X All-optical flip-flops based on semiconductor technologies



Yüklə 0,55 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə2/18
tarix11.10.2017
ölçüsü0,55 Mb.
#4171
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18

All-optical lip-lops based on semiconductor technologies

349


 

trade off between contrast ratio and edges speed must be found as a function of the flip-flop 

application.  Micro-resonators-based  bistable  element  has  been  demonstrated  (Van  et  al., 

2002)  presenting  high  optical  operating  power,  pJ  switching  energies  and  microsecond 

switching  times,  theoretically  reducible  down  to  the  order  of  tens  of  ps.  Making  a 

comparison with electronics, recent large-scale integration (LSI) circuits (Keyes, 2001) show 

switching energies of 1fJ even though with slower switching speeds. In (Dorren et al., 2003), 

a solution based on coupled ring lasers is proposed. This solution offers a certain number of 

advantages: it can provide high contrast ratios between states; there is no difference in the 

mechanisms for switching from state 1 to state 2 and vice-versa, making symmetric set and 

reset  operations;  it  presents  a  large  input  light  wavelength  range  and  a  controllable 

switching threshold. Moreover, considering an integrated version of this kind of flip-flop, 

through numerical analysis a switching energy in fJ range has been demonstrated.  

Here  we  will  describe  the  above  mentioned  solutions  underlining  the  main  benefits, 

drawback, limitation and perspectives. We will then present our activities on clocked flip-

flops, and an example of their use in an all-optical counter. Finally, we will present an SOA-

based flip-flop which is able to switch with very short rising and falling edges, and we use it 

in a realistic switching operation. Integrability of our solutions is also discussed. 

 

2. State of the art 

 

One  of  the  simplest  way  that  was  originally  proposed  to  implement  an  optical  flip-flop 



includes two coupled lasers (Hill et al., 2001), as depicted in Fig. 1 (a). The system can have 

two stable states. In state 1, light from laser 1 suppresses lasing in laser 2. In this state, the 

optical flip-flop memory emits CW light at wavelength 

1



. Conversely, in state 2, light from 

laser  2  suppresses  lasing  in  laser  1,  and  the  optical  flip-flop  memory  emits  CW  light  at 

wavelength 

2



. To change states, lasing in the dominant laser can be inhibited by injecting 

external  light  with  a  different  wavelength  and  opportune  power.  The  output  pulse  of  an 

optical  header  processor  can  be  used  to  set  the  optical  flip-flop  memory  into  the  desired 

wavelength.  From  the  theory  it  also  follows  that  laser  driving  currents  and  coupling 

coefficient determines the required switching light power. 

This flip-flop has also been implemented in a ring configuration based on Semiconductor 

Optical Amplifiers (SOA), as shown in Fig. 1 (b) (Dorren et al., 2003). Two SOAs act as the 

lasers gain media. Fabry–Pérot filters (FPF) with a bandwidth of 0.18nm have been used as 

wavelength selective elements. Optical pulses were used to set and reset the flip-flop. The 

optical spectrum of the flip-flops’ output states is shown in Fig. 2. 

The switching time between the two lasing modes is inversely proportional to the length of 

the laser cavities. Thus, in order to allow switching times in the range  of picoseconds, an 

integrated  solution  has  to  be  adopted.  This  was  realized  in  (Hill  et  al.,  2004),  where  a 

photonic  flip-flop  based  on  two  coupled  micro-ring  lasers  with  dimensions  of  20x40 

m

2

 



was reported, exhibiting a switching time of 18ps and a switching energy of a few fJ. 

The micro-ring lasers were fabricated in active areas of the integrated circuit containing bulk 

1.55nm  bandgap  InGaAsP  in  the  light  guiding  layer.  Separate  electrical  contacts  allowed 

each  laser’s  wavelength  to  be  individually  tuned  by  adjusting  the  laser  current.  Passive 

waveguides connected the micro-ring lasers to the integrated circuit edges (Fig. 3). Micro-

ring lasers typically have two inherent lasing modes; laser light traveling in the clockwise 

(CW) direction, and laser light in the anticlockwise (ACW) direction.  

 

 



(a)  

 

 



 

 

(b) 



Fig.  1.  (a):  Arrangement  of  two  coupled  identical  lasing  cavities  forming  a  flip-flop, 

showing the two possible states. (b): Implementation of the optical flip-flop memory 

 

 

Fig. 2. Spectral output of two states of the optical flip-flop memory. 



 

 

Fig. 3. Two micro-ring lasers coupled via a waveguide to form an optical flip-flop. 



 

In state A, CW light from laser A is injected via the waveguide into laser B. The light from 

laser A will undergo significant resonant amplification in laser B if the resonant frequencies 

of  the  two  laser  cavities  are  close.  This  injected  light  competes  with  the  laser  B  self-

oscillations for available power from the laser gain medium. If sufficient light is injected into 

laser B, then the laser B gain will be decreased below threshold. This extinguishes the laser B 

self-oscillation, and laser A captures or injection-locks (Buczek et al., 1971) laser B, forcing 

light to circulate only in the CW direction. To set the system in one state or another, light 

www.intechopen.com



Semiconductor Technologies

350


 

close  to  the  lasing  wavelength  and  polarization  can  be  injected  into  the  waveguide 

connecting the lasers. This light will set both lasers simultaneously lasing in either the CW 

or ACW direction. The different states can be distinguished by the different power levels at 

the two outputs. The power level at the output associated with the locked laser will be three 

times  that  of  the  other  output.  Additionally,  the  lasing  wavelengths  of  the  lasers  may  be 

different, allowing the states to be distinguished by the wavelength of the light output. 

Another  scheme  recently  proposed  (Malacarne  et  al.,  2007)  exploits  absorption  and 

fluorescence of few meters of erbium–ytterbium (Er–Yb)-doped fiber. This solution suffers 

from  slow  switching  times  and  high  set/reset  input  powers,  and  since  it  doesn’t  exploit 

semiconductor devices, it will not be studied in depth here.  

In  (Liu  et  al.,  2006)  a  solution  that  offer  the  advantage  of  being  fully  packaged,  was 

presented.  It  is  based  on  an  hybrid  integrated  circuit  consisting  of  two  coupled  Mach-

Zehnder  interferometers  (MZIs),  each  having  one  SOA  in  one  arm.  The  schematic  of  the 

circuit is shown in Fig. 4. 

 

 



Fig. 4. Schematic diagram of optical flip-flop memory proposed in (Liu et al., 2006). 

 

Each  MZI  (MZI  1  and  MZI  2  in  the  figure)  has  an  SOA  in  one  arm.  A  laser  emits  a 



continuous-wave (CW) bias light at wavelength 

1



 that is fed into MZI 1. The MZI 1 output 

is sent into MZI 2, which has the same structure, but biased by a CW light with a different 

wavelength, 

2



. The system has two possible states: in state 1, the MZI 1 output suppresses 

output  from  MZI  2,  so 

1

  dominates  the  output;  in  state  2,  the  MZI  2  output  suppresses 



output from MZI 1, and then 

2



 is dominant. When the CW light with 

1



 is injected into MZI 

1, MZI 1 is biased in such a way that the light out of MZI 1 goes mostly into the low branch 

of the 50/50 coupler output. This light then flows into MZI 2 via the 50/50 coupler in MZI 2, 

and  affects  the  gain  and  phase  shift  for  light  propagating  through  it.  The  MZI  1  light 

perturbs the SOA 2 properties so that the CW bias 2 light (

2



) propagating through SOA 2 

and phase shifter 2 goes mostly into the top output of the 50/50 coupler in MZI 2. Then the 

CW bias 2 light (

1



) does not travel into the MZI 1, and does not affect the properties of SOA 

1. Actually, the MZI 1 output suppresses output from MZI 2. The states of the system can be 

switched  by  sending  a  light  pulse  (via  Set  or  Reset  port)  into  the  MZI  that  is  currently 

dominant.  This  light  will  switch  the  MZI  output  away  from  suppressing  the  other  MZI, 

allowing the other MZI then to become dominant.  

An optical flip-flop based on two-mode bistability in a multimode interference bistable laser 

diode (MMI-BLD) has also been reported (Takenaka et al., 2005). A schematic view of the 

MMI-BLD is shown in Fig. 5 (a). All waveguides including the 2x2 MMI coupler consist of 

active  materials.  Saturable  absorbers  are  located  at  the  end  of  the  output  ports  to  obtain 

hysteresis.  The  2x2  MMI  is  designed  as  a  cross  coupler,  so  that  only  two  cross-coupled 

lasing modes can exist as illustrated in the insets of Fig. 5 (a). Two-mode bistability between 

 

these two lasing modes will occur due to cross gain saturation and the saturable absorbers if 



the injection current is within the hysteresis loop (Takenaka & Nakano, 2003).

 

 



(a)  

 

 



 

 

(b) 



Fig.  5.  (a):  Schematic  view  of  the  MMI-BLD.  Two  cross-coupled  lasing  modes  are 

illustrated in the insets. (b): All-optical flip-flop operation of the MMI-BLD.  

 

A set signal injected into the set port saturates the absorption to Mode 1, causing Mode1 to 



start  lasing. At  the  same  time,  cross-gain  saturation  and  the  absorption  to  Mode  2  by  the 

saturable absorber suppress Mode 2. In a similar manner, a reset signal switches the lasing 

mode from Mode 1 to Mode 2. Therefore, all-optical flip-flop operation is achievable with 

the MMI-BLD, because external light injection to each input port will select the mode to lase. 

The  corresponding  operation,  showing  the optical  power at  one  of  the waveguide  output 

when set and reset pulses are applied is depicted in Fig. 5 (b).  

In (Huybrechts et al., 2008) a single DFB laser diode has been used to realize a flip flop. A 

DFB laser injected with CW light shows two different stable states: one in which the laser is 

lasing and another one where it is switched off. When the laser is lasing, the gain will be 

clamped  and  relatively  small.  Therefore,  the  injected  light  experiences  only  a  small 

amplification and has almost no influence on the laser light. In the second state, the laser is 

switched off and the injected light experiences a high amplification. This results in a rising 

power  progression  throughout  the  cavity  and  therefore  a  non-uniform  distribution  of  the 

carriers,  known  as  spatial  hole  burning.  This  will  affect  the  refractive  index,  leading  to  a 

distortion of the Bragg reflections in the laser diode. The losses inside the cavity will become 

higher and the threshold for lasing will rise. Eventually the laser will stay switched off. The 

two states are equally possible for a range of input powers of the injected light and this gives 

a bistability in the lasing power (Fig. 6 (a)).  This bistability can be exploited to obtain flip-

flop operation by injecting short optical pulses: a pulse injected at the same side as the CW 

light  will  move  the  DFB  laser  out  of  the  hysteresis curve  and  will  switch  off  the  laser;  to 

switch the laser on again, a pulse is injected from the other side, since this will restore the 

uniformity  of  the  carrier  distribution.  In  the  experiment,  the  set  and  reset  pulses  were 

obtained from an ultra-short pulse source generating 7ps-long pulses. The obtained results 

www.intechopen.com




Yüklə 0,55 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18




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

    Ana səhifə