DE60215096T2

DE60215096T2 - Optisches Verarbeitungssystem

Info

Publication number: DE60215096T2
Application number: DE60215096T
Authority: DE
Inventors: c/o Fujitsu Limited Mitsuru Kawasaki-shi Sugawara
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JP2003110533A; EP1298827A3; US20030058500A1; EP1298827A2; DE60215096D1; EP1298827B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optische Signale verarbeitendes System und insbesondere auf ein optische Signale verarbeitendes System, das für eine optische Datenübertragung über lange Distanzen und mit hohem Verkehrsaufkommen etc. verfügbar ist
Das optische Datenübertragungssystem mit Wellenlängenmultiplexing-Betrieb (WDM) wurde als optisches Datenübertragungssystem in einem optischen Netzwerk mit hohem Verkehrsaufkommen entwickelt. Das optische Datenübertragungssystem mit optischem Zeitmultiplexing-Betrieb (OTDM), das auf die optische Datenübertragung mit hohem Verkehrsaufkommen zielt, oder das optische Datenübertragungssystem mit Zeit-Wellenlängenmultiplexing-Betrieb (TWDM), in welchem das optische WDM-Datenübertragungssystem und das optische OTDM-Datenübertragungssystem miteinander kombiniert sind, wurden vorgeschlagen. Die Forschung und Entwicklung dieser Systeme ist im Gange.
Das optische WDM-Datenübertragungssystem erhöht die Signaldichte durch Wellenlängenmultiplexieren des Signallichts (Lichtsignals). Das Zeitteilungssystem wie z.B. OTDM oder TWDM neigt auch dazu, die Signaldichte des gepulsten Lichts zu erhöhen, das eine sehr enge Zeitbreite der gleichen Wellenlänge aufweist.
Das WDM hat eine Konfiguration wie z.B. in 1 gezeigt und das OTDM hat eine Konfiguration, wie z.B. in 2. gezeigt ist.
In 1 und 2 ist ein Multiplexer (MUX) 101, der Lichtquellensignale verschiedener Wellenlängen optisch multiplexiert, über ein 2R/3R-Element 102, einen optischen Add-Drop-Multiplexer (OADM) 103 und eine optische Faser 104 mit einem Demultiplexer (DEMUX) 105 verbunden.
Das 2R/3R-Element 102 ist ein Regenerator des optischen Signals und kann entweder ein 3R-regenerierendes Element, das drei Funktionen eines Regenerierens, Umformens und zeitlichen Korrigierens (engl. retiming) aufweist, oder ein 2R-regenerierendes Element sein, das zwei Funktionen eines Regenerierens und Umformens aufweist. Der optische Add-Drop-Multiplexer 103 ist ein optisches Schaltsystem, das das optische Signal für jede Wellenlänge ohne Umwandlung in ein elektrisches Signal beliebig addieren oder abzweigen kann.
In dem in 1 dargestellten optischen WDM-Datenübertragungssystem werden optische Signale mit mehreren Wellenlängen λ₁, λ₂, ... λ_n durch den Multiplexer 101 ohne Zeitteilung mehrfach multiplexiert. Diese optischen Signale λ₁, λ₂, ... λ_n werden bei jeder Wellenlänge durch den Demultiplexer 105 demultiplexiert.
In dem in 2 dargestellten optischen OTDM-Datenübertragungssystem werden mehrere optische Signale T₁, T₂, T₃, T₄ der gleichen Wellenlänge, die einer Zeitteilung unterzogen werden, durch den Multiplexer 101 multiplexiert und dann durch den Demultiplexer 105 demultiplexiert.
Ein optische Signale verarbeitendes System, das eine Signalverarbeitung wie z.B. Relaisverarbeitung oder Weiterleiten, Multiplexieren, Demultiplexieren, Routing etc. der optischen Signale in der Mitte der optischen Übertragung ausführen kann, ebenso wie eine Hochgeschwindigkeits-Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen, ist unverzichtbar, um das Verkehrsaufkommen durch Verwenden der obigen Datenübertragungssysteme zu erhöhen.
Um eine optische Signalverarbeitung durchzuführen, wurde früher das Verfahren eines Umwandelns des optischen Signals in ein elektrisches Signal und anschließenden Verarbeitens eines solchen elektrischen Signals verwendet.
In dem regenerativen 3R-Relaissystem beispielsweise wird zuerst das optische Signal detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt, und anschließend wird die Umformung in der elektrischen Domäne angewendet. Der Takt (Sinuswelle der Frequenz der Bitrate) wird dann aus dem umgeformten Signal extrahiert, und danach wird ein zeitliches Korrigieren ausgeführt, um die Zeitsteuerung zu entscheiden, bei der eine An-Aus-Entscheidung gemäß dem Takt getroffen wird. Die Regenerierung, bei der ein solches An-Aus unterschieden und die Lichtquelle wieder basierend auf diesem unterscheidenden Signal moduliert wird, um das starke Licht auszusenden, wird ausgeführt. Die drei Funktionen Umformen, zeitliches Korrigieren und Regenerieren werden die 3R-Funktionen genannt.
Gegenwärtig entwickelt sich die optische Verstärkungstechnologie weiter, die das optische Signal wie es ist durch Verwenden einer mit Erbium (ER) dotierten optischen Faser etc. verstärken kann, und folglich kann das optische Signal ohne dessen Umwandlung in die elektrische Domäne weitergeleitet werden. Diese Technologie kann einen Signalverlust kompensieren, weist im Gegensatz zum obigen 3R-regenerativen Leitungsverstärker oder Repeater nicht die Funktionen zeitliches Korrigieren und Umformen auf. Als Folge akkumulieren sich eher eine Wellenformverzerrung und Impuls-Jitter in bestehenden rein optischen (analogen) Systemen. Im Gegensatz zu einem solchen Mangel weist, da keine optische-elektrische Umwandlung ausgeführt wird, eine optische Verstärkung den Vorteil auf, dass mit hoher Geschwindigkeit modulierte Signale ohne Beschränkungen aufgrund der Geschwindigkeit elektronischer Schaltungen weitergeleitet werden können, und den Vorteil, dass Signale mit mehreren Wellenlängen (Multikanal), die in dem WDM genutzt werden, gleichzeitig verarbeitet werden können.
Die optische Verstärkungstechnologie ist ausreichend, falls das Multiplexieren in Zeit/Wellenlängendomänen keine zu hohe Dichte aufweist, und folglich wird diese Verstärkungstechnologie mit optischen Fasern gegenwärtig in der optischen Datenübertragung weit verbreitet verwendet.
In Zukunft wird jedoch die Aufgabe eines Regenerierens des optischen Impulses schnell wachsen, insbesondere mit dem Fortschritt eines Multiplexierens in der Zeitdomäne. Folglich wird eine Technologie benötigt, die dieser Aufgabe gewachsen ist. Um ein Multiplexieren in der Zeitdomäne zu verbessern, werden z.B. eine Reduzierung der Impulsbreite, eine Erhöhung der Bitrate, eine Reduzierung der Energie der optischen Impulse etc. benötigt. In diesem Fall bewirkt die Reduzierung der Impulsbreite einen Kollaps der Wellenform des optischen Impulses aufgrund einer Dispersion der Gruppengeschwindigkeit, bewirkt die Erhöhung der Bitrate eine Erhöhung von Lesefehlern aufgrund einer Interferenz zwischen Impulsen, und die Reduzierung der Energie optischer Impulse bewirkt eine Zunahme der Lesefehler aufgrund der Reduzierung des S/N-Verhältnisses, das durch ASE-Rauschen (engl. Amplified Spontaneous Emission oder verstärkte spontane Emission) von dem Optische-Faser-Verstärker erzeugt wird. Aus diesem Grund ist wieder ein Leitungsverstärker oder Repeater erforderlich.
