-
Erfindungsgebiet
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Kommunikationsnetzwerke.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen optischen
Verstärker
mit einer sehr breiten Bandbreite und auf diesen Verstärker enthaltende
optische Kommunikationsnetzwerke.
-
Allgemeiner Stand der
Technik
-
Optische
WDM-Kommunikationsnetzwerke (WDM = Wavelength Division Multiplexed)
unterstützen die Übertragung
einer Anzahl von optischen parallell-laufenden Signalen mit unterschiedlichen
Spitzenwellenlängen
auf einer einzigen optischen Faser. Jedes dieser Signale, die typisch
als Kanal bezeichnet werden, stellt einen unabhängigen Datenstrom dar.
-
1 veranschaulicht
ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines typischen WDM-Netzwerks 100 in
der derzeitigen Technik. Für
den Fachmann ist erkennbar, dass ein typisches optisches WDM-Kommunikationsnetzwerk
noch viele andere Elemente außer
den in 1 veranschaulichten Elementen aufweist. Diese
anderen Elemente sind nicht dargestellt, um die Aufmerksamkeit auf
diejenigen Elemente zu lenken, die von Belang für das Verständnis der vorliegenden Erfindung
sind.
-
Das
WDM-Netzwerk 100 enthält
eine Mehrzahl von Sendern TX-1 bis TX-n, von denen jeder Sender eine
optische Quelle zur Erzeugung eines optischen Signals λ-i, i=1,n
enthält.
Jedes optische Signal λ-i
hat eine eindeutige Spitzenwellenlänge, auf der Information in
gut bekannter Weise moduliert wird. Die Mehrzahl der optischen Signale λ-i bis λ-n wird in
bekannter Weise durch den Wellenlängenmultiplexer 102 zu
einem einzigen „gemultiplexten" Signal m-λ kombiniert.
Dann wird das gemultiplexte Signal m-λ in die optische Faser 104 eingeführt.
-
Die
Knoten 106 und 108 stehen in optischer Kommunikation
mit dem WDM-Netzwerk 100 und dienen zum Empfang des gemultiplexten
Signals m-λ.
Derartige Knoten umfassen Teilnehmerterminals (zum Beispiel Teilnehmerterminals 106-S1
und 108-S1, usw.), die jeweils einen oder mehrere Empfänger (nicht
dargestellt) zum Empfang mindestens eines Teils der auf dem gemultiplexten
Signal m-λ geführten Information
aufweisen.
-
Um
die benötigte
Information an einem individuellen Teilnehmerterminal bereitzustellen,
enthalten die Knoten 106 und 108 typisch ein Mittel,
das den/die Kanäle,
die diese Information führen,
von den anderen Kanälen
des gemultiplexten Signals m-λ trennt
oder die Information aus ihnen entfernt. Abhängig von der Größe des Knotens
(d.h. der Anzahl der Teilnehmerterminals, usw.) kann ein (nicht
dargestelltes) Add/Drop-Filter oder ein Demultiplexer, wie Demultiplexer 110,
geeigneterweise zum Entfernen eines oder mehrerer entsprechender
Kanäle
aus dem gemultiplexten Signal m-λ benutzt
werden. Der/die entfernten Kanäle
werden dann an das/die entsprechenden Teilnehmerterminals geliefert.
-
Das
gemultiplexte Signal m-λ wird
während
der Übertragung über das
WDM-Netzwerk 100 gedämpft. Eine
solche Dämpfung
ist zum Beispiel auf Verluste zurückzuführen, die während der Fortpflanzung des
Signals durch die Wellenleiter (z.B. optische Faser 104)
und beim Durchlauf durch Add-Drop-Filter (nicht dargestellt) oder
Demultiplexer in Netzwerkknoten auftreten. Zur Kompensation der
Signaldämpfung
enthält
das WDM-Netwerk 100 optische Inline-Verstärker 112,
um das gemultiplexte Signal m-λ zusätzlich zu
verstärken.
-
Optische
Verstärker 112 für WDM-Netzwerke
werden typisch als Faserverstärker
implementiert. Bei Faserverstärkern
werden Dotierungsionen durch eine optische Pumpe erregt und dadurch
auf ein höheres
Energieniveau angehoben, auf dem die Verstärkung durch stimulierte Emission
stattfindet. Dotierungsionen sind seltene Erdmetalle wie Erbium,
Praseodym und Neodym. Als Alternative zur Dotierung kann die Verstärkung auch
durch Verwendung von Raman-Streuung bereitgestellt werden. Bei Raman-Streuung
wird ein kleiner Anteil einer einfallenden Frequenz in andere Frequenzen
umgewandelt. Der Effekt kann dazu verwendet werden, Energie von
einem Pumpenlaser auf ein schwaches Signal zu übertragen.
-
Mit
seltenen Erdmetallen dotierte Faserverstärker haben eine optische Bandbreite
von ungefähr
80 Nanometern (nm) (bei 15-30 dB Verstärkung), und Raman-Faserverstärker haben
eine optische Bandbreite von ungefähr 50 nm (bei 10-15 dB Verstärkung).
Solche Bandbreiten werden in manchen Systemen hingenommen oder können geeigneterweise
stückweise,
wie gewünscht,
durch Kombination mehrerer solcher Verstärker verbreitert werden. Jedoch
kann eine kontinuierliche Ultrabreitbandverstärkung, wie sie in zukünftigen
optischen Netzwerken notwendig sein wird, zum gegenwärtigen Zeitpunkt
nicht durch Faserverstärkung
erreicht werden.
