Оптический транзистор
Изобретение относится к оптической обработке информации, в частности к устройствам оптической логики, коммутации и усиления оптических сигналов с помощью полупроводниковых структур. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей оптического транзистора за счет получения характеристик бистабильности и дифференциального усиления повышенной крутизны. Новым в оптическом транзисторе является сочетание по крайней мере двух совместно работающих бистабильных ячеек, одна из которых выполнена в крайней мере двух полупроводниковых лазеров в общем нелинейном кольцевом резонаторе, а другая ячейка - в виде оптически связанных .полоскового световода и указанного нетянейного кольцевого резонатора. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ KOMNTET
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4619989/25 (22) 13.12.88 (46) 15.08.92, Бюл, ¹ 30 (71) Всесоюзный научно-исследовательский инс и ут электроизмерительных приборов (72) С.А.Ломашевич, Г,А.Семенова и
Ю.Л.Быстров (56) Alferness R.Ñ. Guided-каче devices for орйса! communication. -- lEEE Journal
0uant, Electron;, 1981, v. 17, ¹ 6, р. 946-957.
Ь!агса!!т! Е.А. Sends!n optical dielectric . guIdes. - Sel!system Techn, Journ., 1969, к
48, № 6, р. 2163-2132. (54) ОПТИЧЕСКИЙТРАНЗИСТОР (57) Изобретение относится к оптической обработке информации, в частности к уст- . ройствам оптической логики, коммутации и
Изобретение относится к оптической обработке информации, в частности к устройствам оптической логики, усиления и коммутации оптических сигналов с помощью полупроводниковых структур.
Цель изобретения — расширение функциональных возможностей оптического . транзистора эа счет получения характери= стик бистабильности и дифференциального усиления повышенной крутизны.
На фиг. 1 представлен оптический транзистор; на фиг, 2 — то же, пример; на фиг.,З вЂ” интегрально-оптическая структура оптического транзистора; на фиг, 4 — резонансные .характеристики нелинейного кольцевого резонатора; на фиг. 5 — характеристика бистабильности оптического транзистора; на фиг. 6 — характеристика дифференциального усиления оптического транзистора; на фиг. 7 — функциональная схема матрицы оптических транзисторов. А1, 1755246 А1
2 усиления оптических сигналов с помощь полупроводниковых структур. Целью изобретения является расширение функциональных воэможностей оптического транзистора за счет получения характеристик бистабильности и дифференциального усйления повышенной крутизйы. Новым в оптическом транзисторе является сочв ание rio крайней мере двух совместно работающих бистабильных ячеек, одна иэ которых выполнеча в виде по крайней мере двух полупроводниковых лазеров в обшем нелинейном кольцевом реэонатоое, а другая ячейка —. в виде оптически связанных полоскового световода и укаэанного йелинейного кольцевого резонатора. 1 з.п. ф-лы, 7 ил, Оптический транзистор (фиг. 1) содержит расположенные на общей подложке два полупроводниковых лазера 1< и 1, помещенных в нелинейный кольцевой резонатор
2. пару полосковых световодов 31 и 32, каждый иэ которых имеет область оптической связи с нелинейным" кольцевым резонатором 2. Области оптической связи расположены диаметрально противоположно друг другу. Полупроводниковые лазеры 1 имеют электроды 4 для подачи электрического питания, каждая область оптической связи снабжена управляющим электродом 5, и каждый участок кольцевого нелинейного резонатора 2, находящийся между полупроводниковым лазером 1 и соответствующими областями оптической связи, также снабжен управляющим электродом 6. Зеркала 7 образуют резонаторы полупроводниковых лазеров 1.
1755245
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 световода 3, соответствующий области оптической связи данного полоскового световода с нелинейным кольцевым резонатором 2, образует угол 45 с каждым из концевых участков 9> и 9z это о полоскового световода, Соседние концевые участки полосковых световодов 3 имеют четыре области взаимной оптической связи, которые снабжены управляющими электродами 10 и расположены попарно противоположно (относительно центра нелинейного кольцевого резонатора 2} на двух взаимно перпендикулярных диаметральных прямых 11 и 12.
В качестве материала подложки интегрально-оптической структуры оптического транзистора предпочтительно использовать GaAs, где световоды образованы слоям
GaAiAs — GaAs — GaAIAs. На нижней поверхности подложки нанесен общий электрод
13.
Оптический транзистор работает следующим образом.
Для режима работы, соответствующего характеристике бистабильности, в исходном состоянии оптического транзистора при отсутствии входного (внешнего) оптического сигнала значения токов l> и !р через полупроводниковые лазеры 1> и 1 и величины напряжений Ч и Чг на управляющих электродах 5 и 6 таковы, что общая интенсивность выходного излучения полупроводниковых лазеров 1 не достигает порога нелинейного эффекта в материале нелинейного кольцевого резонатора 2, причем последний находится в состоянии, далеком от резонанса.указанноесостояние оптического транзистора по пропусканию света с входа íà его выходы соответствует точке А на кривой R> (фиг, 4, где — интенсивность света в нелинейном кольцевом резонаторе
2, Л Ф вЂ” величина расстройки нелинейно го кольцевого резонатора 2), При превышении пороговой величины интенсивности света в нелинейном кольцевом резонаторе
2 (путем увеличения токов И и ц или изменения напряжений Ч1 и Ч2) происходит переход оптического транзистора в режим работы, описываемый точками В, С и О на кривой Rj, т.е. происходит настройка кольцевого резонатора 2 в резонанс за счет просветления последнего. До перехода
-полупроводниковых лазеров 1 в режим стимулированного излучения г,м,т., описывающих режим работы оптического транзистора, является, таким образом, кривая R> С дальнейшим увеличением интенсивности света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 показатель преломления и в активной области полупроводниковых
5 лазеров 1 увеличивается по закону n = no+
+пр! (где nz — коэффициент нелинейности материала нелинейного кольцевого резонатора 2) происходит резкий переход полупроводниковых лазеров 1 в режим
10 стимулированного излучения, что, в свою очередь, еще больше увеличивает интенсивность света в нелинейном кольцевом резонаторе 2, что вызывает переброс рабочей точки оптического транзистора на резокан15 сную кривую Рг (фиг. 4).
Соответственно двум резонансным кривым R1 и R2 различают две гистерезисные кривые S> и Sz (фиг. 5).
При подаче входного оптического сиг20 нала интенсивностью 4», величина которой соответствует такому дополнительному увеи личению оптической интенсивности в нелинейном кольцевом резонаторе 2, которое инициирует рассмотренный процесс лави25 нообразного изменения свойств нелинейного материала в кольцевом резонаторе 2, что в конечном итоге вызывает переход оп тического транзистора в состояние, описываемое точкой Q (из состояния, 30 описываемого точкой F), Поскольку каждая элементарная ячейка полосковый волновод
3 — нелинейный кольцевой резонатор 2 является бистабильным элементом с положительной обратной связью, осуществляемой
35 через нелинейный кольцевой резонатор 2, то перекачка энергии света в последний также происходит скачком (no характеристике биста бил ьности, подобной характеристикам S1 и S2 (на фиг, 5}. В свою очередь, 40 указанный бистабильный срыв перекачиваемого сигнала возбуждает резкий рост интенсивности света в нелинейном кольцевом резонаторе 2, что означает увеличение интенсивности света для бистабильной ячейки
45 полосковый вОлновод 3 — нелинейный кольцевой резонатор 2, еще более ускоряющее резкость перехода оптического транзистора в состояние, описываемое точкой F (фиг, 5). Сохранение устойчивого состояния уст50 ройства, соответствующее укаэанной точке режима, продолжается до тех пор, пока интенсивность света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 не будет понижена до величины! мин за счет импульсного понижения величин токов i<, iz, достаточного для возвращение устройства в исходное состояние (при отсутствии внешнего оптического сигнала). Нелинейный кольцевой резонатор
2 обеспечивает как взаимосвязь между полупроводниковыми лазерами 1, подобную
1755246
25
40 ки памяти или логической ячейки, оптического генератора, ограничителя, а также как часть. коммутационной матрицы (фиг. 2 и 7), где К1-Ки -- нелинейные кольцевые резонаторы 2; а Й1 - Q -замкнутые полоско- 45 вые световоды — резонаторы, образованные четырьмя полосковыми световодами 3 в втором варианте конкретного выполнения оптического транзистора (фиг, 2). При этом
50 кольцевого резонатора полупроводниковых 55 лазеров и по крайней мере одной элементарной бистабильной ячейки полосковый взаимосвязи в системе С -лазеров, так и з совместную работу элементарных бистабильных ячеек полосковый волновод 3 — нелинейный кольцевой резонатор 2.
Симметричное расположение лазеров обеспечивает равнозначность всех оптических входов и выходов оптического транзистора относительно оптических сигналов, а также равномерную накачку полуколец нелинейного кольцевого резонатора 2. Условия устойчивости оптического транзистора соответствуют условиям устойчивости, принятым для Сз-лазеров и других устройств на основе оптически связанных нелинейных резонаторов, включающих в себя бистабильные оптические элементы.
В режиме работы, соответствующем характеристике дифференциального усиления, оптический транзистор имеет переменную крутизну характеристики усиления, т.е. Kyc = f(lpx) (фиг, б). Для работы оптического транзистора в качестве усилителя оптических сигналов с указанными свойствами первоначально токами i> и iz полупроводниковых лазеров 1 устанавливается значение l, соответствующее рабочей точке на характеристике Kyc = f(l sx) 3 н ачения напряжений V> и Чр, а -акже величина входного оптического сигнала таковы, что оптический транзистор при резком возрастании интенсивности света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 еще не переходит в бистабильный режим работы, а работает как оптический усилитель с коэффициентом усиления 10 — 10, Расширение функциональных возможностей оптического транзистора за счет получения характеристик бистабильности и дифференциального усиления позволяет его исполйзовать в качестве активной ячейповышение крутизны характеристик бистабильности и дифференциального усиления обусловлено взаимосвязанной самосогласованной работой оптически связанных посредством внешнего нелинейного
10
35 световод — нелинейный кольцевой резонатор.
Дополнительный положительный эффект состоит в возможности переизлучения входного (внешнего) оптического сигнала в выходной оптический сигйал с иным (чем у входного сигнала) набором частот. Выбором напряжения можно добиться дискретного совпадения собственных частот излучения полупроводниковых лазеров с. частотами входного сигнала. Возможна одновременная работа оптического транзистора на 8-10 длинах волн, отстоящих друг от друга на интервал 1,5 нм в диапазоне длин волн +15 нм. При частотной фильтрации оптических сигналов, передаваемых оптическим транзистором, можно свести к минимуму уширение передаваемых оптических импульсов.
Формула изобретения
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 связи с нелинейным кольцевым резонатором, причем соответствующие паре полосковых световодов областй оптической связи расположены диаметрально противоположнодругдругу, отл ича ю щи и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет получения характеристик бистабильности и дифференциального усиления повышенной крутизны, в устройство дополнительно введены по крайней мере два полупроводниковых лазера, расположенные в нелинейном кольцевом резонаторе вне областей оптической связи, при этом каждая область оптической связи и каждый участок нелинейного кольцевого резонатора, находящийся между полупроводниковыми лазерами и областями оптической связи, снабжены управляющими электродами.
2. Транзистор по п, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что содержит четыре полупроводниковых лазера и две пары полосковых световодов, причем участок каждого из полосковых световодов, соответствующий области оптической связи 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 связи, снабженные управляющими электродами и расположенные попарно противоположно на двух взаимно перпендикулярных диаметральных прямых, 1755245
1765246
И
1755246
1755246
lЬ .
ФОР б
1755246
Составитель В,Ежов
Техред M.Ìîðãeíòàë
Корректор С.Пекарь
Редактор И.Сегляник
Производственйо-иэдательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2892 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113635; Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
