DE60105825T2 - Optische wellenlängenverschiebung - Google Patents

Optische wellenlängenverschiebung Download PDF

Info

Publication number
DE60105825T2
DE60105825T2 DE60105825T DE60105825T DE60105825T2 DE 60105825 T2 DE60105825 T2 DE 60105825T2 DE 60105825 T DE60105825 T DE 60105825T DE 60105825 T DE60105825 T DE 60105825T DE 60105825 T2 DE60105825 T2 DE 60105825T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
frequency
electromagnetic radiation
subband
inter
semiconductor laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE60105825T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60105825D1 (de
Inventor
Christopher Clement East Sheen PHILLIPS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Imperial College of Science Technology and Medicine
Original Assignee
Imperial College of Science Technology and Medicine
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Imperial College of Science Technology and Medicine filed Critical Imperial College of Science Technology and Medicine
Application granted granted Critical
Publication of DE60105825D1 publication Critical patent/DE60105825D1/de
Publication of DE60105825T2 publication Critical patent/DE60105825T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3401—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers
    • H01S5/3402—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers intersubband lasers, e.g. transitions within the conduction or valence bands
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0604—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium comprising a non-linear region, e.g. generating harmonics of the laser frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H01S5/0608—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature controlled by light, e.g. optical switch
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/5054—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30 in which the wavelength is transformed by non-linear properties of the active medium, e.g. four wave mixing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Vorrichtungen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ändern der Wellenlänge von Licht in einer Weise, die zum Beispiel in optischen Fasersystemen nützlich sein kann.
  • Es ist bekannt, Halbleiterdiodenlaser als Laserlichtquellen bereitzustellen, die robust und preisgünstig sind. Solche Halbleiterdiodenlaser werden typischerweise dadurch betrieben, dass sie einen Übergang zwischen dem Valenz- und Leitungsband innerhalb des Halbleitermaterials ausnutzen. Es ist auch bekannt, einen Quantenwall-Halbleiterdiodenlaser einzusetzen, in welchem die Halbleitermaterialzusammensetzung sorgfältig variiert wird, um eine gewünschte Bandlücke in der Weise zu erhalten, dass die Wellenlänge des erzeugten Laserlichts durchgestimmt werden kann.
  • In jüngster Zeit wurde eine Klasse von Halbleiterlasern entwickelt, die als Quantenkaskadenlaser bezeichnet werden. Ein Beispiel solch eines Lasers wird in dem Artikel "Long wavelength infrared (λ = 11 μm) quantum cascade lasers", C. Sirtori, et al. Applied Physics Letters 69 (19), 4. November 1996, Seite 2810, beschrieben. Diese Quantenkaskadenlaser werden dadurch betrieben, dass sie einen Inter-Subband-Übergang innerhalb der Quantenwallstruktur ausnutzen. Die Vorrichtung ist derart beschaffen, dass ein Elektron, welches einem Laserübergang in einem Quantenwall unterworfen wird, zu einem benachbarten Quantenwall durchtunneln kann, wo es energetisch auf dem richtigen Niveau vorliegt, um einem weiteren Laserübergang unterworfen zu werden. Dieses Kaskadenverhalten erlaubt es, die Effizienz des Lasers zu verbessern.
  • Aus dem Artikel "Generation of first-order terahertz optical sidebands in asymmetric coupled quantum wells", C. Philips et al, Applied Physics Letters 75 (18), 1. November 1999, Seite 2728, ist es bekannt, dass eine Quantenwallstruktur mit Licht aus zwei unterschiedlichen Wellenlängen und induzierten Seitenbändern, welche um eine der einfallenden Wellenlängen angeordnet sind, beleuchtet werden kann. Das in diesem Experiment benutzte System setzte einen Ti:Saphir-Laser zusammen mit einem Freie-Elektronen-Laser als Lichtquellen ein. Die Größe und Komplexität dieser Laserquellen schließen es aus, dass sie auf praktische Weise benutzt werden, um die Lichtwellenlänge von einer einfallenden Wellenlänge in eine Seitenband-Wellenlänge zu verschieben.