-
Eine
weitere Möglichkeit
zur Implementierung eines optischen Verstärkers ist ein Halbleiterverstärker, wobei
die Verstärkung
durch stimulierte Emission von injizierten Trägern bereitgestellt wird. Halbleiterverstärker werden
jedoch typisch nicht in WDM-Systemen eingesetzt, weil sie durch
spektrales Lochbrennen und Vierwellenmischung Quersignalmodulation
induzieren. Diese Effekte können
dadurch vermieden werden, dass die spektralen Komponenten (d.h.
die verschiedenen Wellenlängensignale),
aus denen das gemultiplexte Signal besteht, abgetrennt und an verschiedene Halbleiterverstärker geleitet
werden. Für
eine solche Abtrennung mussten Fasergeräte (zum Beispiel Wellenleiter-Router
usw.) eingesetzt werden. Der Einsatz solcher Geräte erhöht die Signaldämpfung und
erhöht
die Systemkosten.
-
In
der Technik wäre
daher ein Verstärker
von Vorteil, der Ultrabreitbandverstärkung bereitstellt, aber die
Nachteile der derzeitigen Technik vermeidet.
-
In
der US-A-5718226 ist eine photonisch gesteuerte Ultraschallsonde
beschrieben. Ein optisches Mehrwellenlängensignal dient zum Steuern
der Sonde, und in einem Empfangsmodus werden die von der Sonde nachgewiesenen
Ultraschallsignale über
Faseroptik in ein optisches WDM-Signal umgewandelt und anschließend gemultiplext,
bevor sie von einer Bank von Photoempfängern nachgewiesen und die
elektrischen Ausgangssignale jedes der Photoempfänger verstärkt werden.
-
Die
EP-A-0883218 offenbart einen breitbandigen optischen Verstärker mit
einem Demultiplexer zur Aufteilung eines optischen Signals in unabhängige Subbänder.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Offenbart
wird ein Produkt, welches einen Breitbandverstärker umfasst, mit dem die Nachteile
der derzeitigen Technik vermieden werden. Die vorliegende Erfindung
stellt einen breitbandigen optischen Verstärker bereit, umfassend:
ein
erstes Freiraumbeugungsgitter, das zum Empfang eines optischen gemultiplexten
Signals und zur Aufteilung in seine spektralen Komponenten entlang
einer ersten Richtung dient, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin
ein optisches Verstärkungsmittel
mit einer Mehrzahl von benachbarten wellenlängenspezifischen Verstärkungsregionen
umfasst, wobei das Beugungsgitter und das optische Verstärkungsmittel
derart angeordnet sind, dass jede spektrale Komponente des gemultiplexten
Signals räumlich
entlang einer ersten Richtung auf einer anderen wellenlängenspezifischen
Verstärkungsregion
des optischen Verstärkungsmittels
abgebildet wird, wobei jede benachbarte wellenlängen-spezifische Verstärkungsregion
eine selektive Verstärkung
für die
entsprechende spektrale Komponente des darauf einfallenden optischen
gemultiplexten Signals bereitstellt.
-
In
einer Ausführungsform
umfasst der Breitbandverstärker
einen Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer
und ein optisches Verstärkungsmittel.
-
Der
Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer
dient zum Empfang eines gemultiplexten Signals und zum Demultiplexen
in seine spektralen Komponenten. Jede spektrale Komponente ist durch
eine andere Spitzenwellenlänge
gekennzeichnet. Der/die Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer
werden vorteilhafterweise als Beugungsgitter-Demultiplexer/Multiplexer implementiert.
In einer Ausführungsform
wird der Beugungsgitter-Demultiplexer/Multiplexer über eine
Anordnung realisiert, die eine Parallelrichtungs-/Fokussieroptik
und ein ebenes Beugungsgitter enthält.
-
Das
optische Verstärkungsmittel
umfasst eine Mehrzahl von „wellenlängen-spezifischen" Verstärkungsregionen.
In dem hier vorliegenden Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „wellenlängen-spezifisch", dass eine individuelle
Verstärkungsregion
dazu dient, eine Verstärkung
an einen spezifischen, schmalen Bereich von Wellenlängen zu
anzulegen. Eine gegebene Verstärkungsregion
dient vorteilhafterweise zur Verstärkung über einen anderen Wellenlängenbereich
als alle anderen Verstärkungsregionen.
In einigen Ausführungsformen
umfassen die Verstärkungsregionen
optische Halbleiterverstärker.
-
In
manchen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dient der Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer
zur Lieferung jeder spektralen Komponente, als Funktion ihrer Wellenlänge, an
die „entsprechende" wellenlängen-spezifische
Verstärkungsregion.
In dem hier vorliegenden Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „entsprechend", dass die gelieferte
spektrale Komponente durch eine Spitzenwellenlänge gekennzeichnet ist, die
innerhalb des Betriebsbereichs der Verstärkungsregion liegt, die diese
spektrale Komponente empfängt.
Folglich werden die spektralen Komponenten verstärkt. Da spektrale Komponenten
physisch getrennt sind und in physisch getrennten Verstärkungsregionen
verstärkt
werden, wird die guersignalmodulation, die in optischen Halbleiterverstärkern der
derzeitigen Technik vorherrscht, vermieden.
-
Nach
der Verstärkung
werden die spektralen Komponenten wieder gemultiplext. In einigen
Ausführungsformen
wird dies durch Reflektieren der spektralen Komponenten in Richtung
des Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexers/Multiplexers
bewerkstelligt. In einem solchen Fall ist der Pfad, den die verstärkten spektralen
Komponenten durch den Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer nehmen, das
Umgekehrte zu dem Pfad, dem die spektralen Komponenten vor der Verstärkung folgten.
Der Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer
multiplext demnach (erneut) die spektralen Komponenten auf dem Rückweg.
