DE19701733A1 - Optical delay line - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
Optische Signale werden in Elementaranregungen eines Festkörpers transformiert und diese dann mittels akustischer Wellen mit Schallgeschwindigkeit durch den Festkörper bewegt. Nach einer gewissen Laufzeit der akustischen Welle werden die Elementaranregungen wieder in optische Signale zurücktransformiert. Die Verzögerungszeit der optischen Signale ist dabei durch die Laufzeit der akustischen Welle gegeben. Während dieser Verzögerungszeit ist eine gezielte Verarbeitung bzw. Manipulation der gespeicherten Signale möglich.Optical signals are transformed into elementary excitations of a solid and these then moved through the solid by means of acoustic waves at the speed of sound. After After a certain duration of the acoustic wave, the elementary excitations are in again optical signals transformed back. The delay time of the optical signals is included given by the duration of the acoustic wave. During this delay time is one targeted processing or manipulation of the stored signals possible.
Vielfältige technologische Entwicklungen auf dem Gebiet der Lichtwellenleitertechnik sowie rasante Fortschritte optoelektronischer Bauelemente (z. B. DFB - Halbleiterlaser, Photodioden, etc.) haben zur schnell wachsenden Bedeutung moderner optischer Signalverarbeitung beigetragen.Diverse technological developments in the field of fiber optic technology as well rapid advances in optoelectronic components (e.g. DFB - semiconductor lasers, photodiodes, etc.) have to the rapidly growing importance of modern optical signal processing contributed.
Die Verzögerung und Speicherung optischer Signale, d. h. eine kurzzeitige temporäre Zwischenspeicherung mit eventueller Manipulation und Prozessierung eines Signals mit einer Trägerfrequenz im optischen Frequenzbereich ist von erheblicher Bedeutung für die Signalverarbeitung bei der Kommunikation bzw. des Datentransfers mittels optischer Signale, genauso wie für die Datenverarbeitung elektrischer Signale in der Elektronik und elektronischen Datenverarbeitung.The delay and storage of optical signals, i. H. a temporary temporary Buffering with possible manipulation and processing of a signal with a Carrier frequency in the optical frequency range is of considerable importance for the Signal processing during communication or data transfer using optical signals, as well as for data processing of electrical signals in electronics and electronic Data processing.
Während für die Speicherung von Signalen mit Trägerfrequenzen unter 10 GHz zahlreiche
Möglichkeiten technologisch realisiert sind, (z. B. CCD, akustische Oberflächen- und
Volumenwellenverzögerungsleitungen, magnetostatische Verzögerungsleitungen, etc.),
beschränken sich Verzögerungsleitungen für optische Trägerfrequenzen auf wenige Bauformen:
While numerous possibilities are technologically realized for storing signals with carrier frequencies below 10 GHz (e.g. CCD, surface acoustic and bulk wave delay lines, magnetostatic delay lines, etc.), delay lines for optical carrier frequencies are limited to a few designs:
- A) Verzögerungsleitungen bei denen das intensitäts- bzw. wellenlängenmodulierte optische Signal z. B. durch eine Photodiode detektiert wird und das so gewonnene Modulationssignal nun mit einer elektronischen Schaltung oder mit einer "konventionellen' Verzögerungsleitung temporär gespeichert und eventuell manipuliert wird, um anschließend wieder in ein moduliertes optisches Signal rücktransformiert zu werden.A) Delay lines in which the intensity- or wavelength-modulated optical Signal z. B. is detected by a photodiode and the modulation signal thus obtained now with an electronic circuit or with a "conventional" delay line is temporarily saved and possibly manipulated, in order to then re-in modulated optical signal to be transformed back.
- B) Verzögerungsleitungen bei denen die Verzögerungszeit durch die Laufzeit des optischen Signals in einem Medium erreicht wird. Als besonders geeignet haben sich hierzu monomode Lichtwellenleiterstrukturen1,2 erwiesen, die wegen ihrer kleinen Modendispersion hohe Übertra gungsbandbreiten (<20GHz) ermöglichen. Die Verzögerungszeit (1 ns - 100 µs) wird hier durch die optische Länge des Lichtwellenleiters bestimmt. Die Trägerwellenlänge des optischen Signals wird aufgrund der Absorption und des Wellenleiterverhaltens der Glasfasern auf den Bereich 0.6 µm - 1.6 µm eingeschränkt. Minimale Dämpfungsverluste von 0.1 dB/µs sowie Zeit-Bandbreite Produkte bis zu 105 sind erreichbar.B) Delay lines in which the delay time is reached by the transit time of the optical signal in a medium. Monomode optical waveguide structures 1, 2 have proven to be particularly suitable for this purpose, because their small mode dispersion enables high transmission bandwidths (<20 GHz). The delay time (1 ns - 100 µs) is determined here by the optical length of the optical fiber. The carrier wavelength of the optical signal is limited to the range of 0.6 µm - 1.6 µm due to the absorption and waveguide behavior of the glass fibers. Minimal attenuation losses of 0.1 dB / µs and time-bandwidth products up to 10 5 can be achieved.
