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ERFINDUNGSGEBIET
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Diese
Spezifikation bezieht sich allgemein auf optische Vorrichtungen
und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf abstimmbare Wellenlängenwandler,
bei denen ein Bragg-Gitter
und ein Laser in einem Halbleitersubstrat zum Einsatz kommen.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Im
Zuge des fortlaufenden Wachstums des Internets und der Multimedia-Kommunikation
wurde durch die Nachfrage für
erhöhte
Kapazität
auf Netzwerken die Entwicklung und der Einsatz von optischen Fasern vorangetrieben.
In dem Bemühen,
die Datenträgerkapazität optischer
Fasernetzwerke zu optimieren, wurden „DWDM"-Systeme (Dense Wavelength-Division Multiplexing)
und dergleichen implementiert, um Daten über eine Mehrzahl von Wellenlängen (d.h.
Kanälen)
innerhalb einer einzelnen Faser transportieren zu können.
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In
einem hochschnellen optischen Netzwerk führt die Wellenlängenumwandlung,
bei der Information optisch von einer in eine andere Wellenlänge umgewandelt
wird, eine wichtige Funktion aus. Zum Beispiel sollte man sich dessen
bewusst sein, dass in einem großen
optischen Netzwerk dieses Netzwerk mit zunehmender Verkehrsdichte
viele freie Kanäle
auf allen Verbindungen aufweisen könnte, dass aber eine einzelne
einmalige Wellenlänge
auf einem beliebigen möglichen
Pfad zwischen zwei Endbenutzern nicht unbedingt zur Verfügung steht.
Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die Wellenlänge mancher
Signale beim Durchgang durch das Netzwerk zu ändern, um in möglichst
wirksamer Weise eine Mehrzahl von Benutzern zu bedienen.
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Eine
offensichtliche Lösung
für Wellenlängenumwandlung
besteht darin, das empfangene optische Signal einfach in elektronische
Form umzuwandeln und dann ein zweites optisches Signal mit der gewünschten Wellenlänge nochmals
zu übertragen.
Der Umwandlungsprozess von optisch zu elektronisch zu optisch ist
jedoch relativ langsam und begrenzt die Rentabilität und Geschwindigkeit
des optischen Netzwerks. Die Typen der aktuell verfügbaren Wellenlängenwandler,
die vollkommen optisch funktionieren, verwenden die nichtlinearen
optischen Eigenschaften eines optischen Halbleiterverstärkers (Semiconductor
optical Amplifier – SOA), wie
beispielsweise Kreuzverstärkungsmodulation,
Kreuzphasenmodulation und Vierwellen-Mischung. Obwohl diese Prozesse
rentabler als Umwandlungen von optisch-zu-elektronisch-zu-optisch
sind, ist die Wellenlängenumwandlungs-Geschwindigkeit
dieser Prozesse infolge der Trägerdynamik
im SOA fundamental eingeschränkt.
Beispielsweise werden die optischen Eigenschaften des SOAs, zumindest
teilweise, durch Zwischenbandübergänge im Träger bestimmt,
an denen relativ langsame Prozesse wie Auger-Prozesse beteiligt sind.
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Allgemein
benutzte optische Komponenten in DWDM-Systemen sind zum Beispiel
Wellenlängen-aufteilende
Multiplexing-Sender
und Empfänger,
optische Filter wie Beugungsgitter, Dünnfilmfilter, Faser-Bragg-Gitter,
AWGs (Arrayed Waveguide Gratings) optische Add/Drop-Multiplexer
und abstimmbare Laser. Zum Beispiel sind Laser gut bekannte Vorrichtungen,
die Licht durch induzierte Emission ausstrahlen und kohärente Lichtstrahlen
mit einem von infrarot bis ultraviolett reichenden Frequenzspektrum
erzeugen, und die in einer riesigen Vielfalt von Anwendungen eingesetzt
werden können.
Zum Beispiel könnten
in optischen Kommunikations- oder Networking-Anwendungen Laser zur
Erzeugung von Lichtstrahlen oder optischen Strahlen eingesetzt werden,
auf denen Daten oder andere Informationen verkodet und übertragen
werden können.
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Der
Einsatz eines DBR-Lasers (DBR = Distributed Bragg Reflector) für Wellenlängenumwandlung wurde
von B. Mikkelsen, et. al. beschrieben in „Penalty Free Wavelength Conversion
of 2.5 Gbits/s Signals using a tuneable DBR-Laser", Proceedings ECOC, 1992, SS. 441–444. Eine
erste Wellenlänge
mit einem modulierten Signal wird in den Verstärkungsabschnitt des DBR-Lasers
injiziert und verursacht einen Abbau von Trägern. Durch diesen Abbau ändert sich
die Anzahl der Träger,
die eine zweite Wellenlänge
mit dem modulierten Signal erzeugen und ausgeben.
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Andere
Vorrichtungen, die in optischen Kommunikations- oder Networking-Anwendungen
zum Einsatz kommen, sind faser-basierte
Bragg-Gitter. Ein Faser-Bragg-Gitter ist eine optische Faservorrichtung,
die eine optische Faser mit periodischen Veränderungen im Brechungsindex
der Faserkernmaterialen entlang der Faserlänge enthält, die sich bilden können, wenn
der fotoempfindliche Kern einem intensiven optischen Interferenzmuster
ausgesetzt wird. Zusammen mit den Veränderungen im Brechungsindex
entlang der Faserlänge werden
optische Strahlen einer bestimmten Wellenlänge vom Faser-Bragg-Gitter
reflektiert, während
andere Wellenlängen
durch die Faser hindurch weiterlaufen können.
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Faser-Bragg-Gitter
sind unter anderem dadurch beschränkt, dass die jeweilige Wellenlänge, die
vom Faser-Bragg-Gitter reflektiert wird, weitgehend festliegt. Folglich,
wenn Licht verschiedener Wellenlängen
zu reflektieren ist, werden verschiedene Faser-Bragg-Gitter eingesetzt.
Bei manchen bekannten Faser-Bragg-Gittern können nominale Anpassungen an
der reflektierten Wellenlänge
vorgenommen werden, indem die optische Faser des Faser-Bragg-Gitters
physikalisch oder mechanisch gestreckt wird, um die Länge der
optischen Faser zu modifizieren. Der Nachteil dieser Technik besteht
darin, dass das Ausmaß der
Anpassung an die reflektierte Wellenlänge relativ klein ist, und
dass die optische Faser durch die beim Strecken auftretende physikalische
Spannungsbeanspruchung beschädigt
werden kann.
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In
einem Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung für abstimmbare
Wellenlängenumwandlung
gemäß Anspruch
1 bereit. In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren
zur abstimmbaren Wellenlängenumwandlung
gemäß Anspruch
14 bereit. In einem wiederum weiteren Aspekt stellt die Erfindung
ein System zur abstimmbaren Wellenlängenumwandlung in einem optischen
Kommunikationsnetzwerk gemäß Anspruch
20 bereit.
