DE3590607T1

DE3590607T1 - Optischer Koppler

Info

Publication number: DE3590607T1
Application number: DE19853590607
Authority: DE
Inventors: Lars Helge Huddinge Thylén
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1984-11-19
Filing date: 1985-11-18
Publication date: 1986-11-20
Also published as: GB2181566A; SE455969B; SE8405817L; JPS62500885A; WO1986003306A1; US4717228A; GB2181566B; GB8616537D0; SE8405817D0; DE3590607C2

Description

OPTISCHER KOPPLER

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Koppler mit optischer Verstärkung für Kreuz- und Verriegelungszustand-Schalten von optischen Signalen zusammen mit der zugehörigen Verstärkung. Diese Art von Kopplern kann beispielsweise in der Telefonie bei der übertragung von Basisband- bzw. Modulationsfrequenzband-Signalen und dort verwendet werden, wo das optische Übertragungsmedium (Fiber) eine gewisse Dämpfung pro Längeneinheit aufweist.

Hintergrunds-Stand der Technik

Optische Koppler dieser Art, wie der Richtungskopp Iertyp, sind bereits bekannt, welche ein ankommendes optisches Signal auf einen von zwei Ausgängen koppeln, vgl. z.B. "We IlenIeitervorrichtungen für optische Kommunikation" IEEE 1981, Band QE-17, Nr. 6, Seiten 946 bis 959. Eines der Probleme in bezug auf die integrierten optischen Richtungskoppler in Litiumniobat (LiNbOj), Halbleitern und anderen Materialien sind die optischen Verluste, die nur die Verwirklichung von Schaltungen von begrenzter Komplexität erlauben. Beispiele von Verlusten in solchen integrierten Kopplern sind 0,5 dB/cm in Litiumniobat, 1 dB/cm in Halbleitern.

In unterschiedlichen fiber- bzw. faseroptischen Systemen,

z.B. örtlichen Netzwerken, Bussystemen usw., bedeutet die gegebene Leistung, welche nicht unterschritten werden
darf, einen Begrenzungsfaktor bei der Bildung des Systems. Um die Dämpfung in Kopplern oder Zweigen zu kompensieren, muß eine Verstärkungsfunktion analog zu der in der
Elektronik eingebaut werden. Eine solche Funktion, welche mit der optischen Kopplung in den Kopplern integriert ist, würde so von großem Wert sein. Eine Anzahl von Vorschlägen, die sich allein auf Licht oder La serverstärkung beziehen, sind in der Literatur erörtert worden sowohl mit
Verstärkern des Wanderwellentyps und des Fabry-Pero-Typs, vgl. z.B. "Halbleiter-optische Verstärker" aus IEEE
Spektrum, Mai 1984, Seiten 22 bis 33. Ein typischer
Verstärkungsfaktor oder Verstärkungsfaktoren in solchen
bekannten Verstärkern sind 10 bis 30 dB für eine
EingangssignaI Ieistung von -30 dBm -20 dBm. Die bekannten Verstärker der oben erwähnten Art sind diskrete
VerstärkereIemente .

Offenbarung der Erfindung

Es würde von großem Wert sein, zu ermöglichen, einen
Koppler zu bauen, in dem getrennt vom Koppeln der optischen Signale eine Verstärkung dieser ebenfalls erhalten werden könnte, so daß ein und dieselbe Komponente sowohl das
Koppeln als auch das Verstärken ausführt, wodurch die
Dämpfung der optischen Signale vermieden werden könnte.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen
optischen Koppler zu schaffen, der das oben genannte Ziel oder Funktion erfüllt.

Die Erfindung ist durch die offenbarten Merkmale in den
folgenden Ansprüchen gekennzeichnet.

. I-

f~) Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen

Fig. 1 in schematise her Weise einen optischen

Koppler in Übereinstimmung mit der Erfindung in einer Draufsicht darstellt,

Fig. 2 ein Querschnitt durch den Koppler längs der Linie A-A von Fig. 1 ist,

Fig. 3a, 3b Zustandsdiagramme veranschaulichen,

Fig. 4 Beispiele von Diagrammen des Brechungsindex für beide Wellenleiter nach den Fig. 1 und veranschaulichen, und

Fig. 5 und 6 Diagramme der Verstärkung des Kopplers im VerriegelungskoppIungszustand und im Kreuzkopplungszustand zeigen.

