ОПТИЧЕСКИЙ РЕГЕНЕРАТОР Российский патент 1997 года по МПК G02F3/00 

Изобретение относится к области обработки цифровой информации, представленной оптическими сигналами, в частности к устройствам регенерации, усиления, коммутации оптических сигналов полупроводниковыми структурами. Преимущественной областью применения являются волоконно-оптические системы связи и передачи информации (ВОССПИ) и вычислительной техники.

Известно устройство, состоящее из трех связанных лазерных диодов для генерации оптического сигнала в режиме синхронизации мод (см. Tsang W.T. Olsson N. A. Logan R.A. Appl.Phys. Lett. 1983, 43, p. 339).

В этом устройстве средняя секция лазерный диод является источником излучения и, совместно с секцией-поглотителем с электронным управлением, образуют лазер с насыщенным поглотителем, генерирующим оптические импульсы в режиме синхронизации мод. Третья секция является затвором, управляемым электрическим строб-импульсом, позволяющим выделить заданное количество импульсов на выходе. Электрическое управление выходом является недостатком для полностью оптического прибора. Рассматриваемое устройство представляет лабораторный макет, что, с точки зрения практики, также является недостатком.

Также известно устройство, позволяющее выделять тактовую частоту с использованием многоэлектродного полупроводникового лазера (Jinno M. Matsumoto T. All-Optical Timing Extraction Using a 1,5 ms Self Pulsaiting Multielectrode DFB L D. El.Lett. 1988, N 23, 1426-1427). Это устройство, работающее в режиме синхронизации мод, способно синхронизировать выходные импульсы с тактовой частотой под действием дополнительных входных импульсов. Однако устройство не является регенератором оптических сигналов, так как не обладает усилением и не восстанавливает форму сигнала.

Другое устройство (Jinno M. Matsumoto T. All-Optical Timing Extraction Using Optical Tank Circults, Procedings of 100'89, Technical Digest, vol. 4, pp. 96-97), основным элементом которого является кольцевой резонатор или интерферометр Фабри-Перо, настроенные на определенную частоту, позволяет выделять оптические импульсы с периодом, совпадающим со временем полного обхода резонатора. Однако это устройство не является регенератором оптического сигнала, так как в нем не предусмотрена возможность формирования информационных сигналов по форме и амплитуде. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство (Giles C.R. et. al. All-Optical Regenerator, El. Lett. 1988, v. 24, N 14, pp. 848-850), на ячейках SEED позволяет синхронизировать и усиливать (с коэффициентом усиления 2 дБ) импульсы тактовой частоты, но резонансным элементом является электрический L-C контур. С практической точки зрения, в полностью оптических линиях подобное устройство, содержащее электрические и оптические цепи, неприемлемо. К тому же из-за низкого быстродействия ячеек SEED (30 10 нс) и применения электрических цепей такие устройства не могут работать при больших скоростях: на рассматриваемом устройстве получено-5 КБит/с. К тому же устройство не может формировать выходной сигнал ни по форме, ни по длительности.

В основу изобретения положена задача создания устройства, свободного от вышеуказанных недостатков, устройства, формирующего выходной оптический сигнал с заданными параметрами:
форма сигнала;
амплитуда;
соответствие тактовой частоте;
т.е. создание полностью оптического 3R-генератора.

Поставленная задача решается тем, что, согласно изобретению, регенератор содержит два оптически связанных активных резонатора с омическими контактами на верхних и нижних основаниях, причем резонаторы выполнены с внутренними и внешними зеркалами, а между резонаторами установлен прямоугольный фазовый модулятор так, что внутренние зеркала резонаторов и фазовый модулятор образуют нелинейный Фабри-Перо интерферометр, причем внутренние зеркала связанных резонаторов имеют большее пропускание, чем внешние, при этом к одной из свободных граней фазового модулятора пристыкован многоэлектродный инжекционный лазер с насыщаемым поглотителем с неоднородной инжекцией тока, оптически связанный с фазовым модулятором, причем на верхние и нижние грани фазового модулятора нанесены омические контакты.

Оптический регенератор позволяет:
1. Восстанавливать-формировать оптический сигнал по форме, усиливать по амплитуде и синхронизировать с тактовой частотой.

