Полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов

Полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов

Реферат

 

Полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов и полупроводниковый лазер имеют новую структуру, отличающуюся возможностью значительного уменьшения размеров элементов и простотой процесса изготовления. Полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов образован полупроводниковым оптическим волноводом, направляющим оптический сигнал и включающим в свой состав область сжатия оптического импульса. Область сжатия оптического импульса содержит по меньшей мере одну область насыщающегося усилителя, утрачивающего характеристику усиления после усиления фиксированного количества оптической энергии, и по меньшей мере одну область насыщающегося поглотителя, утрачивающего характеристику поглощения после поглощения фиксированного количества оптической энергии, причем область насыщающего усилителя и область насыщающегося поглотителя размещены со взаимным чередованием в ряде в области сжатия оптического импульса. Полупроводниковый лазер содержит область волновода со сжатием оптического импульса, включенную в состав резонатора полупроводникового лазера. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Настоящее изобретение относится к полупроводниковому волноводу со сжатием оптических импульсов, предназначенному для сжатия оптических импульсов с целью генерации более коротких оптических импульсов, используемых, например, в оптической связи, оптической памяти, оптических измерениях, и, в частности, к методике преобразования исходных коротких оптических импульсов, представляющих собой выходные сигналы полупроводникового лазера с модуляцией добротности, полупроводникового лазера с модуляцией коэффициента усиления или полупроводникового лазера с синхронизацией мод, в ультракороткие оптические импульсы.

Обычно в качестве методики сжатия оптических импульсов рассматривается несколько из предложенных и опубликованных способов. В первом из этих способов используется нелинейность оптического волокна (см., ссылка 1; J.Т. Ong, R. Takahashi, М. Tsuchiya. S.H. Wong, R.Т. Sahara, Y. Ogawa и Т. Kamiya. "Сжатие импульсов диодного лазера с модуляцией коэффициента усиления, использующего волоконный усилитель, легированный эрбием, с образованием субпикосекундных солитонов", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 29, No. 6, June 1993 и т.п.). Нелинейность оптического волокна, на котором основывается этот способ, относится к таким характеристикам, как дисперсия групповой скорости оптических волн в оптическом волокне и зависимость показателя преломления материала, из которого изготовлено оптическое волокно, от интенсивности светового излучения.

Дисперсия групповой скорости оптических волн указывает на свойство изменения групповой скорости этих волн в материале. Использование этого свойства обеспечивает возможность сокращения длительности оптических импульсов при внутриимпульсной линейной частотной модуляции, например при внутриимпульсной линейной частотной модуляции, проявляющейся в том, что длина волны оптического импульса изменяется при переходе от его переднего фронта к заднему фронту.

В частности, рассмотрим оптическое волокно с меньшей групповой скоростью для длины волны, соответствующей переднему фронту, и большей групповой скоростью для длины волны, соответствующей заднему фронту, в случае которого оптические импульсы могут иметь меньшую длину волны на переднем фронте и большую длину волны на заднем фронте. В процессе распространения этих оптических импульсов через оптическое волокно задние фронты оптических импульсов постепенно догоняют передние фронты из-за большей групповой скорости на задних фронтах, что приводит к постепенному сокращению длительности оптических импульсов. Тем самым обеспечивается возможность сжатия оптических импульсов, обладающих таким свойством в результате использования внутриимпульсной линейной частотной модуляции, в процессе распространения через оптическое волокно.

Кроме того, возможно также использование зависимости показателя преломления материала, из которого изготовлено оптическое волокно, от интенсивности светового излучения. В основе этого способа лежит различие показателей преломления для светового излучения разной интенсивности. Использование такого эффекта (зависимости показателя преломления от интенсивности светового излучения) может обеспечить сужение, или уширение, или изменение длительности импульса в результате выбора условий в процессе распространения оптических импульсов через волокно. Проявление эффекта в общем усиливается с увеличением энергии оптических импульсов. С учетом этого положения реальная система обеспечивает увеличение энергии оптического импульса в результате пропускания, например, через легированный эрбием волоконный усилитель, которое сопровождается сжатием оптических импульсов с помощью оптического волокна.

Второй способ касается устройства сжатия импульсов типа оптического волновода, использующего дисперсию групповой скорости в волноводе. В основе этого способа, также как и предшествующего способа, использующего оптическое волокно, лежит зависимость групповой скорости оптических волн от их длины.