Durch optische Signalabgriffe entlang der Laufstrecke der Verzögerungsleitung ("tapped delay line")2, die z. B. durch die Krümmung der Faser über einen kritischen Biegeradius hergestellt werden können, sowie mittels Richtkoppler erzeugte Lichtwellenleiterschleifen2,3 ("recirculating delay lines") ermöglichen zudem einfache Signalverarbeitungsfunktionen (Konvolver, Filter, etc.).By optical signal taps along the route of the delay line ("tapped delay line") 2 , the z. B. can be produced by the curvature of the fiber over a critical bending radius, and optical fiber loops 2,3 ("recirculating delay lines") generated by directional couplers also enable simple signal processing functions (turret, filter, etc.).
Optische Verzögerungsleitungen, die nach dem in Abschnitt A beschriebenen Prinzip aufgebaut sind, erfordern eine elektronisch sehr aufwendige und damit teure Verarbeitung des detektierten Modulationssignals, insbesondere bei höheren Übertragungsbandbreiten. Die benötigten Bauelemente für solche Verzögerungsleitungen (Photodiode, HL-Laser, Modulator, digitaler Schaltkreis, eventuell konventionelle Verzögerungsleitung für das Modulationssignal) müssen durch unterschiedlichste Prozeßschritte hergestellt werden, wodurch eine monolithische Integration und eine damit verbundene Miniaturisierung des Bauelements unmöglich wird.Optical delay lines constructed according to the principle described in section A. are electronically very complex and therefore expensive processing of the detected Modulation signal, especially at higher transmission bandwidths. The necessities Components for such delay lines (photodiode, HL laser, modulator, digital Circuit, possibly conventional delay line for the modulation signal) be produced by a wide variety of process steps, creating a monolithic Integration and a related miniaturization of the component becomes impossible.
Obwohl monomode Lichtwellenleiterstrukturen über ausgezeichnete Übertragungsbandbreite,
geringe Verluste und hohe Zeit-Bandbreite Produkte verfügen, wird ihr Einsatz als optische
Verzögerungsleitung durch die folgenden Nachteile stark eingeschränkt:
Bauelementgröße: Durch die hohe Gruppengeschwindigkeit des optischen Signals in der
Lichtwellenleiterstruktur werden bereits für Verzögerungszeiten von einigen µs Laufstrecken
von vielen Kilometern nötig. Auch bei minimierten Lichtwellenleiterquerschnitt und
Biegeradius ergeben sich daher sehr große, schwere und teure Bauelemente. Auch hier ist eine
monolithische Integration mit weiteren optoelektronischen Bauelementen (z. B. DFB-Laser)
nicht möglich.
Although monomode optical fiber structures have excellent transmission bandwidth, low losses and high time-bandwidth products, their use as an optical delay line is severely restricted by the following disadvantages:
Component size: Due to the high group speed of the optical signal in the optical waveguide structure, distances of many kilometers are necessary for delay times of a few µs. Even with a minimized fiber optic cross section and bending radius, this results in very large, heavy and expensive components. Monolithic integration with other optoelectronic components (e.g. DFB laser) is also not possible here.
Eingeschränkter zugänglicher Wellenlängenbereich: Absorptionen entlang der Verzögerungs strecke schränken die zugänglichen Trägerwellenlängen auf einen Bereich von 0.6 µm - 1.6 µm ein. Für lange Verzögerungszeiten muß die Trägerwellenlänge so gewählt werden, daß sie mit einem Absorptionsminimum des verwendeten Lichtwellenleiters übereinstimmt.Restricted accessible wavelength range: absorptions along the delay stretch limit the accessible carrier wavelengths to a range of 0.6 µm - 1.6 µm a. For long delay times, the carrier wavelength must be chosen so that corresponds to an absorption minimum of the optical waveguide used.
Signalverarbeitungsmöglichkeiten und Abstimmbarkeit: Zwar sind einige sehr eingeschränkte Signalverarbeitungsfunktionen mit Lichtwellenleiterstrukturen durch "taps" oder Schleifen möglich - jedoch erfordert die Herstellung aufwendige und schlecht reproduzierbare, mikromechanische Prozeßschritte. Verzögerungsleitungen mit elektrisch kontrollierbarer, kontinuierlich abstimmbarer Verzögerungszeit über größere Bereiche sind nicht realisierbar. Eine feste kleine Zahl einstellbarer , diskreter Verzögerungszeiten läßt sich durch die Kombination mehrerer Lichtwellenleiter und einem akusto-optischen räumlichen Modulator4 herstellen, resultiert aber in großen, teuren und mechanisch empfindlichen Bauelementen.Signal processing options and tunability: Although some very limited signal processing functions with optical fiber structures are possible by "taps" or loops - the production requires complex and poorly reproducible, micromechanical process steps. Delay lines with electrically controllable, continuously tunable delay times over larger areas cannot be realized. A fixed small number of adjustable, discrete delay times can be produced by the combination of several optical fibers and an acousto-optical spatial modulator 4 , but results in large, expensive and mechanically sensitive components.
