Оптический транзистор

(ЯЬд ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗО ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) АОегпезз В.С. 0(11 беб-каче беч 1 сез акогорйса соа 1 поп 1 сатоп. - 1 ЕЕЕ Зоогпа011 апт, Еесгоп;, 1981, ч, 17, М 6, р. 946-957.1 чагсаЮ Е.А, Вепбз и ор 11 са беестес9 а 1 без. - Везуз 1 ев ТесЬпоегп., 1969, ч.48, М 6, р. 2163-2132.(57) Изобретение относится к оптическойобработке информации, в частности к уст- .ройствам оптической логики, коммутации и 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 эа счет получения характери-. стик бистабильности и дифференциального усиления повышенной крутизны.На фиг. 1 представлен оптический транзистор; на фиг, 2 - то же, пример; на фиг.,З - 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 матрицыоптических транзисторов,2усиления оптических сигналов с помощью полупроводниковых структур, Целью изобретения является расширение функциональных воэможностей оптического транзистора за счет получения характеристик бистабильности и дифференциального усйления повышеннойкрутизйы. Новым в оптическом транзисторе является сочетание по крайней мере двух совместно работающих бистабильных ячеек, одна из которых выполнеча в виде по крайней мере двух полупроводниковых лазеров в обшем нелинейном кольцевом реэонатоое, а другая ячейка в .в виде оптически связанных полоскового световода и укаэанного нелинейного кольцевого резонатора. 1 з.п. ф-пы, 7 ил,Оптический транзистор (фиг. 1) содержит расположенные на общей подложке два полупроводниковых лазера 11 и 12, помещенных в нелинейный кольцевой резонатор 2. пару полосковых световодов 31 и 32, каждый иэ 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 питания, 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.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 91 и 92 этоо полоскового 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 20 транзистора предпочтительно использовать ОаАэ, где световоды образованы слоями ОзААэ - ОаАэ - ОаААз. На нижней поверхности подложки нанесен общий электрод 13. 25Оптический транзистор работает следующим образом.Для режима работы, соответствующего характеристике бистабильности, в исходном состоянии оптического транзистора 30 при отсутствии входного (внешнего) оптического сигнала значения токов 1 и 2 через полупроводниковые лазеры 11 и 12 и величины напряжений Ч 1 и Ч 2 на управляющих электродах 5 и 6 таковы, что общая интен сивность выходного излучения полупроводниковых лазеров 1 не достигает порога нелинейного эффекта в материале нелинейного кольцевого резонатора 2, причем последний находится в состоянии, далеком от 40 резонанса.укаэанноесостояние оптического транзистора по пропусканию света с входа на его выходы соответствует точке А на кривой В 1 (фиг, 4, где- интенсивность света в нелинейном кольцевом резонаторе 45 2, ЛФ - величина расстройки нелинейно го кольцевого резонатора 2), При превышении пороговой величины интенсивности света в нелинейном кольцевом резонаторе 2(путем увеличения токов 1 и 2 или измене ния напряжений Ч 1 и Ч 2) происходит переход оптического транзистора в режим работы, описываемый точками В, С и О на кривОй Я 1, 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, кривая Я 1. С дальнейшим увеличением интенсивности света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 показатель преломления и в активной области полупроводниковых лазеров 1 увеличивается по заону и = по + +п 2 (где п 2 - коэффициент нелинейности материала нелинейного кольцевого резонатора 2) происходит резкий переход полупроводниковых 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 82(фиг 4).Соответственно двум резонансным кривым й 1 и В 2 различают две гистерезисные кривые 51 и 52 (фиг. 5),При подаче входного оптического сигнала интенсивностью , 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 С (из состояния, описываемого точкой Г), 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 биста бил ьности, подобной характеристикам 51 и 32 (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 Г (фиг, 5). Сохранение устойчивого состояния устройства, соответствующее укаэанной точке режима, продолжается до тех пор, пока интенсивность света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 не будет понижена до величины мин за счет импульсного понижения величин токов 1, 2, достаточного для возвращение устройства в исходное состояние (при отсутствии внешнего оптического сигнала), Нелинейный кольцевой резонатор 2 обеспечивает как взаимосвязь между полупроводниковыми лазерами 1, подобную20 25 40 ки памяти или логической ячейки, оптического