2. Коммутировать и разветвлять оптический сигнал по двум каналам.

3. Использовать устройство в качестве оптического генератора импульсов.

4. Работать в многочастотном режиме излучения, т.е. при постоянной входной частоте, позволяет варьировать выходную несущую путем соответствующего изменения параметров нелинейного фазового модулятора или параметров лазеров секции формирования выходных сигналов. Устройство малогабаритно и допускает применение в интегральных схемах, совместимых с другими элементами оптоэлектроники.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен заявляемый полностью оптический регенератор, содержащий фазовый модулятор 1, расположенный между внутренними зеркалами резонаторов СЗ-лазера 2, фазовый модулятор с зеркалами 3 образует нелинейный Фабри-Перо интерферометр. Внешние зеркала 4 резонаторов СЗ-лазера образуют секцию формирования выходных сигналов. Двойной инжекционный лазер состоит из двух ячеек: активной 5 и насыщаемого поглотителя 6 с зеркалами 7. Омические контакты 8 позволяют подавать напряжение на разовый модулятор и ячейку насыщаемого поглотителя и токи на лазеры 2 и 5. Нижний контакт 9 одновременно является теплоотводом. Позиция 10 обозначает активную область лазеров.

На фиг. 2 изображены зависимости (интенсивности) выходного оптического сигнала от входного в фазовый модулятор (1 f(i)) для нелинейного Фабри-Перо интерферометра и секции формирования.

Фиг. 3 поясняет работу фазового модулятора в режиме каскада совпадения: только при одновременном появлении в нем сигналов с тактовой частотой устройство пропускает информацию, причем с усилением импульсов, длительность которых соответствует длительности, заданной в двойном инжекционном лазере.

Фиг. 4 поясняет процесс синхронизации тактовой частоты с последовательностью информационных импульсов.

На фиг. 4 а пунктиром изображены те импульсы тактовой частоты, которые были выработаны лазером в отсутствие сигнала на входе (например, 11001).

Первый же импульс (фиг. 4) этой последовательности вносит дополнительное воздействие в насыщаемый поглотитель, чем способствует его просветлению и формированию импульса в лазере в момент смещения последовательности тактовых импульсов во времени.

На фиг. 5 изображен вариант оптического регенератора с многоэлектродным инжекционным лазером, входная ячейка 6 которого является насыщаемым поглотителем. Остальные позиции совпадают с позициями фиг. 1.

На фиг. 6 изображен вариант оптического регенератора, в котором насыщаемый поглотитель 6 лазера и фазовый модулятор 1 совмещено. Остальные позиции совпадают с фиг. 1.

Фиг. 7 изображает вариант оптического регенератора с многоэлектродным инжекционным лазером, входная ячейка которого является насыщаемым поглотителем, а активная ячейка состоит из двух секций 5 и 11.

Устройство работает следующим образом.

а) Внешний оптический сигнал отсутствует.

Величина токов 1 в лазерах секции формирования выходных сигналов в пропускном направлении подобрана такой, чтобы интенсивности этих лазеров было недостаточно для просветления фазового модулятора. В этом состоянии нелинейный Фабри-Перо интерферометр находится в состоянии, далеком от резонанса. При этом двойной инжекционный лазер 5 6 генерирует последовательность коротких по длительности (10-100 пс) импульсов тактовой частоты r_T, которые поступают в фазовый модулятор. На выходе устройства (зеркала 4 лазеров 2) отсутствует импульсный выходной сигнал. Это ждущий режим, для изменения которого, т.е. перехода к режиму включения, необходимо достижение некоторой пороговой величины интенсивности излучения внутри нелинейного Фабри-Перо интерферометра, при которой происходит его просветление за счет нелинейных свойств материала фазового модулятора и настройка интерферометра в резонанс. Такое состояние достигается, если в фазовый модулятор поступают одновременно сигнал тактовой частоты и входной оптический импульс, суммарная интенсивность которых оказывается больше некоторой пороговой величины 1п (фиг. 2 ) на характеристике оптической бистабильности. Если материал нелинейного фазового модулятора имеет зависимость показателя преломления n n + n₂I_p, где n₀ показатель преломления материала в отсутствие излучения, n₂ нелинейный коэффициент среды, I_p - интенсивность излучения внутри интерферометра, то в силу эффекта оптической бистабильности пропускание интерферометра скачком изменяется и интерферометр переходит в "верхнее" состояние (фиг. 2).