In der optischen Repeating-Operation unter Verwendung der elektrischen Domäne wie im Stand der Technik gibt es jedoch eine Geschwindigkeitsbeschränkung. Das heißt, da die Antwortgeschwindigkeit des elektrischen Signals durch die Driftgeschwindigkeit der Träger der elektronischen Einrichtung und die CR-Zeitkonstante beschränkt und auch die Bitrate in der Signalverarbeitung in der elektrischen Domäne auf 10 bis 40 Gb/s beschränkt ist, ist es unmöglich, mit einem Hochgeschwindigkeitssignal oberhalb dieser zeitmultiplexierten Bitrate zu arbeiten. Es ist auch ersichtlich, dass man beim Ausführen der Regenerierung von Licht in Elektrizität oder von Elektrizität in Licht auf einem gewissen Overhead angewiesen ist.
Folglich besteht in Bedarf an einer rein optischen 3R-Repeating-Technologie, die nicht von der Licht-Elektrizität-Umwandlung abhängig ist, sondern die optische Signalverarbeitung in der optischen Domäne ausführt, als eine Technologie, die zum Erhöhen der Kapazität einer optischer Datenübertragung unverzichtbar ist.
Da das Multiplexieren in der Zeitdomäne Fortschritte macht, besteht auch ein Bedarf an einem optischen Demultiplexer-Element (DEMUX), um das optische Signal in ein Signal einer Bitrate zu demultiplexieren, das von anderen elektronischen Einrichtungen verarbeitet werden kann. Wie oben beschrieben wurde, sind elektrische Signale gegenwärtig auf eine maximale Bitrate von etwa 10 bis 40 Gb/s beschränkt. Um ein OTDM-Signal zu verarbeiten, worin optische Signale mit diesen Bitraten multiplexiert sind, ist folglich zuerst eine DEMUX-Einrichtung erforderlich, die die jeweiligen Signalkomponenten in der optischen Domäne demultiplexieren kann.
Indessen wird ein Element in einer Funktion zum kollektiven Verarbeiten optischer Multikanalsignale mit der Weiterentwicklung eines Wellenlängenmultiplexing-Betriebs benötigt. Ein Leitungsverstärker oder Repeater und eine DE-MUX-Einrichtung für jeden Kanal einzeln vorzusehen bringt eine Zunahme der Größe des Systems und eine Erhöhung der Kosten mit sich. Selbst wenn ein Hochgeschwindigkeitsschalter, der mit nur wenigen Kanälen wie z.B. 2 oder 3 Kanälen gleichzeitig zurechtkommen kann, erreicht werden kann, kann eine Größen- und Kostenreduzierung damit erreicht werden. Um das Routing des optischen Signals auf verschiedenen Kanälen auf dem Netzwerk auszuführen, ist außerdem ein Wellenlängen umwandelndes Element zum Umwandeln einer gewissen Wellenlänge in eine andere Wellenlänge ebenfalls erforderlich.
Wie oben beschrieben wurde, werden zum Multiplexieren in den Zeit/Wellenlängendomänen einer zukünftigen Datenübertragung die Funktionen, die für das optische Signale verarbeitende System erforderlich sind, wie folgt zusammengefasst:
Das heißt, ➀ eine Hochgeschwindigkeitsantwort mit mehr als 10 bis 40 Gb/s zu erreichen, ➁ die Verarbeitung eines beliebigen Bitmusters auszuführen, ➂ eine Verarbeitung des Signals soweit möglich ohne Wellenlängenumwandlung auszuführen, ➃ eine Wellenlängenumwandlung nötigenfalls auszuführen, ➄ zwei oder mehr Signale mit verschiedenen Wellenlängen ohne Nebensprechen etc. zu verarbeiten. Das System mit solchen Funktionen wurde jedoch noch nicht entwickelt.
Bis jetzt wurden mehrere optische Signale verarbeitenden Systeme mit der Optischen Repeating-Funktion und der DEMUX-Funktion gemeldet; aber sie erfüllen nicht alle oben aufgeführten Anforderungen. Als ein Beispiel wurde in D. Wolfson et al., IEEE Photonic Tech. Lett. 12, 332 (2000), „40 Gb/s All optical wavelength conversion, regeneration, and demultiplexing in an SOA-based allactive Mach/Zehnder Interferometer" ein optische Signale verarbeitendes System mit der optischen Repeating-Funktion und einer DEMUX-Funktion gemeldet.
EP-A-1 093 011 des aktuellen Anmelders offenbart ein optische Signale verarbeitendes System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In diesem System werden mindestens zwei nicht lineare Schleifenspiegel (NOLMs) verwendet, von denen jeder einen optischen Halbleiterverstärker (SOA) verwenden kann.
XP316548A, „Cascadability and Fanout of Semiconductor Optical Amplifier Wavelength Shifter" offenbart einen optischen Wellenlängenschieber, der für ein optisches WDM-Datenübertragungssystem geeignet und für eine Bitrate von 1-2 Gb/s tauglich ist. Zwei in Kaskade geschaltete Wellenlängenschieber jeweils in Form eines SOA werden verwendet.
Es ist wünschenswert, ein optische Signale verarbeitendes System zu schaffen, das für eine Hochgeschwindigkeitsantwort geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optische Signale verarbeiten des System geschaffen, mit:
einer ersten optischen Übertragungseinrichtung, um ein erstes Lichtsignal mit einer ersten Wellenlänge in einem kontinuierlichen Lichtzustand und ein zweites Lichtsignal mit optischen Signalimpulsen und einer zweiten Wellenlänge zu übertragen;
einem ersten optischen Halbleiterverstärker, um das erste Lichtsignal und das zweite Lichtsignal von der ersten optischen Übertragungseinrichtung zu empfangen:
einer Impulslichtquelle, um eine steuernde optische Impulsfolge mit einer dritten Wellenlänge synchron mit dem ersten Lichtsignal abzugeben, worauf das zweite Lichtsignal durch den ersten optischen Halbleiterverstärker überlagert wird;
einer zweiten optischen Übertragungseinrichtung, um das erste Lichtsignal, worauf das zweite Lichtsignal durch den ersten optischen Halbleiterverstärker überlagert ist, und die steuernde optische Impulsfolge, die von der Impulslichtquelle abgegeben wurde, zu übertragen; und
einem zweiten optischen Halbleiterverstärker, um das erste Lichtsignal und die steuernde optische Impulsfolge von der zweiten optischen Übertragungseinrichtung zu empfangen und ein optisches Ausgangssignal mit der dritten Wellenlänge abzugeben, worauf die optischen Signalimpulse des zweiten Lichtsignals überlagert sind; dadurch gekennzeichnet, dass:
sowohl der erste als auch der zweite optische Halbleiterverstärker Halbleiter-Quantenpunkte enthält und Impulse der steuernden optischen Impulsfolge so angeordnet sind, dass sie mit schwachen Lichtintensitätsabschnitten des ersten Lichtsignals synchron sind, wodurch eine Hochgeschwindigkeits-Wellenlängenumwandlung der ersten und zweiten Lichtsignale in dem ersten optischen Halbleiterverstärker und des ersten Lichtsignals und der steuernden optischen Impulsfolge in dem zweiten optischen Halbleiterverstärker durch eine Kreuzverstärkungsmodulation ausgeführt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein erstes Lichtsignal, das ein kontinuierliches Lichtsignal mit einer ersten Wellenlänge ist, und ein zweites Lichtsignal mit einer Impulswellenform und einer zweiten Wellenlänge in den ersten optischen Halbleiterverstärker eingespeist, wodurch das Intensitätsprofil des ersten Lichtsignals in eine Wellenform moduliert werden kann, die die invertierte Wellenform des zweiten Lichtsignalimpulses ist, und können optisch verstärkt werden. Das erste Lichtsignal, das von dem ersten optischen Halbleiter verstärker abgegeben wird, und die steuernde optische Impulsfolge, die von der Impulslichtquelle abgegeben wird, werden ebenfalls in den zweiten optischen Halbleiterverstärker eingespeist. Demgemäß kann der optische Impuls der steuernden optischen Impulsfolge, die mit der Intensität mit niedrigem Pegel des ersten Lichtsignals synchronisiert ist, durch den zweiten optischen Halbleiterverstärker optisch verstärkt werden, und auch die Intensität des optischen Impulses, die mit der Intensität mit hohem Pegel des ersten Lichtsignals synchronisiert ist, kann gesenkt und als das Signallicht abgegeben werden. Die optische Ausgabe hat im Wesentlichen die gleiche Wellenlänge wie die steuernde optische Impulsfolge.