Волновод изготавливают с использованием диэлектрика или полупроводника. Механизм сжатия оптических импульсов, основанный на дисперсии групповой скорости в волноводе, в принципе совпадает со способом, использующим дисперсию групповой скорости в оптическом волокне (см., ссылка 2; Y. Lee. "Сжатие импульсов с использованием структур связанных волноводов в качестве элементов с высокой дисперсией", Applied Physics Letters, Vol. 73, No. 19, Nov. 1998 и т. п.). Однако волновод, использующий полупроводник или диэлектрик, обладает более высокой степенью гибкости при проектировании с целью его изготовления. Поэтому использование этой особенности в сочетании с разработкой структуры волновода позволяет увеличить изменения в групповой скорости, обусловленные изменениями длины волны. Кроме того, обеспечивается и возможность уменьшения длины устройства сжатия импульсов. Так, длина этого устройства, составляющая в случае оптического волокна от нескольких десятков до сотен метров, в результате использования волновода может быть уменьшена до нескольких миллиметров или сантиметров.

Во всех предшествующих обычных способах главным образом используется свойство изменения длины волны оптических импульсов от переднего фронта к заднему, то есть внутриимпульсная линейная частотная модуляция. Более важным обстоятельством является необходимость достаточной степени соответствия между способом использования внутриимпульсной линейной частотной модуляции и дисперсионной характеристикой оптического волокна или оптического волновода. Несмотря на изменение длины волны в оптических импульсах, достаточный эффект не может быть достигнут в случае несоответствия способа изменения длины волны характеристике дисперсии групповой скорости оптического волокна. Например, оптические импульсы, имеющие короткую длину волны со стороны переднего и заднего фронтов и представляющие собой более длинноволновые колебания в центральных областях, сжатию практически не подвергаются и, следовательно, не могут быть использованы. Кроме того, эти обычные способы непригодны в случае сжатия оптических импульсов большой длительности без использования внутриимпульсной линейной частотной модуляции.

С практической точки зрения необходимым условием обеспечения сжатия импульсов являются компоненты малых размеров. Однако оптическое волокно, используемое для сжатия импульсов, занимает большое пространство, составляющее по длине от сотен метров до нескольких километров. Помимо этого, для осуществления оптического усиления, выполняемого волокном, легированным эрбием, предварительно требуются волокно, легированное эрбием, источник света, обеспечивающий возбуждение этого волокна, соединитель для соединения волокон между собой и другие компоненты, которые неизбежно увеличивают размеры системы в целом и создают большие препятствия на пути ее реального использования. Дополнительным необходимым условием достижения требуемого сжатия импульсов является приведение длины волокна в соответствие с использованием внутриимпульсной линейной частотной модуляции, следствием которого являются снижение степени гибкости при проектировании и ограничение приложения в коммерческих системах.

Несмотря на возможность значительного уменьшения размеров обычного устройства сжатия импульсов типа оптического волновода по сравнению с системой сжатия с использованием оптического волокна величина их не позволяет в достаточной степени удовлетворить требования, предъявляемые к практическим системам. В практических системах в качестве собственного источника оптических импульсов обычно используют источник света типа полупроводникового лазера с модуляцией коэффициента усиления или полупроводникового лазера с модуляцией добротности. Длительность оптических импульсов, генерируемых этими полупроводниковыми лазерами, составляет около 10 пс, для сжатия которых в обычном устройстве сжатия импульсов типа оптического волновода требуется волновод длиной несколько сантиметров. Кроме того, структура обычного устройства сжатия импульсов типа оптического волновода в значительной степени отличается от структуры обычного полупроводникового лазера (см., ссылка 2; Y. Lee. "Сжатие импульсов с использованием структур связанных волноводов в качестве элементов с высокой дисперсией", Applied Physics Letters, Vol. 73, No. 19, Nov. 1998 и т.п.). Следовательно, интеграция обычного устройства сжатия импульсов типа оптического волновода и полупроводникового лазера с модуляцией добротности или полупроводникового лазера с модуляцией коэффициента усиления на одной полупроводниковой подложке является сложным процессом, представляющим собой проблему реализации практических систем.