-
In
anderen Ausführungsformen
werden die verstärkten
spektralen Komponenten, anstatt sie in Richtung des Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexers/Multiplexers
zu reflektieren, an einen zweiten Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer
geliefert. Der zweite Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer dient
zum (erneuten) Multiplexen der spektralen Komponenten und Zurückführen des
resultierenden gemultiplexten Signals in einen Wellenleiter zur Übertragung über ein
WDM-Netzwerk. In beiden Fällen
ist die errechnete Version des gemultiplexten Signals, mit Ausnahme
der verliehenen Verstärkung,
identisch zum unverstärkten
ursprünglich
gemultiplexten Signal.
-
Im
Folgenden sollen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt
ein herkömmliches
WDM-Netzwerk.
-
2 zeigt
eine erste illustrative Ausführungsform
eines breitbandigen optischen Verstärkers gemäß der gegenwärtigen Lehren.
-
3 zeigt
eine illustrative Ausführungsform
eines Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexers/Multiplexers
im breitbandigen optischen Verstärker
von 2.
-
4 zeigt
eine illustrative Ausführungsform
eines breitbandigen optischen Verstärkers gemäß der gegenwärtigen Lehren.
-
5 zeigt
die erwartete Leistung des gegenwärtigen breitbandigen optischen
Verstärkers.
-
6 zeigt
anhand eines Plots von Energielücke
zu Emissionswellenlänge
den Betrieb der Verstärkungsregionen
zum Einsatz in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung.
-
7 zeigt
die Emissionswellenlänge
für mehrere
wichtige ternäre
und quartäre
III-V Legierungen.
-
8 zeigt
die Gitterkonstante, die Energielücke und die Emissionswellenlänge für binäre, ternäre und quartäre III-V
Legierungen.
-
9 zeigt
eine Maskenanordnung zur Erzeugung von Verstärkungsregionen durch selektive
Flächenepitaxie.
-
10 zeigt
das Wachstum von Quantentopfmaterial in einer Lücke zwischen den Masken von 9.
-
Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
-
2 zeigt
eine illustrative Ausführungsform
eines Breitbandverstärkers 212 gemäß der gegenwärtigen Lehren.
In der illustrativen Ausführungsform
umfasst der Verstärker 212 den
Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer 214 und
ein optisches Verstärkungsmittel 222,
die, wie dargestellt, miteinander zusammenhängen.
-
Der
Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer 214 dient
zum Empfang eines gemultiplexten Signals m-λ vom Eingangs-/Ausgangs-Wellenleiter
F, der, nicht einschränkend,
aus einer optischen Monomodefaser bestehen kann. Der Demultiplexer/Multiplexer 214 dient
ferner zum Demultiplexen des empfangenen gemultiplexten Signals
in seine einzelnen spektralen Komponenten λ-i, i=1,n (worin n = 4 in der
dargestellten Ausführungsform
ist). Jede spektrale Komponente ist durch eine unterschiedliche
Spitzenwellenlänge
gekennzeichnet.
-
Das
optische Verstärkungsmittel 222 umfasst
eine Mehrzahl von „wellenlängen-spezifischen" Verstärkungsregionen 2241 , i=1,n, (worin n = 4 in der dargestellten
Ausführungsform
ist). Der hier benutzte Ausdruck „wellenlängen-spezifisch" bezieht sich auf
die Tatsache, dass eine individuelle Verstärkungsregion 2241 dazu dient, Verstärkung an ein optisches Signal
mit einer spezifischen Spitzenwellenlänge (genauer gesagt einen schmalen
Bereich von Wellenlängen
dieses Bandes dieser spezifischen Spitzenwellenlänge) anzulegen.
-
Da
jede der vier illustrativen spektralen Komponenten λ-1 bis λ-4 durch
eine unterschiedliche Spitzenwellenlänge gekennzeichnet ist, dient
jede der vier Verstärkungsregionen 2241 bis 2244 vorteilhafterweise
dazu, Verstärkung
an ein unterschiedliches schmales Band von Wellenlängen, welches
eine der Spitzenwellenlängen
enthält,
anzulegen. In einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dient ein Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer 214 dazu,
jede spektrale Komponente λ-i,
als Funktion ihrer Wellenlänge, an
die entsprechende wellenlängen-spezifische
Verstärkungsregion 2241 zu liefern. Folglich werden die spektralen
Komponenten λ-1
bis λ-4
in den jeweiligen Regionen 2241 bis 2244 des optischen Verstärkungsmittels 222 verstärkt.
-
In
der illustrativen Ausführungsform
von 2 sind vier Verstärkungsregionen veranschaulicht,
wie zur Verstärkung
der vier spektralen Komponenten, aus denen sich das gemultiplexte
Signal m-λ zusammensetzt,
wünschenswert
ist. Es versteht sich jedoch, dass in anderen Ausführungsformen
das optische Verstärkungsmittel 222 mehr
als vier wellenlängenspezifische
Verstärkungsregionen 2241 umfasst, wie für eine größere Anzahl von optischen Signalen
wünschenswert
ist. Es versteht sich, dass eine Erhöhung der Anzahl von Verstärkungsregionen
(die jeweils über
einen anderen Wellenlängenbereich
wirksam sind) die Bandbreite des Verstärkers 212 vergrößert. Das
optische Verstärkungsmittel 222 und
die Verstärkungsregionen 224i sind an späterer Stelle in dieser Spezifikation
ausführlicher
beschrieben.
-
Die
führende
Kante des optischen Verstärkungsmittels 222 umfasst
eine in der Technik gut bekannte Antireflektionsschicht 226,
um die Signalkopplungseffizienz zu verbessern. In einigen Ausführungsformen
enthält
die nachlaufende Kante des optischen Verstärkungsmittels 222 einen
Hochreflektionsspiegel 228 (HR). Der HR-Spiegel 228 reflektiert
verstärkte
spektrale Komponenten λ-1
bis λ-4 in Richtung des
Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexers/Multiplexers 214.