(1) K. Wilner, "Fiber-Optic Delay Lines for Microwave Signal Processing", Proc. of the
IEEE, vol. 64, p. 805, 1976
(2) K.P. Jackson, "Optical Fiber Delay-Line Signal Processing", IEEE Trans. Microwave
Theor. Tech., vol. 33, p. 193, 1985
(3) S. Sales, "Fiber-optic delay line filters employing fiber loops: signal and noise analysis
and experimental characterization", J. Opt. Soc. Am A, vol. 12, p. 2129, 1995
(4) W. D. Jemison, "Acoustooptically Controlled True Time Delays: ExperimentaI Results",
IEEE Micro. Guided Wave Lett., vol. 6, p. 283, 1996.(1) K. Wilner, "Fiber-Optic Delay Lines for Microwave Signal Processing", Proc. of the IEEE, vol. 64, p. 805, 1976
(2) KP Jackson, "Optical Fiber Delay-Line Signal Processing", IEEE Trans. Microwave Theor. Tech., Vol. 33, p. 193, 1985
(3) S. Sales, "Fiber-optic delay line filters employing fiber loops: signal and noise analysis and experimental characterization", J. Opt. Soc. At A, vol. 12, p. 2129, 1995
(4) WD Jemison, "Acoustooptically Controlled True Time Delays: ExperimentaI Results", IEEE Micro. Guided Wave Lett., Vol. 6, p. 283, 1996.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verzögerung bzw. Speicherung optischer Signale durch Konversion eingehender optischer Signale in eine Elementaranregung eines Festkörpers zu ermöglichen und nach Ablauf einer Verzögerungszeit wieder in optische Signale zur weiteren optischen Datenverarbeitung zurückzuwandeln. Die Konversion geschieht hier durch intrinsische und dem verwendeten Festkörper inhärente Prozesse, die durch geeignete Wahl des Festkörpers maßgeschneidert werden können. Darüber hinaus soll die optische Verzögerungs leitung kompatibel zu bisher bekannten aktiven und passiven Elementen der optischen Daten verarbeitung zu sein.The object of the invention is to delay or store optical signals Conversion of incoming optical signals into an elementary excitation of a solid body enable and after a delay time back into optical signals for further convert optical data processing back. The conversion happens here intrinsic and the inherent solid processes used by appropriate choice of Solid body can be tailored. In addition, the optical delay Cable compatible with previously known active and passive elements of optical data processing to be.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a device with the features of claim 1.
Elementaranregungen eines Festkörpers wie z. B. die Generation von Elektronen, Löchern, Elektron-Lochpaaren oder die Bildung von exzitonischen Anregungen können durch Beleuchten eines Festkörpers mit Licht bewirkt werden. Diese Elementaranregungen können vor der Rekombination in Photonen, also die Rücktransformation in optische Signale für gewisse Zeit im Festkörper gespeichert werden. Wesentliche Voraussetzung zur "Langzeit"-Speicherung von in Elementaranregungen eines Festkörpers transformierten optischen Signale ist eine deutliche Vergrößerung der mittleren Lebensdauer der Elementaranregung des Festkörpers gegenüber der natürlichen Lebensdauer der Elementaranregung im Festkörper.Elementary excitations of a solid such as B. the generation of electrons, holes, Electron-hole pairs or the formation of excitonic excitations can be illuminated of a solid with light. These elementary stimuli can before Recombination in photons, i.e. the back transformation into optical signals for a certain time be stored in the solid. Essential requirement for the "long-term" storage of Optical signals transformed in elementary excitations of a solid is a clear one Enlargement of the average lifespan of the elementary excitation of the solid compared to the natural lifespan of elementary excitation in the solid.
Die Vergrößerung der mittleren Lebensdauer der Elementaranregung im Festkörper wird in der hier beschriebenen Erfindung gemaß Anspruch 1 durch eine räumliche Trennung der photo generierten Ladungsträger im Potential einer akustischen Welle erzielt. Die Potentialmodulation wird dabei entweder durch die Welle begleitende piezoelektrische Felder oder durch Deformationspotentiale erzielt. Durch die räumliche Trennung der photogenerierten Ladungsträger wird die Rekombinationsrate dramatisch gesenkt da der Wellenfunktions überlapp zwischen Elektron- und Lochzuständen stark reduziert wird. Im Potential der akustischen Welle gefangene bzw. gespeicherte photogenerierte Träger können dann nach Ablauf der Verzögerungszeit und gegebenenfalls an anderer Stelle des Festkörpers durch eine extern einstellbare Modifikation der Potentialmodulation wieder zur Rekombination gebracht und somit wieder in optische Signale zurücktransformiert werden.The increase in the average lifespan of elementary excitation in the solid state is in the Invention described here according to claim 1 by spatial separation of the photo generated charge carriers in the potential of an acoustic wave. The potential modulation is either by piezoelectric fields accompanying the wave or by Deformation potentials achieved. Due to the spatial separation of the photogenerated Charge carriers, the recombination rate is lowered dramatically because of the wave function overlap between electron and hole states is greatly reduced. In the potential of Acoustic wave captured or stored photogenerated carriers can then Expiry of the delay time and possibly elsewhere on the solid by externally adjustable modification of the potential modulation brought back to the recombination and thus be transformed back into optical signals.