Поэтому целью настоящего изобретения является создание полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов, имеющего новую структуру, отличающуюся возможностью значительного уменьшения размеров волновода по сравнению с обычной системой сжатия оптических импульсов и простотой процесса изготовления, в частности, создание полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов, имеющего новую структуру, которая может быть с легкостью интегрирована на одной полупроводниковой подложке с полупроводниковым лазером с модуляцией добротности или полупроводниковым лазером с модуляцией коэффициента усиления, используемым в качестве источника света для получения оптических импульсов, и изготовление которой не требует использования сложного производственного процесса.

Другая цель настоящего изобретения заключается в создании полупроводникового лазера, генерирующего оптические импульсы и имеющего новую структуру, содержащую волновод со сжатием оптических импульсов и обеспечивающую возможность интеграции этого полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов с одним из различных типов полупроводниковых лазеров, используемых в качестве источника света, вырабатывающего оптические импульсы, на одной подложке и получения, таким образом, ультракоротких оптических импульсов.

Появление настоящего изобретения явилось результатом интенсивных исследований, проведенных авторами в области разработки способа сжатия оптических импульсов, основанного на новом принципе действия, и структуры компонентов для реализации этого принципа действия. В процессе исследований была установлена возможность пошагового уменьшения длительности оптических импульсов при их пропускании с чередованием через насыщающийся поглотитель и область усиления.

В соответствии с настоящим изобретением создан полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов, образованный полупроводниковым оптическим волноводом, направляющим оптический сигнал и включающим в свой состав область сжатия оптического импульса, содержащую: по меньшей мере одну область насыщающегося усилителя, которая утрачивает характеристику усиления после усиления фиксированного количества оптической энергии; по меньшей мере одну область насыщающегося поглотителя, которая утрачивает характеристику поглощения после поглощения фиксированного количества оптической энергии, причем по меньшей мере одна область насыщающегося усилителя и по меньшей мере одна область насыщающегося поглотителя размещены со взаимным чередованием в ряд в области сжатия оптического импульса.

Полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов обеспечивает возможность уменьшения длительности оптического импульса, введенного извне, в процессе прохождения этого оптического импульса через область сжатия оптических импульсов при распространении по оптическому волноводу.

Полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов может также содержать первую область модуляции света, размещенную между участком ввода оптического импульса, через который оптический сигнал вводится в оптический волновод, и указанной областью сжатия оптического импульса и предназначенную для регулирования энергии оптического импульса. С другой стороны, рассматриваемый волновод может также содержать вторую область модуляции света, размещенную между указанной областью сжатия оптического импульса и участком вывода оптического импульса, через который оптический сигнал выводится из оптического волновода, и предназначенную для регулирования энергии оптического импульса. Кроме того, в состав волновода может входить как область модуляции света, размещаемая со стороны участка вывода оптического импульса, так и область модуляции света, размещаемая со стороны участка ввода оптического импульса.

В соответствии с настоящим изобретением для реализации устройства формирования ультракоротких импульсов полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов может быть объединен с полупроводниковым лазером, являющимся импульсным источником света. В частности, предпочтительным вариантом является интеграция полупроводникового лазера и полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов на одной полупроводниковой подложке.

В соответствии с настоящим изобретением полупроводниковый лазер, генерирующий оптические импульсы и содержащий волновод со сжатием оптических импульсов, может быть реализован в результате объединения полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов и полупроводникового лазера, способного генерировать оптические импульсы с использованием таких методов, как модуляция добротности, модуляция коэффициента усиления и синхронизация мод. Другими словами, полупроводниковый лазер может содержать в своем резонаторе структуру указанного выше полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов и генерировать оптические импульсы с использованием методов типа модуляции добротности, модуляции коэффициента усиления и синхронизации мод.

В частности, с целью генерации оптических импульсов полупроводниковый лазер может содержать область полупроводникового лазера, предназначенную для генерации оптических импульсов с использованием таких методов, как модуляция добротности, модуляция коэффициента усиления и синхронизация мод, а также область полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов, соответствующего настоящему изобретению с описанной выше структурой, которая размещается в ряд с областью полупроводникового лазера на участке резонатора лазера, и обеспечивающего вывод оптических импульсов, генерируемых областью полупроводникового лазера, после прохождения области полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов. Предпочтительным вариантом является совместное использование областью полупроводникового лазера и областью полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов структуры волновода, в которой они выполнены с интеграцией на одной полупроводниковой подложке.

