ОПТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР Российский патент 1997 года по МПК G02F3/00 

Изобретение относится к обработке информации, представленной оптическими сигналами, в частности к устройствам оптической логики, усиления, коммутации, вычислений оптических сигналов.

Преимущественной областью применения являются волоконно-оптические системы связи и передачи информации, схемы вычислительной техники.

Известно устройство нелинейный интерферометр Фабри-Перо (Tooley F.A.P. Smith S.D. Seaton C.T. High Gain Signal Amplification in an InSb Transfasor at 77K//Appl. Phys. Lett. 1983. Vol. 43, N 9, p. 807-809), представляющий 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 усиление 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.

Недостатки:
необходимость применения внешнего источника накачки;
один выходной и один входной каналы;
затруднен ввод-вывод излучения из-за конструктивных особенностей привода;
необходимость точного совпадения настройки интерферометра Фабри-Перо на частоту входного оптического сигнала.

Применение трансфазора ограничено лабораторными условиями
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство "Оптический транзистор" (Patent 5001523 US, Mar. 196 1991, H O1 L 31/12. Optical Transistor. Lomashevich S. Bistrov 1. Semenova G.), 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 Е. А. J. Bends in optical dielectric guides. The Bell System Technical Journal. 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 оптического сигнала запоминания, логики.

В основу настоящего изобретения положена задача устранения этих недостатков и создание активного, управляемого входными оптическими сигналами, полнодоступного с увеличенным числом оптических контактов устройства, 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 согласно изобретению волноводы и кольцевой резонатор соединены в областях связи с образованием смесителей оптических мод с соблюдением соотношения - одномодовый волновод и кольцевой резонатор образуют двухмодовый смеситель и над областями связи размещены электроды.

Решение вышеуказанной задачи позволяет устройству приобрести новые свойства, отличные от свойств прототипа, а именно:
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(1) и подчиненных электрическому контролю через электроды устройства.

3. Способ введения входных оптических сигналов в фазовый модулятор оптического транзистора позволяет избежать точного совпадения частот оптических сигналов и настройки оптического транзистора.

4. Высокий (более 40 дБ) коэффициент усиления, высокая чувствительность, подавление нерегулярных флуктуаций.

5. Полнодоступность и 4 оптических выхода.

6. Возможность коммутации оптического сигнала с усилением.

Заявляемый оптический транзистор, образованный двумя лазерами и волноводом, являющимся фазовым модулятором, заключенным между лазерами, составляет первый 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 фазового модулятора, 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 n n₀+n₂ I_p (n₀ "темновой" показатель преломления, n₂ нелинейный коэффициент, I_p интенсивность в резонаторе), то при достижении пороговой величины I_p 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 оптического транзистора применяется также в качестве элемента связи с кольцевым резонатором фазовый модулятор, причем с помощью электрической настройки или с помощью управляющих оптических сигналов возможно ответвление любой части оптического излучения из фазового модулятора в кольцевом резонаторе, т. ч. с выходных зеркал оптического транзистора можно снимать усиленный оптический сигнал для параллельной обработки в оптических цепях.

Фазовый модулятор играет роль внутрирезонаторного нелинейного интерферометра Фабри-Перо, оптическая длина которого зависит от интенсивности суммарного излучения. Фазовый модулятор изменяет оптическую длину большого резонатора и его добротность, что приводит к изменению величины порогового тока. Такая перестройка позволяет пройти порог генерации, т.е. получить лазерный режим. В концепции оптического транзистора первый каскад усиления - фазовый модулятор в основном выполняет функцию согласования, позволяет без соблюдения строгого совпадения частот входного сигнала и резонатора вызвать отклик всей системы таким образом, что под воздействием входного сигнала i, усиленного в фазовом модуляторе I Gi, и сигнала, прошедшего по цепи обратной связи и усиленного в полупроводниковом лазерном усилителе: I G₀₁G₁i, происходит изменение показателя преломления резонатора оптического транзистора, что, в конечном итоге, приводит к функции оптического транзистора:

где пропускание оптического транзистора;
G₀₁ внутренний коэффициент усиления оптического транзистора;
G₁ коэффициент передачи фазового модулятора, G₁ 3/(3- θ21

);
θ₀₁ фазовый угол расстройки оптического транзистора;
θ₁ фазовый угол расстройки фазового модулятора.