Ein Vorteil der Erfindung gemäß Anspruch 1 ist die im Vergleich zu bereits bekannten und technisch realisierten Verzögerungsleitungen drastisch verkleinerte Bauform, die letztendlich auf der Transformation der Lichtgeschwindigkeit in die um fünf Größenordnungen kleinere Schallgeschwindigkeit des Festkörpers beruht. So ist, z. B. für eine 10 µs lange Verzögerungszeit eine Verzögerungsstrecke von ca. 3 km monomoder Glasfaser nötig, während bei der Erfindung ein 3cm langer Festkörper ausreicht.An advantage of the invention according to claim 1 is that compared to already known and technically implemented delay lines drastically reduced design, which ultimately on the transformation of the speed of light into five orders of magnitude smaller Sound speed of the solid body is based. So, e.g. B. for a 10 µs long Delay time requires a delay line of approx. 3 km of monomode or glass fiber, while a 3 cm long solid is sufficient in the invention.
Die Strukturierung des Festkörpers für die vorgestellte optische Verzögerungsleitung kann vollständig durch herkömmliche und rationelle planarlithographische Prozeßschritte erfolgen. Je nach Ausführungsform und Wahl des Festkörpers ist auch eine monolitische Integration mit einer Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen (z. B. Halbleiter DFB-Laser, Photodioden, etc.) möglich. Im Vergleich zu einer konventionellen Lichtwellenleiterverzögerungsleitung wird die vorgestellte optische Verzögerungsleitung daher wesentlich kostengünstiger herstellbar sein.The structuring of the solid body for the optical delay line presented can completely through conventional and rational planar lithographic process steps. Each Depending on the embodiment and choice of the solid, monolithic integration is also possible a variety of optoelectronic components (e.g. semiconductor DFB laser, Photodiodes, etc.) possible. Compared to a conventional one Optical fiber delay line is therefore the presented optical delay line be much cheaper to produce.
Darüber hinaus kann die Laufstrecke auch als aktive Komponente zur Analyse bzw. externen Manipulation der in Elementaranregungen transformierten optischen Signale ausgeführt sein. Da bei einer Ausführungsform mit einer akustischen Oberflächenwelle die Elementaranregungen direkt an der Oberfläche des Festkörpers geführt werden, ist eine Manipulation z. B. durch planartechnologisch herstellbare "taps" in einfacher Weise möglich. Eine Vielzahl von Ergebnissen und Techniken der hochentwickelten Signalverarbeitung mit akustischen Wellen können in diesem Zusammenhang verwendet werden. So können optische Signale nach der Transformation in Elementaranregungen eines Festkörpers sowohl durch externe elektrische Signale als auch durch akustische Wellen auf dem Festkörper verschoben, geschaltet bzw. moduliert werden, bevor sie wieder in optische Signale rücktransformiert werden. Es ist somit möglich, neben einer einfachen zeitlichen Verzögerung eines optischen Signals, auch komplexe Signalverarbeitungsfunktionen (Filter, Konvolver, Multiplexer) für optische Signale auf diese Weise zu realisieren.In addition, the running track can also be used as an active component for analysis or external Manipulation of the optical signals transformed into elementary excitations. There in an embodiment with a surface acoustic wave the elementary excitations are carried out directly on the surface of the solid, manipulation z. B. by "Tapes" that can be produced by planar technology are possible in a simple manner. A variety of Results and techniques of advanced signal processing with acoustic waves can be used in this context. So optical signals after the Transformation in elementary excitations of a solid by both external electrical Signals and acoustic waves are shifted, switched or switched on the solid be modulated before they are transformed back into optical signals. So it is possible, in addition to a simple time delay of an optical signal, also complex Signal processing functions (filters, convolvers, multiplexers) for optical signals on them Way to realize.
Im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen optischer Verzögerungsleitungen mit monomoden Lichtwellenleiterstrukturen läßt sich bei der vorgestellten Erfindung gemäß Anspruch 1, die Verzögerungszeit in weiten Grenzen extern und kontinuierlich einstellen.In contrast to known embodiments with optical delay lines monomode optical waveguide structures can be according to the invention Claim 1, set the delay time externally and continuously within wide limits.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are in following described in more detail.
Durch Beleuchten eines Festkörpers nach Fig. 1 - in diesem Fall einer Halbleiterstruktur - mit Licht (1) einer Energie, die gleich oder größer als die effektive Energielücke Eg des Halbleiters ist, werden Elektron-Lochpaare (3) photogeneriert. Hierbei wird ein Elektron durch das absorbierte Photon vom Valenz- in das Leitungsband (2) des Halbleiters gehoben. Diese Elektron-Lochpaare (3) können eine der genannten Elementaranregungen des Festkörpers bilden, in diesem Fall ein Exziton. Normalerweise rekombinieren diese entweder strahlend unter Aussendung von Photonen (4) oder nichtstrahlend unter Energieverlust durch andere als strahlende Prozesse nach Ablauf der mittleren Lebensdauer wieder. Dieses Phänomen ist im vorliegenden Beispiel die bekannte Photolumineszenz des Festkörpers und ist in Fig. 1(b) dargestellt.By illuminating a solid according to FIG. 1 - in this case a semiconductor structure - with light ( 1 ) of an energy which is equal to or greater than the effective energy gap Eg of the semiconductor, electron-hole pairs ( 3 ) are photogenerated. Here, an electron is lifted by the absorbed photon from the valence into the conduction band ( 2 ) of the semiconductor. These electron-hole pairs ( 3 ) can form one of the elementary excitations of the solid body, in this case an exciton. Normally they recombine either radiating with the emission of photons ( 4 ) or non-radiating with loss of energy due to processes other than radiative processes after the end of the mean life. In the present example, this phenomenon is the known photoluminescence of the solid and is shown in FIG. 1 (b).