В соответствии с настоящим изобретением преимущество полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов заключается в его способности осуществлять сжатие оптических импульсов без значительного увеличения длины устройства, обусловленной возможностью пошагового сжатия оптических импульсов в результате повторения операций частичного оптического поглощения и повторного усиления с использованием областей насыщающегося поглощения и областей усиления, размещенных со взаимным чередованием. Кроме того, преимуществом практического использования рассматриваемого волновода является его способность осуществлять сжатие оптических импульсов независимо от распределения по длинам волн или флуктуаций в оптических импульсах, и наличие или отсутствие внутриимпульсной линейной частотной модуляции. Использование такого волновода позволяет также упростить процесс его изготовления, так как многослойная структура волновода со сжатием оптических импульсов практически совпадает со структурой полупроводникового лазера и обеспечивает возможность интеграции волновода со сжатием оптических импульсов и полупроводникового лазера, используемого в качестве источника света, на одной подложке. Более того, возможность интеграции на одной подложке позволяет избежать трудностей при реализации структуры полупроводникового лазера, генерирующего оптические импульсы и имеющего волновод со сжатием оптических импульсов, в которой волновод со сжатием оптических импульсов размещен в резонаторе полупроводникового лазера, действующего в качестве источника света. Полупроводниковый лазер, генерирующий оптические импульсы и имеющий такую структуру, может быть использован для получения ультракоротких оптических импульсов.

Указанные выше и другие цели, результаты, особенности и преимущества настоящего изобретения становятся более очевидными из следующего ниже описания примеров осуществления, ведущегося со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - поперечное сечение базовой структуры полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов, соответствующего настоящему изобретению; Фиг. 2 - схематическая иллюстрация процесса сжатия оптических импульсов, осуществляемого полупроводниковым волноводом со сжатием оптических импульсов, являющимся предметом настоящего изобретения; Фиг. 3 - пространственное изображение образца структуры полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов, соответствующего настоящему изобретению, то есть структуры конкретного устройства полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов, активный слой которого представляет собой квантово-размерную структуру, выполненную из материала на основе AlGaAs; Фиг. 4 - схематическое изображение формы оптического импульса, вводимого в полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов; Фиг.5 - схематическое изображение формы оптического импульса, выводимого из полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов после сжатия, полученной в результате оценки с использованием метода числового анализа; Фиг. 6 - блок-схема полной конфигурации устройства для выполнения сжатия оптических импульсов, использующего полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов, являющийся предметом настоящего изобретения; Фиг.7 - поперечное сечение образца, содержащего полупроводниковый лазер, представляющий собой источник оптических импульсов и использующий распределенный брэгговский отражатель, а также полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов, соответствующий настоящему изобретению, выполненные с интеграцией на одной подложке; Фиг.8 - поперечное сечение образца, содержащего полупроводниковый лазер, представляющий собой источник оптических импульсов и использующего отражатель типа воздушного промежутка, сформированный в результате травления, и полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов, соответствующий настоящему изобретению, выполненные с интеграцией на одной подложке; и Фиг. 9 - поперечное сечение образца полупроводникового лазера, генерирующего оптические импульсы и содержащего волновод со сжатием оптических импульсов, сформированный в результате интеграции полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов, соответствующего настоящему изобретению, в резонатор полупроводникового лазера с модуляцией добротности.

Ниже приводится более подробное описание структуры и принципа действия полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов, являющегося предметом настоящего изобретения.

Полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов, соответствующий настоящему изобретению, осуществляет сжатие оптических импульсов, используя полупроводниковый оптический волновод, в состав структуры которого входят области усиления и области насыщающегося поглощения (насыщающийся поглотитель), размещенные со взаимным чередованием. На фиг.1 представлен конкретный пример такой структуры. Оптический волновод содержит слой оптического волновода (активная область) 3, слой покрытия 5, имеющий p-тип проводимости, и слой покрытия 4, имеющий n-тип проводимости, используемые для обеспечения оптического ограничения. Оптический волновод содержит также сформированные на своей верхней поверхности электроды 8, предназначенные для приложения напряжения к p-n-переходу. Как показано на фиг.1, области усиления 1 и области насыщающегося поглощения 2 размещены со взаимным чередованием в направлении волновода под электродами 8.