Bester Modus zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 und 2 zeigen genauer ein Ausführungsbeispiel des optischen Kopplers in Übereinstimmung mit der Erfindung in der Form einer sogenannten DoppeIhetero-St ruktur .

Die Struktur ist aus der oben erwähnten Fig. 1 zu sehen, wobei ankommendes Licht eingebracht wird über einen ankommenden Wellenleiter 23, worauf das Licht

(a) entweder durchgekoppelt werden soll, so daß das gesamte

• S

ankommende Licht über den Wellenleiter 24 herausgeleitet wird und gleichzeitig verstärkt wird, oder

(b) das durch den Wellenleiter (23) ankommende Licht auf einen abgehenden Wellenleiter 22 gekoppelt wird, wobei gleichzeitig eine Verstärkung gemäß (a) stattfindet.

Der Koppler selbst umfaßt eine Struktur, wie sie im Querschnitt in Fig. 2 gezeigt ist und hat zwei metallische Elektroden 3 und 4, denen Ströme 11 und 12 über Kontaktpunkte a und b von einer äußeren (nicht dargestellten) Quelle zugeführt werden. Das Bezugszeichen 1 bezieht sich in den Fig. 1 und 2 auf die oberste Schicht der Hetero-Struktur, an die die Elektroden 3 und'. 4 fest angebracht sind.

Fig. 2 zeigt deutlicher die Struktur längs des Schnittes A-A in Fig. 1. Unter der obersten Schicht 1, die aus einer Ga 11ium-Alumiηiumarsenidverbindung Ga_1- Al As bestehen

I ^<mm X X

kann, ist eine zweite Schicht 2 vorgesehen, die aus Galliumarsenid GaAs besteht und unter dieser befindet sich eine dritte Schicht 5 aus Ga 11ium-Alumiηiumarsenid. Eine metallische Erdungsoberfläche 6 für die Elektroden 3 und schließt die Struktur ab.

Beide Wellenleiter 21-22 und 23-24 in Fig. 3 sind als Zuführungs Ieiter zu der Kopplungsfläche in der veranschaulichten Struktur ausgebildet. Unter der jeweiligen Elektrode 3, 4 sind diese als sogenannte Rippen-We I lenLeiter, be zeichnet durch 212 und 234, ausgebildet und sind in der Schicht 2 einbezogen, d.h. jeder Wellenleiter ist mit einer Protuberanz 21a und 23a versehen, welche eine We 11 en Ieitung schafft horizontal i

Richtungskoppler. Außerdem ist die Schicht 1 dotiert, wie z.B. mit Zinnatomen mit einer Dotierkonzentration von 10 /cm und die Schicht 2 ist mit einer Konzentration von 10 /cm dotiert. Für den Brechungsindex n1 und n2 der jeweiligen Schicht 1, 2 muß n1 größer sein als n2. Dieses ergibt eine heterogene Struktur in der vertikalen Richtung x. Die hetegorene Struktur gibt so der Lichtwelle eine Führung in den Wellenleitern 21-22 und 23-24. In den verbleibenden Teilen der Schicht 2 gibt es nur eine stark gedämpfte Lichtfortschreitung. Das Licht folgt so der rippengebildeten Struktur.

Wenn die Wellenlänge λ des Lichtes ungefähr gleich dem Bandabstand Eg für Galliumarsenid ist, d.h. dem Bandabstand für die Schicht 2, wird der Brechungsindex n1 komplex, während der Brechnungsindex n2 real ist, wenn die Lichtwellenlänge kleiner ist als der Bandabstand.

Durch Injizieren eines Stromes 11 und 12 in die jeweilige Elektrode 3 und 4 in Richtung auf die Erdungsoberfläche 6 können eine Besetzungs- bzw. Populationsumkehr und erzwungene Emission (die Beziehung in einem Halbleiterlaser) in beiden Wellenleitern erhalten werden.