Daher kann das zweite Lichtsignal mit der zweiten Wellenlänge und das optische Signal, dessen Wellenform kollabiert ist, hinsichtlich ihrer Wellenlänge durch den ersten und zweiten optischen Halbleiterverstärker in das optische Ausgangssignal der dritten Wellenlänge umgewandelt werden und kann reproduziert werden. Falls die dritte Wellenlänge und die zweite Wellenlänge einander gleich gesetzt sind, kann auf diese Weise die Wellenlängenform des optischen Signals des zweiten Lichtsignals von dem zweiten optischen Halbleiterverstärker als das optische Ausgangssignal mit der zweiten Wellenlänge abgegeben werden und kann folglich ohne Wellenlängenumwandlung umgeformt und verstärkt und somit perfekt reproduziert werden.
Als Folge kann eine perfekte Reproduktion optischer Signale, deren Wellenlängenform durch Rauschen, Variationen in der Intensität, Jitter etc. kollabiert ist, erreicht werden. Die DEMUX- und die Wellenlängenumwandlung des optischen Zeitmultiplexiersignals kann durch Verwenden solch einer Konfiguration erreicht werden.
Es wird nur beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, in denen:
1 ein Schaltungsblockdiagramm ist, das eine Konfiguration eines WDM im Stand der Technik zeigt:
2 ein Schaltungsblockdiagramm ist, das eine Konfiguration eines OTDM im Stand der Technik zeigt:
3 eine perspektivische Ansicht ist, die einen optischen Halbleiterverstärker (SOA) zeigt, der in einer Ausgangsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
4 eine Schnittansicht ist, die eine Struktur einer aktiven Schicht des SOA von 3 zeigt;
5 eine Ansicht ist, die eine Leistungsbandenergie eines Quantenpunktes zeigt, der in der in 4 dargestellten aktiven Schicht ausgebildet ist;
6A bis 6D Verstärkungsspektren sind, die das Arbeitsprinzip des SOA zeigen;
7 eine Ansicht ist, die eine Kennlinie oder Charakteristik einer optischen Eingabe und optischen Ausgabe des SOA zeigt;
8 eine Ansicht ist, die eine Konfiguration eines regenerierenden/umformenden Elements zeigt, das in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
9 eine Ansicht ist, eine Konfiguration eines Wellenlängen umwandelnden Elements zeigt, das in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
10 eine Ansicht ist, die eine Konfiguration eines ersten optische Signale verarbeitenden Systems zeigt, das die vorliegende Erfindung verkörpert;
11 eine Ansicht ist, die eine Konfiguration eines zweiten optische Signale verarbeitenden Systems zeigt, das die vorliegende Erfindung verkörpert;
12 eine Ansicht ist, die eine Konfiguration eines dritten optische Signale verarbeitenden Systems zeigt, das die vorliegende Erfindung verkörpert; und
13 eine Verstärkungskurve zeigt, die gemäß einer Größenverteilung von Quantenpunkten in dem SOA, der in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, gespreizt ist, und eine Verstärkungssättigung, die erhalten wird, wenn optische Signale einfallen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
3 zeigt einen (im Folgenden als „SOA" abgekürzten) optischen Halbleiterverstärker, der in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Der SOA hat eine Struktur, in der eine Pufferschicht 2, die aus n-Typ-GaAs mit einer Dicke von 1 μm besteht, eine n-Typ-Überzugschicht 3, die aus n-Typ-Al_0,4Ga_0,6As mit einer Dicke von 0,5 μm besteht, eine untere optische Begrenzungsschicht 4, die aus GaAs mit einer Dicke von 0,1 μm besteht, eine aktive Schicht 5, eine obere optische Begrenzungsschicht 6, die aus GaAs mit einer Dicke von 0,1 μm besteht, eine p-Typ-Überzugsschicht 7, die aus p-Typ-Al_0,4Ga_0,6As mit einer Dicke von 1,0 μm besteht, und eine p-Typ-Kontaktschicht 8, die aus GaAs mit einer Dicke von 0,2 μm besteht, in einer Sequenz auf einem n-Typ-GaAs-Substrat 1 mit einer Dicke von 300 μm ausgebildet sind. Eine Verunreinigungskonzentration vom n-Typ des n-Typ-GaAs-Substrats 1, der Pufferschicht 2 und der n-Typ-Überzugschicht 3 beträgt jeweils etwa 1 × 10¹⁸cm^-3, und eine Verunreinigungskonzentration vom p-Typ der p-Typ-Überzugschicht 7 und der p-Typ-Kontaktschicht 8 beträgt jeweils etwa 1 × 10¹⁸cm^-3.
Wie z.B. in 4 gezeigt ist, hat die aktive Schicht 5 eine Halbleiter-Quantenpunktstruktur, die aufgebaut wird, indem eine Quantenpunktschicht 5a und eine GaAs-Schicht 5b abwechselnd laminiert werden. Zum Beispiel weist die Quantenpunktschicht 5a zehn Schichten auf, und die GaAs-Schicht 5b weist neun Schichten auf. Die Dicke der Quantenpunktschicht 5a beträgt 25 nm, und die Dicke der GaAs-Schicht 5b beträgt 25 μm. Die Quantenpunktschicht 5a besteht aus mehreren Quantenpunkten 5d, die aus InAs unregelmäßig als Unterlage ausgebildet sind, und einer Benetzungsschicht 5w, die aus InGas besteht, um Räume zwischen den Quantenpunkten 5d zu füllen. Die Größe des Quantenpunktes 5d beträgt etwa 20 nm. Der Quantenpunkt 5d begrenzt Ladungsträger dreidimensional.
Jeweilige Schichten von der Pufferschicht 2 bis zur Kontaktschicht 8 lässt man durch ein Kristallwachstumsverfahren wie z.B. Molekularstrahlepitaxie (MBE) wachsen.
Eine p-Seite-Elektrode 9, die beispielsweise aus einer AuZn-Legierung besteht, ist auf einer Oberseite der p-Typ-Kontaktschicht 8 ausgebildet. Eine n-Seite-Elektrode 10, die beispielsweise aus einer AuGe-Legierung besteht, ist auf einer Unterseite der n-Typ-GaAs-Substrats 1 ausgebildet.
Der Quantenpunkt 5d besteht aus einem Halbleiter, der kleiner als die Wellenlänge des Elektrons ist. Der Quantenpunkt 5d kann verschiedene Formen wie z.B. eine Form nahe einer Sphäre, eine flache Linsenform, eine rechtwinkelige Prismenform oder dergleichen haben. Das Unterscheidungsmerkmal des Quantenpunktes 5d besteht darin, dass die Energieniveaus eines im Inneren des Quantenpunktes 5d begrenzten Elektrons perfekt quantisiert sind und diskret werden. Man erwartet, dass durch Bilden solcher Quantenpunkte 5d in der aktiven Schicht 5 die Wechselwirkung zwischen dem Elektron und Licht verbessert und der Hochleistungs-Halbleiterlaser realisiert werden kann. Solche Quantenpunkte 5d wurden folglich seit vielen Jahren studiert.