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KURZBESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche
Teile in den verschiedenen Ansichten der nicht-einschränkenden und nicht-erschöpfenden
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, wobei
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1 ein
Blockdiagramm eines beispielhaften abstimmbaren Wellenlängenwandlers
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ein
schematisches Diagramm eines beispielhaften Quantenkaskaden Intersubband
Lasers mit einem optischen Eingangssignalstrahl/Pumpstrahl gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 ein
Blockdiagramm darstellt, welches einen Querschnitt durch ein beispielhaftes
abstimmbares Bragg-Gitter
in einem Halbleitersubstrat mit einer Heizung darstellt, welches
in einem abstimmbaren Wellenlängenwandler
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines beispielhaften abstimmbaren Bragg-Gitters
in einem Halbleitersubstrat mit einem Rippenwellenleiter darstellt,
welches in einem abstimmbaren Wellenlängenwandler gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
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5 eine
grafische Darstellung einer Beziehung zwischen Reflexionsvermögen und
Wellenlänge
für verschiedene
Temperaturen in einem beispielhaften abstimmbaren Bragg-Gitter gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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6A eine
grafische Darstellung eines effektiven Brechungsindexes entlang
eines optischen Pfads eines beispielhaften abstimmbaren Bragg-Gitters
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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6B eine
grafische Darstellung eines effektiven Brechungsindexes entlang
eines optischen Pfads eines beispielhaften abstimmbaren apodisierten
Bragg-Gitters gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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7 ein
Blockdiagramm ist, welches einen Querschnitt durch ein weiteres
beispielhaftes abstimmbares Bragg-Gitter in einem Halbleitersubstrat
mit Ladungs-modulierten Regionen darstellt, welches in einem abstimmbaren
Wellenlängenwandler
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
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8 ein
Blockdiagramm eines weiteren beispielhaften abstimmbaren Wellenlängenwandlers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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9 ein
Blockdiagramm eines wiederum weiteren beispielhaften abstimmbaren
Wellenlängenwandlers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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10 ein
Ablaufdiagramm eines beispielhaften Ereignisflusses in einem Prozess
zum Einsatz eines abstimmbaren Wellenlängenwandlers gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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11 ein
Blockdiagramm eines beispielhaften optischen Systems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden sind Ausführungsformen
eines Verfahrens und einer Vorrichtung für abstimmbare Wellenlängenumwandlung
unter Einsatz eines in einem Halbleitersubsubstrat angeordneten
Bragg-Gitters und eines Lasers beschrieben. In der folgenden Beschreibung
werden zahlreiche spezifischen Details, wie zum Beispiel die Identifizierung
verschiedener Systemkomponenten, aufgeführt, um ein gründliches
Verständnis
der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
zu vermitteln. Wie ein in der Technik bewanderter Fachmann jedoch erkennen
wird, können
die erfindungsgemäßen Ausführungsformen
auch ohne eines oder mehrere der spezifischen Details oder mit anderen
Verfahren, Komponenten, Materialien usw. praktiziert werden. In
wiederum anderen Fällen
wurden gut bekannte Strukturen, Materialien oder Betriebsweisen
nicht im Detail dargestellt oder beschrieben, um Aspekte der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
nicht zu verschleiern.
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Verweise
in dieser Spezifikation auf „eine
(einzelne) Ausführungsform" oder „eine Ausführungsform" bedeuten, dass ein
in Verbindung mit der Ausführung
beschriebenes bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder Eigenschaft
in mindestens einer erfindungsgemäßen Ausführungsform enthalten ist. Folglich
bezieht sich das Erscheinen von Ausdrücken wie „in einer (einzelnen) Ausführungsform" oder „in einer
Ausführungsform" an verschiedenen
Stellen in dieser Spezifikation nicht unbedingt auf die gleiche
Ausführungsform.
Des Weiteren könnten
die bestimmten-Merkmale,
Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen in
geeigneter Weise kombiniert werden.
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Im Überblick
betrachtet stellen Ausführungsformen
der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für abstimmbare
Wellenlängenumwandlung
unter Einsatz eines in einem Halbleitersubstrat angeordneten abstimmbaren
Bragg-Gitters und
eines Verstärkungsmediums
(zum Beispiel eines Lasers) bereit. In einer Ausführungsform
könnte
ein einer ersten Wellenlänge
entsprechendes optisches Eingangssignal, welches mit einer Datenkomponente
moduliert werden könnte
(zum Beispiel könnte
das Eingangssignal ein ein optisches Netzwerk durchlaufendes optisches
Kommunikationssignal sein), dem Verstärkungsmedium zugeführt werden,
um zu bewirken, dass dieses Medium Licht von mindestens einer Wellenlänge ausstrahlt,
die sich von der ersten Wellenlänge
unterscheidet. In einer Ausführungsform
zum Beispiel könnte
das Verstärkungsmedium ein
Quanten-Kaskaden Intersubband Laser sein, der nach Erregung durch
das optische Eingangssignal Licht von mindestens einer Wellenlänge ausstrahlen
könnte,
die sich von der ersten Wellenlänge
des optischen Eingangssignals unterscheidet. In einer Ausführungsform
könnte
das vom Verstärkungsmedium
ausgestrahlte Licht eine Intensität aufweisen, die proportional
zur Intensität
des optischen Eingangssignals ist, und die somit das vom Verstärkungsmedium
ausgestrahlte Licht mit der Datenkomponente des optischen Eingangssignals moduliert.
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Das
Licht der mindestens einen Wellenlänge, die sich von der ersten
Wellenlänge
des optischen Eingangssignals unterscheidet, kann sich nun durch
einen Laser-Hohlraum bis zu einem ersten Ende des Laser-Hohlraums
fortpflanzen, wobei das erste Ende einen ersten Reflektor definiert.
In einer Ausführungsform kann
der erste Reflektor ein abstimmbares Bragg-Gitter sein, welches
in Reaktion auf eine angelegte Bedingung (zum Beispiel Wärme oder
Ladung) selektiv Licht einer abstimmbaren Mittelwellenlänge reflektieren könnte. Das
reflektierte Licht könnte
dann eine induzierte Emission von Licht der gleichen Wellenlänge innerhalb
des Verstärkungsmediums
und die Übertragung
mindestens eines Teils des Lichts mit der abstimmbaren Mittelwellenlänge von
dem abstimmbaren Wellenlängenwandler über einen
zweiten Reflektor verursachen, der ein zweites Ende des Laser-Hohlraums
definiert und fähig
ist, das Licht mit der abstimmbaren Mittelwellenlänge mindestens
teilweise zu übertragen.
In einer Ausführungsform
könnte
die Ausgangswellenlänge
des abstimmbaren Wellenlängenwandlers
selektiv abgestimmt werden, indem die Mittelwellenlänge des
halbleiter-basierten abstimmbaren Bragg-Gitters verschoben wird.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung könnte
ein halbleiter-basierter abstimbarer Wellenlängenwandler in einer voll integrierten
Lösung
auf einem einzelnen integrierten Schaltkreis-Chip bereitgestellt
werden. Ausführungsformen
des offenbarten abstimmbaren Wellenlängenwandlers könnten als
Komponenten in Anwendungen wie zum Beispiel optischen Breitband-Netzwerksystemen
oder dergleichen benutzt werden. Andere Merkmale der dargestellten
Ausführungsformen
werden für
den Leser anhand das Vorhergesagten und der beigefügten Ansprüche sowie
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen während des
Lesens der ausführlichen
Beschreibung erkenntlich sein.
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 ist eine
Ausführungsform
eines abstimmbaren Wellenlängenwandlers 101 gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
veranschaulicht. Wie dargestellt, könnte eine Ausführungsform
des abstimmbaren Wellenlängenwandlers 101 auf
einem „SOI"-Wafer 103 (SOI
= Silicon-on-Insulator) angeordnet sein, der ein erstes Halbleitersubstrat 107 und
ein zweites Halbleitersubstrat 111 beinhaltet. In einer
Ausführungsform
könnte
das erste Halbleitersubstrat 107 Silizium sein. Das erste
Halbleitersubstrat 107 könnte zwischen einer ersten
Isolierschicht 105 und einer zweiten Isolierschicht 109 angeordnet
sein, wobei in einer Ausführungsform
die zweite Isolierschicht 109 zwischen dem ersten Halbleitersubstrat 107 und
dem zweiten Halbleitersubstrat 111 angeordnet ist.
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Wie
in der dargestellten Ausführungsform
veranschaulicht, beinhaltet der abstimmbare Wellenlängenwandler 101 ein
Verstärkungsmedium 113,
welches im ersten Halbleitersubstrat 107 vorgesehen ist.
In einer Ausführungsform
könnte
das Verstärkungsmedium 113 ein
Quantenkaskaden Intersubband Laser sein, der im Folgenden im Detail
in Verbindung mit 2 besprochen wird. Ferner enthält der abstimmbare
Wellenlängenwandler 101 ein
abstimmbares Bragg-Gitter 115, welches in dem ersten Halbleitersubstrat 107 angeordnet
ist und in einer Ausführungsform
einen ersten Reflektor bildet, der ein erstes Ende eines Laser-Hohlraums 117 im
ersten Halbleitersubstrat 107 definiert. Wie an späterer Stelle
besprochen, beinhaltet das abstimmbare Bragg-Gitter 115 eine
Mehrzahl von Schnittstellen entlang des ersten Halbleitersubstrats 107,
die eine Mehrzahl von Störungen
in einem Brechungsindex entlang des abstimmbaren Bragg-Gitters 115 bilden,
um selektiv Licht mit einer abstimmbaren Mittelwellenlänge zu reflektieren.
