专利名称：用于缓冲数字光学信号的设备及方法
技术领域：
本发明涉及用于缓冲数字光学信号的光学缓冲器领域。
在光学时分复用(OTDM)系统中，长的光纤回路，有时长度大约几千米，被用于较低速率的输入光学信号，在其作为一个输出线上的交替的输出光学信号被传输之前，提供一个延迟或缓冲。这种系统的缺点主要在于其物理尺寸及复杂性。
本发明的一个目的是提供缓冲数字光学信号的一种方法，而不使用长的光纤回路。
根据本发明的一种方法可以实现该目的，涉及在至少一个预定的保持时间内缓冲具有预定数字电平的一个数字光学信号的一种方法，包括以下步骤a)将该光学信号输入到一个半导体激光器元件的光学输入端；b)将一个注入电流注入该半导体激光器元件，以在该半导体激光器元件中建立一个光学增益过程，该注入电流具有的幅值使得半导体激光器元件内的光学增益过程与一个光学吸收过程在超过该保持时间的时间内相互保持动态平衡，以使该数字光学信号在该保持时间内保持在预定的数字电平。
在根据本发明的方法中，使用了一个相对简单的设备，其中使用一个半导体激光器元件代替长光纤回路。这种缓冲设备比根据现有技术的长光纤回路设备在物理上要小。选择激光器参数使得该数字光学信号被截留在半导体激光器元件的反射面之间，并且在至少一个预定的保持时间内保持其数据特性。
为了读取这种光学缓冲器(或光学存储器)的内容，该方法可以进一步包括一个步骤，通过连接在半导体激光器元件的输出端与一个输出线之间的一个光学输出开关，将光学信号输出到输出线。
在本发明的一个理想实施例中，该方法涉及对分别具有一个预定数字电平的多个数字光学信号进行时分复用的一种方法，包括以下步骤a)将每个光学信号输入到其中一个半导体激光器元件的光学输入端；b)将不同的注入电流注入每个半导体激光器元件，以在每个半导体激光器元件中建立一个光学增益过程，每个注入电流具有的幅值使得每个半导体激光器元件内的光学增益过程与一个光学吸收过程在超过一个预定的保持时间的时间内相互保持动态平衡，以使每个数字光学信号在该保持时间内保持在每个预定的数字电平；c)通过多个光学输出开关以连续的时间帧将每个光学信号连续地输出到一个输出线，每个输出开关连接在一个半导体激光器元件的输出端与该输出线之间。
本发明还涉及一种设备，用于在至少一个预定的保持时间内缓冲具有一个预定数字电平的数字光学信号，包括a)一个半导体激光器元件，具有一个光学输入端，用于接收该光学信号；b)电流源装置，连接到该半导体激光器元件，并将一个注入电流注入该半导体激光器元件，以在该半导体激光器元件中建立一个光学增益过程，在使用中，注入电流具有的幅值使得该半导体激光器元件内的光学增益过程与一个光学吸收过程在超过该保持时间的时间内相互保持动态平衡，以使该数字光学信号在该保持时间内保持在该预定的数字电平。
这种设备比现有技术的长光纤回路设备在物理上要小，并且更灵活。
在一个最佳实施例中，一个控制器被连接到电流源装置，以提供一个电流控制信号到该电流源装置，控制注入电流的幅值。
为了确信半导体激光器元件内的光学增益过程与光学吸收过程相互保持动态平衡，可以使用一个反馈控制系统连续地调节注入该半导体激光器元件的注入电流的值。在这种设备中，使用一个光学探测器探测半导体激光器元件的光学功率容量，并且向控制器提供一个反馈信号，该控制器用于产生与该反馈信号有关的电流控制信号。
为了读取，该设备可以包括一个光学输出开关，连接在半导体激光器元件的输出端与一个输出线之间，并且连接到控制器以接收一个输入开关控制信号，控制光学信号输出到输出线。
为了能够及时控制数字光学信号进入该缓冲设备的时刻，该设备理想地包括一个光学输入开关，连接到半导体激光器元件的输入端，并且连接到控制器以接收一个输入开关控制信号，控制光学信号输入到该半导体激光器元件。
最后，本发明还涉及一种设备，用于分别具有一个预定数字电平的多个数字光学信号的时分复用，包括a)多个半导体激光器元件，每个具有一个光学输入端，用于接收一个光学信号；b)电流源装置，连接到该半导体激光器元件，用于将一个不同的注入电流注入每个半导体激光器元件，以在每个半导体激光器元件内建立一个光学增益过程，每个注入电流具有的幅值使得每个半导体激光器元件内的光学增益过程与一个光学吸收过程在超过一个预定的保持时间的时间内相互保持动态平衡，以使每个数字光学信号在该保持时间内保持在每个预定的数字电平；c)多个光学输出开关，每个输出开关连接在一个半导体激光器元件的输出端与一个输出线之间；d)一个控制器，连接到多个光学输出开关，以控制每个光学信号以连续的时间帧连续地输出到输出线。
