DE4411381A1 - Optischer Wellenlängenkonverter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Wellenlängenkonverter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wellenlängenkonverter, auch mit λ-Konverter bezeichnet, sind Schlüsselkomponenten in zukünftigen breitbandigen photo­ nischen Netzen. Wellenlängenkonverter ermöglichen Wiederbe­ nutzung oder Zuweisung von Trägerwellenlängen und Wellenlän­ genadressierung in Koppelnetzen, wodurch sich die Kapazität und Flexibilität von optischen Frequenzmultiplexsystemen wesentlich erhöhen.

Wellenlängenkonverter basieren auf nichtlinearen Effekten in optischen Komponenten, und zwar im wesentlichen verursacht durch die nichtlineare Suszeptibilität dritter Ordnung χ⁽³⁾.

Dieser Effekt bewirkt bei optischer Einstrahlung einer modul­ ierten optischen Eingangswellenlänge λ_s, der im optischen Frequenzraum eine optische Eingangsfrequenz f_s entspricht, und einer optischen Pumpwellenlänge λ_p, der im optischen Frequenzraum eine optische Pumpfrequenz f_p entspricht, die Emission zweier modulierter optischer Ausgangswellenlängen λ_a1 und λ_a2, die einer optischen Frequenz 2f_s-f_p bzw. 2f_p-f_s entsprechen. Diese Konversion ist unter dem Begriff "Vierwellenmischung" bekannt. Diese Vierwellenmischung tech­ nisch zu nutzen, hängt entscheidend von dem eingesetzten Material ab, mit dem der Wellenlängenkonverter hergestellt wird.

Der Effekt der Vierwellenmischung und damit der Wellenlän­ genkonversion wurde mit dispersionsverschobenen Fasern (siehe S. Watanabe, T. Chikama "Highly efficient conversion and parametric gain of forward four-wave mixing in a singlemode fibre", Electron. Letters 30 (1994) 5. 163-164) und mit optischen Verstärkerstrukturen, wie beispielsweise Halblei­ terverstärkern (siehe J. M. Wiesenfeld, B. Glance, J.S. Perino, A. H. Gnauk "Wavelength Conversion at 10 Gb/s using a Semiconductor Optical Amplifier", IEEE Photonics Techn. Letters, 5 (1993) S. 1300-1303 und M. C. Tatham, G. Sherlock, L. D. Westbrook "20-nm Optical Wavelength Conversion Using Nondegenerate Four-Wave Mixing", IEEE Photonics Techn. Let­ ters, 5 (1993) 1303-1306) sowie mit einem optischen Verstär­ ker mit einer optischen Faser aus erbiumdotiertem SiO₂ (siehe B. Fischer, J. L. Zyskind, J. W. Sulhoff, D. J. DiGiovanni "Nonlinear four-wave mixing in erbium-doped fibre amplifier", Electron. Letters 29 (1993) S. 1858-1859) gezeigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wellenlängenkonverter mit einem optischen Verstärker der eingangs genannten Art bereit­ zustellen, der im Vergleich zu dem bekannten Wellenlängenkon­ verter mit dem optischen Verstärker mit der optischen Faser aus erbiumdotiertem SiO₂ in den Abmessungen wesentlich klei­ ner gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Wenn das Eingangstor und Ausgangstor des Verstärkers durch einander gegenüberliegende Stirnflächen des planaren Strei­ fenwellenleiters definiert sind (Anspruch 2), kann der Ab­ stand zwischen diesen Stirnflächen und damit die Länge des optischen Verstärkers vorteilhafterweise z. B. nur etwa 3 cm betragen.