In einer Ausführungsform
könnte,
wie dargestellt, eine in der Nähe
des Halbleitersubstrats mit dem abstimmbaren Bragg-Gitter angeordnete
Heizung 119 dazu benutzt werden, die Temperatur des Halbleitersubstrats
mit dem abstimmbaren Bragg-Gitter 115 örtlich einzustellen, um die
vom abstimmbaren Bragg-Gitter 115 reflektierte
abstimmbare Mittelwellenlänge anzupassen.
Es versteht sich, dass sich der Ausdruck „abstimmbare Mittelwellenlänge" auf einen relativ
schmalen Wellenlängenbereich
(zum Beispiel einen Picometerbereich von 10 s) bezieht, der von
den abstimmbaren Bragg-Gittern gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
wirksam reflektiert wird.
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In
einer Ausführungsform
könnte
der im ersten Halbleitersubstrat 107 angeordnete Laser-Hohlraum 117 durch
die ersten und zweiten Isolierschichten 105 und 109,
den ersten Reflektor einschließlich
des abstimmbaren Bragg-Gitters 115 und
einen zweiten Reflektor 131, der eine Komponente des Verstärkungsmediums 113 ist,
definiert sein. In einer Ausführungsform
könnte
der zweite Reflektor 131 eine gespaltene Oberfläche oder
Facette, oder eine beschichtete Oberfläche mit einem gewünschten
Reflexionsvermögen
sein. Der zweite Reflektor 131, in einer Ausführungsform,
könnte
fähig sein,
Licht mit der abstimmbaren Mittelwellenlänge mindestens teilweise von
dem abstimmbaren Bragg-Gitter 115 zu reflektieren. Wie
im Folgenden im Detail beschrieben, umfasst der Laser-Hohlraum 117 in
einer Ausführungsform
das Verstärkungsmedium 113 und
einen im ersten Halbleitersubstrat 107 ausgebildeten Wellenleiter.
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Im
Betrieb wird zunächst
Elektrizität
in Licht im Laser-Hohlraum 117 über das
Verstärkungsmedium 113 umgewandelt.
In einer Ausführungsform
könnte
ein optisches Eingangssignal 121 einer ersten Wellenlänge mit
darin verkodeten Daten dem Verstärkungsmedium 113 zugeführt werden,
um die Ausstrahlung von Licht 123 zu verursachen, das einer
Reihe von Wellenlängen
aus dem Verstärkungsmedium 113 entspricht.
Da Elektronen innerhalb eines bestimmten Energiebandes innerhalb
des Verstärkungsmediums 113 leicht
unterschiedliche Energien aufweisen können, versteht es sich, dass
die Übergänge von
einem zu einem anderen Energieband einer Vielfalt von Energien und
somit Wellenlängen
entsprechen, so dass vom Verstärkungsmedium 113 ein
Spektrum von Licht augestrahlt wird. Das ausgestrahlte Licht 123 mit
der mindestens einen Wellenlänge,
die sich von der ersten Wellenlänge,
die dem optischen Eingangssignal 121 entspricht, unterscheidet,
könnte
sich dann durch den Laser-Hohlraum 117 bis zum ersten Reflektor
mit dem abstimmbaren Bragg-Gitter 115 fortpflanzen. In
einer Ausführungsform
könnte
das ausgestrahlte Licht 123 in Reaktion auf die Zusammenwirkung
mit dem optischen Eingangssignal 121 im Verstärkungsmedium 113 mit
den Daten moduliert werden, die im optischen Eingangssignal 121 verkodet
sind.
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In
einer Ausführungsform
reflektiert das abstimmbare Bragg-Gitter 115 einen Teil des Lichts 123 mit einer
abstimmbaren Mittelwellenlänge
entsprechend einer Bragg-Wellenlänge
(das heißt
der vom Bragg-Gitter betroffenen Wellenlänge), die mit dem abstimmbaren
Bragg-Gitter 115 verknüpft
ist (der Teil des vom abstimmbaren Bragg-Gitter reflektierten Lichts,
das der Bragg-Wellenlänge
entspricht, ist mit Bezugsziffer 125 bezeichnet). Der restliche
Teil des ausgestrahlten Lichts 123, welches nicht der Bragg-Wellenlänge entspricht,
könnte weitgehend
unbeeinflusst durch das Bragg-Gitter laufen und ist mit Bezugsziffer 127 bezeichnet.
Das der Bragg-Wellenlänge
entsprechende Licht in den optischen Strahlen 123 und 125 könnte dann
zwischen dem zweiten Reflektor 131 und dem abstimmbaren
Bragg-Gitter 115 weiterhin hin und zurück reflektiert werden, derart,
dass Lasern, oder Lichtverstärkung,
durch die induzierte Emission von Strahlung im Laser-Hohlraum 117 stattfindet.
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In
einer Ausführungsform,
da das Reflektionsspektrum des abstimmbaren Bragg-Gitters 115 einer
relativ schmalen Bandbreite (zum Beispiel < 1 nm) entspricht, findet Lasern im
Laser-Hohlraum 117 nur für einen entsprechend schmalen
Frequenzbereich statt. Wie an früherer
Stelle erwähnt,
ist der zweite Reflektor 131 nur teilweise reflektierend,
so dass in einer Ausführungsform
mindestens ein Teil des der Bragg-Wellenlänge entsprechenden Lichts (siehe
zum Beispiel Bezugsziffer 125) durch den zweiten Reflektor 131 hindurchlaufen
und vom abstimmbaren Wellenlängenwandler
als optisches Ausgangssignal 129, das die abstimmbare Mittelwellenlänge aufweist
und mit den Daten im optischen Eingangssignal 121 moduliert
wurde, übertragen
werden kann.
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Insbesondere
unter Bezugnahme auf 2 ist schematisch ein beispielhafter
Quantenkaskaden Intersubband Laser 201 („QCIL") mit einem optischen
Eingangssignalstrahl der ersten Wellenlänge gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
dargestellt. Wie bereits an früherer
Stelle erwähnt,
könnte
der QCIL 201 das Verstärkungsmedium
(siehe zum Beispiel Bezugsziffer 113 in 1)
des abstimmbaren Wellenlangenwandlers (siehe zum Beispiel Bezugsziffer 101 in 1)
in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
sein. Ein in der Technik bewanderter Fachmann wird wissen, dass
der QCIL 201 eine Mehrzahl von Quantentöpfen 203a–e umfasst.
In einer Ausführungsform
beinhalten die Quantentöpfe 203a–e Materialien,
die fähig
sind, in Reaktion auf die Elektronenübergänge zwischen Subbändern der
Quantentöpfe 203a–e Licht
in einem Wellenlängenbereich
von circa 1500 nm bis circa 1600 nm auszustrahlen. Zum Beispiel
könnte
in einer Ausführungsform
die Mehrzahl der Quantentöpfe 203a–e mindestens
ein Material aus einer Kombination von AlGaN/GaN (Aluminum-Galium-Nitrid/Galium-Nitrid) oder einer
Kombination von InGaAs/AlAsSb (Indium-Galium-Arsenid/Aluminum-Arsenid-Antimon)
beinhalten. Es versteht sich, dass gemäß anderer erfindungsgemäßer Ausführungsformen
andere Quantentopfmaterialien für
andere umgewandelte Wellenlängen
eingesetzt werden können.
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Im
Betrieb kann an den QCIL 201 eine Spannung 205 an
einem Injektor 207 angelegt werden, der wirksam Elektronen
in eine obere Ebene 209a des ersten Quantentopfes 203a injiziert.
