DE68920255T2 - Opischer Apparat. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine optische Vorrichtung und insbesondere eine optische Speichervorrichtung, die Daten ohne jegliche Umwandlung in Elektronik in optischer Form einschreibt, speichert und ausliest.
Hintergrund der Erfindung
• Es wird allgemein akzeptiert, daß die Erfordernisse für Telekommunikationsnetze und Breitbanddienste erhöhte Anforderungen an die Fähigkeit verschiedener Bauteile, mit höheren Geschwindigkeiten und größeren Bandbreiten zu arbeiten, stellen. Um diesem neuen Erfordernis zu genügen, wird in Telekommunikationsnetzen immer mehr Gebrauch von optischer Fasertechnik gemacht.
• Telekommunikationssysteme benutzen jedoch immer noch viele herkömmliche Elektronikvorrichtungen, die nicht mit optischen Signalen arbeiten können. Zur Verarbeitung der übertragenen Information sind daher Elektronik-Optik und Optik-Elektronik-Umwandlungen erforderlich.
• Es ist klar, daß jede Vorrichtung, die die Anzahl von erforderlichen Umwandlungen reduziert, gegenwärtig nicht erreichbare Vorteile bieten würde.
• Es stehen gegenwärtig bistabile optische Schalter zur Verfügung, die eine niedrige Schaltenergie aufweisen. In einer solchen Vorrichtung wird die optische Schaltenergie durch die Anwendung eines Materials erreicht, das Licht absorbieren kann, um einen Fotostrom zu erzeugen. Eine auf den Fotostrom reagierende Spannung ist an eine Struktur mit einem Halbleiter-Quantenmuldengebiet angelegt, um zu bewirken, daß sich die optische Absorption des Halbleiter-Quantenmuldengebiets als Reaktion auf Veränderungen des Fotostromes ändert. Zusätzlich können die Veränderungen der Absorption im Halbleiter-Quantenmuldengebiet die Absorption des zur Lichtabsorption fähigen Materials beeinflussen, um einen Rückkopplungsweg bereitzustellen, der nichtlineare und bistabile optische Betriebsbedingungen ergibt.
Kurze Darstellung der Erfindung
• Nach den Ansprüchen ist diese Erfindung eine optische Speichervorrichtung, in die Daten ohne jegliche Umwandlung in Elektronik in optischer Form geschrieben, gespeichert und ausgelesen werden. Die durchgeführten Funktionen wie Auslesen, Rücksetzen und dergleichen können über elektronische Mittel, optische Mittel oder eine Kombination der beiden stattfinden. Die inhärente Bistabilität/Hysterese, die für die Speicherfunktion benötigt wird, wird mit einer Laserstruktur erhalten, die einen sättigbaren Absorber enthalten kann.
• In der Erfindung kann ein elektrisch oder optisch gesteuerter Richtkopplerschalter benutzt werden, der zum Auslesen und Rücksetzen des Speichers an einen Laserresonator angekoppelt ist. Dieses Ausleseverfahren ermöglicht, daß der Speicherzustand mit höherem Wirkungsgrad germessen wird, als mit heutigen Vorrichtungen möglich ist.
• Zusammengefaßt kann die hier offenbarte optische Vorrichtung folgende spezifische Glieder umfassen: ein Mittel für optische Verstärkung; einen sättigbaren Absorber; einen statischen Wellenleiter-Richtkoppler; einen schaltbaren Richtkoppler; ein Paar reflektierender Flächen zum Bilden des Laserspeicherresonators; die für die Auslese-Rücksetzsteuerung des schaltbaren Richtkopplers erforderlichen elektrischen Potentiale; oder, in dem Fall, wo der schaltbare Richtkoppler optisch gesteuert wird, optische Signale zur Einleitung der Auslese-Rücksetzfunktion.
• Die oben angeführten Glieder können entweder Volumen- oder Wellenleiter-Optovorrichtungen sein und können entweder hybridkombinierte diskrete Einheiten oder integrierte Einheiten oder Kombinationen davon sein. Zur Realisierung der verschiedenen Glieder bestehen verschiedene Materialtechniken. Eine integrierte Ausführungsform kann aus einem Halbleitermaterial beispielsweise des binären Systems GaAs, des ternären Systems InGaAs oder des quaternären Systems InGaAsP realisiert sein. Es ist zu bemerken, daß sich der Stand der Technik für diese Materialtechnologien für optische Anwendungen schnell entwickelt. Hybride Realisierungen sind ebenfalls attraktiv, und die Durchführbarkeit dieser Realisierungen ist vor kurzem durch eine Kombination aus Halbleitervorrichtungen, optischen Glasfasern und integrierten Optobauteilen aus Lithiumniobat demonstriert worden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• In der Figur ist eine schematische Darstellung der Erfindung gezeigt.