本发明将参考一些
，这些附图仅用于说明本发明，而不是限制其范围。
图1示意性地显示根据现有技术的一个光学多路复用设备；图2示意性地显示根据现有技术在一个多路复用设备中四个不同的光学信号是如何交替的；
图3显示根据本发明的一个多路复用设备；以及图4示意性地显示根据现有技术的一个半导体激光器元件。
在图1所示的多路复用设备中，一个多路复用器MX从四个不同的缓冲器BF(i)(i=0,1,2,…,I；在附图的例子中I=3，但是I可以是≥2的任意其它的整数值)接收四个不同的输入信号。缓冲器BF(i)接收各自的输入信号Sin(i)。为了定时，这些输入信号Sin(i)可以由光学开关SWin(i)切换。这些开关SWin(i)理想地由未在图1中显示的一个控制器控制。
在现有的多路复用设备中，缓冲器BF(i)包括长的光纤回路，长度可能有大约几千米，以提供一个延迟用于输入信号Sin(i)，该延迟随输入信号Sin(i)的不同而不同。
缓冲器BF(i)的输出信号在图1中用Sin*(i)表示。
图2显示缓冲器BF(i)的输出信号Sin*(i)以及多路复用器MX的输出信号So的定时的一个例子。缓冲器BF(i)使输入信号Sin(i)延迟，使得信号Sin*(i)不重叠，并且多路复用器MX只需将所有的信号Sin*(i)切换到其输出线，以产生包括四个连续的输出信号So*(i)的输出信号So。图2的定时表明多路复用器MX不引入进一步的时间延迟。但是，引入延迟可能是有利的。
由于根据现有技术的缓冲器BF(i)较大，并且为多路复用设备引入了复杂性，因此，本发明建议使用半导体激光器元件作为光学缓冲器元件。这些元件在物理上较小，并且比根据现有技术的缓冲器更灵活。以下，将解释这是如何实现的。
图4示意性地显示一个众所周知的半导体激光器元件1。该激光器元件1包括一个阴极3和一个阳极5。在阴极3与阳极5之间有一个半导体层7，包括至少一个PN结，熟练的技术人员是知道的。在本发明中，层7中可以使用任何简单的或更复杂的半导体层设备。阴极3连接到导线4，而阳极5连接到导线6。在使用中，一个电流源(或电压源)通过这些导线4、6将电流提供给激光器元件1。激光器元件1包括(解理的)半反射端7、9。在使用中，半反射端7、9将发射的光子反射回半导体材料块中，在这里，通过再吸收，光子发射率被增大，使光子实现光放大。如果增大通过导线4、6进入半导体材料的电流，可以达到一个阈值，在此阈值下，光子密度太大，无法被层7的半导体材料的体积限定的光学腔所容纳。于是，半导体材料通过半反射端7、9辐射。通过一个激光器产生辐射的过程已知为“受激发射”。在使用中，受激发射必须与吸收过程竞争。在吸收过程中，用一个吸收的光子产生一个电子-空穴对。在加到激光器元件1的电流的阈值处，在半导体材料的导带内存在足够数量的电子，以使半导体在光学上是透明的。大于该阈值，则半导体元件1的活动区域显示出光学增益并且放大电磁辐射。
由于半反射面7、9的光学反馈，构成一个法布里-珀罗腔，当电流足够大，满足净受激发射条件时，垂直于半反射端7、9传播的光子数增加。一些光子在通过半反射端7、9时被损耗，一些在腔中被散射或吸收。小于电流阈值时，损耗超过增益，受激发射无法保持稳定的光子供应。然而，在电流的阈值处，增益等于损耗，受激发射开始占优势。在接近阈值电流的一个窄电流范围之外，增益增大了几个数量级，并且超过电流阈值时，激光器输出(即辐射输出)几乎是线性增加。
在阈值区域处，即，当光学增益等于损耗时，理想地腔内存在的任何光学信号将简单地在反射面7、9之间来回传播，并且保持其特性。本发明的发明者已经发现可以将其性质用于使用半导体激光器元件1作为光学信号的存储器。
这可以在一个设备中实现，其中图4所示的半导体激光器元件1被连接作为辐射放大器元件，这是熟练的技术人员已知的。在这种放大器设备中，半反射端7、9都连接到光纤，其中一个光纤被用作光学输入端而另一个光纤被用作光学输出端。