Nach dem Übergang auf
eine niedrigere Ebene 211a des ersten Quantentopfes 203a tunneln
die Elektronen durch eine Barriere 217a in eine obere Ebene 209b des
zweiten Quantentopfes 203b. Dann gehen die Elektronen in
eine untere Ebene 211b des zweiten Quantentopfes 203b über undsoweiter,
das heißt
der Prozess wiederholt sich mit Bezug auf die dritten, vierten und
fünften
Quantentöpfe 203c, 203d bzw. 203e (umfassend
die oberen Ebenen 209c–e
bzw. die unteren Ebenen 211c–e, und getrennt durch die
Barrieren 217b–d),
bis die Elektronen einen Kollektor 213 erreichen. Die Strom-Injektion
induziert eine Populationsinversion zwischen den oberen und unteren
Subbändern
(das heißt
Ebenen) der mehreren Quantentöpfe 203a–e, wobei
in einer Ausführungsform ein
lasernder Effekt in Reaktion auf ein stimulierendes Photon erzeugt
wird. Da die Intersubband Relaxationszeit sehr kurz ist (zum Beispiel
Picosekunden) kann von den abstimmbaren Wellenlängenwandlern gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
eine ultraschnelle Wellenlängenumwandlung
bereitgestellt werden.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung könnte
dem QCIL 201 ein optisches Eingangssignal (siehe Bezugsziffer 215 in 2)
zugeführt
werden, um die Elektronen in den oberen Subbändern 209a–e der mehreren
Quantentöpfe 203a–e aufzubrauchen,
wodurch die Verstärkung
von QCIL 201 reduziert wird. Da für eine gegebene angelegte Spannung
(zum Beispiel die angelegte Spannung 205) die Differenz
in der Elektronendichte zwischen den oberen und unteren Subbändern 209a–e bzw. 211a–e der mehreren
Quantentöpfe 203a–e proportional
zur Intensität
des optischen Eingangssignals 215 ist, weist das vom QCIL 201 ausgestrahlte
Licht (siehe zum Beispiel das Licht 123 in 1)
eine dem optischen Eingangssignal 215 entsprechende Intensität auf (siehe
zum Beispiel Bezugsziffer 121 in 1) und kann
in einer Ausführungsform mit
den im optischen Eingangssignal 215 verkodeten Daten moduliert
werden.
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Insbesondere
unter Bezugnahme auf 3 ist ein Blockdiagramm gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
dargestellt, welches einen Querschnitt durch ein in einem Halbleitersubstrat
angeordnetes, eine Heizung enthaltendes beispielhaftes abstimmbares
Bragg-Gitter 301 zeigt, welches in einem abstimmbaren Wellenlängenwandler
(siehe zum Beispiel Bezugsziffer 101 in 1)
eingesetzt werden kann. In einer Ausführungsform könnte das
abstimmbare Bragg-Gitter 301 ein Silizium/Polysilizium-Gitter
sein, welches eine Mehrzahl von Schnittstellen zwischen den Siliziumregionen 305 und
den Polysiliziumregionen 311 aufweist. Es versteht sich,
dass Silizium und Polysilizium lediglich als beispielhafte Materialien
zum Zwecke der Erklärung
verwendet wurden, und dass andere Halbleitermaterialien einschließlich Gruppe
III–V
Halbleitermaterialien oder dergleichen in anderen Ausführungsformen
der Erfindung eingesetzt werden können.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist eine Mehrzahl von Polysilizium-Regionen 311 in einem
ersten Silizium-Halbleitersubstrat 305 angeordnet,
die periodische oder quasi-periodische Störungen in einem effektiven
Brechungsindex (neff) entlang eines optischen
Pfads 313 durch das ersten Silizium-Halbleitersubstrat 305 erzeugen/.
In einer Ausführungsform,
in der Silizium und Polysilizium mit effektiven Brechungsindexziffern
von nSi bzw. npoly zum
Einsatz kommen, könnte
an jeder der Mehrzahl von Schnittstellen zwischen den Polysilizium-Regionen 311 und
Silizium-Regionen 305 eine kleine effektive Brechungsindexdifferenz
von Δneff (oder npoly – nSi) bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform
könnte Δneff im Bereich von circa 0,005 bis circa
0,03 liegen. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Δneff Wertbereiche gemäß anderen Ausführungsformen
der Erfindung verwendet werden können.
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Wie
in 3 dargestellt, könnte das erste Silizium-Halbleitersubstrat 305 in
einer Ausführungsform
ein Teil eines SOI-Wafers 315 sein. In diesem Fall könnte eine
zweite Isolierschicht 307 oder eine verborgene Oxidschicht
zwischen dem ersten Silizium-Halbleitersubstrat 305 und
einem zweiten Halbleitersubstrat 309 angeordnet sein. In
einer Ausführungsform
könnte
eine erste Isolierschicht 303 derart eingebettet werden,
dass das erste Silizium-Halbleitersubstrat 305 zwischen
den ersten und zweiten Isolierschichten 303 und 307 angeordnet
ist. In einer Ausführungsform
könnte
die erste Isolierschicht 303 eine dielektrische Zwischenschicht
des SOI Wafers 315 sein. In einer Ausführungsform könnten die
ersten und zweiten Isolierschichten 303 und 307 ein
Oxidmaterial oder dergleichen beinhalten. Dementsprechend könnte ein
Wellenleiter 317 einschließlich eines optischen Pfads 313 im
ersten Silizium-Halbleitersubstrat 305 vorgesehen sein,
wobei die ersten und zweiten Isolierschichten 303 und 307 den
Mantel bereitstellen.
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In
einer Ausführungsform
ist der Wellenleiter 317 ein Rippenwellenleiter, wie in 4 dargestellt. 4 ist
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Rippenwellenleiters 401,
umfassend ein abstimmbares Bragg-Gitter,
welches gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung in einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. In einer
Ausführungsform
könnte
der Rippenwellenleiter 401 zwischen den ersten und zweiten Isolierschichten 303 und 307 des
in 3 dargestellten SOI-Wafers 315 angeordnet
sein. In einer Ausführungsform
könnte
der Rippenwellenleiter 401 schnittstellenbildende Siliziumregionen 403 und
Polysiliziumregionen 405 beinhalten, durch die periodische
oder quasi-periodische Störungen
in einem Brechungsindex entlang eines optischen Pfads durch den
Rippenwellenleiter 401 gebildet werden. Es versteht sich,
dass in einer Ausführungsform
der Rippenwellenleiter 401 eine Rippenregion 407 und
eine Plattenregion 409 umfassen könnte. In der Figur ist die
Intensitätsverteilung
eines optischen Einzelmodus-Strahls 411 zu sehen, wie er
sich durch den Rippenwellenleiter 401 fortpflanzt, wobei
sich der überwiegende
Teil des optischen Strahls 411 durch einen Teil der Rippenregion 407 in
Richtung des Inneren des Rippenwellenleiters 401 fortpflanzt.
Ferner pflanzt sich ein Teil des optischen Strahls 411 durch
einen Teil der Plattenregion 409 in Richtung des Inneren des
Rippenwellenleiters 401 fort.
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Wiederum
unter Bezugnahme auf 3, könnte in einer Ausführungsform
Licht 319 (welches zum Beispiel vom Verstärkungsmedium 113 in 1 ausgestrahlt
wird) mit einer Mehrzahl von Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 auf
die Mehrzahl von Schnittstellen zwischen den Siliziumregionen 305 und
den Polysiliziumregionen 311 des abstimmbaren Bragg-Gitters 301 einfallen.
Es versteht sich, dass obwohl in der dargestellten Ausführungsform
drei Lichtwellenlängen
dargestellt sind, andere Ausführungsformen
der Erfindung andere Anzahlen von Wellenlängen im Licht 319 beinhalten
könnten.
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Wie
bereits an früherer
Stelle erwähnt,
bildet die Mehrzahl von Schnittstellen zwischen den Siliziumregionen 305 und
den Polysiliziumregionen 311 Störungen im Brechungsindex entlang
des optischen Pfads 313 des Wellenleiters 317.
Aufgrund dieser Differenzen im Brechungsindex (neff)
erfolgt eine mehrfache Reflektion des Lichts 319 an der
Mehrzahl von Schnittstellen zwischen den Siliziumregionen 305 und
den Polysiliziumregionen 311 entlang des optischen Pfads 313.
In einer Ausführungsform
findet eine Bragg-Reflexion statt, wenn eine Bragg-Bedingung oder
Phasenübereinstimmungsbedingung
erfüllt
wird. Zum Beispiel erfolgt für
einheitliche Bragg-Gitter bei Erfüllung der Bragg-Bedingung mλB =
2neffΛ eine
Bragg-Reflexion, wobei m der Beugungsgrad, λB die
Bragg-Wellenlänge,
neff der effektive Brechungsindex des Wellenleiters 317 und Λ die Gitterperiode
ist.
-
Zum
Beispiel zeigt 3, dass eine Bragg-Bedingung
für λB gleich λ2 existiert.