Detaillierte Beschreibung
• Bezugnehmend auf die Figur trägt ein Chip 10, das ein elektrooptisches Substrat wie LiNbO3, GaAs oder dergleichen sein kann, drei Wellenleiter 12, 14, 16. Der Wellenleiter 12 im elektrooptischen Substrat 10 ist an einem Ende an einen zweiten Chip 18 und am anderen Ende an eine reflektierende Fläche 20 angekoppelt. Der zweite Chip 18 umfaßt einen optischen Verstärkungsteil 22 und einen sättigbaren Absorber 24. Am Ende des optischen Verstärkungsteils des Chips 18 befindet sich eine zweite reflektierende Fläche 26. In Kombination mit dem Wellenleiter 12 und den zwei reflektierenden Flächen 20, 26 bildet der Chip 18 einen Laserresonator. Die reflektierenden Flächen 20, 26 können hochpolierte Oberflächen, optische Gitter mit einer periodischen Veränderung der Brechungszahl zur Bereitstellung einer verteilten Rückkopplung, um als reflektierende Fläche zu wirken, und dergleichen umfassen.
• Der Chip 18 ist ein laserähnlicher Chip, in dem eine Elektrode an dem Teil des Chips, der als Verstärkungsgebiet 22 wirkt, plaziert ist. Das zweite Gebiet 24, das eine Länge von einigen wenigen Zehntel pm aufweisen kann, weist keine Elektrode auf und wirkt als sättigbares absorbierendes Gebiet.
• Der mittlere Wellenleiter 12 bildet einen Richtkoppler 28 mit dem Wellenleiter 14 und einen zweiten Richtkoppler 30 mit dem Wellenleiter 16. Die physikalischen Lagen der Richtkoppler sind willkürlich. Sie können zusammen in der Mitte des Chips 10, wie in der Figur dargestellt, liegen, oder sie können an unterschiedlichen Orten entlang dem mittleren Wellenleiter 12 ausgebildet sein.
• In LiNbO&sub3; kann der Wellenleiter 12, 14, 16 durch Titandiffusion oder dergleichen gebildet sein. Die Enden der Wellenleiter 14, 16 sind mit einem Antireflexbelag beschichtet. Ein Ende 32 des Wellenleiters 12 ist ebenfalls mit einer Antireflexfläche beschichtet, und der Chip 18 kann mittels einer kurzen Faserlänge oder durch Stoßankopplung daran befestigt sein.
• Der Richtkoppler 30 kann je nach Anwendung der Vorrichtung ein fester oder schaltbarer Koppler sein. Die schaltbare Version ist in den Fällen nützlich, in denen der Speicher unter Benutzersteuerung zu "beschreiben" oder anzusteuern ist. Wenn ein fester Koppler benutzt wird, wird der Speicher automatisch angesteuert. Bei seiner Auswahl kann ein typischer Koppelwirkungsgrad ungefähr 20% betragen. Zur Erleichterung der Verbindung der Vorrichtung zum Empfang und zur Übertragung von Signalen können Anschlußfasern 34, 36 an die Enden des Wellenleiters 14 angeschlossen werden und Anschlußfasern 38, 40 können an die Enden des Wellenleiters 16 angeschlossen werden.
• Eine Lesesteuerung 42 ist zur Steuerung der Spannung, die an den Richtkoppler 28 angelegt wird, angekoppelt. Eine Schreibsteuerung 44 ist zur Steuerung der Spannung, die an den Richtkoppler 30 angelegt wird, angekoppelt.
• Die "Schreib-" und " Lese- "Vorgänge der Erfindungen sind wie folgt: ausgehend vom Rücksetzzustand wird das Verstärkungsmedium 22 über Strommjektion auf einen Ansteuerstrompegel hochgepumpt, der knapp unterhalb des Sättigungspegels des sättigbaren Absorbers 24 und daher unterhalb des Schwellwerts für die Laserwirkung des durch die Spiegel 20, 26 definierten und den Wellenleiter 12 enthaltenden Laserresonators liegt. Die Lichtstärke im mittleren Wellenleiter 12 ist daher sehr gering. Wenn am Eingangswellenleiter 38 oder 40 des Wellenleiters 16 ein optischer Datenimpuls auftritt (der das Auftreten einer logischen 1 anzeigt), wird er über den Koppler 30 mit einem Wirkungsgrad von ηq in den mittleren Wellenleiter und Laserresonator 12 eingekoppelt. Dieses optische Signal wird von der reflektierenden Fläche 20 zurückreflektiert und zum sättigbaren Absorber 24 hin gelenkt. Wenn diese zusätzliche Lichtenergie den sättigbaren Absorber erreicht, vollendet sie die Sättigung und bewirkt, daß der Absorber 24 transparent wird und Lichtenergie frei zwischen den reflektierenden Flächen 20, 26 umläuft. So wird die vom Verstärkungsgebiet 22 abgegebene Lichtenergie von der reflektierenden Oberfläche 20 zurückreflektiert, um angeregte Emission und Laserwirkung zu verursachen. Nach Einleitung der Laserwirkung ist das optische Eingangssignal nicht länger erforderlich, da der Laserlichtenergiepegel zur Erhaltung des Sättigungszustands ausreicht. So sind die optischen Daten "eingeschrieben" und bleiben durch den Laserzustand des Lasers in optischer Form erhalten oder werden gespeichert. Wäre das ankommende Signal ein optischer "Aus-pegel (eine logische 0) gewesen, dann wäre der Laser im Nicht-Laser-Zustand geblieben.
