 배치된 2개의 광학 증폭기들을 이용하여 이루어진다.

동작의 제 1 안정 상태에서, 제 1 광학 증폭기는 제 1 특성 파장을 갖는 레이저로 동작한다. 동작의 제 2 안정 상태로 절환되도록 배치되면, 제 2 광학 증폭기가 제 2 특성 파장을 갖는 레이저로 동작하며, 제 1 및 제 2 특성 파장들은 광 펄스 신호가 제 1 광학 증폭기의 입력단에서 수신될 때 최소한 아주 조금이라도 서로 상이하게 된다. 이 배치는 광 펄스 신호가 제 2 광학 증폭기의 입력단에서 수신될 때 제 1 안정 상태로 복귀한다.

전-광학 플립플롭 장치는 여러 다양한 디지털 응용들에서 유리하게 사용될 수 있다. 예로서, 전-광학 인버터는 전-광학 시프트 레지스터 및 전-광학 디지털 기억 장치로서 유리하게 사용될 수 있다.

상세한 설명

종래 기술의 전기 플립플롭 장치들은 제 1도에 도시된 바와 같이 SET과 RESET을 포함하는 2개의 입력 포트들과, Q와중(" Q 의 부정" )를 포함하는 2개의 출력 포트들을 갖는다. 만일 펄스 신호가 SET 입력포트에서 수신되면, 그 다음에 Q 출력 포트는 신호를 출력하는 반면출력 포트는 널(null) 신호(즉, 신호를 출력하지 않음)를 출력한다. 플립플롭은 신호가 RESET 입력 포트에서 수신될 때까지 이 동작 상태를 래치, 즉 유지한다. 신호가 Q 출력 포트에서 출력되는 이 래치된 상태는 동작의 안정 상태이다. 만일 펄스 신호가 RESET 입력 포트에서 수신되면, 그 다음에 출력 포트들의 출력들이 반전된다(즉, 출력 포트들은 플립플롭한다). 따라서, 신호를 이전에 출력하고 있던 Q 출력 포트는 이제 널 신호를 출력하고, 이전에 널 신호를 출력하고 있던출력 포트는 이제 신호를 출력한다. 전기 플립플롭은 신호가 SET 입력 포트에서 수신될 때까지 이 안정 상태에서 동작하는데, 이때가 출력 포트들이 다시 플립플롭하는 시기이다.

제 2 도는 본 발명의 원리에 따라 광학 증폭기들(150, 160)을 포함하고, 전-광학 플립플롭(15)을 형성하는 구성 요소들의 예시적 구성의 개략도를 나타내고 있다. 광학 증폭기(150)에서, 도핑되거나 도핑되지 않은 광섬유로 이루어진 피드백 경로(30)는 에르븀 도핑 섬유 증폭기(erbium-doped fiber amplifier: EDFA)(10)의 출력단을 EDFA(10)의 입력단에 결합시킨다. 몇몇 응용들에서 가포화 감쇠기(saturable attenuator)의 역할을 하는 피드백 경로(30) 내에 희토류가 도핑된 섬유를 사용하는 것이 바람직하다고, 당업자라면 생각할 것이다. 감쇠기들이 유리하게 사용되는 것은 아래에 더 상세히 설명된다.

제 2 도의 구성예에서, EDFA(10)는 펌프(110), 멀티플렉서(120), 에르븀 도핑 섬유(130), 및 광학 분리기(140)로 구성되어 펌프(110)로부터의 광이 신호와 반대 방향으로 진행하도록 배치된다. 이들 각 구성요소들과 본원에서 이용되는 각 기능들은 본 기술분야에서 잘 알려져 있다. 몇몇 응용들에서, 펌프(110)로부터의 광이 신호와 동일방향이거나, 신호에 대해 양방향으로 진행하도록, EDFA(10) 내의 구성요소들을 배치하는 것이 바람직할 수 있다.

