RU2111520C1 - Оптический процессор с бустерным выходом - Google Patents
Оптический процессор с бустерным выходом Download PDFInfo
- Publication number
- RU2111520C1 RU2111520C1 RU93037055A RU93037055A RU2111520C1 RU 2111520 C1 RU2111520 C1 RU 2111520C1 RU 93037055 A RU93037055 A RU 93037055A RU 93037055 A RU93037055 A RU 93037055A RU 2111520 C1 RU2111520 C1 RU 2111520C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- resonator
- mixer
- waveguide
- communication
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 122
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 12
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 abstract description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 3
- 230000010365 information processing Effects 0.000 abstract description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 15
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 12
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- PCTMTFRHKVHKIS-BMFZQQSSSA-N (1s,3r,4e,6e,8e,10e,12e,14e,16e,18s,19r,20r,21s,25r,27r,30r,31r,33s,35r,37s,38r)-3-[(2r,3s,4s,5s,6r)-4-amino-3,5-dihydroxy-6-methyloxan-2-yl]oxy-19,25,27,30,31,33,35,37-octahydroxy-18,20,21-trimethyl-23-oxo-22,39-dioxabicyclo[33.3.1]nonatriaconta-4,6,8,10 Chemical compound C1C=C2C[C@@H](OS(O)(=O)=O)CC[C@]2(C)[C@@H]2[C@@H]1[C@@H]1CC[C@H]([C@H](C)CCCC(C)C)[C@@]1(C)CC2.O[C@H]1[C@@H](N)[C@H](O)[C@@H](C)O[C@H]1O[C@H]1/C=C/C=C/C=C/C=C/C=C/C=C/C=C/[C@H](C)[C@@H](O)[C@@H](C)[C@H](C)OC(=O)C[C@H](O)C[C@H](O)CC[C@@H](O)[C@H](O)C[C@H](O)C[C@](O)(C[C@H](O)[C@H]2C(O)=O)O[C@H]2C1 PCTMTFRHKVHKIS-BMFZQQSSSA-N 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- GFRROZIJVHUSKZ-FXGMSQOLSA-N OS I Natural products C[C@@H]1O[C@@H](O[C@H]2[C@@H](O)[C@@H](CO)O[C@@H](OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)CO)[C@@H]2NC(=O)C)[C@H](O)[C@H](O)[C@H]1O GFRROZIJVHUSKZ-FXGMSQOLSA-N 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004061 bleaching Methods 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000000025 interference lithography Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
- H01S5/1032—Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
- H01S5/0265—Intensity modulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/1071—Ring-lasers
Abstract
Использование: область обработки информации. Сущность: нелинейный оптический прибор, работающий в режиме оптической бистабильности, позволяет реализовать функции коммутатора: оптической памяти, дифференциального усилителя, логического и вычислительного устройства, в зависимости от значений параметров, определяющих вид выходной характеристики. У прибора шесть оптических контактов, два из них обладают повышенным уровнем выходной мощности. Прибор полнодоступен с высоким уровнем развязки между каналами. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.
Description
Изобретение относится к области обработки информации, представленной оптическими сигналами, в частности к устройствам оптической логики, усиления, коммутации, обработки оптических сигналов.
Преимущественной областью применения является волоконно-оптические системы связи и передачи информации (ВОССПИ), схемы вычислительной техники.
Известно устройство - нелинейный интерферометр Фабри-Перо (ИФП) (Tooley F. , Smith S., Seaton C., High Gain Signal Amplification in InSb Transfazor at 77K// Appl. Phys. Lett., Vol 43, N.9.-P 807-809.), представляющее собой оптический нелинейный фазовый модулятор с зеркалами, выполненный на полупроводниковом материале InSb. Используя оптическую нелинейность InSb, удалось получить эффект усиления "света светом" при введении двух лучей в объем кристалла: мощного луча накачки и слабого, несущего информацию. В результате получена модуляция одного луча другим и усилением информационных оптических сигналов в 40 дБ. Этот прибор получил название трансфазор. Его достоинствами являются: малогабаритность (диаметр 200 мкм, длина 600 мкм), высокий коэффициент нелинейности, высокий коэффициент усиления.
К недостаткам относятся:
- необходимость применения внешнего источника накачки;
- один выходной и один входной каналы;
- затруднен ввод - вывод излучения из-за конструктивных особенностей прибора;
- необходимость точного совпадения настройки ИФП на частоту входного ОС.
- необходимость применения внешнего источника накачки;
- один выходной и один входной каналы;
- затруднен ввод - вывод излучения из-за конструктивных особенностей прибора;
- необходимость точного совпадения настройки ИФП на частоту входного ОС.