• Wenn in dieser Anmeldung der Ausdruck optisch oder Lichtenergie benutzt wird, ist damit Photonenenergie gemeint, die in einem Bereich liegen kann, der sich vom Infraroten bis zum Ultravioletten oder zu jeder anderen Wellenlänge im elektromagnetischen Spektrum erstreckt, die über eine Faser übertragen werden kann.
• Um die gespeicherte Information auszulesen, wird der optische Zustand des Speicherelements (der von den Spiegeln 20, 26 definierte Laserresonator) über den schaltbaren Koppler 28 gemessen. Der Koppler 28 ist normalerweise so konditioniert, daß er sich im "Durchlaß-"Zustand befindet. Das heißt, Lichtenergie verläßt den Laser normalerweise nicht. Um den Zustand des Lasers zu messen, wird der schaltbare Koppler 28 von der Lesesteuerung 42 in den Überquerungs-Zustand versetzt, wenn der Koppler 28 eine elektrooptische Vorrichtung ist, so wie sie aus LiNbO&sub3; oder GaAs hergestellt werden kann, und der Schaltzustand des Kopplers durch Anlegen einer entsprechenden Spannung ausgewählt wird. Wenn anstatt elektrischer Steuerung optische Steuerung gewünscht ist, kann der Chip 10 aus einem organischen Polymer oder sonstigem optischen nichtlinearen Material bestehen. In diesem Fall würde der schaltbare Koppler 28 von einem getrennten Steuerstrahl optisch angesteuert werden.
• Wenn sich der Koppler 28 im "Überquerungs-"Zustand befindet, wird die im Laserresonator befindliche Lichtenergie in den optischen Wellenleiter 14 übertragen und tritt durch die Faserenden 34, 36 des Wellenleiters 14 aus. Die von den Faserenden des Wellenleiters 14 ausgegebene Lichtenergie kann an die nächste Stufe eines Systems zur Verwendung als Eingang für zusätzliche Vorgänge, die vom Speicherzustand abhängig sein können, angekoppelt werden. Auch kann das optische Ausgangssignal, wenn gewünscht, an einen optischen Detektor angekoppelt werden, um den optischen Zustand (hoch/tief) des Signals in einen elektronischen Pegel umzuwandeln.
• In dieser Erfindung besteht das vom Laserresonator durch den Koppler 28 entnommene optische Ausgangssignal aus der Mehrzahl der im Resonator vorhandenen Photonen. Sie werden direkt vom Resonator zum Ausgangswellenleiter 14 übertragen. So ist die zum Ausgangswellenleiter 14 auf diese Weise übertragene Anzahl von Photonen bedeutend höher als die, die übertragen werden würde, wenn die Photonen über eine teilweise reflektierende Fläche vom Laserresonator übertragen werden würden.
• Als Ergebnis der Leseoperation fällt die Lichtstärke im Wellenleiter 12 auf einen niedrigen Pegel, und der sättigbare Absorber stoppt die Laserwirkung. So hört die Laserwirkung auf, und das Speicherelement wird rückgesetzt. Der schaltbare Koppler 28 wird dann durch die Lesesteuerung 42 auf den Durchlaß-Zustand zurückgesetzt. Durch Kombinieren von zwei der oben beschriebenen Elementen kann eine nichtflüchtige Speichervorrichtung gebildet werden.
• Falls gewünscht, kann das aus den beiden Faserenden 34, 36 des Wellenleiters 14 austretende Licht kombiniert werden, um eine höhere Ausgangslichtstärke zu bieten; oder die Lichtbündel können als zwei parallele Ausgangssignale benutzt werden. Auf ähnliche Weise kann eines der beiden Faserenden 38, 40 des Wellenleiters 16 als Eingang betrachtet werden oder, sofern gewünscht, können beide Enden als Eingänge angesehen werden. Wenn beide Enden des Wellenleiters 16 mit verschiedenen Eingängen verbunden sind, die nicht von derselben Quelle kommen, dann wird die Vorrichtung das Ergebnis einer logischen ODER-Verknüpfung in ihrem Speicher einspeichern.

