Оптический ультракомпактный буфер

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Зыков Григорий Люцианович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Оптический ультракомпактный буфер, состоящий из закрепленных через буферный слой на диэлектрической подложке входного волновода, последовательно расположенных и оптически связанных кольцевых резонаторов одинаковых геометрических размеров, выходного волновода, отличающийся тем, что содержит закрепленные через буферный слой на диэлектрической подложке последовательно расположенные, оптически связанные замкнутые волноводные резонаторы, каждый из которых охватывает нечетное число кольцевых резонаторов, как минимум три, и оптически связаные с крайними из них, при этом первый замкнутый волноводный резонатор имеет непосредственную оптическую связь с входным волноводом, а последний - с выходным волноводом, а резонансная частота замкнутых волноводных резонаторов кратна резонансной частоте кольцевых резонаторов. 59262010.02.28 Полезная модель относится к области информационных технологий и может быть использована в высокопроизводительных системах для буферной задержки и синхронизации оптически передаваемых данных для последующей их обработки и оперативного хранения информации на наносекундные временные интервалы. Известна оптическая память 1, содержащая блок источников излучения и детекторы,электрически подключенные к блоку управления, элементы хранения, -образные волноводные переключатели и оптические фильтры, каждый из которых состоит из двух волноводных кольцевых микрорезонаторов, длина которых определяется выражением, где- показатель преломления материала волновода,- целое число,- длина волны одного из источников излучения, оптически связанных между собой через центральный волновод, выходы которого выполнены в виде дифракционных решеток, оптически связанных с детекторами, волноводы, соединяющие каждый оптический фильтр и каждый источник излучения через -образные волноводные переключатели, электрически связанные с блоком управления, с элементами хранения, содержащими встроенные усилители. Данная память содержит в своем составе много элементов, которые занимают большую площадь, особенно дифракционные решетки и элементы хранения, которые содержат встроенные усилители и кольцевые волноводные резонаторы. Она является слишком большой для использования в микрочипах, в которых пространство является дефицитным и дорогостоящим. Для практической интеграции площадь, занимаемая оптическим буфером в микросхеме,должна быть значительно меньше одного квадратного миллиметра, а его конструкция должна быть совместима с существующими технологиями производства интегральных микросхем. Наиболее близким по технической сущности является оптический ультракомпактный буфер 2, состоящий из оптически последовательно и слабо связанных входного волновода, кольцевых резонаторов, выходного волновода, которые через буферный слой закреплены на диэлектрической подложке, а все кольцевые резонаторы имеют одинаковые геометрические размеры. Рассматриваемый оптический ультракомпактный буфер занимает приемлемую площадь, однако время задержки оптических сигналов при этом ограничено и недостаточно для большинства практических приложений. Техническая задача - увеличение времени буферного хранения данных при сохранении площади, занимаемой оптическим ультракомпактным буфером. Поставленная техническая задача решается тем, что оптический ультракомпактный буфер, состоящий из закрепленных через буферный слой на диэлектрической подложке входного волновода, последовательно расположенных и оптически связанных кольцевых резонаторов одинаковых геометрических размеров, выходного волновода, содержит закрепленные через буферный слой на диэлектрической подложке последовательно расположенные, оптически связанные замкнутые волноводные резонаторы, каждый из которых охватывает нечетное число кольцевых резонаторов, как минимум три, и оптически связаные с крайними из них, при этом первый замкнутый волноводный резонатор имеет непосредственную оптическую связь с входным волноводом, а последний - с выходным волноводом, а резонансная частота замкнутых волноводных резонаторов кратна резонансной частоте кольцевых резонаторов. Совокупность указанных признаков позволяет сократить общее число коммуникационных элементов и увеличить время задержки оптических сигналов почти в два раза при той же занимаемой площади. Более того, одновременно увеличивается эффективность ввода энергии электромагнитного излучения в оптический ультракомпактный буфер. Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой приведена функциональная схема устройства, где 1 - входной волновод,2 - замкнутый волноводный резонатор,2 59262010.02.28 3 - кольцевой резонатор,4 - выходной волновод. В оптическом ультракомпактном буфере последовательно расположены на буферном слое на диэлектрической подложке (на фигуре не указано) и оптически связаны входной волновод 1, первый замкнутый волноводный резонатор 2, кольцевые резонаторы 3, расположенные внутри его, второй замкнутый волноводный резонатор 2 и т.д., последний замкнутый волноводный резонатор 2, выходной волновод 4. В конкретном исполнении входной волновод 1, замкнутый волноводный резонатор 2,кольцевой резонатор 3, выходной волновод 4 - это расположенные на буферном слое из окиси кремния толщиной 2 мкм кремниевые волноводы с поперечным сечением шириной 510 нм и высотой 230 нм. Эти волноводы с топологией, представленной на фигуре, окружены канавками протраленного кремния, как в 2. Такие размеры волноводов обеспечивают незначительное поглощение и дисперсию распространения оптических сигналов по ним. Принцип работы оптического ультракомпактного буфера поясняется функциональной схемой, представленной на фигуре. Оптический сигнал через входной волновод 1 поступает сначала в первый замкнутый волноводный резонатор 2. Одновременно с этим часть его ответвляется в первый кольцевой резонатор 3, где осуществляется его циркуляция и накопление его энергии до установившегося значения. После прохода оптического сигнала по половине первого кольцевого резонатора 3 часть его ответвляется во второй кольцевой резонатор 3, где происходит аналогичная процедура накопления энергии оптического сигнала. Точно так же происходит ответвление оптического сигнала в третий кольцевой резонатор 3, из которого он ответвляется в первый замкнутый волноводный резонатор 2,где также осуществляется его циркуляция и накопление энергии до установившегося значения. Затем из первого замкнутого волноводного резонатора 2 часть оптического сигнала ответвляется во второй замкнутый волноводный резонатор 2, где осуществляются аналогичная циркуляция оптического сигнала и накопление его энергии до установившегося значения. Задержка входного оптического сигнала осуществляется за счет последовательного прохождения его по кольцевым резонаторам 3 и замкнутым волноводным резонаторам 2, а также за счет числа проходов по ним до получения установившегося значения. Варьируя числом замкнутых волноводных резонаторов 2, внутри которых расположены кольцевые резонаторы 3, выбирают требуемую задержку оптического сигнала. Техническая реализация миниатюрных интегральных оптических коммуникационных компонентов, осуществляющих задержку оптических сигналов в наносекундном диапазоне, позволит достичь более высокой производительности вычислительных систем. При этом следует учитывать, что для практической интеграции таких линий задержки в микросхемы их площадь должна быть значительно меньше одного квадратного миллиметра, а их конструкция должна быть совместима с существующими кремниевыми технологиями производства интегральных микросхем. В прототипе эту задачу решают путем использования кремниевой оптической линии задержки, состоящей из 100 последовательных кольцевых резонаторов, созданных с использованием существующих кремниевых технологий. Оптический ультракомпактный буфер, рассмотренный в прототипе, позволяет осуществлять задержку оптических сигналов на 0,5 наносекунды при диаметре кольцевого резонатора 13 мкм, а площадь, занимаемая таким буфером, составляет 0,03 квадратных миллиметра. Предлагаемый оптический ультракомпактный буфер при той же занимаемой площади позволяет увеличить время задержки оптического сигнала почти в два раза. Таким образом, появляется возможность интегрировать в компьютерный чип сотни таких коммуникационных компонентов и тем самым существенно повысить производительность вычислительных систем за счет максимальной загрузки процессоров. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3