Области усиления 1 представляют собой области для обеспечения усиления за счет тока, инжектируемого через p-n-переход в активную область 3. Области усиления 1 именуются также областями насыщающегося усиления вследствие временной утраты ими характеристики усиления, наблюдающейся при усилении фиксированного количества оптической энергии или оптической энергии, превышающей это фиксированное количество, соответствующее силе тока. Другими словами, наблюдается временная утрата характеристики усиления, сопровождаемая обеднением активной области (активного слоя) 3 носителями заряда.

С другой стороны, области насыщающегося поглощения (насыщающиеся поглотители) 2 могут быть сформированы несколькими способами. Например, могут быть получены в результате придания им характеристики поглощения, обеспечиваемой приложением отрицательного напряжения к электродам 8 для обратного смещения p-n-перехода, вызывающего обеднение этих областей; или характеристики поглощения, обеспечиваемой обеднением носителями (и превращением в полуизолирующие области), которое вызывается инжекцией ионов, ускоренных в вакууме под действием высокого напряжения, в эти области. Своим названием насыщающиеся поглотители 2 обязаны такой характеристике, как временное прекращение поглощения, наблюдающееся после поглощения ими фиксированного количества оптической энергии. Другими словами, при этом возникает временное уменьшение поглощения (оптическое обесцвечивание), сопровождаемое повышением концентрации носителей заряда в активной области (в активном слое) 3, обусловленным оптическим поглощением.

В соответствии с настоящим изобретением полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов содержит в области сжатия оптических импульсов одну или несколько пар областей насыщающегося поглощения (насыщающихся поглотителей) 2 и областей насыщающегося усиления 1, которые размещены со взаимным чередованием в указанной последовательности в направлении распространения оптических импульсов. Для достижения высокого коэффициента сжатия импульсов предпочтительным вариантом является размещение по меньшей мере двух или нескольких пар этих областей.

Так как области усиления 1 выполняют оптическое усиление за счет стимулированного излучения, то многослойная структура, образованная активной областью 3 и оптическим волноводом, состоящим из слоя покрытия 5 p-типа и слоя покрытия 4 n-типа, используемыми для обеспечения оптического ограничения, практически совпадает с многослойной структурой соответствующего полупроводникового лазера. Аналогичным образом, поглощение света с длиной волны, вызывающей стимулированное излучение в областях усиления 1, областями насыщающегося поглощения 2 обусловливает практическое совпадение многослойной структуры оптического волновода с многослойной структурой соответствующего полупроводникового лазера. Однако в отличие от полупроводникового лазера полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов, соответствующий настоящему изобретению, не требует никакого резонатора и должен обеспечивать скорее эффективный ввод оптических импульсов в волновод, а также эффективный вывод оптических импульсов, подвергнутых сжатию, что вызывает необходимость снижения коэффициента отражения на его торцевых поверхностях, образующих участки ввода и вывода оптических импульсов. Поэтому на торцевую поверхность по меньшей мере со стороны участка вывода оптических импульсов обычно наносят антиотражающее покрытие.

Далее рассматривается процесс сжатия оптических импульсов при прохождении через устройство типа полупроводникового оптического волновода с такой структурой. Процесс сжатия импульса в реальных условиях работы устройства в значительной степени определяется не только силой тока, инжектируемого в области усиления 1, и напряжением обратного смещения, прикладываемом к насыщающимся поглотителям 2, но также и формой оптических импульсов, вводимых в оптический волновод, что усложняет процесс сжатия. Для простоты процесс сжатия импульсов описывается в предположении идеальных условий работы.