Dementsprechend ist zu sehen, dass Licht 321 entsprechend
der Wellenlänge λ2 in
eine Richtung zurückreflektiert
wird, die entgegengesetzt zu der Richtung verläuft, in der Licht 319 mit
der Mehrzahl von Wellenlängen λ1, λ2,
und λ3 in den Wellenleiter 317 eingetreten
ist. Ferner pflanzt sich der Rest des Lichts 319 (das heißt Licht,
das nicht von den Gitterschnittstellen reflektiert wird) weiter
entlang des optischen Pfads 313 durch den Wellenleiter 317 hindurch in
der Richtung fort, in der das Licht 319 in den Wellenleiter 317 eingetreten
ist (siehe zum Beispiel Bezugsziffer 323, die das den Wellenlängen λ1 und λ3 entsprechende
Licht bezeichnet). In einer Ausführungsform
könnte die
Bragg-Wellenlänge λ2 die
umgewandelte Wellenlänge
des optischen Eingangssignals 129 (siehe zum Beispiel 1)
sein, welches mit den im optischen Eingangssignal 129 (siehe
zum Beispiel Bezugsziffer 121 in 1) verkodeten
Daten moduliert wurde.
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In
einer Ausführungsform
könnte
die Bragg-Wellenlänge
(das heißt
die abstimmbare Mittelwellenlänge),
die von der Mehrzahl der Schnittstellen zwischen den Siliziumregionen 305 und
den Polysiliziumregionen 311 reflektiert wird, über eine
in der Nähe
des Wellenleiters 317 angeordnete Heizung 325 abstimmbar
oder anpassbar sein. In einer Ausführungsform ist die Heizung 325 eine
Dünnfilmheizung
oder dergleichen, die die Temperatur des ersten Silizium-Halbleitersubstrats 305 und
der Polysiliziumregionen 311 im Wellenleiter 317 entlang
des optischen Pfads 313 steuert. Es versteht sich, dass
Silizium und Polysilizium große
Schwankungen im Brechungsindex aufweisen, die in einer Größenordnung
von ungefähr
2 × 10–4/°K auf Temperaturschwankungen
ansprechen, und dass die auf die Temperatur zurückzuführenden Schwankungen im Brechungsindex
für Halbleitermaterialien
wie Silizium und/oder Polysilizium um zwei Größenordnungen größer als andere
Materialien wie zum Beispiel Silika oder dergleichen sind. Somit
können
durch Steuern der Temperatur des ersten Silizium-Halbleitersubstrats 305 und
der Polysiliziumregionen 311 relativ signifikante Verschiebungen
in der Mittelwellenlänge
des Lichts bereitgestellt werden, das von den Schnittstellen des
abstimmbaren Bragg-Gitters 301 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung reflektiert wird.
-
Insbesondere
unter Bezugnahme auf 5 ist eine grafische Darstellung 501 einer
Beziehung zwischen dem Reflexionsvermögen und der Wellenlänge bei
verschiedenen Temperaturen in einem beispielhaften Bragg-Gitter
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In einer Ausführungsform
könnte
die Temperatur der Silizium/Polysiliziumregionen des Bragg-Gitters zwischen
25°C, 75°C und 125°C eingestellt
werden. In der dargestellten Ausführungsform beträgt die Differenz
in den effektiven Brechungsindexziffern zwischen den Siliziumregionen
und den Polysiliziumregionen (Δneff) ungefähr 0,008 und die Periode des
Gitters Λ beträgt ungefähr 2 μm. Eine erste
Kurve 503 zeigt, dass bei 25°C die Mittelwellenlänge des
Lichts, welches von dem beispielhaften Silizium/Polysilizium-Bragg-Gitter
reflektiert wird, ungefähr
1,544 μm
in der dargestellten Ausführungsform
beträgt.
Im Vergleich dazu zeigt die zweite Kurve 505, dass bei
75°C die
Mittelwellenlänge
des Lichts, welches von dem beispielhaften Silizium/Polysilizium-Bragg-Gitter reflektiert wird,
ungefähr
1,548 μm
beträgt,
während
eine dritte Kurve 507 zeigt, dass bei 125°C die Mittelwellenlänge des
Lichts, welches von dem beispielhaften Silizium/Polysilizium-Bragg-Gitter
reflektiert wird, auf ungefähr 1,552 μm abgestimmt
bzw. verschoben ist. In einer Ausführungsform stellt eine Dünnfilm-Heizung
(zum Beispiel die Heizung 325 in 3) Mittelwellenlängen-Abstimmgeschwindigkeiten
im Bereich von Mikrosekunden bereit.
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Es
versteht sich, dass die Materialien, Abmessungen, Wellenlängen und
Brechungsindexwerte, die in Verbindung mit 5 beschrieben
und veranschaulicht sind, nur beispielhaft bereitgestellt werden,
und dass andere Materialien, Abmessungen, Wellenlängen und
Brechungsindexwerte gemäß anderen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
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Der
Leser wird verstehen, dass in einer Ausführungsform Seitenzipfel an
den Kanten jedes Maximums der Kurven 503, 505 und 507,
wie in 5 veranschaulicht, vorhanden sind. Bei Einsatz
von einheitlichen oder periodischen Bragg-Gittern sind die Seitenzipfel
gewöhnlich
relativ groß.
Zum Beispiel sind die periodischen Störungen im effektiven Brechungsindex
entlang des optischen Pfads eines einheitlichen oder periodischen Bragg-Gitters
in der grafischen Darstellung 601 von 6A veranschaulicht.
Wie entlang der y-Achse zu sehen, unterliegt der effektive Brechungsindex
(neff) periodischen oder regelmäßigen Störungen entlang
des optischen Pfads, der als Z entlang der x-Achse der grafischen
Darstellung 601 veranschaulicht ist. Im Gegensatz dazu
könnte
durch den Einsatz eines apodisierten Bragg-Gitters die Größe der Seitenzipfel
an den Kanten jedes Maximums der Kurven 503, 505 und 507 von 5 reduziert
werden. Zum Beispiel sind die periodischen Störungen im effektiven Brechungsindex
entlang des optischen Pfads eines apodisierten Bragg-Gitters in
einer grafischen Darstellung 603 von 6B veranschaulicht.
Es versteht sich, dass auch andere Typen von apodisierten Gittern
gemäß anderen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
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Insbesondere
unter Bezugnahme auf 7 ist ein Blockdiagramm dargestellt,
welches einen Querschnitt durch ein weiteres, in einem Halbleitersubstrat
mit ladungsmodulierten Regionen angeordnetes beispielhaftes abstimmbares
Bragg-Gitter 701 zeigt, das in einem abstimmbaren Wellenlängenwandler
(siehe zum Beispiel Bezugsziffer 101 in 1)
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. In einer Ausführungsform
könnte
das abstimmbare Bragg-Gitter 701 anstelle des abstimmbaren Bragg-Gitters 115 von 1 eingesetzt
werden. In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet das abstimmbare
Bragg-Gitter 701 ein erstes Halbleitersubstrat 703 mit
einem optischen Pfad 705, durch welchen Licht (zum Beispiel
vom Verstärkungsmedium 113, 1,
ausgestrahltes Licht) geleitet werden könnte. In einer Ausführungsform
könnte
das erste Halbleitersubstrat 703 in einem SOI Wafer 707 zwischen
einer ersten Isolierschicht 709 und einer zweiten Isolierschicht 711 enthalten
sein und konnte ein zweites Halbleitersubstrat 713 enthalten,
welches durch die zweite Isolierschicht 711 vom ersten
Halbleitersubstrat 703 getrennt ist. Wie bereits an früherer Stelle
in Verbindung mit 3 beschrieben, könnte ein
optischer Wellenleiter 715 innerhalb des ersten Halbleitersubstrats 703 vorgesehen
sein.
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In
einer Ausführungsform
beinhaltet das abstimmbare Bragg-Gitter 701 eine
Mehrzahl von eingegrabenen Silizium-Strukturen, das heißt eine Mehrzahl von Leiter-Isolator-Halbleiter-Strukturen 717,
die zum Beispiel ähnlich
den entlang des optischen Pfads 705 angeordneten Metalloxid-Halbleiter-Strukturen
(Metal-Oxide-Semiconductor („MOS") Structures) sind.