Применение трансфазора ограничено лабораторными условиями.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство оптический транзистор (Patent N 5001523, US, Mar. 1991), позволяющий коммутировать, усиливать оптический сигнал, а также селектировать излучения различных частот по каналам. Достоинствами этого прибора являются высокий коэффициент усиления, возможность коммутации оптического сигнала, малогабаритность, высокий уровень добротности кольцевого резонатора (Marcatili E. , Bends in Optikal dielectric quides. //The Bell System Tehnical. - 1969. - Vol. 48 N 7. -P. 2103-2132; Уоллер Л. Важные компоненты оптических логических схем. //Электроника. - 1982.- N 26. - С. 3-4).
Недостатками этого прибора являются:
- отсутствие полной доступности по каналам;
- низкий уровень чувствительности по входным каналам;
- отсутствие многоуровневой системы обработки ОС: запоминания, логики проведения операций математических вычислений.
- отсутствие полной доступности по каналам;
- низкий уровень чувствительности по входным каналам;
- отсутствие многоуровневой системы обработки ОС: запоминания, логики проведения операций математических вычислений.
В основу настоящего изобретения положена задача создания активного, управляемого входными оптическими сигналами полнодоступного с увеличенным числом оптических контактов устройства с двумя выходными каналами повышенной мощности, обладающего высоким уровнем чувствительности к входному сигналу, высоким значением мощности выходных сигналов, способностью проводить многоуровневую обработку оптического сигнала, вычислительные операции, запоминание, т.е. создание оптического процессора. Поставленная задача решается тем, что на горизонтальной оси резонатора диаметрально противоположно от направленного ответвителя расположен второй нелинейный кольцевой резонатор с управляющими электродами и двумя полупроводниковыми лазерами, образующий в области связи с первым резонатором оптический смеситель с активной оптической бифуркацией с управляющими электродами, переходящий в направлении вертикальной оси смесителя в волновод с двумя полупроводниковыми лазерами, расположенными на концах этого волновода, диаметрально противоположно по отношению к смесителю с активной оптической бифуркацией на горизонтальной оси резонатора расположен второй волновод связи, образующий со вторым резонатором направленный ответвитель, над областью связи расположен электрод, на основании - общий электрод (не показан).
Желательно, чтобы волноводы связи образовывали с нелинейными кольцевыми резонаторами смесители с активной оптической бифуркацией с электродами управления, расположенными над смесителями.
Таким образом, образование оптического смесителя типа "BOA - Bifurcation optiсal activ (Papuchon M., Roy Ann Ostrowski D. Electrically active optical bifurcation. //Appl. Phys. Lett. - 1977. -Vol.31, N 4. -P. 266-267) двумя соприкасающимися нелинейными кольцевыми резонаторами, являющегося одновременно фазовым модулятором оптического транзистора, образованного на базе волновода, являющегося продолжением ВОА-смесителя в продольном направлении, при введении в этот волновод двух полупроводниковых лазеров, управление всей оптической системой с помощью (центрального в конструкции и главного в функциональном смысле) оптического транзистора, захватывающего и перераспределяющего оптические сигналы, объединение оптического транзистора, ВОА-конфигурации и нелинейного кольцевого резонатора в единую оптическую систему позволяют устройству приобрести новые свойства, отличные от свойств прототипа, а именно:
1. Проводить многоуровневую обработку оптического сигнала, что определяется новым эффектом - мультистабильностью, свойственной конструкции ВОА - нелинейный кольцевой резонатор.
1. Проводить многоуровневую обработку оптического сигнала, что определяется новым эффектом - мультистабильностью, свойственной конструкции ВОА - нелинейный кольцевой резонатор.
2. Вводить оптические сигналы по любому из оптических контактов, со снятием выходного излучения с любого из выходных каналов. Это определяется характером распространения излучения в оптическом транзисторе и элементе связи ВОА.
3. Излучать обработанный оптическим процессором сигнал по двум (из шести) каналам повышенной мощности, что обусловлено конструктивными особенностями устройства.
4. На едином устройстве проводить последовательно обработку оптического сигнала: усиление, запоминание, переизлучение усиленного сигнала на любой из частот, определяемых оптическим транзистором. Это обусловлено тем, что в устройстве образовалось несколько каскадов обработки оптического сигнала. Многоуровневая память образована объединением ВОА - нелинейный кольцевой резонатор. Излучение оптического сигнала определяется оптическим транзистором (выходным) с частотой настройки C - лазера, образованного парой лазеров, введенных в волновод.
5. Обрабатывать оптический сигнал низкой, порядка уровня шумов, мощности, что допустимо в устройстве благодаря "каскаду предусиления" - входному оптически бистабильному каскаду.
6. Проводить управление устройством, функциональную перестройку оптического сигнала, селектирование с помощью оптического сигнала. Это оказалось возможным из-за наличия многих независимых входных каналов и нелинейных свойств фазового модулятора, оптического транзистора, резонатора, связанных с внутренними параметрами этих ячеек.