Кольцевой резонатор с элементами согласования направленными ответвителями и активными элементами лазера, одновременно являющимися полупроводниковыми лазерными усилителями, представляет собой также оптический транзистор, в котором связь между входным оптическим сигналом i и выходным I в обобщенных координатах описывается той же формулой (1).

Конфигурация кольцевого резонатора с переключателем разделения оптической активности позволяет придать устройству новые свойства, которые не обнаруживаются у этих элементов порознь. В заявляемом устройстве разделитель оптической активности объединен нелинейным оптическим транзистором на базе кольцевого резонатора.

Расчет параметров основан на разложении входного сигнала по собственным модам смесителя. Сигналы на выходе смесителя являются результатом интерференции мод смесителя, имеющих различные константы распространения. Конечным результатом является связь между интенсивностями на выходе I₁(L) и I₂(L) смесителя длиною L и интенсивностью на входе I₁(0) при зависимости разности констант распространения Δβ = Δβ_o + G₀₂I₂(L) от коэффициента усиления G₀₂ в цепи обратной связи, т.е. в кольцевом резонаторе:

где d параметр, характеризующий максимально допустимый уровень развязки и определяемый коэффициентами разложения.

В нашем рассмотрении важным является второе уравнение, преобразуем его с учетом принятых обозначений, определим коэффициент передачи G₂ из делителя оптической активности в кольцевом резонаторе:
,
Объединяя коэффициент передачи (3) с формулой оптического транзистора (1), окончательно получаем:
,

Объединяя коэффициент передачи (3) с формулой (1), окончательно получаем:

Рассматривая заявляемое устройство полностью, приходим к зависимости между входной i и выходной I интенсивностями оптического сигнала

где пропускание оптического транзистора;
пропускание кольцевого оптического транзистора.

Эти формулы полностью описывают функциональные возможности оптического процессора, что следует из характеристик, представленных далее.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения со ссылкой на сопровождающие чертежи.

На фиг. 1 представлен заявляемый оптический процессор, состоящий из нелинейного кольцевого резонатора 1, двух волноводов 2 AB и CD с лазерами 3 и областью связи BOA 4. Два лазера 3 и фазовый модулятор 5 образуют оптический транзистор. На верхней грани над лазерами, областью связи и секциями кольцевого резонатора 6 нанесены электрические контакты. Входной оптический сигнал поступает в фазовый модулятор в области E, F или на любой из оптических контактов A, B, C, D. Оптическое излучение снимается с выходов А, D, C, D. Зеркала 7 ограничивают лазеры оптического транзистора: зеркала 8 лазеры KP, зеркала 9 фазовый модулятор.

На фиг.2 9 представлены характеристики заявляемого устройства при различных значениях параметров, входящих в формулу (5), i входная и I - выходная интенсивности, I₀ интенсивность накачки.

Фиг. 2 демонстрирует изменение динамического диапазона и порогового значения I₀ характеристик дифференциального усиления, подчиненных параметру θ₁ начальной расстройке фазового модулятора.

Фиг. 3 поясняет процесс вычислений: в памяти содержится число пять. Значения параметров усиления указаны на чертеже.

Фиг. 4 раскрывает возможности процессора по проведению вычислений с использованием мультистабильной характеристики заявляемого устройства при G₀₂ 100, θ₀₂ 10 для сложения 11 единиц. В сравнении с фиг. 3 увеличился объем сложения, что связано с увеличением параметра θ₀₂
Фиг. 5 поясняет процедуру сложения до 20 и запоминания этого числа. Возможность сложения большего, чем на фиг.4, числа связана с увеличением коэффициента G₀₂ до 250. Очевидна способность процессора удерживать в памяти оба числа.

Фиг. 2, 6-9 относятся к начальному участку характеристики и показывают влияние различных параметров на вид характеристик и их расположение.

Фиг.6 показывает влияние начальной расстройки оптического транзистора.

Фиг.7 показывает влияние начальной расстройки θ₀₂
Фиг.8 представляет изменение ОБ характеристики при увеличении фактора d.

Фиг. 9 изображает зависимость кривых от параметра разности фаз распространения мод.

Фиг.10 изображает контакты и подходящие к ним электроды, токовые - сплошными линиями, напряжения пунктиром. J₁- токи накачки лазеров оптического транзистора, J₂ токи накачки лазеров оптическому транзистору. Напряжение U₁ управляет связью делителя оптической активности и показателем преломления волноводов, находящихся под электродом 4 (фиг.1). U₂ управляет расстройкой фазового модулятора, U₃ - расстройкой кольцевого резонатора.