광학 대역 통과 필터(50)는 EDFA(10)의 출력단과 출력 광 결합기(70) 사이의 순방향 경로(60) 내에 위치된다. 순방향 경로(60)는 도핑되지 않은 광섬유로 구성된다. 출력 광 결합기(70)는 순방향 경로(60) 내에서 전파하는 신호의 소정 부분을 피드백 경로(30)에 결합한다. 입력 광 결합기(80)는 피드백 경로(30) 내에서 전파하는 신호의 소정 부분을 EDFA(10)의 입력단에 결합한다. 본 발명의 제한 조건은 아니지만, 본 실시예를 위해, 출력 광 결합기(70)는 순방향 경로(60) 내에서 전파하는 신호의 20%를 피드백 경로(30)에 결합하며, 상기 신호의 80%는 결합 섬유(90)에 결합한다. 유사하게, 입력 광 결합기(80)는 피드백 경로(30) 내에서 전파하는 신호의 50%를 EDFA(10)의 입력단에 결합하고, 상기 신호의 50%는 출력포트에 결합한다. 본 실시예에서, 출력 및 입력 광 결합기(70, 80) 모두는 본 기술분야에서 잘 알려진 7dB 광 결합기들일 수 있다.

광학 증폭기(160)에서, 도핑되거나 도핑되지 않은 광섬유로 구성된 피드백 경로(230)는 EDFA(210)의 출력단을 EDFA(210)의 입력단에 결합시킨다. 피드백 경로(230)와 EDFA(210)는 그 구조와 동작에 있어서 광학 증폭기(150)에서의 피드백경로(30) 및 EDFA(10)와 각각 동일하다. EDFA(210)는 펌프(410), 멀티플렉서(420), 에르븀 도핑 섬유(430) 및 광학 분리기(440)로 구성된다. 이 구성 요소들은 상술한 EDFA(10)를 구성하는 해당 구성 요소들과 구조 및 동작에 있어서 동일하다.

광학 대역 통과 필터(150)는 EDFA(210)의 출력단과 출력 광 결합기(170) 사이의 순방향 경로(160) 내에 위치된다. 광학 대역 통과 필터(150), 순방향 경로(160), 및 출력 광 결합기(170)는 각각 광학 증폭기(150) 내의 광학 대역 통과필터(50), 순방향 경로(60) 및 출력 광 결합기(70)와 그 구조와 동작에 있어서 동일하다. 출력 광 결합기(170)는 순방향 경로(160) 내에서 전파하는 신호의 소정 부분을 피드백 경로(230)에 결합시킨다. 입력 광 결합기(180)는 피드백 경로(230) 내에서 전파하는 신호의 소정 부분을 EDFA(210)의 입력단에 결합시킨다. 입력 광결합기(180)는 광학 증폭기(150) 내의 입력 광 결합기(80)와 그 구조와 동작에 있어서 동일하다.

광학 증폭기(150)의 출력단은 출력 광 결합기(70), 결합 섬유(90), 및 입력 광 결합기(180)를 통해 광학 증폭기(160)의 입력단에 결합된다. 유사하게, 광학 증폭기(160)의 출력단은 출력 광 결합기(170), 결합 섬유(95) 및 입력 광 결합기(80)를 통해 광학 증폭기(150)의 입력단에 결합된다. 결합 섬유들(90, 95)은 도핑되지 않은 광 섬유들을 포함한다.

결합 섬유(90)의 일단은 전-광학 플립플롭에 대한 SET 입력 포트로 기능하고, 결합 섬유(90)의 타단은 Q 출력 포트로 기능한다. 결합 섬유(95)의 일단은 전-광학 플립플롭(15)에 대한 RESET 입력 포트로 기능하고, 결합 섬유(95)의 타단은출력포트로 기능한다. l_A와 실질적으로 동일한 신호 파장들을 통과시키도록 동조되는 광학 대역 통과 필터(40)는 Q 출력 포트에서 결합 섬유(90)의 종단에 위치된다. l_B와 실질적으로 동일한 신호 파장들을 통과시키도록 동조되는 광학 대역 통과 필터(45)는출력 포트에서 결합 섬유(95)의 종단에 위치된다.

