X All-optical flip-flops based on semiconductor technologies



Yüklə 0,55 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə16/18
tarix11.10.2017
ölçüsü0,55 Mb.
#4171
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   18

Semiconductor Technologies

366


 

equalize these two wavelength components. Using NOT logic gate 2, we invert signal D and 

thus obtain signal E, at the same time convert it to one single wavelength λ

E

=1560nm. Signal 



E is switched on and off by the set and reset pulses respectively, showing fast rising and 

falling edges. 

 

 

Fig. 24. Experimental setup of the ultra-fast all-optical flip-flop. PC: polarization state 



controller. Signal A is inverted by NOT logic gate 1 obtaining signal C and added with 

signal B. Signal D (B+C) is inverted by NOT logic gate 2 obtaining signal E. 

 

 

Fig. 25. Working principle of the ultra-fast all-optical flip-flop. Signal A, B, C, D and E. T



d1

delay between set and reset pulses; T



d2

: delay between reset and assistant pulses; T

on

: rising 



time; T

off


: falling time; ΔT=T

d1

+T



off

 



The  optical  NOT  logic  gates  are  implemented  exploiting  cross  gain  modulation  (XGM)  in 

SOAs. Concerning NOT logic gate 1, in SOA 5 a CW probe light counter-propagates with 

respect  to  signal  A.  The  gain  of  SOA  5  is  modulated  by  the  intensity  profile  of  signal  A 

through XGM. In particular, when signal A has a low input power, the gain provided by 

SOA 5 for the CW probe will be high, whereas when signal A has a high power the CW 

probe will experience a lower gain. Ultimately the CW probe undergoes the gain variations 

obtaining the inversion of signal A, i.e. signal C. 

Signals from A to E are shown in Fig. 26. Since the slow edges of signals B and C do not 

have a linear behavior, their sum gives rise to a residual peak during the high level of signal 

D. After NOT logic gate 2 this dynamic is suppressed because of the gain saturation level of 

SOA 6. CW probe power injected into SOA 6 has been set in order to optimize its saturation 

level (as CW probe injected into SOA 5). Exploiting input set and reset pulsewidths of 1µs 

with  edge  time  of  16ps,  signal  E  presents  rising  and  falling  times  of  18.8ps  and  21.9ps 

respectively, as shown in Fig. 26 (b) and (c) (measured with a total bandwidth of 53GHz), 

preserving  a  contrast  ratio  of  17.5dB.  It  is  possible  to  obtain  a  higher  contrast  ratio  just 

decreasing the CW probe signal powers in SOA 5 and SOA 6, reducing their gain saturation 

level,  with  the  drawback  of  slower  switching  times  (Berrettini,  2006,  a).  Moreover, 

www.intechopen.com




All-optical lip-lops based on semiconductor technologies

367


 

equalize these two wavelength components. Using NOT logic gate 2, we invert signal D and 

thus obtain signal E, at the same time convert it to one single wavelength λ

E

=1560nm. Signal 



E is switched on and off by the set and reset pulses respectively, showing fast rising and 

falling edges. 

 

 

Fig. 24. Experimental setup of the ultra-fast all-optical flip-flop. PC: polarization state 



controller. Signal A is inverted by NOT logic gate 1 obtaining signal C and added with 

signal B. Signal D (B+C) is inverted by NOT logic gate 2 obtaining signal E. 

 

 

Fig. 25. Working principle of the ultra-fast all-optical flip-flop. Signal A, B, C, D and E. T



d1

delay between set and reset pulses; T



d2

: delay between reset and assistant pulses; T

on

: rising 



time; T

off


: falling time; ΔT=T

d1

+T



off

 



The  optical  NOT  logic  gates  are  implemented  exploiting  cross  gain  modulation  (XGM)  in 

SOAs. Concerning NOT logic gate 1, in SOA 5 a CW probe light counter-propagates with 

respect  to  signal  A.  The  gain  of  SOA  5  is  modulated  by  the  intensity  profile  of  signal  A 

through XGM. In particular, when signal A has a low input power, the gain provided by 

SOA 5 for the CW probe will be high, whereas when signal A has a high power the CW 

probe will experience a lower gain. Ultimately the CW probe undergoes the gain variations 

obtaining the inversion of signal A, i.e. signal C. 