Указанные преимущества реализуются в результате использования элементов в совокупности:
1. Оптический транзистор в принципе позволяет коммутировать оптический сигнал с усилением или запоминать оптический сигнал при соответствующем выборе характеристики и управляющих сигналов на электродах. (Ломашевич С.А., Быстров Ю. Л. Концепция оптического транзистора. //Журнал Прикл. спектроскопии. - 1991. - Т.55, N 3. С 485-490).
1. Оптический транзистор в принципе позволяет коммутировать оптический сигнал с усилением или запоминать оптический сигнал при соответствующем выборе характеристики и управляющих сигналов на электродах. (Ломашевич С.А., Быстров Ю. Л. Концепция оптического транзистора. //Журнал Прикл. спектроскопии. - 1991. - Т.55, N 3. С 485-490).
В заявляемом устройстве оптический транзистор, образованный двумя лазерами и волноводом, являющимся ФМ, заключенным между лазерами, составляет нелинейный каскад усиления, работающий в режиме оптической бистабильности. При поступлении оптического сигнала в фазовый модулятор оптического транзистора и превышении некоторой пороговой величины интенсивности света (по любой причине: увеличение излучения лазеров, подстройка к резонансу ФМ, изменение показателя преломления из-за изменения напряженности электрического поля в области фазового модулятора) происходит просветление оптического транзистора за счет нелинейных свойств материала - настройка в резонанс. Если выполняется зависимость п= п0 + п2Iр (п0 - "темновой" показатель преломления; п2 - нелинейный коэффициент; Iр - интенсивность в резонаторе), то при достижении пороговой величины Iр влияние второго слагаемого оказывается значительным и система начинает автоматически подстраиваться к резонансу, причем процесс развивается лавинообразно, при этом реализуется характеристика с большой крутизной, обеспечивающая в самом начале обработки оптического сигнала желаемый коэффициент усиления.
В заявляемом устройстве оптический транзистор применяется также в качестве элемента связи с кольцевыми резонаторами через посредство фазового модулятора, причем с помощью электрической настройки или с помощью управляющих оптических сигналов возможно ответвление любой части оптического излучения из фазового модулятора в нелинейный кольцевой резонатор, в т.ч. с выходных зеркал оптического транзистора можно снимать усиленный оптический сигнал повышенной мощности для параллельной обработки в оптических цепях.
Фазовый модулятор играет роль внутрирезонаторного нелинейного интерферометра Фабри-Пера, оптическая длина которого зависит от интенсивности суммарного излучения. Фазовый модулятор изменяет оптическую длину большого резонатора и изменяет его добротность, что приводит к изменению величины порогового тока. Такая перестройка позволяет пройти порог генерации, т.е. получить лазерный режим.
В концепции оптического транзистора (Ломашевич С.А., Быстров Ю.Л. Концепция оптического транзистора. //Журнал Прикл. спектроскопии.- 1991. -Т. 55, N. 3. с. 485-490) фазовый модулятор в основном выполняет функцию согласования.
2. Кольцевой резонатор с элементами согласования - направленными ответвителями и активными элементами лазерами, одновременно являющимися полупроводниковыми лазерными усилителями, представляет также оптический транзистор (Patent 5001523 US, Mar. 19, 1991, HolL 31/12, Lomashevich S., Bistrov J., Semenova Optical Transistor), в котором связь между входным сигналом и выходным I в обобщенных координатах описывается формулой оптического транзистора.
3. Конфигурация нелинейный резонатор с ВОА переключателем позволяет придать устройству новые свойства, которых не обнаруживается у этих элементов порознь. В заявляемом устройстве ВОА объединен с нелинейным оптическим транзистором и резонатором. Объединение рассмотренных элементов в единую оптическую систему обеспечивает реализацию характеристик и свойств, которыми не обладает ни один из рассмотренных элементов.
На фиг.1 представлен заявляемый оптический процессор по п.1., состоящий из волноводов 1 и 2, нелинейных кольцевых резонаторов 3 и 4, образующих две пары направленных ответвителей (НО), управляемых электродами 6 и 7. Лазеры 5 обеспечивают оптическую накачку и усиление ОС. Оптический смеситель ВОА 8 одновременно является фазовым модулятором (ФМ) оптического транзистора, ограниченного зеркалами 12 лазеров 5. Электроды 9 осуществляют регулировку и контроль параметров оптического транзистора (ОТ) Е через посредство электродов 10 производится изменение состояния нелинейного кольцевого резонатора (НКР). Позиция 11 обозначает зеркала лазеров 5 в НКР-I и НКР-II. На фиг.1 указаны напряжения регулирования: U6, U7 - на областях связи НКР, U9 - на ФМ, U10 - на НКР, а также токи накачки JI - в лазерах (5) НКР-I, J11 - в лазерах (5) НКР-II, JE и JF - в лазерах 5 ОТ.
На фиг.2 представлен заявляемый оптический процессор (ОП) по п.2. Обозначения позиций соответствуют обозначениям позиций фиг.1. В области связи 6 и 7 образованы оптические смесители ВОА.
