DE4422209A1 - Optische Nachrichtenübermittlung mit einem Oberflächenemittierenden Vertikalhohlraumlaser im Multitransversalmoden-Betrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die optische Übertragung von Signalen und insbesondere auf ein optisches Nachrichtenübermittlungsnetzwerk mit einer op­ tischen Multimodefaser, die einen Multimodelichtstrahl von einem Oberflächen-emittierenden Vertikalhohlraumlaser emp­ fängt, der multimodig oder mit Mehrfach-Filamentbildung be­ trieben wird.

Optische Nachrichtenübermittlungssysteme werden verwendet, um Informationen von einem Ort zu einem anderen zu übertra­ gen. Einer der Vorteile von optischen Systemen besteht da­ rin, daß sie extrem große Bandbreiten haben. Das bedeutet, daß optische Systeme vielmehr Informationen übertragen kön­ nen, als andere Arten von Nachrichtenübermittlungssystemen, wie z. B. Funk oder Mikrowellentechnik. Z.B. werden nahezu alle Ferntelefongespräche durch optische Nachrichtenüber­ mittlungssysteme übertragen, da eine einzelne optische Faser tausende von Gesprächen zur gleichen Zeit übertragen kann. Optische Systeme bieten ferner das Potential, große Mengen von digitalen Daten für Hochgeschwindigkeitscomputer effi­ zienter und ökonomischer als andere Nachrichtenübermitt­ lungssysteme zu übertragen.

Jedes optische Nachrichtenübermittlungssystem umfaßt min­ destens drei Elemente: einen Sender, der einen Lichtstrahl erzeugt und den Strahl mit Daten, die übertragen werden sollen, moduliert, einen Empfänger, der den Lichtstrahl empfängt und die Daten aus diesem zurückgewinnt, und ein Medium, wie z. B. eine optische Faser, die den Lichtstrahl von dem Sender zu dem Empfänger überträgt. Typischerweise verwendet der Sender einen Laser oder eine Licht-emittieren­ de Diode ("LED"), um den Lichtstrahl zu erzeugen. Der Emp­ fänger verwendet Photodetektoren oder dergleichen, um den Strahl zu empfangen. Das Medium kann anstelle der optischen Faser ein optischer Wellenleiter oder dergleichen sein.

Das Licht kann sich als einzelner Mode oder als mehrere Mo­ den durch ein optisches Medium bewegen. Im allgemeinen kann ein "Mode" einer elektromagnetischen Welle als ein statio­ näres Muster der Welle definiert sein. In dem speziellen Fall eines Lichtstrahls (der im optischen Teil des Spektrums als eine elektromagnetische Welle betrachtet werden kann) ist ein Mode ein Wellenmuster, das die Form seiner transver­ salen Feldverteilung nicht ändert, wenn es sich durch das Medium ausbreitet.

Ein gegebenes optisches Medium kann in der Lage sein, viele Moden oder nur einen einzelnen Mode zu unterstützen. Dies wird durch die physikalischen Parameter, wie z. B. - im Fall einer optischen Faser - den Durchmesser der Faser und den Unterschied zwischen den Brechungsindizes des Kerns und Hülle, bestimmt.

Ebenso können viele Laser dazu gebracht werden mit einem einzelnen Mode oder mit mehreren Moden zu arbeiten. Dies kann durch eine geeignete Wahl der Gerätestruktur und An­ steuerbedingungen geschehen. Multimodebetrieb wurde im all­ gemeinen so verstanden, daß mehrere Moden in einem Laser­ hohlraum bestehen. Jedoch haben Studien gezeigt, daß ein Multimodelaserbetrieb mit einer Filamentbildung aufgrund nicht gleichmäßiger Verstärkung oder Dämpfung auftreten kann. Dies gilt speziell für Laser mit, verglichen mit der Wellenlänge, großen transversalen Abmessungen. Der Bequem­ lichkeit halber schließen die Begriffe "mehrere Moden" und "Multimode", die hierin verwendet werden, um den Betrieb eines Lasers zu beschreiben, sowohl mehrere Moden in einem einzelnen Laserhohlraum als auch Mehrfach-Filamentbildung ein.