Als ein Verfahren zum Herstellen der Quantenpunkte 5d wird weit verbreitet, das Selbstaufbauverfahren (engl. self-assembly method) verwendet. Das Selbstaufbauverfahren ist solch ein Verfahren, bei dem die Quantenpunkte erhalten werden, indem man auf dem Hableitersubstrat Halbleitermaterial mit einer vom Substrat verschiedenen Gitterkonstante wachsen lässt. Da die Gitterkonstanten verschieden sind, wird eine große Spannungsenergie zwischen dem Substrat und dem darauf gewachsenen Halbleiter akkumuliert, falls das gewöhnliche zweidimensionale Wachstum genutzt wird. Um dies zu vermeiden, lässt man den Halbleiter nicht in eine zweidimensionale Insel, sondern in eine dreidimensionale Insel wachsen. Da die Größe der Insel der Wellenlänge des Elektrons ähnlich ist, ist die Energie des Elektrons im Quantenpunkt 5d quantisiert.
Aus diesem Grund sind die Energieniveaus eines Elektrons im Leitungsband des Quantenpunktes 5d diskret verteilt, wie in 5 gezeigt ist. Die Energieniveaus in 5 sind in den Grundzustand N_j, den primären angeregten Zustand Ne und den sekundären angeregten Zustand Nc oder darüber verteilt. Da die Differenz zwischen den Energieniveaus in dem sekundären angeregten Zustand Nc oder höher kleiner als die Differenz zwischen dem primären angeregten Zustand Ne und dem Grundzustand N_j oder die Differenz zwischen dem sekundären angeregten Zustand Nc und dem Grundzustand N_j ist, können die sekundären und höheren angeregten Zustände als ein kontinuierlicher Zustand betrachtet werden. In 5 bezeichnet N_w die Elektronendichte, die den kontinuierlichen Zustand in der Benetzungsschicht 5w einnimmt.
Wie in 6A gezeigt ist, zeigt das Verstärkungsspektrum des SOA mit den Quantenpunkten 5d eine Spitze Po entsprechend dem Grundzustand N_j und eine Spitze Pe entsprechend den angeregten Zuständen Ne, Nc. Wie in 6B gezeigt ist, wird dann, wenn ein optischer Impuls entsprechend der Energie des Grundzustandes N_j auf die aktive Schicht 5 fällt, die Elektronendichte im Grundzustand N_j durch induzierte Emission gesenkt. Eine Relaxationszeit von etwa 10 ps ist erforderlich, bis die reduzierten Elektronen im Grundzustand N_j wieder aufgefüllt werden. Daher erscheint das Spektralloch SH an der Stelle, die der Energie des einfallenden Lichts entspricht, und eine Verstärkungssättigung wird verursacht. Wie in 6C gezeigt ist, wird, wenn der optische Impuls durch die aktive Schicht 5 durchgeht, die der Energie des Grundzustandes N_j entsprechende Verstärkung durch die Relaxation des angeregten Zustandes Ne und des kontinuierlichen Zustandes Nc wiederhergestellt. Die Zeit, die erforderlich ist, um die Verstärkung sicherzustellen, beträgt etwa 10 ps. Da die Elektronen von dem angeregten Zustand Ne und dem kontinuierlichen Zustand Nc zum Grundzustand N_j transportiert werden, wird die Elektronendichte in dem angeregten Zustand Ne und dem kontinuierlichen Zustand Nc gesenkt. Wie in 6D gezeigt ist, wird die Reduzierung in dieser Elektronendichte durch Träger ergänzt, die von den Elektroden 9, 10 injiziert werden, und die Verstärkung entsprechend der Energie des angeregten Zustandes Ne wird dann nach etwa 0,5 ns bis zum Wert im stationären Zustand wiederhergestellt.
Auf diese Weise ist eine verhältnismäßig lange Zeit für eine Wiederherstellung der Elektronendichte in dem angeregten Zustand Ne und dem kontinuierlichen Zustand Nc erforderlich. Die Anzahl von Zuständen des angeregten Zustandes Ne und des kontinuierlichen Zustandes Nc ist jedoch größer als jene des Grundzustandes N_j. Falls eine ausreichende Zahl Elektronen vorher in diese Zustände injiziert wird, übt die Langsamkeit der Wiederherstellung der Elektronendichte in dem angeregten Zustand Ne und dem kontinuierlichen Zustand Nc selten einen Einfluss auf die Verstärkung der Energie im Grundzustand N_j aus.
Wie oben beschrieben wurde, ist im Falle des SOA mit den Quantenpunkten 5d die Ansprechzeit verhältnismäßig kurz, da eine Verstärkungssättigung durch die Erzeugung des Spektrallochs SH bewirkt wird. Die Wiederherstellung der Verstärkung wird auch die Tatsache bewirkt, dass die Elektronen aus dem angeregten Zustand Ne oder dem kontinuierlichen Zustand Nc zum Grundzu stand N_j ergänzt werden. Daher ist die Erholungszeit der Verstärkung ebenfalls extrem kurz.
Ein Beispiel von Quantenpunkten, wie sie oben verwendet werden, ist in M. Sugawara, „Self-assembled InGaAs/GaAs quantum dots" (Academic Press, 1999) dargelegt.
Durch Vorsehen von Halbleiter-Quantenpunkten in der aktiven Schicht 5 des SOA können die Geschwindigkeit und Leistung zur Verarbeitung mehrerer Wellenlängen des SOA mehr als mit einer aktiven Schicht mit einer Struktur mit einer einzigen oder mehreren Quantenmulden, die dem Stand der Technik bekannt ist, verbessert werden.
Außerdem ist in M. Sugawara et al. Jap. J. Appl. Phys., 40 L488 (2000), „Quantum-dot semiconductor optical amplifiers for high bit-rate signal processing over 40 Gb/s" beschrieben, dass ein SOA mit einer Quantenpunktstruktur ein optisches Signal mit mehreren Wellenlängen mit hoher Geschwindigkeit verarbeiten kann.
Die aktive Schicht 5, die den SOA bildet, muss nicht die in 4 gezeigte Halbleiter-Quantenstruktur aufweisen, sondern kann stattdessen eine Masse-Halbleiterschicht oder eine Halbleiterschicht mit einer Struktur einer einzigen oder mehreren Quantenmulden nutzen. Der SOA mit der Quantenpunktstruktur wird für eine Signalverarbeitung oberhalb von 40 Gb/s verwendet. Im Falle einer Bitrate mit niedriger Geschwindigkeit unterhalb 10 Gb/s besteht jedoch keine Notwendigkeit, die Quantenpunkstruktur als die aktive Schicht 5 zu verwenden.
Das Prinzip, das verwendet wird, um den obigen SOA als den optischen Verstärker zu verwenden, wird im Folgenden erläutert.
Die aktive Schicht 5 nimmt einen Populationsinversionszustand ein, um die Verstärkung zu erzeugen, indem eine Vorwärtsspannung an den pn-Übergang angeregt wird, indem eine Gleichstromversorgung an die n-Seite-Elektrode 10 und die p-Seite-Elektrode 9 des SOA angeschlossen wird. Da diese Struktur als der optische Wellenleiter wie sie ist ausgebildet ist, wird Licht, dass in ein Ende der aktiven Schicht 5 eintritt, in der Schicht verstärkt und tritt dann am anderen Ende aus. Wie in 7 gezeigt ist, hat außerdem der SOA solch eine Charakteristik, dass die Ausgangslichtintensität bezüglich der Eingangsichtintensität ge sättigt ist. Dies wird Verstärkungssättigung genannt. Falls der SOA die Quantenpunkte 5d aufweist, wird die Verstärkungssättigung durch die Erzeugung des Spektrallochs bewirkt.
Als Folge nehme man an, wie in 8 gezeigt ist, dass nur die optische Signalimpulsfolge auf die Eingangsseite des SOA-Elements 11 fällt und dass Intensitäten jeweiliger optischer Signalimpulse variiert werden. Die Variation der Intensität wird durch verschiedene Faktoren im Verlauf der Übertragung der optischen Signalimpulse, z.B. Erzeugen von Rauschen oder Störung oder Verzweigen im System, hervorgerufen.