Фиг.3 показывает возможность перестройки устройства при изменении начальной расстройки ОТ θ0 . Значение параметра θ0 : кривая 1 - 1,73; 2 - 0,13.
На фиг. 4 представлены характеристики ОП с НО: 1 - бистабильная при значении параметра Δβ0 = 0,3; 2 - дифференциальное усиление при Δβ0 = 0,6.
Фиг.5 поясняет процесс запоминания числа, равного трем единицам, и далее последовательное прибавление к этому числу по единице, поступающей на любой вход ОП-НО, 1 - величина интенсивности, соответствующая выбору рабочей точки.
На фиг. 6 изображены два графика начального участка характеристики ОП с ВОА. При значении параметра d = 2,5 реализуется гистерезис (I порядок) и усиление (II порядок). При d = 1,5 - мультистабильность.
Фиг.7 поясняет процесс сложения на характеристике ОП-ВОА. I0 - начальная накачка.
Фиг. 8 поясняет процесс сложения, запоминания и переход в вычислениях к следующему порядку. Число единиц в порядке определяется параметрами G0 и G01•I0 - уровень начальной оптической накачки.
На фиг. 9 представлена бифуркационная поверхность ОП-ВОА, зависимость вида характеристик от параметра О0. Обозначения: кривая 1 - усиление-мультистабильность, 2 и 3 - мультистабильность с различной площадью гистерезиса.
Поясним сущность рассматриваемых далее явлений. Эффект оптической бистабильности (ОБ) проявляется в нелинейных средах с показателем преломления, зависящим от интенсивности: п = п0 + п2Ip и при наличии в системе обратной связи. В заявляемом устройстве этим требованиям удовлетворяет вся оптическая система в целом (изготовленная из единого материала с дисперсионной (или абсорбционной) нелинейностью и обратной связью, осуществляемой НКР, так и отдельные элементы: НКР, в котором обратная связь обеспечена внешними зеркалами. (см. Быстров Ю.Л., Ломашевич С.А., Светиков Ю.В. Оптический транзистор - новый функциональный элемент техники ВОСП. //Электросвязь.- 1992. - N 1. - С. 22-25.). Существенным для работы прибора является то, что первоначальный отклик системы на входное излучение совершается в соответствии со срывными, а следовательно, быстрыми во времени (порядка пикосекунд) и с высокой крутизной характеристикам. Дальнейшее формирование выходного сигнала осуществляется также системой, находящейся в режиме ОБ. Предусиление - усиление - усиление по мощности, так упрощено можно охарактеризовать последовательное формирование выходного сигнала в системе. Однако следует помнить: НКР, находящиеся в контакте с ОТ по уровню сильной связи, перекачивают оптическую энергию в ОТ, усредняя нерегулярные флуктуации, связанные с отдельными волноводами, и, наоборот, усиливая эффекты, свойственные системе и определяемые параметрами, позволяющими изменять вид характеристик и выходные данные оптического процессора.
Устройство по п. 1 и п.2 работает следующим образом.
Не уменьшая общности, в силу равноправности входов-выходов A B C D, предположим, что входной сигнал поступает на оптический контакт A в волновод 1 (фиг.1, 2). Напряжение U6, подаваемое на электрод 6, управляет переключением оптического сигнала в НКР-I. При соответствующей регулировке в ОБ ячейке волновод 1 - НКР-I реализуется характеристика дифференциального усиления, это первый каскад усиления ОС, который и осуществляет просветление ФМ (MNL), переводит лазеры 5 в режим лазерной генерации, что проявляется в резком возрастании интенсивности в НКР-I, проявлению нелинейных свойств среды НКР-I и в силу последнего - настройку НКР-I в резонанс с частотой ОС, Т0. , в ФМ 8 ОТ поступает излучение достаточной мощности для просветления ФМ 8. Включается в лазерный режим лазеры 5 (E и F), излучение захватывается зеркалами 12, происходит перестройка к резонансу ОТ EF, ограниченного зеркалами 12. С этого момента всей оптической системой управляет ОТ EF, т.к. ФМ ОТ одновременно является смесителем двух НКР, этот смеситель работает по уровню сильной связи и при каждом проходе световой волны между зеркалами 12 происходит ответвление части мощности в НКР-I и НКР-II и далее через посредство НО 6 и 7 - вывод усиленных ОС через выходы A B C D. Наибольшая часть оптической мощности снимается с зеркал 12 ОТ.
Следует подчеркнуть, что в целом оптическая система находится в ждущем режиме, так что поступление входного сигнала перестраивает систему в резонансное состояние через посредство нелинейных свойств материала, зависимости показателя преломления от интенсивности (п = п0 + п2 I) и проявлению эффекта оптической бистабильности на всех этапах прохождения ОС: в направленных ответвителях (AB - НКР-I, CD - НКР-II); НКР-I, НКР-II; в оптическом смесителе ОТ 8; оптическом транзисторе EF.
