НЕЛИНЕЙНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 1998 года по МПК G02F3/00 

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

Преимущественной областью применения являются волоконнооптические системы связи и передачи информации (ВОССПИ), схемы вычислительной техники, устройства записи информации на диски.

Известно устройство - нелинейной интерферометр Фабри-Перо (ИФП) (Tooley F.A.P. et al., High Gain Signal Amplification in an InSb Transfasor at 77K// Appl. Phys. Lett.-1983. - Vol.43, N 9. - P 807-809) представляющее собой оптический нелинейный фазовый модулятор с зеркалами, выполненный на полупроводниковом материале InSb.

Используя оптимальную 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 (ОС) в 40 дБ. Этот прибор получил название трансфазор. Его достоинствами являются : малогабаритность (диаметр 200 мкм, длина 600 мкм), высокий коэффициент усиления.

Недостатки :
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. Известен микрорезонатор поверхностно-излучающего лазерного диода (S. Kinoshita, K. Iga, Circular Buried Heterostructure GaAlAs/GaAs Surface Emitting Lasers//IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-23, N 6, 1987, pp. 882-888), который позволяет вывести сформированный Нелинейным Оптическим Транзистором (Нел.ОТ) оптический сигнал (ОС) в вертикальном направлении, причем активная область этого лазерного диода является активной областью лазера ОТ. Зеркало ОТ, имеющие 100% коэффициент отражения, ограничивает выход излучения с торцов ОТ. Излучение захватывается зеркалами микрорезонатора, стимулируя излучение в вертикальном направлении через верхнее зеркало
Известен оптический транзистор (ОТ), в принципе, позволяющий коммутировать ОС с усилением или запоминать ОС (Ломашевич С.А., Быстров Ю.Л. Концепция оптического транзистора // Ж.П.С. - 1991. - т. 55, 1 3. - с. 485-490).

Достоинствами этого прибора являются:
высокий коэффициент усиления;
два входных и два выходных канала;
возможность функциональной перестройки без изменения конструкции.

Недостатки следующие :
высокая расходимость выходного луча (θ_⊥ ≈ 30);
отсутствие круговой симметрии
недостаточный частотный интеграл между модами для реализации строгой одномодовости в выходном пучке;
промежуточный и окончательный технологический контроль и измерения параметров возможны только при выкаливании образцов.

В основу изобретения положена задача создания технологичного, активного, с высокой чувствительностью, управляемого входными ОС, коммутирующего, усиливающего и запоминающего устройства, перестраиваемого с помощью электрических регулировок, обладающего узким и симметричным выходным одномодовым лучом. Поставленная задача решается тем, что согласно изобретению лазерные диоды выполнены поверхностно излучающими и ограничены зеркалами, в области лазеров образованы микрорезонаторы Фабри-Перо с вертикальной оптической осью с помощью многослойных брэгговских отражателей, на торцевые грани нанесены покрытия, доводящие коэффициенты отражения зеркал до единицы, над волноводом фазового модулятора (ФМ) образована решетка распределенного брэгговского отражателя, на нижнем основании нанесен секционный электрод.

Таким образом, использование микроинтерферометров (МФ) Фабри-Перо, увеличение степени отражения торцевых зеркал до 100%, образование обратной связи в фазовом модуляторе (ФМ) и объединение Интерферометра Фабри-Перо (ИФП), имеющего горизонтальную оптическую ось с вертикально расположенными микрорезонаторами в единую оптическую систему с общей активной средой, управляемую ФМ, позволяет устройству приобрести новые свойства, отличные от свойств прототипа.

В предлагаемом устройстве ОТ образован двумя лазерами и ФМ, заключенными между ними. При поступлении ОС в ФМ ОТ и, превышении некоторой пороговой величины интенсивности света, происходит просветление ФМ за счет нелинейных свойств материала - настройка в резонанс.

В предлагаемом устройстве ОТ используется как оптическая бистабильная ячейка и накопитель оптической энергии.

ФМ играет роль внутрирезонаторного нелинейного ИФП, оптическая длина которого зависит от интенсивности суммарного излучения. ФМ изменяет оптическую длину резонатора ОТ и изменяет его добротность, что приводит к изменению величины порогового тока лазерной генерации и позволяет пройти порог генерации, т.е. получить лазерный режим.