Die Wellenleiterabschnitte 212 und 234 sind so dicht zueinander angeordnet, daß ihre optischen Felder einander überlappen, wodurch eine Richtungskopplerstruktur erhalten wird. Die folgenden Abmessungen in der Struktur von Fig. werden als ein Beispiel gegeben.

a,. = 0,53^m, a ^ ⁼ 0,63 /j m , a -, = 2^m, a , = 8 yu m.

In einem ungepumpten Zustand oder mit der Ge samt verstärkung

• 1

- 1 sind die We LL en Leiterabschni11e 212 und 234 stark phasen-feh Langepaßt, sodaß ein ve rnachLässigbares Koppeln von Licht zwischen den We L ten Leitern stattfindet. Dieses ist der sogenannte "VerriegeLungszustand" des Kopplers. Wenn das Licht vom Wellenleiter 21 zum Wellenleiter 24 im Koppler gekoppelt wird oder wenn Licht vom Wellenleiter 23 zum Wellenleiter 22 gekoppelt wird, dies bedeutet der sogenannte "Kreuzzustand", gibt es im allgemeinen eine gewisse Lichtdämpfung dadurch, daß es nicht möglich ist, das gesamte ankommende Licht zu koppeln, wenn nicht der Koppler eine Verstärkung umfaßt.

Um im Koppler Verstärkung zu ermöglichen und um die gleiche Verstärkung des Lichtes sowohl im Verriege lungsals auch im Kreuzzustand zu erhalten, ist ein Koppler in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgesehen, von dem unterschiedliche Ausführungsformen unten beschrieben werden.

In einer ersten Ausführungsform ist der Zustand der, daß in dem ungepumpten Zustand entsprechend dem oben genannten die Wellenleiter 21-22, 23-24 relativ stark phasenfehlangepaßt sind, so daß eine vernachlässigbare Kreuzkopplung stattfindet. Um eine Kreuzkopplung und Verstärkung zu erzielen, wird der linke Wellenleiterabschnitt 212 in Fig. 2 gepumpt (Erregung· stets in dem rechten Wellenleiter). Der imaginäre Teil im Brechungsindex n1 nimmt dann zu (die Verstärkung nimmt zu), und zwar gleichzeitig, wenn der Realanteil abnimmt, sh. z.B. "Spektrale Abhängigkeit der Änderung im Brechungsindex aufgrund von Trägerinjektion in Ga 11iumarsenid-Lasern", Journal of Applied Physics, Band 52, 1981, Seiten 4457 bis 4461. Die Abnahme im Realteil des Brechungsindex im linken

·8·

Wellenleiterabschnitt 212 kann eingestellt werden, so daß die Phasenanpassung und Kreuzkopplung vom Abschnitt 234 zum Abschnitt 212 und ebenso die Verstärkung erhalten wird. Durch alleiniges Pumpen des rechten Wellenleiterabschnittes 234 wird anstatt dessen die Phasenfehlanpassung entsprechend dem vorhergesagten zwischen beiden We 11 en Ie i terab schn:i t ten verstärkt. Das Licht verbleibt dann im rechten Wellenleiterabschnitt 234 und wird verstärkt (Verriegelungszustand). Beispiele der Verstärkung und des Kreuz- oder Quersprechens, welche durch Datensimulationen mit einer vollständigen Struktur .erzielt wurden, sind

jeweils A, = 18dB und -25 dB.

Ein weiterer Vorteil mit der Komponente in Übereinstimmung mit der Erfindung ist der, daß die

ZwisehenbandwechseIwirkung abhängig ist von der Polarisation, Die meisten passiven Koppler für Licht beruhen auf elektrooptischen Effekten, welche im allgemeinen polarisationsabhängig sind.