Optische Kommunikationssysteme sind verschiedenen Arten von Verlusten und Begrenzungen unterworfen. Unter diesen befin­ den sich intermodulare Dispersion, chromatische Dispersion und modenselektive Verluste. Diese alle bewirken eine Ver­ schlechterung des Rauschabstandes. Daher ist es erwünscht, diese so gut wie möglich zu eliminieren oder minimieren.

Die intermodale Dispersion wird schlimmer, wenn die Länge der Faser anwächst. Die intermodale Dispersion beeinflußt ausschließlich Multimodefasern. Daher sind Monomodefasern bei der Nachrichtenübermittlung über große Entfernungen be­ vorzugt. Der Ausdruck "große" Entfernung, der hierin verwen­ det wird, steht für eine Entfernung, die größer als einige hundert Meter ist, und der Ausdruck "kleine" Entfernung für eine, die kleiner als einige hundert Meter ist. Es sollte selbstverständlich offensichtlich sein, daß dies eine Nähe­ rung ist. Multimodefasern bis zu einigen Kilometern Länge wurden erfolgreich verwendet, jedoch wird gewöhnlich eine Monomodefaser verwendet, wenn die erforderliche Faserlänge ein paar hundert Meter überschreitet.

Die chromatische Dispersion wird ebenfalls schwerwiegender, wenn die Faserlänge anwächst, jedoch beeinflußt die chroma­ tische Dispersion, anders als die intermodulare Dispersion, sowohl Monomode- als auch Multimode-Fasern. Die nachteiligen Wirkungen der chromatischen Dispersion können durch die Ver­ wendung eines hochkohärenten Lasers minimiert werden, da ein derartiger Laser einen Lichtstrahl einer sehr schmalen spek­ tralen Breite erzeugt. Demgemäß wurden hochkohärente Laser für die meisten optischen Nachrichtenübermittlungssysteme, besonders für die Nachrichtenübermittlung über große Entfer­ nungen, bevorzugt.

Selbstverständlich können optische Monomode-Fasern auch über kleine Entfernungen (weniger als einige hundert Meter) ver­ wendet werden, z. B. um digitale Daten in einem lokalen Netz­ werk von einem Computer zu einem anderen zu übertragen oder sogar um Daten zwischen Punkten, die in einem einzelnen Com­ puter weniger als einen Meter voneinander entfernt sind, zu übertragen. Jedoch sind optische Multimode-Fasern für opti­ sche Nachrichtenübermittlungssysteme mit kleinen Entfernun­ gen bevorzugt, da die relative Leichtigkeit ihrer Verpackung und Ausrichtung diese beträchtlich günstiger macht als Mono­ mode-Fasern.

Ein Nachteil von optischen Multimodemedien war, daß diese modenselektiven Verlusten unterworfen sind. Ein modenselek­ tiver Verlust kann als eine physikalische Bedingung charak­ terisiert werden, die die optischen Charakteristika des Mediums beeinflußt. Diese Verluste können z. B. Verbindungs­ stellen im Medium, Leistungsteiler und andere Vorrichtungen, die mit dem Medium verbunden sind, und physikalische Fehler, wie z. B. Verbindungen geringer Qualität und eine Fehlaus­ richtung der Komponenten, sein. Obwohl derartige physikali­ sche Verbindungen durch sorgfältige Entwicklung und Aufbau reduziert werden können, ist es in der Praxis selten mög­ lich, ein System herzustellen, das vollständig frei von diesen ist. Daher sind alle praktisch realisierbaren opti­ schen Multimode-Nachrichtenübermittlungssysteme zumindest einigen modenselektiven Verlusten unterworfen.