Рассмотрим характеристики заявляемого оптического процессора. Устройство обладает осевой симметрией относительно среднего элемента ВОА-смесителя 8 (фиг. 1, 2). Поэтому достаточно рассмотреть процесс формирования в соответствии с алгоритмом:
чтобы получить характеристики выходного ОС I в зависимости от входного i и параметров, входящих в передаточные функции.
чтобы получить характеристики выходного ОС I в зависимости от входного i и параметров, входящих в передаточные функции.
Базовым элементом рассматриваемой оптической системы является оптический транзистор с кольцевым резонатором (ОТ-КР), характеристики которого описываются функцией:
где
G0 - внутренний коэффициент усиления ОТ-КР;
θ0 - фазовый угол начальной расстройки ОТ-КР;
T - функция пропускания входных-выходных цепей.
где
G0 - внутренний коэффициент усиления ОТ-КР;
θ0 - фазовый угол начальной расстройки ОТ-КР;
T - функция пропускания входных-выходных цепей.
1. ОП с направленными ответвителями по п.1 (фиг.1)
Характеристики НО в режиме ОБ могут быть получены из уравнения связанных мод. Отклик системы на положительную обратную связь учитывается введением зависимости разности констант распространения мод оптических колебаний от величины коэффициента в оптическом тракте второго канала (в нашем случае КР) (Schapper A. et al. Remotely controlled Integrated Directional Coupler. Switch. //IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1981. - QE. - 17, N.3. - Pp. 332-335).
Характеристики НО в режиме ОБ могут быть получены из уравнения связанных мод. Отклик системы на положительную обратную связь учитывается введением зависимости разности констант распространения мод оптических колебаний от величины коэффициента в оптическом тракте второго канала (в нашем случае КР) (Schapper A. et al. Remotely controlled Integrated Directional Coupler. Switch. //IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1981. - QE. - 17, N.3. - Pp. 332-335).
Функция передачи G1 мощности в режиме оптической бистабильности из полоскового волновода в НКР может быть представлена так:
где
i - интенсивность ОС входного излучения;
IRR - интенсивность в резонаторе;
Δβ0 - начальная разность констант распространения мод.
где
i - интенсивность ОС входного излучения;
IRR - интенсивность в резонаторе;
Δβ0 - начальная разность констант распространения мод.
Функция передачи ВОА-смесителя в ОБ режиме в безразмерных переменных (Андреев В. , Вербицкий В. , Ломашевич С. Оптическое коммутационное устройство. //Техн. ср. связи, сер. : Техн. пров. св. - 1984. - Вып.6. - С. 115-121)
где
d2 - параметр, характеризующей максимально допустимый уровень развязки и определяемый коэффициентами в разложении входного сигнала по собственным модам смесителя
Δβ2= Δβ02+G0I,
где
Δβ0 - начальная разность констант распространения.
где
d2 - параметр, характеризующей максимально допустимый уровень развязки и определяемый коэффициентами в разложении входного сигнала по собственным модам смесителя
Δβ2= Δβ02+G0I,
где
Δβ0 - начальная разность констант распространения.
Учитывая пропускание линейного ОТ, может быть определена функция пропускания входных-выходных цепей оптической системы. Окончательно характеристики ОП с НО описываются зависимостью:
где
индексы 0, 1, 2, 3 относятся соответственно к ОТ-КР, НО, ВОА, линейному ОТ.
где
индексы 0, 1, 2, 3 относятся соответственно к ОТ-КР, НО, ВОА, линейному ОТ.
Графики (фиг. 3, 4, 5) позволяют утверждать, что в подобном техническом решении могут быть реализованы режимы:
- оптической памяти (с различной площадью гистерезиса) (фиг. 3, 4);
- дифференциального усиления (фиг. 4, кривая 2);
- оптического процессора, позволяющего: последовательное сложение ОС и их запоминание; запоминание определенной величины и дальнейшее сложение поступающих ОС и их запоминание (точки 3, 4, 5 и т.д. на рис.5); сложение ОС, поступающих на различные оптические контакты и их запоминание.
- оптической памяти (с различной площадью гистерезиса) (фиг. 3, 4);
- дифференциального усиления (фиг. 4, кривая 2);
- оптического процессора, позволяющего: последовательное сложение ОС и их запоминание; запоминание определенной величины и дальнейшее сложение поступающих ОС и их запоминание (точки 3, 4, 5 и т.д. на рис.5); сложение ОС, поступающих на различные оптические контакты и их запоминание.
Изменение функциональных свойств и характеристик устройства достигается с помощью регулирования параметров.
2. ОП с ВОА-смесителем на входе по п.2 (фиг.2)
Ранее определенные функции пропускания отдельных элементов ОП позволяют получить зависимость между входным i и выходным I оптическими сигналами:
где индексы распределены следующим образом:
0 - относится к ОТ-КР, I - входному ВОА-смесителю;
2 - оптическому смесителю (8) (фиг.2);
3 - линейному ОТ.