Wenn beim Verriegelungszustand-Koppeln z.B. der Wellenleiter 212 durch einen Strom 11, welcher an die Elektrode 3 angelegt wird, gepumpt wird, gibt es eine Elektronenwanderung über die Schicht 1b entsprechend Fig. und ein Überschuß an Elektronen wird im oberen Band (Leitungsband des Wellenleiterabschnittes 212, der aus Galliumarsenid besteht) gebildet. Die Fig. 3a, 3b veranschaulichen vereinfachte Zustandsdiagramme für Galliumarsenid, wo der Bandabstand durch Eg bezeichnet ist. Fig. 3a zeigt den ungepumpten Zustand, d.h. Mangel an Elektronen im oberen Band, während Fig. 3b den gepumpten Zustand mit dem Elektronenüberschuß im oberen Band zeigt,

d.h. die sogenannte Populations- bzw. Besetzungsumkehr. Wenn Licht auf den Wellenleiter 23 einfällt, findet ein Elektronentransport im gepumpten Zustand vom
Leitungsband zum Valenzband durch erzwungene Emission
(Fig. 3b) statt, wobei Licht abgestrahlt wird in
Abhängigkeit vom Licht, welches durch den Wellenleiter 23 geführt wird. Das Ergebnis ist das, daß das
verstärkte Licht den Koppler vom Wellenleiter 24 verläßt. Im Kreuzkopplungszustand wird der größere Teil des
ankommenden Lichtes durch den Wellenleiter 23 gedämpft und das Pumpen findet statt, d.h. der Strom 11 wird an die Elektrode 3 geliefert, wodurch der oben erwähnte
Lasereffekt (Fig. 3a, 3b) anstatt de ssen in den
Wellenleitern 21 und 22 stattfindet.

Beispiele sind in Fig. 4 für den Realanteil des
Brechungsindex n1 für drei unterschiedliche Zustände des Kopplers gemäß der Erfindung gezeigt.

(a) Ungepumpter Zustand. Phasenf ehlanpassung.

(b) VerriegelungszustandskoppIung mit Phasenanpassung. Der linke Wellenleiterabschnitt 212 wird gepumpt,
d.h. ein Strom 11 wird zur Elektrode 3 geliefert,
während der Strom 12 der Verstärkung 1 entspricht.

(c) Verriege lungskopp lungszustand und Phasenf ehlanpassung zwischen dem Licht in den Wellenleitern 21 und 23. Der rechte Wellenleiterabschnitt 234 wird gepumpt, d.h. 12 weicht von Null ab und 11 entspricht der
Verstärkung 1.

Die Zunahme des Realanteils des Brechungsindex gemäß

Fig. 4a-c entspricht den Rippen 21a, 23a in Fig. 2. Im FaLL (a) ist die Zunahme des Brechungsindex in den Wellenleitern in die ungepumpte Struktur eingebaut durch die geometrischen Dimensionen der Struktur. Im FaLL (b) gibt es eine Verringerung des Brechnungsindex in bezug auf Ca) in Abhängigkeit vom Pumpen und es besteht die Möglichkeit für das Licht, kreuzgekoppelt zu werden zum Wellenleiter 21. Im Fall (c) gibt es eine Verringerung des Brechnungsindex für den rechten Wellenleiterabschnitt 234 in Abhängigkeit vom Pumpen und so tritt wieder eine PhasenfehLanpassung auf und kein Licht wird kreuzgekoppelt; es findet Lediglich eine Verstärkung im Wellenleiterabschnitt 234 statt. Dieses ist der Verriegelungskopp lungszustand.

Fig. 5 ist ein Diagramm der Verstärkung im Koppler im Kreuzkopplungszustand für unterschiedliche AusbreitungsIängen durch die Verstärkerstruktur. Es ist aus dem Diagramm ersichtlich, daß eine Verstärkung von ungefähr 18 dB für die Kreuzkopplung zwischen Kanal 2 (We 11 en Leiter 23) auf Kanal 1 (We LLenIeiter 22) erhaLten wird, während die Verstärkung in Kanal 2 negativ ist.

Fig. 6 veranschaulicht die entsprechende Verstärkung im VerriegeLungskoppIungszustand. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, ist die Verstärkung ungefähr die gleiche für die VerriegelungszustandskoppLung im Kanal 2, während das Licht im Kanal 1 eine negative Verstärkung aufweist. Die Diagramme der Fig. 5 und 6 zeigen so, daß. ungefähr die gleiche Verstärkung in beiden Zuständen erhalten wird und daß die KreuzkoppLung vernachlässigbar im VerriegelungskoppLungszustand ist und daß die VerriegeLungskopp Lung vernachlässigbar ist im Kreuzkopplungszustand.

•/14.

Im oben beschriebenen AusführungsbeispieL sind die Verstärkungs- und übertragungseigenschaften im VerriegeLungs- und Kreuzkopp Lungs zustand aLLgemein gesprochen abhängig davon, weLcher von beiden We LLenLeitern 21 und 23 aLs Erregungstor während des Pumpens ausgewähLt wird, d.h. für weLche der beiden Leiter 21 und 23 die Lichtzufuhr stattfindet. Dieses wurde in ComputersimuLationen verifiziert. ObwohL die obige Struktur (Fig. 1) bis zu einem großen Ausmaß verwendbar ist, ist ein sogenanntes ß-ELement, d.h. eine Struktur mit einer Kreuz- und VerriegeLungskoppLungsausführung, weLche unabhängig ist von dem Erregungstor, sogar noch fLexibLer.

Gemäß einem anderen AusführungsbeispieL der Erfindung wird ein soLches ß-ELement durch Verwendung von zwei AbschnittskoppLern erhaLten (aktives Aß). Fig. 7 zeigt in schematise her Weise einen soLchen RichtungskoppLer. Die WeLLenLeiter 21 bis 24 sind zusammen mit den Abschnitten 212, 234 unter der jeweiLigen ELektrode von der gLeichen Ausführungsform wie in der Struktur nach den Fig. 1, 2, und daher wurden dieseLben Bezeichnungen verwendet. Beide ELektroden 3 und 4 von Fig. 1 wurden in der Struktur gemäß > Fig. 7 in zwei Abschnitte 3a, 3b und 4a, 4b unterteiLt. Andererseits weisen sie jedoch die gLeiche Erscheinungsform auf wie in Fig. 2 gezeigt. Ein Strom I,, I/, Ir, I, wird den entsprechenden Abschnitten 3a, 3b, 4a, 4b zugeführt.

In einem ungepumpten Zustand ist die in Fig. 7 gezeigte Struktur symmetrisch in bezug auf den Brechungsindex, vgL. Fig. 8a. Durch symmetrisches Pumpen, d.h. I^ = I, = Ir = I, wird der KreuzkoppLungszustand mit einer bestimmten Verstärkung erhaLten, wie in Fig. 8b. Wenn die gLeiche Struktur gepumpt wird, so daß I-, = I, und I^ = Ir ungLeich

r ■

•/2-

I,= I, ist, wird ein VerriegelungskoppIungszustand mit der gleichen Verstärkung erhalten, unabhängig vom Erregungstor (aus Gründen der Reziprozität). Die Fig. 8c, 8b zeigen den letzteren Fall, wobei Fig. 8c den Realanteil des Indexprofils im ersten Longitudinalabschnitt und Fig. 8d das Indexprofil im zweiten Long i tudina lab.sx.hn i 11 zeigt. Das Verriegelungskoppeln wird mit der gleichen Verstärkung unabhängig vom Erregungstor (Wellenleiter 21, 23) erhalten. Die gestrichelten Linien in den Fig. 8b bis 8d entsprechen den Indexprofilen gemäß Fig. 8a, d.h. mit der Ge samt verstärkung = 1 in der Struktur entsprechend Fig. 7.

Die Flächen 25, 26 und 27 in Fig. 2 und die in der Struktur gemäß Fig. 7 entsprechenden können transparent und elektrisch isoliert ausgebildet werden,durch Ionenimplantation.

Die Wellenleiter 21, 22, 23 und 24 von Fig. 1 sowie ihre Gegenstücke in Fig. 7 dienen als Versorgungs Ieiter für das Licht und sind transparent für die Betriebswellenlänge Λ. gemacht, vorzugsweise durch ihre Ausbildung aus Ga₁ Al As,

I "~ X X

vgl. Flächen 1 und 5 in Fig. 2, wie zuvor erwähnt. Somit wird auch eine longitudinale Hetero-Struktur erhalten. Die Abschnitte 212 und 234 sind transparent ausgebildet durch Pumpen entsprechend dem, was zuvor beschrieben wurde.

Andere Ausführungsformen der Erfindung sind ebenfalls möglich, z.B. eine getrennte Steuerung des. Realantei Ls des Brechungsindex in einer Struktur gemäß Fig. 1 oder 7 zur Erzielung einer besseren Kreuzkopplungs- oder übersprechungs-Ausführung. Eine weitere Alternative umfaßt die Beeinflussung der Kopp I ungs I änge während des Pumpens.

Claims

■/13 Patentansprüche:

1. Optischer Richtungskoppler mit Verstärker, umfassend einen ersten Wellenleiter für ankommendes Licht, einen zweiten Wellenleiter für Verriegelungskoppeln von Licht vom ersten Wellenleiter und einen dritten Wellenleiter für Kreuzkopplung von Licht vom ersten Wellenleiter, wobei die Wellenleiter für die Wellenlänge des ankommenden Lichtes transparent sind und einen bestimmten Brechnungsindex aufweisen, wobei in einem Kopplungsfeld für die Wellenleiter Wellenleiterabschnitte angeordnet sind, die Kopplungselemente für den ersten, zweiten und dritten Wellenleiter sowie für Elektroden bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Verstärkung des Lichtes durch den ersten (23) und zweiten (24) Wellenleiter im Verriege IungskoppIungszustand des RichtungskoppIers und die optische Verstärkung des Lichtes durch den ersten (23) und den dritten (22) Wellenleiter der K reuzkoppIungszu st and des RichtungskoppIers erzielt wird durch Zuführung eines Stromes (I-y 1?^ ^zu ^e r entsprechenden Elektrode (3, 4 oder 3a, 3b, 4a, 4b), abhängig davon welcher Kopplungszustand gewünscht wird, mit einer Änderung sowohl des Real- als auch Imaginärant ei Is des Brechungsindex (n1) des entsprechenden Wellenleiterabschnittes (212, 234), wobei eine "Änderung des Imaginäranteils eine Verstärkung und eine Änderung des Realanteils eine Änderung des Zustands des Kopplers für eine Verriegelungskopplung oder Kreuzkopplung des ankommenden Lichtes bewirkt.

2. Optischer Richtungskoppler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Elektroden (3, 4) aufweist, von denen die erste (3) am ersten (23) und zweiten (24) Wellenleiter
angebracht ist, und daß die zweite Elektrode (4) am dri11en We IlenIeiter (22) für die Stromzufuhr zum
entsprechenden Wellenleiterabschnitt (212 und 234) angebracht ist, um Lichtverstärkung zu erzielen und daß die Änderung des Realanteils des Brechungsindex eine Phasenanpassung zwischen den <
Wellenleiterabschnitten (212, 234) zur Erzielung
einer Kreuzkopplung und eine Phasenfeh lanpassung
zwischen den Wellenleiterabschnitten (212, 234) zur Erzielung einer Verriegelungskopplung bewirkt.

3. Optischer Richtungskoppler nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
erste Stromzufuhr zur den Elektroden (3, 4) für das ankommende Licht sowohl im ersten Wellenleiter (23) als auch im vierten Wellenleiter (21) den
Verriegelungskopplungszustand ergibt, und daß eine zweite Stromzufuhr den Kreuzkopp lungszustand für das Licht in beiden Wellenleitern (21, 23) ergibt.

4. Optischer Richtungskoppler nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Elektroden unterteilt sind in zumindest zwei
Abschnitte (3a, 3b; 4a, 4b) mit den Elektroden in
jedem Abschnitt, wobei der Kreuzkopplungszustand mit Verstärkung durch symmetrische Stromzufuhr (I, = I, = Ir = Iz) zu den Abschnitten erzielt wird, und der
Verriegelungskopplungszustand mit Verstärkung durch eine Stromzufuhr (I, = I, , I, = IJ erhalten wird, die sich längs der EIektrodenstruktur ändert.

/G-

Optischer Richtungskoppler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzei chnet, daß die Kopp Lungs Länge für die gekoppelten WellenLeiterabschnitte (212, 234) mit Hilfe der Stromzufuhr zu den Elektroden (3, 4; 3a, 3b, 4a, 4b) veränderlich gestaltet ist.