Die Herstellung von Antireflektionsschichten und HR-Spiegeln ist für den Fachmann
ohne Weiteres durchführbar.
-
Es
ist gut bekannt, dass bei Umkehrung der Signalfortpflanzung (Richtung)
durch einen Demultiplexer der Demultiplexer Signale multiplext.
Das heißt,
der Demultiplexer wird zu einem Multiplexer. Folglich werden verstärkte spektrale
Komponenten λ-1
bis λ-4
während
ihrer Fortpflanzung durch den Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer 214 in
Richtung des Eingangs-/Ausgangs-Wellenleiters F erneut gemultiplext. Abgesehen
von der angelegten Verstärkung
ist die errechnete Version des Signals m-λ identisch mit dem ursprünglich gemultiplexten
Signal.
-
In
den dargestellten Ausführungsformen
ist der Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer 214 als
Beugungsgitter-Demultiplexer/Multiplexer implementiert. In einer
in 3 dargestellten Ausführungsform enthält ein Breitbandverstärker einen
Beugungsgitter-Demultiplexer/Multiplexer,
der mit Hilfe von Parallelrichtungs-/Fokussieroptik 316 und
einem ebenen Beugungsgitter 318 realisiert ist, und dessen
Betrieb im Folgenden beschrieben wird. Der Fachmann wird erkennen,
dass der Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer 214 nicht
nur als Beugungsgitter-Demultiplexer/Multiplexer, sondern auch auf
andere Weise implementiert werden kann, und dass ein Beugungsgitter-Demultiplexer/Multiplexer
in einer anderen Weise als mit einer Parallelrichtungs-/Fokussieroptik 316 und
einem ebenen Beugungsgitter implementiert werden kann. Derartige
andere Implementierungen dieser Art können in anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
wie angebracht eingesetzt werden.
-
Wie
in 3 dargestellt, wird das gemultiplexte Signal m-λ über die
Eingangs-/Ausgangsfaser F an die Parallelrichtungs-/Fokussieroptik 316 geliefert.
Das gemultiplexte Signal m-λ wird über die
Optik 316 parallel gerichtet, die, nicht einschränkend, eine
Gradientenlinse (GRIN = graded index lens), eine Kugellinse und eine
Formlinse (zum Beispiel eine Spritzgusslinse) sein kann. In einer
Ausführungsform
ist die Optik 316 eine Viertelteilungs-GRIN-Linse, bekanntlich
die kürzeste
GRIN-Linse, die ein optisches Signal weitgehend parallel richten
kann.
-
Das
parallel gerichtete gemultiplexte Signal m-λ wird von einem Beugungsgitter 318 empfangen,
welches eine optische Oberfläche
ist, die Licht reflektiert. Die Oberfläche des Beugungsgitters 318 umfasst
eine große
Anzahl von Rillen 320, die zur Beugung des einfallenden
Lichts dienen. Wie gut bekannt, besitzt das Beugungsgitter 318 die
Eigenschaft, mit der Wellenlänge
des Lichts verwandetes Licht in eine Richtung zu beugen. Wenn somit
ein einfallender Strahl, der mehrere Wellenlängen umfasst (zum Beispiel
das gemultiplexte Signal m-λ),
von Gitter 318 weggebogen wird, werden seine verschiedenen
spektralen Komponenten (zum Beispiel λ-1 bis λ-4) voneinander getrennt. Der
Fachmann wird fähig
sein, ein Gitter 318 zu entwerfen und herzustellen, indem
er gut bekannte Beziehungen zur Bestimmung von Beugungsordnungswinkeln,
Dispersion, Beugungsgitterauflösung
und andere Parameter dieser Art verwendet. Siehe J.P.Laude, Wavelength Division
Multiplexing, Prentice Hall International Series in Optoelectronics,
1993, Seite 37-52.
-
Räumlich getrennte
spektrale Komponenten λ-1
bis λ-4
des gemultiplexten Signals m-λ werden
von der Optik 316 empfangen. Da die spektralen Komponenten λ-1 bis λ-4 beim Wegbeugen
vom Beugungsgitter 318 parallel gerichtet bleiben, werden
sie durch Optik 316 auf eine Oberfläche fokussiert, die an der
Fourier-Ebene FP (d.h. der hinteren Brennebene einer Linse) angeordnet
ist. Siehe Goodman, Introduction to Physical Optics, Chapter 5, „Fourier
Transforming and Imaging Properties of Lenses," (McGraw-Hill, 1968), wo die mathematische
Behandlung beschrieben ist. Da die spektralen Komponenten räumlich voneinander
getrennt sind, liegt der Brennpunkt jeder spektralen Komponente λ-1 bis λ-4 an einem
anderen Ort der Fourier-Ebene FP. Das heißt, der Ort des Brennpunktes
für die
spektrale Komponente λ-1
ist relativ zu den anderen spektralen Komponenten seitlich verschoben.
-
In
den in 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen
ist der Eingang und Ausgang zum optischen Verstärkungsmittel 222 vorteilhafterweise
an der Fourier-Ebene FP angeordnet. Ferner sind die verschiedenen
wellenlängen-spezifischen
Verstärkungsregionen 224i auf den Ort des Brennpunkts (an der
Fourier-Ebene FP) der verschiedenen spektralen Komponenten λ-i ausgerichtet.
Des Weiteren ist jede Verstärkungsregion 224 so
angeordnet, dass sie eine spektrale Komponente λ-i empfängt, die eine Spitzenwellenlänge aufweist,
die in ihren Betriebsbereich fällt.