генератора, ограничителя, а также как часть, коммутационной матрицы (фиг. 2 и 7), где К 1-Кинелинейные кольцевые резонаторы 2; аР - Й -замкнутые полоско еые световоды - резонаторы, образованные четырьмя полосковыми световодами 3 в втором варианте конкретного выполнения оптического транзистора (фиг, 2), При этом 50 кольцевого резонатора полупроводниковых 55лазеров и по крайней мере одной элементарной бистабильной ячейки полосковый взаимосвязи в системе С -лазеров, так из совместную работу элементарных бистабильных ячеек полосковый еолновод 3 - нелинейный кольцевой резонатор 2, Симметричное расположение лазеров обеспечивает равнозначность всех оптических входов и выходов оптического транзистора относительно оптических сигналов, а также равномерную накачку полуколец нелинейного кольцевого резонатора 2. Условия устойчивости оптического транзистора соответствуют условиям устойчивости, принятым для Сз-лазеров и других устройств на основе оптически связанных нелинейных резонаторов, включающих в себя бистабильные оптические элементы,В режиме работы, соответствующем характеристике дифференциального усиления, оптический транзистор имеет переменную крутизну характеристики усиления, т.е. Кус = 1(8) (фиг, б), Для работы оптического транзистора е качестве усилителя оптических сигналов с указанными свойствами первоначально токами 1 и Ь полупроводниковых лазеров 1 устанавливается значение 1, соответствующее рабочей точке на характеристике Кус = Квх). Значения напряжений Ч 1 и Ч 2, а -акже величина входного оптического сигнала таковы, что оптический транзистор при резком возрастании интенсивности света внутри нелинейного кольцевого резонатора 2 еще не переходит в бистабильный режим работы, а работает как оптический усилитель с коэфФициентом усиления 10 з - 10,Расширение функциональных возможностей оптического транзистора за счет получения характеристик бистабильности и дифференциального усиления позволяет его исполйзовать в качестве активной ячейповышение крутизны характеристик бистабильности и дифференциального усиления обусловлено взаимосвязанной самосогласованной работой оптически связанных посредством внешнего нелинейного 5 10 30 35 сеетовод - нелинейный кольцевой резонатор.Дополнительный положительный эффект состоит в возможности переизлучениявходного (внешнего) оптического сигнала ввыходной оптический сигйал с иным (чем увходного сигнала) набором частот, Выборомнапряжения можно добиться дискретногосовпадения собственных частот излученияполупроводниковых лазеровс частотамивходного сигнала. Возможна одновременная работа оптического транзистора на 8-10длинах волн, отстоящих друг от друга наинтервал 1,5 нм в диапазоне длин волн+15нм. При частотной фильтрации оптическихсигналов, передаваемых оптическим транзистором, можно свести к минимуму уширение передаваемых оптических импульсов.Формула изобретения1, Оптический транзистор, содержащийрасположенные на общей подложке нелинейный кольцевой резонатор и по крайнеймере одну пару полосковых световодов,каждый из которых имеет область оптической связи с нелинейным кольцевым резонатором, причем соответствующие пареполосковых светоеодов областй оптическойсвязи расположены диаметрально противоположнодругдругу, отл ича ю щий с ятем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет получения характеристик бистабильности и.дифференциального усиления повышеннойкрутизны, е устройство дополнительно введены по крайней мере два полупроводниковых лазера, расположенные в нелинейномкольцевом резонаторе вне областей оптической связи, при этом каждая область оптической связи и каждый участок нелинейногокольцевого резонатора, находящийся между полупроводниковыми лазерами и областями оптической связи, снабженыуправляющими электродами.2. Транзистор по п, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что содержит четыре полупроводниковых лазера и две пары полосковых светоеодов, причем участок каждого изполосковыхсветоводов, соответствующий области оптической связи с нелинейным кольцевымрезонатором, образует угол 45 с каждым изконцевых участков данного полосковогосеетовода, а соседние концевые участки полосковых световодов имеют четыре областивзаимной оптической связи, снабженныеуправляющими электродами и расположенные попарно противоположно на двух взаимно перпендикулярных диаметральныхпрямых,1755246 оставитель В,Ежовехред М,Моргента едактор И.Сегля ректор С.Пекарь тельский комбинат "Патент", г. Ужгород оизводствен гарина, 1 аэ 289 ВНИИ Тираж ГЬсударственного к 113 ОЗ 5; МПодписное итета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ ССС ва, Ж, Раушская наб., 4/5