DE60129302T2

DE60129302T2 - Vorrichtung zur parametrischen Wellenlängenumwandlung

Info

Publication number: DE60129302T2
Application number: DE60129302T
Authority: DE
Inventors: Marco Romagnoli; Luciano Socci; Raffaele Corsini; Michele Midrio
Original assignee: Pirelli and C SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2001-05-01
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2021-05-02
Also published as: EP1255158B1; DE60129302D1; ATE366950T1; EP1255158A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Durchführen eines parametrischen Prozesses mit einer periodischen, photonischen Kristallstruktur.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine optische Kommunikationsleitung und ein optisches Kommunikationssystem mit einer solchen Vorrichtung.
Ein parametrischer Prozess ist ein typischer Prozess von Materialien, welche eine χ₂- oder χ₃-Nichtlinearität besitzen, bei welcher elektromagnetische Strahlungen an vorbestimmten Frequenzen, die sich in solchen Materialien ausbreiten, miteinander Wechselwirken, um elektromagnetische Strahlungen zu erzeugen, welche andere Frequenzen aufweisen als jene, die sie erzeugt haben (Amnon Yariv, „Optical Electronics", dritte Auflage, 1985, HOLT, REINHART und WINSTON, Seiten 227–236).
Z. B. ist ein parametrischer Prozess ein Prozess, bei dem eine Pumpstrahlung mit einer Frequenz ω_p, die sich in einem nichtlinearen Material ausbreitet und dabei mit einer Signalstrahlung mit der Frequenz ω_s wechselwirkt, eine Strahlung mit einer Frequenz ω_g erzeugt.
Typische parametrische Prozesse sind der Prozess zur Erzeugung der Differenzfrequenz, bei dem ω_g = ω_p – ω_s, der Prozess zur Erzeugung der Summenfrequenz, bei dem ω_g = ω_p + ω_s, der Prozess zur Erzeugung einer zweiten oder dritten harmonischen Oberschwingung (Frequenzverdopplung oder – verdreifachung), bei dem ω_g = 2ω_p bzw. ω_g = 3ω_p ist, und der bekannte Four-Wave-Mixing-(FWM)-Prozess.
Damit ein parametrischer Prozess effizient ist, muss eine Bedingung erfüllt sein, die als Phase-Matching (Phasenanpassung) bekannt ist.
Jedoch ist es schwer, die Phase-Matching-Bedingung in Materialien mit einer χ₂- oder χ₃-Nichtlinearität zu erhalten, da solche Materialien typischerweise dispersiv sind, d. h., dass sie einen mit der Frequenz ω variierenden Brechungsindex besitzen.
Verfahren zum Erzielen der Phase-Matching-Bedingung sind bereits vorgeschlagen worden.
S. J. B. Yoo et al. („Wavelength conversion by difference frequency generation in AlGaAs waveguides with periodic domain inversion achieved by wafer bonding", Appl. Phys. Letters, Band 68, Nr. 19, Mai 1996, Seiten 2609–2611), M. H. Chou et al. („1.5-μm-band wavelength conversion based an difference-frequency generation in LiNbO₃ waveguides with integrated coupling structures", Optics Letters, Band 23, Nr. 13, Juli 1998, Seiten 1004–4006) und M. H. Chou et al. ("Multiple-channel wavelength conversion by use of engineered quasi-Phase-matching structures in LiNbO₃ waveguides", Optics Letters, Band 24, Nr. 16, August 1999, Seiten 1157–1159) beschreiben die Verwendung von Verfahren, die unter dem Namen "periodische Domgin-Inversion" oder „poling" bekannt sind, die im Wesentlichen daraus bestehen, dass das Vorzeichen der Nichtlinearität eines nichtlinearen Materials (z. B. LiNbO₃ und AlGaAs) periodisch invertiert wird, um so einen parametrischen Prozess zur Erzeugung der Differenzfrequenz unter Quasi-Phase-Matching-Bedingungen zu erhalten.
Jüngst wurde jedoch die Verwendung von eindimensionalen periodischen Photonischen Kristallstrukturen (auch Photonische Bandlücken-Strukturen genannt) vorgeschlagen, um den parametrischen Prozess zur Erzeugung der zweiten harmonischen Oberschwingung (Frequenzverdopplung) unter Phase-Matching-Bedingungen durchzuführen.
Eine eindimensionale photonische Kristallstruktur besteht typischerweise aus zwei sich periodisch abwechselnden Materialschichten mit unterschiedlichem Brechungsindex. Die multiplen Reflexionen an den Grenzflächen zwischen den beiden Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex erzeugen konstruktive und destruktive Interferenzen zwischen dem transmittierten Licht und dem reflektierten Licht und bewirken, dass die photonische Kristallstruktur die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in gewissen Frequenzintervallen (oder Wellenlängenintervallen) erlaubt und in anderen Intervallen verbietet.
In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüche wird der Ausdruck

– „photonische Bandlücke" oder „Bandlücke" verwendet, um einen Frequenzbereich (oder Wellenlängenbereich) anzuzeigen, welcher von der photonischen Kristallstruktur nicht übertragen wird;
– „Transmissionsband" verwendet, um einen Frequenzbereich (oder Wellenlängenbereich) anzuzeigen, der von der photonischen Kristallstruktur übertragen wird;
– „Bandlücke oder Transmissonsband der n-ten Ordnung" verwendet, um die n-te Bandlücke oder das n-te Transmissionsband mit zunehmender Frequenz anzuzeigen;
– „Bandkante" verwendet wird, um die Kante eines Transmissionsbands anzuzeigen;
– „Niederfrequente Bandkante n-ter Ordnung" verwendet, um die Kante mit der niedrigsten Frequenz des Übertragungsbands der n-ten Ordnung anzuzeigen; „Hochfrequente Bandkante n-ter Ordnung” verwendet wird, um die Kante mit der höchsten Frequenz des Übertragungsbands der n-ten Ordnung anzuzeigen.

M. Scalora et al. („Pulsed second-harmonic generation in non linear, one dimensional, periodic structures", Physical Review, Band 56, Nr. 4, Oktober 1997, Seiten 3166–3174) präsentieren eine numerische Studie der Erzeugung der zweiten Oberschwingung (SH, second harmonic) in einem eindimensionalen photonischen Kristallmaterial, das mit einem χ₂-nicht-linearen Mittel dotiert ist und das aus 40 dielektrischen Schichten (insgesamt 20 Perioden) besteht, wobei der Brechungsindex der Schichten zwischen n₂ = 1,42857 und n₁ = 1 alterniert. Darüber hinaus besitzen die Schichten mit den beiden Brechungsindizes n₁ und n₂ für eine Referenzwellenlänge λ₀ eine Dicke a = λ₀/4n₁ bzw. b = λ₀/2n₂. Diese Wahl der Parameter erlaubt es, einen gemischten Halb- und Viertelwellen-Stapel für die Wellenlänge λ₀ zu erzielen und bewirkt, dass die Struktur einen Band-Gap zweiter Ordnung besitzt, der von der Bandlücke erster Ordnung um ungefähr einen Faktor 2 entfernt ist. Dies erlaubt es, einen parametrischen Prozess zur Erzeugung der zweiten harmonischen Oberschwingung (Frequenzverdopplung) zu realisieren, bei dem die Frequenz ω₀ der Pumpstrahlung sich an der niederfrequenten Bandkante der ersten Ordnung befindet und die Frequenz ω_g = 2ω₀ der erzeugten Strahlung in der Nähe der niederfrequenten Bandkante der zweiten Ordnung liegt. Die Autoren stellen fest, dass es die Positionierung der Frequenzen der Pumpstrahlung und der erzeugten zweiten Oberschwingung in der Nähe einer Bandkante erlaubt, einen effizienteren Prozess zu erhalten, da in der Nähe einer Bandkante eine starke Überlappung zwischen den Propagationsmoden der Pump- und der erzeugten Strahlung sowie eine gemeinsame Ausbreitung (Co-Propagation) der Moden auftreten und die Wechselwirkungszeiten länger sind („Verstärkungs"-Phänomen).
Die WO 99/52015 beschreibt einen Frequenzverdoppler (second harmonic generator), der auf einer periodischen photonischen Kristallstruktur basiert. Die beschriebene Struktur umfasst eine Vielzahl von Schichten aus einem ersten und einem zweiten Material, die sich periodisch abwechseln, und besitzt eine Bandkante an der Frequenz der Pumpstrahlung und eine zweite Transmissionresonanz in der Nähe der Bandkante der Bandlücke zweiter Ordnung an der erzeugten verdoppelten Frequenz (Frequenz der zweiten Oberschwingung).
M. Centini et al. („Dispersive properties of finite, onedimensional photonic band gap structures: applications to non linear quadratic interactions", Physical Review E, Band 60, Nr. 4, Oktober 1999, Seiten 4891–4898) besprechen die linearen dispersiven Eigenschaften von eindimensionalen photonischen Kristallstrukturen, die aus die zwei sich periodisch abwechselnden Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen, und die Bedingungen, die für einen optimalen Prozess zur Frequenzverdopplung (second harmonic generation) notwendig sind.
M. Centini et al. („Efficient non linear infrared parametric generation in one-dimensional photonic band gap structures” Optics Communications, Band 189, März 2001, Seiten 135–142) analysieren Three-Wave-Mixing-Prozesse bei Phase-Matching-Bedingungen in einer eindimensionalen photonischen Bandlücken-Struktur, die aus sich abwechselnden Materialschichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex besteht. Das Material mit niedrigem Brechungsindex kann Luft sein. Diese Druckschrift offenbart in Kombination alle Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Die US 5,682,401 offenbart einen Mikroresonator mit einem periodischen dielektrischen Wellenleiter und einem lokalen Defekt im periodischen dielektrischen Wellenleiter. Gemäß einer Ausführungsform wird der Mikroresonator hergestellt, indem ein periodisches Array von Löchern in der Oberfläche eines Rippenwellenleiters erzeugt wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst der Mikroresonator ein Array aus auf einem Substrat hergestellten langen, dielektrischen Stäben, welches sich wie ein eindimensionaler periodischer Wellenleiter verhält.
Die US 6,002,522 offenbart ein funktionales optisches Element mit einer Struktur, in der zwei Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex periodisch angeordnet sind, um ein photonisches Band zu bilden. Im Beispiel einer optischen Verzögerungsvorrichtung umfasst das Element eine Struktur, in welcher 0,25 μm dicke Fotolackabschnitte und 0,25 μm dicke Luftabschnitte mit einer Periode d = 0,5 μm angeordnet sind.
Cedric F. Lam et al. („A tunable wavelength demultiplexer using logarithmic filter chains", Journal of Lightwave Technology, Band 16, Nr. 9, September 1998, Seiten 1657–1662) offenbaren einen in einer eindimensionalen photonischen Kristallstruktur hergestellten Filter, bei dem Schichten aus dielektrischem Material mit einem Brechungsindex n2 sich mit Bragg-Spiegeln abwechseln, die aus Schichten von dielektrischen Viertelwellen-Materialien bestehen. Um das Durchlassband des Filters zu glätten, lehrt Author, die Spiegel so zu apodisieren, dass die Reflektivität allmählich vom mittleren Spiegel zu den beiden Endspiegeln hin abnimmt. Sie zeigen eine mögliche physikalische Umsetzung des apodisierten Filters auf einem Kanten-geführten Wellenleiter, der aus herkömmlichen Halbleitermaterialien hergestellt ist. Sie stellen fest, dass ein Dielektrikum mit niedrigem Brechungsindex gebildet werden kann, indem z. B. Rillen auf den Kanten geführten Wellenleiter geätzt werden.
Der Anmelder bemerkt, dass eindimensionale photonische Kristallstrukturen, die aus zwei sich periodisch abwechselnden Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen und die von den obigen Druckschriften beschrieben werden, um einen Frequenzverdoppelungsprozess zu realisieren, nicht geeignet sind, um komplexere parametrische Prozesse (wie z. B. den Prozess zur Erzeugung der Differenzfrequenz) unter Phase-Matching-Bedingungen zu verwirklichen.
Die US 5,426,717 offenbart einen segmentierten Gegenstand mit sich abwechselnden Abschnitten optischer Materialien, die ausgerichtet sind und Brechungsindizes besitzen, die von benachbarten Abschnitten verschieden sind, um so mindestens eine Superperiode zu bilden, die aus einer Vielzahl von Segmenten besteht, so dass jedes Segment aus einem Abschnitt eines ersten optischen Materials und einem Abschnitt eines zweiten optischen Materials besteht. Mindestens ein Segment der Superperiode besitzt einen anderen optischen Weg als ein anderes Segment der Superperiode.
Der Anmelder sah sich somit dem technischen Problem gegenüber, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine photonische Kristallstruktur umfasst, welche in der Lage ist, den parametrischen Prozess zur Erzeugung der Differenzfrequenz unter Phase-Matching-Bedingungen durchzuführen.
Im Allgemeinen sah sich der Anmelder dem technischen Problem gegenüber, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine photonische Kristallstruktur umfasst, welche das Durchführen eines parametrischen Prozesses erlaubt, bei dem eine Pumpstrahlung mit der Frequenz ω_p eine Strahlung mit der Frequenz ω_g erzeugt, indem sie mit mindestens einer Signalstrahlung mit der Frequenz ω_s unter Phase-Matching-Bedingungen wechselwirkt (wobei ω_s gleich ω_p ist oder verschieden von ω_p ist).
Allgemeiner gesagt sah sich der Anmelder dem technischen Problem gegenüber, eine periodische photonische Kristallstruktur bereitzustellen, die geeignet ist, um so angepasst zu sein, dass sie den oben genannten parametrischen Prozess durchführt.
In ihrem ersten Aspekt bezieht sich somit die vorliegende Erfindung auf eine periodische eindimensionale photonische Kristallstruktur mit einer Vielzahl von einheitlichen Zellen, die entlang einer vorbestimmten Richtung aufeinander folgen, wobei jede einheitliche Zelle umfasst:

– eine erste Schicht mit einem ersten Brechungsindex n1 und einer ersten Länge L1
– eine zweite Schicht mit einem zweiten Brechungsindex n2, wobei n1 von n2 verschieden ist, und einer zweiten Länge L2,
– eine dritte Schicht mit einem dritten Brechungsindex n3, wobei n3 von n2 verschieden ist, und einer dritten Länge L3, und eine vierte Schicht mit einem vierten Brechungsindex n4, wobei n4 von n1 und von n3 verschieden ist, und einer vierten Länge L4, wobei die periodische Abwechslung der ersten, zweiten, dritten und vierten Schicht die periodische photonische Kristallstruktur bildet;
– wobei zumindest eine unter der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Schicht eine Nichtlinearität der χ₂- oder χ₃-Art besitzt; die erste, zweite, dritte und vierte Schicht Seite an Seite zueinander in einem ebenen Element liegen; die erste und dritte Schicht aus demselben Material bestehen und die zweite und vierte Schicht aus einem gasförmigen Element bestehen;
– wobei mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: a) L1 ist von L3 verschieden; oder b) L2 ist von L4 verschieden.

Der Anmelder hat nachgewiesen, dass die erfindungsgemäße periodische photonische Kristallstruktur, die aus vier sich periodisch abwechselnden Schichten besteht, welche Brechungsindizes n1, n2, n3 und n4 sowie Längen L1, L2, L3 und L4 besitzen und von denen mindestens eine eine χ₂- oder χ₃-Nichtlinearität besitzt, vorteilhafterweise die notwendige Flexibilität aufweist, um so ausgeführt zu werden, dass unter Phase-Matching-Bedingungen ein parametrischer Prozess verwirktlicht wird, bei dem eine Pumpstrahlung mit einer Frequenz ω_p eine Strahlung mit einer Frequenz ω_g erzeugt, indem sie mit mindestens einer Signalstrahlung mit der Frequenz ω_s wechselwirkt.
In Bezug auf die strukturellen und funktionalen Merkmale der periodischen Struktur, der einheitlichen Zellen und der ersten, zweiten, dritten und vierten Schicht, wird darauf verwiesen, was im Folgenden für die Vorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben wird.
In ihrem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Durchführen eines parametrischen Prozesses nach Anspruch 17.
In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen bezeichnen n1, n2, n3, n4 die Werte der Brechungsindizes der ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Schicht an den interessierenden Wellenlängen (oder Frequenzen), d. h. an den Wellenlängen der Strahlungen, die am parametrischen Prozess teilnehmen.
Die Vorrichtung der Erfindung mit einer periodischen photonischen Kristallstruktur, die aus vier sich periodisch abwechselnden Schichten besteht, welche Brechungsindizes n1, n2, n3 und n4 sowie Längen L1, L2, L3 und L4 aufweisen und von denen mindestens eine eine χ₂- oder χ₃-Nichtlinearität aufweist, erlaubt es vorteilhafterweise, unter Phase-Matching-Bedingungen einen Prozess zur Erzeugung der Differenzfrequenz sowie im Allgemeinen einen parametrischen Prozess durchzuführen, bei dem eine Pumpstrahlung mit der Frequenz ω_p eine Strahlung mit der Frequenz ω_g erzeugt, in dem sie mit mindestens einer Signalstrahlung mit der Frequenz ω_s wechselwirkt.
Z. B. können n1, n2, n3, n4, L1, L2, L3, L4 so gewählt werden, dass ein Prozess zur Erzeugung der Differenzfrequenz durchgeführt wird, bei dem ω_g = ω_p – ω_s, ein Prozess zur Erzeugung der Summenfrequenz durchgeführt wird, bei dem ω_g = ω_p + ω_s, ein Frequenzverdopplungs- oder Frequenzverdreifachungsprozess durchgeführt wird, bei dem ω_g = 2ω_p bzw. ω_g = 3ω_p, oder ein Four-Wave-Mixing-(FWM)-Prozess durchgeführt wird.
Tatsächlich hat der Anmelder nachgewiesen, dass die Vorrichtung mit den obigen Merkmalen die notwendige Flexibilität hat, um verschiedene Arten von parametrischen Prozessen unter Phase-Matching-Bedingungen durchzuführen.
Darüber hinaus bemerkt der Anmelder, dass die Vorrichtung der Erfindung mit der obigen, im Wesentlichen periodischen photonischen Kristallstruktur, die aus vier sich abwechselnden Schichten hergestellt ist, die notwendige Flexibilität besitzt, um einen parametrischen Prozess unter Phase-Matching-Bedingungen und gemäß der für die Vorrichtung erforderlichen Anwendung durchzuführen.
Dies ist ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung, da die Phase-Matching-Bedingungen jeder Art von parametrischem Prozess eine im Wesentlichen periodische Struktur erfordern, die ein vorbestimmtes Transmissionsspektrum mit präzisen, der Art der Anwendung entsprechenden Merkmalen aufweist, wie im Folgenden im Detail dargestellt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Vorrichtung der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Die obige im Wesentlichen periodische Struktur ist ein eindimensionales photonisches Kristall.
In der vorliegenden Erfindung und in den Ansprüchen wird der Ausdruck

– „im Wesentlichen periodische Struktur" verwendet, um eine Struktur anzuzeigen, die eine Vielzahl von im Wesentlichen gleichen oder bis auf eine Apodisation gleichen Zellen umfassen kann;
– „Apodisation" verwendet, um eine Modulation eines der charakteristischen Parameter der Schichten der Zellen, wie z. B. des Brechungsindex und der Länge anzuzeigen, wobei die Modulation eine viel höhere Periode als die Zellenlänge besitzt;
– „im Wesentlichen gleiche Zellen" verwendet, um Zellen zu bezeichnen, bei denen die entsprechenden Schichten einander gleich sind (z. B. im Hinblick auf den Brechungsindex n1 bis n4 und die Längen L1 bis L4), und zwar abgesehen von Herstellungstoleranzen.