所建议的设备的一个例子在图3中显示。图3显示用于四个不同输入信号Sin(i)的一个多路复用设备。输入信号Sin(i)被光学开关SWin接收。光学开关SWin(i)由控制器CON产生的控制信号SWCONin(i)控制。
开关SWin(i)的输出信号被连接到方向滤波器Fin(i)。方向滤波器Fin(i)的输出端连接到半导体激光器元件SLE(i)的光学输入端。电流源I(i)向半导体激光器元件SLE(i)提供电流。电流源I(i)从控制器CON接收控制信号ICON(i)。
如果需要，电流源I(i)可以用电压源替代。电流源I(i)不必是物理上分离的。可以使用一个电流源为各个半导体激光器元件SLE(i)提供不同的电流。
或者，探测器D(i)可以放在半导体元件SLE(i)的一个半反射端上。这些探测器D(i)产生电子反馈信号FB(i)，加到控制器CON，用于下述目的。
半导体激光器元件SLE(i)的光学输出端连接到方向滤波器Fo(i)。方向滤波器Fo(i)的输出端连接到光学输出开关SWo(i)。光学开关SWo(i)的输出端连接到单个光学输出线，用于提供输出信号So。输出光学开关SWo(i)由控制器CON产生的控制信号SWCONo(i)控制。
在图3的设备中，每个半导体激光器元件SLE(i)可以用作一个存储器单元，用于在一个不定的加电时间内理想地存储光学信号，具有一个写或更新周期和一个读周期。
光学输入信号Sin(i)是较低速，例如，2.5gbs的信号。每个光学输入信号Sin(i)是光学位型的信号，即，具有一个表示数字1或数字0的值。控制信号SWCONin(i)由控制器CON中的一个时钟产生，被同步以控制一个选定的开关SWin(i)。选定的开关SWin(i)接通，允许光学信号Sin(i)进入半导体激光器元件SLE(i)。
方向滤波器Fin(i)使其允许信号Sin(i)仅以一个方向传播进入半导体激光器元件SLE(i)。这种方向滤波器对于熟练的技术人员是已知的，不必在此进一步说明。此外，它们可以位于其它位置输入方向滤波器Fin(i)可以位于SWin(i)的另一侧，而输出方向滤波器Fo(i)可以位于SWo(i)的另一侧。
在某个半导体激光器元件SLE(i)的写过程中，各个输入开关SWin(i)接通，而各个输出开关SWo(i)切断。在这样一个写过程开始之前，需要一个存储器清零过程。这是由于以下原因假定将要被写的一个光学信号的功率为低，一个先前的光学信号的功率为高，如果半导体元件SLE(i)中存在的信号未清零，则半导体激光器元件SLE(i)内的光学信号的新值仍为高。因此，需要一个存储器清零过程，其中，半导体激光器元件SLE(i)中存在的光学信号的功率被强制为低。这可以通过，例如，在某个短时间段使相关电流源I(i)提供的电流被切断来实现。
在存储半导体激光器元件SLE(i)中的光学信号的过程中，各个输出开关SWo(i)由其控制信号SWCONo(i)控制在切断状态，即它阻止光学信号离开相关的半导体激光器元件SLE(i)。因而，光学信号就在半导体激光器元件SLE(i)的半反射端7、9之间反射。半反射端7、9的反射率大小可以特别设计，以具有一个最佳值。可以为电流源I(i)提供的电流设计一个预定的阈值。然后，当电流源I(i)提供的电流接近阈值电流区域时，由半反射端7、9的反射率导致的光学反馈引起的光学增益，以及由接收的光学信号Sin(i)以及从电流源I(i)接收的电流值引起的光学增益，刚好等于由吸收过程引起的损耗，在吸收过程中，用一个吸收的光子产生一个电子-空穴对。
在所示的多路复用设备中的半导体元件SLE(i)的读出过程中，每个输出开关SWo(i)被连续接通，以提供输出信号So，例如，如图2中所示。输出开关SWo(i)可以由控制信号SWCONo(i)控制，使得输出信号So比输入信号Sin(i)具有更高的数据率。
以上，说明了一种光学多路复用技术，使用半导体激光器元件SLE(i)作为存储器单元，用于光学位信息。当然，图3所示的概念可以扩展到多个输出线，以提供一种字节多路复用技术。