Первый каскад усиления - ФМ - 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 ФМ: I' - G₁i и сигнала, прошедшего в резонаторе ОТ и усиленного в G_o раз: I = G_oG₁i происходит изменение показателя преломления резонатора ОТ, что в конечном итоге приводит к функции ОТ (Ломашевич С.А. и др. Оптический Транзистор //Труды Конф. Оптоэлектроника-89 -1989. - Баку - с.106-107):

где

i, I - соответственно входная и выходная интенсивности;
G₀ - внутренний коэффициент усиления ОТ;
G - коэффициент передачи ФМ;
G = 3/(3- θ²) )
θ_o - фазовый угол расстройки ОТ;
θ - фазовый угол расстройки ФМ.

В обобщенных координатах коэффициент передачи нелинейного интерферометра Фабри-Перо в зависимости от величины выходной интенсивности представляется следующим образом (Ломашевич С.А. К проблеме прямого усиления и коммутации оптических сигналов.// Электросвязь. - 1992. - N 11. -c. 14-17):

где δ_o - начальная расстройка интерферометра МР.

В Нел. OT формирование выходного ОС происходит при срабатывании двух резонатор : ИФП ОТ и МР, работающих в нелинейном режиме с реализацией ОБ характеристик. В этом случае зависимость I = f(i) для Нел. ОТ записывается следующим образом

где

Формула 3 полностью описывает функциональные возможности Нел. OT, что следует из графиков, построенных на основе формулы 3 и представленных далее.

Объединение рассмотренных элементов в единую оптическую систему и реализация характеристик и свойств, которыми не обладает ни один из рассмотренных элементов, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен предлагаемый Нелинейный Оптический Транзистор, состоящий из OT, ограниченного зеркалами 1, поверхностно излучающих лазерных диодов ограниченных зеркалами 2 и 3. Позиции 4 обозначает область генерации - активную зону. Фазовой модулятор 5 обеспечивает управление устройством и ввод ОС, обратная связь в ФМ обеспечена брэгговской решеткой 6. Подложка - 7, электроды - 8 - 10. Направление волн в Нел. OT обозначено стрелками, замыкающими область распространения этих оптических лучей.

На фиг. 2 показана возможная полупроводниковая структура Нел. ОТ J₁, J₂ - обозначают токи накачки лазеров, U-напряжение на ФМ.

На фиг. 3 изображены мультистабильные характеристики при значении параметров G_o=10. θ_o = 1.73, δ_o= 7,5 - сечение поверхности i=f(I, θ_o плоскостью θ_o = 1,730.

На фиг. 4 представлена характеристика Нел. ОТ при G_o=10, δ_o= 2,73, , θ_o = 1.73. Во 2-ом порядке - характеристика дифференциального усиления.

На фиг. 5 при значении параметров G_o=50, θ_o= 1,13, δ_o= 1,05 = 1.13, θ_o и δ_o. реализовано дифференциальное усиление в 1-ом порядке при низком уровне накачки I_o = 0.01. Нел. ОТ работает в качестве усилителя с усилением определяемым наклоном линейного участка AB K уч. = , dI/di, который зависит от параметров θ_o
На фиг. 6 и 7 представлены ОБ характеристики с большой площадью гистерезисной петли при значении параметров δ_o= 0,7, = 1.73, θ_o, , G_o = 100 (фиг. 6), F|G_o=10⁴ (фиг. 7).

Поясним сущность рассматриваемых далее явлений. Эффект Оптический Бистабильности (ОБ) проявляется в нелинейных средах с показателем преломления, зависящим от интенсивности: n = n_o + n₂I 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 зеркалами ИФП и МР, так и отдельные элементы : ФМ, ИФП, МР (Быстров Ю.П., Ломашевич С. А. , Светиков Ю.В. Оптический транзистор - новый функциональный элемент техники ВОСП //Электросвязь. - 1992. - N 1. -c. 22-25). Существенным для работы прибора является то, что первоначальный отклик системы на входное излучение, происходящий во входном ОТ 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 ОБ. Предусиление - усиление - так упрощенно можно охарактеризовать последовательное формирование выходного сигнала в системе.

Устройство работает следующим образом.