Signals from A to E are shown in Fig. 26. Since the slow edges of signals B and C do not 

have a linear behavior, their sum gives rise to a residual peak during the high level of signal 

D. After NOT logic gate 2 this dynamic is suppressed because of the gain saturation level of 

SOA 6. CW probe power injected into SOA 6 has been set in order to optimize its saturation 

level (as CW probe injected into SOA 5). Exploiting input set and reset pulsewidths of 1µs 

with  edge  time  of  16ps,  signal  E  presents  rising  and  falling  times  of  18.8ps  and  21.9ps 

respectively, as shown in Fig. 26 (b) and (c) (measured with a total bandwidth of 53GHz), 

preserving  a  contrast  ratio  of  17.5dB.  It  is  possible  to  obtain  a  higher  contrast  ratio  just 

decreasing the CW probe signal powers in SOA 5 and SOA 6, reducing their gain saturation 

level,  with  the  drawback  of  slower  switching  times  (Berrettini,  2006,  a).  Moreover, 

www.intechopen.com




Semiconductor Technologies

368


 

integrated coupled ring lasers would experience a round trip time in the ps range (instead of 

100ns as in our experiment), allowing to use an injected pulsewidth in the ps range too. 

 

0



5

10

15



20

25

30



35

40

45



0

0.5


1

A

0



5

10

15



20

25

30



35

40

45



0

0.5


1

B

0



5

10

15



20

25

30



35

40

45



0

0.5


1

C

0



5

10

15



20

25

30



35

40

45



0

1

2



D

0

5



10

15

20



25

30

35



40

45

0



0.5

1

time (us)



E

Fall Time: 21.3ps

Rise Time: 16.1ps

(a)


(b)

(c)


 

Fig. 26. (a): Signal A, B, C, D and E. Signal C = NOT (signal A); signal D=signal B + signal C; 

signal E = NOT (signal D). (b)-(c): Signal E rising (a) and falling (b) edges.  

 

7.  10Gb/s  switching  operation  with  no  bit  loss  exploiting  the  ultra-fast  all-



optical flip-flop 

 

Fast dynamics (rising and falling times of 20ps) and high extinction ratio (17.5dB) make the 



ultra-fast all-optical flip-flop suitable to be exploited to control a 2×2 SOA-based all-optical 

switch (Berrettini, 2006, b). 

The experimental setup is shown in Fig. 27. The switching operation is based on XGM effect 

in two different SOAs. Depending on the  high or low intensity level of the control signal 

(pump), in one SOA the gain is strongly reduced while the other SOA is not saturated. The 

two  input  signals  are  generated  by  splitting  a  single  10Gb/s  Non-Return-to-Zero  (NRZ) 

continuous data stream. The stream is generated by modulating a CW laser at λ

IN

=1550nm 



by means of a Mach Zehnder modulator driven by a 10Gb/s pattern generator running in 

(2

31



-1)-long PRBS  mode. At the same time the ultra-fast flip-flop output is used as pump 

signal  of  the  optical  switch  and  controls  the  switch  state  (BAR  or  CROSS).  The  inverted 

pump  signal  needed  for  switching  operation  is  obtained  within  the  optical  switch  block 

through signal inversion by means of XGM in an SOA. The data streams average power at 

the switch inputs are set to -7dBm, while the high pump level is 11.5dBm. We have chosen 

continuous  data  streams  instead  of  packet  traffic  to  demonstrate  and  point  out  that  it  is 

possible  to  obtain  a  switching  operation  without  any  bit  loss,  exploiting  the  20ps-fast 

dynamics  of  the  flip-flop.  Indeed,  as  can  be  observed  in  Fig.  28,  we  can  confirm  a  fast 

switching  operation  (faster  than  the  10Gb/s  single  bit  edge),  connecting  only  input  1 

 

(disconnecting input 2) of the switch and visualizing output 1 on a sampling oscilloscope, 



switching the output data signal on and off within one bit time. 

 

 



Fig.  27.  All-optical  switching  operation  experimental  setup  using  a  2×2  SOA-based 

optical switch controlled by the ultra-fast all-optical flip-flop. 

 

 

Fig. 28. Output 1 of the 2×2 all-optical switch, when just input 1 is connected (input 2 is 



disconnected). Insets shows the fast switching-on and switching-off transitions. 

 

Contrast  ratio  between  switched  on  and  switched  off  signal  is  about  14dB.  This  way  we 



avoid any distorted transition bit between switched on and switched off output signals, and 

vice-versa. Connecting both inputs 1 and 2 of the switch, high or low intensity level of the 

input pump signal sets the switch in BAR or CROSS state. During BAR state, input 1 of the 

switch is routed to output 1 (and input 2 is routed to output 2), while during CROSS state 

input 2 is routed to output 1 (and input 1 is routed to output 2). Fig. 29 (left) shows both 

input  data  eye-diagrams  and  output  1  eye-diagrams  in  BAR  and  CROSS  configurations, 

measured by a wide-band photodiode and a sampling oscilloscope. As it can be noticed, the 

output  signal  is  not  affected  by  pattern  effects,  showing  clearly  open  eye-diagrams, 

confirming the effectiveness of the scheme. 

 Right:  (right)  shows  the  BER  measurements  at  output  1  of  the  switch,  in  both  BAR  and 

CROSS configurations. The used receiver is composed by an optical pre-amplifier with 5dB 

www.intechopen.com




Yüklə 0,55 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   18




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə