X All-optical flip-flops based on semiconductor technologies

Semiconductor Technologies

352

 

are depicted in Fig. 6 (b). The set-pulses have an energy of 75fJ and the reset-pulses 190 fJ. 

The repetition rate is 1.25GHz and the switch-on time is 75ps. An almost immediate switch-

off  time  of  20ps  has  been  obtained,  which  corresponds  with  the  resolution  of  the  optical 

scope. 

 

 

 

(a)  

 

 

 

 

(b) 

Fig. 6. (a): Bistability of an injected DFB laser as a function of the injected power. (b): Results. 

 

            

 

(a) 

 

 

 

 (b) 

Fig. 7. (a): Operation principle of the monolithic semiconductor ring laser. (b): Results.  

 

As  discussed  previously,  integrable  solutions  are  preferred  since  they  would  allow  high-

density  packaging,  with  the  possibility  of  reducing  costs,  power  consumption,  and 

operation speed. To achieve these results, researchers are investigating novel technologies in 

order  to  reduce  as  much  as  possible  device  dimensions.  A  possible  solution  towards  this 

direction is the use of a monolithic semiconductor micro-ring laser (Trita et al., 2009) which 

shows an intrinsic and robust directional bistability between its CW and ACW propagating 

modes.  If  the  ring  laser  is  correctly  set,  injecting  a  laser  pulse  in  one  direction  makes  the 

laser emit in that direction (Fig. 7 (a)). Experiments show a switching time of about 20ps for 

both rising and falling edges, with set/reset pulses of 5ps and 150fJ energy. 

Another  promising  technology  is  nano-photonics,  exploited  in  the  realization  of  photonic 

crystals  (PCs)  and  quantum  dots  (QDs).  By  combining  these  technologies  one  could  take 

 

advantage of both the band-gap effect and the highly dispersive property of PCs, and the 

high-density of state and high nonlinear property of QDs. 

 

 

Fig. 8. Schematic diagram of the PC-FF. 

 

A  Mach  Zehnder-type  all-optical  flip-flop  developed  by  combining  GaAs-based  two-

dimensional  photonic  crystal  (2DPC)  slab  waveguides  and  InAs-based  optical  nonlinear 

QDs has been proposed in (Azakawa, 2007).  The photonic crystal-based flip-flop (PC-FF) 

schematic is shown in Fig. 8, and is based on two photonic-crystal-based Symmetric Mach 

Zehnder (PC-SMZ) switches. The principle of the PC-SMZ is based on the time-differential 

phase modulation caused by the nonlinear-induced refractive index change in one arm of 

the  two  interferometers.  2DPC  waveguides  are  composed  of  single  missing  line  defects, 

while  nonlinear-induced  phase  shift  arms  are  selectively  embedded  with  QDs.  The 

mechanism  of  the  third-order  nonlinear  property  is  an  absorption  saturation  of  the  QD 

caused  by  a  control  (pump)  pulse.  A  resultant  refractive  index  change  produces  a  phase 

shift for the signal (probe) pulse. A wavelength of the control pulse is set to the absorption 

peak of the QD, while a wavelength of the signal pulse is set in the high transmission range 

in the 2DPC waveguide with the QD. A single PC-SMZ switch would operate as a pseudo-

flip-flop, meaning that the on-state is limited by the carrier relaxation time in the nonlinear 

material (~ 100ps in the experiment). In order to change the pseudo FF into the normal FF 

operation, the scheme of Fig. 8 was proposed. An output signal of the  PC-SMZ impinges 

into an optical AND element (which is another PC-SMZ switch) via a feedback loop, where 

another input pulse, i.e., a clock pulse impinges. An output of the AND element is combined 

to the set pulse, as shown in the figure. The clock pulse serves as a refresh pulse to expand 

the on-state period against the relaxation of the carrier, while the feedback signal restricts 

the clock pulse to be controlled by the set and reset pulses. The feasibility of this idea has 

been verified only by computer simulation.  

 

3. Flip-flops based on coupled SOA ring lasers: advantages and limitations  

 

In order to investigate advantages and drawbacks of SOA-based solution we consider the 

setup  shown  in  Fig.  9.  The  flip-flop  consists  of  two  coupled  ring  lasers  emitting  at  two 

different wavelengths (λ

1

=1550nm and λ

2

=1560nm). In each ring, an SOA acts as the gain 

element, a 0.25nm band-pass filter (BPF) is used to as select the wavelength, and an isolator 

makes  the  light  propagation  unidirectional.  Both  the  SOAs  are  polarization  insensitive 

www.intechopen.com

---

All-optical lip-lops based on semiconductor technologies

353

 

are depicted in Fig. 6 (b). The set-pulses have an energy of 75fJ and the reset-pulses 190 fJ. 

