Пороговые и мультистабильные оптические интегральные схемы

Развитие методов обработки оптической информации и систем оптической коммутации вызвало в последние годы значительный интерес к оптическим бистабильным устройствам. Бистабильные или мультистабильные устройства широко применяются в качестве ячеек памяти, логических элементов аналогичных и цифровых преобразователей и т. д. Успехи интегральной оптики открывают новые перспективы в изготовлении ОИС для вычислительных устройств, процессоров и других систем оптической обработки информации.

Для получения бистабильности необходимы нелинейная среда с показателем преломления или коэффициентом поглощения, зависящим от интенсивности падающего излучения и механизма обратной связи. Обратная связь может быть как оптической (в нелинейном резонаторе), так и электрической (в гибридных схемах).

Оптическим бистабильным устройством принято называть устройство, в котором зависимость выходной мощности оптического сигнала от входной имеет вид гистерезисной петли. Одним из первых элементов, в котором наблюдался эффект бистабильности, является резонатор Фабри - Перо, заполненный нелинейной средой. При низкой интенсивности вводимого в него излучения частота настройки резонатора отличается от частоты падающего лазерного пучка. С увеличением интенсивности лазерного излучения увеличивается и оптическая толщина среды, в результате чего частота настройки резонатора становится близкой к частоте лазерного излучения. Интенсивность света в резонаторе резко возрастает, что быстро изменяет показатель преломления и оптическую толщину. При этом плотность падающего на нелинейную среду оптического излучения была значительной (примерно 1 МВт/см²).

Гибридная технология с использованием электрооптического переключения и электронной обратной связи от фотодетектора может применяться в бистабильных устройствах при сравнительно низких уровнях входной мощности. В гибридных устройствах использование внешней цепи управляемой обратной связи значительно увеличивает нелинейность передаточной характеристики, что позволяет снизить уровни энергии переключения до единиц миллиджоулей.

Оптическая бистабильность может быть реализована также в модуляторах на основе поляризационных преобразователей либо в устройствах, где модулятор выполнен в виде интегральной планарной структуры на основе волноводов с электрическим управлением распределенной оптической связью.

Типичные схемы гибридных бистабильных устройств резонаторного и безрезонаторного типов показаны на рис. 6.1. Безрезонаторное устройство выполнено на основе переключателя-ответвителя с распределенной оптической связью. Резонаторные бистабильные устройства могут быть созданы и в интегральном исполнении. Разработано бистабильное волноводное устройство, состоящее из двух параллельных отрезков канальных волноводов и заключенного между ними канального кольцевого волновода. Все структуры расположены на одной монолитной подложке. Нелинейные свойства кольцевого резонатора обусловлены зависимостью показателя преломления кольцевого волновода от оптической мощности. Наличие двух устойчивых состояний позволяет использовать данную структуру в качестве переключателя. В созданной на основе InSb структуре, работающей на длине волны 5 мкм, переключение системы происходит при уровне входной мощности 1,5 мкВт.

Одной из возможностей осуществления бистабильного безрезонаторного режима в интегрально-оптических устройствах является применение Y-образных волноводов, акустооптических волноводных модуляторов и волноводных модуляторов Маха - Цандлера.

При мультиплицировании отдельных элементов интегральной оптики возможно построение более сложных устройств обработки информации. Так, на основе двух модуляторов Маха - Цандлера разработан оптический мультивибратор. На рис. 6.2 показана схема интегрально-оптического мультивибратора на основе двух электрооптических переключателей. Время переключения таких устройств не превышает 10^-9 с. В рабочем режиме устойчивые состояния двух переключателей противоположны: один включен так, что пропускание его максимально, а у другого оно минимально. Внешний сигнал изменяет знак обратной связи, обеспечивая управление соответствующим оптическим бистабильным устройством.

На основе волноводных интерферометрических модуляторов Маха - Цандлера или полупроводниковых лазеров разрабатываются оптические триггеры, принцип действия которых основан на поляризационной бистабильности в полупроводниковых инжекционных лазерах. Переключение между двумя состояниями поляризации осуществляется световыми импульсами. Триггер состоит из трех высокоскоростных оптоэлектронных переключателей и бистабильного по поляризации инжекционного лазера, смещенного по интенсивности до середины гистерезисной петли. Два переключателя представляют собой входы триггера, третий управляется цугом ультракоротких импульсов, и его выходной сигнал используется для управления бистабильным лазером. Время переключения составляет 1 нc, амплитуда импульса тока, необходимого для переключения, 40 мА.

На базе пороговых бистабильных устройств можно построить все основные элементы, выполняющие логические операции И, ИЛИ, И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Обобщенная функциональная схема элементов приведена на рис. 6.3 (обведенная штриховой линией часть схемы выполняет первые две операции).

Для выполнения логических операций И и ИЛИ в устройство поступают коллинеарные сигналы Р_А и Р_В.Для реализации функции И необходимо, чтобы каждый из входных сигналов был по величине меньше порога передаточной характеристики устройства. Режиму, когда Р_А и Р_В.>Р_пор, отвечает выполнение устройством логической операции ИЛИ. Для выполнения двух других операций сигналы должны поступать на дополнительные фотоприемники 6 и 7(Р_А' и Р_В'),включенные так, что результирующий их сигнал противоположен по знаку сигналу детектора 2. Если теперь выбирать значения сигналов Р_А' и Р_В' так, что Р_А' и Р_В'<Р_пор, а Р_А' + Р_В' >ΔР, получим логический вентиль И-НЕ; в случае же, когда Р_А' и Р_В' >ΔР, - вентиль ИЛИ-НЕ. Если в схеме использовать только два фотодиода 2 и 6, томожно получить схему оптического транзистора.

На подложке из ниобата лития изготовлены ОИС со световыми входными и выходными сигналами, выполняющие элементарные логические операции. Взаимодействие между оптическими сигналами достигалось использованием электрооптических волноводных модуляторов, которые работают на принципе отсечки низшей направляемой моды в канальном волноводе. Поверх расположенных на подложке волноводов наносятся фоточувствительные слои CdS, при освещении которых происходит изменение проводимости и, следовательно, перераспределение электрического поля между электродами. Это поле изменяет разницу показателей преломления между подложкой и волноводом и может «закрывать» их. Объединение на подложке нескольких волноводов с электрооптичеекими модуляторами позволило построить суммирующую ОИС.

Весьма перспективна разработка интегрального варианта оптического транзистора как структурного элемента функциональных ОИС. В интегрально-оптическом транзисторе оптическая бистабильность может быть получена при подаче продетектированной части усиленного выходного сигнала на управляющие электроды направленного ответвителя (рис. 6.4).

Выходной сигнал Р_вых в направленном ответвителе регулируется дополнительным световым сигналом Р_см. Коэффициент передачи

(6.1)

является функцией управляющего напряжения U,формируемого цепью обратной связи.

Для схемы, представленной на рис.6.4,

(6.2)

где U_см - постоянное напряжение смещения; β - коэффициент обратной связи; Р_см - мощность дополнительного импульса света. В соответствии с (6.1) и (6.2)

. (6.3)

Коэффициент передачи К транзистора проще всего найти графическим решением уравнений (6.1) и (6.3).