Поэтому в следующем ниже описании принципа работы предполагается, что поглощение насыщающихся поглотителей 2 определяется прикладываемым напряжением обратного смещения, а усиление областей усиления 1 - силой тока инжекции, и что энергия оптического импульса, вводимого в оптический волновод, задается заранее. В частности, предполагается, что энергия оптического импульса (интенсивность света) задается такой, что только передняя половина оптического импульса поглощается каждым из насыщающихся поглотителей 2. В то же самое время напряжение обратного смещения, прикладываемое к насыщающимся поглотителям 2, задается таким, что насыщение областей насыщающегося поглощения 2 наблюдается при поглощении энергии (света), соответствующей передней половине введенного оптического импульса. С другой стороны, сила тока, инжектируемого в области усиления 1, задается такой, что временная утрата характеристики усиления этими областями наблюдается при усилении энергии (света), соответствующей передней половине введенного оптического импульса.

При этих условиях работы оптический импульс, введенный в оптический волновод, подвергается поглощению исключительно со стороны переднего фронта в процессе прохождения через один из насыщающихся поглотителей 2. В результате этого происходят утрата передней половины импульса и сокращение его длительности приблизительно наполовину. Затем при прохождении оптического импульса через одну из областей усиления 1 он подвергается оптическому усилению под действием энергии (света), в количественном отношении соответствующей передней половине импульса, обеспечивающему таким образом восстановление полной энергии (света) исходного, оптического импульса, введенного в волновод. Процесс усиления не вызывает значительного уширения импульса, и восстановление полной энергии (света) происходит практически с сохранением первоначальной формы импульса. Следовательно, при прохождении области усиления вырабатывается преобразованный (в результате сжатия) оптический импульс, длительность которого составляет порядка половины длительности исходного оптического импульса, введенного в волновод, а полная энергия (свет) практически совпадает с полной энергией этого исходного импульса. Другими словами, получается более короткий оптический импульс с большей пиковой интенсивностью, чем у импульса перед вводом в насыщающийся поглотитель 2.

Затем полученный оптический импульс пропускается через следующий насыщающийся поглотитель 2, в котором происходят поглощение переднего фронта этого оптического импульса и дальнейшее укорочение его длительности. В процессе прохождения через следующую область усиления 1 обеспечивается усиление энергии (света), соответствующего по количеству энергии, поглощенной насыщающимся поглотителем 2, и восстановление полной энергии (света) импульса. Таким образом вырабатывается еще более укороченный оптический импульс с еще большей пиковой интенсивностью. Как указано выше, насыщающиеся поглотители 2 используются для уменьшения длительности импульса, а области усиления 1 - для восстановления полной энергии (света), уменьшенной в результате поглощения. В случае выполнения областью усиления 1 недостаточного усиления и продолжения процесса поглощения последующими насыщающимися поглотителями 2 оптический импульс прекращает свое существование. Для предотвращения такого развития событий и эффективного продолжения пошагового сжатия импульса области усиления 1 размещают в виде единичных каскадов, обеспечивающих выполнение усиления для компенсации поглощения, осуществляемого насыщающимися поглотителями 2.

Таким образом, пропускание оптического импульса через пары насыщающихся поглотителей 2 и областей усиления 1, размещенных со взаимным чередованием в указанной последовательности, обеспечивает возможность пошагового уменьшения длительности импульса. Такой процесс может быть реализован полупроводниковым волноводом со сжатием оптических импульсов, способным осуществлять эффективное сжатие оптических импульсов в результате ввода этих импульсов в область сжатия оптических импульсов, образованную областями насыщающегося поглощения 2 и областями усиления 1, размещенными со взаимным чередованием в ряд, и пропускания введенных импульсов через эту область сжатия.

Фиг. 2 представляет собой схематическую иллюстрацию процесса преобразования формы оптического импульса в процессе сжатия этого импульса реальным устройством в соответствии с рассмотренным выше принципом сжатия импульсов. В случае прохождения импульса через насыщающийся поглотитель 2 происходят поглощение его переднего фронта и сокращение длительности. В идеальном случае, соответствующем мгновенному насыщению насыщающегося поглотителя 2, длительность импульса сокращается наполовину. Однако реальное устройство может обеспечить сокращение длительности импульса в диапазоне от нескольких единиц до 40%. Далее оптический импульс, подвергнутый поглощению и ослаблению, проходит через область усиления 1, в которой происходит приблизительно двукратное усиление его энергии, и, таким образом, восстанавливает свою начальную энергию. При прохождении через следующий насыщающийся поглотитель 2 передний фронт импульса поглощается и длительность импульса сокращается еще больше. В следующей области усиления 2 осуществляется двукратное усиление энергии импульса, уменьшенной почти наполовину, и восстановление энергии этого импульса. Повторение указанных операций позволяет осуществить пошаговое сжатие импульса.