Таким образом происходит установление оптической связи между лазерами 2. При этом оба лазера входят в режим когерентного излучения, что резко повышает интенсивность оптического излучения в резонаторе, ограниченном зеркалами 4. Проявление нелинейных эффектов, описанных выше в секции формирования приводит к просветлению секции формирования, и резкому возрастанию выходной интенсивности сигнала на зеркалах 4 явлению, свойственному оптическому транзистору с реализацией характеристики, представленной на фиг. 2.

б) Внешний оптический сигнал i подан одновременно на вход двойного инжекционного лазера (на зеркало 7) и на вход фазового модулятора, как показано на фиг. 1, например, с помощью разветвителя. Лазер работает в режиме синхронизации мод с насыщаемым поглотителем (секция 6, фиг. 1), что позволяет получить периодические непрерывные последовательности оптических импульсов (фиг. 4 а) с длительностью от долей пс до сотен пс, определяемой по формуле:

где Δλ порядка ширины линии усиления периодом, с скорость света,
и с периодом

где L длина резонатора, что соответствует частоте повторения импульсов в гигагерцевом диапазоне для реальных полупроводниковых лазеров.

Для работы устройства необходимо синхронизировать импульсы тактовой частоты, вырабатываемые двойным инжекционным лазером, и входные импульсы. Поэтому входные импульсы подаются на вход лазера (фиг. 4 в) и вызывают дополнительное просветление насыщаемого поглотителя 6 и, как следствие, оптическую синхронизацию мод вводимым в лазер потоком импульсов (фиг. 4 с). В результате синхронизации тактовых импульсов они поступают в фазовый модулятор одновременно.

Нелинейный Фабри-Перо интерферометр и секция формирования срабатывают лишь в том случае, когда вводимая в фазовый модулятор энергия оптического излучения превышает некоторое пороговое значение. Это происходит при выполнении условия синхронизации между тактовыми и входными импульсами. Причем "единице" соответствует режим формирования выходного импульса, "нулю" ноль (фиг. 3).

Выходные импульсы по длительности соответствуют длительности импульсов двойного инжекционного лазера, т.е. лежат в интервале от долей до сотен пс в зависимости от уровней неоднородности токовой инжекции в ячейках лазера, параметров используемой полупроводниковой структуры (концентрации неравновесных носителей, времени жизни фотонов и носителей тока, модового состава) и отношения длин ячеек 5 и 6. Таким образом, соответствующими регулировками (токами в ячейках лазера), выбором материала полупроводникового лазера 5-6, выбором размеров его ячеек 5 и 6 достигается требуемая длительность выходных регенерированных импульсов.

По амплитуде выходные импульсы усиливаются до величины, определяемой крутизной линейного участка характеристик оптического транзистора:

где
где G₀ внутренний коэффициент усиления секции формирования;
G₁ коэффициент пропускания нелинейного Фабри-Перо интерферометра;
θ фазовый угол расстройки нелинейного Фабри-Перо интерферометра;
q_o фазовый угол расстройки секции формирования;
i амплитуда интенсивности входного сигнала;
I амплитуда интенсивности выходного сигнала.

Наклон характеристики регулируется двумя параметрами θ_o и θ₁ и может быть задан при изготовлении устройства, а в дальнейшем при эксплуатации изменен с помощью напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, используя электрооптические свойства материала модулятора, или тока в лазерах 2 (одном или обоих, фиг. 1) в силу зависимости показателя преломления от уровня инжекции носителей тока.

Итак, синхронизированный ввод в фазовый модулятор оптических сигналов: входного i, и тактовой частоты i_T позволяет получить ту необходимую добавку (фиг 3) в нелинейном интерферометре, чтобы инициировать описанный выше процесс лавинообразного изменения свойств среды в фазовом модуляторе, установление резонансного состояния в ней, изменения оптической длины интерферометра, а следовательно, и секции формирования. Это, в свою очередь, вызывает резонансную настройку секции формирования сигнала, резкое возрастание интенсивности излучения внутри резонатора секции формирования и переход всего устройства в "верхнее" состояние (фиг. 2).