Z. B. beträgt der Präzisionsgrad, der gegenwärtig für die Produktion der Schichten der Zellen erzielbar ist, ungefähr 10 nm.
Darüber hinaus sind die Herstellungstoleranzen bevorzugt der Gestalt, dass sie das Transmissionsspektrum der photonischen Kristallstruktur nicht merkbar beeinflussen.
In einer Abwandlung sind die einheitlichen Zellen im Wesentlichen gleich.
In einer anderen Abwandlung unterscheiden sich die entsprechenden Schichten der Vielzahl von einheitlichen Zellen voneinander, beispielsweise gemäß einer Modulation eines der Parameter der Schichten, wie z. B. des Brechungsindex und/oder der Länge (Apodisation), wobei die Modulation eine viel höhere Periode als die Länge der Zellen besitzt.
Diese letzte Abwandlung ist vorteilhaft, da sie es ermöglicht, die Spitzen des Transmissionsspektrums der im Wesentlichen periodischen photonischen Kristallstruktur weniger tief zu machen (d. h., dass sie es erlaubt, ihr Transmissionsspektrum teilweise abzuflachen und dessen Oszillationen zu glätten), so dass die Positionierungstoleranzen der Frequenzen ω_p, ω_s und ω_g an solchen Transmissionsspitzen verbessert werden.
Die Apodisation kann z. B. der Gauß'schen oder der Raised-Cosine-Art sein.
Vorteilhafterweise sind die erste, die zweite, die dritte und die vierte Schicht aus an den Arbeitswellenlängen (oder -frequenzen) der Vorrichtung transparenten Materialien hergestellt.
Z. B. werden die Arbeitswellenlängen in einem Intervall ausgewählt, das zwischen 0,1 μm und 3,5 μm liegt. Gemäß einer Abwandlung werden sie in einem Intervall ausgewählt, das zwischen 0,5 μm und 3 μm liegt. Gemäß einer weiteren Abwandlung werden sie in einem Intervall ausgewählt, das zwischen 0,5 μm und 2 μm liegt.
Darüber hinaus bestehen die zweite und die vierte Schicht typischerweise aus demselben Material; d. h., dass der zweite Brechungsindex n2 im Wesentlichen gleich dem vierten Brechungsindex n4 ist.
Vorteilhafterweise ist die Differenz zwischen den Brechungsindizes n1, n3 und n2, n4 relativ hoch. Bevorzugt ist sie gleich mindestens 0,2; besonders bevorzugt mindestens 0,4.
Tatsächlich wurde nachgewiesen, dass es eine relativ hohe Differenz zwischen den Brechungsindizes benachbarter Schichten erlaubt, das Verstärkungsphänomen zu steigern, gemäß dem die Effizienz eines parametrischen Prozesses in einer photonischen Kristallstruktur zunimmt, wenn die Pump- und/oder Signalstrahlung sich an einer Bandkante befinden.
In einer Abwandlung werden die erste, die zweite, die dritte und die vierte Schicht der einheitlichen Zellen zu einem vielschichtigen Stapel aufeinander gestapelt.
Z. B. werden die verschiedenen Schichten durch epitaxiales Aufwachsen aufeinander erhalten.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht daraus, eine im Wesentlichen periodische Struktur zu realisieren, indem einfach Schnitte, die eine vorbestimmte Tiefe und Länge (L2 und L4) besitzen und geeignet voneinander beabstandet sind (um L1 und L3) in einem ebenen Element durchgeführt werden, das aus einer einzigen Struktur mit einem Brechungsindex n1 und einer χ₂- oder χ₃-Nichtlinearität besteht.
Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass es eine im Wesentlichen periodische Struktur mit vier (oder mehr) Schichten erlaubt, Schnitte moderater Längen (L2 und L4) (einer Größenordnung im dreistelligen nm-Bereich) durchzuführen, die leicht zu verwirklichen sind und gleichzeitig relativ geringe Streuungsverluste einbringen.
Vorteilhafterweise ist das gasförmige Element ein Gas, das es erlaubt, eine hohe Differenz zwischen den Brechungsindizes n1, n3 und n2, n4 zu erhalten. Z. B. besteht ein solches gasförmiges Element aus Luft, die einen Brechungsindex von ungefähr gleich eins besitzt und es erlaubt einen hohen Unterschied zwischen den Brechungsindizes n1, n3 und n2, n4 zu erhalten.
Gemäß einer Abwandlung werden die zweite und die vierte Schicht unter Vakuumbedingungen gehalten.
Bevorzugt ist das ebene Element ein ebener optischer Wellenleiter.
Auf diese Weise ist die Vorrichtung der Erfindung mit optischen Fasern und optischen Vorrichtungen kompatibel (d. h. leicht verbindbar), welche aus optischen Fasern oder ebenen Wellenleitern realisiert sind, und ist somit geeignet, um in optische Kommunikationssysteme oder optische Netzwerke eingesetzt zu werden.
In diesem Fall besteht die erste und die dritte Schicht der einheitlichen Zellen aus Wellenleiterabschnitten mit Längen L1 und L3, und n1 ist der effektive Brechungsindex des Wellenleiters an den interessierenden Wellenlängen.
Der Wellenleiter umfasst typischerweise ein Substrat, einen Ummantelungsbereich, einen Kern, einen zweiten Ummantelungsbereich und eine Kante.
Vorteilhafterweise werden das Substrat, der erste und der zweite Ummantelungsbereich, der Kern und wahlweise die Kante des Wellenleiters aus Materialien realisiert, die eine χ2- oder χ3-Nichtlinearität besitzen.
Typische Beispiele von Materialien mit einer χ₂- oder χ₃-Nichtlinearität sind Al_x(GaAs)_1–x, LiNbO₃ und Silizium (z. B. mit Germanium dotiert).
Vorteilhafterweise ist der Wellenleiter geeignet, um eine Einmodenausbreitung an den Frequenzen der am parametrischen Prozess teilnehmenden Strahlungen zu garantieren (z. B. sowohl an der Pumpfrequenz ω_p als auch an der Signalfrequenz ω_s).
In einer Ausführungsform umfasst jede einheitliche Zelle der im Wesentlichen periodischen photonischen Kristallstruktur mehr als vier Schichten. Z. B. umfasst jede einheitliche Schicht sechs oder acht Schichten mit Brechungsindizes n1 bis n6 oder n1 bis n8 und Längen L1 bis L6 oder L1 bis L8, die erfindungsgemäß geeignet ausgewählt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung werden bei einem parametrischen Prozess, bei dem eine Pumpstrahlung mit der Frequenz ω_p = 2ω mit einer Signalstrahlung mit der Frequenz ω_s wechselwirkt, wobei ω_s = ω + Δω, um eine Strahlung mit der Frequenz ω_g zu erzeugen, wobei ω_g = ω_p – ω_s = ω – Δω,

– n1, n2, n3, n4, L1, L2, L3, L4 so ausgewählt, dass die photonische Kristallstruktur
– eine Bandlücke der Größenordnung M_2ω in der Nähe der Frequenz 2ω und eine Bandlücke der Ordnung M_ω in der Nähe der Frequenz ω bildet, so dass die folgende Beziehung erfüllt ist: M_2ω = 2M_ω + 1, wobei M_2ω und M_ω zwei ganze Zahlen sind; und
– ein Transmissionsband mit einer j_ω-ten Transmissionsspitze an der Frequenz ω besitzt, so dass die folgende Beziehung erfüllt ist: j_ω = (N ± 1)/2, wobei j_ω eine ganze Zahl zwischen 1 und N- 1 ist und N die Anzahl der einheitlichen Zellen ist;
– ist die Anzahl N der einheitlichen Zellen eine ungerade Zahl; und
– ist die Anzahl N der einheitlichen Zellen so ausgewählt, dass der Frequenzabstand zwischen benachbarten Transmissionsspitzen eines Transmissionsbands der periodischen photonischen Kristallstruktur im Wesentlichen gleich Δ_ω ist.

Der Anmelder hat nachgeprüft, dass die Bedingungen so sind, dass der obige parametrische Prozess unter Phase-Matching-Bedingungen durchgeführt wird, die Frequenz ω_p der Pumpstrahlung sich an der Bandkante befindet und die Frequenzen ω, ω_s und ω_g sich an einer Transmissionsspitze in einem Transmissionsband der photonischen Kristallstruktur befinden.
Wie im Detail besser im Folgenden beschrieben wird, erlaubt es die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform vorteilhafterweise, dass ein spektraler Inversionsvorgang mit einer abstimmbaren Signalstrahlungsfrequenz ω_s unter Phase-Matching-Bedingungen realisiert wird.
Gemäß einer alternative Ausführungsform der Vorrichtung werden bei einem parametrischen Prozess, in welchem eine Pumpstrahlung an der Frequenz ω_p = 2ω mit einer Signalstrahlung an der Frequenz ω_s wechselwirkt, wobei ω_s = ω + Δω, um eine Strahlung an der Frequenz ω_g zu erzeugen, wobei ω_g = ω_p – ω_s = ω – Δω,

n1, n2, n3, n4, L1, L2, L3, L4 so ausgewählt, dass die periodische photonische Kristallstruktur
– eine Bandlücke der Ordnung M2ω in der Nähe der Frequenz 2ω und eine Bandlücke der Ordnung M_ω in der Nähe der Frequenz ω besitzt, so dass die folgende Beziehung erfüllt ist: M_2ω = 2M_ω, wobei M_2ω und M_ω zwei ganze Zahlen sind; und
– ein Transmissionsband mit einer j_ω-ten Transmissionsspitze an der Frequenz ω und ein Transmissionsband mit einer j_2ω-ten Transmissionsspitze an der Frequenz 2ω besitzt, so dass die folgende Beziehung erfüllt ist: j_2ω = 2_jω, wobei j_ω und j_2ω ganze Zahlen zwischen 1 und N-1 sind und N die Anzahl der einheitlichen Zellen ist, und
– die Anzahl N der einheitlichen Zellen so gewählt, dass der Frequenzabstand zwischen benachbarten Transmissionsspitzen eines Transmissionsbands der periodischen photonischen Kristallstruktur im Wesentlichen gleich Δω ist.