Claims (7)

1. Optische Vorrichtung mit:

einem Laser mit einem optischen Verstärkungsglied (22) und einem sättigbaren Absorber (24) in Kaskaden mit einem Wellenleiter (12), der als Resonator für den Laser wirkt, wobei besagtes optisches Verstärkungsglied, besagter sättigbarer Absorber und besagter Wellenleiter zwischen zwei voll reflektierenden Flächen positioniert sind, wodurch besagter Laser dazu in der Lage ist, einen ersten Nicht-Laser-Zustand oder einen zweiten Laser-Zustand anzunehmen, um als Speicher für ein zu speicherndes Datenbit zu wirken, Schreibmitteln (16, 30, 44) zum Einkoppeln von optischer Energie in den besagten Wellenleiter zur gezielten optischen Auslösung des besagten Lasers aus besagtem ersten in besagten zweiten Zustand entsprechend dem zu speichernden Datenbit und Lesemitteln (14, 28, 42) zum Messen, ob sich der Laser im besagten Nicht-Laser- oder besagten Laser-Zustand befindet und zur gezielten Übertragung der optischen Energie des Laser-Zustandes an einen weiteren Wellenleiter (34, 36).

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die besagten Schreibmittel einen zweiten Wellenleiter (16) umfassen, der mit dem besagten ersten Wellenleiter (12) einen Richtkoppler (30) bildet.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der besagte Richtkoppler fest ist.

4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der besagte Richtkoppler steuerbar ist und Schreibsteuermittel (44) zur gezielten Steuerung der Funktion des besagten Richtkopplers gekoppelt sind.

5. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei besagte Lesemittel einen dritten Wellenleiter (14) umfassen, der mit dem besagten ersten Wellenleiter einen zweiten Richtkoppler (28) bildet.

6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der besagte zweite Richtkoppler gezielt steuerbar ist und Lesesteuermittel (42) zur optischen oder elektrischen Steuerung der Funktion des besagten zweiten Richtkopplers gekoppelt sind.

7. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, mit einem ersten, mit einem Ende des besagten zweiten Wellenleiters verkoppelten Eingang (38) und einem zweiten, mit dem anderen Ende des besagten zweiten Wellenleiters verkoppelten Eingang (40), wodurch das Ergebnis einer logischen ODER-Verknüpfung optisch gespeichert wird.