Das optische Signal kann dann in dem SOA-Element 11 verstärkt werden, um die Intensität konstant zu machen, und danach abgegeben werden. Falls das SOA-Element die Quantenpunkte 5d aufweist, beträgt die Zeit, die erforderlich ist, um die Verstärkungssättigung zu erzeugen, etwa 1 ps, und daher ist es möglich, ein optisches Signal mit mehr als 2 Gb/s zu verstärken und zu formen, was für den normalen SOA schwierig ist. Die in 8 gezeigte Konfiguration nutzt ein 2R-Element und ist für die Verstärkung und das Formen des optischen Signals geeignet, dessen Bitrate mehr als 10 Gb/s, insbesondere mehr als 40 Gb/s beträgt.
Als nächstes wird eine Wellenlängenumwandlung unter Verwendung des obigen SOA erläutert.
9 veranschaulicht den Fall, indem ein kontinuierliches Signal S₁ mit einer schwachen Intensität und einer ersten Wellenlänge λ₁ und ein gepulstes optisches Signal S₂ mit einer starken Intensität und einer zweiten Länge λ₂ gleichzeitig in das SOA-Element 11 eingespeist werden. In diesem Fall werden die Intensitäten der optischen Signale S₂, S₂ und die verstärkende Charakteristik des SOA-Elements 11 vorher so eingestellt, dass, wenn das optische Signal S₂, das auf das SOA-Element 11 fällt, ein hoher Pegel wird, die Verstärkung des SOA-Elements 11 gesättigt ist. Da die Verstärkung des SOA-Elements 11 durch das AN/AUS des Impulses des optischen Signals S₂ der Impulsfolge variiert wird, ist demgemäß die Intensität des kontinuierlichen optischen Signals S₁ und der ersten Wellenlänge λ₁ der Modulation ausgesetzt.
Das heißt, die Wellenform des optischen Signals mit der ersten Wellenlänge λ₁, das vom SOA-Element 11 abgegeben wird, ist gerade die invertierte Wel lenlängenform des optischen Signals S₂ einer Impulsfolge, und folglich kann die Wellenlänge der optischen Impulsfolge von der zweiten Wellenlänge λ₂ zu der ersten Wellenlänge λ₁ geändert werden. Als Folge kann das SOA-Element 11 eine Wellenlängen umwandelnde Funktion aufweisen.
Falls das SOA-Element 11 als die Struktur mit den Quantenpunkten ausgebildet ist, wird das Spektralloch SH gebildet, wenn das optische Signal S₂ in das SOA-Element 11 eingespeist wird. Die Spreizung des Spektrallochs SH im Energieraum geht bis zur Energie des optischen Signals S₁ mit der ersten Wellenlänge λ₁. Wenn der Impuls mit hohem Pegel des optischen Signals S₂ in das SOA-Element 11 eingespeist wird, wird daher die Verstärkung des optischen Signals S₁ reduziert, und die ausgegebene Intensität des optischen Signals S₁ wird gesenkt. Aus diesem Grund wird die Wellenform der ersten Wellenlänge λ₁, die durch Invertieren der Wellenform des optischen Signals S₂ durch das SOA-Element 11 erhalten wird, erlangt. Falls das SOA-Element 11 die Quantenpunkte 5d aufweist, kann die Wellenlängenumwandlung des optischen Signals oberhalb 2 Gb/s, was für den normalen SOA schwierig ist, ausgeführt werden, und folglich ist eine solche Struktur für die Wellenlängenumwandlung des optischen Signals mit mehr als 10 Gb/s, insbesondere mehr als 40 Gb/s geeignet.
Falls die Energie des optischen Signals S₁ mit der ersten Wellenlänge λ₁ im Spektralloch des optischen Signals S₂ mit der zweiten Wellenlänge λ₂ enthalten ist, ist es in diesem Fall notwendig, dass die Differenz der optischen Energie zwischen den Wellenlängen λ₁, λ₂ kleiner als eine einheitliche Breite (10 bis 20 meV bei Raumtemperatur) der Verstärkung der Quantenpunkte ist.
Als nächstes werden optische Signale verarbeitende Systeme, die das obige Prinzip nutzen, im Folgenden erläutert.
(Erste Ausführungsform)
10 ist ein System zum Verarbeiten des optischen Signals unter Verwendung von zwei SOA-Elementen.
Eine erste optische Faser 22 zum Übertragen eines ersten optischen Signals S₀₁ als das kontinuierliche Licht (CW) mit der ersten Wellenlänge λ₁ und eines zweiten optischen Signals S₀₂ mit der zweiten Wellenlänge λ₂ ist mit dem Eingangsende des ersten SOA-Elements 21 verbunden. Ein Ausgangsende des ersten SOA-Elements 21 ist auch mit dem Eingangsende eines zweiten SOA- Elements 24 über eine zweite optische Faser 23 optisch verbunden. Die zweite optische Faser 23 überträgt das erste optische Signal S₀₁ und/oder das zweite optische Signal S₀₂.
Ein erster Filter 25 und ein optischer Koppler 27, um das Licht mit der zweiten Wellenlänge λ₂ abzuschneiden, sind nacheinander in der Mitte der zweiten optischen Faser 22 in der Lichtlaufrichtung eingefügt.
Der optische Koppler 27 hat eine Struktur, um eine optische Impulsfolge S₀₃ mit einer dritten Wellenlänge λ₃, die von einer Impulslichtquelle 26 abgegeben wird, mit dem Licht zu koppeln, das durch den ersten Filter 25 übertragen wird. Die optische Impulsfolge S₀₃ mit der dritten Wellenlänge λ₃ wird von der Impulslichtquelle 26 im Wesentlichen synchron mit dem optischen Signal, das in das zweite SOA-Element 24 durch die zweite optische Faser 23 eingespeist wird, abgegeben. Die optische Impulsfolge S₀₃ hat auch die Bitrate gleich dem Signalimpuls des zweiten optischen Signals S₀₂.
Eine dritte optische Faser 28 ist mit dem Ausgangsende des zweiten SOA-Elements 24 verbunden. Ein zweiter Filter 29 zum Abschneiden des Lichts mit der ersten Wellenlänge λ₁ ist in die dritte optische Faser 28 eingefügt.
In dem optische Signale verarbeitenden System mit der obigen Konfiguration wird, wenn das erste optische Signal S₀₁ als das Licht mit kontinuierlicher Welle (CW) mit der ersten Wellenlänge λ₁ und das zweite optische Signal S₀₂ mit der zweiten Wellenlänge λ₂ und mit dem Bitmuster durch die erste optische Faser 22 in das erste SOA-Element 21 eingespeist werden, das erste optische Signal S₀₁ mit der ersten Wellenlänge λ₁, das in den invertierten Zustand der Wellenform des zweiten optischen Signals S₀₂ moduliert wird, von dem ersten SOA-Element 21 abgegeben. In diesem Fall ist das zweite optische Signal S₀₂ das gestörte Signal, das Hochfrequenz-ASE-Rauschen, eine Schwankung in der Intensität zwischen den Bits, eine Störung der Wellenform und Jitter enthält.
Das erste optische Signal S₀₁ mit der ersten Wellenlänge λ₁, das vom ersten SOA-Element 21 abgegeben wird, hat die invertierte Wellenform des optischen Signalmusters mit der zweiten Wellenlänge λ₂ und wird verstärkt. Das ASE-Rauschen verschwindet aber aus der Wellenform. Dies gilt, weil die Frequenz des Rauschens ausreichend langsamer als eine Nachlaufgeschwindigkeit der Verstärkungssättigung ist.