Величины токов через лазеры J₁ и J₂ (фиг. 2) выбираются такими, чтобы интенсивность оптического излучения в ФМ, являющимся по существу ФМ всей системы, не превышала порогового значения интенсивности нелинейного эффекта в материале ФМ. Первоначально резонатор ОТ 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 ОТ, изменение показателя преломления из-за изменения напряженности электрического поля в области ФМ) происходит просветление ФМ и ОТ за счет нелинейных свойств материала- настройка в резонанс. Если выполняется зависимость n = n_o + n₂I_p, то при достижении пороговой величины I_o влияние второго слагаемого оказывается значительным и система начинает автоматически подстраиваться к резонансу, причем процесс развивается лавинообразно из-за высокой добротности резонатора ОТ и обратной связи в ОТ, обеспечиваемой зеркалами 1. Излучение изменяет оптическую длину nL (L - расстояние между зеркалами 1 по направлению к резонансу, увеличивается внутреннее поле I_p, что еще больше изменяет показатель преломления, увеличивает и система стремиться к резонансному состоянию. При этом 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 увеличивается мощность светового поля в системе.

В первоначальном состоянии ИФП и ОТ рассмотрены, суммарной мощности лазеров недостаточно для превышения порога нелинейных эффектов, при этом величина внешнего оптического сигнала оказывается достаточно, чтобы вызвать описанный процесс изменения свойств ФМ и всей системы, что в конечном итоге завершается переходом системы в "верхнее" по интенсивности света состояние. Следует отметить, поскольку ячейка ФМ-ИФП является бистабильной с обратной связью, осуществляемой зеркалами 1, то перекачка энергии входного сигнала, усиленного в ОТ, в микрорезонатор происходит скачком и поэтому с самого начала процесса отклика (система на входное возмущение), формирование выходного сигнала определяется срывными с высокой крутизны характеристиками, замкнутыми в самосогласованный цикл: бистабильный срыв передаваемого сигнала возбуждает резкий рост интенсивности в МР (с вытекающими последствиями, описанными ранее), но это возрастание интенсивности воспринимается поверхностно излучающим лазерным диодом, как увеличение интенсивности оптической накачки, т.е. событие еще более ускоряющее срыв в "верхнее" состояние. Причем, ввиду усиления оптической связи между ИФП и МР эффект оказывается самоподдерживающимся и ускоряющимся в направлении увеличения интенсивности внутри системы.

Так реализуются характеристики, позволяющие использовать предлагаемое устройство как ячейку памяти, либо как оптической "триод". Перестройка достигается с помощью электрических регулировок через электроды : изменением электрического поля в ОМ, а также - контролем над величинами токов в лазерах.

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.

В предлагаемом устройстве 4 параметра (G, G_o δ_o ) оказывает влияние на вид характеристик Нел. ОТ. Наиболее важными является G_o - коэффициент внутреннего усиления, θ_o - фазовый угол расстройки От, δ_o - фазовый угол начальной расстройки микрорезонатора. Изменение величины этих параметров производится с помощью : G_o - изменением токов накачки лазеров J₁ и J₂, θ_o - напряжения на ФМ, δ_o - уровнем электрической накачки, т.е. изменением концентрации носителей в активной области.

Изменение параметра позволяет реализовать широкий спектр бистабильных характеристик с резко изменяемой площадью гистерезисной петли при любых значениях параметров G, θ_o, δ_o.
Функциональная перестройка Нел. ОТ, осуществляемая параметрами θ_o и δ_o при фиксированных значениях G_o отражена на графиках фиг. 3-7. Мультистабильный характер отклика оптической системы Нел. ОТ представлен на фиг. 3 и 4. На фиг. 3 - оптическая стабильность в двух порядках - это позволяет проводить запоминание ОС резкого уровня, либо проводить селекцию и запоминание ОС различной интенсивности, равно как и использование ОБ 2-го порядка для работы в режиме совпадения при одновременной подачи на входе двух ОС. График фиг. 4 обладает памятью в 1-ом порядке и дифференциальным усилением во втором.

Режим низкопорогового дифференциального усиления для G_o=50 реализуется при значении параметров θ_o = 1.13, δ_o= 1,05. . Это чисто триодный режим - усиление и разветвление (переключение) ОС по каналам.

Увеличение внутреннего коэффициента усиления до значений 10² (фиг. 6) и 10⁴ (фиг. 7) позволяет получить ОБ характеристики с большой площадью гистерезиса, что привлекательно для конструирования устройства памяти выходных сигналов, а также стабильной по отношению к флуктуациям внутреннего оптического поля и устойчивой к помехам оптической памяти.

При определенных значениях параметров θ_o и δ_o ОБ характеристики фиг. 6 и 7 трансформируются в характеристики дифференциального усиления с большим диапазоном, что свидетельствует о возможности использования Нел. ОТ в качестве бустерного выходного устройства, коммутирующего ОС.