Поясним сущность рассматриваемых далее явлений. Эффект оптической бистабильности проявляется в нелинейных средах с показателем преломления, зависящим от интенсивности: n n₀ + n₂I_p и при наличии в системе обратной связи.

В заявляемом устройстве этим требованиям удовлетворяет как вся оптическая система в целом, изготовленная из единого материала с дисперсионной (или абсорбционной) нелинейностью и обратной связью, осуществляемой кольцевым резонатором, так и отдельные элементы: от A-B и C-D к оптическому транзистору, в которых обратная связь обеспечена внешними зеркалами, или кольцевого резонатора соответственно.

Существенным для работы прибора является то, что первоначальный отклик системы на входное излучение, происходящий во входном оптическом транзисторе, происходит в соответствии со срывными, а следовательно, быстрыми во времени (порядка пикосекунд) и с высокой крутизной характеристиками. Дальнейшее формирование выходного сигнала осуществляется также системой, находящейся в режиме оптической бистабильности. Предусиление усиление усиление по мощности, так упрощенно можно характеризовать последовательное формирование выходного сигнала в системе. Однако следует помнить, что кольцевой резонатор, находящийся в контакте с обоими волноводами по уровню сильной связи, перекачивает оптическую энергию в себя, 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.

Переходим к рассмотрению этих параметров. Из формулы (5), связывающей входной i и выходной I оптические сигналы, следует: семь параметров G₁ = 3/(3 - θ21

), G₀₁, G₀₂, θ₀₁, θ₀₂, d, Δβ_o/ в принципе способны изменить свойства процессора или повлиять на его характеристики.

G₁ коэффициент передачи фазового модулятора зависит от первоначальной расстройки θ₁ внутреннего резонатора оптического транзистора, изменяется с помощью напряжения на электроде фазового модулятора. Влияет на порог чувствительности и динамический диапазон характеристики (фиг.2): с увеличением θ₁ т.е. при стремлении θ₁ к предельной величине интенсивность накачки I₀ уменьшается.

G₀₁ внутренний коэффициент усиления оптического транзистора. В заявляемом устройстве влияние G₀₁ оказывается не таким значительным, как в "чистом" оптическом транзисторе. Только при больших изменениях G₀₁ происходит понижение порогового значения оптической бистабильности I₀ и трансформация характеристик. Изменение G с помощью токов накачки J₁ лазеров или напряжения V₂ на фазовом модуляторе позволяет проводить точную регулировку оптического транзиcтора первого каскада обработки оптического сигнала.

G₀₂ внутренний коэффициент усиления оптического транзистора и цепи обратной связи оптической бистабильности, образованной делителем оптической активности и кольцевого резонатора. Является основным параметром, регулирующим число оптической бистабильности ветвей на характеристике i f(I) (фиг. 3 5), увеличивается при увеличении токов накачки лазеров в кольцевом резонаторе и напряжения V₃ на электродах кольцевого резонатора (подстройке KP к резонансу). С ростом величины G₀₂ увеличивается чувствительность всей системы.

θ₀₁ величина начальной расстройки оптического транзистора. Характер влияния на выходные параметры такой же, как и θ₁ (фиг.6), что и понятно, так как оба эти параметра в конечном итоге изменяют настройку резонатора оптического транзистора, но степень влияния θ₀₁ меньше, чем θ₁ ввиду отсутствия предельного значения (фиг. 6), поэтому θ₀₁ изменяется в больших пределах с широкими возможностями плавного изменения вида характеристик и выходных параметров устройства. Регулировка осуществляется изменением величин токов J₁ в лазерах А, В, С, D и/или напряжения на управляющих электродах фазового модулятора V₂.