Der tatsächliche Mechanismus, durch den physikalische Dis­ kontinuitäten modenselektive Verluste erzeugen, wird nun kurz erörtert. Eine Interferenz zwischen verschiedenen Moden in einem Multimodemedium, das einen kohärenten Lichtstrahl überträgt, erzeugt ein Fleckenmuster. Im idealen Fall würde dieses Fleckenmuster stationär bleiben, jedoch bewegt es sich in der Praxis etwas im Medium. Die Bewegung des Flecken­ musters kann durch physikalisches Anstoßen oder eine an­ dere Bewegung der Faser selbst (relativ langsame Bewegung) oder durch Lasermode-Partitionierung und dergleichen (rela­ tiv schnelle Bewegung) verursacht werden. Eine Bewegung des Fleckenmusters in einem System mit modenselektiven Verlusten hat Leistungsveränderungen in dem empfangenen Signal zur Folge. Diese Veränderungen werden durch die modenselektiven Verluste verursacht und haben eine Verschlechterung des Rauschabstandes zur Folge. In digitalen Systemen offenbart sich eine Verschlechterung des Rauschabstands selbst als ei­ ne erhöhte Bitfehlerrate.

Modenselektive Verluste sind detaillierter in Schriften, wie Epsworth, R.E., "The Phenomenon of Modal Noise in Analogue and Digital Optical Fibre Systems", Proceedings of the 4th European Conference on Optical Communications, Genoa, Sep­ tember, 1978, Seiten 492-501, und in Kanada, T., "Eva­ luation of Modal Noise in Multimode Fiber-Optic Systems", IEEE Journal of Lightwave Technology, 1984, LT-2, Seiten 11-18, beschrieben.

Modenselektive Verluste können durch die Verwendung einer relativ niederkohärenten Lichtquelle, wie z. B. einer LED oder einer selbstpulsenden Laserdiode ("SPLD"), anstelle eines hochkohärenten Lasers vermieden werden. Die Verwendung von LEDs in optischen Nachrichtenübermittlungssystemen ist bei Soderstrom, R., u. a., "Low Cost High Performance Compo­ nents of Computer Optical Date Links", Proceedings of the IEEE Laser and Electrooptics Society Meeting, Orlando, Flo­ rida, 1989, beschrieben. Ein Nachteil der Verwendung von LEDs in optischen Nachrichtenübermittlungssystemen besteht darin, daß der Koppelwirkungsgrad zwischen einer LED und einer optischen Faser sehr gering ist. Zusätzlich dazu sind LEDs inhärent langsam, was die maximale Übertragungsge­ schwindigkeit begrenzt.

SPLDs wurden in solchen Systemen, wie der Multimodefaserda­ tenverbindung Hewlett-Packard HOLC-0266 Mbaud Fiber Channel, hergestellt durch die Anmelderin desselben, verwendet. Dies ist bei Bates, R.J.S., Multimode Waveguide Computer Data "Links with Self-Pulsating Laser Diodes", Proceedings of the International Topical Meeting on Optical Computing, Kobe, Japan, April, 1990, Seiten 89-90, beschrieben. Der Koppel­ wirkungsgrad zwischen einer SPLD und einer optischen Faser ist besser als der zwischen einer LED und einer optischen Faser, ist jedoch noch nicht optimal. Außerdem ist die maxi­ male Übertragungsgeschwindigkeit, die mit einer SPLD er­ reicht werden kann, begrenzt. Weder SPLD- noch LED-Systeme waren in der Lage, zuverlässige Übertragungsgeschwindigkei­ ten im Bereich von 1 Gigabit pro Sekunde zu erreichen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches Nachrichtenübermittlungssystem, das über kurze Entfernungen arbeitet, zu schaffen, um auf eine zuverlässige und ökonomische Art und Weise Daten mit größeren Übertra­ gungsgeschwindigkeiten als 1 Gigabit pro Sekunde zu über­ tragen.