Jede aus der Mehrzahl von Strukturen 717 ist zum Empfang
eines Modulationssignals VG an einen Leiter 719 gekoppelt,
der an jede der Mehrzahl von Strukturen 717 durch die erste
Isolierschicht 709 hindurch gekoppelt ist. In einer Ausführungsform
ist die Höhe
jeder der Mehrzahl von Strukturen 717 gleich h, wobei die
Höhe h
derart gewählt
wird, dass der Fortpflanzungsverlust des Lichts im Wellenleiter 715 akzeptabel
ist.
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In
einer Ausführungsform
könnten
periodische oder quasi-periodische
Störungen
in einem effektiven Brechungsindex neff entlang
des optischen Pfads 705 bereitgestellt werden, die verwandt
mit oder gleich einer Funktion der Geometrie des Wellenleiters 715 entlang
des optischen Pfads 705 sowie auch des Brechungsindex des
spezifischen benutzten Mediums (zum Beispiel nSi)
und der Wellenlänge λ des durch
den Wellenleiter 715 laufenden Lichts sind. Dementsprechend
ist, vorausgesetzt das Halbleitersubstrat 703 enthält Silizium,
der effektive Brechungsindex neff eine Funktion
der Höhe
H des Wellenleiters 715, die nicht die Strukturen 717,
nSi und λ enthält. In den
Regionen 721 des Wellenleiters 715 einschließlich der
Strukturen 717 ist der effektive Brechungsindex n'eff eine
Funktion der Höhe
(H-h) des Wellenleiters 715 einschließlich der Strukturen 717,
nSi und λ.
Somit ist die Differenz des effektiven Brechungsindex neff gleich
neff – n'eff.
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In
einer Ausführungsform
könnten
die Strukturen 717 in Reaktion auf das Modulationssignal
VG durch den Leiter 719 vorgespannt
sein, um die Konzentration freier Ladungsträger in ladungsmodulierten Regionen 723 im
ersten Halbleitersubstrat 703 nahe der Strukturen 717 zu
beeinflussen. Zum Beispiel, vorausgesetzt, es wird eine positive
Spannung mit dem Modulationssignal VG durch
den Leiter 719 angelegt, so werden die Elektronen im ersten
Halbleitersubstrat 703 in die ladungsmodulierten Regionen 723 getragen.
Wenn eine weniger positive Spannung angelegt wird, kann die Konzentration
der freien Ladungsträger,
die in die ladungsmodulierten Regionen 723 getragen werden,
reduziert werden. Es versteht sich, dass die Polaritäten der
Ladungen und Spannungen umgekehrt werden können, und dass eine größere oder
kleinere Anzahl von Strukturen 717 gemäß anderer Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden kann.
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In
einer Ausführungsform
könnte
der effektive Brechungsindex n
eff in den
ladungsmodulierten Regionen
723 in Reaktion auf das Modulationssignal
V
G über
einen plasma-optischen
Effekt moduliert werden, der durch die Reaktion auf eine Zusammenwirkung
zwischen einem optischen elektrischen Feldvektor von Licht, das
durch den Wellenleiter
715 läuft, und den möglichen
freien Ladungsträgern
auf dem optischen Pfad
705 entstehen kann. In einem Siliziumsubstrat
wird die Veränderung
im effektiven Brechungsindex Δn
eff, die auf Veränderungen in der freien Elektron-
(ΔN
e) und Loch- (ΔN
h)
Konzentration zurückzuführen ist,
wie folgt ausgedrückt:
wobei n
0 der
nominale Brechungsindex für
Silizium, e die elektronische Ladung, c die Geschwindigkeit des Lichts, ε
0 das
Durchlässigkeitsvermögen des
freien Raums und m
e* und m
h*
die effektiven Elektron- bzw. Lochmassen sind.
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Im
Betrieb könnte
das abstimmbare Bragg-Gitter 701 in einer Weise ähnlich der
oben beschriebenen Weise in Verbindung mit 3 funktionieren.
In einer Ausführungsform
könnte
Licht 725 (zum Beispiel vom Verstärkungsmedium 113 ausgestrahltes
Licht, 1) mit einer Mehrzahl von Wellenlängen λ1, λ2,
und λ3 auf die Mehrzahl der Schnittstellen einfallen,
die in einer Ausführungsform
zwischen den Regionen 721 einschließlich der ladungsmodulierten
Regionen 723 und den restlichen Regionen des ersten Halbleitersubstrats 703 des abstimmbaren
Bragg-Gitters 701 gebildet
sind. Es versteht sich, dass obwohl die dargestellte Ausführungsform
drei Wellenlängen
von Licht aufweist, andere Ausführungsformen
der Erfindung eine andere Anzahl von Wellenlängen im Licht 725 aufweisen
könnten.
Wenn das Licht 725 die periodischen oder quasi-periodischen Störungen im
Brechungsindex entlang des optischen Pfads 705 antrifft,
könnte
dies eine Bragg-Bedingung, wie
oben beschrieben, erfüllen,
was bewirkt, dass Licht, welches der Bragg-Wellenlänge entspricht
(in diesem Fall Licht der Wellenlänge λ2 727),
von den Schnittstellen des abstimmbaren Bragg-Gitters 701 reflektiert
wird. Der Rest des eingehenden Lichts 725 (das heißt das von
den Schnittstellen des abstimmbares Bragg-Gitters 701 nicht reflektierte
Licht) könnte
dann das Gitter unbeeinflusst in der Richtung passieren, in der
das Licht 725 in den Wellenleiter 715 eingetreten
war (siehe zum Beispiel Bezugsziffer 729, welches das den
Wellenlängen λ1 und λ3 entsprechende
Licht bezeichnet).
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In
einer Ausführungsform
könnte
die Bragg-Wellenlänge
(das heißt
die abstimmbare Mittelwellenlänge),
die von der Mehrzahl der Schnittstellen zwischen den Regionen 721 einschließlich der
ladungsmodulierten Regionen 723 und den restlichen Regionen
des ersten Halbleitersubstrats 703 des abstimmbaren Bragg-Gitters
reflektiert wird, durch entsprechende Modulierung der Ladung in
den ladungsmodulierten Regionen 723 über das Modulationssignal VG abstimmbar oder einstellbar sein. Wie bereits
an früherer
Stelle besprochen, könnte
der effektive Brechungsindex (Δneff) entlang des optischen Pfads 705 in
Reaktion auf das Modulationssignal VG moduliert
werden, um gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung relativ signifikante Verschiebungen in
der Mittelwellenlänge
des von den Schnittstellen des abstimmbaren Bragg-Gitters reflektierten
Lichts zu erzeugen.
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Insbesondere
unter Bezugnahme auf 8 ist ein Blockdiagramm eines
anderen beispielhaften abstimmbaren Wellenlängenwandlers 801 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in der Ausführungsform
von 1 könnte
der abstimmbare Wellenlängenwandler 801 von 8 auf
einem SOI Wafer 803 angeordnet sein, welcher ein erstes
Halbleitersubstrat 807, das zwischen einer ersten Isolierschicht 805 und
einer zweiten Isolierschicht 809 angeordnet ist, sowie
ein zweites Halbleitersubstrat 811 beinhaltet, das vom
ersten Halbleitersubstrat 807 durch die zweite Isolierschicht 809 getrennt
ist.
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Wie
in der dargestellten Ausführungsform
zu sehen, enthält
der abstimmbare Wellenlängenwandler 801 ein
Verstärkungsmedium 813,
welches in einer Ausführungsform
einen QCIL enthalten könnte,
und eine Mehrzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern 815a–c, die
im ersten Halbleitersubstrat 807 angeordnet sind. Es versteht
sich, dass in anderen Ausführungsformen
eine größere oder
kleinere Anzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern enthalten sein könnte. In
einer Ausführungsform
weist die Mehrzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern (zum Beispiel
abstimmbare Bragg-Gitter 815a–c) zusammengenommen einen
Abstimmbereich auf, der das ganze Spektrum des Verstärkungsmediums 813 abdeckt.
In einer Ausführungsform
könnte
ein Laser-Hohlraum 817 im ersten Halbleitersubstrat 807 zwischen
den ersten und zweiten Isolierschichten 805 und 809 und
zwischen Reflektoren, das heißt
der Mehrzahl der abstimmbaren Bragg-Gitter 815a–c, und einem zweiten Reflektor 819,
der ein Teil des Verstärkungsmediums 813 ist,
definiert sein. In einer Ausführungsform könnte der
zweite Reflektor 819 eine gespaltene Oberfläche oder
Facette aufweisen.