Der Anmelder hat nachgeprüft, dass diese Bedingungen derartig sind, dass der obige parametrische Prozess unter Phase-Matching-Bedingungen durchgeführt wird und die Frequenzen ω_p, ω, ω_s und ω_g sich an einer Transmissionsspitze in einem Transmissionsband der photonischen Kristallstruktur befinden.
Wie im Folgenden im Detail besser beschrieben wird, erlaubt es die Vorrichtung gemäß dieser alternativen Ausführungsform vorteilhafterweise, eine Frequenzwandlervorrichtung mit abstimmbaren Frequenzen ω_p und ω_s der Pump- und Signalstrahlungen unter Phase-Matching-Bedingungen zu realisieren.
Vorteilhafterweise umfasst das zweite Mittel zum Bereitstellen der Pumpstrahlung einer Frequenz ω_p eine Pumpquelle, die geeignet ist, um der im Wesentlichen periodischen photonischen Kristallstruktur die Pumpstrahlung mit der Frequenz ω_p bereitzustellen. Darüber hinaus umfasst das zweite Mittel typischerweise Mittel zum optischen Verbinden der Pumpquelle mit der im Wesentlichen periodischen Struktur.
Bevorzugt ist die Pumpquelle abstimmbar.
Typischerweise ist die Pumpquelle eine DFB-(Distributed Feedback Bragg Grating)-Laserquelle oder eine DBR(Distributed Bragg Reflector)-Laserquelle.
Wenn die im Wesentlichen periodische photonische Kristallstruktur in einem Wellenleiter realisiert wird, sind die Pumpquelle und der Wellenleiter vorteilhafterweise im selben Substrat integriert.
Typischerweise umfasst das Ausgabemittel der Vorrichtung der Erfindung einen optischen Filter, der mit der im Wesentlichen periodischen Struktur verbunden ist, um die an der Frequenz ω_g erzeugte Strahlung aus der Vorrichtung austreten zu lassen und eine mögliche Restpumpstrahlung mit der Frequenz ω_p und eine mögliche Restsignalstrahlung mit der Frequenz ω_s zu unterdrücken.
Vorteilhafterweise werden das erste Mittel zum Aussenden der Signalstrahlung mit der Frequenz ω_s, das zweite Mittel zur Bereitstellung der Pumpstrahlung mit der Frequenz ω_p, das Ausgabemittel und die im Wesentlichen periodische Struktur in der Vorrichtung so in Bezug aufeinander angeordnet, dass die am parametrischen Prozess teilnehmenden Strahlungen dadurch, dass sie sich vom ersten und zweiten Mittel zum Ausgabemittel hin ausbreiten entlang der alternierenden Schichten, durch die im Wesentlichen periodische Struktur hindurchgehen (d. h., so dass die Schichten entlang der Ausbreitungsrichtung der Strahlungen vom Eingang zum Ausgang der Vorrichtung gestapelt oder Seite an Seite angeordnet sind).
In ihrem dritten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine optische Kommunikationsleitung nach Anspruch 21.
Hinsichtlich der strukturellen und funktionalen Merkmale der Vorrichtung soll auf das verwiesen werden, was oben beschrieben wurde.
In ihrem vierten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein optisches Kommunikationssystem nach Anspruch 22.
Vorteilhafterweise ist die Übertragungsstation (Sendestation) geeignet, um n optische Signale mit voneinander verschiedenen Frequenzen ω_s1, ω_s2...ω_sn bereitzustellen, sie in ihren Wellenlänge zu einem einzigen optischen WDM-Signal zu multiplexen und das optische WDM-Signal entlang der optischen Kommunikationsleitung zu senden.
Darüber hinaus ist die Empfangsstation vorteilhafterweise geeignet, um ein optisches WDM-Signal, das aus der optischen Kommunkationsleitung kommt, zu demultiplexen und die demultiplexten Signale optional weiteren Verarbeitungsstufen bereitzustellen.
Hinsichtlich der strukturellen und funktionalen Merkmale der Vorrichtung soll darauf verwiesen werden, was oben beschrieben wurde.
In ihrem fünften Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Strahlung einer Frequenz ωg durch einen parametrischen Prozess, und zwar durch die Wechselwirkung einer Pumpstrahlung mit der Frequenz ω_p mit mindestens einer Signalstrahlung einer Frequenz ω_s, wie in Anspruch 24 definiert.
Hinsichtlich der strukturellen und funktionalen Merkmale der im Wesentlichen periodischen photonischen Kristallstruktur soll auf das verwiesen werden, was oben beschrieben wurde.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlicher werden, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gemacht wird. In den Zeichnungen zeigt
1 eine schematische Ansicht einer periodischen eindimensionalen photonischen Kristallstruktur;
2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der periodischen Struktur der 1;
3 den Abschnitt einer einheitlichen Zelle eines Beispiels der periodischen Struktur gemäß der Ausführungsform der 2;
4 eine periodische Struktur gemäß der Ausführungsform der 2, die in einem ebenen optischen Wellenleiter realisiert ist;
5 einen Querschnitt eines Wellenleiters gemäß 4;
6 ein Transmissionsspektrum als Funktion der Frequenz eines ersten Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
7 ein Transmissionsspektrum eines zweiten Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Funktion der Wellenlänge (7a) und der Frequenz (7b);
8 eine schematische Ansicht eines typischen Transmissionsspektrums einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
9 eine schematische Ansicht eines spektralen Inversionsvorgangs in Bezug auf eine Frequenz ω;
10 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen optischen Kommunikationsleitung;
11 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Kommunikationssytems;
1 zeigt eine schematische Ansicht einer eindimensionalen photonischen Kristallstruktur 9, die N im Wesentlichen gleiche einheitliche Zellen 15 umfasst.
Jede einheitliche Zelle 15 umfasst wiederum vier Schichten 11–14 mit Brechungsindex n1, n2, n3, n4 und Längen L1, L2, L3, L4, die sich periodisch entlang der periodischen photonischen Kristallstruktur 9 abwechseln.
Mindestens eine der vier Schichten 11–14 besteht aus einem Material mit einer χ₂- oder χ₃-Nichtlinearität, um so einen parametrischen Prozess durchführen zu können.
Die Werte der Brechungsindizes n1–n4 und der Längen L1–L4 werden, wie es im Folgenden im Detail besser beschrieben wird, so ausgewählt, dass der parametrische Prozess unter Phase-Matching-Bedingungen und gemäß der für die Vorrichtung 10 erwünschten Anwendung durchgeführt wird.
Die Werte der Brechungsindizes n1–n4 und der Längen L1–L4 bestimmen nämlich die Amplitude und die Frequenzposition (oder die Wellenlängenposition) der Transmissionsbänder und der Bandlücken des Transmissionsspektrums der Vorrichtung 10.
8 zeigt eine schematische Ansicht eines typischen Transmissionsspektrums der Vorrichtung 10 der Erfindung als Funktion der Frequenz ω.
In 8 bezeichnen die Bezugsziffern 101, 102, 103 jeweils das Transmissionsband der ersten, zweiten und dritten Ordnung; die Bezugsziffern 100, 200, 300 bezeichnen jeweils die Bandlücke der ersten, zweiten und dritten Ordnung; die Bezugsziffern 110, 120 bezeichnen die hochfrequente Bandkante der ersten Ordnung bzw. die niederfrequente Bandkante der zweiten Ordnung; die Bezugsziffern 130 und 140 bezeichnen die hochfrequente Bandkante der zweiten Ordnung bzw. die niederfrequente Bandkante der dritten Ordnung; und schließlich bezeichnet die Bezugsziffer 150 die hochfrequente Bandkante der dritten Ordnung.
Wie ersichtlich ist, befinden sich die Transmissionsbänder 101, 102 der ersten und zweiten Ordnung in der Nähe der Bandlücke 100 der ersten Ordnung, die Transmissionsbänder 102, 103 der zweiten und dritten Ordnung befinden sich in der Nähe der Bandlücke 200 der zweiten Ordnung usw.
Darüber hinaus bestehen die Transmissionsbänder 101, 102, 103 aus einer Vielzahl von Transmissionsspitzen mit einem vorbestimmten Frequenzabstand. In dem in 8 gezeigten Beispiel besitzt jedes Transmissionsband 101, 102, 103 sechs Transmissionsspitzen. Es wurde nachgewiesen, dass bei einer photonischen Kristallstruktur die Anzahl der Transmissionsspitzen jedes Transmissionsbands 101–103 und der Frequenzabstand zwischen den Transmissionsspitzen von der Anzahl N der die Struktur bildenden einheitlichen Zellen 15 abhängt. Darüber hinaus ist die Anzahl der Transmissionsspitzen jedes Transmissionsbands 101–103 gleich N-1, unabhängig von der Anzahl der die einheitlichen Zellen 15 bildenden Schichten, und der Frequenzabstand zwischen den Spitzen nimmt mit zunehmender Anzahl N der einheitlichen Zellen 15 ab.
2 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 10 der 1, in der die erste und dritte Schicht 11 bzw. 13 aus demselben Material bestehen und im Wesentlichen denselben Brechungsindex n1 haben, und bei dem die zweite und vierte Schicht 12 bzw. 14 aus demselben Material bestehen und im Wesentlichen denselben Brechungsindex n2 haben.
Darüber hinaus ist in der Vorrichtung gemäß Ausführungsform der 2 L1 verschieden von L3 und/oder L2 ist verschieden von L4.
Die Vorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform wird in einem ebenen Element hergestellt, wobei die Schichten 11–14 Seite an Seite liegen.
Darüber hinaus besteht das ebene Element aus einem einzigen Material mit einem Brechungsindex n1 und einer χ₂- oder χ₃-Nichtlinearität und umfasst vorteilhafterweise Einschnitte vorbestimmter Tiefen und Längen (L2 und L4), die voneinander geeignet beabstandet sind (um L1 und L3), so dass die zweite und vierte Schicht 12 und 14 aus Luft bestehen (mit einem Brechungsindex von ungefähr gleich 1) und die erste und die dritte Schicht aus dem obigen Material mit dem Brechungsindex n1 bestehen.
Somit werden in einer solchen Vorrichtung 10 die vierschichtigen einheitlichen Zellen 15 vorteilhafterweise dadurch erhalten, dass einfach geeignete Einschnitte im ebenen Element durchgeführt werden.
Z. B. zeigt 3 den Schnitt einer einheitlichen Zelle 15 einer solchen Vorrichtung 10, bei der die erste und die dritte Schicht 11 und 13 einen Brechungsindex n1 und Längen L1 und L3 besitzen und die zweite und vierte Schicht 12 und 14 aus Luft bestehen und Längen L2 und L4 aufweisen.
Die Einschnitte werden typischerweise durch einen ersten Lithographieschritt durchgeführt, um die Abschnitte zu definieren, an denen die Schnitte einzubringen sind, und durch einen zweiten Ätzschritt mit welchem die Schnitte dann durchgeführt werden.
Z. B. wird der Lithgraphieschritt mit Hilfe einer Anlage der Firma LEICA CAMBRIDGE, Model EBMF 10,5 cs/120 System durchgeführt, während der Ätzschritt mit Hilfe einer Anlage der Firma OXFORD INSTRUMENTS PLASMA TECHNOLOGY, Model Plasmalab System 100 durchgeführt wird.
Darüber hinaus folgt dem zweiten Ätzschritt bevorzugt ein dritter Passivierungsschritt, der gemäß bekannten Verfahren durchgeführt wird, wie es z. B. für Laser von H. Hone et al. („Reliability Improvement of 980-nm laser diodes with a new facet passivation process", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Band 5, Nr. 3, Mai/Juni 1999, Seiten 832–838) beschrieben ist.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung der 2, bei der das ebene Element aus einem ebenen optischen Wellenleiter 1 besteht.
Der Wellenleiter 1 ist ein herkömmlicher Wellenleiter und umfasset eine Kante 5, einen ersten Ummantelungsbereich 6, einen Kern 4, einen zweiten Ummantelungsbereich 3 und ein Substrat 2 (5).
Bevorzugt besitzen die im Wellenleiter 1 zum Zwecke der Ausbildung der zweiten und vierten Schicht 12 und 14 der einheitlichen Zellen 15 durchgeführten Einschnitte eine solche Tiefe D_c, um es den Strahlungsausbreitungsmoden, die sich im Wellenleiter ausbreiten, zu erlauben, sich vollständig oder teilweise in den Einschnitten auszubreiten und dadurch die Verluste zu verringern.
Typischerweise besitzen die Einschnitte eine solche Tiefe, dass sie den Wellenleiter 1 bis zum zweiten Ummantelungsbereich 3 einschneiden. Bevorzugt besitzen sie eine solche Tiefe D_c, dass sie auch mindestens teilweise in das Substrat 2 einschneiden, wie in 5 gezeigt ist.
In dieser bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist der Brechungsindex n1 der ersten und dritten Schicht 11 und 13 der effektive Brechungsindex des Wellenleiters 1, während der Brechungsindex n2 der zweiten und vierten Schicht 12 und 14 der Brechungsindex von Luft ist (ungefähr gleich 1).
Vorteilhafterweise werden die Dicken D_s, D_cl2, D_co, D_cl1, D_r und die Brechungsindizes n_s, n_cl2, n_co, n_cl1, n_r jeweils des Substrats 2, des zweiten Ummantelungsbereichs 3, des Kerns 4, des ersten Ummantelungsbreichs 6 und der Kante 5 so ausgewählt, dass eine Einmoden-Ausbreitung an den Frequenzen (oder Wellenlängen) der am parametrischen Prozess teilnehmenden elektromagnetischen Strahlungen garantiert wird.
Z. B. besteht der Wellenleiter 1 aus Al_x (GaAs)_1–x, welches eine χ₂-Nicht-Linearität aufweist.
In einem besonderen Fall beträgt im Wellenleiter 1 die Menge an Aluminium (Al) ungefähr 50 % im Substrat 2; ungefähr 30 % im zweiten Ummantelungsbereich 2; ungefähr 20 % im Kern 4 und ungefähr 25 % im ersten Ummantelungsbereich 6 und in der Kante 5.
Mit einer solchen Zusammensetzung besitzen das Substrat 2, der zweite Ummantelungsbereich 3, der Kern 4, der erste Ummantelungsbereich 6 und die Kante 5 – beispielsweise an den Wellenlängen 1550 nm und 775 nm – die Brechungsindizes n_s, n_cl2, n_co, n_cl1, n_r, die in Tabelle 1 gezeigt sind. Tabelle 1

@1550 nm @775 nm

n_s 3,176 3,326

n_cl2 3,282 3,498

ⁿco 3,334 3,536

ⁿcl1 3,308 3,517

n_r 3,308 3,517
Der effektive Brechungsindex des Wellenleiters 1 mit den in Tabelle 2 aufgeführten Brechungsindizes beträgt ungefähr gleich 3,45 bei 775 nm und ungefähr 3,17 bei 1550 nm.
Darüber hinaus sind die Dicken D_s, D_cl2, D_co, D_cl1, Dr des Wellenleiters 1 beispielsweise wie folgt:

D_s ungefähr gleich 3 μm;
^Dcl2 ungefähr gleich 0,14 μm;
^Dco ungefähr gleich 0,14 μm;
^Dcl1 ungefähr gleich 0,10 μm;
D_r ungefähr gleich 0,14 μm.