При выполнении ограничительных условий на параметры расстройки и, например, для θ₁ = 1,71, θ_o = 0,6 реализуется характеристика дифференциального усиления (фиг. 3). Происходит усиление оптического сигнала, сформированного в интерферометре. При работе в режиме усиления токами I₂ устанавливается значение интенсивности I₀, соответствующее рабочей точке на характеристике I f(i).

В предлагаемом устройстве в режиме дифференциального усиления крутизна характеристики определяется резонансными свойствами как нелинейного Фабри-Перо интерферометра ячейки, так,и еще в большей степени, резонансной настройкой резонатора секции формирования сигнала. Скачкообразный переход в "верхнее" состояние всего устройства, включающего два активных элемента (лазеры 2, фиг. 1), предопределяет резкое возрастание внутрирезонаторных интенсивностей света и большие величины коэффициента усиления: порядка 30-40 дБ. Важной особенностью работы устройства является возможность работы на 8-10 различных длинах волн, отстоящих друг от друга на 1,5 нм. Это свойство является следствием использования оптически связанных резонаторов лазеров (фиг. 1). Связь осуществляется и регулируется через посредство нелинейного интерферометра с изменяемым, за счет приложения напряжения τ - 1 показателем преломления среды фазового модулятора. Наличие такой регулировки по коэффициенту пропускания нелинейного интерферометра позволяет, не меняя величины токов в лазерных секциях 2, изменять частоту выходного излучения 1, т.е. частоту несущей.

Пример конкретного выполнения.

Изготовленные по традиционной технологии полупроводниковые лазеры (например, на основе трехкомпонентных твердых растворов в системе GaAs-AlAs или четырехкомпонентных InGaAsP) с верхними электродами 8 крепятся с помощью припоя (например, на основе индия) на электропроводящей подложке 9 с соблюдением параллельности зеркал 3 резонаторов лазеров 2 на одной оптической оси. Перпендикуляр но к этой оптической оси устанавливается и закрепляется таким же способом двойной инжекционный лазер 5-6, предварительно изготовленный на основе такой же полупроводниковой структуры, что и лазеры 2. Фазовый модулятор 1 из нелинейного электрооптического материала с электродами на верхнем и нижнем основаниях крепится между лазерами 2 на одной оптической оси с помощью припоя (например, индия) на электропроводящую подложку 9, служащую одновременно и теплоотводом. К верхним электродам 8 припаиваются выводы.

Предлагаемое устройство оптический регенератор может быть реализовано с насыщаемым поглотителем 6 и несколькими активными секциями, например двумя: 5 и 11 (фиг. 5), соотношение токов в которых (I_s, I_n) позволяет регулировать параметры лазера с синхронизацией мод.

Использование: изобретение относится к области обработки цифровой информации. Сущность: оптический регенератор содержит два оптически связанных активных резонатора с омическими контактами на верхних и нижних основаниях. Резонаторы выполнены с внутренними и внешними зеркалами, а между резонаторами установлен прямоугольный фазовый модулятор так, что внутренние зеркала резонаторов и фазовый модулятор образуют нелинейный Фабри-Перо интерферометр. Внутренние зеркала связанных резонаторов имеют большее пропускание, чем внешние, при этом к одной из свободных граней фазового модулятора пристыкован многоэлектродный инжекционный лазер с насыщенным поглотителем с неоднородной инжекцией тока, оптически связанный с фазовым модулятором. На верхние и нижние грани фазового модулятора нанесены омические контакты. 7 ил.

Оптический регенератор, отличающийся тем, что регенератор содержит два оптически связанных активных резонатора с омическими контактами на верхних и нижних основаниях, причем резонаторы выполнены с внутренними и внешними зеркалами, а между резонаторами установлен прямоугольный фазовый модулятор так, что внутренние зеркала резонаторов и фазовый модулятор образуют нелинейный Фабри-Перо интерферометр, причем внутренние зеркала связанных резонаторов имеют большее пропускание, чем внешние, при этом к одной из свободных граней фазового модулятора пристыкован многоэлектродный инжекционный лазер с насыщаемым поглотителем с неоднородной инжекцией тока, оптически связанный с фазовым модулятором, причем на верхние и нижние грани фазового модулятора нанесены омические контакты.