Подведем итог. Входной ОС (или входные ОС), поступающий на любой из двух входных оптических контактов (или на оба входа одновременно вызывает просветление ФМ, обратная связь в котором осуществляется брегговской решеткой. При этом излучения лазеров оказываются оптически связанными, что приводит к увеличению интенсивности излучения в ИФП и подстройке к резонансу. Как следствие этого происходит увеличение оптического поля в активной области, переход в режим лазерной генерации, захват излучения зеркалами микрорезонатора, инициирование нелинейных эффектов в системе, резкому возрастанию внутреннего оптического поля в системе при ее настройке в резонанс. При этом через выходные зеркала 2 (фиг. 1) излучается усиленный сигнал 1.

В режиме памяти система переходит в верхнее по интенсивности света состояние (фиг. 3 и 4).

Итак, входной ОСⁱ, поступающий на любой (или на оба одновременно) вызывает просветление ФМ (ограниченного зеркалами 1) ОТ, подстройку ФМ к резонансному состоянию, как следствие - подстройку к резонансу ОТ, увеличение излучения лазеров ОТ, увеличение оптического поля в области ОТ, МР, перекачку энергии в МР, что приводит к инициированию нелинейных эффектов в среде, перестройку к резонансу, включение в режиме лазерной генерации лазеров ОТ, усиление формируемого ОС в ОТ, еще большее усиление оптического поля в МР, передача этого возмущения по цепи обратной связи в активную среду и ОТ и т. д. . . . повторение процесса. В результате, усиленный сигнал I излучается с любого из выходов или одновременно с обоих.

Пример конкретного выполнения.

Материалы, используемые для изготовления устройства: трехкомпонентные (например AlGaAs) и четырехкомпонентные (например, InGaAsP) твердые растворы, композиционный состав который зависит от диапазона перекрываемых длин волн оптического излучения. Технологические процессы : жидкостная, газофазная, мосгидридная и молекулярно-лучевая эпитаксии. Конструкция и структура активных ячеек в составном (гибридном) варианте изготовляются по вышеуказанной технологии и устанавливаются в протравленные окна в устройство. 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 всей активной зоне. Формирование такого активного слоя по вертикали происходит при росте гетероструктуры, в планарном плане ограничение активного слоя производится за счет размеров контактных площадок. Другим вариантом ограничения является изготовление узкого активного слоя в погруженной зарощенной гетероструктуре.

2. В интегрально-оптическом варианте зеркала ФМ 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 квантоворазмерных структурах.

В заключении отметим основные особенности предлагаемого устройства :
1. Возможность усиления ОС и коммутации этих сигналов в плоскости, перпендикулярной к плоскости входного луча.

2. Возможность управления различными функциями Нелинейного Оптического Транзистора с помощью параметров, определяемых зависимости i=f(I, G_o, θ_o, δ_o ) и подчиненных электрическому контролю через электроды устройства.

3. Большой динамический диапазон относительно интенсивности выходных ОС при значении параметра G_o ≥ 10².

4. Способ введения входных ОС в ФМ ОТ позволяет избежать точного совпадения частот ОС и ИФП ОТ.

5. Высокий (более 40 дБ) коэффициент усиления, высокая чувствительность.

6. Круговая симметрия одномодовость и малая расходимость выходного луча, что весьма важно для ввода излучения в оптический кабель.

7. Конструкция устройства позволяет на различных этапах изготовления проводить контроль параметров без разрушения образцов.

Использование: в области обработки информации. Сущность изобретения: нелинейный оптический транзистор состоит из двух лазерных диодов, фазового модулятора между ними и электродами над этими элементами. Лазерные диоды являются поверхностно излучающими и ограничены зеркалами. В области лазеров образованы микрорезонаторы Фабри-Перо с вертикальной оптической осью с помощью многослойных брэгговских отражателей. На торцевые грани нанесены покрытия, доводящие коэффициенты отражения зеркал до единицы, над волноводом фазового модулятора образована решетка распределенного брэгговского отражателя, на нижнем основании нанесен секционный электрод. 7 ил.

Нелинейный оптический транзистор, состоящий из двух лазерных диодов, фазового модулятора между ними и электродами над этими элементами, отличающийся тем, что лазерные диоды выполнены поверхностно излучающими и ограничены зеркалами, в области лазеров образованы микрорезонаторы Фабри-Перо с вертикальной оптической осью с помощью многослойных брэгговских отражателей, на торцевые грани нанесены покрытия, доводящие коэффициенты отражения зеркал до единицы, над волноводом фазового модулятора образована решетка распределенного брэгговского отражателя, на нижнем основании нанесен секционный электрод.