  • Es besteht ständig Bedarf, die Datenübertragungsfähigkeiten von Kommunikationssystemen zu steigern. Der Einsatz von Kommunikationssystemen auf Basis optischer Fasern hat die verfügbare Bandbreite erheblich gesteigert. Ein Problem bei solchen Kommunikationssystemen auf Basis optischer Fasern ist der Bedarf, Signalumwandlungen von einem optischen Signal in ein elektrisches Signal nur so oft wie absolut notwendig vorzunehmen. Elektrische Signalverarbeitungssysteme, wel che im Stande sind, mit optischen Faser-Kommunikationssystemen Schritt zu halten, sind schwierig herzustellen, teuer, und stellen einen Engpass für die Übertragungsfähigkeiten des Systems dar.
  • Eine gewünschte Manipulation optischer Signale innerhalb eines Kommunikationssystems auf Basis optischer Fasern ist die Wellenlängenverschiebung. Solch eine Wellenlängenverschiebung erleichtert das Wellenlängen-Multiplexing, welche mehr Bandbreite aus einer gegebenen optischen Faserverbindung herausholt. Die Wellenlängenverschiebung durch Empfang eines optischen Signals und seine Konvertierung in ein elektrisches Signal, welches die Erzeugung eines weiteren optischen Signals einer unterschiedlichen Wellenlänge hervorruft, hat jedoch den Nachteil, dass das Signal von einer optischen Form in eine elektrische Form umgewandelt werden muss, und dann zurück in eine optische Form, wie oben beschrieben.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung einer ersten Frequenz v1 in elektromagnetische Strahlung einer zweiten Frequenz v2 bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Inter-Subband-Halbleiterlaser, der derart betreibbar ist, dass er lasert, um elektromagnetische Strahlung einer dritten Frequenz v3 zu erzeugen, und eine Strahlungsführung, die derart betreibbar ist, dass sie die elektromagnetische Strahlung der besagten ersten Frequenz v1 in den Inter-Subband-Halbleiterlaser richtet, wobei der Inter-Subband-Halbleiterlaser und die Strahlungsführung derart ausgebildet sind, dass während des Betriebs die besagte elektromagnetische Strahlung der ersten Frequenz v, und die besagte elektromagnetische Strahlung der dritten Frequenz v3 einer kohärenten Frequenzmischung innerhalb des Inter-Subband-Halbleiterlasers unterliegen, um die elektromagnetische Strahlung der zweiten Frequenz v2 zu erzeugen, wobei v2 = v1 + n × v3 ist, wobei n eine ganze Zahl ungleich Null ist.
  • Die vorliegende Erfindung erkennt, dass ein Inter-Subband-Halbleiterlaser im Stande ist, die Elektronenenergieniveaustruktur bereitzustellen, die erforderlich ist, um eine Wellenlängenverschiebung zusammen mit einem der elektromagnetischen Strahlungsfelder in der Form von Laserlicht dieses Lasers selbst zu erhalten. Entsprechend sind die für die Wellenverschiebung benötigten zusätzlichen Komponenten im Wesentlichen nur die einfallende elektromagnetische Strahlung der ersten Frequenz, welche in den Inter-Subband-Halbleiterlaser eingeführt wird. Dies macht die Wellenlängenverschiebung zu einer praktischen und wirtschaftlichen Möglichkeit und benutzt beispielsweise nur eine einfache Vorrichtung mit zwei Anschlüssen in der Form eines Inter-Subband-Halbleiterlasers. Die Wellenlängenverschiebung erfolgt als ein optischer Prozess ohne die Notwendigkeit ein elektrisches Signal zu konvertieren, und vermeidet Verarbeitungsengpässe, welche mit Umwandlungen in elektrische Signale verknüpft sind. Die Frequenzmischung, welche innerhalb des Inter-Subband-Halbleiterlasers erfolgt, ist ein kohärenter Prozess und passt sich an kohärente Kommunikationssysteme an. Die induzierte Wellenlängenverschiebung ("Kanalseparierung") kann durch Veränderung der Bandlücke des Inter-Subbandes unter Einsatz bekannter Quantenwalltech niken durchgestimmt werden, um den jeweiligen Erfordernissen nachzukommen. Die Wellenlänge kann sowohl vergrößert als auch verkleinert werden, und n kann sowohl positiv als auch negativ sein. Es ist auch möglich, die Seitenbänder mittels Amplitudenmodulation oder Frequenzmodulation zu modulieren, um zusätzlich Informationen auf die optischen Signale zu legen.
