X All-optical flip-flops based on semiconductor technologies

Semiconductor Technologies

360

 

combination of SR flip-flop and T flip-flop. Like SR flip-flop, J and K signals are also used as 

set and reset signals: J=K=0 makes the flip-flop maintain its previous state; J=1 K=0 sets it to 

“state 1”; and J=0 K=1 sets it “state 0”. However, in SR flip-flop, S=R=1 is forbidden, but in 

JK flip-flop, J=K=1 is allowed and the flip-flop toggles its state in this condition, like a T flip-

flop. 

 

Toggle

Q

1

1

Reset

0

1

0

Set

1

0

1

Hold state

Q

0

0

Comment

Q

next

K

J

Toggle

Q

1

1

Reset

0

1

0

Set

1

0

1

Hold state

Q

0

0

Comment

Q

next

K

J

 

  

CLK

Q

1

0

0

1

0

CLK

∩

K

∩Q

K

J

0

1

1

0

1

AND 2

Reset

AND 1

Set

Q

CLK

∩

J

∩Q

 

(a) 

 

 

 

(b) 

 

 

 

(c) 

Fig. 19. Clocked JK flip-flop: (a) characteristic table; (b) logic circuits; (c) working principle.  

 

 

Fig. 20. Clocked JK flip-flop operation. 

 

The setup of clocked JK flip-flop is shown in Fig. 19(b). The two complementary outputs of 

two ring lasers of SR latch are used as Q and inverted Q respectively. “AND 1” carries out 

AND  function  between  the  clock,  J,  and  inverted  Q;  whereas  “AND  2”  carries  out  AND 

between the clock, K, and Q. Similar to SR flip-flop, the JK flip-flop can be set and reset by 

external  signals,  so  CLK∩J  and  CLK∩K  are  partially  carried  out  in  two  AND  gates. 

However,  the  JK  flip-flop  can  toggle  its  state  like  a  T  flip-flop,  so  the  feedback  of  Q  at 

previous state must also be taken into account in the two AND gates. When a clock pulse 

comes, if J=K=0 it can not pass through “AND 1” and “AND 2”, so neither “Set” nor “Reset” 

receives a pulse, and the latch remains at its previous state. If J=1 K=0, the clock pulse is 

 

blocked by “AND 2”, but in “AND 1” there are two possible cases. If Q=1 the clock pulse is 

blocked, so “Set” receives no pulse and the latch will remain at “state 1”; otherwise if Q=0 

the clock pulse can pass through “AND 1”, and the latch will be set to “state 1”. So in the 

case  of  J=1  K=0,  the  flip-flop  will  be  set  to  “state  1”  no  matter  in  which  state  it  was. 

Similarly, if J=0 K=1, the clock pulse is blocked by “AND 1”. But for “AND 2”, if Q=1 the 

clock pulse can pass through, so the latch will be set to “state 0”, otherwise if Q=1 the clock 

pulse is blocked and the latch will stay in “state 0”. So the flip-flop will be set to “state 0” no 

matter in which state it was. Finally, if J=K=1 we also have to consider two cases of Q. If 

Q=1, the clock pulse is blocked by “AND 1” but can pass through “AND 2”, so the latch is 

set  to  “state  0”;  otherwise,  the  clock  pulse  can  pass  through  “AND  1”  but  is  blocked  by 

“AND 2”, and the latch is set to “state 1”. In both two cases, the flip-flop changes its state, 

which is called state toggling. 

In Fig. 20 clocked JK flip-flop operation is experimentally demonstrated. The clock pulse has 

a  repetition  rate  of  200kHz  and  a  pulsewidth  of  1μs.  J  and  K  both  quasi-periodic  pulse 

trains, with repetition rate of 100kHz and pulsewidth of 1μs, synchronized with the clock. 

However, in order to realize all four cases of J=K=0, J=1 K=0, J=0 K=1, and J=K=1, in every 4 

periods (40μs) of J and K, there is one pulse missed, as shown in Fig.12. It could be observed 

that  the  JK  flip-flop  operation  has  a  good  agreement  with  Fig.  19(c).  The  wavelengths  of 

clock,  J,  and  K  are  λ

CLK

=1554.1nm,  λ

J

=1552.5nm  and  λ

K

=1550.5nm  respectively,  and  the 

wavelength of Q is λ

Q

=1549.3nm, so the output of “AND 1” is at λ

1

=2λ

J

-λ

CLK

=1550.9nm and 

the output of “AND 2” is at λ

2

=2λ

K

-λ

CLK

=1546.9nm. 

 

4.5 Three-state flip-flop 

Together with clocked flip-flops, another interesting evolution of the basic flip-flop shown 

in paragraph 3 is the upgrade to multi-state flip-flop. A multi-state memory could in fact 

extend a 1×2 optical switch to a larger dimension of 1×N, depending on the number of states 

of the memory.  

The setup of the three-state optical memory is shown in Fig. 21 (Wang et al., 2008, a), which 

consists of three coupled SOA fiber ring lasers operating at three different wavelengths. The 

memory has three states. In “state 1”, only ring 1 is lasing, whereas ring 2 and ring 3 are 

suppressed; the output light of SOA 1 is split by coupler A into two portions: one portion 

passes  through  Path  1  (the  dashed  red  line)  and  then  saturates  SOA  3,  making  ring  3 

suppressed;  the  other  portion  passes  through  Path  2  (the  dashed  green  line)  and  then 

saturates SOA 2, making ring 2 suppressed. In “state 1”, the optical memory emits a CW 

light at the wavelength of λ

1

 from output 1 port. Similarly, in “state 2”, only ring 2 is lasing, 

and the memory emits a CW light at λ

2

. Finally in “state 3”, only ring 3 is lasing.  

To dynamically change the state, three setting couplers are inserted into the ring cavities, 

each corresponding to a particular state. One pulse injected into set 1 port is split to saturate 

SOA 3 and SOA 2, and it could not reach SOA 1. Thus ring 2 and ring 3 are both suppressed 

while ring 1 could lase; the memory is set to “state 1”. Similarly for set 2 and set 3. 

 

www.intechopen.com

---