本发明的基本元件是一个半导体激光器元件SLE(i)，用作一个光学存储器单元，用于一个光学位信息。如上所述，选择电流源I(i)提供的电流，使得在存储光学位信息的过程中，半导体元件SLE(i)中的光学增益基本等于激光器元件中的光子吸收。对于存储光学信息位的一个预定的最小保持时间，半导体激光器元件SLE(i)的半反射端7、9的反射率以及电流值可以优化。因而，可以确信，尽管半导体激光器元件SLE(i)内的一个光学信号可能由于光学增益和光子吸收之间的小的失衡而稳定地改变其值，但是保持时间仍将超过所需的最小值。或者，可以使用一种反馈控制系统用于该电流。在这种反馈控制系统中，探测器D(i)探测该半导体激光器元件SLE(i)内存在的光学信号的光学功率。反馈信号FB(i)被反馈回控制器CON，控制器CON用于产生电流源控制信号ICON(i)，使得电流源I(i)调节其提供给半导体激光器元件SLE(i)的电流，使该光学功率保持不变(在允许的一个小的变化范围内)。这样一个反馈控制与存储器写过程同步，使其在存储器写过程之后开始。
可以看出上述所给设备仅是通过例子给出的。例如，在图3的设备中，当光学输入信号Sin(i)已经具有一个合适的定时，即图2中所示信号Sin*(i)的定时时，输入开关SWin(i)就可以省略。
此外，控制器CON显示为单个单元。它可以作为一个软件驱动的(微)处理器设备，包括必要的装置如存储器(RAM、ROM、EEPROM等)、键盘、鼠标、显示器等实现，这对于熟练的技术人员是很显然的。但是，它还可以根据需要使用数字和/或模拟电路实现。此外，它可以作为多个相互通信的多个处理器实现，用于执行子任务。因此，权利要求书中“一个控制器”被要求用于执行指定任务的地方，都试图包括对于熟练的技术人员来说很明显的所有实际的实施例。
权利要求
1．一种在至少一个预定保持时间内缓冲具有预定数字电平的一个数字光学信号(S(i),i=0,…,3)的方法，包括以下步骤a)将该光学信号(S(i))输入到一个半导体激光器元件(SLE(i))的光学输入端；b)将一个注入电流注入所述半导体激光器元件(SLE(i))，以在所述半导体激光器元件(SLE(i))中建立一个光学增益过程，该注入电流具有的幅值使得所述半导体激光器元件(SLE(i))内的所述光学增益过程与一个光学吸收过程在超过所述保持时间的时间内相互保持动态平衡，以使所述数字光学信号在所述保持时间内保持在所述预定的数字电平。
2．根据权利要求1的方法，还包括以下步骤c)通过连接在所述半导体激光器元件(SLE(i))与一个输出线之间的一个光学输出开关(SWo(i))，将所述光学信号(S(i))输出到所述输出线。
3．一种时分复用多个数字光学信号(S(i),i=0,…,3)的方法，每个光学信号具有一个预定的数字电平，该方法包括以下步骤a)将每个光学信号(S(i))输入到一个半导体激光器元件(SLE(i))的光学输入端；b)将不同的注入电流注入每个所述半导体激光器元件(SLE(i))，以在每个所述半导体激光器元件(SLE(i))中建立一个光学增益过程，每个注入电流具有的幅值使得每个所述半导体激光器元件(SLE(i))内的所述光学增益过程与一个光学吸收过程在超过一个预定的保持时间的时间内相互保持动态平衡，以使每个所述数字光学信号在所述保持时间内保持在每个所述的预定的数字电平；c)通过多个光学输出开关(SWo(i))将每个所述光学信号(S(i))以连续的时间帧连续地输出到一个输出线，每个所述多个输出开关(SWo(i))连接在一个所述半导体激光器元件(SLE(i))的一个输出端与所述输出线之间。
4．根据权利要求1至3任意一个的方法，其中在步骤a)之前，在一个预定清零时间内通过切断所述注入电流，使所述半导体激光器元件(SLE(i))清零。
5．一种在至少一个预定的保持时间内缓冲具有预定数字电平的一个数字光学信号(S(i),i=0,…,3)的设备，包括a)一个半导体激光器元件(SLE(i))，具有一个光学输入端，用于接收该光学信号(S(i))；b)电流源装置(I(i))，连接到所述半导体激光器元件(SLE(i))，并将一个注入电流注入到所述半导体激光器元件(SLE(i))，以在所述半导体激光器元件(SLE(i))中建立一个光学增益过程，在使用中，注入电流具有的幅值使得所述半导体激光器元件(SLE(i))内的所述光学增益过程与一个光学吸收过程在超过所述保持时间的时间内相互保持动态平衡，以使所述数字光学信号在所述保持时间内保持在所述预定的数字电平。