Bevorzugterweise weist der planare Streifenwellenleiter gemäß Anspruch 3 eine wellenleitende Schicht aus mit Erbium do­ tiertem SiO₂ auf. Erbiumdotierte SiO₂/Si-Streifenwellenlei­ terstrukturen, die dafür zum Einsatz kommen können, sind aus G. Nykolak, M. Honer, P. C. Becker, J. Shmulovich, Y. H. Wong "Systems Evaluation of an Er³⁺-Doped Planar Waveguide Ampli­ fier", IEEE Photonics Techn. Letters 5 (1993) S. 1185-1187 bekannt. Die wesentlich kleineren Abmessungen des erfindungs­ gemäßen Wellenlängenkonverters werden bei dieser Material­ komposition durch die höhere nichtlineare Suszeptibilität dritter Ordnung ermöglicht. Dafür sprechen folgende Gründe:

• - Die optische Verstärkung pro Längeneinheit bei optischen Verstärkern mit planaren optischen Streifenwellenleitern ist wesentlich größer als bei SiO₂-Faserverstärkern (siehe G. Nykolak, M. Honer, P. C. Becker, J. Shmulovich, Y. H. Wong "Systems Evaluation of an Er³⁺-Doped Planar Waveguide Amplifier", IEEE Photonics Techn. Letters 5 (1993) S. 1185-1187).
• - Theoretische und experimentelle Untersuchungen bestätigen den Zusammenhang, daß die Verstärkung mit zunehmender Sus­ zeptibilität anwächst (siehe D. Timotÿevic, M. Belic, R. W. Boyd "Two- and Four-Wave Mixing with Saturable Absorp­ tion and Gain", IEEE J. Quantum Eletron. 28 (1992), S. 1915-1921; E. Desurvire "Study of the Complex Atomic Su­ sceptibility of Erbium-Doped Fiber Amplifiers", J. Light­ wave Technology 8 (1990) S. 1517-1527 und H. Q. Le, S. DiCecca "Ultraffast, Multi-THz-Detuning, Third-Order Fre­ quency Conversion in Semiconductor Quantum Weil Wavegui­ des, IEEE Photonics Techn. Letters 4 (1992) S. 878-880).

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wellenlängenkonverters ist der planare Streifenwellenleiter gekrümmt ausgebildet.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Wellenlängenkon­ verters ist dessen mögliche Integration mit passiven opti­ schen Komponenten wie Filter- und Multiplexerstrukturen in denselben Streifenwellenleiterschichten.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Wellen­ längenkonverters und

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung einen Längsschnitt längs der Schnittlinie II-II in Fig. 1 durch ei­ nen beispielhaften optischen Verstärker des erfin­ dungsgemäßen Wellenlängenkonverters.

Der beispielhafte Wellenlängenkonverter nach Fig. 1 unter­ scheidet sich von einem in Electron. Letters 29 (1993), S. 1858-1859 veröffentlichten Wellenlängenkonverter dadurch, daß der optische Verstärker 1 anstelle einer optischen Faser einen planaren Streifenwellenleiter 10 aus laseraktivem Material mit nichtlinearer Suszeptibilität dritter Ordnung χ (3) aufweist, in welchem die beiden Ausgangswellenlängen λ_a1 und λ_a2 durch Vierwellenmischung in Abhängigkeit von der Eingangswellenlänge λ_s und der Pumpwellenlänge λ_p entstehen.

Die Eingangswellenlänge λ_s, der im optischen Frequenzraum die Frequenz f_s entspricht, wird beispielsweise durch einen Signallaser 6 und die von der Eingangswellenlänge λ_s abwei­ chende Pumpwellenlänge λ_p, der im optischen Frequenzraum die Frequenz f_p entspricht, durch einen Pumplaser 9 erzeugt.

Die Eingangswellenlänge λ_s wird über einen optischen Isolator 5 einem ersten Eingang 41 eines optischen 3 dB-Kopplers 4 und die Pumpwellenlänge λ_p über einen optischen Isolator 8 und einen Polarisationssteller 7 einem zweiten Eingang 42 dieses 3 dB-Kopplers 4 zugeführt, in welchem die Eingangswellenlänge λ_s und die Pumpwellenlänge λ_p einander überlagert und in dieser Form an einem Ausgang 43 des 3 dB-Kopplers 4 abgegeben werden.

Die Eingangswellenlänge λ_s und die Pumpwellenlänge λ_p aus dem Ausgang 43 des 3 dB-Kopplers 4 werden über einen optischen Isolator 3 einem ersten Eingang 21 eines optischen Wellenlän­ genmultiplexers 2 zugeführt. Einem zweiten Eingang 22 des Wellenlängenmultiplexers 2 wird die von einem Verstärkerpum­ plaser 13 erzeugte und von der Eingangswellenlänge λ_s und der Pumpwellenlänge λ_p stark abweichende Verstärkerpumpwellen­ länge λ_PV zugeführt.

Die Eingangswellenlänge λ_s, die Pumpwellenlänge λ_p und die Verstärkerpumpwellenlänge λ_PV werden an einem gemeinsamen Ausgang 23 des Wellenlängenmultiplexers 2 abgegeben und von diesem Ausgang 23 einem Eingangstor 11 des Verstärkers 1 zugeführt, das zum Einkoppeln dieser Wellenlängen λ_s, λ_p und λ_PV in den Verstärker 1 dient. Im planaren optischen Verstär­ ker 1 entstehen durch Vierwellenmischung zwei voneinander und von der Eingangswellenlänge λ_s und der Pumpwellenlänge λ_p verschiedene Ausgangswellenlängen λ_a1 und λ_a2, die an einem Ausgangstor 12 zum Auskoppeln dieser Ausgangswellenlängen λ_a1 und λ_a2 aus dem planaren optischen Verstärker 1 zusammen mit der Eingangswellenlänge λ_s und der Pumpwellenlänge λ_p ent­ nehmbar sind.

Der Ausgangswellenlänge λ_a1 entspricht im optischen Frequenz­ raum die optische Frequenz 2f_s-f_p und der Ausgangswellenlänge λ_a2 im optischen Frequenzraum die optische Frequenz 2f_p-f_s.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel eines optischen Verstärkers 1 ist der planare Streifenwellenleiter 10 auf einem Substrat 100 aus Si aufgebracht und besteht aus einer Schichtenfolge aus SiO₂. Die Schichtenfolge besteht bei­ spielsweise aus einer unmittelbar auf dem Substrat 100 aufge­ brachten Mantelschicht 102 aus SiO₂ und einer auf dieser Mantelschicht 102 aufgebrachten wellenleitenden Schicht 101 aus SiO₂. Zu einer definierten Lichtführung ist die wellen­ leitende Schicht 101 streifenförmig auszubilden. Die Struktu­ rierung der wellenleitenden Schicht 101 kann mittels einer Ätztechnik erfolgen. Die nach dieser Strukturierung entstan­ dene streifenförmige wellenleitende Schicht 101, die einen lichtführenden Kern des planaren Streifenwellenleiters 10 bildet, wird mit einer Mantelschicht 103 aus SiO₂ überwachsen (siehe T. Kitagawa, K. Hattori, M. Shimzu, Y. Ohmori, M. Kobayashi: "Guided-wave Laser based on Erbium-doped Silica planar lightwave circuit", Elektronics Letters, 27 (1991), S. 334-335). Die streifenförmige wellenleitende Schicht 101 weist eine höhere Brechzahl als die Mantelschichten 102 und 103 auf. Zumindest die streifenförmige wellenleitende Schicht 101 ist mit Erbium dotiert. Die Wellenlängen werden durch die das Eingangstor 11 des Verstärkers 1 definierende Stirnfläche 111 der als Streifen ausgebildeten wellenleitenden Schicht 101 des Streifenwellenleiters 10 in die streifenförmige wellenleitende Schicht 101 eingekoppelt und durch die das Ausgangstor 12 definierende Stirnfläche 121 der streifenför­ migen wellenleitenden Schicht 101 des planaren Streifenwel­ lenleiters 10 aus der streifenförmigen wellenleitenden Schicht 101 und damit aus dem Streifenwellenleiter 10 ausge­ koppelt.

Prinzipiell kann die Mantelschicht 102 entfallen, wenn ge­ währleistet ist daß die wellenleitende Schicht 101, die mit Erbium dotiert ist, eine höhere Brechzahl als das Substrat 100 und die Mantelschicht aufweist.

Die streifenförmige wellenleitende Schicht 101 kann auch gekrümmt ausgebildet sein, um eine größere Länge L zwischen den Stirnflächen 111 und 121 zu erzielen (siehe T. Kitagawa, K. Hattori, K. Shuto, M. Yasu, M. Kobayashi, M. Horiguchi: "Amplifikation in Erbium-doped Silica-based planar Lightwave circuits", Electronics Letters 28 (1992) S.1818-1819).

Bei dem Beispiel des erfindungsgemäßen Wellenlängenkonverters nach den Fig. 1 und 2 gelten folgende Wellenlängen: λ_s = 1550 nm, λ_p = 1548 nm und λ_PV = 980 nm.

Zum Herausfiltern einer der beiden Ausgangswellenlängen λ_a1 und λ_a2, beispielsweise der Ausgangswellenlänge λ_a2, der die optische Frequenz 2f_p-f_s entspricht, kann dem Ausgangstor 12 des optischen Verstärkers 1 ein Bandpaßfilter 15 nachgeschal­ tet sein, das nur diese Ausgangswelle λ_a2 durchläßt. Bei den angegebenen Zahlenwerten für die Eingangswellenlänge λ_s und die Pumpwellenlänge λ_p beträgt die Ausgangswellenlänge λ_a2 gleich 1546 nm. Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Ausgangs­ tor 12 des optischen Verstärkers 1 und dem Bandpaßfilter 15 ein optischer Isolator 14 geschaltet.

Um mit einem planaren optischen Verstärker 1 in erbiumdotier­ ten SiO₂/Si-Streifenwellenleiterstrukturen eine Wellenlängen­ konversion von z. B. 10 nm zu realisieren, muß bei einer Eingangswellenlänge λ_s von 1550 nm und einer Dispersion des Gruppenindex n_g gemäß δn_g/δλ = -0,4 µm^-1 zur Erfüllung der Phasenanpassung die Wechselwirkungslänge der optischen Wellen, die der Länge L des planaren optischen Streifenwel­ lenleiters 10 zwischen dessen Stirnflächen 111 und 121 entspricht, etwa 3 cm betragen.

Claims (4)

1. Optischer Wellenlängenkonverter zur Umwandlung einer optischen Eingangswellenlänge (λ_s) in zwei voneinander ver­ schiedene optische Ausgangswellenlängen (λ_a1, λ_a2), bestehend aus einem ein Eingangstor (11) zum Einkoppeln der Eingangs­ wellenlänge (λ_s) und einer von der Eingangswellenlänge (λ_s) abweichenden Pumpwellenlänge (λ_p) und ein Ausgangstor (12) zum Auskoppeln der Ausgangswellenlängen (λ_a1, λ_a2) aufweisen­ den optischen Verstärker (1) aus einem ein durch eine von der Eingangswellenlänge (λ_s) und der Pumpwellenlänge (λ_p) abweichenden Verstärkerpumpwellenlänge (λ_PV) anregbares la­ seraktives Material mit nichtlinearer Suszeptibilität dritter Ordnung (χ⁽³⁾) aufweisenden optischen Wellenleiter (10), in welchem die beiden Ausgangswellenlängen (λ_a1, λ_a2) durch Vierwellenmischung in Abhängigkeit von der Eingangswellen­ länge (λ_s) und der Pumpwellenlänge (λ_p) entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (10) aus einem planaren Strei­ fenwellenleiter besteht.

2. Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangstor (11) und Ausgangstor (12) des Verstärkers (1) durch einander gegenüberliegende Stirnflächen (111, 121) des planaren Streifenwellenleiters (10) definiert sind.

3. Wellenlängenkonverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der planare Streifenwellenleiter (10) eine streifenförmi­ ge wellenleitende Schicht (101) aus mit Erbium dotiertem SiO₂ aufweist.

4. Wellenlängenkonverter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der planare Streifenwellenleiter gekrümmt ausgebildet ist.