Diese Aufgabe wird durch ein optisches Nachrichtenübermitt­ lungsnetzwerk gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein optisches Nachrichten­ übermittlungssystem, das Daten zuverlässig und ökonomisch mittels optischer Multimodemedien mit einer beliebigen Ge­ schwindigkeit bis zu und über 1 Gigabit pro Sekunde hinaus übertragen kann.

Kurz und allgemein gesprochen ist die Erfindung in einem optischen Nachrichtenübermittlungssystem mit einem Ober­ flächen-emittierenden Vertikalhohlraumlaser ("SEL"; SEL = Surface-Emitting Laser = Oberflächen-emittierender Laser) verkörpert. Ein optisches Multimodemedium, wie z. B. eine optische Faser, ist mit dem SEL gekoppelt. Eine Leistungs­ versorgung liefert einen Vorspannungsstrom, der den SEL in einen Multitransversalmoden-Betrieb steuert, vorzugsweise mit mehr als zwei verschiedenen Moden. Der SEL erzeugt einen Lichtstrahl, der eine geringere Kohärenz aufweist, als der, der von einem Monomodelaser geliefert wird. Dieser Licht­ strahl wird mit Daten moduliert, die von einem ankommenden Signal getragen werden. Der SEL hat vorzugsweise eine Öff­ nung, die größer als etwa 8 Mikrometer ("µm") ist, durch die der modulierte Lichtstrahl emittiert wird.

Das optische Medium überträgt den modulierten Lichtstrahl von dem SEL zu einem Empfänger an einem räumlich entfernten Ort. Der Empfänger, der näher als 1 Meter oder weiter als 100 Meter entfernt sein kann, gewinnt die Daten aus dem Lichtstrahl zurück.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels eines optischen Nachrichtenüber­ mittlungssystems gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 eine Querschnittansicht eines Oberflächen-emittie­ renden Vertikalhohlraumlasers der Art, die in dem Nachrichtenübermittlungssystem, das in Fig. 1 ge­ zeigt ist, verwendet ist.

Wie in den Zeichnungen zu Zwecken der Darstellung gezeigt ist, ist die Erfindung in einem neuartigen optischen Nach­ richtenübermittlungssystem mit einem Oberflächen-emittieren­ den Vertikalhohlraumlaser ("SEL"), der in einem Multitrans­ versalmoden-Betrieb gesteuert wird, um einen Lichtstrahl zu liefern, der Daten zuverlässig und wirksam über ein opti­ sches Multimodemedium überträgt, verkörpert. Um den Aufwand der Monomodefasern für die Nachrichtenübermittlung über Ent­ fernungen von weniger als einigen hundert Metern zu vermei­ den, verwendeten bestehende optische Nachrichtenübermitt­ lungssysteme Multimodefasern, wobei derartige Systeme jedoch unannehmbar hohen Modenselektionsverlusten ausgesetzt waren, oder verwendeten niederkohärente Lichtquellen, wie z. B. LEDs und SPLDs, die nicht in der Lage waren, ausreichend hohe Übertragungsgeschwindigkeiten zu erreichen.