동작시, 광 펄스 신호가 SET 입력단에 존재하지 않을 때, EDFA(10)로부터의자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission: ASE)이 순방향 경로(50)를 따라 전파할 때 광학 대역 통과 필터(50)에 의해 파장 l_A에서 필터링된다. ASE는 에르븀 도핑 섬유(130)로부터 여기된 에르븀 이온들의 자연 방출에 의해 생성된 증폭 광으로부터, EDFA(10)에 의해 생성된다. 상술한 바와 같이, 필터링된 ASE의 20%는 출력 광 결합기(70)를 통해 EDFA(10)의 출력단에서 피드백 루프(30)로 결합된다. 입력 광 결합기(80)는 피드백 신호로서 ASE의 50%를 EDFA(10)의 입력단에 재주입시킨다. 이 피드백 신호는 EDFA(10) 내에서 유도 방출을 일으켜서, 그 결과 광학 증폭기(150)에 의해 파장 l_A로 출력되는 자기 유지 레이저 출력(self-sustaining lasing output)을 일으키기에 충분하다. 피드백 경로(30) 내에서 전파하는 신호의 나머지 50%는 입력 광 결합기(80)에 의해출력 포트에 결합되고, 상기 나머지 신호는 광학 대역 통과 필터(45)에 의해 차단되는데, 그 이유는 광학 대역 필터(45)가 파장 l_B에서 통과되도록 동조되는 반면 상기 신호는 파장 1_A를 갖기 때문이다.

다음의 방정식은 당업자가 상술한 자기 유지 레이저 동작에 대한 상세한 사항을 이해하는데 유용할 것이다. 에르븀 도핑 섬유(130)에 대한 입력 및 출력 광속들(photon fluxes)은 다음의 방정식과 관련된다.

(1)과,

(2)

윗식에서, λ₁은 입력 신호의 파장이고, λ₂는 출력 신호의 파장, λ_p는 EDFA(10)내의 펌프광의 파장, q는 에르븀 도핑 섬유(130)에 들어가고 나가는 광속들이며, g^*는 각각 제어 및 펌프 파장들에서의 흡수 및 방출 계수들이고, z는 포화 파라미터, L은 에르븀 도핑 섬유(130)의 길이이다.

피드백 경로(30)는 파장 λ₂에서 EDFA(10)의 입력단과 출력단 사이의 관계를 결정한다.

윗식에서, T_in과 T_out은 EDFA(10)의 입력단 및 출력단에서 광학 구성 요소들의 투과율이고, T_f1은 피드백 경로(30)의 투과율이며, T₁= T_inT_outT_f이고, F_in과 F_out은 각각 입력 광 결합기(80)와 출력 광 결합기(70)의 결합 비율이다.

방정식 (1) 내지 (3)은 EDFA(10)의 출력에 대한 양함수의 방정식으로 정리되는데, 이 방정식은 레이저 동작 임계치 이상에서 유효하며, 펌프 및 입력 신호의 전력에 선형적으로 의존한다.

윗식에서 전달 함수 H_λi,는 다음과 같이 정의된다:

또한, Q_λi는 EDFA(10)에 들어가고 나가는 광속들이다. 방정식들 (4)와 (5)가 유효하기 위해서는, EDFA(10)는 순방향 경로(60)와 피드백 경로(30)의 조합을 통한 전체 이득이 1이상인 것을 요구하는 레이저로 동작될 것이다. 순방향 경로(60)와 피드백 경로(30)와의 조합을 통한 이득은 당업자라면 출력 광 결합기(70)와 입력 광 결합기(80)의 결합 비율들을 변경하여, 피드백 경로(30) 내에서 전파하는 광의 일부를 변경시킴으로써 쉽게 제어될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 대안적으로는, 순방향 경로(60)와 피드백 경로(30)의 조합을 통한 이득을 제어하도록 피드백 경로(30) 내에 제어가능한 감쇠 구성요소를 포함하는 것이 바람직할 것이다.

제 3 도는 방정식(4)의 그래프로서, 광학 증폭기(150) 내의 EDFA(10)의 계산된 출력 전력이 다음의 예시적인 조건들 아래 입력 신호 전력의 함수로서 도시된다.

전달 함수 H_λi의 기울기(즉, 이득)는 펌프 전력과 무관하며, 원칙적으로는 투과율에 대한 항들 T_in, T_out및 T_f와 결합 비율들 F_in및 F_out에 의해 결정된다. 실제로 λ₁λ₂, αλ₁= αλ₂, g^* _λ₁= g^* _λ2일 때, 이득 전달 함수는 다음과 같이 정리된다.