Die Variation in dem Spitzenwert, die in dem zweiten optischen Signal S₀₂ mit der zweiten Wellenlänge λ₂ vorliegt, wird ebenfalls in dem ersten optischen Signal S₀₁ der ersten Wellenlänge λ₁ eliminiert, das von dem ersten SOA-Element 21 abgegeben wird, basierend auf dem obigen Prinzip, und folglich werden die Spitzenwerte vereinheitlicht. In diesem Fall wird das zweite optische Signal S₀₂ mit der zweiten Wellenlänge λ₂, das von dem ersten SOA-Element 21 abgegeben wird, durch den ersten Filter 25 abgeschnitten.
Außerdem wird das erste optische Signal S₀₁ mit der ersten Wellenlänge λ₁, das von dem ersten SOA-Element 21 abgegeben wird und auf welchem das Signallichtmuster überlagert ist, durch den Koppler 27 mit der optischen Impulsfolge S₀₃ mit der dritten Wellenlänge λ₃ gekoppelt, und man lässt es dann auf das Eingangsende des zweiten SOA-Elements 24 fallen. In diesem Fall wird der Spitzenwert der optischen Impulsfolge S₀₃ kleiner als jener des ersten optischen Signals S₀₁.
In dem zweiten SOA-Element 24 wird dann die optische Impulsfolge S₀₃, die mit dem Teil des ersten optischen Signals S₀₁ mit schwacher Lichtintensität synchron ist, verstärkt, um den Spitzenwert zu erhöhen, und auch der Spitzenwert der optischen Impulsfolge S₀₃, der mit dem Teil mit starker Lichtintensität des ersten optischen Signals S₀₁ synchron ist, wird niedrig gedrückt. Als Folge wird von dem zweiten SOA-Element 24 ein optisches Signal S₀₄ mit der dritten Wellenlänge λ₃ abgegeben, auf dem das optische Signalmuster des zweiten optischen Signals S₀₂, das in das erste SOA-Element 21 eingespeist wird, überlagert ist.
Das erste optische Signal S₀₁ mit der ersten Wellenlänge λ₁, das von dem zweiten SOA-Element 24 abgegeben wird, wird durch den zweiten Filter 29 abgeschnitten.
Wie oben beschrieben wurde, werden als Folge der Verwendung der optischen Impulsfolge S₀₃ mit der dritten Wellenlänge λ₃, die von der neuen Impulslichtquelle 26 abgegeben wird, die Wellenformstörung und das Jitter aus dem optischen Signal S₀₄ mit der dritten Wellenlänge λ₃ eliminiert, auf dem das Signalmuster des zweiten optischen Signals S₀₂, das in das erste SOA-Element 21 eingespeist wird, überlagert ist und welches von dem zweiten SOA-Element 24 abgegeben wird.
Der optische Impuls mit der Intensität, die unter einer vorbestimmten Intensität liegt, kann nach Bedarf aus dem optischen Signal S₀₄ mit der dritten Wellenlänge λ₃, das von dem zweiten SOA-Element 24 abgegeben wird, durch den nicht linearen Filter etc. entfernt werden.
Durch Verwenden der obigen Konfiguration kann das optische Signal mit der verformten Wellenform ohne die Umwandlung in das elektrische Signal per fekt regeneriert werden. In diesem Fall verursacht das Setzen von λ₂ = λ₃ überhaupt kein Problem. Falls die Wellenlängenumwandlung benötigt wird, können λ₂ und λ₃ auf verschiedene Wellenlängen gesetzt werden.
Die Signalverarbeitungsgeschwindigkeit wird durch Geschwindigkeiten des ersten SOA-Elements 21 und des zweiten SOA-Elements 24 bestimmt. Der optische Signalimpuls hoher Geschwindigkeit mit mehr als 40 Gb/s, der als elektrisches Signal nicht verarbeitet werden kann, kann folglich ohne den Mustereffekt regeneriert werden, indem der SOA mit dem Quantenpunkten 5d, die in 4 gezeigt sind, verwendet wird.
Gemäß der gleichen Konfiguration kann ein DEMUX des OTDM-Signals ausgeführt werden. Falls die Bitrate der Impulslichtquelle 26 auf die Bitrate der Signalkomponente, die das OTDM-Signal bildet, gesetzt wird, kann irgendeine Signalkomponente ausgewählt werden.
Die obigen Charakteristiken werden mit dem System im Stand der Technik verglichen. Als das System im Stand der Technik ist in D. Wolfson et al., IEEE Photonic Tech. Lett. 12, 332 (2000), „40 Gb/s All optical wavelength conversion, regeneration und demultiplexing in as SSOA-based all active Mach-Zehnder Interferometer" ein System offenbart, das das den SOA nutzende Mach-Zehnder-Interferometer nutzt.
Als Ergebnis des Vergleichs zwischen dem System im Stand der Technik und der vorliegenden Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Vorteile geliefert, dass ➀ es keinen Mustereffekt gibt, da die Quantenpunkte verwendet werden, ➁ die Wellenlängenumwandlung in die von der verwendeten optischen Wellenlänge verschiedenen Wellenlängen nicht veranlasst wird und ➂ komplizierte optische Wellenleiter wie z.B. das Mach-Zehnder-Interferometer etc. nicht benötigt werden. Es ist auch möglich, die Wellenlängenumwandlung absichtlich frei zu veranlassen.
(Zweite Ausführungsform)
11 zeigt einen optischen 3R-Leitungsverstärker oder -Repeater, der unter Ausnutzung der in der ersten Ausführungsform dargestellten Struktur aufgebaut ist. In 11 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie jene in 10 die gleichen Elemente. In diesem Fall wird als das erste SOA-Element 21 und das zweite SOA-Element 24 der SOA mit den Quantenpunkten (QD) 5d in der aktiven Schicht 5, die in 3 dargestellt ist, verwendet.
11 zeigt einen Laser mit Modenkopplung als die in 10 dargestellte Impulslichtquelle. Der Laser mit Modenkopplung empfängt das zweite optische Signal S₀₂, das in das erste SOA-Element 21 eingespeist wird, über eine optische Verzögerungsschaltung 30 und eine dritte optische Faser 31 und gibt dann das Signal, das mit dem Impulslicht des zweiten optischen Signals S₀₂ synchron ist, über die dritte optische Faser 31 an das zweite SOA-Element 24 ab. Die optische Impulsfolge S₀₃ der Impulslichtquelle 26 hat die Bitrate, die gleich dem optischen Signalimpuls des zweiten optischen Signals S₀₂ ist.
Die optische Verzögerungsschaltung 30 synchronisiert die optische Impulsfolge S₀₃, die von dem Laser mit Modenkopplung eingespeist wird, mit dem zweiten optischen Signal S₀₂ mit der zweiten Wellenlänge λ₂, das in das zweite SOA-Element 24 eingespeist wird.
Demgemäß wird die Wellenlänge der optischen Impulsfolge S₀₃ der Impulslichtquelle 26 gleich derjenigen des zweiten optischen Signals S₀₂ und ist der Konfiguration äquivalent, in der λ₂ = λ₃ in dem System in 10 gesetzt ist. Folglich wird die Wellenlänge des optischen Signals S₀₄, das von dem SOA-Element 24 abgegeben wird, λ₂.
Ein optischer Verstärker 32 und ein sättigbarer Absorber 33 sind ebenfalls sequentiell mit der zweiten optischen Faser 28, die mit dem zweiten SOA-Element 24 auf der Ausgangsseite des zweiten Filters 29 verbunden ist, in der Lichtlaufrichtung sequentiell verbunden. Daher kann das perfekte Muster des zweiten optischen Signals S₀₂ in dem optischen Signal S₀₄ reproduziert werden, das von dem in 11 dargestellten, optische Signale verarbeitenden System abgegeben wird. Das heißt, die Intensität des optischen Signals S₀₄, das durch den zweiten Filter 29 von dem zweiten SOA-Element 24 übertragen wird, wird durch den optischen Verstärker 32 auf eine vorbestimmte Größe verstärkt, und auch das Licht mit der Intensität, die unterhalb des vorbestimmten Wertes liegt, wird durch den sättigbaren Absorber 33 abgeschnitten. Als der sättigbare Absorber 33 wird z.B. der Halbleiterverstärker verwendet, der oszilliert, wenn eine Lichtmenge, die den Schwellenwert übersteigt, eingespeist wird.