Ein Nachrichtenübermittlungssystem gemäß der Erfindung ver­ wendet einen SEL im Multitransversalmoden-Betrieb. Der SEL liefert einen Lichtstrahl, der eine geringere Kohärenz auf­ weist, als die hochkohärenten Lichtstrahlen, die typischer­ weise bei Monomodesystemen verwendet werden, jedoch eine höhere Kohärenz, als die niederkohärenten Strahlen, die von LEDs und selbstpulsenden Lasern geliefert werden. Ein opti­ sches Multimodemedium überträgt den Strahl von dem SEL zu einem Empfänger, der weniger als 1 Meter oder 100 Meter und weiter entfernt sein kann. Das System ist in der Lage, Daten bei einer beliebigen Geschwindigkeit bis zu und über 1,5 Gigabit pro Sekunde mit einer vernachlässigbaren Bitfehler­ rate zu übertragen. Das System liefert alle Vorteile, wie z. B. leichte Ausrichtung, einfache Verpackung und geringe Kosten, die üblicherweise mit optischen Multimodemedien ver­ bunden sind.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach­ folgend detaillierter erörtert. Gemäß Fig. 1 ist die Erfin­ dung in einem optischen Nachrichtenübermittlungsnetzwerk verkörpert, das einen SEL 11, eine Leistungsversorgung 13, die einen Vorspannungsstrom liefert, um den SEL in den Mul­ titransversalmoden-Betrieb zu steuern und ein optisches Multimodemedium 15, das optisch mit dem SEL gekoppelt ist, um das optische Signal von dem SEL zu einem räumlich ent­ fernt plazierten Empfänger 17 zu übertragen, umfaßt. Der SEL spricht auf ein Signal an, das Daten trägt (allgemein als 19 bezeichnet), um ein optisches Signal zu liefern, das mit den Daten moduliert ist. Der Empfänger 17, der optisch mit dem optischen Medium 15 gekoppelt ist, empfängt das modulierte optische Signal und gewinnt die Daten (allgemein als 21 be­ zeichnet) daraus zurück.

Verschiedene Arten von optischen Multimodemedien, wie z. B. optische Fasern und Wellenleiter, können als das Medium 15 verwendet werden. Der SEL 11 und der Empfänger 17 sind durch geeignete Kopplungen 23 und 25 mit dem Medium 15 gekoppelt. Wie nachfolgend detaillierter erörtert wird, wird der SEL 11 vorzugsweise mit mehr als zwei verschiedenen transversalen Moden betrieben. Wie oben erwähnt wurde, kann dies eine Mehrfach-Filamentbildung beinhalten.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des SEL 11 ist in Fig. 2 dargestellt. Der SEL wird auf ein n+ GaAs-Substrat 31 (GaAs = Gallium-Arsenid) aufgewachst. Ein unterer Ausgabe­ spiegel, z. B. 18,5 Paare von n-dotierten GaAs/AlAs-Viertel­ wellenschichten (GaAs/AlAs = Gallium-Arsenid/Aluminium-Ar­ senid) (in den Zeichnungen allgemein mit 33 bezeichnet) wird epitaxial auf das Substrat 31 aufgewachst. Die Grenzfläche zwischen den Schichten wird unter Verwendung eines variablen Arbeitszyklus′ kurzer Dauer eines AlAs/GaAs/Al (0,3) Ga (0,7) As-Supergitters ("SPSL"); (SPSL = short period super­ lattice = Kurzdauer-Supergitter) abgestuft. Das SPSL redu­ ziert alle Heteroübergangsbanddiskontinuitäten an der GaAs/- AlAs-Grenzfläche. Der Dotierungspegel ist 1 · 10¹⁸cm^-3 in gleichförmigen Regionen und 3 · 10¹⁸cm^-3 in abgestuften Re­ gionen. Zur Vereinfachung sind nur wenige der 18,5 Schich­ tenpaare in der Figur gezeigt. Das Reflexionsvermögen des unteren Spiegels 33 beträgt 98,9%.

Als nächstes wird eine optische Hohlraumstruktur 35 auf­ gewachst. Die Hohlraumstruktur umfaßt eine n-Hüllschicht 37, eine Quantenmulde 39 und eine p-Hüllschicht 41. Die Hüll­ schichten 37 und 41 umfassen Al(0.3)Ga(0.7)As, dotiert auf 1 · 10¹⁸cm^-3, reduziert auf 5 ·10¹⁷cm^-3 angrenzend an die Quan­ tenmulde 39. Die Quantenmulde 39 umfaßt drei MQW von ge­ spanntem In(0.2)Ga(0.8)As (Indium-Gallium-Arsenid) mit einer Dicke von etwa 80 Å (Å = Angstrom), mit GaAs-Barrieren mit einer Dicke von 100 Å.

Über der Quantenmulde 35 befindet sich ein hochreflektieren­ der oberer Spiegel 43. Das Reflexionsvermögen des oberen Spiegels ist größer als 99,96%. Der obere Spiegel 43 umfaßt z. B. 15 Paare von GaAs/AlAs-Viertelwellenschichten (allge­ mein 45 bezeichnet), eine Phasenanpassungsschicht 47 und eine Au-Schicht 49 (Au = Gold). Eine Protonenisolierungsre­ gion 51 umgibt die äußere Begrenzung der Viertelwellen­ schichten 45. Wie beim unteren Spiegel 33 sind nur einige der Viertelwellenschichten 45 tatsächlich in Fig. 2 gezeigt. Die Grenzflächen zwischen den Viertelwellenschichten sind auf eine Art und Weise abgestuft, die im allgemeinen ähnlich der Abstufung der Grenzflächen im unteren Spiegel 33 ist. Die Dotierpegel sind 1 · 10¹⁸cm^-3 in gleichförmigen Regionen und 5 · 10¹⁸cm^-3 in abgestuften Regionen.

Die Phasenanpassungsschicht 47, die aus GaAs besteht, kom­ pensiert Phasenverzögerungen, die eine Folge der begrenzten Durchdringung des optischen Feldes in die Au-Schicht sind.

Die Au-Schicht 49 ist etwa 2000 dick und wird nach dem MBE-Aufwachsen (MBE = Molecular Beam Epitaxy = Molekular­ strahl-Epitaxy) der darunterliegenden Struktur wie folgt hergestellt. Zuerst wird eine Goldschicht von 2000 auf der GaAs-Phasenanpassungsschicht 47 abgeschieden. Dann wird ein dicker (mehr als 10 µm) Au-Knopf auf der Oberseite plat­ tiert, um als Maske für die Protonenisolierung zu dienen. Danach wird der Wafer protonenimplantiert. Eine Kristall­ strukturbeschädigung, die aus der Protonenimplantation re­ sultiert, liefert einen Stromeinschluß und daher eine Ge­ winnführung. Dann wird auf der Oberseite ein weiterer dicker Au-Knopf 53 mit einem Durchmesser von etwa 300 µm plattiert. Dieser Knopf 53 wird zur Löt-/Chip-Befestigung der fertigen Vorrichtung an einer Wärmesenke verwendet. Der Wafer wird danach auf einen Durchmesser von 125 µm geläppt und poliert und eine ringförmige Elektrode 55 wird auf der Grundfläche strukturiert. Eine Viertelwellen-Antireflexions-Beschichtung 57 aus SiO₂ (Siliziumdioxid) wird in der offenen Region der Elektrode 55 abgeschieden.

Ein optisches Nachrichtenübermittlungssystem, das die Prin­ zipien der Erfindung verkörpert, wurde unter Verwendung ei­ nes relativ großflächigen SEL mit einer Öffnung von 25 µm, gekoppelt mit einer optischen Faser, aufgebaut. Eine phy­ sikalische Diskontinuität wurde vorsätzlich in die Faser eingefügt. Diese Diskontinuität war eine Lücke von mehreren Millimetern. Die Lücke war einstellbar, um zwischen 3 dB und 16 dB Dämpfung zu bewirken. Die Länge der Faser zwischen dem SEL und der Lücke war 16 Meter. Dieser Abschnitt der Faser wurde mit einer Schüttelvorrichtung hin- und herbewegt, um den Effekt der Faserbewegung zu simulieren. Die Bitfehler­ rate ("BFR") wurde für Lücken verschiedener Breite gemessen. Die gemessenen BFRs waren für Dämpfungen bis 10 db kleiner als 10^-11.

In den hierin beschriebenen Tests wurde eine Wellenlänge von etwa 970 Nanometern ("nm") verwendet. Es ist offensichtlich, daß die Grundsätze der Erfindung gleichermaßen auf Vorrich­ tungen anwendbar sind, die bei anderen Wellenlängen betrie­ ben werden, und daß sich die physikalischen Abmessungen dem­ entsprechend ändern werden.

