Оптический процессор с бустерным выходом

 

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.

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.

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.

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.

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).

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 + п₂I_р (п₀ - "темновой" показатель преломления; п₂ - нелинейный коэффициент; I_р - интенсивность в резонаторе), то при достижении пороговой величины I_р 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 J_I - в лазерах (5) НКР-I, J₁₁ - в лазерах (5) НКР-II, J_E и J_F - 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 + п₂I_p 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.

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.

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).

Функция передачи G₁ мощности в режиме оптической бистабильности из полоскового волновода в НКР может быть представлена так:

где
i - интенсивность ОС входного излучения;
I_RR - 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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9