Darüber hinaus beträgt die Breite L_r der Kante 5 beispielsweise ungefähr gleich 2 μm, und die im Wellenleiter 1 durchgeführten Einschnitte, um die einheitlichen Zellen 15 der periodischen Struktur mit vier Schichten 11–14 zu bilden, besitzen eine Tiefe D_c von ungefähr 1 μm, um so auch einen Teil des Substrats 2 einzuschneiden, wie in 5 gezeigt ist.
Es ist überprüft worden, dass der Wellenleiter 1 mit den obigen Werten für D_s, D_cl2, D_cl2, D_cl1, Dr und n_s, n_cl2, n_co, n_cl1, n_r sowohl an der Wellenlänge von 775 nm als auch an der Wellenlänge von 1550 nm einmodal ist.
Somit kann er zum Durchführen eines parametrischen Prozesses verwendet werden, bei dem die Wellenlängen der Signal- und Pumpstrahlung gleich ungefähr 1550 und 775 nm sind (die erzeugte Strahlung ist automatisch einmodig).
Im Allgemeinen werden die Werte der Brechungsindizes n1–n4 an den interessierenden Wellenlängen (oder Frequenzen) und der Längen L1–L4 der Vorrichtung 10 der Erfindung so ausgewählt, dass der erwünschte parametrische Prozess unter Phase-Matching-Bedingungen und entsprechend der erwünschten Anwendung der Vorrichtung 10 durchgeführt wird.
Z. B. können die Werte der Brechungsindizes n1–n4 und der Längen L1–L4 so ausgewählt werden, dass eine Vorrichtung 10 verwirklicht wird, welche einen parametrischen Prozess zur Erzeugung der Differenzfrequenz durchführt (typischerweise eines Materials mit einer χ₂-Nichtlinearität), wobei eine Pumpstrahlung ω_p mit ω_p = 2ω mit einer Signalstrahlung mit der Frequenz ω_s und ω_s = ω + Δω wechselwirkt, um eine Strahlung mit der Frequenz ω_g = ω_p – ω_s = ω – Δω zu erzeugen.
Hinsichtlich der Phase-Matching-Bedingung ist diese im Fall der Erzeugung der Differenzfrequenz dann erfüllt, wenn Φg = Φp – Φs,wobei Φ_g, Φ_p und Φ_s jeweils die Phase der erzeugten Strahlung, der Pumpstrahlung und der Signalstrahlung am Ausgang der Vorrichtung anzeigen.
Insbesondere wenn ω_p = 2ω, ω_s = ω + Δω und ω_g = ω – Δω, wurde nachgewiesen, dass die obige Phase-Matching-Bedingung erfüllt ist, wenn Φ2ω = 2 Φω wobei Φ_2ω und Φ_ω jeweils die Phase der Pumpstrahlung an der Frequenz 2ω und einer Strahlung an der Frequenz ω am Ausgang der Vorrichtung anzeigen. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass die Werte von Φ_2ω und Φ_ω von der Position der Frequenzen 2ω und ω in Bezug auf das Transmissionsspektrum der photonischen Kristallstruktur 9 der Vorrichtung 10 abhängen.
Insbesondere wurde festgestellt, dass bei einem Transmissionsspektrum einer photonischen Kristallstruktur die Phase an den Transmissionsspitzen mit zunehmender Frequenz zunimmt. Insbesondere wenn die Phase am Eingang der Vorrichtung 0 ist, gilt am Ausgang der Vorrichtung:

i) die erste Transmissionsspitze des Transmissionsbands der ersten Ordnung besitzt eine Phase von π;
ii) der Phasenunterschied zwischen zwei benachbarten Transmissionsspitzen im selben Transmissionsband beträgt π; und
iii) der Phasenunterschied zwischen zwei Transmissionsspitzen, die sich jeweils in der Nähe der niederfrequenten Bandkante und der hochfrequenten Bandkante derselben Bandlücke befinden, beträgt 2π.

Hinsichtlich der Art der Anwendung kann wiederum die Vorrichtung 10, die den obigen parametrischen Prozess durchführt, bei dem ω_g = ω – Δω, beispielsweise als spektraler Inverter einer Signalstrahlung in Bezug auf eine Frequenz ω verwendet werden (d. h. zur Erzeugung einer Frequenz ω – Δω aus einer Signalfrequenz ω_s = ω + Δω) oder als Frequenzwandler (d. h. zur Umwandlung einer Signalfrequenz ω_s in eine erzeugte Frequenz ω_g).
Im ersten Fall des spektralen Inverters ist es bevorzugt, dass die Werte der Brechungsindizes n1–n4 und der Längen L1–L4 so ausgewählt werden, dass die Vorrichtung 10 in der Lage ist, die Signale in einem relativ weiten Frequenzbereich (oder Wellenlängenbereich) zu invertieren, d. h. dass die Signalstrahlungsfrequenz ω_s sich innerhalb eines Transmissionsbands der periodischen photonischen Kristallstruktur 9 befindet (Signalabstimmbarkeit).
Im zweiten Fall des Frequenzwandler ist es wiederum bevorzugt, dass die Werte der Brechungsindizes n1–n4 und der Längen L1–L4 so ausgewählt werden, dass die Vorrichtung 10 in der Lage ist, mit Signalstrahlungen und Pumpstrahlungen in relativ breiten Frequenzintervallen (oder Wellenlängenintervallen) zu arbeiten, d. h. dass sowohl die Signalstrahlungsfrequenz ω_s als auch die Pumpstrahlungsfrequenz ω_p sich innerhalb eines Transmissionsbands der periodischen photonischen Kristallstruktur 9 befinden (Pump- und Signalabstimmbarkeit).
Um basierend auf den obigen Bedingungen i)–iii) eine spektrale Invertervorrichtung unter Phase-Matching-Bedingungen und mit einer Abstimmbarkeit der Frequenz ω_s der Signalstrahlung durchzuführen, müssen die Phase Φ_2ω der Pumpstrahlung einer Frequenz 2ω am Ausgang der Vorrichtung und die Phase Φ_ω der Strahlung mit der Frequenz ω am Ausgang der Vorrichtung die folgenden Beziehungen erfüllen:

a) Φ2ω = 2 Φω
b) Φ2ω (M2ω·N ± 1)·π
c) Φω = (Mω·N + j)·π

_2ω

_ω

9

10

15

9

Die Bedingung a) sorgt dafür, dass die Phase-Matching-Bedingung erfüllt ist, die Bedingung b) sorgt dafür, dass die Pumpstrahlung einer Frequenz 2ω an einer Transmissionsspitze in der Nähe einer Bandkante liegt, und die Bedingung c) sorgt dafür, dass die Strahlung mit der Frequenz ω an einer Transmissionsspitze in einem Transmissionsband liegt.
Insbesondere erlaubt es die Bedingung b), einen effizienten parametrischen Prozess zu erhalten, da festgestellt wurde, dass in einer photonischen Kristallstruktur die Effizienz eines parametrischen Prozesses zunimmt, wenn die Pumpfrequenz sich an einer Bandkante befindet (Verstärkungsphänomen). Die Bedingung c) wiederum erlaubt es, eine Abstimmbarkeit der Signalstrahlung zu erhalten.
Indem man die Beziehungen b) und c) in die Beziehung a) einsetzt, ergibt sich, dass die obigen Beziehungen a)–c) erfüllt sind, wenn
Die Beziehung (A) zeigt an, dass die Ordnung der Bandlücke in der Nähe der Frequenz 2ω und die Ordnung der Bandlücke in der Nähe der Frequenz ω nicht unabhängig voneinander sind. Die Beziehung (B) zeigt wiederum, dass die Frequenz ω sich in der Mitte eines Transmissionsbands befinden muss und dass die Anzahl N der einheitlichen Zellen 15 eine ungerade Zahl sein muss, da j eine ganze Zahl ist.
Wenn z. B. die Frequenz ω sich in der Nähe der ersten Bandlücke befindet (M_ω = 1) und die Anzahl N der einheitlichen Zellen 15 gleich 5 ist, ergibt sich aus den Beziehungen (A) und (B), dass die Frequenz 2ω sich in der Nähe der dritten Bandlücke (M_2ω = 3) befinden muss und dass die Frequenz ω sich an der zweiten oder dritten Transmissionsspitze (j = 2 oder 3) eines Transmissionsbands in der Nähe der ersten Bandlücke befinden muss.
Indem diese Werte M_ω, M_2ω N und j in die Beziehungen b) und c) eingesetzt werden, erhält man, dass die Phase-Matching-Bedingung a) erfüllt ist, wenn Φ_2ω = 14π oder 16π und wenn Φ_ω = 7π oder 8π.
Um eine spektrale Invertervorrichtung unter Phase-Matching-Bedingungen und mit einer Abstimmbarkeit der Frequenz ω_s der Signalstrahlung zu erhalten, müssen die Werte für n1–n4 und L1–L4 der Vorrichtung 10 so ausgewählt werden, dass das Transmissionsspektrum der photonischen Kristallstruktur der Vorrichtung 10 die obigen Verhältnisse (A) und (B) erfüllt. Darüber hinaus muss die Anzahl N der einheitlichen Zellen 15 eine ungerade Zahl sein.
Z. B. können die Werte n1–n4 und L1–L4, die es erlauben, die Verhältnisse (A) und (B) zu erfüllen, durch die Maxwell-Gleichungen der Lichtausbreitung in einem photonischen Kristall bestimmt werden, was beispielsweise von Kane S. Yee („Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems involving Maxwell's Equations in Isotropic Media", IEEE Transactions an Antennas and Propagation, Band AP-14, Nr. 3, Mai 1996, Seiten 302–307) beschrieben wird.
Durch Simulationen mit einem Rechner würden die Werte von L1–L4 für den oben mit Bezug auf 4 und 5 beschriebenen Wellenleiter 1 bestimmt, wobei als Frequenzen 2ω und ω die Werte in Betracht gezogen wurden, die den Wellelängen von 775 nm bzw. 1550 nm entsprechen, als Werte von n1 an den interessierenden Wellenlängen die Werte des effektiven Brechungsindex des Wellenleiters 1 bei 1550 nm und 775 nm in Betracht gezogen wurden und als Werte für n2 an den interessierenden Wellenlängen der Brechungsindex von Luft in Betracht gezogen wurde (welcher bei 1550 nm und 775 nm derselbe ist).
Die folgenden Werte von L1–L4 ergaben sich aus den Simulationen:

L1 = 0,404 μm
L2 = 0,155 μm
L3 = 0,570 μm
L4 = 0,108 μm

D. h., dass die Gesamtlänge (L1 + L2 + L3 + L4) jeder einheitlichen Zelle 15 ungefähr 1,237 μm betrug.
Darüber hinaus haben die Simulationen gezeigt, dass eine Vorrichtung 10 mit dem Wellenleiter 1, der einheitliche Zellen 15 mit den obigen Werten für n1, n2 und L1–L4 umfasst, in einem ungefähr 80 nm breiten und um 1550 nm zentrierten Band eine Konversionseffizienz von ungefähr –21 dB für eine Länge für ungefähr 299 μm sowie eine Effizienz von ungefähr –10 dB für eine Länge von einigen mm aufweist, wobei die Konversionseffizienz das in dB ausgedrückt Verhältnis zwischen der Leistung der erzeugten Strahlung am Ausgang der Vorrichtung und der Leistung der Signalstrahlung am Eingang der Vorrichtung bezeichnet, wenn die Leistungswerte in linearen Einheiten ausgedrückt werden.
Mit den Simulationen wurde darüber hinaus das Transmissionsspektrum T als Funktion der Frequenz f der Vorrichtung 10 mit den obigen Werten für n1, n2, L1–L4 bestimmt (wobei f = ω/2π), und zwar in dem Fall von N = 13 (6).
Aus genannten Figur ist ersichtlich, dass die Transmissionsbänder des Spektrums nicht zusammenhängend sind, d. h., dass sie aus Transmissionsspitzen bestehen (insbesondere in dem dargestellten Fall für N = 13 besitzt jedes Transmissionsband 12 Transmissionsspitzen). Somit muss die Vorrichtung 10 so konzipiert werden, dass die Frequenz ω + Δω (ωs) der Signalstrahlung und der Frequenz ω – Δω (ωg) der erzeugten Signalstrahlung sich an einer Transmissionsspitze befinden. Insbesondere muss die Anzahl N der einheitlichen Zellen 15 der Vorrichtung 10 so ausgewählt werden, dass der Frequenzabstand zwischen zwei Transmissionsspitzen desselben Transmissionsbands gleich Δω ist.
Wie darüber hinaus aus 6 ersichtlich ist, erfüllt das Transmissionsspektrum die oben genannten Beziehungen (A) und (B). In einem solchen Spektrum befindet sich nämlich die Frequenz 2ω in der Nähe der Bandlücke neunter Ordnung (M2ω = 9) und die Frequenz ω befindet sich in der Nähe der Bandlücke vierter Ordnung (Mω = 4) sowie an einer Transmissionsspitze in der Mitte eines Transmissionsbands. Darüber hinaus befindet sich die Frequenz 2ω an der hochfrequenten Kante der Bandlücke neunter Ordnung.
Aus dem Spektrum der 6 ist darüber hinaus ersichtlich, dass die 10 ein um 1550 nm zentriertes Band für die Signalstrahlung besitzt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Band eine Breite von ungefähr 80 nm besitzt. Die Vorrichtung 10 kann somit abgestimmt werden, um Signalstrahlungen mit in einem Intervall von ungefähr 80 nm enthaltenen Wellenlängen spektral zu invertieren.
Indem die Werte für n1–n4, L1–L4 und N geeignet ausgewählt werden, ist die Vorrichtung 10 der Erfindung somit in der Lage einen spektralen Inverter unter Phase-Matching-Bedingungen und mit einer Abstimmbarkeit der Frequenz ω_s der Signalstrahlung zu realisieren.
Z. B. kann ein solcher spektraler Inverter verwendet werden, um die chromatische Dispersion eines Signals oder eines Rasters (Folge) von WDM-Signalen in einer optischen Kommunikationsleitung oder einem optischen Kommunikationssystem zu kompensieren. Im letzteren Fall müssen sowohl der Frequenzabstand zwischen benachbarten Transmissionspitzen der Vorrichtung 10 als auch der Frequenzabstand des Rasters der WDM-Signale im Wesentlichen gleich Δω sein.
Ein Beispiel eines spektralen Inversionsvorgangs eines Rasters von WDM-Signalen in Bezug auf eine Frequenz ω ist schematisch in 9 dargestellt.
In dieser Figur bezeichnet die Bezugsziffer 310 das Raster der zu invertierenden WDM-Signale, während die Bezugsziffer 320 das erzeugte Raster der WDM-Signale bezeichnet. Die spektral zu invertierende WDM-Signale besitzen Frequenzen ω_s1, ω_s2...ω_sn, die jeweils gleich ω + Δω, ω + 2 Δω,..., ω + nΔω sind, während die erzeugten WDM-Signale Frequenzen ω_g1, ω_g2,..., ω_gn besitzen, die jeweils gleich ω – Δω, ω – 2Δω,..., ω – nΔω sind.
Es wurde festgestellt, dass in der Vorrichtung 10, die zum Durchführen des spektralen Inversionsvorgangs ω_g = ω_p – ω_s unter Phase-Matching-Bedingungen konzipiert ist, wobei ω_p = 2ω, ω_s = ω + Δω und ω_g = ω – Δω, die Phase-Matching-Bedingung auch für Signale mit den Frequenzen ω + 2Δω,..., ω + nΔω auftritt.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung 10, die konzipiert ist, um einen spektralen Inverter zu realisieren, verwendet werden, um die Raman-Verstärkung in einer optischen Kommunikationsleitung oder einem optischen Kommunikationssystem zu entzerren (auszugleichen), ähnlich beispielsweise dem, was von A. G. Grandpierre et al. („Stimulated Raman Scattering Cancellation in Wavelength-Division-Multiplexed Systems via Spectral Inversion", OFC 2000, Tu-A5-1/15–Tu-A5-3/17) beschrieben wird.
Wir werden nun den Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 als Frequenzwandler in Betracht ziehen, der den parametrischen Prozess zur Erzeugung der Differenzfrequenz durchführt, bei dem ω_p = 2ω, ω_s = ω + Δω und ω_g = ω – Δω.
Indem wir die oben beschriebenen Bedingungen i)–iii) in Betracht ziehen, um eine Frequenzwandlervorrichtung unter Phase-Matching-Bedingungen und mit einer Abstimmbarkeit der Frequenz ω der Signalstrahlung und der Frequenz ω_p der Pumpstrahlung zu realisieren, muss die Phase Φ_2ω der Pumpstrahlung einer Frequenz 2ω am Ausgang der Vorrichtung und die Phase Φ_ω der Strahlung an der Frequenz ω am Ausgang der Vorrichtung die folgenden Beziehungen erfüllen:

d) Φ2ω = 2Φω
e) Φ2ω = (M2ω·N ± j2ω)·π
f) Φω = (Mω·N ± jω)·π

_2ω

_ω

9

10

15

_2ω

_ω

_2ω

_ω

Die Bedingung d) sorgt dafür, dass die Phase-Matching-Bedingung erfüllt ist, die Bedingung e) sorgt dafür, dass die Pumpstrahlung einer Frequenz 2ω sich in einem Transmissionsband an einer Transmissionsspitze befindet, und die Bedingung f) sorgt dafür, dass die Strahlung mit der Frequenz ω sich in einem Transmissionsband an einer Transmissionsspitze befindet.
Insbesondere erlauben es die Bedingungen e) und f), die Abstimmbarkeit der Signal- und der Pumpstrahlung zu erhalten.
Indem die Beziehungen e) und f) in die Beziehung d) eingesetzt werden, erhalten wir, dass die obigen Beziehungen d)–f) erfüllt sind, wenn M2ω = 2·Mω (C) und j2ω = 2·jωM2ω = 2·Mω (C) und j2ω = 2·jω (D)(D)
Die Beziehung (C) zeigt an, dass die Ordnung der Bandlücke in der Nähe der Frequenz 2ω und die Ordnung der Bandlücke in der Nähe der Frequenz ω nicht voneinander unabhängig sind. Um eine gute Abstimmbarkeit der Pump- und Signalstrahlung zu erhalten, zeigt die Beziehung (D) wiederum, dass die Frequenz 2ω bevorzugt in einer Transmissionsspitze liegen muss, welche im Wesentlichen in der Mitte eines Transmissionsbands liegt, während die Frequenz ω bevorzugt in einer Transmissionsspitze liegen muss, die im Wesentlichen an einem Viertel eines Transmissionsbands liegt.
Wenn beispielsweise die Anzahl N der einheitlichen Zellen 15 gleich 20 ist und die Frequenz ω sich in der Nähe der ersten Bandlücke (M_ω = 1) und an der fünften Transmissionsspitze (j_ω = 5) befindet, ergibt sich aus den Beziehungen (C) und (D), dass die Frequenz 2ω sich in der Nähe der zweiten Bandlücke (M_2ω = 2) und an der zehnten Transmissionsspitze (j_2ω = 10) eines Transmissionsbands in der Nähe der zweiten Bandlücke befinden muss.
Indem diese Werte für M_ω, M_2ω, N, j_2ω und j_ω in die Beziehungen b) und c) eingesetzt werden, bemerkt man, dass die Phase-Matching-Bedingung a) erfüllt ist, wenn Φ_2ω = 30 π oder 50 π und wenn Φ_ω = 15 π oder 25 π.
Damit die Vorrichtung 10 eine Frequenzwandlung unter Phase-Matching-Bedingungen und mit einer Abstimmbarkeit der Signalfrequenz ω_s und der Pumpfrequenz ω_p realisiert, müssen die Werte für n1–n4 und L1–L4 der Vorrichtung 10 so ausgewählt werden, dass das Transmissionsspektrum der photonischen Kristallstruktur 9 die obigen Verhältnisse (C) und (D) erfüllt.
Beispielsweise können die Werte für n1–n4 und L1–L4, die es erlauben, die Beziehungen (C) und (D) zu erfüllen, durch die Maxwell-Gleichungen der Lichtausbreitung in einem photonischen Kristall bestimmt werden.
Durch Simulationen mit einem Rechner wurden die Werte L1–L4 für den oben in Bezug auf die 4 und 5 beschrieben Wellenleiter 1 bestimmt, wobei als Frequenz 2ω und ω die Werte in Betracht gezogen wurden, die den Wellenlängen 775 nm bzw. 1550 nm entsprechen, als Werte für n1 an den interessierenden Wellenlängen die Werte des effektive Brechungsindex des Wellenleiters 1 bei 1550 nm und 775 nm in Betracht gezogen wurden und als Werte für n2 an den interessierenden Wellenlängen der Brechungsindex von Luft in Betracht gezogen wurde (welcher bei 1550 nm und 775 nm derselbe ist).
Die folgenden Werte für L1–L4 ergaben sich aus den Simulationen:

L1 = 0,0315 μm
L2 = 0,100 μm
L3 = 0,121 μm
L4 = 0,100 μm

D. h., dass die Gesamtlänge (L1 + L2 + L3 + L4) jeder einheitlichen Zelle 15 ungefähr 0,6365 μm betrug.
Darüber hinaus haben diese Simulationen gezeigt, dass eine Vorrichtung 10, welche einheitliche Zellen 15 mit den obigen Werten für n1, n2 und L1–L4 umfasst, in einem ungefähr 100 nm breiten und um 1550 nm zentrierten Band eine Konversionseffizienz von ungefähr –40 dB für eine Länge von ungefähr 273 μm, eine Effizienz von ungefähr –18 dB für eine Länge von ungefähr 3 mm und eine Effizienz von ungefähr –6 dB für eine Länge von ungefähr 1 cm besitzt.
Die Effizienz dieser Vorrichtung ist geringer als die der zuvor beschriebenen Vorrichtung, weil in dieser Art von Anwendung, bei der es notwendig ist, dass sowohl die Signalstrahlung als auch die Pumpstrahlung abstimmbar sind (d. h. sie müssen sich innerhalb eines Transmissionsbands befinden), das Verstärkungsphänomen, das in einer photonischen Kristallstruktur auftritt, wenn die Pump- und/oder Signalstrahlung sich an einer Bandkante befindet, nicht ausgenutzt wird.
Durch die Simulationen wurde das Transmissionsspektrum (D) in Funktion der Wellenlänge λ (7a) und der Frequenz F (7b) des Wellenleiters 1 mit den obigen Werten für n1, n2, L1–L4 erhalten, und zwar im Fall N = 13.
Wie aus den 7a und 7b ersichtlich ist, sind die Bänder eines solchen Spektrums nicht stetig, d. h. sie bestehen aus einer Vielzahl von Transmissionsspitzen (insbesondere bestehen sie im dargestellten Fall aus 12 Transmissionsspitzen). Somit muss die Vorrichtung 10 so konzipiert werden, dass die Frequenz ω + Δω (ω_s) der Signalstrahlung und die Frequenz ω – Δω (ω_g) der erzeugten Signalstrahlung sich an einer Transmissionsspitze befinden. Insbesondere muss die Anzahl N der einheitlichen Zellen 15 der Vorrichtung 10 so ausgewählt werden, dass der Frequenzabstand zwischen zwei Transmissionsspitzen desselben Transmissionsbands gleich Δω ist.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Transmissionsspektrum der 7b die obigen Beziehung (C) und (D) erfüllt.
Aus dem Spektrum der 7a kann darüber hinaus bemerkt werden, dass die Vorrichtung 10 ein um 550 nm zentriertes Band für die Signalstrahlung (für das eine Breite von ungefähr 100 nm bestimmt wurde) und ein 750 nm zentriertes Band für die Pumpstrahlung (für das eine Breite von ungefähr 20 nm bestimmt wurde) besitzt. Die Vorrichtung 10 kann somit abgestimmt werden, um Signalstrahlungen mit Wellenlängen umzuwandeln, die in einem Intervall von ungefähr 100 nm um 1550 nm herum enthalten sind, unter Verwendung von Pumpstrahlungen mit Wellenlängen, die in einem Intervall von ungefähr 20 nm um 775 nm herum enthalten sind.
Indem die Werte für n1–n4, L1–L4 und N geeignet ausgewählt werden, ist die Vorrichtung 10 der Erfindung somit in der Lage, einen Frequenzwandler unter Phase-Matching-Bedingungen und mit einer Abstimmbarkeit der Frequenz ω_s der Signalstrahlung und der Frequenz ω_p der Pumpstrahlung durchzuführen.
Z. B. kann ein solcher Frequenzwandler verwendet werden, um einen Wellenlängenkonflikt in einem Knoten eines optischen WDM-Netzwerks zu verhindern, bei dem Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen zu andere Knoten des Netzwerks gelenkt werden (S. J. B. Yoo, „Wavelength Conversion Technologie for WDM Network Applications", Journal of Lightwave Technology, Band 14, Nr. 6, Juni 1996, Seiten 955–966).
Tatsächlich kann es in einem solchen Knoten passieren, dass zwei Signale mit derselben Wellenlänge (oder Frequenz) zum selben Ausgang hingelenkt werden müssen, was die Notwendigkeit einer geeigneten Vorrichtung implizieren würde, um die Wellenlänge eines der beiden Signale in eine andere Wellenlänge umzuwandeln, bevor die beiden Signale zum selben Ausgangsknoten gelenkt werden.
Aus den obigen Beispielen ist offensichtlich, dass die Vorrichtung 10 der Erfindung es erlaubt, einen parametrischen Prozess unter Phase-Matching-Bedingungen und entsprechend der für die Vorrichtung erforderlichen Anwendung durchzuführen.
Indem die allgemeine Beschreibung der Vorrichtung 10 wieder aufgenommen wird, umfasst diese typischerweise auch eine Pumpquelle (nicht gezeigt), die geeignet ist, um der photonischen Kristallstruktur 9 eine Pumpstrahlung der Frequenz ω_p bereitzustellen.
Typischerweise ist die Pumpquelle eine herkömmliche Laserquelle.
In der bevorzugten Ausführungsform, in welcher die periodische Struktur 9 als Wellenleiter realisiert wird, sind die Pumpquelle und der Wellenleiter 1 der Vorrichtung 10 vorteilhafterweise auf demselben Substrat (z. B. aus GaAs) integriert.
Um auf demselben Substrat die Laserquelle mit einer Emissionsfrequenz ω_p sowie den Wellenleiter 1 zu realisieren, der an der Frequenz ω_p transparent ist, ist es möglich, die SEA-Methode (Selective Area Epitaxy-Methode) – beschrieben von J. Coleman („Metalorganic Chemical Vapor Deposition for Optoelectronic devices", Proc. of IEEE, Band 85, Nr. 11, November 1997, Seiten 1715–1729) – oder die bekannte Ionenimplantationsmethode zu verwenden.
Die auf dem Substrat realisierte Laserquelle ist vorteilhafterweise eine DFB-Laserquelle – z. B. beschrieben von N. A. Morris et al. („Single Mode Distributed-Feedback 761 nm GaAs-AlGaAs Quantum-Well Laser", IEEE, PTL, 1995)- oder eine DBR-Laserquelle mit einem aktiven Bereich, der zwischen zwei Bragg-Gittern liegt.
Wenn die Vorrichtung 10 konzipiert wurde, um eine Frequenzumwandlung unter Abstimmbarkeitsbedingungen der Frequenz ω_p der Pumpstrahlung durchzuführen, ist die Pumpquelle bevorzugt in ihrer Wellenlänge (oder Frequenz) abstimmbar.
Beispiele von abstimmbaren Pumpquellen sind z. B. von N. A. Morris et al. („Single-Mode Distributed-Feedback 761-nm GaAs-AlGaAs Quantum-Well Laser", IEEE Photonics Technology Letters, Band 7, Nr. 5, Mai 1995, Seiten 455–457), von K. Kobayashi et al. („Single Frequency and Tunable Laser Diodes", Journal of Lightwave Technology, Band 6, Nr. 11, November 1988, Seiten 1623–1633) und von G. Sarlet et al. ("Control of Widely Tunable SSG-DBR Lasers for Dense Wavelength Division Multiplexing", Journal of Lightwave Technology, Band 18, Nr. 8, August 2000, Seiten 1128–1138) beschrieben.
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 10 auch vorteilhafterweise einen optischen Filter (nicht gezeigt), der geeignet ist, um die erzeugte Strahlung mit der Frequenz ω_g aus der Vorrichtung 10 austreten zu lassen und die restliche Pump- und wahlweise die restliche Signalstrahlung zu unterdrücken.
Darüber hinaus besitzt die Vorrichtung 10 vorteilhafterweise zwei Glasfaserabschnitte (Faser-Pigtails), die an ihrem Eingang und ihrem Ausgang angeschlossen sind, um ihre Verbindung mit anderen Glasfaservorrichtungen zu erleichtern.
10 zeigt eine erfindungsgemäße optische Kommunikationsleitung 23, die eine optische Übertragungsfaserlänge 25 und eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst.
Die optische Übertragungsfaserlänge 25 ist ein Teil einer herkömmlich für optische Kommunikation verwendeten optischen Faser. Typischerweise ist sie ein Teil einer Single-Mode-Glasfaser an den interessierenden Wellenlängen.
Die optische Transmissionsfaserlänge 25 kann sowohl in einem Fernübertragungssystem als auch in Verteilernetzwerken, wie z. B. Zugangsnetzwerken, verwendet werden.
Gemäß den Anwendungen umfasst die optische Kommunikationsleitung 23 auch einen optischen Verstärker (nicht gezeigt).
Z. B. ist der optische Verstärker ein herkömmlicher optischer Verstärker und umfasst einen Teil einer Erbium-dotierten aktiven optischen Faser sowie eine Pumpquelle (z. B. eine Laserquelle), um die aktive optische Faser an einer Pumpwellenlänge λ_p zum Pumpen.
Typische Beispiele für Wellenlängewerte λ_p des Pumpsignals sind im Fall der Erbium-dotierten aktiven optischen Faser gleich ungefähr 980 und 1480 nm.
Darüber hinaus kann der optische Verstärker wahlweise mehr als eine optische Verstärkerstufe umfassen.
Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform umfasst die Kommunikationsleitung 23 der Erfindung eine Vielzahl von optischen 25, eine Vielzahl von zwischen eine und die nächste Länge der optischen Übertragungsfaser 25 zwischengestellten optischen Verstärkern und mindestens einen erfindungsgemäßen spektralen Inverter 10, der beispielsweise dafür konzipiert ist, zumindest teilweise die chromatische Dispersion der Vielzahl von optischen Übertragungsfaserlängen 25 zu kompensieren.
Im Allgemeinen kann die Vorrichtung 10 der Erfindung am Anfang, am Ende oder innerhalb der optischen Kommunikationsleitung 23 angeordnet werden. Im Fall der Anwendung als spektraler Inverter kann sie z. B. in die Mitte der optischen Transmissionsfaserlänge 25 eingesetzt werden, wie von M. H. Chou („Efficient Wide-Band and Tunable Midspan Spectral Inverter Using Cascaded Nonlinearities in LiNbO₃ Waveguides", IEEE Photonics Technology Letters, Band 12, Nr. 1, Januar 2000, Seiten 82–84) beschrieben wird.
11 zeigt ein erfindungsgemäßes optisches Kommunikationssystem 20, das eine Sendestation 22 zur Bereitstellung eines optischen Signals mit einer. Signalwellenlänge λ (entsprechend einer Frequenz ω_s), eine Empfangsstation 24 zum Empfangen eines optischen Signals und eine optische Kommunikationsleitung 23 zum Übertragen des optischen Signals umfasst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Kommunikationssystem 20 ein WDM-System.
In diesem Fall ist die Übertragungsstation 22 eine herkömmliche WDM-Anlage, die geeignet ist, N optische Signale mit Wellenlängen λ1, λ2...λN, die sich voneinander unterscheiden (und Frequenzen ω_s1, ω_s2...ω_sN entsprechen) bereitzustellen, sie in der Wellenlänge zu multiplexen und sie in die optische Kommunikationsleitung 23 zu senden.
Darüber hinaus umfasst die Übertragungsstation 22 auch einen optischen Leistungsverstärker (nicht gezeigt) (Booster), um das optische WDM-Signal zu verstärken, bevor es entlang der Leitung 23 gesendet wird (oder eine gewisse Anzahl von optischen Leistungsverstärkern in paralleler Anordnung, um optische Signale, die in unterschiedlichen Wellenlängenbänder liegen, zu verstärken).
Solche Wellelängen λ1, λ2...λN werden typischerweise in einem Wellenlängenbereich ausgewählt, der zwischen 1500 nm und 1600 nm liegt.
Die Empfangsstation 24 umfasst eine herkömmliche Anlage, die geeignet ist, um ein optisches WDM-Signal an ihrem Eingang zu demultiplexen und die demultiplexten optischen Signale zu optionalen weiteren Verarbeitungsstufen zu senden. Darüber hinaus umfasst die Empfangsstation 24 typischerweise auch einen optischen Vorverstärker (nicht gezeigt), der geeignet ist, um das optische WDM-Signal auf einen geeigneten Leistungspegel zu bringen, damit er von der Empfangsanlage empfangen wird (oder eine gewisse Anzahl von optischen Vorverstärkern in paralleler Anordnung, um die optischen Signale, die in unterschiedlichen Wellenlängenbändern liegen, zu verstärken).
Gemäß den Anwendungen umfasst die Leitung 23 eine Vielzahl herkömmlicher optischer Verstärker (nicht gezeigt), um ein Signal zu verstärken, dass aus einem stromaufwärts gelegenen Teil der Leitung kommt, in dem das Signal sich während seiner Ausbreitung entlang der Leitung abgeschwächt hat, und es in einen stromabwärts gelegenen Teil der Leitung zu senden.
Alternativ kann die Leitung 23 anstatt jedes optischen Verstärkers eine Anzahl von parallel angeordneten optischen Verstärkern umfassen, um die in unterschiedlichen Wellenlängenbändern liegenden optischen Signale zu verstärken. Z. B. kann das System 20 ein unterseeisches optisches Kommunikationssystem sein, bei dem die Leitung 23 eine Vielzahl von Spannen (nicht gezeigt) umfasst, die jeweils die Übertragungsstation 22 mit dem ersten optischen Verstärker, diesem Verstärker mit dem nächsten, und den letzten Verstärker mit der Empfangsstation 24 verbinden.
Jede Spanne umfasst z. B. ein Kabel aus optischer Übertragungsfaser 25 und eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Alternativ umfasst jede Spanne ein Kabel aus optischer Übertragungsfaser 25 und die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 wird lediglich in die letzte Spanne vor der Empfangsstation 24 und/oder in einigen Spannen, entsprechenden Anwendungen, eingesetzt.
Die Vorrichtung 10 der Erfindung mit dem Transmissionsspektrum der 6 kann beispielsweise verwendet werden, um die chromatische Dispersion der optischen Transmissionsfaserlängen 25 in einem 80 nm breiten und um ungefähr 1550 nm herum zentrierten Wellenlängenband zu kompensieren.