  • Es versteht sich, dass der Inter-Subband-Halbleiterlaser verschiedene Formen annehmen kann. Ein Quantenkaskaden-Laser ist jedoch für diesen Einsatz angesichts seiner hohen Effizienz und seiner Fähigkeit, seine Photonenenergie maßzuschneidern, besonders gut geeignet.
  • Ein Problem ist darin zu sehen, dass die Intensität der Seitenbandstrahlung dadurch gemindert werden kann, dass sie innerhalb des Inter-Subband-Halbleiterlasers absorbiert werden kann. Der Anteil von wellenlängenverschobener elektromagnetischer Strahlung, welche aus dem Inter-Subband-Halbleiterlaser austritt, kann dadurch verbessert werden, dass ein Spiegel benutzt wird, um die elektromagnetische Strahlung zurück zum Inter-Subband-Halbleiterlaser reflektieren.
  • Der Spiegel stößt bevorzugterweise an eine Endfläche des Inter-Subband-Halbleiterlasers, und kann die Form eines Mehrschicht-Bragg-Reflektors annehmen, auf welchem der Inter-Subband-Halbleiterlaser ausgebildet bzw. aufgewachsen ist.
  • Die Strahlungsführung, mit der die elektromagnetische Strahlung der ersten Frequenz in den Inter-Subband-Halbleiterlaser gerichtet wird, kann verschiedene unterschiedliche Formen annehmen. Eine besonders gut geeignete Form ist die einer optischen Faser, obwohl geeignete Linsen und freie Übertragungsanordnungen auch möglich wären.
  • Wenn eine optische Faser als Strahlungsführung benutzt wird, ist sie zweckmäßigerweise mit dem Inter-Subband-Halbleiterlaser stoßverbunden und wird benutzt, um die elektromagnetische Strahlung der zweiten Frequenz zu bündeln und auch um die elektromagnetische Strahlung der ersten Frequenz einzuspeisen.
  • Wie vorstehend erläutert, kann beim Inter-Subband-Halbleiterlaser eine Modulation angewendet werden, um die wellenlängenverschobene Strahlung zu modulieren, und zwar sowohl in der Amplitude (einschließlich eines einfachen An und Aus) als auch in der Frequenz. Der Stromfluss durch den Inter-Subband-Halbleiterlaser ändert seinen Brechungsindex, was seinerseits die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung der dritten Frequenz ändert, und folglich auch die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung der zweiten Frequenz.
  • Im Kontext der Frequenzmodulation ist es wünschenswert, dass der Inter-Subband-Halbleiterlaser ein verteiltes Rückkopplungsgitter aufweist, um die dritte Frequenz einzuschränken, wenn diese instabil werden sollte.
  • Während das System über einen beträchtlichen Frequenzbereich betrieben werden kann, sind bevorzugte Frequenzen solche, in denen die elektromagnetische Strahlung der ersten Frequenz im nahen Infrarotbereich liegt, und bei der die elektromagnetische Strahlung der dritten Frequenz Infrarotstrahlung ist.
  • Die Effizienz der Wellenlängenverschiebung wird erheblich gesteigert, wenn die elektromagnetische Strahlung der ersten Frequenz und die elektromagnetische Strahlung der zweiten Frequenz beide im Wesentlichen mit den Elektronenübergängen innerhalb des Inter-Subband-Halbleiterlasers resonant sind.
  • Wie vorstehend erläutert, ist die vorliegende Erfindung besonders hilfreich bei der Bereitstellung eines Multiplexers zum Einsatz in Wellenlängen-Multiplexsystemen, oder für einen Amplituden- oder Frequenzmodulator für optische Signale.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung einer ersten Frequenz v1 in elektromagnetische Strahlung einer zweiten Frequenz v2 bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erzeugen elektromagnetischer Strahlung einer dritten Frequenz v3 mit einem Inter-Subband-Halbleiterlaser, und Richten der elektromagnetischen Strahlung der besagten ersten Frequenz v1 in den Inter-Subband-Halbleiterlaser, wobei im Betrieb die elektromagnetische Strahlung der besagten ersten Frequenz v1 und die elektromagnetische Strahlung der besagten dritten Frequenz v3 einem kohärenten Frequenzmischen innerhalb des Inter-Subband-Halbleiterlasers unterliegen, um die elektromagnetische Strahlung der besagten zweiten Frequenz v2 zu erzeugen, wobei v2 = v1 + n × v3 ist, mit n als einer ganzen Zahl ungleich Null.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die vorhandenen Figuren beschrieben, bei welchen