The repetition rate is 1.25GHz and the switch-on time is 75ps. An almost immediate switch-

off  time  of  20ps  has  been  obtained,  which  corresponds  with  the  resolution  of  the  optical 

scope. 

 

 

 

(a)  

 

 

 

 

(b) 

Fig. 6. (a): Bistability of an injected DFB laser as a function of the injected power. (b): Results. 

 

            

 

(a) 

 

 

 

 (b) 

Fig. 7. (a): Operation principle of the monolithic semiconductor ring laser. (b): Results.  

 

As  discussed  previously,  integrable  solutions  are  preferred  since  they  would  allow  high-

density  packaging,  with  the  possibility  of  reducing  costs,  power  consumption,  and 

operation speed. To achieve these results, researchers are investigating novel technologies in 

order  to  reduce  as  much  as  possible  device  dimensions.  A  possible  solution  towards  this 

direction is the use of a monolithic semiconductor micro-ring laser (Trita et al., 2009) which 

shows an intrinsic and robust directional bistability between its CW and ACW propagating 

modes.  If  the  ring  laser  is  correctly  set,  injecting  a  laser  pulse  in  one  direction  makes  the 

laser emit in that direction (Fig. 7 (a)). Experiments show a switching time of about 20ps for 

both rising and falling edges, with set/reset pulses of 5ps and 150fJ energy. 

Another  promising  technology  is  nano-photonics,  exploited  in  the  realization  of  photonic 

crystals  (PCs)  and  quantum  dots  (QDs).  By  combining  these  technologies  one  could  take 

 

advantage of both the band-gap effect and the highly dispersive property of PCs, and the 

high-density of state and high nonlinear property of QDs. 

 

 

Fig. 8. Schematic diagram of the PC-FF. 

 

A  Mach  Zehnder-type  all-optical  flip-flop  developed  by  combining  GaAs-based  two-

dimensional  photonic  crystal  (2DPC)  slab  waveguides  and  InAs-based  optical  nonlinear 

QDs has been proposed in (Azakawa, 2007).  The photonic crystal-based flip-flop (PC-FF) 

schematic is shown in Fig. 8, and is based on two photonic-crystal-based Symmetric Mach 

Zehnder (PC-SMZ) switches. The principle of the PC-SMZ is based on the time-differential 

phase modulation caused by the nonlinear-induced refractive index change in one arm of 

the  two  interferometers.  2DPC  waveguides  are  composed  of  single  missing  line  defects, 

while  nonlinear-induced  phase  shift  arms  are  selectively  embedded  with  QDs.  The 

mechanism  of  the  third-order  nonlinear  property  is  an  absorption  saturation  of  the  QD 

caused  by  a  control  (pump)  pulse.  A  resultant  refractive  index  change  produces  a  phase 

shift for the signal (probe) pulse. A wavelength of the control pulse is set to the absorption 

peak of the QD, while a wavelength of the signal pulse is set in the high transmission range 

in the 2DPC waveguide with the QD. A single PC-SMZ switch would operate as a pseudo-

flip-flop, meaning that the on-state is limited by the carrier relaxation time in the nonlinear 

material (~ 100ps in the experiment). In order to change the pseudo FF into the normal FF 

operation, the scheme of Fig. 8 was proposed. An output signal of the  PC-SMZ impinges 

into an optical AND element (which is another PC-SMZ switch) via a feedback loop, where 

another input pulse, i.e., a clock pulse impinges. An output of the AND element is combined 

to the set pulse, as shown in the figure. The clock pulse serves as a refresh pulse to expand 

the on-state period against the relaxation of the carrier, while the feedback signal restricts 

the clock pulse to be controlled by the set and reset pulses. The feasibility of this idea has 

been verified only by computer simulation.  

 

3. Flip-flops based on coupled SOA ring lasers: advantages and limitations  

 

In order to investigate advantages and drawbacks of SOA-based solution we consider the 

setup  shown  in  Fig.  9.  The  flip-flop  consists  of  two  coupled  ring  lasers  emitting  at  two 

different wavelengths (λ

1

=1550nm and λ

2

=1560nm). In each ring, an SOA acts as the gain 

element, a 0.25nm band-pass filter (BPF) is used to as select the wavelength, and an isolator 

makes  the  light  propagation  unidirectional.  Both  the  SOAs  are  polarization  insensitive 

www.intechopen.com

---