Важное значение для эффективности сжатия имеет увеличение пиковой интенсивности оптического импульса в процессе сжатия. Вообще говоря, с увеличением пиковой интенсивности оптического импульса, вводимого в волновод, наблюдается ускорение насыщения поглотителей 2. И наоборот, с уменьшением пиковой интенсивности происходит замедление процесса насыщения поглотителей 2. Поэтому эффективность сжатия импульса повышается с увеличением пиковой интенсивности оптического импульса. Несмотря на низкий коэффициент сжатия на начальных каскадах при низкой пиковой интенсивности начального импульса, по мере сокращения длительности импульса при прохождении через множество каскадов насыщающихся поглотителей 2 и областей усиления 1 происходит пошаговое увеличение пиковой интенсивности. Таким образом, с помощью структуры, образованной множеством каскадов насыщающихся поглотителей 2 и областей усиления 1, полупроводниковый волновод со сжатием оптических импульсов, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает возможность сокращения длительности импульса по нарастающей. Увеличение эффекта сжатия импульса обусловливается степенью зависимости характеристики поглощения областей насыщающегося поглощения 2 от концентрации носителей заряда в активной области 3, а также степенью зависимости характеристики усиления областей усиления 1 от концентрации носителей заряда в активной области 3, которая, в свою очередь, в значительной степени зависит от свойств полупроводникового материала и структуры устройства и, кроме того, определяется условиями работы. В частности, это касается напряжения обратного смещения, прикладываемого к областям насыщающегося поглощения 2 и силе тока, инжектируемого в область усиления 1.

Соответствие полупроводникового волновода со сжатием оптических импульсов, являющегося предметом настоящего изобретения, изложенному выше принципу работы позволяет осуществлять сжатие оптического импульса без значительного увеличения длины устройства. Это обусловливается возможностью осуществления процесса сжатия оптического импульса в единичных каскадах в результате поглощения его переднего фронта. В идеальном случае при каждом прохождении импульса через насыщающийся поглотитель 2 длительность импульса сокращается наполовину. Но на практике ввиду необязательной симметрии формы исходного импульса и отсутствия ускоренного насыщения поглощения при недостаточно высокой пиковой интенсивности оптического импульса сокращения длительности импульса наполовину нередко не наблюдается. Однако при каждом прохождении импульса через насыщающийся поглотитель 2 и область усиления 1 длительность импульса сокращается примерно в фиксированное число раз, пиковая интенсивность увеличивается также примерно в фиксированное число раз, и поэтому длительность импульса сокращается по экспоненте. В результате необходимости значительного увеличения длины устройства не возникает. Например, устройство с общей длиной порядка 12 мм или менее может осуществлять сжатие оптического импульса длительностью 510 пс до длительности менее 1 пс.

Кроме того, даже при очень большой длительности импульса эффективное сжатие импульса является возможным при высокой пиковой интенсивности оптического импульса. Сжатие оптических импульсов длительностью в несколько десятков пикосекунд в полупроводниковом волноводе обеспечивается повышением пиковой интенсивности оптического импульса до момента достижения области волновода со сжатием оптических импульсов, достигаемым с помощью оптического усилителя, размещаемого между участком ввода оптического импульса и областью волновода со сжатием оптических импульсов. Напротив, в случае высокой интенсивности вводимого оптического импульса и невозможности поглощения половины количества света насыщающимся поглотителем между участком ввода оптического импульса и областью волновода со сжатием оптических импульсов выполняют оптический аттенюатор, с помощью которого осуществляется регулирование количества света в оптическом импульсе до момента ввода этого импульса в область волновода со сжатием оптических импульсов и, таким образом, обеспечивается возможность эффективного сжатия импульса. Другими словами, область оптической модуляции, размещаемая между участком ввода оптического импульса и областью сжатия оптических импульсов для усиления или ослабления интенсивности света (энергии) в оптическом импульсе до момента его ввода в область волновода со сжатием оптических импульсов с целью согласования интенсивности света с условиями работы, позволяет осуществлять более эффективное сжатие вводимых оптических импульсов независимо от их формы или интенсивности.

Сжатие оптических импульсов с использованием п