  • 1 schematisch die Elektronenenergieniveaus und Übergänge innerhalb eines Inter-Subband-Halbleiterlasers veranschaulicht,
  • 2 schematisch die Elektronenenergieniveaus und Übergänge innerhalb eines Quantenkaskaden-Lasers veranschaulicht,
  • 3 einen Inter-Subband-Halbleiterlaser zeigt, der als eine Wellenlängenverschiebungsvorrichtung betrieben wird,
  • 4 drei alternative Arten zeigt, mit welchem Licht in und aus einem Inter-Subband-Halbleiterlaser gekoppelt werden kann,
  • 5 die Eingangs- und Ausgangsspektren zeigt,
  • 6 die beim System angewandte Modulation zeigt,
  • 7 die Effekte der Modulation veranschaulicht, und
  • 8 schematisch ein optisches Kommunikationssystem zum Wellenlängen-Multiplexing veranschaulicht.
  • 1 zeigt die Energienniveaustruktur innerhalb eines Inter-Subband-Halbleiterlasers. Inter-Subband-Laserübergänge erfolgen zwischen den Energieniveaus 2 und 4. Diese ergeben typischerweise Licht einer Wellenlänge von 10 μm. Die Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus 2 und 4 ist EIII, welche zu den Photonenfrequenzen einer dritten Frequenz v3 korrespondieren. Im Betrieb kommt es zu einem Lasern, wenn der Inter-Subband-Halbleiterlaser elektronisch angetrieben wird, weil es einen Elektronenübergang vom Energieniveau 2 zum Energieniveau 4 gibt. Normalerweise bewirken die reflektierenden Endflächen des Lasers, dass die elektromagnetische Strahlung innerhalb des Laserkörpers gefangen wird und sie mehrfach durchläuft, und bedingt eine hohe Intensität der elektromagnetischen Strahlung mit der dritten Frequenz v3.
  • Der Inter-Subband-Halbleiterlaser stellt auch ein Elektronenenergieübergang von einem Energieniveau 6 innerhalb des Valenzbands zu einem Energieniveau 4 innerhalb des Leitungsbands bereit. Dieser Übergang der Energie EI kann typischerweise eine etwa zehnfach höhere Energie aufweisen als der Inter-Subband-Übergang, und kann korrespondierend hierzu eine damit verbundene Wellenlänge von ungefähr 1 μm besitzen. Dieser Energieübergang wird während des normalen Betriebs eines Inter-Subband-Lasers nicht benutzt. Die vorliegende Vorrichtung benutzt diesen Übergang, um eine Frequenzmischung zwischen einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung einer ersten Frequenz, welche an diesen Übergang angepasst ist, mit einer Energie EI und der hoch intensiven elektromagnetischen Strahlung der Energie EIII vom oben beschriebenen Lasern bereitzustellen. Es ist ersichtlich, dass der Inter-Subband-Halbleiterlaser Elektronenübergänge zur Verfügung stellt, die sowohl mit der einfallenden elektromagnetischen Strahlung der Energie EI, als auch mit der lasernden elektromagnetischen Strahlung der Energie EIII resonant sind. Das Ergebnis der Wechselwirkung dieser zwei Frequenzen elektromagnetischer Strahlung innerhalb des Inter-Subband-Halbleiterlasers und der Elektronenenergieniveaustruktur besteht in einer Einkopplung einer gewissen Energie in die elektromagnetische Strahlung der Seitenbänder mit einer zweiten Frequenz v2 korrespondierend zu einem Energieniveau EII. Diese elektromagnetische Strahlung kann bei einer Vielzahl von verschiedenen Seitenbandfrequenzen vorliegen, welche durch EII = EI + nEIII, mit n = ... –2,–1, 1, 2.... repräsentiert wird. Die elektromagnetische Strahlung der zweiten Frequenz v2 und der Energie EII ist wellenlängenverschoben bzgl. der einfallenden elektromagnetischen Strahlung der ersten Frequenz v1 und der Energie EI. Diese Wellenlängenverschiebung ist äußerst wünschenswert und auf andere Art und Weise schwierig zu erreichen. Insbesondere ist die Konvertierung eines Eingangslichts in ein elektrisches Signal und die Erzeugung eines neuen optischen Signals mit einer neuen Wellenlänge eine Alternative, jedoch ist dies ein wesentlich weniger attraktiver Vorschlag. Die ausgegebene elektromagnetische Strahlung mit einer Energie EII ist kohärent mit der einfallenden Strahlung, welches die Möglichkeit für kohärente Kommunikationssysteme und Modulationstechniken eröffnet.