따라서, 높은 전달 함수 이득은 작은 T_fF_inF_out항으로 특정 지워지는 약한 피드백으로 얻어진다. 이는 EDFA(10)가 고이득으로 고정되어, 입력 신호가 EDFA(10)의 출력전력을 쉽게 포화시키는 높은 이득을 얻기 때문에 생긴다. T_fF_inF_out항은, 예를 들어 제어가능한 감쇠 구성요소를 피드백 경로(30) 내에 통합시켜 피드백 경로(30)의 투과율 T_f를 변경시킴으로써, 전-광학 플립플롭(15)의 이득 특성들을 변경시키도록 유리하게 조정될 수 있음을, 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 대안적으로, 가포화 또는 제어가능 흡수체들과 변조기들과 같은 다른 구성 요소들은 피드백 경로(30) 내에 통합시키는 것이 또한 바람직할 수 있다.

제 2 도로 돌아가서, 출력 광 결합기(70)는 광학 증폭기(150)의 레이저 출력 중 소정 부분을 결합 섬유(90)에 결합한다. 본 실시예를 위해 상술한 바와 같이, 출력 광 결합기(70)는 순방향 경로(60) 내에서 전파하는 신호의 80%를 결합 섬유(90)에 결합한다. 또한, 입력 광 결합기(180)는 결합 섬유(90) 내에서 전파하는 신호의 50%를 Q 출력 포트의 출력으로서 광학 대역 통과 필터(40)에 결합한다. 상기 신호의 나머지 50%는 광학 증폭기(160) 내의 EDFA(210)의 입력단에 결합된다. 광학 증폭기(150)로부터 출력된 이 결합된 레이저는 EDFA(210)를 포화시켜서, EDFA(210)를 통한 이득이 상술한 방법과 같이 EDFA가 자기 유지 레이저로 동작하는데 필요한 임계치 이하로 감소되게 한다.

EDFA(210)가 레이저 동작의 방지를 위해 광학 증폭기(150)의 출력에 의해 포화되더라도, EDFA(210)에서 생성된 ASE는 광학 대역 통과 필터(150)를 통해 전파되고, 이곳에서 l_B로 필터링된다. ASE는 그 다음에 출력 광 결합기(170)로 순방향 경로(160)를 따라 전파한다. 출력 광 결합기(170)는 이 필터링된 신호의 80%를 결합섬유(95)와 입력 광 결합기(80)를 통해 광학 대역 통과 필터(45)에 결합하고출력 포트에서 출력된다. 출력 광 결합기(170)로부터의 신호 중 나머지 20%는 피드백 경로(230)와 입력 광 결합기(180)에 결합된다. 입력 광 결합기(180)는 피드백 경로(230) 내에서 전파하는 신호의 50%를 Q 출력 포트에 결합하는데, 광학 대역 통과 필터(40)가 파장을 l_A에서 통과시키도록 동조되고, 피드백 경로(230) 내에서 전파하는 신호는 파장 l_B를 갖기 때문에, 상기 신호는 광학 대역 통과 필터(40)에 의해 차단된다. 피드백 경로(230) 내에서 전파하는 신호 중 나머지 50%는 광 결합기(180)에 의해 피드백 신호로서 EDFA(210)의 입력단에 결합된다. 상술한 바와 같이 EDFA(210)가 광학 증폭기(150)의 레이저 출력에 의해 이미 포화되었기 때문에 이 피드백 신호는 광학 증폭기(160) 내에서 EDFA(210)가 레이저 방출을 일으키지 못한다.

따라서, 광학 증폭기(150)가 레이저를 방출하고 광학 증폭기(160)는 포화되는 동작의 제 1 안정 상태에서, 전-광학 플립플롭(15)은 Q 출력 포트에서는 파장 l_A에서 강한 신호를 발생시키고,출력 포트에서는 파장 l_B에서 약한 신호를 발생시킨다. 제 4 도는, 전-광학 플립플롭(15)이 제 3 도에 대해 상술한 예시적 동작 조건들을 적용한 동작의 제 1 안정 상태에서 동작시, l_A= 1544nm 이고 l_B= 1566nm일 때, 전-광학 플립플롭(15)의 Q 출력 포트에서의 출력 전력에 대한 그래프를 나타낸다. 제 4 도는 레이저 출력의 특성인 강하고 좁은 피크를 도시하고 있다.