Somit empfängt
jede Verstärkungsregion 224 durch
die Wirkung des Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexers/Multiplexers 214,
mit hoher Kopplungseffizienz, eine spektrale Komponente λ-i, die eine
Wellenlänge
aufweist, die innerhalb ihres Betriebsbereichs liegt.
-
Der
in 2 und 3 dargestellte Breitbandverstärker 212 arbeitet
im Reflektionsmodus, wobei aufgrund von HR Spiegel 228 die
spektralen Komponenten sowohl vor als auch nach der Verstärkung den
gleichen Pfad (aber in entgegengesetzten Richtungen) durch die gleichen Elemente
nehmen. In einer weiteren Ausführungsform
gemäß den gegenwärtigen Lehren
arbeitet der Breitbandverstärker 412,
wie in 4 dargestellt, im Übertragungsmodus.
-
Der
in 4 dargestellte Breitbandverstärker 412 umfasst einen
ersten Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer 414A,
ein optisches Verstärkungsmittel 422 und
einen zweiten Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer 414B.
Der erste Demultiplexer/Multiplexer 414A demultiplext das
vom Wellenleiter IW empfangene gemultiplexte Signal m-λ und liefert
die spektrale Komponente λ-i,
i=1,n an das optische Verstärkungsmittel 422 in
der gleichen Weise, wie für
Verstärker 212 beschrieben.
Ein HR-Spiegel an der nachlaufenden Kante jeder optischen Verstärkungsregion 424i des optischen Verstärkungsmittels 422 ist
nicht vorhanden, so dass die spektralen Komponenten von dort zum
zweiten Demultiplexer/Multiplexer 414B laufen. In einigen
Ausführungsformen
ist eine zweite Antireflektionsschicht 428 an der nachlaufenden
Kante der optischen Verstärkungsregionen 424i angeordnet. Der zweite Demultiplexer/Multiplexer 414B multiplext
erneut die spektralen Komponenten zu einem einzigen gemultiplexten
Signal und koppelt dieses an den Ausgangswellenleiter OW.
-
Somit
führen
der erste Demultiplexer/Multiplexer 414A und der zweite
Demultiplexer/Multiplexer 414B von illustrativem Breitbandverstärker 412 keine
Doppelfunktion aus, wie es bei Demultiplexer/Multiplexer 214 von
Verstärker 212 der
Fall ist. Genauer gesagt demultiplext der erste Demultiplexer/Multiplexer 414A von
Verstärker 412 das
gemultiplexte Signal m-λ,
und der zweite Demultiplexer/Multiplexer 414B von Verstärker 412 multiplext
die spektralen Komponenten λ-i,
i=1,n. Es versteht sich jedoch, dass in mindestens einigen Ausführungsformen
der erste Demultiplexer/Multiplexer 414A die Fähigkeit
zu multiplexen besitzt, und der zweite Demultiplexer/Multiplexer 414B die
Fähigkeit
zu demultiplexen besitzt. Diese alternative Funktion wird nicht durchgeführt, weil
das/die Signale diese Komponenten nur im Hinlauf passieren.
-
Die
ersten und zweiten Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer 414 könnten geeigneterweise
so wie die Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer 214 von
Verstärker 212 implementiert
werden (zum Beispiel als Beugungsgitter-Demultiplexer/Multiplexe).
-
Die
erwartete Leistung für
die illustrativen Breitbandverstärker 212 und 412 ist
in 5 veranschaulicht, die ein Plot SG der Signalverstärkung in
dB gegenüber
der Wellenlänge
zeigt. Wie in 5 dargestellt, wird eine im
Wesentlichen einheitliche Verstärkung über einen
breiten Bereich von Wellenlängen
erhalten. Optische Verstärker
werden typisch vom einem externen Stimulus (zum Beispiel Strominjektion
usw.) getrieben. Da sich das Verstärkungsprofil jeder Verstärkungsregion 224i vom Verstärkungsprofil jeder anderen
Verstärkungsregion 224i unterscheidet, ist der externe Stimulus
für jede
Verstärkungsregion
entsprechend anzupassen (durch empirische Verfahren), um die in 5 dargestellte „flache
Wiedergabe" bereitzustellen.
-
In
einigen Ausführungsformen
umfasst jede Verstärkungsregion 224i einen optischen Halbleiter-Verstärker. In
einem optischen Halbleiter-Verstärker
wird die Verstärkung
durch elektronische Übergänge vermittelt.
Insbesondere erzeugen unter externem Stimulus, typisch Strominjektion,
stehende elektronische Übergänge Photone
durch stimulierte (oder spontane) Emission. Stimulierte Emission
tritt auf, wenn ein durch den Halbleiter sich fortpflanzendes Photon
ein Elektron auffordert, einen Übergang
durchzumachen und ein zweites, mit dem ersten identisches Photon
zu emittieren. Ein einziges erzeugtes Photo kann eine signifikante
Anzahl von Clones nach sich ziehen, so dass das durch das Halbleiter-Material
sich fortpflanzende optische Feld an Intensität (zum Beispiel durch Verstärkung) zunimmt.
-
Die
Wellenlänge
der emittierten Photone wird mit „Emissionswellenlänge" (Spitzenwellenlänge) des Halbleiterverstärkers bezeichnet.
Die Verstärkung
des optischen Signals wird über
einen schmalen Bereich, ungefähr
die Wellenlänge
der Spitzenemission, angelegt. Die Emissionswellenlänge wird
durch die dominanten optischen Übergänge bestimmt,
die im Halbleitermaterial auftreten. In einem „Bulk" Halbleiter sind die dominanten Übergänge solche
vom Leitungsband zum Valenzband. Der Energieunterschied zwischen
den Leitungsband-Mindestwerten und den Valenzband-Höchstwerten ist die „Energiebandlücke" oder einfach die „Bandlücke" eines Halbleitermaterials.
-
Für Quantentopfmaterial
ist die Emissionswellenlänge
eine Funktion der Bandlücke
und auch eine Funktion einer Energieverteilung, die mit "Quantum Confinement
Energy (Quantenbegrenungsenergie)" bezeichnet wird. „Quantum Confinement Energy" ist ein Maß für die Energiedifferenz
für Übergänge zwischen zwei
Quantentopf-Subbändern. „Quantum
Confinement Energy" ist
eine Funktion der Quantentopf-Breite. Mit Bezug auf „Bulk" Halbleiterverstärker gestatten
Quantentopf-Verstärker ein
genaueres Tuning (Feinabstimmen) der Emissionswellenlänge.
-
Somit
wird in einigen Ausführungsformen
jede Verstärkungsregion 224i durch eine eindeutige Energielücke gekennzeichnet.
Folglich emittiert eine gegebene Verstärkungsregion 224i Photone mit einer Spitzenemissionswellenlänge, die
sich von jeder anderen Verstärkungsregion
unterscheidet. Diese Betriebsweise ist bildhaft in 6 dargestellt,
welche die Energielücken
EG-1 bis EG-4 zeigt, die charakteristisch für das die betreffenden Verstärkungsregion 2241 bis 2244 umfassende
Halbleitermaterial sind.
-
Jede
Verstärkungsregion 224i stellt ein akzeptables Verstärkungsniveau
(zum Beispiel mindestens 15 dB) über
ein schmales Band von Wellenlängen
WR-i (zum Beispiel 10-30 Nanometer) bereit. Zum Beispiel stellt
die Verstärkungsregion 2241 ein akzeptables Verstärkungsniveau
für Wellenlängen im
Bereich WR-1 bereit, usw. Insofern als eine spektrale Komponente λ-i in den
Betriebsbereich einer Verstärkungsregion 224i fällt, verstärkt diese
Verstärkungsregion
diese bestimmte spektrale Komponente. Zum Beispiel fällt die
Wellenlänge der
spektralen Komponente λ-1
in den Bereich WR-1, so dass die spektrale Komponente λ-1 durch
Verstärkungsregion 2241 verstärkt wird.
-
Das
Verstärkungsmittel 222 kann
auf mannigfaltige Art geformt werden. Zum Beispiel umfasst das Verstärkungsmittel 222 eine
Schar diskreter Halbleiter-Chips,
wobei jedes Chip als eine oder mehrere der Verstärkungsregionen fungiert. In
anderen Ausführungsformen
ist das Verstärkungsmittel 222 aus
einem einzigen Chip geformt.
-
Das/die
Chips umfassen optische Verstärker
und Wellenleiter einer gut bekannten Struktur, die in gut bekannter
Weise geformt sind (zum Beispiel unter Einsatz von molekularer Strahlen-Epitaxie,
metallorganischer Dampfphasen-Epitaxie, usw.), wobei entweder „Bulk" Halbleitermaterial
oder Quantentopfmaterial verwendet wird. Siehe zum Beispiel H.P.
Zappe, „Introduction
to Semiconductor Integrated Optics," Artech House, Inc., 1995, Kapitel 8,
9.
-
Jede
Verstärkungsregion
umfasst ein Halbleitermaterial mit einer Emissionswellenlänge, die
für das Verstärken des/der
empfangenen Signale angebracht ist. Der Halbleiter ist typisch eine
III-V Legierung. Zum Beispiel wird die quartäre Legierung In1-xGaxAsyP1-y (Wachstum
in InP) vorteilhafterweise zur Verstärkung von Signalen mit Telekommunikationswellenlängen (zum
Beispiel 1300 und 1550 Nanometer) usw. verwendet.
-
Durch Ändern der
Zusammensetzung einer III-V Legierung ändert sich die Energielücke und
die Brechungszahl.
-
Somit
kann durch regionale Variierung der Zusammensetzung einer III-V
Legierung, die auf dem Substrat abgelagert wird, eine Region zur
optischen Verstärkung
und eine andere Region als Wellenleiter benutzt werden. Ferner können viele
optische Verstärker,
die jeweils durch eine andere Energielücke und somit eine andere Emissionswellenlänge gekennzeichnet
sind, auf einem Substrat gebildet werden.
-
7 zeigt
ein Plot der Emissionswellenlängenbereiche
für mehrere
wichtige ternäre
und quartäre III-V
Materialien, wie im folgenden angeführt:
Legierung
Nr. | Legierung |
702 | In1-xGaxAsyP1-y |
704 | GaAsxSb1-x |
706 | InAsxP1-x |
708 | (AIxGa1-x)In1-yAs |
710 | AIxGa1-xAs |
712 | GaAs1-xPx |
714 | InxGa1-xAs |
716 | (AIxGa1-x)yIn1-yP |
-
8 zeigt
ein vollständigeres
Plot binärer,
ternärer
und quartärer
III-V Legierungszusammensetzungen sowie die Energielücke, die
Gitterkonstante und die Emissionswellenlänge für solche Zusammensetzungen.
-
Region
1 stellt die quartäre
Legierung GaxIn1-xAsyP1-y und Region II die quartäre Legierung GaxIn1-xAsySb1-y dar.
-
Für den Fachmann
wird es ohne Weiteres möglich
sein, eine geeignete III-V Legierung mit entsprechender Zusammensetzung
auszuwählen,
um Verstärkungsregionen
und Wellenleiterregionen zum Einsatz in Verbindung mit der vorliegenden
Erfindung unter Einsatz der in 7 und 8 enthaltenen
Information und anderer sofort verfügbarer Referenzen zu bilden.