Claims

Periodische eindimensionale photonische Kristallstruktur (9) zum Durchführen eines parametrischen Prozesses, umfassend eine Vielzahl von einheitlichen Zellen (15), die entlang einer vorbestimmten Richtung aufeinander folgen, wobei jede einheitliche Zelle (15) umfasst: – eine erste Schicht (11) mit einem ersten Brechungsindex n1 und einer ersten Länge L1; – eine zweite Schicht (12) mit einem zweiten Brechungsindex n2, wobei n1 von n2 verschieden ist, und einer zweiten Länge L2; – eine dritte Schicht (13) mit einem dritten Brechungsindex n3, wobei n3 von n2 verschieden ist, und einer dritten Länge L3; und – einer vierten Schicht (14) mit einem vierten Brechungsindex n4, wobei n4 von n1 und von n3 verschieden ist, und einer vierten Länge L4, wobei die periodische Abwechslung der ersten, zweiten, dritten und vierten Schicht (11, 12, 13, 14) die periodische photonische Kristallstruktur bildet; wobei zumindest eine unter der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Schicht (11, 12, 13, 14) eine Nichtlinearität der χ₂- oder χ₃-Art besitzt; die erste, zweite, dritte und vierte Schicht (11, 12, 13, 14) Seite an Seite zueinander in einem ebenen Element liegen; die erste und die dritte Schicht (11, 13) aus demselben Material bestehen und die zweite und die vierte Schicht (12, 14) aus einem gasförmigen Element bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: a) L1 ist von L3 verschieden; oder b) L2 ist von L4 verschieden.
Struktur (9) nach Anspruch 1, wobei die zweite und die vierte Schicht (12, 14) der einheitlichen Zellen (15) aus demselben Material bestehen.
Struktur (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brechungsindexdifferenzen n1 – n2 und n3 – n4 mindestens gleich 0,2 sind.
Struktur (9) nach Anspruch 3, wobei die Brechungsindexdifferenzen n1 – n2 und n3 – n4 mindestens gleich 0,4 sind.
Struktur (9) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei das gasförmige Element aus Luft besteht.
Struktur (9) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das ebene Element ein Material mit einem Brechungsindex n1 und einer Nichtlinearität der χ₂- oder χ₃-Art umfasst und es Einschnitte besitzt, die vorbestimmte Tiefen und Längen besitzen und geeignet voneinander beabstandet sind, um die zweite und vierte Schicht (12, 14) der einheitlichen Zellen (15) zu bilden, bestehend aus einem gasförmigen Element, und die erste und dritte Schicht (11, 13) der einheitlichen Zellen (15) mit Brechungsindex n1 und Längen L1 und L3 zu bilden.
Struktur (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das ebene Element ein ebener optischer Wellenleiter (1) ist.
Struktur (9) nach Anspruch 7, wobei der Wellenleiter (1) geeignet ist, um eine Einmoden-Ausbreitung bei den Frequenzen der im parametrischen Prozess vorkommenden Strahlungen zu garantieren.
Struktur (9) nach Anspruch 6 und 7, wobei die Einschnitte eine solche Tiefe besitzen, um es den sich im Wellenleiter (1) ausbreitenden Strahlungsausbreitungsmoden zu erlauben, sich teilweise in den Einschnitten auszubreiten.
Struktur (9) nach Anspruch 9, wobei die Einschnitte eine solche Tiefe besitzen, dass sie es den sich im Wellenleiter ausbreitenden Strahlungsausbreitungsmoden erlauben, sich vollständig in den Einschnitten auszubreiten.
Struktur (9) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Wellenleiter (1) ein Substrat (2), einen ersten Mantelbereich (6), einen Kern (4), einen zweiten Mantelbereich (3) und eine Leiste (5) umfasst.
Struktur (9) nach Anspruch 6 und 7, wobei die Einschnitte eine solche Tiefe haben, dass sie in den Wellenleiter (1) bis zum zweiten Mantelbereich (3) einschneiden.
Struktur (9) nach Anspruch 12, wobei die Einschnitte eine solche Tiefe haben, dass sie mindestens teilweise auch in das Substrat (2) einschneiden.
Struktur (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei in einem parametrischen Prozess, in welchem eine Pumpstrahlung an der Frequenz ω_p = 2ω mit einer Signalstrahlung an der Frequenz ω_s wechselwirkt, wobei ω_s = ω + Δω, um eine Strahlung an der Frequenz ω_g zu erzeugen, wobei ω_g = ω_p – ω_s = ω – Δω, – n1, n2, n3, n4, L1, L2, L3, L4 so ausgewählt werden, dass die photonische Kristallstruktur (9) – eine Bandlücke der Größenordnung M_2ω in der Nähe der Frequenz 2ω und eine Bandlücke der Ordnung M_ω in der Nähe der Frequenz ω besitzt, sodass die folgende Beziehung erfüllt ist: M_2ω= 2_Mω+ 1 wobei M_2ω und M_ω zwei ganze Zahlen sind; und – ein Transmissionsband mit einer j_ω-ten Transmissionsspitze an der Frequenz ω besitzt, sodass die folgende Beziehung erfüllt ist: j_ω = (N ± 1)/2 wobei j_ω eine ganze Zahl zwischen 1 und N-1 ist und N die Anzahl der einheitlichen Zellen (15) ist; – die Anzahl N der einheitlichen Zellen (15) eine ungerade Zahl ist; und – die Anzahl N der einheitlichen Zellen (15) so ausgewählt ist, dass der Frequenzabstand zwischen benachbarten Transmissionsspitzen eines Transmissionsbands der periodischen photonischen Kristallstruktur (9) im Wesentlichen gleich Δω ist.
Struktur (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei in einem parametrischen Prozess, in welchem eine Pumpstrahlung an der Frequenz ω_p = 2ω mit einer Signalstrahlung an der Frequenz ω_s wechselwirkt, wobei ω_s = ω + Δω, um eine Strahlung an der Frequenz ω_g zu erzeugen, wobei ω_g = ω_p – ω_s = ω – Δω, – n1, n2, n3, n4, L1, L2, L3, L4 so ausgewählt werden, dass die im Wesentlichen periodische pohotonische Kristallstruktur – eine Bandlücke der Ordnung M_2ω in der Nähe der Frequenz 2ω und eine Bandlücke der Ordnung M_ω in der Nähe der Frequenz ω besitzt, sodass die folgende Beziehung erfüllt ist: M_2ω = 2M_ω, wobei M_2ω und M_ω zwei ganze Zahlen sind; und – ein Transmissionsband mit einer j_ω-ten Transmissionsspitze an der Frequenz ω und ein Transmissionsband mit einer j_2ω-ten Transmissionsspitze an der Frequenz 2ω besitzt, sodass die folgende Beziehung erfüllt ist: j₂ω = 2j_ω wobei j_ω und j_2ω ganze Zahlen zwischen 1 und N-1 sind und N die Anzahl der einheitlichen Zellen (15) ist, und – die Anzahl N der einheitlichen Zellen (15) so gewählt ist, dass der Frequenzabstand zwischen benachbarten Transmissionsspitzen eines Transmissionsbandes der periodischen photonischen Kristallstruktur (9) im Wesentlichen gleich Δω ist.
Struktur (9) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei der Brechungsindex n1 der effektive Brechungsindex des Wellenleiters (1) ist.
Optische Vorrichtung (10) zum Durchführen eines parametrischen Prozesses gemäß dem eine Pumpstrahlung an der Frequenz ω_p eine Strahlung an der Frequenz ω_g erzeugt, indem sie mit mindestens einer Signalstrahlung an der Frequenz ω_s wechselwirkt, umfassend: – eine periodische eindimensionale photonische Kristallstruktur (9) gemäß einem der Ansprüche bis 16, wobei n1, n2, n3, n4, L1, L2, L3, L4 so ausgewählt sind, dass sie den parametrischen Prozess unter Phasenanpassungsbedingungen durchführen; – ein erstes Mittel zum Senden der mindestens einen Signalstrahlung von der Frequenz ω_s entlang der periodischen Struktur (9); – ein zweites Mittel zum Bereitstellen der Pumpstrahlung an der Frequenz ω_p an die periodische Struktur (9); – ein Ausgabemittel, das geeignet ist, um die erzeugte Strahlung einer Frequenz ω_g aus der periodischen Struktur (9) austreten zu lassen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 17, auch eine Pumpquelle umfassend, die geeignet ist, eine Pumpstrahlung an der Frequenz ω_p der periodischen photonischen Kristallstruktur (9) zur Verfügung zu stellen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 18, wobei die Pumpquelle abstimmbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 18, wobei die photonische Kristallstruktur gemäß Anspruch 7 ist und wobei die Pumpquelle und der Wellenleiter (1) in einem selben Substrat (2) integriert sind.
Optische Kommunikationsleitung (23) mit einer optischen Transmissionsfaserlänge (25) zum Übertragen von mindestens einer Signalstrahlung einer Frequenz ω_s und einer optischen Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, die mit der optischen Faserlänge (25) verbunden ist, um einen parametrischen Prozess durchzuführen, gemäß dem eine Pumpstrahlung an der Frequenz ω_p eine Strahlung einer Frequenz ω_g erzeugt, indem sie mit der mindestens einen Signalstrahlung an der Frequenz ω_s wechselwirkt.
Optisches Kommunikationssystem (20), umfassend – eine Übertragungsstation (22) zum Bereitstellen von mindestens einer Signalstrahlung der Frequenz ω_s; – eine optische Kommunikationsleitung (23), die mit der Übertragungsstation (22) verbunden ist, um die mindestens eine Signalstrahlung zu übertragen; – eine Empfangsstation, die mit der optischen Kommunikationsleitung (23) verbunden ist; – eine optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20 zum Durchführen eines parametrischen Prozesses, gemäß dem eine Pumpstrahlung einer Frequenz ω_p eine Strahlung einer Frequenz ω_g erzeugt, indem sie mit mindestens einer Signalstrahlung einer Frequenz ω_s wechselwirkt.
Optisches Kommunikationssystem (20) gemäß Anspruch 22, wobei die Übertragungsstation (22) geeignet ist, um n optische Signale bereitzustellen, wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist, wobei die optischen Signale voneinander verschiedene Frequenzen ω_s1, ω_s2... ω_s, besitzen, um sie in ein einziges optisches WDM-Signal Wellenlängen zu mulitplexen und das optische Signal entlang der optischen Kommunikationsleitung (23) zu senden.
Verfahren zum Erzeugen einer Strahlung an der Frequenz ω_g durch einen parametrischen Prozess, und zwar durch Wechselwirkung einer Pumpstrahlung an der Frequenz ω_p mit mindestens einer Signalstrahlung einer Frequenz ω_s, umfassend die folgenden Schritte: a) Einführen der Strahlungen an den Frequenzen ω_s und ω_p in eine periodische photonische Kristallstruktur (9) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei n1, n2, n3, n4, L1, L2, L3, L4 solche Werte besitzen, dass sie den parametrischen Prozess unter Phasenanpassungsbedingungen durchführen; b) Zuführen der Strahlung einer Frequenz ω_g, die in der Struktur (9) erzeugt wurde, an eine Ausgabe.