제 5 도는, 전-광학 플립플롭(15)이 동작의 제 1 안정 상태에서 동작할 때, 전-광학 플립플롭(15)의출력 포트에서의 출력 전력의 그래프이다. 여기에서, 전력의 출력은 Q 출력 포트와 비교시 급격히 감소되는데, 그 이유는 파장 l_B에서 EDFA(210)로부터의 ASE만이 광학 대역 통과 필터(150, 45)를 통과할 수 있기 때문이다. Q와출력 포트간의 소광비(extinction ratio)는 제 3 도에 대해서 상술한 예시적 동작 조건들 하에서 일반적으로 약 40dB를 나타내왔고, 여기에서 l_A= 1544nm이고 l_B= 1566nm이다. 전-광학 플립플롭(15)은 이 동작의 제 1 안정 상태를 계속 유지하거나, 이하 상술될 동작의 제 2 상태로 절환될 때까지 이 동작의 제 1 안정 상태를 유지한다.

전-광학 플립플롭(15)은 EDFA(10)의 이득 대역폭 내에서 파장을 갖는 광 펄스 신호가 RESET 포트에서 수신되면, 동작의 제 2 안정 상태로 절환된다. 출력 광 결합기(170)는 RESET 포트로부터의 광 펄스 신호의 80%를 결합 섬유(95)를 통해 입력 광 결합기(80)에 결합한다. 입력 광 결합기(80)는 결합 섬유(95)로부터의 펄스신호의 50%를 광학 증폭기(150) 내의 EDFA(10)의 입력단에 결합한다. 만일 EDFA(10)의 입력단에 결합된 이 펄스 신호가 충분한 전력과 지속 기간을 갖는다면, EDFA(10)는 포화되어 광학 증폭기(150)가 상술된 방법으로 자기 유지 레이저로 동작하는데 필요한 임계치 이하로 EDFA(10)를 통한 이득을 감소시킨다. 제 3 도에서 l_A= 1544nm이고 l_B= 1566nm일 때의 상술되었던 예시적 조건들 하에서, 최소 펄스 지속 기간이 100msec이고 -8dBm의 입력 전력을 갖는 광 펄스 신호는 EDFA(10)를 포화시키기에 충분하다는 것을 알 수 있다.

광학 증폭기(150) 내의 EDFA(10)가 포화되어 레이저 방출을 하지 않을 때, 그 다음에 광 결합기들(70, 180)과 결합 섬유(90)를 통한 EDFA(10)의 광학 증폭기(160)에 대한 출력은 광학 증폭기(160) 내의 EDFA(10)를 레이저 동작 임계치 이하로 포화시키기에는 더 이상 충분하지 않다. 광학 증폭기(160)는 따라서 상술한 ASE 피드백 방법으로 레이저를 방출하지 않아도 된다. 물론, 광학 증폭기(160)는 광학 대역 통과 필터(150)가 l_B로 동조되므로, 파장 l_B에서 레이저를 방출할 것이다.

파장 l_B에서 광학 증폭기(160)의 레이저 출력은 광 결합기들(170, 80)과 결합 섬유(95)를 통해 광학 증폭기(150)에 결합된다. 결합된 레이저 출력에 의해, 광 펄스 신호가 RESET 포트에서 지나간 후에 광학 증폭기(150)는 레이저 동작 임계치 이하에서 포화된 상태로 있게 된다.

따라서 광학 증폭기(160)가 레이저를 방출하고 있고 광학 증폭기(150)가 포화 상태인 동작의 제 2 안정 상태에서, 전-광학 플립플롭(15)은 출력 포트에서는 파장 l_B에서 강한 신호를 발생시키고, Q 출력 포트에서는 파장 l_A에서 약한 신호를 발생시킨다.