  • Es versteht sich, dass die Effizienz, mit welcher Licht in die Seitenbänder gebracht wird, von den jeweiligen Umständen und dem Maß an nichtlinearer Wechselwirkung abhängen wird. Während die absolute Intensität der wellenlängenverschobenen Strahlung nicht hoch sein mag, ist es eine vergleichsweise einfache Angelegenheit, diese wellenlängenverschobene Strahlung auf eine gewünschte Intensität optisch zu verstärken. Die Zahl der erzeugten Seitenbänder wird auf ähnliche Weise von den jeweiligen Umständen und der Art und Weise, mit der das System angetrieben wird, abhängen. Ein individuelles Seitenband kann für eine bestimmte Wellenlängenverschiebung gewünscht werden, und diese kann durch Benutzung geeigneter Filter ausgewählt werden. Alternativ können einige Modulationstechniken alle erzeugten Seitenbänder benutzen.
  • 2 veranschaulicht die Energieniveaustruktur eines Quantenkaskaden-Lasers. Dieser Quantenkaskaden-Laser kann als eine Form von Inter-Subband-Halbleiterlaser angesehen werden, da er innerhalb jedes Quantenwalls die in 1 gezeigte Struktur bereitstellt. Wenn jedoch ein vorgegebener Inter-Subband-Übergang innerhalb des Quantenkaskaden-Lasers stattgefunden hat, kann das Elektron in einen benachbarten Wall hineintunneln, wo ein weiterer Übergang erfolgen kann. Dies erhöht die Effizienz des Lasers erheblich.
  • 3 zeigt die Bauform eines Inter-Subband-Halbleitertaser 8. Dieser Inter-Subband-Halbleiterlaser 8 ist auf einem Bragg-Spiegel 10 ausgebildet, welcher alternierende Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex besitzt. Ein verteiltes Rückkopplungsgitter 12 befindet sich an einem Ende des Lasers 8, um den Laser auf einen vorgegebenen Bereich von Laserfrequenzen einzuschränken.
  • Im Betrieb wird der Laser 8 angetrieben, um bei der dritten Frequenz v3 zu lasern. Eingangsstrahlung der ersten Frequenz v1 wird in den Laser 8 gerichtet, wo es mit dem Laserlicht der dritten Frequenz v3 wechselwirkt, um die wellenlängenverschobene Strahlung v2 innerhalb der Seitenbänder der einfallenden Strahlung der ersten Frequenz v1 zu erhalten. Diese wellenlängenverschobene Strahlung v2 ist bei einer oder mehreren unterschiedlichen Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache einer Differenz von der Eingangsfrequenz v1 beabstandet sind.
  • 4 zeigt drei alternative Arten, mit welchen Eingangsstrahlung in den Laser 8 verteilt und aus dem Laser 8 zurückgewonnen werden kann. Im Beispiel 4 ist die optische Faser 14 mit dem Laser 8 stoßverbunden, verteilt Licht in den Laser 8, und sammelt die wellenlängenverschobene Strahlung vom Laser 8, nachdem sie vom Bragg-Spiegel 10 reflektiert wurde. Im Beispiel B verteilt eine optische Faser 16 die Eingangsstrahlung in den Laser 8, und wird die wellenlängenverschobene Strahlung (ebenso wie ein beträchtlicher Anteil von einfallender Strahlung) durch eine zweite optische Faser 18 aus dem Laser 8 ausgekoppelt. Beispiel C illustriert den Fall, bei dem einfallende Strahlung durch eine freie Transmission in den Laser 8 verteilt wird, und am entfernten Ende aufgefangen wird. Dies benutzt eine Kombination von optischen Fasern und Linsen. Man wird es zu schätzten wissen, dass andere Lichteinkopplungen und andere Geometrien für die Auskopplung möglich sind.
  • 5 veranschaulicht schematisch die Eingangs- und Ausgangsspektren des Lasers 8. Das einfallende Licht ist die elektromagnetische Strahlung der ersten Frequenz v1. Das Ausgangslicht schließt einen dominierenden Beitrag mit der Eingangsfrequenz v1 zusammen mit verschiedenen Seitenbandkomponenten der wellenlängenverschobenen Frequenzen v2 ein. Diese wellenlängenverschobenen Frequenzen sind mit ganzzahligen Vielfachen der lasernden Frequenz v3 des Lasers 8 von der Eingangsfrequenz v1 entfernt. Das Verteilungsprofil der Intensität der Seitenbänder wird abhängig von den jeweiligen Bedingungen des Antreibens und anderer Eigenschaften des Systems variieren.