Sowohl durch statische laterale oder vertikale elektrische Felder als auch durch dynamische laterale oder vertikale elektrische Felder genügender Feldstärke können die Elektron - Lochpaare (3) bzw. Exzitonen zunächst polarisiert und schließlich dissoziiert werden. Dabei werden die photogenerierten Ladungsträger (3) räumlich getrennt, wie in Fig. 2 dargestellt. Im Falle einer akustischen Welle (5) und der sie mit Schallgeschwindigkeit begleitenden elektrischen Felder führt die räumliche Trennung der Ladungsträger zu deren Speicherung in den Potentialminima des Leitungs- (2) bzw. den Potentialmaxima des Valenzbandes (2). Diese Potentialextrema bewegen sich dann mit Schallgeschwindigkeit durch den Festkörper und sind lateral ca. λ/2 voneinander entfernt.The electron-hole pairs ( 3 ) or excitons can first be polarized and finally dissociated both by static lateral or vertical electric fields and by dynamic lateral or vertical electric fields of sufficient field strength. The photogenerated charge carriers ( 3 ) are spatially separated, as shown in Fig. 2. In the case of an acoustic wave ( 5 ) and the electric fields accompanying it at the speed of sound, the spatial separation of the charge carriers leads to their storage in the potential minima of the line ( 2 ) or the potential maxima of the valence band ( 2 ). These potential extremes then move through the solid at the speed of sound and are laterally approx. Λ / 2 apart.
Eine mögliche einfache Ausführungsform einer optischen Verzögerungleitung gemäß Anspruch 1 ist in Fig. 3 dargestellt.A possible simple embodiment of an optical delay line according to claim 1 is shown in FIG. 3.
Durch externe Abschirmung der piezoelektrischen Felder, z. B. mittels einer leitfähigen Schicht (12) im Schallweg, kann die räumliche Trennung der Ladungsträger - in diesem Fall die durch ein eingehendes optisches Signal (9) photogenerierten Elektron-Lochpaare (3) - nicht mehr aufrecht erhalten bleiben und die Ladungsträger werden unter Emission von Licht (10) wieder rekombinieren. Die Rekombination der Elektron-Lochpaare (3) findet in diesem Fall an der Vorderkante der leitfähigen Schicht (12) statt und bildet die Auskoppelvorrichtung (11). Die Energie dieses Lichtes wird dabei durch die Energie des strahlenden Übergangs bestimmt. Während der Laufzeit der akustischen Welle zwischen dem Generations- und Rekombinationsgebiet auf dem Festkörper (6) sind die im optischen Einkoppelelement (8) in Elementaranregungen des Festkörpers transformierten optischen Signale zeitverzögert bzw. gespeichert worden. Die akustische Welle (5) kann sowohl im Dauerbetrieb als auch, wie hier dargestellt, gepulst betrieben werden und wird in bekannter Weise mit Schallwandlern (7) erzeugt. Die leitfähige Schicht (12) kann entweder durch eine Metallisierung oder aber auch durch freie Ladungsträger in der Halbleiterstruktur (6) ausgeführt sein. In diesem Fall kann die Leitfähigkeit der Schicht zum Beispiel über den Feldeffekt gesteuert werden und damit die gezielte Rekombination an definierbaren Stellen sogar extern eingestellt werden. Es ist auch möglich, anstelle einer einer einfachen, passiven leitfälligen Schicht ein aktives Bauelement, z. B. einen Halbleiterlaser, zur Auskopplung (11) des Signals einzusetzen. Die von der akustischen Welle transportierten Elektronen und Löcher können hierzu durch ein senkrecht zur Schallrichtung gerichtetes statisches laterales elektrisches Feld zweier planarer Elektroden, zusätzlich zur räumlichen Trennung in Schallausbreitungsrichtung, auch noch quer zu dieser getrennt werden. Werden die Elektronen nun dem n-dotierten Bereich und die Löcher dem p dotierten Bereich eines knapp unter die Einsatzspannung vorgespannten Halbleiterlasers zugeführt, so daß dieser dadurch über die Laserschwelle gehoben wird, läßt sich eine Verstärkung des zeitverzögerten ausgekoppelten optischen Signals (10) erzielen.By external shielding of the piezoelectric fields, e.g. B. by means of a conductive layer ( 12 ) in the sound path, the spatial separation of the charge carriers - in this case, the electron-hole pairs ( 3 ) photogenerated by an incoming optical signal ( 9 ) - can no longer be maintained and the charge carriers are emitted recombine by light ( 10 ). In this case, the electron-hole pairs ( 3 ) are recombined at the front edge of the conductive layer ( 12 ) and forms the decoupling device ( 11 ). The energy of this light is determined by the energy of the radiating transition. During the transit time of the acoustic wave between the generation and recombination area on the solid ( 6 ), the optical signals transformed in elementary excitations of the solid in the optical coupling element ( 8 ) have been time-delayed or stored. The acoustic wave ( 5 ) can be operated both in continuous operation and, as shown here, in a pulsed manner and is generated in a known manner with sound transducers ( 7 ). The conductive layer ( 12 ) can be implemented either by metallization or else by free charge carriers in the semiconductor structure ( 6 ). In this case, the conductivity of the layer can be controlled via the field effect, for example, and the targeted recombination at definable points can even be set externally. It is also possible, instead of a simple, passive conductive layer, an active component, for. B. use a semiconductor laser for coupling ( 11 ) of the signal. For this purpose, the electrons and holes transported by the acoustic wave can also be separated transversely to this by a static lateral electric field directed perpendicular to the sound direction of two planar electrodes, in addition to the spatial separation in the direction of sound propagation. If the electrons are now fed to the n-doped region and the holes to the p-doped region of a semiconductor laser biased just below the threshold voltage, so that this is raised above the laser threshold, an amplification of the time-delayed outcoupled optical signal ( 10 ) can be achieved.