Ранее определенные функции пропускания отдельных элементов ОП позволяют получить зависимость между входным i и выходным I оптическими сигналами:
где индексы распределены следующим образом:
0 - относится к ОТ-КР, I - входному ВОА-смесителю;
2 - оптическому смесителю (8) (фиг.2);
3 - линейному ОТ.
Из результатов анализа графиков следует утверждать, что следующие режимы работы возможны в ОП с ВОА входным смесителем:
- оптическая память в I порядке и дифференциальное усиление во II порядке при d=2,5 (кривая 2, фиг.6); мультистабильная п памяти d=1,5 (кривая 1, фиг.6);
- сложение ОС на мультистабильной характеристике (фиг.7);
- сложение ОС, формирование порядков величин и запоминание этих величин (фиг.8).
- оптическая память в I порядке и дифференциальное усиление во II порядке при d=2,5 (кривая 2, фиг.6); мультистабильная п памяти d=1,5 (кривая 1, фиг.6);
- сложение ОС на мультистабильной характеристике (фиг.7);
- сложение ОС, формирование порядков величин и запоминание этих величин (фиг.8).
Многообразие характеристик и режимов иллюстрирует бифуркационная поверхность I = f(i,θ0) , на которой обозначены характеристики: усиление-мультистабильность (кривая 1), мультистабильность с изменяющейся площадью гистерезиса (кривая 2 и 3, фиг.9). Из этого рисунка очевидно влияние параметра θ0 .
Другими параметрами, позволяющими перестраивать устройство в различные режимы и реализовать тот или иной вид характеристик, являются: d1, d2, Δβ01 , Δβ02 , G0, G03, θ0 , θ03 .
Итак, входной ОС i, поступающий на любой из оптических контактов, вызывает перестройку всей оптической системы в направлении к резонансу и инициированию эффекта оптической бистабильности, как в отдельных ячейках оптического процессора, так и во всей системе. Это приводит к включению лазеров в лазерный режим, резкому увеличению интенсивности излучения в системе, захвату этого излучения зеркалами ОТ, усилению и распределению мощности по выходным каналам. При этом соответствующим выбором значений параметров реализуется мультистабильная характеристика, позволяющая проводить процесс сложения величин, заданных оптическими сигналами, поступающими на любой или различные входы ОП. В режиме вычислений происходит запоминание входных импульсов, предварительно усиленных, сложение, запоминание этого результата и переход в следующий разряд (по интенсивности света).
Пример конкретного выполнения.
Материалы, используемые для изготовления устройства: трехкомпонентные (например, GaAlAs) и четырехкомпонентные (например, InGaAsP) твердые растворы, композиционный состав которых зависит от диапазона перекрываемых длин волн оптического излучения. Технологические процессы: жидкостная, газофазная, мосгидридная и молекулярно-лучевая эпитаксии. Конструкция и структура активных ячеек оптического процессора в составном (гибридном) варианте изготавливаются по вышеуказанной технологии и устанавливаются в протравленные окна в кольцевой резонатор и волновод. Крепление производится с помощью припоя на основе индия. В интегрально-оптическом варианте предлагаются следующие структуры:
1. В основе лазеров применяется двойная гетероструктура. Наиболее простой случай реализуется при создании распределенного активного слоя по всему НКР и волноводам. Формирование такого активного слоя по вертикали происходит при росте гетероструктуры, в планарном плане ограничение активного слоя производится за счет размеров контактных площадок, повторяющих вид элементов ОП. Другим вариантом ограничения является изготовление узкого активного слоя в погруженной зарощенной гетероструктуре.
1. В основе лазеров применяется двойная гетероструктура. Наиболее простой случай реализуется при создании распределенного активного слоя по всему НКР и волноводам. Формирование такого активного слоя по вертикали происходит при росте гетероструктуры, в планарном плане ограничение активного слоя производится за счет размеров контактных площадок, повторяющих вид элементов ОП. Другим вариантом ограничения является изготовление узкого активного слоя в погруженной зарощенной гетероструктуре.
2. В интегрально-оптическом варианте зеркала изготавливаются в виде распределенной обратной связи (РОС) или как распределенные брэгговские зеркала (РБЗ) методом голографической литографии с химическим травлением.
Рассмотренные выше конструкции могут быть реализованы на квантово-размерных структурах.
В заключении отметим основные особенности заявляемого устройства:
1. Возможность проводить логические операции и вычисления с оптическими импульсами, осуществлять запоминание в многоуровневом режиме.
1. Возможность проводить логические операции и вычисления с оптическими импульсами, осуществлять запоминание в многоуровневом режиме.
2. Возможность управления различными функциями оптического процессора с помощью параметров, определенных зависимостью i = f(I,d,Δβ0,G0,θ0) и подчиненных электрическому контролю через электроды устройства.
