X All-optical flip-flops based on semiconductor technologies

All-optical lip-lops based on semiconductor technologies

369

 

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

---

Semiconductor Technologies

370

 

noise figure, followed by a VOA, a BPF and a photo-receiver, whose input power is kept 

constant (by means of the VOA) at -16.7dBm in order to avoid thermal noise. As shown in  

Right:, making a comparison with the back-to-back case, the maximum penalty at BER=10

-9

 

is  about  1dB,  making  the  switch  driven  by  the  ultra-fast  all-optical  flip-flop  suitable  for 

cascaded schemes. 

 

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-38

-37

-36

-35

-34

-33

-32

-31

B to B

OUT 1 CROSS

OUT 1 BAR

received power (dBm)

Lo

g

10

(B

E

R

)

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-38

-37

-36

-35

-34

-33

-32

-31

B to B

OUT 1 CROSS

OUT 1 BAR

received power (dBm)

Lo

g

10

(B

E

R

)

 

Fig. 29. Left: eye-diagrams of inputs 1 and 2 data frames (a)-(b) and output 1 in BAR (c) and 

CROSS  (d)  configurations  of  the  2×2  all-optical  switch.  Right:  BER  curves  in  the  back-to-

back (B to B) case and at switch output 1 in BAR and CROSS configurations. 

 

8. References 

 

Asakawa, K. (2007). PC-SMZ-Based All-Optical Flip-Flop Switch: PC-FF, Proceedings ICTON 

2007, paper Mo.C2.6. 

Barman,  A.D.;  Debnath,  S.;  Scaffardi,  M.;  Poti,  L.;  Bogoni,  A.  (2007),  Modelling  and 

implementation  of  photonic  digital  subsystem  for  bit  comparison,  Proceedings  of 

Photonics in Switching, USA, San Francisco, TuB2.4. 

Benner, A.F.; Bowman, J.; Erkkila, T. (1990). Digital optical counter using directional coupler 

switches, Applied Optics, vol. 30, n. 29, 4179-4189. 

Berrettini,  G.; Simi,  A.;  Malacarne,  A.;  Bogoni, A.;  Poti,  L.  (2006).  Ultrafast  Integrable  and 

Reconfigurable  XNOR,  AND,  NOR,  and  NOT  Photonic  Logic  Gate,  IEEE  Photon. 

Technol. Lett., vol. 18, no. 8, pp. 917-919. 

Berrettini, G.; Lauri, E.; Ghelfi, P.; Bogoni, A.; Potì L. (2006). Ultra-Fast Integrable 2x2 All-

Optical Switch, Proceedings of ECOC 2006, France, Cannes , We3.P.102. 

Bogoni, A.; Andriolli, N.; Scaffardi, M.; Berrettini, G.; Meloni, G.; Malacarne, A.; Porzi, C.; 

Castoldi,  P.;  Poti,  L.    (2007).  A  Synchronous  All-optical  160  Gb/s  Photonic 

Interconnection  Network,  Proceedings  of  Optical  Fiber  Communication  Conference, 

USA, Anaheim , March 25-29. 

Buczek, C.J.; Freiberg, R.J.; Skolnick, M.L. (1971). CO

2

 regenerative ring power amplifiers, J. 

Appl. Phys., vol. 42, pp. 3133–3137. 

Dorren, H.J.S.; Hill, M.T.; Liu, Y.; Calabretta, N.; Srivatsa, A.; Huijskens, F.M.; de Waardt, H.; 

Khoe  G.D.;  (2003).  Optical  packet  switching  and  buffering  by  using  all-optical 

signal processing methods, IEEE J. Lightwave Technol., vol. 21, n. 1, pp. 2-12. 

 

Feuerstein,  R.J.;  Soukup,  T.;  Heuring,  V.P.  (1991).  100-MHz  optical  counter  that  uses 

directional coupler switches, Optics Letters, vol. 16, n. 20, 1599-1601. 

Herrera,  J.;  Tangdiongga,  E.;  Liu,  Y.;  Hill,  M.T.;  McDougall,  R.;  Poustie,  A.;  Maxwell,  G.; 

Ramos,  F.;  Marti,  J.;  de  Waardt,  H.;  Khoe,  G.D.;  Koonen,  A.M.J.;  Dorren,  H.J.S. 

(2007).  160-Gb/s  All-Optical  Packet-Switching  With  In-Band  Filter-Based  Label 

Extraction  and  a  Hybrid-Integrated  Optical  Flip-Flop,  IEEE  Photon.  Technol.  Lett., 

vol. 19, no. 13, pp 990-992. 

