SU1755246A1 - Оптический транзистор - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к оптической обработке информации, в частности к устройствам оптической логики, коммутации и усилени  оптических сигналов с помощью полупроводниковых структур. Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей оптического транзистора за счет получени  характеристик бистабильности и дифференциального усилени  повышенной крутизны. Новым в оптическом транзисторе  вл етс  сочетание по крайней мере двух совместно работающих бистабильных  чеек, одна из которых выполнена в крайней мере двух полупроводниковых лазеров в общем нелинейном кольцевом резонаторе, а друга   чейка - в виде оптически св занных .полоскового световода и указанного нет - нейного кольцевого резонатора. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относитс  к оптической обработке информации, в частности к устройствам оптической логики, усилени  и коммутации оптических сигналов с помощью полупроводниковых структур.

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей оптического транзистора за счет получени  характеристик бистабильности и дифференциального усилени  повышенной крутизны.

На фиг. 1 представлен оптический транзистор; на фиг. 2 - то же, пример; на фиг. 3 - интегрально-оптическа  структура оптического транзистора; на фиг. 4 - резонансные характеристики нелинейного кольцевого резонатора; на фиг. 5 - характеристика бистабильности оптического транзистора; на фиг. 6 - характеристика дифференциального усилени  оптического транзистора; на фиг. 7 - функциональна  схема матрицы оптических транзисторов

Оптический транзистор (фиг. 1) содержит расположенные на общей подложке два полупроводниковых лазера 1i и 1а, помещенных в нелинейный кольцевой резонатор 2. пару полосковых световодов 3i и 32, каждый из которых имеет область оптической св зи с нелинейным кольцевым резонатором 2. Области оптической св зи расположены диаметрально противоположно друг другу. Полупроводниковые лазеры 1 имеют электроды 4 дл  подачи электрического пи тани , кажда  область оптической св зи снабжена управл ющим электродом 5, и каждый участок кольцевого нелинейного резонатора 2, наход щийс  между полупроводниковым лазером 1 и соответствующими област ми оптической св зи, также снабжен управл ющим электродом 6. Зеркала 7 образуют резонаторы полупроводниковых лазеров 1.

СЛ 01 Ю О

Оптический транзистор на фиг 2 содержит четыре полупроводниковых лазера 1 помещенных в нелинейный кольцевой резонатор 2, две пары полосковых световодов 3 причем участок 8 каждого полоскового све- товода 3, соответствующий области оптической св зи данного полоскового световода с нелинейным кольцевым резонатором 2, образует угол 45° с каждым из концевых участков 9i и Эа этргр прлоскового светово- да. Соседние концевые участки полосковых световодов 3 имеют четыре области взаимной оптической св зи, которые снабжены управл ющими электродами 10 и расположены попарно противоположно (относи- тельно центра нелинейного кольцевого резонатора 2) на двух взаимно перпендикул рных диаметральных пр мых 11 и 12.

В качестве материала подложки интегрально-оптической структуры оптического транзистора предпочтительно использовать GaAs, где световоды образованы сло м GaAIAs - GaAs - GaAIAs. На нижней поверхности подложки нанесен общий электрод 13.

Оптический транзистор работает следующим образом.

Дл  режима работы, соответствующего характеристике бистабильности, в исходном состо нии оптического транзистора при отсутствии входного (внешнего) оптического сигнала значени  токов И и h через полупроводниковые лазеры 11 и 1а и величины напр жений Vi и V2 на управл ющих электродах 5 и б таковы, что обща  интен- сивность выходного излучени  полупроводниковых лазеров 1 не достигает п рога нелинейного эффекта в материале нелинейного кольцевого резонатора 2, причем последний находитс  в состо нии, далеком от резонанса. Указанное состо ние оптического транзистора по пропусканию света с входа на его выходы соответствует точке А на кривой RI (фиг. 4, где - интенсивность света в нелинейном кольцевом резонаторе 2, АФ - величина расстройки нелинейного кольцевого резонатора 2). При превышении пороговой величины интенсивности света в нелинейном кольцевом резонаторе 2 (путем увеличени  токов И и г или измене- ни  напр жений Vi и Va) происходит переход оптического транзистора в режим работы, описываемый точками В, С и D на кривой RI, т.е. происходит настройка кольцевого резонатора 2 в резонанс за счет про- светлени  последнего. До перехода полупроводниковых лазеров 1 в режим стимулированного излучени  г.м.т., описывающих режим работы оптического транзистора,  вл етс , таким образом, KDJI-

ва  RI. С дальнейшим увеличением интенсивности света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 показатель преломлени  п в активной области полупроводниковых лазеров 1 увеличиваетс  по закону п по + +П21 (где па - коэффициент нелинейности материала нелинейного кольцевого резонатора 2) происходит резкий переход полупро- водниковых лазеров 1 в режим стимулированного излучени , что, в свою очередь, еще больше увеличивает интенсивность света в нелинейном кольцевом резонаторе 2, что вызывает переброс рабочей точки оптического транзистора на резонансную кривую R2 (ф/г. 4).

Соответственно двум резонансным кривым RI и R2 различают две гистерезисные кривые Si и $2 (фиг. 5).

При подаче входного оптического сигнала интенсивностью Вх, величина которой соответствует такому дополнительному увеличению оптической интенсивности в нелинейном кольцевом резонаторе 2, которое инициирует рассмотренный процесс лавинообразного изменени  свойств нелинейного материала в кольцевом резонаторе 2, что в конечном итоге вызывает переход оптического транзистора в состо ние, описываемое точкой Q (из состо ни , описываемого точкой F). Поскольку кажда  элементарна   чейка полосковый волновод 3 - нелинейный кольцевой резонатор 2  вл етс  бистабильным элементом с положительной обратной св зью, осуществл емой через нелинейный кольцевой резонатор 2, то перекачка энергии света в последний также происходит скачком (по характеристике бистабильности, подобной характеристикам Si и $2 (на фиг. 5). В свою очередь, указанный бистабильный срыв перекачиваемого сигнала возбуждает резкий рост интенсивности света в нелинейном кольцевом резонаторе 2, что означает увеличение интенсивности света дл  бистабильной  чейки полосковый волновод 3 - нелинейный кольцевой резонатор 2, еще более ускор ющее резкость перехода оптического транзистора в состо ние, описываемое точкой F (фиг. Б). Сохранение устойчивого состо ни  устройства , соответствующее указанной точке режима, продолжаетс  до тех пор, пока интенсивность света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 не будет понижена до величины 1мин за счет импульсного понижени  величин токов И, 12, достаточного дл  возвращение устройства в исходное состо ние (при отсутствии внешнего оптического сигнала). Нелинейный кольцевой резонатор 2 обеспечивает как взаимосв зь между полупроводниковыми лазерами 1, подобную

взаимосв зи в системе С -лазеров, так и совместную работу элементарных биста- бильных  чеек полосковый волновод 3 - не- линейный кольцевой резонатор 2. Симметричное расположение лазеров обес- печивает равнозначность всех оптических входов и выходов оптического транзистора относительно оптических сигналов, а также равномерную накачку полуколец нелинейного кольцевого резонатора 2. Услови  ус- тойчивйсти оптического транзистора соответствуют услови м устойчивости, прин тым дл  С3-лазеров и других устройств на основе оптически св занных нелинейных резонаторов, включающих в себ  биста- бильные оптические элементы.

В режиме работы, соответствующем характеристике дифференциального усилени , оптический транзистор имеет переменную крутизну характеристики уси- лени , т.е. Кус f(IBx) (фиг 6) Дл  работы оптического транзистора в качестве усилител  оптических сигналов с указанными свойствами первоначально токами И и г полупроводниковых лазеров 1 устанавлива- етс  значение I, соответствующее рабочей точке на характеристике Кус f(lex). Значени  напр жений Vi и Va, а также величина входного оптического сигнала таковы, что оптический транзистор при резком возра- станин интенсивности света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 еще не переходит в бистабильный режим работы, а работает как оптический усилитель с коэффициентом усилени  10 - 10 .

Расширение функциональных возможностей оптического транзистора за счет получени  характеристик бистабильности и дифференциального усилени  позвол ет его использовать в качестве активной  чей- ки пам ти или логической  чейки, оптического генератора, ограничител , а также как часть коммутационной матрицы (фиг. 2 и 7), где Ki-Ki4 -- нелинейные кольцевые резонаторы 2; а Qi - Gb - замкнутые полоско- вые световоды - резонаторы, образованные четырьм  полосковыми световодами 3 в втором варианте конкретного выполнени  оптического транзистора (фиг 2). При этом повышение крутизны характеристик биста- бильности и дифференциального усилени  обусловлено взаимосв занной самосогласованной работой оптически св занных посредством внешнего нелинейного кольцевого резонатора полупроводниковых лазеров и по крайней мере одной элементарной бистабильной  чейки полосковый

световод - нелинейный кольцевой резонатор .

Дополнительный положительный эффект состоит в возможности переизлучени  входного (внешнего) оптического сигнала в выходной оптический сигнал с иным (чем у входного сигнала) набором частот. Выбором напр жени  можно добитьс  дискретного совпадени  собственных частот излучени  полупроводниковых лазеров с частотами входного сигнала. Возможна одновременна  работа оптического транзистора на 8-10 длинах волн, отсто щих друг от друга на интервал 1,5 им э диапазоне длин волн ±15 нм. При частотной фильтрации оптических сигналов, передаваемых оптическим транзистором , можно свести к минимуму ушире- ние передаваемых оптических импульсов.

Claims (2)

1.Оптический транзистор, содержащий расположенные на общей подложке нелинейный кольцевой резонатор и по крайней мере одну пару полосковых световодов, каждый из которых имеет область оптической св зи с нелинейным кольцевым резонатором , причем соответствующие паре полосковых световодов области оптической св зи расположены диаметрально противоположно друг другу, отличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей за счет получени  харак- теристикбистабильностии дифференциального усилени  повышенной крутизны, в устройство дополнительно введены по крайней мере два полупроводниковых лазера, расположенные в нелинейном кольцевом резонаторе вне областей оптической св зи, при этом кажда  область оптической св зи и каждый участок нелинейного кольцевого резонатора, наход щийс  между полупроводниковыми лазерами и област ми оптической св зи, снабжены управл ющими электродами.

2.Транзистор по п. 1, отличающий- с   тем, что содержит четыре полупроводниковых лазера и две пары полосковых световодов , причем участок каждого из полосковых световодов, соответствующий области оптической св зи с нелинейным кольцевым резонатором, образует угол 45° с каждым из концевых участков данного полоскового световода, а соседние концевые участки полосковых световодов имеют четыре области взаимной оптической св зи, снабженные управл ющими электродами и расположенные попарно противоположно на двух взаимно перпендикул рных диаметральных пр мых.

to r

(M LO LD

h

§ 4

„fopjrwf cffcmffjwe 9

Я,

rfqarAfpe госталме

fie/e. 5

1вых.

О

Sx. им/губы/

Вых. vrtny/нгсы

t Ifa.

фиг 6

(