Siehe H.P. Zappe oben, Kapitel 4: siehe auch Swaminathan und Macrander, „Materials
Aspects of GaAs und InP Based Structures," Prentice Hall, 1991, Kapitel 1.
-
Die
verschiedenen Verstärkungsregionen
und Wellenleiterregionen können über sogenannte „Ätz- und
Neuwachsverfahren" gebildet
werden. Bei solchen Verfahren werden die epitaktischen Schichten,
die zur Bildung einer ersten Verstärkungsregion mit einer ersten
Energielücke
erforderlich sind, über
das ganze Substrat hinweg gebildet. Die Bedingungen (zum Beispiel
Temperatur, Druck und Quellenmaterialien) die für das Wachstum benutzt werden,
werden so ausgewählt,
dass das Material, das abgelagert wird, die benötigten Eigenschaften aufweist.
Diese Schichten werden dann dort maskiert, wo die erste Verstärkungsregion
gebildet werden soll, und nicht maskierte Regionen werden durch Ätzen entfernt.
Nach dem Ätzen
werden, wie erforderlich, Schichten entsprechend einer zweiten Verstärkungsregion
oder einer Wellenleiterregion gebildet. Der Prozess des „Ätzens und
Neuwachsens" wird
wie erforderlich wiederholt, um Strukturen zu bilden, die zur Erreichung
der gewünschten
photonischen Operationen geeignet sind.
-
In
einigen Ausführungsformen
werden die verschiedenen Verstärkungsregionen 224i und
Wellenleiterregionen vorteilhafterweise unter Einsatz eines Verfahrens,
genannt „selektives
Wachstum" oder „selektive Flächenepitaxie", gebildet. Bei Einsatz
von selektiver Flächenepitaxie
kann die Energielücke
des Halbleitermaterials in der gleichen Ebene mit einem einzelnen
Wachstumsschritt variiert werden, im Gegensatz zu mehreren Wachstumsschritten,
wie bei den „Ätz- und
Neuwachsverfahren".
Somit können
die Schichten, die die verschiedenen Verstärkungsregionen 2241 bis 2244 darstellen,
gleichzeitig gebildet werden.
-
Bei
Einsatz von selektiver Flächenepitaxie
zum Wachsen des Materials wird eine „Maskierungsschicht", die typisch ein
dielektrisches Material umfasst (zum Beispiel Siliziumoxid, Siliziumnitrid,
usw.), auf einem Substrat abgelagert. Die Maskierungsschicht weist
ein Muster aus Streifen oder Masken auf, die mit Abstand voneinander
angeordnet sind. Das Quellenmaterial zum Bilden der epitaktischen
Schichten, wie Indium, Gallium, Arsen und Phosphor, wird typisch
mit Hilfe von MOVPE-Verfahren (metallorganische Dampfphasen-Epitaxie-Verfahren) aufgebracht.
-
Das
aus der Dampfphase ankommende Quellenmaterial wächst epitaktisch in Regionen,
wo die Maske offen ist (d.h. das Substrat unbedeckt ist). Auf der
Maske selbst landendes Quellenmaterial nukleiert nicht sofort. Vorausgesetzt,
Temperatur und Maskenbreite stimmen, tritt das auf der Maske landende
Quellenmaterial zur Hauptsache wieder in die Dampfphase ein und
verteilt sich, um aufgrund des lokalen Konzentrationsgradienten
auf einer nicht maskierten Region zu landen.
-
Verglichen
mit einem vollständig
unmaskierten Substrat ist das Quantentopf-Wachstum, das in der Lücke für InGaAs-Epischichten
wie auch für
InGaAsP-Epischichen auftritt, dicker und enthält mehr Indium. Dieser Effekt
beruht auf den relativen Streuungskoeffizienten von Indium und Gallium
bei typischen MOVPE-Wachstumsbedingungen.
Während
die Quantentopfschichten dicker werden, treten Änderungen im „Quantum
confined Stark Effekt" auf,
die ein Quantentopfmaterial mit größerer Wellenlänge (kleinere
Energielücke)
ergeben. Somit werden aufgrund des Quantengrößeneffekts und der Änderung
in der Legierungszusammensetzung die Quantentöpfe in der Lücke in niedrigere
Energielücken
als weit von der Maske entfernte Regionen verschoben. Durch Variierung
des Verhältnisses
von Maskenbreite zu Lücke
(Breite) kann die Zusammensetzung, und somit die Energielücke des
Quantentopfmaterials, variiert werden.
-
Zur
Formung des Verstärkungsmittels 222 wird
somit eine Maskierungsschicht abgelagert und in eine Mehrzahl von
Masken M-i aufgeteilt, von denen acht Masken M-1 bis M-8 in 9 dargestellt
sind. Die Masken M-1 und M-2, die durch Lücke G-1 getrennt sind, definieren
das Maskenpaar MP-1, und die Masken M-3 und M-4, die durch Lücke GP-2
getrennt sind, definieren das Maskenpaar MP-2. Die Masken M-5 und M-6, die durch
Lücke G-3
getrennt sind, definieren das Maskenpaar MP-3, und die Masken M-7 und M-8, die durch
Lücke GP-4
getrennt sind, definieren das Maskenpaar MP-4. Das in den Lücken G-1
bis G-4 gebildete Quantentopfmaterial bildet Verstärkungsregionen 2241 bis 2244 .
-
Die
Masken, die jedes Maskenpaar definieren, sind durch eine Breite
MW-j gekennzeichnet. Die Maskenbreite MW-j nimmt wie folgt zu :
MW-1 < MW-2 < MW3 < MW4 . Während die
Maskenbreite MW-j zunimmt, erhöht
sich die Quantentopf-Wachstumsrate in der Lücke. Regionen, in denen eine
relativ erhöhte
Wachstumsrate auftritt, weisen relativ dickere Quantentöpfe auf.