Bei einem weiteren Test wurde das Verhalten des großflächi­ gen SEL mit dem eines kleineren SEL mit einer Öffnung von 12 µm verglichen. Die Schwellenströme betrugen etwa 6,5 Milli­ ampere (mA) für den großen SEL und 4,2 mA für den kleineren. Die Schwellenspannungen betrugen 2.7 bzw. 4.5 Volt. Die Aus­ gangsleistung beim doppelten Schwellenstrom betrug 3.6 Mil­ liwatt (mW) für den größeren SEL und 2,8 mW für den klei­ neren. Die Emissionswellenlänge betrug etwa 970 Nanometer.

Die SELs wurden direkt durch ein "NRZ"-Signal (NRZ = Non-Re­ turn-to-Zero) mit einem Gigabit pro Sekunde bei einer maxi­ malen Amplitude von 2 Volt und mit einer pseudozufälligen Bitfolge von 2¹⁵-1 durch ein Vorspannungs-T moduliert. Die Vorspannungspegel betrugen ein mehrfaches der jeweiligen Schwellenströme. Die SELs waren direkt mit einer Multimode­ faser mit einem abgestuften Index von 50/125 gekoppelt. Die Länge der Faser zwischen dem SEL und der Lücke betrug 16 m und die Lücke war für eine Dämpfung von 10 dB eingestellt. Ein optisches Dämpfungsglied wurde zwischen die Lücke und den Empfänger eingefügt, um die am Empfänger eintreffende optische Leistung auf 6 dB über der Empfängerempfindlichkeit zu halten.

Der Empfänger war ein Empfänger von Hewlett-Packard, Modell 83442A, der zur Multimodeverwendung mit einem 60 Mikrome­ ter-InGaAs-Detektor und einem Multimode-FC/PC-Eingangsver­ binder modifiziert wurde. Der Empfänger hatte eine -3dB- Bandbreite von 0,9 GHz. Die AC-gekoppelte Empfängerausgabe wurde vor der Erfassung auf 2,0 Volt verstärkt. Die Empfind­ lichkeit des Empfängers war -23 dBm für eine rauschbegrenzte Empfänger-BFR von 10^-9.

Bei dieser Testkonfiguration wurde der SEL mit Öffnung von 25 µm für 16 Stunden ohne einen Fehler betrieben, was eine BFR von weniger als 10^-13 zur Folge hatte. In weiteren Tests wurde die Länge der Faser zwischen dem SEL und der Lücke (die Lücke wurde für eine Dämpfung von 10 dB eingestellt) zwischen 6 und 406 Metern verändert und in jedem derartigen Fall betrug die BFR weniger als 10^-11. Der SEL mit einer Öffnung von 12 µm war ebenfalls in der Lage, eine BFR von weniger als 10^-11 zu erreichen, wobei die Lücke auf etwa 4 dB Dämpfung eingestellt war.

Ein stark gesteuerter SEL mit einem relativ großen Ober­ flächengebiet ("großes Oberflächengebiet" bedeutet eine Oberflächenöffnung, die größer als etwa 8 Mikrometer ist) arbeitet mit mehreren transversalen Moden höherer Ordnung, die sich bei leicht unterschiedlichen Wellenlängen befinden. Wenn die Größe der Öffnung anwächst, wächst auch die maxi­ male Anzahl der transversalen Moden, die erhalten werden können, an. Folglich kann ein SEL mit einer Öffnung von 25 µm mit wesentlich mehr transversalen Moden betrieben werden, als ein SEL mit einer Öffnung von 12 µm.

Wenn die Anzahl der transversalen Moden anwächst, wächst ebenfalls die optische Bandbreite des Lichts, das von dem Laser erzeugt wird, an und die Kohärenz des Lichts nimmt ab.

Fleckensichtbarkeitsmessungen haben gezeigt, daß die Flecken­ sichtbarkeit eines großflächigen SEL geringer ist als die kleinerer SELs.