3. Способ введения входных ОС в ФМ ОТ позволяет избежать точного совпадения частот ОС и настройки ОТ.
4. Высокий (более 40 дБ) коэффициент усиления, высокая чувствительность, подавление нерегулярных флуктуаций.
5. Полнодоступность и 6 оптических выходов.
6. Возможность коммутации ОС с усилением.
Claims (2)
1. Оптический процессор с бустерным выходом, содержащий нелинейный кольцевой резонатор с управляющими электродами и волновод связи, образующий с кольцевым резонатором направленный ответвитель на горизонтальной оси резонатора, два лазера, расположенные в резонаторе, и электроды, расположенные над областью связи направленного ответвителя, отличающийся тем, что на горизонтальной оси резонатора диаметрально противоположно от направленного ответвителя расположен второй нелинейный кольцевой резонатор с управляющими электродами и двумя полупроводниковыми лазерами, образующий в области связи с первым резонатором оптический смеситель с активной оптической бифуркацией с управляющими электродами, переходящий в направлении вертикальной оси смесителя в волновод с двумя полупроводниковыми лазерами, расположенными на концах этого волновода, диаметрально противоположно по отношению к смесителю с активной оптической бифуркацией на горизонтальной оси резонатора расположен второй волновод связи, образующий с вторым резонатором направленный ответвитель, над областью связи расположен электрод.
2. Процессор по п.1, отличающийся тем, что волноводы связи образуют с нелинейными кольцевыми резонаторами смесители с активной оптической бифуркацией с электродами управления, расположенными над смесителями.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93037055A RU2111520C1 (ru) | 1993-07-21 | 1993-07-21 | Оптический процессор с бустерным выходом |
| KR1019940017454A KR100289998B1 (ko) | 1993-07-21 | 1994-07-20 | 부스터 출력을 갖는 광 프로세서 |
| JP6169740A JP2721124B2 (ja) | 1993-07-21 | 1994-07-21 | 光プロセッサ |
| US08/278,287 US5475704A (en) | 1993-07-21 | 1994-07-21 | Optical processor with booster output |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93037055A RU2111520C1 (ru) | 1993-07-21 | 1993-07-21 | Оптический процессор с бустерным выходом |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93037055A RU93037055A (ru) | 1996-03-20 |
| RU2111520C1 true RU2111520C1 (ru) | 1998-05-20 |
Family
ID=20145332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93037055A RU2111520C1 (ru) | 1993-07-21 | 1993-07-21 | Оптический процессор с бустерным выходом |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5475704A (ru) |
| JP (1) | JP2721124B2 (ru) |
| KR (1) | KR100289998B1 (ru) |
| RU (1) | RU2111520C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2465699C1 (ru) * | 2011-06-16 | 2012-10-27 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Полупроводниковый источник инфракрасного излучения (варианты) |
Families Citing this family (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6009115A (en) * | 1995-05-25 | 1999-12-28 | Northwestern University | Semiconductor micro-resonator device |
| JPH09205241A (ja) * | 1996-01-25 | 1997-08-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | マイクロ波励起ガスレーザ発振器 |
| US7106917B2 (en) | 1998-11-13 | 2006-09-12 | Xponent Photonics Inc | Resonant optical modulators |
| US6891997B2 (en) * | 2000-02-17 | 2005-05-10 | Xponent Photonics Inc. | Fiber-ring optical resonators |
| US6532317B2 (en) | 2000-04-17 | 2003-03-11 | Polyoptic Technologies, Inc. | Optical circuit board |
| WO2002050575A2 (en) * | 2000-12-21 | 2002-06-27 | Cquint Communications Corporation | Resonant optical modulators |
| US6839491B2 (en) * | 2000-12-21 | 2005-01-04 | Xponent Photonics Inc | Multi-layer dispersion-engineered waveguides and resonators |
| US6907169B2 (en) | 2001-10-30 | 2005-06-14 | Xponent Photonics Inc | Polarization-engineered transverse-optical-coupling apparatus and methods |
| JP2005508021A (ja) * | 2001-10-30 | 2005-03-24 | イクスポーネント フォトニクス，インコーポレイティド | 光電力トランスバース伝送を用いた光接合装置及び方法 |
| WO2003046626A1 (en) * | 2001-11-23 | 2003-06-05 | Xponent Photonics Inc. | Alignment apparatus and methods for transverse optical coupling |
| TWI251393B (en) | 2004-03-31 | 2006-03-11 | Nec Corp | Tunable laser |
| JP4470782B2 (ja) * | 2005-03-28 | 2010-06-02 | 日本電信電話株式会社 | 光論理回路 |
| JP2006278770A (ja) | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Nec Corp | 波長可変レーザ |
| JP2006278769A (ja) | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Nec Corp | 波長可変レーザ |
| CN101620298B (zh) * | 2008-06-30 | 2011-04-20 | 华为技术有限公司 | 一种光开关 |