Dieses Phänomen
ist in 10 dargestellt, wobei QW-1 < QW-2 < QW-3 < QW-4. Wie an früherer Stelle
angegeben, sind relativ dickere Quantentöpfe durch relativ größere Emissionswellenlängen gekennzeichnet.
Auf diese Weise wird eine Mehrzahl von Verstärkungsregionen 2241 bis 2244 geformt,
von denen jede eine spezifische Emissionswellenlänge aufweist, die sich von
der Emissionswellenlänge
aller anderen Verstärkungsregionen
unterscheidet. Zur Klarheit der Darstellung ist nur ein Quantentopf
in dem Material dargestellt, das in jeder der Lücken G-1 bis G-4 wächst. Der
Fachmann wird erkennen, dass für
die illustrative Kommunikationsanwendung (d.h. ein WDM-Netzwerk)
die Verstärkungsregionen
typisch zwischen ca. drei bis ca. zehn Quantentöpfe umfassen.
-
Wie
an früherer
Stelle beschrieben, werden benachbarte spektrale Kanäle aufgrund
der Wirkung des Freiraum-Wellenlängen-Demultiplexers/Multiplexers 214 am
Verstärkungsmittel 222 physisch
getrennt. Somit empfängt
die Region zwischen den benachbarten Verstärkungsregionen 2241 bis 224i+1 keine
der demultiplexten spektralen Komponenten. Diese Regionen sind daher
vorteilhafterweise für
die spektralen Komponenten λ-i
optisch opak. Dies kann durch entsprechende Einstellung der Maskenbreite
erzielt werden, oder, je nach Bedingungen, dadurch, dass diese Regionen
in bekannter Weise unmaskiert bleiben.
-
Wie
der Fachmann erkennen wird, kann es vorteilhaft sein, eine (nicht
dargestellte) Leitschicht unter den Verstärkungsregionen 224i abzulagern. Eine derartige Leitschicht
stellt Wellenleitung in vertikaler Richtung bereit. Somit wird in
einigen Ausführungsformen
eine Leitschicht einer III-V Legierung, wie ein Indium-Gallium-Arsen-Phosphor,
geeigneterweise auf einem Substrat abgelagert, bevor die Maskierungsschicht
abgelagert wird. Die Leitschicht wird unter Einsatz von zum Beispiel
MOVPE abgelagert. Eine homogene „Bulk"-Schicht
entsprechender Dicke und Brechungszahl wäre ebenfalls als Leitschicht
geeignet.
-
Auf
der Leitschicht wird vorteilhafterweise eine zusätzliche Schicht abgelagert.
Eine derartige Schicht diktiert den „Mode Confinement Factor" des Wellenleiters.
Die zusätzliche
Schicht kann jede beliebige Legierungszusammensetzung sein, die
eine niedrigere Brechungszahl als die Leitschicht hat. In einer
Ausführungsform
umfasst die zusätzliche
Schicht undotiertes Indiumphosphid.
-
Dem
Fachmann wird es möglich
sein, ein Verstärkungsmittel 222,
wie oben beschrieben, mit Hilfe von selektiver Flächen-Epitaxie
herzustellen. Siehe U.S. Pat. Nr. 5 418 183; Joyner et al., „Extremely
Large Band Gap Shifts for MQW Structures by Selective Epitaxy on
SiO2 Masked Substrates," IEEE Phot. Tech. Letts. 4(9), (Sept.
1992), Seite 1007-1009; Eckel et al., „Improved Composition Homogeneity
During Selective Area Epitaxy of GaInAs Using a Novel In Precursor," Appl. Phys. Letts.,
64(7), (Feb. 1994), Seite 8564-856; Kato et al., „DFB-LD/Modulator
Integrated Light Source by BandGap Energy Controlled Selective MOVPE," Elect. Letts., 28(2),
(Jan. 1992), Seite 153-154; Thrush et al., „Selective and Non-Planar
Epitaxy of InP, GaInAs and GaInAsP Using Low Pressure MOCVD," J. Cryst. Growth,
v. 124, (1992) Seite 249-254; Zirngibl et al., „Digitally Tunable Laser Based
on the Integration of a Waveguide Grating Multiplexer and an Optical
Amplifier," IEEE Phot.
Tech. Letts., 4(6), (Apr. 1994), Seite 516-518.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
wird als Alternative zu selektiver Flächen-Epitaxie Quantentopf-Vermischung
benutzt, um eine Mehrzahl von Verstärkungsregionen mit unterschiedlicher
Emissionswellenlänge
bereitzustellen. Quantentopf-Vermischung stellt eine selektive Verschiebung
der Emissionswellenlänge
durch gesteuerte Interdiffusion der Quantentöpfe nach dem Wachstum bereit.
Diese Technik wird auch als „Compositional
Disordering" bezeichnet.
Siehe H.P. Zappe, wie oben angegeben, Seite 332-334.
-
Wie
angebracht, können
verbesserte optische Kommunikationsnetzwerke entsprechend der gegenwärtigen Lehren
geeigneterweise einen „breitbandigen" Vorverstärker, einen „breitbandigen" Inline-Verstärker und
einen „breitbandigen" Nachverstärker enthalten.
Diese „breitbandigen" Verstärker werden
sämtlich
gemäß den illustrativen
erfindungsgemäßen Ausführungsformen
konfiguriert.
-
Es
versteht sich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen lediglich zur
Veranschaulichung der Erfindung dienen, und dass der Fachmann viele
Variationen erstellen kann, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung
innerhalb des Geltungsbereichs der folgenden Ansprüche abzuweichen.