6．根据权利要求5的设备，包括一个控制器(CON)，连接到所述电流源装置(I(i))，以提供一个电流控制信号(ICON(i))到所述电流源装置(I(i))，控制所述注入电流的幅值。
7．根据权利要求6的设备，包括一个光学探测器(D(i))，用于探测所述半导体激光器元件(SLE(i))的光学功率容量，并且提供一个反馈信号(FB(i))到所述控制器(CON)，所述控制器用于产生与所述反馈信号(FB(i))有关的所述电流控制信号(ICON(i))。
8．根据权利要求6或7的设备，包括一个光学输出开关(SWo(i))，连接在所述半导体激光器元件(SLE(i))的一个输出端与一个输出线之间，并且连接到所述控制器(CON)，以接收一个输出开关控制信号(SWCONo(i))，控制所述光学信号(S(i))输出到所述输出线。
9．根据权利要求8的设备，包括一个光学输出方向滤波器(Fo(i))，连接在所述半导体激光器元件(SLE(i))的所述输出端与所述光学输出开关(SWo(i))之间。
10．根据权利要求6至9任意一个的设备，包括一个光学输入开关(SWin(i))，连接到所述半导体激光器元件(SLE(i))的所述输入端，并且连接到所述控制器(CON)，以接收一个输入开关控制信号(SWCONin(i))，控制所述光学信号(S(i))输入到所述半导体激光器元件(SLE(i))。
11．根据权利要求10的设备，包括一个光学输入方向滤波器(Fin(i))，连接在所述半导体激光器元件(SLE(i))的所述输入端与所述光学输入开关(SWin(i))之间。
12．根据权利要求10或11任意一个的设备，其中所述控制器(CON)用于控制所述电流源装置(I(i))，使得在通过所述光学输入开关(SW(i))将所述数字光学信号(Sin(i))切换到所述半导体激光器元件(SLE(i))之前，所述电流源装置(I(i))通过在一个预定清零时间内切断所述注入电流，使所述半导体激光器元件(SLE(i))清零。
13．一种用于多个数字光学信号(S(i),i=0,…,3)的时分复用的设备，每个光学信号具有一个预定的数字电平，该设备包括a)多个半导体激光器元件(SLE(i))，每个具有一个光学输入端，用于接收一个所述光学信号(S(i))；b)电流源装置(I(i))，连接到所述半导体激光器元件(SLE(i))，用于将不同的注入电流注入到每个所述半导体激光器元件(SLE(i))，以在每个所述半导体激光器元件(SLE(i))中建立一个光学增益过程，每个注入电流具有的幅值使得每个所述半导体激光器元件(SLE(i))内的所述光学增益过程与一个光学吸收过程在超过一个预定的保持时间的时间内相互保持动态平衡，以使每个所述数字光学信号在所述保持时间内保持在每个所述预定的数字电平；c)多个光学输出开关(SWo(i))，所述多个输出开关(SWo(i))中的每一个连接在一个所述半导体激光器元件(SLE(i))的一个输出端与一个输出线之间；d)一个控制器(CON)，连接到所述多个光学输出开关(SWo(i))，以控制每个所述光学信号(S(i))以连续的时间帧连续地输出到所述输出线。
全文摘要
一种用于在至少一个预定的保持时间内缓冲具有预定数字电平的数字光学信号的设备及其方法,包括以下步骤:a)将光学信号输入到一个半导体激光器元件的光学输入端;b)将一个注入电流注入所述半导体激光器元件,以在所述半导体激光器元件中建立一个光学增益过程,该注入电流具有的幅值使得所述半导体激光器元件内的所述光学增益过程与一个光学吸收过程在超过所述保持时间的时间内相互保持动态平衡,以使所述数字光学信号在所述保持时间内保持在所述预定的数字电平。
文档编号H04Q11/00GK1310574SQ0110450
公开日2001年8月29日 申请日期2001年2月14日 优先权日2000年2月15日
发明者高文达·纳拉帕·拉詹 申请人:朗迅科技公司