  • 6 veranschaulicht, wie die Technik der Erfindung benutzt werden kann, um die Modulation eines optischen Signals zu ermöglichen. Der Laser 8 kann eine einfache Vorrichtung mit zwei Anschlüssen sein, welcher an eine Stromquelle 20 angeschlossen ist, und der durch den Laser 8 hindurchtretende Strom kann moduliert werden, um eine Modulationskontrolle auszuüben. Die Modulation kann das Lasern innerhalb des Lasers 8 auf eine einfache Art und Weise dadurch an- und ausschalten, dass das Licht innerhalb der Seitenbänder ein- und ausgeschaltet wird. Alternativ kann das Licht innerhalb der Seitenbänder in seiner Intensität zwischen nicht verschwindenden Werten moduliert werden, indem der Strom durch den Laser kontrolliert wird, um die Laserlichtintensität zwischen nicht verschwindenden Niveaus zu einzustellen.
  • Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz der Frequenzmodulation des Seitenbandlichts. Wenn sich der Strom durch den Laser 8 ändert, ändert sich der Brechungsindex des Lasers 8. Diese Änderung des Brechungsindexes ändert effektiv die Länge der Kavität des Lasers 8, und verändert so die Wellenlänge des Laserlichts v3. Die Änderung von v3 verändert auch die Frequenzen der Seitenbänder. Entsprechend kann die Modulation des Stroms durch den Laser 8 auch eine Frequenzmodulation des Seitenbandlichts v2 nach sich ziehen. In diesem Fall kann ein verteiltes Rückkopplungsgitter nicht benutzt werden, um die Frequenz v3 einzuschränken.
  • 7 veranschaulicht die verschiedenen Arten der Modulation, die beim Seitenbandlicht der Frequenz v2 angewendet werden können. Eine Amplitudenmodulation, wie z.B. eine einfache An-/Aus-Modulation oder Amplituden-Intensitätsmodulation zwischen nicht verschwindenden Werten, kann bereitgestellt werden. Alternativ können die Frequenzen des Seitenbandlichts v2, wie oben beschrieben, geändert werden, um eine Frequenzmodulation zu erzielen.
  • 8 veranschaulicht schematisch ein einfaches, optisches Kommunikationssystem, welches Wellenlängen-Multiplexing benutzen kann. Das Beispiel benutzt einen langen Abschnitt 22 mit einer hohen Kapazität, und benutzt Licht nahe der Frequenz vLD (zum Beispiel 1,55 μm), welches am besten für die Propagation entlang langer Strecken geeignet ist (zum Beispiel niedrige Absorption und Dispersion). Da dieser lange Abschnitt nur schwer und teuer zu duplizieren ist (zum Beispiel ein Untersee-Kabel), besteht eine Vorgehensweise, um mehr Datenbandbreite herauszuholen, darin, Wellenlängen-Multiplexing in N Kanäle um die Frequenz vLD vorzunehmen. Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung können benutzt werden, um die Wellenlängenverschiebung, welche zum Wellenlängen-Multiplexing im langen Abschnitt benötigen werden, bereitzustellen.
  • Auf einer lokalen Ebene wird möglicherweise weniger Kapazität benötigt, und die Kostenreduzierung des lokalen Systems ist ein wichtigeres Thema. Allgemein ist die Ausstattung zur Übertragung und Manipulierung von Lichtsignalen weniger teuer, wenn das Licht eine kürzere Wellenlänge besitzt (zum Beispiel 0,8 μm oder 1,3 μm). Das Licht innerhalb des langen Abschnitts kann in verschiedene Kanäle separiert werden, indem schmale Linienfilter benutzt werden, und dann die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung benutzt werden, um diese separierten Signale zu Wellenlängen zu verschieben, die besser für die lokalen Übertragungserfordernisse geeignet sind. Während diese Wellenlängenverschiebung durch Transformieren der Lichtpulse des langen Abschnittes in elektrische Signale erreicht werden könnte, bei der dann diese elektrischen Signale benutzt werden, um optische Signale einer anderen Frequenz zu erzeugen, ist dieser Prozess fundamental weniger attraktiv (zum Beispiel preiswerter, flexibel, usw.) als einer, der ausschließlich im optischen Bereich abläuft. Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung die Fähigkeit bereit, die Wellenlänge von optischen Pulsen von einer Wellenlänge, die für die Übertragung bei langen Strecken geeignet ist, zu Wellenlängen, welche für die Übertragung im lokalen Bereich benutzt werden, zu verschieben. Den Multiplexer kann man sich vorstellen, als ob er dazu dient, die Eingangspulse mit der Eingangswellenlänge zu erhalten, und sie in verschiedene Wellenlängekanäle als optische Pulse mit dieser anderen Wellenlänge zu senden. Die wellenlängenverschobenen Pulse bedürfen möglicherweise der Verstärkung, bevor sie entlang ihrer lokalen Pfade übertragen werden, aber eine Verstärkung kann relativ einfach im optischen Bereich zur Verfügung gestellt werden.