θ₀₂ величина начальной расстройки оптического транзистора и всей системы, фактор, определяющий резонансное состояние и характеризующий остроту резонанса оптического процессора, изменяется в широких пределах (фиг.7). Совместно с d-фактором контролирует вид характеристики, площадь гистерезисной петли, величину уровня оптической накачки I₀. θ₀₂ задается при изготовлении, изменяется и регулируется напряжением V₃ на электродах кольцевого резонатора и уровнем инжекции в лазерах оптического транзистора, т.е. токами I₂.

d-фактор определяет уровень засветки по соседнему каналу в конфигурации с делителем оптической активности важнейший параметр любого коммутационного устройства, d = (C41

+C42)/(C21C22), С₁, С₂ коэффициенты в разложении профиля волны по модам смесителя. В заявляемом устройстве d-фактор определяет поведение всего устройства: вид характеристики, площадь и ширину гистерезиса (фиг. 8). Предельное значение равно единице, вблизи этой величины система проявляет оптически бистабильное поведение с широким гистерезисом при любых значениях остальных параметров, которые (при d __→ 1) способны лишь видоизменять гистерезисную петлю, но не способны трансформировать ее в кривую дифференциального усиления. Регулируется напряжением на электродах делителя оптической активности, большие величины d>5 приводят к уверенной характеристике дифференциального усиления. Таким образом существуют области значений d-факторов, при которых с уверенностью реализуются либо гистерезисный цикл (память), либо кривая дифференциального усиления. Существенным оказывается то, что регулировка в незначительной степени затрагивает всю систему, поскольку изменения показателя преломления происходят лишь в области делителя оптической активности, но эффект проявляется во всей системе при фиксированных на этот момент остальных параметрах, т.е. фактор d слабо связан с другими параметрами.

Δβ_o разность констант распространения мод в волноводах и смесителе в основном позволяет при своем увеличении понизить значение уровня накачки (чувствительность), причем без изменения вида характеристики. Регулируется напряжением на электродах волноводов и делителе оптической активности - U₁ и U₂ (фиг.9 и 10).

Следует отметить, что проявление оптической бистабильности в системе при d и Δβ_o отличных от нуля, свидетельствует о возможности реализации этих характеристик в реальных системах, в которых невозможно достижение ни точного совпадения между фазами мод в заданном сечении, ни абсолютная развязка между каналами.

Параметры оптического процессора даны в таблице.

Устройство работает следующим образом.

Величины токов через лазеры I₁ и I₂ (фиг.1 и 10) выбираются такими, чтобы интенсивность оптического излучения в кольцевом резонаторе, являющемся, по существу, резонатором всей системы, не превышала порогового значения интенсивности нелинейного эффекта в материале кольцевого резонатора. Первоначально резонатор находится в состоянии расстройки от резонанса, это "нижнее" состояние по выходной интенсивности. При превышении некоторой пороговой величины интенсивности света (по любой причине: увеличение излучения лазеров, подстройка к резонансу фазового модулятора, изменение показателя преломления из-за изменения напряженности электрического поля в области модулятора и в резонаторе) происходит просветление фазового модулятора и кольцевого резонатора за счет нелинейных свойств материала настройка в резонанс. Если выполняется зависимость n n₀ + n₂I_p, то при достижении пороговой величины I_p влияние второго слагаемого оказывается значительным и система начинает автоматически подстраиваться к резонансу, причем процесс развивается лавинообразно из-за высокой добротности кольцевого резонатора и обратной связи в оптическом транзисторе, обеспечиваемой зеркалами, и в переключателе делителя оптической активности в силу сильной связи между модами колебаний и большого коэффициента G₀₂ в цепи обратной связи. Излучение изменяет оптическую длину nL (L длина окружности кольцевого резонатора или расстояние между зеркалами A-B, C-D) по направлению к резонансу, увеличивается внутреннее поле I_p, что еще больше изменяет показатель преломления, увеличивает nL, и система стремится к резонансному состоянию. При этом в процессе с увеличением I_p увеличивается оптическое поле в лазерах из-за инжекции света, понижается плотность носителей, показатель преломления в активной области лазеров увеличивается, происходит срыв лазера в режим стимулированного излучения, что еще более увеличивает мощность светового поля в системе.

В первоначальном состоянии интерферометр Фабри-Перо (ИФП) и кольцевой резонатор расстроены, суммарной мощности лазеров недостаточно для превышения порога нелинейных эффектов, при этом величины внешнего оптического сигнала, усиленного в оптическом транзисторе и области связи 4 (фиг. 1) на каскаде оптической бистабильности связанных мод, оказывается достаточно, чтобы вызвать описанный процесс изменения свойств кольцевого резонатора и всей системы, что, в конечном итоге, завершается переходом в "верхнее" по интенсивности света состояние. Следует отметить, поскольку ячейка волновод кольцевой резонатор является бистабильной с обратной связью, осуществляемой резонатором, то перекачка энергии входного сигнала, усиленного в оптическом транзисторе, в резонатор происходит скачком и поэтому с самого начала процесса отклика (системы на входное возмущение), формирование выходного сигнала определяется срывными с высокой крутизной характеристиками, замкнутыми в самосогласованный цикл: бистабильный срыв передаваемого сигнала возбуждает резкий рост интенсивности в кольцевом резонаторе и других ячейках устройства (с вытекающими последствиями, описанными ранее), но это возрастание интенсивности воспринимается ячейкой волновод резонатор, как увеличение интенсивности накачки, т.е. событие, еще более ускоряющее срыв в "верхнее" состояние. Причем ввиду усиления оптической связи ячейки волновод резонатор из-за изменения показателя преломления (поскольку величина n в делителе оптической активности определяет коэффициент и длину связи между модами), эффект оказывается самоподдерживающимся и ускоряющимся в направлении увеличения внутрирезонаторной интенсивности.

Так реализуются характеристики, позволяющие использовать заявляемое устройство как ячейку памяти либо как оптический "триод", при этом используется начальный участок характеристик в области высокой чувствительности (фиг. 2, 6-9), перестройка достигается с помощью электрических регулировок через электроды: изменением электрического поля в оптическом транзисторе и кольцевом резонаторе, а также контролем над величинами тока в лазерах (см. таблицу).

Резкий характер возрастания мощности света определяет высокие значения коэффициента усиления до 40 дБ. В устройствах со срывными механизмами работы практическая крутизна характеристики ограничена фундаментальными процессами: релаксацией среды (с временами порядка 10^-12 10^-13 с), диссипацией энергии, флуктуациями оптического поля в резонаторе, а также несовершенством реальных резонаторов.

Реализация "процессорного" режима достигается при работе в мультистабильной области кривых (фиг.3 5) при соответствующих значениях параметров.

Итак, входной оптический сигнал i, поступающий в E или F оптический контакт, вызывает просветление фазового модулятора (ограниченного зеркалами 9) оптического транзистора, подстройку фазового модулятора к резонансному состоянию, как следствие подстройку к резонансу оптического транзистора, увеличение излучения лазеров оптического транзистора, увеличение оптического поля в области оптического транзистора и делителя оптической активности, перекачку энергии в кольцевой резонатор в обоих направлениях (по часовой стрелке и против), что приводит к инициированию нелинейных эффектов в среде резонатора, перестройку к резонансу кольцевого резонатора, включение в режим лазерной генерации лазеров оптического транзистора, усиление формируемого оптического сигнала в G₀₂ раз, еще большее усиление оптического поля в резонаторе, передачу этого возмущения по цепи обратной связи в делителе оптической активности и оптического транзистора и т. д. повторение процесса. В результате усиленный сигнал I излучается с любого из выходов A, B, C, D.

В режиме вычислений (фиг.3 5) происходит запоминание входных импульсов с предварительным усилением в оптическом транзисторе до тех пор, пока система не перейдет в следующий разряд (по интенсивности света).

Пример.

Материалы, используемые для изготовления устройства: трехкомпонентные (например, GaAlAs) и четырехкомпонентные (например, InGaSP) 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 кольцевому резонатору 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 процессора. Другим вариантом ограничения является изготовление узкого активного слоя в погруженной зарощенной гетероструктуре.

2. В интегрально-оптическом варианте зеркала изготовляются в виде распределенной обратной связи или как распределенные брэгговские зеркала методом голографической литографии с химическим травлением.

Рассмотренные выше конструкции могут быть реализованы на квантоворазмерных структурах.

Использование: изобретение относится к обработке информации, представленной оптическими сигналами. Сущность: оптический процессор содержит нелинейный кольцевой резонатор, два волновода с лазерами и электродами, размещенными над ними. Волноводы и кольцевой резонатор соединены в областях связи с образованием смесителей оптических мод с соблюдением соотношения - одномодовый волновод и кольцевой резонатор образуют двухмодовый смеситель. Над областями связи размещены электроды. 10 ил., 1 табл.

Оптический процессор, содержащий нелинейный кольцевой резонатор, два волновода с лазерами и электродами, размещенными над ними, а также области связи, отличающийся тем, что волноводы и кольцевой резонатор соединены в областях связи с образованием смесителей оптических мод с соблюдением соотношения одномодовый волновод и кольцевой резонатор образуют двухмодовый смеситель и над областями связи размещены электроды.