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In
einer Ausführungsform
könnte
jedes der Mehrzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern 815a–c so abgestimmt
werden, dass es einer jeweils anderen Bragg-Wellenlänge λC1, λC2 bzw. λC3 entspricht.
Die meisten der abstimmbaren Bragg-Gitter 815a–c fungieren in einer Ausführungsform
als Reflektoren zum selektiven Reflektieren von Licht, das der betreffenden
Bragg-Wellenlänge
jedes abstimmbaren Bragg-Gitters 815a–c entspricht.
Im Betrieb könnte
in einer Ausführungsform
vom Verstärkungsmedium 813 Licht 823,
das einer Mehrzahl von Wellenlängen
(zum Beispiel λC1, λC2 und λC3) entspricht, in Reaktion auf ein optisches
Eingangssignal 821, das einer ersten Wellenlänge entspricht
und modulierte Daten enthält,
erzeugt werden. In einer Ausführungsform
entspricht das ausgestrahlte Licht 823 mindestens einer
Wellenlänge,
die sich von der ersten Wellenlänge
des optischen Eingangssignals 821 unterscheidet, und wird,
wie an früherer
Stelle in Verbindung mit den 1 und 2 besprochen,
mit den Daten moduliert.
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Ein
Teil des Lichts 823 mit einer Mittelwellenlänge von λC1 könnte vom
ersten abstimmbaren Bragg-Gitter 815a mit einer Bragg-Wellenlänge von λC1 reflektiert
werden (der reflektierte Teil ist mit Bezugsziffer 825 bezeichnet).
Der restliche Teil des ausgestrahlten Lichts 823 (der restliche
Teil ist mit Bezugsziffer 827 bezeichnet) könnte sich
weiter durch den Laser-Hohlraum 817 hindurch bis zum zweiten
abstimmbaren Bragg-Gitter 815b fortpflanzen. An diesem
Punkt könnte
ein weiterer Teil des ausgestrahlten Lichts 823 mit einer
Mittelwellenlänge
von λC2 vom zweiten abstimmbaren Bragg-Gitter 815b mit
einer Bragg-Wellenlänge
von λC2 reflektiert werden (der reflektierte Teil
ist mit Bezugsziffer 829 bezeichnet). Wiederum könnte der
restliche Teil des ausgestrahlten Lichts 823 (der restliche
Teil ist mit Bezugsziffer 831 bezeichnet) sich weiter durch
den Laser-Hohlraum 817 hindurch bis zum dritten abstimmten
Bragg-Gitter 815c fortpflanzen. Hier könnte wiederum ein weiterer
Teil des ausgestrahlten Lichts 823 mit einer Mittelwellenlänge von λC3 vom
dritten abstimmbaren Bragg-Gitter 815c mit
einer Bragg-Wellenlänge
von λC3 reflektiert werden (der reflektierte Teil
ist mit Bezugsziffer 833 bezeichnet). In einer Ausführungsform,
in der die Mehrzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern darauf eingerichtet
ist, ein volles Spektrum von Licht zu reflektieren, das vom Verstärkungsmedium 813 ausgestrahlt wird,
könnte
ein größerer Wellenlängenbereich,
in dem die Umwandlung des optischen Eingangssignals 821 möglich ist,
zur Verfügung
gestellt werden.
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In
einer Ausführungsform
ist der zweite Reflektor 819 nur teilweise reflektierend,
so dass ein optisches Ausgangssignal 835 vom abstimmbaren
Wellenlängenwandler 801 für mindestens
eine umgewandelte Wellenlänge λC1, λC2 oder λC3 erzeugt
werden könnte,
die die im optischen Eingangssignal 821 verkodeten Daten enthält. In einer
Ausführungsform
könnte
die Mehrzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern 815a–c über eine Mehrzahl
von Heizungen 847a–c,
die in der Nähe
des Halbleitersubstrats mit den abstimmbaren Bragg-Gittern 815a–c liegen,
in einer Weise ähnlich
der an früherer
Stelle mit Bezug auf 3 beschriebenen Weise abgestimmt
werden. Es versteht sich, dass jedes beliebige oder mehrere der
Mehrzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern 815a–c so „abgestimmt" werden können, dass
es/sie nicht länger
eine der Wellenlängen
reflektieren, die dem vom Verstärkungsmedium 813 ausgestrahlten
Licht 823 entsprechen, und somit ein optisches Ausgangssignal
(zum Beispiel das optische Ausgangssignal 835) bereitstellen,
das einer ganz bestimmten ausgewählten
umgewandelten Wellenlänge
(zum Beispiel λC1, λC2 oder λC3) und nicht einer Mehrzahl von Wellenlängen entspricht.
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Insbesondere
unter Bezugnahme auf 9 ist ein Blockdiagramm eines
weiteres beispielhaften abstimmbaren Wellenlängenwandlers 901 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie die in den 1 und 8 dargestellten
Ausführungsformen
könnte
der abstimmbare Wellenlängenwandler 901 von 9 auf
einem SOI Wafer 903 angeordnet werden, welcher ein erstes
Halbleitersubstrat 907, das zwischen einer ersten Isolierschicht 905 und
einer zweiten Isolierschicht 909 angeordnet ist, sowie ein
zweites Halbleitersubstrat 911 beinhaltet, das vom ersten
Halbleitersubstrat 907 durch die zweite Isolierschicht 909 getrennt
ist.
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Wie
in der dargestellten Ausführungsform
zu sehen, enthält
der abstimmbare Wellenlängenwandler 901 ein
Verstärkungsmedium 913,
welches in einer Ausführungsform
einen QCIL enthalten könnte,
sowie eine Mehrzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern 915a–f, die
im ersten Halbleitersubstrat 907 angeordnet sind. Es versteht
sich, dass in anderen Ausführungsformen
eine größere oder
kleinere Anzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern enthalten sein könnte. Außerdem weist
der abstimmbare Wellenlängenwandler 901 einen
Laser-Hohlraum 917 auf, der durch die ersten und zweiten
Isolierschichten 905 und 909 sowie durch die Reflektoren
in Form der Mehrzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern 915a–c an einem
Ende und durch die Reflektoren in Form der Mehrzahl von abstimmbaren
Bragg-Gittern 915d–f
am anderen Ende definiert ist. In einer Ausführungsform könnten die
Reflektoren in Form der Mehrzahl der abstimmbaren Bragg-Gitter 915d–f so konstruiert sein,
dass sie nicht vollkommen reflektierend sind, so dass ein Teil des
der entsprechenden Bragg-Wellenlänge entsprechenden
Lichts den abstimmbaren Wellenlängenwandler 901 passieren
und von diesem ausgestrahlt werden kann. Es versteht sich, dass
in einer anderen Ausführungsform
die Reflektoren in Form der Mehrzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern 915a–c derart
oder auch derart (das heißt
zusätzlich
zu den Gittern 915d–e) konstruiert
sein könnten,
dass sie nicht vollkommen reflektierend sind, so dass der Teil des
der entsprechenden Bragg-Wellenlänge
entsprechenden Lichts den abstimmbaren Wellenlängenwandler 901 passieren
und von diesem ausgestrahlt werden kann. Andere Merkmale des abstimmbaren Wellenlängenwandlers 901 könnten den
an früherer
Stelle mit Bezug auf die 1 und 8 beschriebenen
Merkmalen ähnlich
sein.
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In
einer Ausführungsform
könnte
jedes der Mehrzahl von abstimmbaren Bragg-Gittern 915a–f so abgestimmt
sein, dass sie einer jeweils anderen Bragg-Wellenlänge λC1, λC2, λC3, λC1', λC2', bzw. λC3' entsprechen, so
dass sie als Reflektoren fungieren, die selektiv Licht, das der
betreffenden Wellenlänge
entspricht, reflektieren. In einer Ausführungsform könnte eine
der Bragg-Wellenlängen λC1, λC2 oder λC3 so
abgestimmt sein, dass sie mit einer der Bragg-Wellenlängen λC1', λC2', bzw. λC3' übereinstimmt oder ihr gleich
ist. Die restlichen Bragg-Wellenlängen λC1, λC2 oder λC3 könnten so
abgestimmt sein, dass sie nicht gleich einer der restlichen Bragg-Wellenlängen λC1', λC2', bzw. λC3' sind. Zum Beispiel λ2 = λ2', λ1 ≠ λ1', und λ3, ≠ λ3'. In einer Ausführungsform
könnten
die abstimmbaren Bragg-Gitter 915a–f so abgestimmt sein, dass
sie das volle Spektrum des Verstärkungsmediums 913 abdecken.