Gemäß der obigen Konfiguration kann das zweite optische Signal S₀₂ mit der zweiten Wellenlänge λ₂, dessen Wellenlänge aufgrund von ASE-Rauschen, einer Wellenformstörung, Jitter etc. kollabiert ist, in das perfekte Muster durch Umformen, Verstärken und zeitliches Korrigieren reproduziert werden, und kann von dem sättigbaren Absorber 33 ohne die Wellenlängenumwandlung im Wesentlichen abgegeben werden.
(Dritte Ausführungsform)
12 zeigt die DEMUX-Einrichtung, die unter Ausnutzung der in der ersten Ausführungsform gezeigten Konfiguration aufgebaut wird. In 12 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie jene in 10, 11 die gleichen Elemente. In diesem Fall wird als das erste SOA-Element 21 und das zweite SOA-Element 24 der SOA mit den Quantenpunkten (QD) 5d in der in 3 dargestellten aktiven Schicht 5 verwendet.
Die DEMUX-Einrichtung verwendet den Laser mit Modenkopplung (MLL) als die Impulslichtquelle 26. Die optische Impulsfolge S₀₃, die von dem Laser mit Modenkopplung abgegeben wird, hat die Bitrate gleich jeweiligen Signalkomponenten, die den optischen Multisignalimpuls des zweiten optischen Signals S₀₂ bilden, das in das erste SOA-Element 21 eingespeist wird.
Der Laser mit Modenkopplung speist die optische Impulsfolge S₀₃ mit der zweiten Wellenlänge λ₂ bei 40 Gb/s über die dritte optische Faser 31 in das zweite SOA-Element 24 ein. Die optische Verzögerungsschaltung 30 ist zwischen den optischen Koppler 27 und die Impulslichtquelle 26 in die dritte optische Faser 31 eingefügt.
Daher wird die Impulsfolge mit der gleichen zweiten Wellenlänge λ₂ wie das zweite optische Signal S₀₂ von der Impulslichtquelle 26 in das zweite SOA-Element 24 eingespeist. Als Folge wird die Wellenlänge des optischen Signals S₀₄, das von dem zweiten SOA-Element 24 abgegeben und durch den zweiten Filter 29 durchgelassen wird, λ₂.
Das zweite optische Signal S₀₂ mit der zweiten Wellenlänge λ₂, das in das erste SOA-Element 21 eingespeist wird, ist indessen ein Vierfach-OTDM-Signal mit 160 Gb/s. In dem OTDM-Signal werden durch Anhängen von Zahlen 1, 2, 3, 4 in der optischen Wellenform in 12 vier zeitgeteilte Signalfolgen unterschieden.
Der optische Verstärker 32 und der sättigbare Absorber 33 sind auch hintereinander mit der optischen Faser 28 auf der Ausgangsseite des zweiten Filters 29 in der Lichtlaufrichtung verbunden, und folglich kann das perfekte Muster als das optische Signal reproduziert werden. Das heißt, die Intensität des optischen Signals S₀₄, das von dem zweiten SOA-Element 24 abgegeben wird, wird durch den optischen Verstärker 32 bis zu der vorbestimmten Größe verstärkt, und auch das Licht mit der Intensität, die unterhalb des vorbestimmten Wertes liegt, wird durch den sättigbaren Absorber 33 abgeschnitten.
In der DEMUX-Einrichtung mit der obigen Konfiguration wird, wenn das erste optische Signal S₀₁ als das kontinuierliche Licht mit der ersten Wellenlänge λ₁ und das zweite optische Signal (OTDM-Signal) S₀₂ mit der zweiten Wellenlänge λ₂ über die erste optische Faser 22 in das erste SOA-Element 21 eingespeist werden, das erste optische Signal S₀₁, dessen Wellenform die invertierte Wellenform des zweiten optischen Signals S₀₂ ist, von dem ersten SOA-Element 21 abgegeben.
Das zweite optische Signal S₀₂ ist das gestörte Signal, das Hochfrequenz-ASE-Rauschen, eine Schwankung in der Intensität zwischen den Bits, eine Wellenformstörung und Jitter enthält. In diesem Fall hat das Licht mit der ersten Wellenlänge λ₁, das vom ersten SOA-Element 21 abgegeben wird, die invertierte Wellenform des optischen Signalmusters des zweiten optischen Signals S₀₂ und wird ebenfalls verstärkt; das ASE-Rauschen verschwindet aber aus der Wellenform. Dies verhält sich so, weil die Frequenz des Rauschens ausreichend langsamer als die Nachlaufgeschwindigkeit der Verstärkungssättigung ist.
Die Schwankung in der Intensität, die in dem zweiten optischen Signal S₀₂ mit der zweiten Wellenlänge λ₂ besteht, wird auf dem ersten optischen Signal S₀₁, das vom ersten SOA-Element 21 abgegeben wird, auf der Basis des obigen Prinzips ebenfalls nicht widergespiegelt, und folglich sind die Spitzenwerte vereinheitlicht. In diesem Fall wird das zweite optische Signal S₀₂, das von dem ersten SOA-Element 21 abgegeben wird, durch den ersten Filter 25 abgeschnitten.
Außerdem wird das erste optische Signal S₀₁ mit der ersten Wellenlänge λ₁, das vom ersten SOA-Element 21 abgegeben wird und auf dem das optische Signalmuster überlagert ist, ebenso wie die von der Impulslichtquelle 26 abgegebene optische Impulsfolge S₀₃ in das zweite SOA-Element 24 eingespeist. Die Intensität der optischen Impulsfolge S₀₃ wird kleiner als das erste optische Signal S₀₁, das von dem ersten SOA-Element 21 abgegeben wird. In diesem Fall wird der führende Teil (Hochpegelteil) der optischen Impulsfolge S₀₃, die von der Impulslichtquelle 26 abgegeben wird, durch die optische Verzögerungsschaltung 30 so eingestellt, dass er mit der Zahl 1 des ersten optischen Signals S₀₁, das von dem ersten SOA-Element 24 abgegeben wird, synchron ist.
In dem zweiten SOA-Element 24 wird dann der Hochpegelteil der optischen Impulsfolge S₀₃, die von der Impulslichtquelle 26 abgegeben wird, synchron mit dem Niederpegelteil #1 der Vierfach-Signalfolgen des ersten optischen Signals S₀₁ verstärkt. Der Niederpegelteil der optischen Impulsfolge S₀₃, die von der Impulslichtquelle 26 abgegeben wird, wird auch in der Intensität synchron mit der Zahl 1 der Vierfach-Signalfolgen mit der ersten Wellenlänge λ₁ reduziert. Demgemäß wird die optische Impulsfolge S₀₃ moduliert, um das optische Signal S₀₄ zu liefern.
Das erste optische Signal S₀₁ mit der ersten Wellenlänge λ₁, das von dem zweiten SOA-Element 24 abgegeben wird, wird durch den zweiten Filter 29 abgeschnitten. Die Impulse mit der geringen Intensität, welche in der ersten Impulsfolge des zweiten optischen Signals S₀₂ nicht enthalten sind, sind auch in dem optischen Signal S₀₄ mit der zweiten Wellenlänge λ₂ enthalten, das von dem zweiten Filter 29 abgegeben wird. Solche Zwischenpegelimpulse werden daher durch den optischen Verstärker 32 verstärkt und dann durch den sättigbaren Absorber 33 abgeschnitten.