제 6 도는, 전-광학 플립플롭(15)이 제 3 도에서 상술한 예시적 동작 조건들을 적용한 동작의 제 2 안정 상태에서 동작하고 l_A= 1544nm, l_B= 1566nm일 때의 상기 전-광학 플립플롭(15)의 Q 출력 포트에서의 출력 전력의 그래프이다. 여기에서 전력 출력은출력 포트에 비해 급격히 감소되는데, 그 이유는 파장 l_A에서 EDFA(10)로부터의 ASE만이 광학 대역 통과 필터들(50, 40)을 통과할 수 있기 때문이다.

제 7 도는, 전-광학 플립플롭(15)이 동작의 제 2 안정 상태에서 동작할 때,출력 포트에서의 출력 전력의 그래프이다. 제 6 도는 레이저 출력의 특징인 강하고 좁은 피크를 나타내고 있다.와 Q 출력 포트들간의 소광비는 제 3 도에서 설명된 예시적 동작 조건하에서 일반적으로 약 40dB를 보인다. 전-광학 플립플롭(15)은 이 동작의 제 2 안정 상태를 계속 유지하거나, 이하 설명되는 동작의 제 1 안정 상태로 절환될 때까지 유지한다.

전-광학 플립플롭(15)은 EDFA(210)의 이득 대역폭 내에서 파장을 갖는 광 펄스 신호가 SET 포트에서 수신될 때 동작의 제 1 안정 상태로 절환된다. 출력 광 결합기(70)는 SET 포트로부터의 광 펄스 신호 중 80%를 결합 섬유(90)를 통해 입력 광 결합기(180)에 결합한다. 입력 광 결합기(180)는 결합 섬유(90)로부터의 펄스 신호 중 50%를 광학 증폭기(160) 내의 EDFA(210)의 입력단에 결합한다. 제 1 안정상태에서 제 2 안정 상태로의 절환 이전에, 만일 EDFA(10)의 입력단에 결합된 이펄스 신호가 충분한 전력과 지속 기간을 갖는다면, 그 다음에 EDFA(210)는 포화되고, 이에 따라 광학 증폭기(160)를 자기 유지 레이저로 동작시키는데 필요한 임계치 이하로 EDFA(210)를 통한 이득을 감소시킨다. 광학 증폭기(160)가 레이저 방출을 중단하면, 그 다음에 광학 증폭기(150)는 레이저 출력에 의해 더 이상 포화되지않으며, 상술한 ASE 피드백 방식으로 레이저를 방출하게 된다. 파장 l_A에서 광학 증폭기(150)의 레이저 출력은 광 결합기들(70, 180)과 결합 섬유(90)를 통해 광학 증폭기(160)에 결합된다. 이 결합된 레이저 출력에 의해, 광학 증폭기(150)는 광 펄스 신호가 SET 포트에서 지나간 후 레이저 동작 임계치 이하에서 포화된 상태로 있게 된다.

제 8 도는 전-광학 플립플롭(15)에 대한 제 1 및 제 2 동작 상태들을 점 A와 B로 나타내는, 광학 증폭기들(150, 160)에 대한 방정식(5)으로 표현되는 전달 함수들의 그래프이다. 점 C에서 전달 함수들의 교차점은 전-광학 플립플롭(15) 동작의 불안정 상태를 나타낸다.

전-광학 플립플롭(15)은 전-광학 방식으로, 전기 플립플롭을 사용하여 현재 구현되는 모든 회로를 구현하는데 사용될 수 있음을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 또한, 미국 특허출원 제 168,291 호에서 설명한 바와 같이, 전-광학 인버터들을 사용하여 구현된 적절한 전-광학 논리 게이트들과 함께 결합시에, 전-광학 플립플롭(15)은 전-광학 시프트 레지스터들과 비트 기억 장치들을 구현하는데 이용될 수 있다.

또한, 전-광학 플립플롭(15)은 다중 파장 동작 특성들을 사용하여 모듈로-n(즉, n진) 광학 논리 회로를 구현하는데에도 또한 이용될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 이 특성은 모듈로-n 논리 장치들을 실현가능하게 하는데, 그 이유는 전-광학 플립플롭(15)이 그 출력들에서 전력을 절환시킬뿐 아니라 파장도 절환시키기 때문이다.