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In
einer Ausführungsform
könnte
ein optisches Eingangssignal 919 einer ersten Wellenlänge mit
darin verkodeten Daten dem abstimmbaren Wellenlängenwandler 901 zugeführt werden
und das Ausstrahlen von Licht aus dem Verstärkungsmedium 913 bewirken.
In einer Ausführungsform
könnte
das vom Verstärkungsmedium 913 ausgestrahlte
Licht dann von der betreffenden Mehrzahl von Bragg-Gittern 915a–f in einer
Weise reflektiert werden, die der an früherer Stelle in Verbindung
mit 8 beschriebenen Weise ähnlich ist. Da in dem gegenwärtigen Beispiel λ2 = λ2' ist, werden die
den Wellenlängen λ2, λ2' entsprechenden Teile
des Lichts weiterhin zwischen den entsprechend abgestimmten Bragg-Gittern
hin und zurück
reflektiert, wie an früherer Stelle
beschrieben, so dass Lasern im Laser-Hohlraum 917 stattfindet.
In einer Ausführungsform
könnte
das vom Verstärkungsmedium 913 ausgestrahlte
Licht mit den im optischen Eingangssignal 919 verkodeten
Daten moduliert werden, wie an früherer Stelle in Verbindung
mit den 1 und 2 beschrieben,
so dass ein optisches Ausgangssignal 921 entsprechend einer
der umgewandelten Wellenlängen
(zum Beispiel λC1, λC1' oder λC2, λC2' oder λC3, λC3') von dem abstimmbaren
Wellenlängenwandler 901 mit
den darin verkodeten Daten ausgestrahlt werden könnte. Es versteht sich, dass
die Anwesenheit von nicht selektierten Wellenlängen (λC1, λC1' oder λC3, λC3') im optischen Ausgangssignal 921 lediglich
als kleine Zipfel erscheinen könnten,
da sie nicht intern innerhalb des Laser-Hohlraums 917 reflektiert
sind, und für
diese nicht selektierten Wellenlängen
daher kein Lasern stattfindet.
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In
einer Ausführungsform
könnte
ein einzelnes Gitter G1, wie ein abgetastetes Gitter (nicht dargestellt),
anstelle von separaten Gittern 915a–c zum Reflektieren von mehreren
Wellenlängen
(zum Beispiel λC1, λC2 und λC3) eingesetzt werden, da ein einzelnes Gitter
mehrere Beugungsgrade aufweisen könnte. Desgleichen könnte ein
zweites Gitter G2 (nicht dargestellt) mit einer etwas anderen Teilung
zum Reflektieren von mehreren Wellenlängen (zum Beispiel λC1', λC2' und λC3') anstelle der separaten
Gitter 915d–f
eingesetzt werden. In dieser Ausführungsform könnte einer
der Bragg-Grade bzw. Bragg-Wellenlängen des Bragg-Gitters G1 so
abgestimmt werden, dass er mit einem der Bragg-Grade bzw. Bragg-Wellenlängen des
Bragg-Gitters G2 übereinstimmt
oder diesem gleich ist. Der Reflexionsprozess funktioniert dann
in einer Weise ähnlich
der an früherer
Stelle in Verbindung mit 9 beschriebenen Weise, außer dass
die Reflexionen einzelnen Gittern, nicht separaten Gittern entstammen.
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Insbesondere
unter Bezugnahme auf 10 ist ein Ablaufdiagramm eines
beispielhaften Ereignisflusses in einem Prozess 1001 für abstimmbare
Wellenlängen-Umwandlung
unter Einsatz eines abstimmbaren Bragg-Gitters und eines Lasers
in einem Halbleitersubstrat gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie an früherer Stelle
in Verbindung mit den 1–9 beschrieben,
beginnt der Prozess damit, dass ein optisches Eingangssignal, welches
eine erste Wellenlänge
aufweist und verkodete Daten enthält, einem Verstärkungsmedium
zugeführt
wird (siehe zum Beispiel Prozessblock 1003). Dann fährt der Prozess 1001 mit
der Ausstrahlung von induziertem Licht aus dem Verstärkungsmedium
fort, welches mindestens eine von der ersten Wellenlänge abweichende
abstimmbare Mittelwellenlänge
aufweist und mit den Daten moduliert wird (siehe zum Beispiel Prozessblock 1005).
Danach fährt
der Prozess 1001 mit dem Reflektieren von Licht der abstimmbaren
Mittelwellenlänge
von einem ersten Ende (zum Beispiel einem abstimmbaren Bragg-Gitter)
eines Laser-Hohlraums
fort, um die weitere Ausstrahlung von Licht zu induzieren, welches
die abstimmbare Mittelwellenlänge
aufweist (siehe zum Beispiel Prozessblock 1007). Der Prozess 1001 geht
nun weiter, indem mindestens ein Teil des Lichts mit der abstimmbaren
Mittelwellenlänge
von einem zweiten Ende des Laser-Hohlraums (siehe zum Beispiel Prozessblock 1009) übertragen
wird.
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In
einer Ausführungsform
fährt jetzt
der Prozess 1001 mit dem Abstimmen des Bragg-Gitters fort,
um Licht einer zweiten abstimmbaren Mittelwellenlänge (siehe
zum Beispiel Prozessblock 1011) zu reflektieren, damit
der abstimmbare Wellenlängenwandler
in Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung das optische Eingangssignal, oder ein
anderes optisches Eingangssignal, in eine andere unterschiedliche
Wellenlänge
umwandeln kann.
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Insbesondere
unter Bezugnahme auf 11 ist ein Blockdiagramm eines
beispielhaften optischen Systems 1101 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. In einer Ausführungsform
beinhaltet das optische System 1101 ein optisches Kommunikationsnetzwerk 1103a,
welches optisch an einen abstimmbaren Wellenlängenwandler 1105 gekoppelt
ist. In einer Ausführungsform
könnte
der abstimmbare Wellenlängenwandler 1105 optisch,
zum Beispiel über
ein Faserband oder dergleichen, an das optische Kommunikationsnetzwerk 1103 gekoppelt
sein. Es versteht sich, dass der abstimmbare Wellenlängenwandler 1105 eine
und/oder alle oben in Verbindung mit den 1–9 beschriebenen
Ausführungsformen
umfassen könnte.
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In
einer Ausführungsform
könnte
der abstimmbare Wellenlängenwandler 1105 optisch
an ein anderes optisches Netzwerk 1103b gekoppelt sein,
welches ein vom ersten optischen Netzwerk 1103a separates
Netzwerk oder einfach ein anderer Teil eines größeren Netzwerks sein könnte. Zum
Beispiel könnte
der abstimmbare Wellenlängenwandler 1105 als
Zwischenverbindung zwischen Teilen eines optischen Netzwerks (zum Beispiel
optische Netzwerke 1103a und 1103b) fungieren,
um Information/Daten von einer Wellenlänge (das heißt Kanal)
in eine andere Wellenlänge
umzuwandeln, um die Kommunikationseffizienz über das optische Netzwerk zu
verbessern.
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Obwohl
die Erfindung hier im Zusammenhang mit einer begrenzten Anzahl von
Ausführungsformen beschrieben
und veranschaulicht wurde, kann sie in vielen Formen verkörpert werden,
ohne von den wesentlichen Eigenschaften der Erfindung abzuweichen.
Die veranschaulichten und beschriebenen Ausführungsformen einschließlich der
Beschreibung in der Zusammenfassung des Offenbarten, gelten daher
in allen Aspekten als illustrativ und nicht einschränkend. Der
Geltungsbereich der Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen, nicht in der obigen Beschreibung,
definiert, und alle Änderungen,
deren Sinn und Reichweite gleichbedeutend mit den Ansprüchen sind,
gelten als mit in diese Ansprüche
aufgenommen.