Als Folge wird die optische Signalfolge des zweiten optischen Signals S₀₂, das in das erste SOA-Element 21 eingespeist wird und die vorbestimmte Zahl hat, reproduziert und ausgewählt. Außerdem hat das reproduzierte optische Signal eine perfekte Musterwellenform, in der Störungen wie z.B. ASE-Rauschen, Jitter etc. nicht auftreten.
(Andere Ausführungsformen)
In 13 ist konzeptionell dargestellt, dass die optische Signale verarbeitenden Systeme, die die vorliegende Erfindung wie oben beschrieben nutzen, einen Multi-Wellenlängenprozess ausführen können. Gemäß 13 kann man verstehen, dass optische Signale, die isoliert werden, so dass sie die gleichmäßige Breite der Verstärkung in der Verstärkungskurve übersteigen, die durch die Größenverteilung der Quantenpunkte gespreizt ist, unabhängig verarbeitet werden können.
Wie beschrieben wurde, werden gemäß der vorliegenden Erfindung das erste Lichtsignal als das kontinuierliche Licht mit der ersten Wellenlänge und das zweite Lichtsignal mit der Wellenform des optischen Signalimpulses und der zweiten Wellenlänge in den ersten optischen Verstärker eingespeist, wodurch das Intensitätsprofil des ersten Lichtsignals in die Wellenform moduliert werden kann, die die invertierte Wellenform des optischen Signalimpulses ist, und optisch verstärkt werden kann. In der dieser nachfolgenden Stufe werden das erste Lichtsignal, das von dem ersten optischen Verstärker abgegeben wird, und die steuernde optische Impulsfolge, die von der Impulslichtquelle abgegeben wird, in den zweiten optischen Verstärker eingespeist, wodurch der optische Impuls der steuernden optischen Impulsfolge, die mit der Niederpegelintensität des ersten Lichtsignals synchronisiert ist, optisch verstärkt werden kann und auch die Intensität des optischen Impulses, die mit der Hochpegelintensität des ersten Lichtsignals synchronisiert ist, verringert werden kann. Das zweite Lichtsignal der zweiten Wellenfänge mit dem optischen Signal, dessen Wellenform kollabiert ist, kann daher durch den ersten und zweiten optischen Verstärker hinsichtlich der Wellenlänge in ein optisches Ausgangssignal mit der dritten Wellenlänge umgewandelt und reproduziert werden.
Falls die dritte Wellenlänge und die zweite Wellenlänge einander gleichgesetzt sind, kann außerdem das optische Ausgangssignal mit der zweiten Wellenlänge von dem zweiten optischen Verstärker abgegeben werden, und das optische Signal des zweiten Lichtsignals kann ohne Wellenlängenumwandlung umgeformt und verstärkt und perfekt reproduziert werden.
Mit dem obigen kann die perfekte Reproduktion der optischen Signale erreicht werden, deren Wellenform durch Rauschen, Variationen in der Intensität, JItter etc. kollabiert ist.

Claims

Optische Signale verarbeitendes System, mit: einer ersten optischen Übertragungseinrichtung (22), um ein erstes Lichtsignal (S₀₁) mit einer ersten Wellenlänge in einem kontinuierlichen Lichtzustand und ein zweites Lichtsignal (S₀₂) mit optischen Signalimpulsen und einer zweiten Wellenlänge zu übertragen; einem ersten optischen Halbleiterverstärker (21), um das erste Lichtsignal und das zweite Lichtsignal (S₀₁, S₀₂) von der ersten optischen Übertragungseinrichtung (22) zu empfangen; einer Impulslichtquelle (26), um eine steuernde optische Impulsfolge (S₀₃) mit einer dritten Wellenlänge synchron mit dem ersten Lichtsignal (S01) abzugeben, worauf das zweite Lichtsignal durch den ersten optischen Halbleiterverstärker (21) überlagert wird; einer zweiten optischen Übertragungseinrichtung (23), um das erste Lichtsignal (S₀₁), worauf das zweite Lichtsignal durch den ersten optischen Halbleiterverstärker (21) überlagert wird, und die steuernde optische Impulsfolge (S₀₃) zu übertragen, die von der Impulslichtquelle (26) abgegeben wird; und einem zweiten optischen Halbleiterverstärker (24), um das erste Lichtsignal (S₀₁) und die steuernde optische Impulsfolge (S₀₃) von der zweiten optischen Übertragungseinrichtung (23) zu empfangen und ein optisches Ausgangssignal (S₀₄) mit der dritten Wellenlänge abzugeben, worauf die optischen Signalimpulse des zweiten Lichtsignals überlagert sind; und dadurch gekennzeichnet, dass: sowohl der erste als auch zweite optische Halbleiterverstärker (21, 24) Halbleiter-Quantenpunkte (5d) enthält und Impulse der steuernden optischen Impulsfolge (S₀₃) so angeordnet sind, dass sie mit schwachen Lichtintensitätsabschnitten des ersten Lichtsignals (S₀₁) synchron sind, wodurch eine Hochgeschwindigkeits-Wellenlängenumwandlung der ersten und zweiten Lichtsignale (S₀₁, S₀₂) im ersten optischen Halbleiterverstärker und des ersten Lichtsignals (S₀₁) und der steuernden optischen Impulsfolge (S₀₃) im zweiten optischen Halbleiterverstärker (24), durch eine Kreuz-Verstärkungsmodulation ausgeführt werden kann.
Optische Signale verarbeitendes System nach Anspruch 1, wobei die steuernde optische Impulsfolge (S₀₃) mit der dritten Wellenlänge eine Bitrate hat, die gleich dem durch die erste optische Übertragungseinrichtung (22) übertragenen optischen Signalimpuls ist.
Optische Signale verarbeitendes System nach Anspruch 1, wobei der optische Signalimpuls des zweiten Lichtsignals (S₀₂) ein optisches Zeitteilungs-Multisignal ist und die steuernde optische Impulsfolge (S₀₃) mit der dritten Wellenlänge Bitraten aufweist, die gleich jeweiligen Signalkomponenten sind, die das optische Zeitteilungs-Multisignal bilden.
Optische Signale verarbeitendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Wellenlänge gleich der zweiten Wellenlänge ist.
Optische Signale verarbeitendes System nach Anspruch 1, wobei der optische Signalimpuls mit der zweiten Wellenlänge und die steuernde optische Impulsfolge (S₀₃) mit der dritten Wellenlänge, die beide über die erste optische Übertragungseinrichtung (22) übertragen werden, die gleiche Bitrate haben und das optische Ausgangssignal (S₀₄) eine Wellenform hat, die wiederhergestellt wird, indem der optische Signalimpuls von der zweiten Wellenlänge in die dritte Wellenlänge umgewandelt wird.
Optische Signale verarbeitendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste optische Übertragungseinrichtung (22) und die zweite optische Übertragungseinrichtung (23) aus einer optischen Faser gebildet sind.
Optische Signale verarbeitendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Impulslichtquelle (26) ein Laser mit Modenkopplung ist.
Optische Signale verarbeitendes System nach Anspruch 7, wobei der Laser mit Modenkopplung dafür eingerichtet ist, das zweite Lichtsignal abzustrahlen.
Optische Signale verarbeitendes System nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine optische Verzögerungsschaltung (30) mit dem Laser mit Modenkopplung verbunden ist.
Optische Signale verarbeitendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Wellenlänge von der zweiten Wellenlänge verschieden ist.
Optische Signale verarbeitendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Filter (25) zum Abschneiden des zweiten Lichtsignals (S₀₂) in der zweiten optischen Übertragungseinrichtung (23) angeordnet ist.
Optische Signale verarbeitendes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Filter (29) zum Abschneiden des ersten Lichtsignals (S₀₁) auf einer Ausgangsseite des zweiten optischen Verstärkers (24) angeordnet ist.