Claims (25)

  1. Vorrichtung für das Transformieren elektromagnetischer Strahlung einer ersten Frequenz v1 in elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Frequenz v2, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Inter-Subband-Halbleiterlaser (8), der derart betreibbar ist, daß er lasert, um elektromagnetische Strahlung bei einer dritten Frequenz v3 zu erzeugen, und eine Strahlungsführung (14, 16), die derart betreibbar ist, daß sie die elektromagnetische Strahlung der besagten ersten Frequenz v1 in den Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) richtet, wobei der Inter-Subband-Halbleiterlaser und die Strahlungsführung derart ausgebildet sind, daß während des Betriebs die elektromagnetische Strahlung der ersten Frequenz v1 und die elektromagnetische Strahlung der dritten Frequenz v3 einer kohärenten Frequenzmischung innerhalb des Inter-Subband-Halbleiterlasers (8) unterliegen, um die elektromagnetische Strahlung der zweiten Frequenz v2 zu erzeugen, wobei v2 = v1 + nv3 ist, wobei n eine ganze Zahl ungleich Null ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) ein Quantenkaskaden-Laser ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, die weiterhin einen Spiegel (10) aufweist, der derart betreibbar ist, daß er elektromagnetische Strahlung, die durch die Strahlungsführung (14, 16) in den Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) gerichtet wird, reflektiert, um sie innerhalb des Inter-Subband-Halbleiterlasers (8) zu verteilen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Spiegel (10) an einer Endfläche des Inter-Subband-Halbleiterlasers (8) angrenzt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Spiegel (10) ein verteilter Bragg-Reflektor ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, in der der Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) auf dem Spiegel (10) ausgebildet wird.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem die Strahlungsführung (14, 16) eine optische Faser ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, in der die optische Faser (14, 16) mit dem Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) stoßverbunden ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in dem die elektromagnetische Strahlung der besagten zweiten Frequenz v2 entlang der Strahlungsführung (14, 16) ausgegeben wird.
  10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der die elektromagnetische Strahlung der besagten ersten Frequenz v1 durch den Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) übertragen wird, um mit der elektromagnetischen Strahlung der zweiten Frequenz v2 gemischt hervorzutreten.
  11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, die weiterhin aufweist einen Lasercontroller (20), der mit dem Inter-Subband-Halbleiterlaser gekoppelt ist, und betreibbar ist, um die elektromagnetische Strahlung der besagten dritten Frequenz v3 amplitudenzumodulieren, so daß die elektromagnetische Strahlung der zweiten Frequenz v2 amplitudenmoduliert wird.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, in der der Lasercontroller (20) die elektromagnetische Strahlung der dritten Frequenz v3 durch Steuern des Stroms, der durch den Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) folgt, amplitudenmoduliert.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die weiterhin aufweist einen Lasercontroller (20), der mit dem Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) verbunden ist und derart betreibbar ist, daß er die elektromagnetische Strahlung der dritten Frequenz v3 frequenzmoduliert, um die elektromagnetische Strahlung der zweiten Frequenz v2 zu frequenzmodulieren.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, in der der Lasercontroller (20) die elektromagnetische Strahlung der dritten Frequenz v3 frequenzmoduliert durch Steuern des Stroms, der durch den Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) folgt, um einen Brechungsindex des Inter-Subband-Halbleiterlasers (8) in einer Art und Weise zu ändern, die die dritte Frequenz v3 ändert.
  15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der der Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) ein verteiltes Rückkopplungsgitter (12) beinhaltet, um die dritte Frequenz v3 einzuschränken.
  16. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der die elektromagnetische Strahlung der ersten Frequenz v1 eine Strahlung im nahen Infrarot ist.
  17. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der die elektromagnetische Strahlung der dritten Frequenz v3 Infrarotstrahlung ist.
  18. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der die elektromagnetische Strahlung der ersten Frequenz v1 und die elektromagnetische Strahlung der zweiten Frequenz v2 beide gleichzeitig resonant mit Elektronübergängen innerhalb des Inter-Subband-Halbleiterlasers (8) sind.
  19. Multiplexer für das Wellenlängenmultiplexen von Signalen, die sich entlang einer optischen Faser ausbreiten, wobei der Multiplexer eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist.
  20. Amplitudenmodulator für die Amplitudenmodulation elektromagnetischer Strahlung, wobei der Amplitudenmodulator eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist.
  21. Frequenzmodulator für die Frequenzmodulierung elektromagnetischer Strahlung, wobei der Frequenzmodulator eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist.
  22. Verfahren zum Transformieren elektromagnetischer Strahlung einer ersten Frequenz v1 in elektromagnetische Strahlung einer zweiten Frequenz v2, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer dritten Frequenz v3 mit einem Inter-Subband-Halbleiterlaser (8) und Richten der elektromagnetischen Strahlung der besagten ersten Frequenz v1 in den Inter-Subband-Halbleiterlaser (8), wobei im Betrieb die elektromagnetische Strahlung der besagten ersten Frequenz v1 und die elektromagnetische Strahlung der besagten dritten Frequenz v3 einem kohärenten Frequenzmischen innerhalb des Inter-Subband-Halbleiterlasers (8) unterliegen, um die elektromagnetische Strahlung der besagten zweiten Frequenz v2 zu erzeugen, wobei v2 = v1 + nv3 ist, wobei n eine ganze Zahl ungleich Null ist.
  23. Verfahren des Wellenlängenmultiplexens von Signalen, die sich entlang einer optischen Faser (14, 16) ausbreiten, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet, die in Anspruch 22 beansprucht sind.
  24. Verfahren der Amplitudenmodulation elektromagnetischer Strahlung, wobei das Verfahren die Schritte nach Anspruch 22 beinhaltet.
  25. Verfahren der Frequenzmodulierung elektromagnetischer Strahlung, wobei das Verfahren die Schritte nach Anspruch 22 beinhaltet.
DE60105825T 2000-08-07 2001-07-27 Optische wellenlängenverschiebung Expired - Fee Related DE60105825T2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB0019376 2000-08-07
GB0019376A GB2365620A (en) 2000-08-07 2000-08-07 Optical wavelength shifting by semiconductor intersubband laser
PCT/GB2001/003394 WO2002013344A1 (en) 2000-08-07 2001-07-27 Optical wavelength shifting

