X All-optical flip-flops based on semiconductor technologies



Yüklə 0,55 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə7/18
tarix11.10.2017
ölçüsü0,55 Mb.
#4171
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   18

Semiconductor Technologies

356


 

of about 100ns. Experimental measurements (Fig. 12 (a)) show that the building-up process 

of one state takes place step by step and each step corresponds to a cavity round-trip time 

equal to 100ns. The total rising edge behavior lasts several hundreds of ns. The experimental 

falling edge behavior is shown in Fig. 12 (b), with a transition time of 5ns, equal to the input 

pulse edge. 

Dynamics  behavior  of  the  two  SOA-based  coupled  lasing  cavities  has  been  analyzed 

through simulations as well, whose details can be found in (Barman et al., 2007). Assuming 

the same parameters of the experimental setup (cavity length and cavity loss, injected pulses 

edge time and average power), as can be observed in Fig. 12 (c)-(d), simulation results for 

rising  and  falling  edges  are  in  good  agreement  with  experimental  measurements, 

confirming the step behavior of the rising edge and at the same time a falling edge as fast as 

the input pulse edge. We also simulated an integrated version of this flip-flop, considering 

2mm  cavity  length  and  0.5mm  SOA  length.  Results  predict  12ps  falling  time  and  ~40ps 

rising time with injected input pulsewidth of 12ps and pulse energy of 15.6fJ, comparable 

with the results of one of the latest optical flip-flop integrated version (Hill et al., 2004).  

 

4. SOA-based clocked flip-flops 

 

Most  of  the  all-optical  flip-flops  proposed  in  literature  are  non-clocked  devices,  whose 



output changes immediately following the set/reset signals, thus they are also referred to as 

Set-Reset  (SR) latch.  As  a  digital  device  that  temporarily  memorizes  the  past  input  signal 

and processes it with current inputs, optical flip-flop is expected to be synchronized with a 

system clock, and to work in a timely programmed mode. Moreover, in some complicated 

optical computing applications such as optical shift registers or counters, various types of 

clocked flip-flops are necessary, such as SR, D, T, and JK flip-flops. 

Starting from the basic structure defined in the previous paragraph, here we show clocked 

all-optical flip-flops including SR, D, T, and JK types, exploiting also AND logic gates based 

on nonlinear effects in SOA (Wang et al., 2009, a).

  

 



4.1 Clocked SR flip-flop 

The characteristic table of the set/reset (SR) flip-flop is shown in Fig. 13 (a). If S=R=0, the flip-flop 

remains at its previous state; if S=1 R=0, it is set to “state 1”; if S=0 R=1, it is set to “state 0”. S=R=1 

is forbidden since the flip-flop is unstable in this case. The setup of clocked SR flip-flop is shown 

in Fig. 13 (b): it consists of two AND gates and one SR latch. “AND 1” and “AND 2” perform 

AND function between the clock pulse and S and R, respectively. The outputs of “AND 1” and 

“AND 2” are connected to the “Set” and “Reset” ports of the latch respectively. The operation 

principle of this clocked flip-flop is shown in Fig. 13 (c): when a clock pulse comes, if S=R=0 it can 

not pass through either “AND 1” or “AND 2”, so “Set” and “Reset” ports receive no pulse and 

the  latch  maintains  its  previous  state  (Q

next

=Q);  if  S=1  R=0,  the  clock  pulse  can  pass  through 



“AND 1” but is blocked by “AND 2”, so only “Set” receives a pulse and the latch is set to “state 

1” (Q


next

=1); if S=0 R=1, the clock pulse can pass through “AND 2” but is blocked by “AND 1”, so 

the latch is set to “state 0” (Q

next


=0). S=R=1 is forbidden since the latch is unstable when “Set” 

and “Reset” receive pulses simultaneously. The flip-flop is clocked because it only changes state 

when a clock pulse comes, according to the S and R values at that time. S and R values at any 

other time are ignored. 

 

Forbidden



N/A

1

1



Reset

0

1



0

Set


1

0

1



Hold state

Q

0



0

Comment


Q

next


R

S

Forbidden



N/A

1

1



Reset

0

1



0

Set


1

0

1



Hold state

Q

0



0

Comment


Q

next


R

S

 



 

(a) 


 

 

 



(b) 

 

 



(c) 

Fig. 13. Clocked SR flip-flop: (a) characteristic table; (b) logic circuits; (c) working principle.  

 

 

Fig. 14. Clocked SR flip-flop operation. 



 

In Fig. 14 the experimental operation of the clocked SR flip-flop is reported. The clock pulse 

has a repetition rate of 200kHz with a pulse-width of 1μs. S and R signals also have a pulse-

width of 1μs but at a repetition rate of 50kHz, synchronized with the clock. The wavelengths 

of clock, S and R are λ

CLK


=1554.1nm, λ

S

=1552.5nm and λ



R

=1550.5nm respectively, and the 

outputs of “AND 1” and “AND 2” are at λ

1

=2λ



S

CLK



=1550.9nm and λ

2

=2λ



R

CLK



=1546.9nm. 

The flip-flop only responses to the S and R values when a clock pulse comes, but ignores the 

S and R at any other time, in agreement with Fig. 13 (c). 

 

4.2 Clocked D flip-flop 

The characteristic table of D flip-flop is shown in Fig. 15 (a). D represents the data signal. If 

D=0,  the  flip-flop  is  set  to  “state  0”;  if  D=1,  the  flip-flop  is  set  to  “state  1”.  The  setup  of 

clocked D flip-flop is shown in Fig. 15 (b): “AND 1” gate performs AND function between 

the  clock  pulse  and  D,  whereas  “AND  2”  performs  AND  function  between  clock  and 

inverted D. The operation principle of D flip-flop is shown in Fig. 15 (c): when a clock pulse 

comes, if D=1 it can pass through “AND 1” but is blocked by “AND 2”, so only “Set” port 

receives a pulse and the latch is set to “state 1” (Q=1); similarly if D=0 the clock pulse can 

www.intechopen.com




Yüklə 0,55 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   18




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

    Ana səhifə