Оптический аналого-цифровой преобразователь

(51)03 1/12 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Гончаренко Игорь Андреевич Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий нелинейный оптический элемент, отличающийся тем, что содержит связывающий и управляющий волноводы,оптически связанные с нелинейным оптическим элементом, блок разветвителей, выполненный изоптически последовательно соединенных разветвителей, выход которого соединен 9167 1 2007.04.30 с управляющим волноводом, а входы являются входами устройства,микрорезонаторов,каждый из которых оптически связан со связывающим волноводом и с соответствующим выходным волноводом устройства, причем нелинейный оптический элемент представляет собой микрорезонатор, выполненный в виде замкнутого волновода, каждый -й микрорезонатор извыполнен в виде замкнутого волновода, длинакоторого определена из соотношения, где- целое число, значение которого выбирается с учетом геометрических размеров микрорезонаторов, - длина волны оптического сигнала, фильтруемого -м микрорезонатором, - эффективный коэффициент преломления материала волновода. Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для создания элементной базы высокопроизводительных оптоэлектронных или оптических систем обработки информации. Известен электрооптический аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, содержащий источник аналогового сигнала, соединенный с набором сигнальных проводников, которые близко расположены около пар волноводов, оптически соединенных соответственно первые волноводы пар - с лазером, вторые волноводы пар - с выходом устройства. Данный АЦП не обладает высоким быстродействием и имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. входная емкость устройства значительна и ограничивает полосу частот во входной электрической цепи. Устройство не имеет возможности оцифровывать оптический входной сигнал. Наиболее близким по технической сущности является оптический АЦП 2, содержащий нелинейный оптический элемент, оптически соединенный с входным светоделителем и цепью обратной связи, которая также оптически связана с входным светоделителем. Описанный оптический АЦП не является достаточно быстродействующим, так как выходные цифровые отсчеты вырабатываются последовательно. Уменьшает быстродействие АЦП наличие цепи обратной связи, которая удлиняет оптический путь сигнала внутри устройства. Техническая задача - увеличение быстродействия преобразователя оптического сигнала в цифровой код. Поставленная техническая задача решается тем, что в оптический аналого-цифровой преобразователь, содержащий нелинейный оптический элемент, введены связывающий и управляющий волноводы, оптически соединенные с нелинейным оптическим элементом,блок разветвителей, выполненный изоптически последовательно соединенных разветвителей, выход которого соединен с управляющим волноводом, а входы являются входами устройства,микрорезонаторов, каждый из которых оптически связан со связывающим волноводом и с соответствующим выходным волноводом устройства, причем нелинейный оптический элемент представляет собой микрорезонатор, выполненный в виде замкнутого волновода, каждый -й микрорезонатор извыполнен в виде замкнутого волновода, длиной , которая определена из соотношения/,где- целое число, значение которого выбирается с учетом геометрических размеров микрорезонаторов, - длина волны оптического сигнала, фильтруемого -м микрорезонатором, - эффективный коэффициент преломления материала волновода. 2 9167 1 2007.04.30 Совокупность указанных признаков и связей позволяет, во-первых, существенно сократить оптический путь внутри устройства, а во-вторых, получить цифровой отсчет за время одного прохода излучения по элементам устройства. Благодаря указанным свойствам оптического АЦП существенно ( 10 раз) сокращается время аналого-цифрового преобразования. Сущность изобретения поясняется приведенной на фигуре функциональной схемой,где 1 - блок разветвителей, 2 - разветвитель, 3 - управляющий волновод, 4 - нелинейный оптический элемент (НОЭ), 5 - связывающий волновод, 6 - микрорезонатор, 7 - ввыходной волновод. В оптическом АЦП блок разветвителей 1, состоящий изоптически последовательно соединенных разветвителей 2 связан с управляющим