Оптический транзистор Советский патент 1992 года по МПК G02F3/00 G06E3/00 

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 за счет получения характеристик бистабильности и дифференциального усиления повышенной крутизны.

На фиг. 1 представлен оптический транзистор; на фиг. 2 - то же, пример; на фиг. 3 - 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

Оптический транзистор (фиг. 1) содержит расположенные на общей подложке два полупроводниковых лазера 1i и 1а, помещенных в нелинейный кольцевой резонатор 2. пару полосковых световодов 3i и 32, каждый из 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 пи тания, 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.

СЛ 01 Ю О

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 све- товода 3, соответствующий области оптической связи данного полоскового световода с нелинейным кольцевым резонатором 2, образует угол 45° с каждым из концевых участков 9i и Эа этргр прлоскового светово- да. Соседние концевые участки полосковых световодов 3 имеют четыре области взаимной оптической связи, которые снабжены управляющими электродами 10 и расположены попарно противоположно (относи- тельно 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 И и h через полупроводниковые лазеры 11 и 1а и величины напряжений Vi и V2 на управляющих электродах 5 и б таковы, что общая интен- сивность выходного излучения полупроводниковых лазеров 1 не достигает пярога нелинейного эффекта в материале нелинейного кольцевого резонатора 2, причем последний находится в состоянии, далеком от резонанса. Указанное состояние оптического транзистора по пропусканию света с входа на его выходы соответствует точке А на кривой RI (фиг. 4, где - интенсивность света в нелинейном кольцевом резонаторе 2, АФ - величина расстройки нелинейного кольцевого резонатора 2). При превышении пороговой величины интенсивности света в нелинейном кольцевом резонаторе 2 (путем увеличения токов И и г или измене- ния напряжений Vi и Va) происходит переход оптического транзистора в режим работы, описываемый точками В, С и D на кривой RI, т.е. происходит настройка кольцевого резонатора 2 в резонанс за счет про- светления последнего. До перехода полупроводниковых лазеров 1 в режим стимулированного излучения г.м.т., описывающих режим работы оптического транзистора, является, таким образом, KDJI-

вая RI. С дальнейшим увеличением интенсивности света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 показатель преломления п в активной области полупроводниковых лазеров 1 увеличивается по закону п по + +П21 (где па - коэффициент нелинейности материала нелинейного кольцевого резонатора 2) происходит резкий переход полупро- водниковых лазеров 1 в режим стимулированного излучения, что, в свою очередь, еще больше увеличивает интенсивность света в нелинейном кольцевом резонаторе 2, что вызывает переброс рабочей точки оптического транзистора на резонансную кривую R2 (ф/г. 4).

Соответственно двум резонансным кривым RI и R2 различают две гистерезисные кривые Si и $2 (фиг. 5).

При подаче входного оптического сигнала интенсивностью Вх, величина которой соответствует такому дополнительному увеличению оптической интенсивности в нелинейном кольцевом резонаторе 2, которое инициирует рассмотренный процесс лавинообразного изменения свойств нелинейного материала в кольцевом резонаторе 2, что в конечном итоге вызывает переход оптического транзистора в состояние, описываемое точкой Q (из состояния, описываемого точкой F). Поскольку каждая элементарная ячейка полосковый волновод 3 - нелинейный кольцевой резонатор 2 является бистабильным элементом с положительной обратной связью, осуществляемой через нелинейный кольцевой резонатор 2, то перекачка энергии света в последний также происходит скачком (по характеристике бистабильности, подобной характеристикам Si и $2 (на фиг. 5). В свою очередь, указанный бистабильный срыв перекачиваемого сигнала возбуждает резкий рост интенсивности света в нелинейном кольцевом резонаторе 2, что означает увеличение интенсивности света для бистабильной ячейки полосковый волновод 3 - нелинейный кольцевой резонатор 2, еще более ускоряющее резкость перехода оптического транзистора в состояние, описываемое точкой F (фиг. Б). Сохранение устойчивого состояния устройства, соответствующее указанной точке режима, продолжается до тех пор, пока интенсивность света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 не будет понижена до величины 1мин за счет импульсного понижения величин токов И, 12, достаточного для возвращение устройства в исходное состояние (при отсутствии внешнего оптического сигнала). Нелинейный кольцевой резонатор 2 обеспечивает как взаимосвязь между полупроводниковыми лазерами 1, подобную

взаимосвязи в системе С -лазеров, так и совместную работу элементарных биста- бильных ячеек полосковый волновод 3 - не- линейный кольцевой резонатор 2. Симметричное расположение лазеров обес- печивает равнозначность всех оптических входов и выходов оптического транзистора относительно оптических сигналов, а также равномерную накачку полуколец нелинейного кольцевого резонатора 2. Условия ус- тойчивйсти оптического транзистора соответствуют условиям устойчивости, принятым для С3-лазеров и других устройств на основе оптически связанных нелинейных резонаторов, включающих в себя биста- бильные оптические элементы.

В режиме работы, соответствующем характеристике дифференциального усиления, оптический транзистор имеет переменную крутизну характеристики уси- ления, т.е. Кус f(IBx) (фиг 6) Для работы оптического транзистора в качестве усилителя оптических сигналов с указанными свойствами первоначально токами И и г полупроводниковых лазеров 1 устанавлива- ется значение I, соответствующее рабочей точке на характеристике Кус f(lex). Значения напряжений Vi и Va, а также величина входного оптического сигнала таковы, что оптический транзистор при резком возра- станин 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 использовать в качестве активной ячей- ки памяти или логической ячейки, оптического генератора, ограничителя, а также как часть коммутационной матрицы (фиг. 2 и 7), где Ki-Ki4 -- нелинейные кольцевые резонаторы 2; а Qi - Gb - замкнутые полоско- вые световоды - резонаторы, образованные четырьмя полосковыми световодами 3 в втором варианте конкретного выполнения оптического транзистора (фиг 2). При этом повышение крутизны характеристик биста- бильности и дифференциального усиления обусловлено взаимосвязанной самосогласованной работой оптически связанных посредством внешнего нелинейного кольцевого резонатора полупроводниковых лазеров и по крайней мере одной элементарной бистабильной ячейки полосковый

световод - нелинейный кольцевой резонатор.

Дополнительный положительный эффект состоит в возможности переизлучения входного (внешнего) оптического сигнала в выходной оптический сигнал 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 им э диапазоне длин волн ±15 нм. При частотной фильтрации оптических сигналов, передаваемых оптическим транзистором, можно свести к минимуму ушире- ние 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 области оптической связи расположены диаметрально противоположно друг другу, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет получения харак- теристикбистабильностии 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, отличающий- с 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.

to r

(M LO LD

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 нетя- нейного кольцевого резонатора. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

h

§ 4

„fopjrwf cffcmffjwe 9

Я,

rfqarAfpe госталме

fie/e. 5

1вых.

О

Sx. им/губы/

Вых. vrtny/нгсы

t Ifa.

фиг 6

(