| CN101325313B (zh) * | 2008-07-15 | 2010-06-23 | 浙江大学 | 高速调制半导体激光器 |
| DE102010003750A1 (de) | 2010-04-08 | 2011-10-13 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | Verfahren und Anordnung zum Verändern der Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls mittels einer Mehrfachclad-Faser |
| US10069271B2 (en) | 2014-06-02 | 2018-09-04 | Nlight, Inc. | Scalable high power fiber laser |
| US9837783B2 (en) | 2015-01-26 | 2017-12-05 | Nlight, Inc. | High-power, single-mode fiber sources |
| US10050404B2 (en) | 2015-03-26 | 2018-08-14 | Nlight, Inc. | Fiber source with cascaded gain stages and/or multimode delivery fiber with low splice loss |
| WO2016182537A1 (en) | 2015-05-08 | 2016-11-17 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Optical logic gates |
| US10520671B2 (en) | 2015-07-08 | 2019-12-31 | Nlight, Inc. | Fiber with depressed central index for increased beam parameter product |
| CN108367389B (zh) | 2015-11-23 | 2020-07-28 | 恩耐公司 | 激光加工方法和装置 |
| US11179807B2 (en) | 2015-11-23 | 2021-11-23 | Nlight, Inc. | Fine-scale temporal control for laser material processing |
| US9784995B2 (en) * | 2015-12-21 | 2017-10-10 | Ranovus Inc. | Multi-segment ring modulator |
| US10730785B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-08-04 | Nlight, Inc. | Optical fiber bending mechanisms |
| CN109791252B (zh) | 2016-09-29 | 2021-06-29 | 恩耐公司 | 可调整的光束特性 |
| CN110095842B (zh) * | 2019-04-18 | 2020-06-30 | 东北林业大学 | 基于双环形谐振腔的全光强度调制器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4546244A (en) * | 1984-03-14 | 1985-10-08 | At&T Bell Laboratories | Nonlinear and bistable optical device |
| SU1755246A1 (ru) * | 1988-12-13 | 1992-08-15 | Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов | Оптический транзистор |
-
1993
- 1993-07-21 RU RU93037055A patent/RU2111520C1/ru active
-
1994
- 1994-07-20 KR KR1019940017454A patent/KR100289998B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1994-07-21 US US08/278,287 patent/US5475704A/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-07-21 JP JP6169740A patent/JP2721124B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2465699C1 (ru) * | 2011-06-16 | 2012-10-27 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Полупроводниковый источник инфракрасного излучения (варианты) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5475704A (en) | 1995-12-12 |
| KR100289998B1 (ko) | 2001-06-01 |
| JPH0772517A (ja) | 1995-03-17 |
| KR950004617A (ko) | 1995-02-18 |
| JP2721124B2 (ja) | 1998-03-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2111520C1 (ru) | Оптический процессор с бустерным выходом | |
| RU2097815C1 (ru) | Оптический процессор | |
| US5001523A (en) | Optical transistor | |
| US6310995B1 (en) | Resonantly coupled waveguides using a taper | |
| US5233453A (en) | Space-division switched waveguide array filter and method using same | |
| RU2105389C1 (ru) | Полностью оптический регенератор | |
| Soto et al. | All-optical NOR gates with two and three input logic signals based on cross-polarization modulation in a semiconductor optical amplifier | |
| US3849740A (en) | Integrated optical and/or gate | |
| Eisenstein et al. | Gain measurements of InGaAsP 1.5-μm optical amplifiers | |
| CN216352386U (zh) | 集成光量子计算芯片 | |
| US11545815B1 (en) | Compact laser source with frequency modulators generating multiple lines | |
| Kogelnik | Review of integrated optics | |
| RU2107938C1 (ru) | Нелинейный оптический транзистор | |
| JP2695740B2 (ja) | 全光学再生器 | |
| US3519953A (en) | High speed scanlaser | |
| Liu et al. | Integrating Brillouin processing with functional circuits for enhanced RF photonic processing | |
| RU2129721C1 (ru) | Способ переключения и модуляции однонаправленных распределенно-связанных волн (варианты) и устройство для его осуществления | |
| RU2153688C2 (ru) | Способ переключения, модуляции, усиления и управления и нелинейный оптический переключатель, модулятор, усилитель и управляющий элемент | |
| Taylor | Integrated optics applications for ferroelectric materials | |
| KR100299641B1 (ko) | 광프로세서 | |
| Reinhart | Prospects of monolithic optical integration | |
| Zhu et al. | A novel all-optical switch: the wavelength recognizing switch | |
| Schilling et al. | Progress in Y laser technology: Towards application specific designs | |
| Whinnery | Status of integrated optics and some unsolved problems | |
| Moss | Optical Signal Processor Based on a Kerr Microcomb for Real Time Video Image Processing |