물론, 상기 구성들은 본 발명의 원리들에 따른 응용예를 단지 도식적으로 나타내고 있다. 다른 구성들이 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 당업자들에 의해 고안될 수 있다. 예를 들어, 반도체 광학 증폭기가 전-광학 플립플롭(15)의 보다 실질적으로 빠른 스위칭을 위해 제 2 도의 EDFA(10)와 EDFA(210)를 대체하여 유리하게 사용될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 이러한 전-광학 플립플롭은 따라서 광자 집적 회로 칩에서 사용될 수 있다.

제 1 도는 종래 기술에 의한 전기 플립플롭 장치의 개략도.

제 2 도는 본 발명의 원리에 따른 2개의 광학 증폭기를 포함하고, 전-광학(all-optical) 플립플롭 장치를 형성하는 구성요소들의 예시적 구성의 개략도.

제 3 도는 다양한 펌프 전력 레벨에 대한 입력 신호 전력의 함수로서의, 제2 도에 도시된 실시예에서 사용되는 광학 증폭기의 계산된 출력 전력의 그래프.

제 4 도는 전-광학 플립플롭 장치가 제 1 동작 안정 상태에서 동작할 때의 Q 출력 포트에서의 출력 전력의 그래프.

제 5 도는 전-광학 플립플롭 장치가 제 1 동작 안정 상태에서 동작할 때의출력 포트에서의 출력 전력의 그래프.

제 6 도는 전-광학 플립플롭 장치가 제 2 동작 안정 상태에서 동작할 때의 Q 출력 포트에서의 출력 전력의 그래프.

제 7 도는 전-광학 플립플롭 장치가 제 2 동작 안정 상태에서 동작할 때의출력 포트에서의 출력 전력의 그래프.

제 8 도는 2개의 동작 안정 상태 A 및 B 와, 하나의 불안정 상태 C를 나타내는 전-광학 플립플롭 장치에 사용되는 2개의 광학 증폭기에 대한 전달 함수의 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : EDFA 15 : 전-광학 플립플롭

50 : 광학 대역 통과 필터 70 : 출력 광 결합기

80 : 입력 광 결합기 110, 410 : 펌프

120, 420 : 멀티플렉서 130, 430 : 에르븀 도핑 섬유

140, 440 : 광 분리기

Claims

전-광학 플립플롭용 장치에 있어서,

입력단과 출력단을 각각 구비하는 제 1 및 제 2 광학 증폭기들과;

상기 제 1 광학 증폭기가 제 1 특성 파장에서 레이저를 방출함으로써 제 1 안정 상태에서 동작하도록, 상기 출력단을 상기 제 1 광학 증폭기의 입력단에 결합시키기 위한 신호 경로를 가지는 제 1 피드백 수단과;

상기 제 2 광학 증폭기가 제 2 특성 파장에서 레이저를 방출함으로써 제 2 안정 상태에서 동작하도록, 상기 출력단을 상기 제 2 광학 증폭기의 입력단에 결합시키기 위한 신호 경로를 가지는 제 2 피드백 수단으로서, 상기 제 1 및 제 2 특성 파장들은 적어도 미세하게라도 상이한 제 2 피드백 수단과;

상기 제 1 및 제 2 광학 증폭기들이 주어진 시간에 상기 제 1 및 제 2 안정 상태들 중 하나의 안정 상태에서만 동작하도록, 상기 제 1 및 제 2 광학 증폭기들을 결합된 배치형태로 결합시키기 위한 결합 수단과;

상기 제 2 광학 증폭기의 입력단에서 수신되는 광 펄스 신호에 응답하여, 동작의 상기 제 1 및 제 2 안정 상태들 사이를 절환시키기 위한 수단과;

상기 제 1 광학 증폭기의 입력단에서 수신되는 광 펄스 신호에 응답하여, 동작의 상기 제 2 및 제 1 안정 상태들 사이를 절환시키기 위한 수단을 포함하는, 전-광학 플립플롭용 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 광학 증폭기들은 에르븀 도핑 섬유 증폭기들인, 전-광학 플립플롭용 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 광학 증폭기들은 반도체 레이저들인, 전-광학 플립플롭용 장치.