Nicht nur durch externe Abschirmung der piezoelektrischen Felder durch eine leitfähige Schicht (12) kann die Rekombination der photogenerierten und im Feld der Welle (5) räumlich getrennten Ladungsträger wieder ermöglicht werden. Auch die Anwesenheit einer anderen akustischen Welle (13) kann dazu führen, daß die räumliche Trennung der photogenerierten und im Feld der ersten Welle gespeicherten Ladungsträger lokal aufgehoben wird. "Kollision" zweier Wellenpakete, die nicht notwendigerweise kollinear zu sein müssen, resultiert in einem Wellenfeld, bei dem die räumliche Trennung der Ladungsträger wieder aufgehoben wird. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Die Verzögerungszeit zwischen der Erzeugung der beiden akustischen Wellenpakete (5) und (13) bestimmt den Ort und damit den Zeitpunkt der "Kollision", an dem die Rekombination der Ladungsträger iniziiert wird. Diese Zeit und damit die Verzögerungs- bzw. Speicherzeit der optischen Signale kann somit extern eingestellt und gesteuert werden.The recombination of the photogenerated charge carriers that are spatially separated in the field of the wave ( 5 ) can be made possible again not only by external shielding of the piezoelectric fields by a conductive layer ( 12 ). The presence of another acoustic wave ( 13 ) can also result in the spatial separation of the photogenerated charge carriers stored in the field of the first wave being locally eliminated. "Collision" of two wave packets, which need not necessarily be collinear, results in a wave field in which the spatial separation of the charge carriers is canceled again. This is shown in FIG. 4. The delay time between the generation of the two acoustic wave packets ( 5 ) and ( 13 ) determines the location and thus the time of the "collision" at which the recombination of the charge carriers is initiated. This time and thus the delay or storage time of the optical signals can thus be set and controlled externally.
Die optisch generierten Elementaranregungen (3), die im Festkörper (6) in einer akustischen Welle (5) gespeichert sind, können durch diese im Festkörper mit Schallgeschwindigkeit räumlich verschoben werden. Dadurch ist ein Transport der Elementaranregungen an geeignete Stellen des Festkörpers sowie eine Aufteilung der optisch generierten und gespeicherten Elementaranregungen (3) in kleinere Untereinheiten möglich (Multiplexing, Demultiplexing). Eine mögliche Ausführungsform einer solchen Multiplex-Einrichtung ist in Fig. 5 skizziert. Hier kann durch gezielte Auslösung der Rekombination in verschiedenen Auskoppelvorrichtungen (11), z. B. durch extern steuerbare leitfähige Schichten oder kollidierende akustische Wellen, die in der akustischen Welle (5) gespeicherten Elementaranregungen (3) an verschiedenen Orten in ein oder verschiedene zeitverzögerte optische Signale (10) zurücktransformiert werden.The optically generated elementary excitations ( 3 ), which are stored in an acoustic wave ( 5 ) in the solid ( 6 ), can be spatially displaced in the solid at the speed of sound. This makes it possible to transport the elementary excitations to suitable locations on the solid and to divide the optically generated and stored elementary excitations ( 3 ) into smaller subunits (multiplexing, demultiplexing). A possible embodiment of such a multiplex device is outlined in FIG. 5. Here, by triggering the recombination in various decoupling devices ( 11 ), z. B. by externally controllable conductive layers or colliding acoustic waves, the elementary excitations ( 3 ) stored in the acoustic wave ( 5 ) at different locations are transformed back into one or different time-delayed optical signals ( 10 ).
Durch Verwendung nicht nur einer akustischen Welle ist auch ein Transport der optisch generierten und in Form einer Elementaranregung im Festkörper gespeicherten Ladungsträger in Richtungen auf dem Festkörper möglich, die nicht in Ausbreitungsrichtung der primär speichernden akustischen Welle liegen (beam steering). Eine mögliche Ausführungsform hierzu ist in Fig. 6 skizziert. Hier wird ein eingehendes optisches Signal (9) in Elementaranregungen eines Festkörpers (6) transformiert und in einer Schallwelle vom Schallwandler (7) gespeichert und zunächst in deren Ausbreitungsrichtung transportiert. Eine zweite Welle vom Schallwandler (14) "übernimmt" das gespeicherte optische Signal und transportiert es - in diesem Beispiel orthogonal zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung - zur Auskoppelvorrichtung (11).By using not only an acoustic wave, it is also possible to transport the optically generated charge carriers stored in the solid in the form of an elementary excitation in directions on the solid that are not in the direction of propagation of the primary storing acoustic wave (beam steering). A possible embodiment for this is outlined in FIG. 6. Here an incoming optical signal ( 9 ) is transformed into elementary excitations of a solid ( 6 ) and stored in a sound wave by the sound transducer ( 7 ) and initially transported in the direction of its propagation. A second wave from the sound transducer ( 14 ) "takes over" the stored optical signal and transports it - in this example orthogonal to the original direction of propagation - to the decoupling device ( 11 ).