Trotz dem Betrieb mit mehreren transversalen Moden, arbeitet der großflächige SEL in einem stabilen einzelnen longitudi­ nalen Mode. Ein Longitudinalmode-Partitionsrauschen, das ei­ ne Folge mehrere longitudinaler Moden ist, ist daher bei großflächigen SELs kein wesentliches Problem.

Bei einem Test wurde herausgefunden, daß ein SEL mit einer Öffnung von 25 µm bei einem Steuerstrom, der das 2,3-fache des Schwellenstroms betrug, mit mindestens sechs verschie­ denen transversalen Moden arbeitete. Die spektrale Breite war Δλ = 0,75 nm. Wenn der Steuerstrom ausreichend reduziert wurde, um zu bewirken, daß sich der Laser in Monomodebetrieb begab, war die spektrale Breite Δλ < 0,08 nm. Diese Messung wurde durch die Auflösung des optischen Spektrumanalysators begrenzt, der für diesen Test verwendet wurde. Im Gegensatz dazu wurde herausgefunden, daß ein SEL mit einer Öffnung von 12 Mikrometern bei einem Steuerstrom, der das 1,5fache des Schwellenstroms betrug, monomodig und bei einem Steuerstrom, der das 2,5fache des Schwellenstroms betrug, mit zwei transversalen Moden arbeitete.

Aus dem Gesagten wird offensichtlich, daß ein optisches Nachrichtenübermittlungssystem gemäß der Erfindung in der Lage ist, digitale Daten mit Geschwindigkeiten bis zu und über 1,5 Gigabit pro Sekunde bei sehr geringen Bitfehler­ raten zu übertragen. Die Erfindung bietet ferner die Vor­ teile, wie z. B. leichte Ausrichtung, einfache Verpackung und geringe Kosten, die mit Systemen, die optische Multimode­ medien verwenden, verknüpft sind. Zusätzlich wird erwartet, daß SELs leichter und günstiger herzustellen sind, als an­ dere Laserarten.

Claims (7)

1. Optisches Nachrichtenübermittlungsnetzwerk, das folgende Merkmale aufweist:
einen Oberflächen-emittierenden Vertikalhohlraumlaser (11);
eine Leistungsversorgung (13), die einen Vorspannungs­ strom liefert, um den Laser in einen Multitransversal­ modebetrieb zu steuern, in dem der Laser auf ein Signal, das Daten (19) trägt, anspricht, um ein optisches Sig­ nal, das mit den Daten moduliert ist, zu liefern; und
ein optisches Multimodemedium (25), das optisch mit dem Laser gekoppelt ist, um das optische Signal von dem La­ ser zu einem räumlich entfernt positionierten Empfänger (17) zu übertragen.

2. Netzwerk gemäß Anspruch 1, bei dem das optische Multi­ modemedium eine optische Faser umfaßt.

3. Netzwerk nach Anspruch 1, bei dem das optische Multi­ modemedium (25) einen optischen Wellenleiter umfaßt.

4. Ein Netzwerk nach Anspruch 1, das ferner einen Empfänger (17), der optisch mit dem optischen Medium (25) gekop­ pelt ist, umfaßt, welcher das modulierte optische Signal empfängt und die Daten (21) daraus zurückgewinnt.

5. Ein Netzwerk gemäß einem beliebigen vorhergehenden An­ spruch, bei dem der Laser eine Halbleiterstruktur mit einer Öffnung, die größer als etwa 8 Mikrometer ist, umfaßt, wobei die Öffnung durch ein Element (55), durch welches das modulierte optische Signal emittiert wird, bestimmt ist.

6. Netzwerk nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem der Multitransversalmoden-Betrieb mehr als zwei verschiedene transversale Moden umfaßt.

7. Netzwerk nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Multitransversalmoden-Betrieb eine Mehr­ fach-Filamentbildung umfaßt.