волноводом 3 и НОЭ 4, который оптически соединен со связывающим волноводом 5. Последний оптически соединен с микрорезонаторами 6, каждый из последних связан с выходным волноводом 7. В конкретном исполнении блок разветвителей 1 состоит изволноводов шириной 0,7 мкм, толщиной 0,5 мкм, выполненных на подложке изс буферным слоемтолщиной 1,2 мкм. Для задания симметричного распределения поля в волноводах блока разветвителей 1 на их поверхности выполнен буферный слойтолщиной 0,3 мкм 3. Геометрическое расположение волноводов разветвителей 2 блока разветвителей 1 в плоскости, параллельной подложке, представлено на фигуре. Управляющий волновод 3, связывающий волновод 5 и выходные волноводы 8 изготовлены изволноводов шириной 0,7 мкм, толщиной 0,5 мкм, выполненных на подложке изс буферным слоемтолщиной 1,2 мкм. Для задания симметричного распределения поля в волноводах блока разветвителей 1 на их поверхности выполнен буферный слойтолщиной 0,3 мкм 3. Нелинейный оптический элемент (НОЭ) 4 - это замкнутый микрорезонатор, выполненный изволновода с геометрическими размерами и буферным слоем как в управляющем волноводе 3 описываемого устройства. Размеры самого микрорезонатора НОЭ 4 (для работы на длине волны 1540 нм) составляют радиус - 5 мкм, прямолинейный участок - 10 мкм. Повороты волноводов в разветвителях 2,связывающем волноводе 5 и выходных волноводах блока фильтров 6 выполнены с радиусом 10 мкм. Микрорезонаторы 6 выполнены на основе замкнутых волноводов, причем длина замкнутого волновода в каждом из нихвыбирается в соответствии с (1), при этом целые значенияв выражении (1) выбираются с учетом получения требуемых геометрических размеров микрорезонаторов минимальных радиуса закругления и длины прямолинейного участка. Эти геометрические параметры задают добротность микрорезонаторов 6. Работает оптический АЦП следующим образом. На его входы постоянно поступают через блок разветвителей 1 набор оптических сигналов с длинами волн 1. Все эти оптические сигналы из блока разветвителей 1 пройдя соответствующий разветвитель 2 одновременно взаимодействуют с НОЭ 4. В исходном состоянии, при отсутствии оптического сигнала в управляющем волноводе 3, ни одна из несущих частот входных оптических сигналов 1 не попадает в спектр резонансных частот НОЭ 4 и эти сигналы не возбуждают в НОЭ 4 интенсивных электромагнитных колебаний. При подаче оптического сигнала 0 на управляющий волновод 3, он поглощается в области волновода НОЭ 4 и в процессе поглощения генерирует свободные носители электрического заряда. В результате изменяется показатель преломления среды указанного волновода и спектр резонансных частот НОЭ 4 смещается. Изменение частотных свойств НОЭ 4 приводит к тому,что одна из несущих частотвходных оптических сигналов 1 попадает в спектр пропускания НОЭ 4, и этот входной оптический сигналвозбуждает в НОЭ 4 интенсивные колебания этой же частоты. Сформированный сигналпоступает из НОЭ 4 в связывающий волновод 5 и далее взаимодействует с отдельными замкнутыми волноводами микрорезонаторов 6. На каждую из несущих частот 1 в оптического АЦП имеется со 3 9167 1 2007.04.30 ответствующим образом (1) изготовленный микрорезонатор 6, и сигнал 1, возбуждая колебания в -том микрорезонаторе 6, проходит на -тый выходной волновод 7 устройства. Задавая неравномерную сетку для несущих длин волн входных оптических сигналов 1, можно получить линейную зависимость между амплитудой А 0 управляющего сигнала на длине волны 0 и номеромпрошедшего на выход оптического АЦП цифрового сигнала . Так как у оптического сигнала отсутствуют отрицательные значения, то в данном случае мы получаем быстрое и однозначное преобразование амплитуды А 0 оптического сигнала в цифровой отсчет - номервыходного волновода, передающего оптическую несущую частоту . Время указанного преобразования при 8 составит 6 пс. Для реализации переключения в нелинейном оптическом элементе 4 указанных размеров на управляющий волновод 3 необходимо подать оптический сигнал на длине волны 01,543 мкм с энергией в импульсе 20 пДж 4. Для длительности импульса 6 пс его мощность составит 3,3 Вт. Источники информации 1. Патент США 4325603. 2. Патент США 4926177. 3.,,., 2001. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4