Durch Verwendung nicht nur einer primär speichernden akustischen Welle ist eine Modifikation der räumlichen Trennung photogenerierter Elementaranregungen durch Veränderung der Längenskala möglich. Dies kann bewerkstelligt werden, indem die sekundär speichernde Welle eine andere Wellenlänge als die primär speichernde Welle hat.By using not only a primary storage acoustic wave is a modification the spatial separation of photogenerated elementary excitations by changing the Length scale possible. This can be done by using the secondary storage shaft has a different wavelength than the primary storing wave.
Ein experimenteller Nachweis der Zeitverzögerung eines optischen Signals ist in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellt. Hier wird eine Ausführungsform einer optischen Verzögerungsleitung gemäß Anspruch 1 in Form einer strukturierten Halbleiter-Quantentopfstruktur (18) benützt. Experimental evidence of the time delay of an optical signal is shown in Fig. 7 and Fig. 8. An embodiment of an optical delay line according to claim 1 in the form of a structured semiconductor quantum well structure ( 18 ) is used here.
Der Schichtaufbau der Typ I-Quantentopfstruktur ist in Fig. 7(a) schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt. Auf einem 0.5 mm dicken undotiertem GaAs Substrat (17) werden hierzu eine 10 nm dicke In0.15G0.85As Schicht (16) und eine 10 nm dicke GaAs Deckschicht (15) epitaktisch aufgewachsen (zum Beispiel durch Molekularstrahlepitaxie).The layer structure of the type I quantum well structure is shown schematically in FIG. 7 (a) and is not true to scale. For this purpose, a 10 nm thick In 0.15 G 0.85 As layer ( 16 ) and a 10 nm thick GaAs cover layer ( 15 ) are grown epitaxially (for example by molecular beam epitaxy) on a 0.5 mm thick undoped GaAs substrate ( 17 ).
In Fig. 7(b) ist die Aufsicht auf die lateral strukturierte Oberfläche dargestellt. Die akustische Oberflächenwelle (f=840 MHz) wird mittels eines an einen konventionellen Schallwandler (7) angeschlossen Hochfrequenzsignalgenerators (22) erzeugt. Die Einkopplung des optischen Eingangsignals erfolgt durch einen auf den Ort (19) fokussierten Halbleiterlaser (23). Das optische Signal ist in diesem Fall ein einfaches Signal konstanter Intensität und Wellenlänge. Nach einer Laufstrecke (20) von hier 1.1 mm werden durch eine semitransparente Metallschicht (21) die in (19) photogenerierten Elektron-Lochpaare (3) wieder in ein optisches Signal (10) zurücktransformiert und an der Kante der Metallschicht (21) wieder ausgekoppelt. Der genaue zeitliche Vorgang des akustischen Transports der Elementaranregungen ist in Fig. 8 dargestellt. Zum Zeitpunkt t=t1=290 ns (Fig. 8(a)) befindet sich die 200 ns lange akustische Oberfläche (5) genau am Ort (19) im Einkoppelgebiet des optischen Signals. Die photogenerierten Exzitonen im In0.15Ga0.85As Quantentopf werden von der y-Komponente des piezoelektrischen Feldes der Oberflächenwelle (5) in räumlich getrennte Elektron-Lochpaare dissoziiert und können durch den nun sehr kleinen Wellenfunktionsüberlapp nicht wieder rekombinieren. Das vom Photomultiplier (25) zu diesem Zeitpunkt gemessene optische Streusignal durch Photolumineszenz von Exzitonen am Ort (19) zeigt daher ein Minimum. Die so gespeicherten Elementaranregungen werden nun mit Schallgeschwindigkeit (hier vs=2865 m/s) über die Laufstrecke (20) zu der semitransparenten Metallschicht (21) transportiert. Sobald der akustische Wellenpuls (5) den Einkoppelort (19) durchlaufen hat, wird der Halbleiterlaser (23) ausgeschaltet um Meßartefakte durch Streulicht vom Ort (19) völlig auszuschließen. Zum Zeitpunkt t=t2=670 ns (d. h. 380ns später) (Fig. 8(b)) ist der halbe akustische Wellenpuls unter der semitransparenten Metallschicht (21) angekommen. Die laterale Potentialmodulation durch die piezoelektrischen Felder der Oberflächenwelle (5) wird durch diese leitfähige Schicht elektrostatisch abgeschirmt. Die räumliche Trennung von Elektronen und Löchern ist aufgehoben und es kommt zur strahlenden Rekombination. Das so zurücktransformierte optische Signal (10) wird mit einer Sammellinse (26) einem Photomultiplier (25) zugeführt. Zum Zeitpunkt t=t2 zeigt die in Fig. 8(c) detektierte Photolumineszenzintensität daher ein deutliches Maximum. Der hier experimentell nachgewiesene Transport des in räumlich getrennten Elektron-Lochpaaren gespeicherten optischen Signals ist bereits in dieser einfachen Struktur sehr effizient und robust gegen äußere Einflüsse (z. B. Temperatur, Magnetfeld, elektromagnetische Störungen, mechanische Erschütterungen). In Fig. 7 (b) shows the view is displayed on the laterally structured surface. The surface acoustic wave (f = 840 MHz) is generated by means of a high-frequency signal generator ( 22 ) connected to a conventional sound transducer ( 7 ). The optical input signal is coupled in by a semiconductor laser ( 23 ) focused on the location ( 19 ). In this case, the optical signal is a simple signal of constant intensity and wavelength. After a running distance ( 20 ) of 1.1 mm here, the semi-transparent metal layer ( 21 ) transforms the electron-hole pairs ( 3 ) photogenerated in ( 19 ) back into an optical signal ( 10 ) and decouples them again at the edge of the metal layer ( 21 ) . The exact temporal process of the acoustic transport of the elementary excitations is shown in Fig. 8. At the time t = t 1 = 290 ns ( FIG. 8 (a)), the 200 ns long acoustic surface ( 5 ) is exactly at the location ( 19 ) in the coupling-in area of the optical signal. The photogenerated excitons in the In 0.15 Ga 0.85 As quantum well are dissociated by the y component of the piezoelectric field of the surface wave ( 5 ) into spatially separated electron-hole pairs and cannot recombine due to the very small wave function overlap. The optical scatter signal measured by the photomultiplier ( 25 ) at this point in time by photoluminescence of excitons at location ( 19 ) therefore shows a minimum. The elementary excitations stored in this way are now transported at the speed of sound (here v s = 2865 m / s) over the running distance ( 20 ) to the semitransparent metal layer ( 21 ). Once the acoustic wave pulse (5) has passed through the coupling-in point (19) of the semiconductor laser (23) is turned to experimental artifacts by scattered light from the place (19) be completely ruled out. At the time t = t 2 = 670 ns (ie 380ns later) ( FIG. 8 (b)), half the acoustic wave pulse has arrived under the semitransparent metal layer ( 21 ). The lateral potential modulation by the piezoelectric fields of the surface wave ( 5 ) is electrostatically shielded by this conductive layer. The spatial separation of electrons and holes is eliminated and there is a radiant recombination. The optical signal ( 10 ) transformed back in this way is fed to a photomultiplier ( 25 ) with a converging lens ( 26 ). At time t = t 2 , the photoluminescence intensity detected in FIG. 8 (c) therefore shows a clear maximum. The experimentally proven transport of the optical signal stored in spatially separated electron-hole pairs is already very efficient and robust in this simple structure and robust against external influences (e.g. temperature, magnetic field, electromagnetic interference, mechanical shocks).
11
Eingestrahltes Photon
Irradiated photon
22nd
Valenz- und Leitungsbandkanten
Valence and conduction band edges
33rd
Elementaranregung, hier ein Elektron-Lochpaar
Elementary excitation, here an electron hole pair
44th
Abgestrahltes Photon
Radiated photon
55
Akustische Welle/akustischer Wellenpuls mit gespeicherten und transportierten
Elementaranregungen
Acoustic wave / acoustic wave pulse with stored and transported elementary excitations
66
Festkörper
Solid
77
Schallwandler
Sound transducer
88th
Einkoppelvorrichtung zur Transformation optischer Signale in Elementaranregungen
eines Festkörpers
Coupling device for transforming optical signals in elementary excitations of a solid
99
Eingehendes optisches Signal
Incoming optical signal
1010th
Zeitverzögertes ausgehendes optisches Signal
Delayed outgoing optical signal
1111
Auskoppelvorrichtung zur Transformation von Elementaranregungen eines Festkörpers
in ein optisches Signal
Decoupling device for transforming elementary excitations of a solid into an optical signal
1212th
Leitfähige Schicht
Conductive layer
1313
Kollidierende akustische Welle
Colliding acoustic wave
1414
Schallwandler
Sound transducer
1515
GaAs Deckschicht, 10 nm Dicke
GaAs top layer, 10 nm thick
1616
InGaAs Schicht, Quantentopf, 10 nm Dicke
InGaAs layer, quantum well, 10 nm thickness
1717th
GaAs Substratschicht, 0.5 mm Dicke
GaAs substrate layer, 0.5 mm thick
1818th
Halbleiter-Heterostruktur
Semiconductor heterostructure
1919th
Ort des Fokusses des mit einer Sammellinse (Place of focus of the with a converging lens (
2424th
) gebündelten Halbleiterlasers () bundled semiconductor laser (
2323
)
)
2020th
Verzögerungsstrecke
Delay line
2121
Metallschicht semitransparent, (5 nm NiCr)
Semitransparent metal layer, (5 nm NiCr)
2222
Hochfrequenzquelle
Radio frequency source
2323
Halbleiterlaser
Semiconductor laser
2424th
Einkoppelvorrichtung in Form einer Sammellinse
Coupling device in the form of a converging lens
2525th
Photomultiplier zur Detektion des ausgehenden optischen Signals (Photomultiplier for the detection of the outgoing optical signal (
1010th
)
)
2626
Auskoppelvorrichtung in Form einer Sammellinse
Decoupling device in the form of a converging lens
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