Hill, M.T.; de Waardt, H.; Khoe, G.D.; Dorren,  H.J.S. (2001), All optical flip-flop based on 

coupled laser diodes, IEEE J. Quantum Electron., vol. 37, no. 3, pp. 405-413. 

Hill, M.Y.; Dorren, H.J.S; de Vries, T.; Leijtens, X.J.M; den Besten, J.H.; Smalbrugge, B.; Oei, 

Y.S.; Binsma, H.; Khoe, G.D.; Smit, M.K. (2004) A fast low-power optical memory 

based on coupled micro-ring lasers, Nature, vol. 432, pp. 206-208. 

Hill, M.T.; de Vries , T. ; Dorren, H.J.S. ; Leijtens, X.J.M.; van Zantvoort, J.H.C.; den Besten, 

J.H.;  Smalbrugge,  E.;  Oei,  Y.S.;  Binsma,  J.J.M.;  Khoe,  G.D.;  Smit,  M.K.  (2005). 

Integrated  Two-State  AWG-Based  Multiwavelength  Laser,  IEEE  Photon.  Technol. 

Lett., vol. 17, no. 5, pp. 956-958. 

Huybrechts,  K.;  Morthier,  G.;  Baets,  R.  (2008).  Fast  all-optical  flip-flop  based  on  a  single 

distributed feedback laser diode, Optics Express, v. 16, n. 15, pp. 11405-11410. 

Keyes, R.W. (2001). Fundamental limits of silicon technology, Proceedings of  IEEE, vol.89, n. 

3, pp. 227-239. 

Liu, Y.; Hill, M.T.; Calabretta, N.; de Waardt, H.; Khoe, G.D.; Dorren, H.J.S. (2003) Three-

State  All-Optical  Memory  Based  on  Coupled  Ring  Lasers,  IEEE  Photon.  Technol. 

Lett., vol. 15, no. 10, pp. 1461-1463. 

Liu,  Y.;  Tangdiongga,  E.;  Hill,  M.T.;  van  Zantvoort,  J.H.C.;  Smalbrugge,  E.;  de  Vries,  T.; 

Binsma, H.; Oei, Y.S.; Leijtens, Y.S.; Smit, M.K.; Khoe, M.K.; Dorren H.J.S. (2005). 

All-Optical  Switching  of  80  Gb/s  Data  Packets  using  a  Wavelength  Converter 

Controlled by a Monolithically Integrated Optical Flip-Flop”, Proceedings of ECOC 

2005, vol. 6, pp. 27-28, 25-29. 

Liu,  Y.;  McDougall,  R.;Hill,  M.T.;  Maxwell,  G.;  Zhang,  S.;  Harmon,  R.;  Huijskens,  F.M.; 

Rivers,  L.;  Dorren,  H.J.S.;  Poustie,  A.  (2006).  Packaged  and  hybrid  integrated  all-

optical flip-flop memory”, Electronics Letters, vol. 42, no. 24, 1399-1400. 

Malacarne,  A.;  Bogoni,  A.;  Potì,  L.  (2007).  Erbium–Ytterbium-Doped  Fiber-Based  Optical 

Flip-Flop”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 19, no. 12, pp. 904-906. 

Malacarne, A.; Wang, J.; Zhang, Y.; Barman, A.D.; Berrettini, G.; Potì, L.; Bogoni, A. (2008). 

20 ps-Transition Time All-Optical SOA-based Flip-Flop used for Photonic 10 Gb/s 

Switching Operation without any Bit Loss, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, no. 3, 

pp. 803-815. 

Poustie, A.; Manning, R.J.; Kelly, A.E. (2000). All-optical binary counter, Optics Express, vol. 

6, n. 3, 69-74. 

Ramos, F.; Kehayas, E.; Martinez, J.M.; Clavero, R.; Marti, J.; Stampoulidis, L.; Tsiokos, D.; 

Avramopoulos,  H.;  Zhang,  J.;  Holm-Nielsen,  P.V.;  Chi,  N.;  Jeppesen,  P.;  Yan,  N.; 

Tafur  Monroy,  I.;  Koonen,  A.M.J.;  Hill,  M.T.;  Liu,  Y.;  Dorren,  H.J.S.;    Van 

Caenegem, R.;  Colle, D.; Pickavet, M.; Rip ti, B. (2005). IST-LASAGNE: towards all-

optical label swapping employing optical logic gates and optical flip-flops, IEEE J. 

Lightwave Technol., vol. 23, n. 10, pp. 2993-3011. 

www.intechopen.com

---