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60105825D1 DE60105825D1 (de) 2004-10-28
DE60105825T2 true DE60105825T2 (de) 2005-10-06

Family

ID=9897149

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60105825T Expired - Fee Related DE60105825T2 (de) 2000-08-07 2001-07-27 Optische wellenlängenverschiebung

Country Status (8)

Country Link
US (1) US7081985B2 (de)
EP (1) EP1310024B1 (de)
AT (1) ATE277440T1 (de)
AU (1) AU2001275714A1 (de)
DE (1) DE60105825T2 (de)
ES (1) ES2227242T3 (de)
GB (1) GB2365620A (de)
WO (1) WO2002013344A1 (de)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6788727B2 (en) 2002-06-13 2004-09-07 Intel Corporation Method and apparatus for tunable wavelength conversion using a bragg grating and a laser in a semiconductor substrate
FR2965642B1 (fr) 2010-09-30 2012-10-26 Centre Nat Rech Scient Convertisseur optique de longueur d'onde
US9020350B2 (en) 2011-06-24 2015-04-28 Techsys Insights Optical spectrum recovery
US10670740B2 (en) 2012-02-14 2020-06-02 American Science And Engineering, Inc. Spectral discrimination using wavelength-shifting fiber-coupled scintillation detectors
EP3271709B1 (de) 2015-03-20 2022-09-21 Rapiscan Systems, Inc. Handhaltbares tragbares rückstreuungsinspektionssystem
CN112424644A (zh) * 2018-06-20 2021-02-26 美国科学及工程股份有限公司 波长偏移片耦合的闪烁检测器
US11340361B1 (en) 2020-11-23 2022-05-24 American Science And Engineering, Inc. Wireless transmission detector panel for an X-ray scanner

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04360591A (ja) * 1991-06-06 1992-12-14 Hamamatsu Photonics Kk 波長可変光源装置
FR2736168B1 (fr) * 1995-06-30 1997-07-25 Thomson Csf Convertisseur de frequence comprenant un guide semiconducteur a heterostructure
FR2740271B1 (fr) * 1995-10-20 1997-11-07 Thomson Csf Laser a puits quantique
FR2784514B1 (fr) * 1998-10-13 2001-04-27 Thomson Csf Procede de controle d'un laser semiconducteur unipolaire

Also Published As

Publication number Publication date
EP1310024B1 (de) 2004-09-22
GB2365620A (en) 2002-02-20
US20050073740A1 (en) 2005-04-07
GB0019376D0 (en) 2000-09-27
DE60105825D1 (de) 2004-10-28
ES2227242T3 (es) 2005-04-01
US7081985B2 (en) 2006-07-25
AU2001275714A1 (en) 2002-02-18
EP1310024A1 (de) 2003-05-14
WO2002013344A1 (en) 2002-02-14
ATE277440T1 (de) 2004-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19535809B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen
DE60120176T2 (de) Optischer impulsfolgengenerator
EP0418705A2 (de) Interferometrischer Halbleiterlaser
DE60308244T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Pulszugs mit unterdrücktem Träger und Gitter-Vorrichtung
DE60105825T2 (de) Optische wellenlängenverschiebung
DE602004002135T2 (de) Hohlraumresonator eines zweidimensionalen photonischen Kristalls und Ein-/Auskoppel-Filter für optische Kanäle
EP0597472A1 (de) Optischer Schalter
DE10201126A1 (de) Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
EP3017243B1 (de) Beleuchtungsanordnung mit laser als lichtquelle
DE19602677C1 (de) Verfahren und Schaltungsanordnung zur Frequenzstabilisierung eines WDM-Multiplexers/-Demultiplexers
DE4103071A1 (de) Lichtgesteuerter halbleiterlichtkoppler und -modulator
DE60107088T2 (de) Ein CS-RZ optischer Taktgenerator und ein resynchronisierter optischer Multiplexer, der solch einen Generator enthält
DE102006011953A1 (de) Frequenzvervielfachter Optoelektronischer Oszillator
DE60100777T2 (de) Optischer Wellenlängenkonverter
EP0598855B1 (de) Optisch steuerbarer halbleiterlaser
DE60114267T2 (de) Breitbandiger optischer Verstärker mit freiraum Demultiplexierung
DE60002997T2 (de) Optisches system mit mehreren funktionellen sektoren verbunden durch dämpfungskopplung und herstellungsverfahren
DE60109045T2 (de) Integrierte optische Weglenkungs- und Wellenlängenkonversionsmatrix
DE602004002160T2 (de) Verfahren zur Bildung von einem kodierten RZ oder NRZ Signal
DE19500136A1 (de) Optoelektronisches Bauelement mit axialer Gitterperiodenmodulation
DE10111969A1 (de) Multiplexer zur Realisierung von nicht-äquidistanten Abständen zwischen den Pumpenwellenlängen in Breitband Raman Verstärkern
DE10139804B4 (de) Optischer Modulator und mit einem optischen Modulator integrierte Laserdiode
EP1317032A2 (de) Pumpquelle mit mehreren Pumplasern zur Raman-Verstärkung eines WDM-Signals mit minimierter Vierwellenmischung
DE19500135A1 (de) Optoelektronisches Bauelement mit einem Rückkoppelungsgitter mit axial veränderbarer Korrugationsperiode
DE60129302T2 (de) Vorrichtung zur parametrischen Wellenlängenumwandlung

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee