DE69022151T2

DE69022151T2 - Halbleiterlaserverstärkereinheit hoher Verstärkung.

Info

Publication number: DE69022151T2
Application number: DE69022151T
Authority: DE
Inventors: Ian William Marshall
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1989-04-25
Filing date: 1990-04-25
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2010-04-26
Also published as: GB8909362D0; US5134621A; CA2051116C; EP0418997B1; AU5530590A; DE69022151D1; JPH04504784A; EP0418997A1; IE901661L; AU650816B2; AU3849593A; ES2076311T3; CA2051116A1; WO1990013163A1; ATE127629T1; AU638712B2; IE62367B1

Description

Die Erfindung betrifft Halbleiterlaserverstärker mit hoher Verstärkung und insbesondere die Kombination von zwei derartigen Laserverstärkern. Wanderwellen-Halbleiterlaserverstärker sind für eine Reihe von Anwendungen in der optischen Kommunikation angegeben worden. Sie wurden beispielsweise als Verstärker, Vorverstärker, Leistungsverstärker, Schalter und Filter verwendet. Bei zahlreichen derartigen Anwendungen ist zur Erzielung einer optimalen Leistung eine hohe Verstärkung erforderlich; ein kritischer Faktor zur Erzielung einer hohen Ausgangsleistung im Sättigungsbetrieb ist ferner die Minimierung des Restreflexionsvermögens der Facette.
Die vorliegende Erfindung löst nach einem ersten Aspekt beide Probleme und gibt eine Laserverstärker-Baugruppe an, mit der eine höhere Verstärkung erzielt werden kann, als das bisher der Fall war.
Wenn sich ein gepulstes Lichtsignal in einer Lichtwellenleitung ausbreitet, kommt es wegen der Dispersion üblicherweise zu einer Impulsverformung. Es ist daher erforderlich, das Signal in im Lichtleiter beabstandet angeordneten Zwischenverstärkern zu regenerieren. Es ist jedoch möglich, Lichtimpulse in einer Lichtleitfaser ohne wesentliche Streuung zu übertragen, wenn die Impulse optische Solitonen sind; in diesem Falle kann eine Übertragung über eine sehr große Distanz ohne Regeneration stattfinden. Optische Solitonen haben eine relativ hohe Spitzenleistung (z.B. 100 mW) , sind Impulse kurzer Dauer (z.B. 3 ps) und haben ein glattes Profil. Gegenwärtig werden optische Solitonen mit Tieftemperaturlasern erzeugt; die Ausrüstung ist jedoch umfangreich und teuer. Es wird auf US-A-4-635263 verwiesen, worin als Impulsquelle ein Farbstofflaser verwendet ist.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Erzeugung optischer Solitonen unter Verwendung von Halbleiterlaserverstärkern.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Modulationstechniken, die gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung gibt eine Laserverstärker- Baugruppe an, die einen ersten und einen zweiten Halbleiterlaserverstärker und einen optischen Isolator umfaßt, wobei der Ausgangsstrahl des ersten Laserverstärkers über ein durch zwei Linsen gebildetes Kollimatorteil zum zweiten Laserverstärker geleitet wird, und der optische isolator zwischen den beiden Linsen angeordnet ist, und wobei der Isolationsfaktor des optischen Isolators derart ist, daß der Umlaufverlust eines Signals, das in Vorwärtsrichtung durch den zweiten Laserverstärker geht, von dessen entfernter Resonatorfläche reflektiert wird, und in Rückwärtsrichtung durch den zweiten Laserverstärker und durch den optischen Isolator hindurchgeht, 8 bis 10 dB beträgt.
Die Erfindung gibt ferner ein Verfahren zur Verstärkung von Lichtimpulsen an, das folgende Schritte umfaßt: Leiten eines Eingangslichtpulses über eine Lichtleitfaser zu einem abgedichteten Gehäuse, das einen ersten und einen zweiten Halbleiterlaserverstärker, die in Reihe geschaltet sind, enthält, Verstärken des Eingangslichtpulses im ersten Laserverstärker, Leiten des resultierenden verstärkten Lichtimpulses vom Ausgang des ersten Laserverstärkers über ein aus zwei Linsen bestehendes Kolllmatorteil zum zweiten Laserverstärker, weiteres Verstärken des Lichtimpulses im zweiten Laserverstärker und Senden des als Ausgangssignal resultierenden, weiter verstärkten Lichtimpulses über eine Lichtleitfaser,
wobei ein optischer Isolator zwischen den beiden Linsen und zwischen dem ersten und zweiten Laserverstärker angeordnet ist und der optische Isolator einen solchen Isolationsfaktor aufweist, daß der Umlaufverlust eines Signals, das in Vorwärtsrichtung durch den zweiten Laserverstärker geht, von dessen entfernter Resonatorfläche reflektiert wird und in Rückwärtsrichtung durch den zweiten Laserverstärker und durch den optischen Isolator geleitet wird, 8 bis 10 dB beträgt.
Die Erfindung gibt ferner einen Solitonen-Generator an, der in einem Gehäuse einen Halbleiterlaser, einen Halbleiterlaserverstärker und einen optischen Isolator enthält, wobei der Ausgangsstrahl des Lasers durch ein aus zwei Linsen bestehendes Kollimatorteil am Eingang des Laserverstärkers anliegt und der optische Isolator zwischen den beiden Linsen angeordnet ist, und wobei der Laser als Impulsquelle betrieben wird und Teil einer aktiv modengesperrten LEG-Laseranordung ist, so daß seine Ausgangspulse nahezu umformungsbegrenzt sind, oder als verstärkungsgeschalteter DFB-Laser betrieben wird, der Pulse erzeugte die nicht umformungsbegrenzt sind, wobei dann der Laserverstärker ein nichtlinearer Verstärker ist, der so ausgebildet ist, daß die Pulse zu nahezu umformungsbegrenzten Pulsen komprimiert werden, und die Pulse dem Laserverstärker zugeführt werden, in dem sie verstärkt werden und optische Solitonen bilden, die. durch eine Lichtleitfaser übertragen werden.
Der erste Verstärker kann als Impulsquelle als Teil einer Laseranordnung mit langem externem Hohlraum (LEC) oder einer verstärkungsgeschalteten DFB-Laseranordnung betrieben werden. Die Impulse können bei der Erzeugung oder durch Komprimieren fast umformungsbegrenzt sein, (s. Antony E. Siegman, Lasers, Kapitel 9, Oxford University Press, 1986, insbesondere S. 334-335), wobei die Verstärkung ausreichend ist, um optische Solitonen zu erzeugen. Im folgenden wird eine spezielle Ausführungsform der Erfindung als Beispiel unter Bezug auf die Zeichungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Versuchseinrlchtung, die zum Testen der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, und
Fig. 3 ist eine Modifizlerung der zur Erzeugung von Solitonen geeigneten Baugruppe von Fig. 1.
Überraschenderweise ist festgestellt worden, daß, wenn zwei Laserverstärker in Reihe angeordnet werden, eine geringe optische Isolation von z.B. 20 dB ausreichend sein kann, daß die rückwärtslaufende verstärkte Welle (Signalwelle und spontan auftretende Welle) aus dem zweiten Verstärker, die den ersten Verstärker beeinträchtigt, verhindern wird. Früher wurde angenommen, daß, wenn zwei Laserverstärker in Reihe angeordnet werden, man den Pegel der spontanen Rückemisssion (der typischerweise etwa 1 mW beträgt) auf etwa 10 % des Signalpegels verringern müßte, um eine Wechselwirkung zu verhindern. Dafür würde typischerweise eine Entkopplung von 40 dB benötigt
Es wurde jedoch im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß der kritische Faktor nicht die spontane Rückemisslon, sondern der Pegel des zurückerhaltenen Signals ist. Wegen des Einflusses des Verstärkungsgrades der zweiten Vorrichtung auf den Pegel des reflektierten Signals steht der vom Isolator zu erzeugende Verlust mit der Verstärkung der zweiten Vorrichtung in Beziehung. Ein Signal, das von der entfernten Resonatorfläche der zweiten Vorrichtung reflektiert wird, hat typischerweise einen um 30 dB niedrigeren Pegel, so daß bei einer Vorrichtung, die eine Verstärkung von 20 dB liefert, ein 20 dB-Isolator einen Gesamtverlust von 10 dB ergibt (das heißt in der zweiten Vorrichtung ist die Vorwärtssignalverstärkung 20 dB, dort entsteht ein Reflexionsverlust von 30 dB, und dann ergibt sich ein Gewinn von 20 dB für das reflektierte Signal, woraus eine Gesamtverstärkung von 10 dB folgt sodann ergibt ein Verlust von 20 dB durch den Isolator einen Gesamtverlust von 10 dB) Es wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß ein derartiger Verlust von 10 dB vollkommen zufriedenstellend ist wobei ein so geringer Gesamtverlust von z.B. 8 dB hingenommen werden kann. Auch ein größerer Gesamtverlust könnte noch akzeptabel sein; das würde aber normalerweise bedeuten, daß entweder ein überaus komplizierter Isolator verwendet wird oder daß die Verstärkung der zweiten Vorrichtung nicht so hoch gemacht wird, wie es eigentlich möglich wäre. Wenn daher ein 30 dB-Isolator vorhanden ist, würde man, wenn möglich, die Verstärkung der zweiten Vorrichtung auf 30 dB erhöhen.
Nach diesen Erkenntnissen war im Rahmen der Erfindung klar, daß es möglich sein würde, einen kleinen optischen Isolator mit einer folglich nur mäßigen Leistung zwischen zwei Laserverstärkern anzuordnen und die gesamte Anordnung in einem kompakten Gehäuse unterzubringen. Ausrichtung und Steuerung der Reflexionen würden erleichtert, wodurch eine solche Vorrichtung preiswert und einfach zu handhaben wäre.
Das schematisch in Fig. 1 gezeigte System beruht auf zwei 500 um langen Heterostruktur-Halbleiterlaserverstärkern 1 und 2, wobei jeder einen Verstärkungspeak von etwa 1,5 um und ein Restflächenreflexionsvermögen von 3 10&supmin;³ aufweist. Die Verstärker 1 und 2 sind in Reihe angeordnet. Die Eingangs- und Ausgangskopplung mit dem System erfolgt über Einmoden-Lichtleitfasern 3 und 4 mit Antireflexionsbeschichtung, die in konisch zulaufenden Linsen enden, und die einen Radius von etwa 10 um aufweisen, mit einem Kopplungsverlust von 6 dB, wobei sich der Verlust aus 3 dB am Eingang 3 und 3 dB am Ausgang 4 ergibt.
Die Verstärker sind über ein Kollimatorteil miteinander verbunden, wobei der Verlust 6 dB beträgt; es werden zwei Gadoliniumgranat-Kugeln (GGG) 5 und 6 mit Antireflexionsbeschichtung verwendet, die in dieser Ausführungsform einen Durchmesser von 1 mm haben und die jeweils bevorzugt in einem Abstand von 5 bis 10 um von einer der Verstärker-Resonatorflächen angeordnet sind. Wenn eine oder beide Kugeln falsch ausgerichtet sind, erhöht sich der Kopplungsverlust.
Ein einfacher optischer Isolator 7 in Miniaturausführung ist im Kollimatorteil angeordnet. Der optische Isolator 7 umfaßt zwei dlelektrische polarisierende Strahlteilerwürfel 8 und 9, einen YIG-Faraday-Rotator 10, der in einem Samarium-Cobalt-Magneten 11 angeordnet ist, und eine Lambda-Halbe-Platte 12, welche die Drehung der Polarisationsebene für einen einzigen Durchgang korrigiert. Die Komponenten dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung weisen bevorzugt folgende Abmessungen auf: Strahlteilerwürfel 8 und 9: Seitenlänge jeweils 3 mm; YIG-Faraday-Rotator 10: Durchmesser 3 mm; Magnet 11: Durchmesser 1,5 mm.
In dieser besonderen Ausführungsform weist der Isolator einen Einführungsverlust von 2 dB und eine Entkopplung von 20 dB auf. Dieser Isolationsgrad ist überraschenderweise ausreichend, um die rückwärtslaufende verstärkte Welle (Signalwelle und spontan auftretende Welle) aus dem zweiten Verstärker zu verhindern, die den ersten Verstärker beeinträchtigt. Somit verhindert der Isolator, daß das System schwingt und eliminiert Übersprecheffekte zwischen dem Signal und verstärkten reflektierten Signalen.
Die zwei Verstärker 1 und 2 sind auf Trägern vorgesehen, die auf Peltier-Kühlelementen 13 und 14 angeordnet sind.
Die gesamte Anordnung ist innerhalb eines hermetisch abgedichteten Gehäuses von 3 cm Länge und einer Breite von weniger als 2 cm vorgesehen.
Mit der Ausführungsform von Fig. 1, bei der die in Fig. 2 schematisch dargestellte Vorrichtung verwendet ist, wurden Tests durchgeführt. Der Verstärkungspeak, die Verstärkungssättigung und die Verstärkungswelligkeit des Systems wurden unter Verwendung eines DFB-Lasers als Sender 15 gemessen, der bei 1,51 um emittiert. Er wurde durch Polarisationssteuereinheiten 16 und 17, einen optischen Isolator 18, ein optisches Dämpfungsglied und einen zur Beobachtung verwendeten Richtungskoppler 20 mit dem Eingang des Systems verbunden. Der mit dem Ausgang des Verstärkersystems oder der Baugruppe 22 verbundene Empfänger 21 war ein über eine PIN- Photodiode angeschlossener Empfänger, der über einen 40 dB-Verstärker mit einem Oszilloskop verbunden war.
Das Gehäuse mit den zwei Verstärkern hatte eine "Vorrichtungsverstärkung" (Eingangs-Resonatorf läche zu Ausgangs-Resonatorfläche) von 32 dB bzw. eine Nettoverstärkung von 26 dB. Der DFB-Laser wurde durch zwei Rest-Fabry-Perot-Peaks des Verstärkers durch Einstellung der Betriebstemperatur des DFB-Lasers abgestimmt, und die Änderung der Ausgangsleistung der Baugruppe wurde gemessen. Die an die Verstärkerbaugruppe gelieferte Eingangsleistung wurde für alle Temperaturen auf -30 dBm gehalten, daher betrug die Verstärkungswelligkeit für eine Verstärkung von 32 dB nur 3 dB. Die Ergebnisse wurden so erhalten, daß die beiden Verstärker mit einem Vorstrom betrieben wurden, der dem normalen Betriebsstrom der Vorrichtungen entsprach (40 mA) , wobei eine Vorrichtungsverstärkung von 21 - 22 dB pro Verstärker mit einer Verstärkungswelligkeit von 3 dB in jeder Vorrichtung erwartet wurde. Da der Verlust in der Baugruppe zwischen den Verstärkern 8 dB betrug, wurde geschlossen, daß die Verstärkungssättigung des zweiten Verstärkers infolge der spontanen Emission des ersten Verstärkers 4 dB betrug.
Wenn zur Behebung der Verstärkungssättigung der Vorstrom am zweiten Verstärker auf 55 mA erhöht wurde und die Verstärker nachgestimmt wurden (um die Rest-Fabry-Perot- Moden erneut auszurichten), erhöhte sich die Verstärkung um 3 dB Bei der höheren Verstärkung von 35 dB betrug die Gesamtverstärkungswelligkeit der Baugruppe 6 dB. Duch eine Fabry-Perot-Analyse wurde festgestellt, daß das effektive Reflexionsvermögen 2- 10&supmin;&sup4; betrug. Diese Verringerung des Resonatorflächen-Reflexionsvermögens wird erhalten, wenn ein optischer Isolator zwischen den beiden Verstärkern verwendet wird. Es wurde gemessen, daß das verstärkte Rückwärtssignal von der Baugruppe um 20 dB kleiner war als das verstärkte Vorwärtssignal. Dies stimmt mit dem effektiven Reflexionsvermögen überein und ist ein großer Vorteil, wenn der Verstärker in einern Übertragungssystem verwendet werden soll, in dem mehr als ein Zwischenverstärker erforderlich ist.
Durch die Tests wurde auch die Verstärkungssättigungskennlinie der Baugruppe bestimmt. Bei einer Eingangsleistung von -27 dBm ergibt sich eine Verstärkungskompression von 3 dB. Das ist ein ähnlicher Wert wie bei einem einzigen Verstärker dieses Typs mit einer Verstärkung von 20 dB und ließe sich weiter verbessern, wenn man bessere Verstärker als die oben im einzelnen erläuterten Verstärker verwenden würde. Die Verstärkungskompression von 3 dB für einen elnzelnen Verstärker mit einer Verstärkung von 35 dBm ergibt sich bei einer Eingangsleistung von -40 dBm.
Um die Baugruppe als Empfänger-Vorverstärker zu verwenden, wurde dann die Ausgangslichtleitfaser der Baugruppe entfernt und durch eine Photodiode mit Linsen ersetzt (Abschlußwiderstand 50 Ohm). Der Kopplungsverlust zur Photodiode betrug 2 dB, so daß die Nettoverstärkung der Baugruppe nunmehr 30 dB betrug. Die Empfindlichkeit dieses Empfängers betrug -35 dBm bei 565 MBit/s für Verstärkungen über 20 dB. Das ist 3 dB schlechter als die Empfindlichkeit eines ähnlichen Empfängers, der mit einem einzigen Verstärker augestattet worden war, und zeigt, daß keine übermäßige Rauschzunahme mit der Verwendung von zwei Verstärkern verbunden ist, da eine Zunahme von 3 dB aus dem Anstieg von Δ fl In Verbindung mit der Abnahme des effektiven Reflexionsvermögens zu erwarten ist. Die Einschaltung eines 3 nm-Bandpassfilters zwischen den zweiten Verstärker und die Photodiode erhöhte die Empfindlichkeit auf -39,5 dBm. Die Einfügung des gleichen Filters zwischen die Verstärker (zusätzlich zum Isolator) würde zu einem weiteren Anstieg der Empfindlichkeit führen. Diese spezielle Baugruppe war nicht mit einem derartigen Filter ausgestattet, da das den Betriebsbereich eines linearen Zwlschenverstärkers einschränken würde, und da für die vorliegende Anwendung das spontane Breitbandemissionsrauschen weniger signifikant ist.
Die mit dieser Baugruppe verfügbare erhöhte Verstärkung ermöglicht den Aufbau von Empfängern, deren Empfindlichkeit bei jeder Bitrate innerhalb der Verstärkerbandbreite des Verstärkers durch das Verstärkerrauschen eingeschränkt ist.
Das Hauptproblem bei diesem Lösungsweg, eine Baugruppe mit hoher Verstärkung herzustellen, ist die hohe Polarisationsempfindlichkeit von 30 dB, da ein optischer Isolator verwendet wird. Jetzt sind allerdings polarisationsunempfindliche Verstärker verfügbar, und durch Kombinieren derartiger Verstärker mit einem polarisationsunempfindlichen optischen Isolator sollte eine weitere Verbesserung der Baugruppe möglich sein.
Die in dieser Ausführungsform beschriebene erfindungsgemäße Baugruppe umfaßt mit zwei Verstärker und besitzt eine Verstärkung von 30 dB, ein effektives Reflexionsvermögen von 2 10&supmin;&sup4; und eine Verstärkungswelligkeit von 6 dB und zeigt keine erwünschte Rauschzunahme. Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Kombination ist, daß die erforderliche Isolation merklich geringer als die vorausgesagte Isolation ist; obwohl eigentlich zu erwarten gewesen wäre, daß 40 dB benötigt würden, sind nur 20 dB erforderlich.
Die Baugruppe ist für eine Verwendung als linearer Zwischenverstärker ideal, da durch Ihren Einsatz die Anzahl der in einem Fernübertragungsystem erforderlichen Verstärker veringert werden kann. Mit der einfachen, oben beschriebenen Modifizierung kann die Baugruppe auch erfolgreich als Empfänger-Vorverstärker verwendet werden, insbesondere bei hohen Bitraten.
Eine Modifizierung der Baugruppe ist schematisch In Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein erster Laserverstärker eine modengesperrte Rezonanzvorrichtung in einer Laseranordnung 23 mit einen steuerbaren Gitter 24, das einen externen Hohlraum vorgibt. Die durch diese modengesperrte Laseranordnung erzeugten Impulse können so erzeugt werden, daß sie nahezu umformungsbegrenzt sind, so daß sie das engstmögliche Spektrum in dem Zeitbereich ergeben, der auftritt, wenn
Δt Δγ ≈ 0,315 ist,
wobei bedeuten:
Δ t die volle zeitliche Breite bei halbem Maximun und
Δγ die volle Linienbreite des Lasers bei halbem Maximum
Die durch den modengesperrten Laser erzeugten Pulse werden als Eingangssignal zum zweiten Laserverstärker übertragen und zu Solitronen verstärkt. Bei einer Standard-Einmodenfaser sind zur Erzeugung von Solitonen die folgenden allgemeinen Werte für Pulslänge, Wiederholungsrate und mittlere Ausgangsleistung erforderlich: Puls-Halbwertsbreite Wiederholungsrate Mittlere Leistung
Da es nun möglich ist, einen Halbleiterlaserverstärker mit einer Sättigungs-Ausgangsleistung von 10 mW an der Ausgangs-Resonatorfläche herzustellen, ist es möglich, wenn erfindungsgemäß eine Doppellaser-Baugruppe verwendet wird, beispielsweise Solitonen von 20 ps bei einer Rate von 5 GHz zu erzeugen, wobei angenommen wird, daß der Verlust beim Einkoppeln in die Faser unter 3 dB liegt. Es ist zu erwarten, daß bald Sättlgungs-Ausgangslelstungen von 20 mW erhältlich sind und sich schließlich ein Maximum von 100 mW erreichen läßt, wodurch Solitonen von 5 ps bei einer Rate von 20 GHz möglich werden, was einen signifikanten praktischen Nutzen bedeutete.
Es folgt eine detaillierte Beschreibung der Fig. 3.
Der Laserchip für die modengesperrte Laseranordnung 23 ist ein 500 um langer Laser mit vergrabener Heterostruktur und einer Antrireflexionsbeschichtung auf einer Resonatorfläche. Das Restreflexionsvermögen der Resonatorfläche betrug 4 10&supmin;&sup4; , und der Laser wies eine große Signalmodulations-Bandbreite von 1 GHz auf. Der Ausgang des Laserchips war über eine Kugellinse mit einem Durchmesser von 1 mm und einen. Ausgangsstrahldurchmesser von 300 um in elnen Hohlraum von 8 cm eingekoppelt. Das Gitter 24 war ein Strichgitter mit 600 Linien/mm und einer Wellenlänge maximaler Intensität von 1,6 um, das mit Gold beschichtet war. Die Bandbreite der Rückkopplung vom Gitter betrug 300 GHz (Auflösung des Gitters für einen Strahl von 300 um) , und die Streuung aufgrund des Gitterwinkels betrug 0,5 ps.
Der Laser war aktiv modengesperrt durch Überlagern einer Sinuswelle (Im Frequenzbereich von 500 MHz bis 20 GHz) bei einem Gleichstror-Vorstrom von 25 mA. Wenn die Modensperrung optimiert wurde, wurde am Ausgang dieses Lasers eine Impulsfolge von nahezu umformungsbegrenzten Pulsen von 1,5 ps (mit einem Zeit-Bandbreite-Produkt von 0,35) bei einer Wiederholungsfrequenz von 1,6 GHz erhalten, die über 30 nm abgestimmt werden konnte. Die Pulse waren bei harmonischen Hohlraumfrequenzen bis zu 8 GHZ durch Oberwellen-Modensperrung reproduzierbar. Nahezu umformungsbegrenzte Pulse mit Breiten unter 20 ps konnten über eine Bandbreite von 110 nm erhalten werden. Die Ausgangspulse wurden mit Hilfe einer Schlierenkamera mit einer Zeitauflösung von 2 ps gemessen; und die kleinste gemessene Breite betrug 2,5 ps. Die Impulsspektren wurden mit Hilfe eines Monochromators gemessen; ihre maximale Breite betrug 1,9 nm. Der Laser war auf eine Emission von 1,52 um abgestimmt; die Pulse wurden über einen optischen Isolator (60 dB) und eine Faser einer Länge von 10 m (mit einer Dispersion von 0,2 ps) an einen optischen Verstärker übertragen.
Bei einer alternativen, in Fig. 3 gezeigten Anordnung wurde der aus dem Isolator herauskommende Strahl direkt, das heißt, ohne die Hilfe einer Faser, einem optischen Verstärker zugeleitet.
Der Verstärker war 500 um langer Laserchip mit vergrabener Heterostruktur mit Mehrschicht-Antrireflexionsbeschichtungen auf beiden Resonatorflächen. Das Restreflexlonsvermögen der Resonatorflächen betrug 8 10&supmin;&sup4; , und die Verstärkungswelligkeit bei einem Betriebsstrom von 100 mA betrug 3 dB bei einer Vorrichtungsverstärkung von 25 dB. Die immanente Dispersion des Chips (abgeleitet aus dem Emissionsspektrum) betrug 0,05 ps. Die Ausgangskopplung wurde durch Fasern erhalten, die in konisch zulaufenden Linsen endeten, wobei die gleiche Faser für die Einkopplung in den Verstärker verwendet wurde; der Gesamtkopplungsverlust betrug 9 dB. Die maximale mittlere Eingangsleistung für den Verstärker betrug -16 dBm an der Resonatorfläche, wodurch sich aus der Verstärkung von 25 dB ohne Sättigung eine Verstärkung von 3 dB ergab. Der Ausgangsstrahl des Verstärkers wurde mit Hilfe einer Schlierenkamera und eines Monochromators gemessen. Bei einer Eingangsleistung von -16 dBm zeigten die Ergebnisse, daß die Pulse keine spektrale Verschiebung oder Verzerrung aufwiesen, und daß nur eine geringe mit der Dispersion des Meßsystems konsistente Verbreiterung beobachtet wurde, obwohl der Verstärker in der Verstärkungssättigung arbeitete. Es wurde festgestellt, daß die Verstärkung und die Verstärkungssättigung bei allen verfügbaren Frequenzen bis 8 GHz von der Impulswiederholungsfreuqenz unabhängig waren. Durch Messen der Amplitudenkompression der Sekundärpulse (die vom modengesperrten Laser erhalten werden konnten, wenn die Betriebsbedingungen nicht optimiert waren) wurde abgescbätzt, daß die Erholungszeit des Verstärkers 500 ps betrug.
Die mittlere Eingangsleistung, die für eine Verstärkungskompression von 3 dB am Verstärkungspeakwert (1,5 um) erforderlich war, betrug -19 dBm (an der Resonatorfläche) ; und die mittlere Eingangsleistung, die für eine Verstärkungskompression von 3 dB bei 1,52 um erforderlich war, betrug -16 dBm. Die maximale mittlere Ausgangslelstung des Verstärkers betrug 2 mW. Sie könnte durch eine Steigerung der Eingangsleistung erhöht werden, jedoch würde dann wegen der Verstärkungssättigung eine Pulsverzerrung auftreten. Um aber Pulse von 1,5 ps über eine geeignete Entfernung übertragen zu können, muß die Faserdispersion kompensiert werden, möglicherweise durch Ausnutzung von Soliton-Effekten, wofür die Ausgangsleistung für eine Wiederholungsfrequenz von 1,6 GHz 26 mW betragen müßte. Das zeigt daß der Halbleiterlaserverstärker eine ausreichende Bandbreite aufweist, um in konzipierbaren linearen optischen Kommunikationssystemen eingesetzt zu werden, wobei jedoch die Entwicklung von Verstärkern mit hoher Ausgangsleistung erforderlich ist, um ihre Verwendbarkeit In nichtlinearen Systemen zu maximieren. Eine Alternative zu der in Fig. 3 gezeigten modengesperrten Laseranordnung besteht darin, einen verstärkungsgeschalteten DFB-Laser zu verwenden. Eine derartige Quelle liefert keine umformungsbegrenzten Pulse; durch Verwendung eines nichtlinearen Verstärkers für den zweiten Laserverstärker kann jedoch zusammen mit einer Verstärkung im zweiten Verstärker eine Pulskompression zu umformungsbegrenzten Pulsen erzielt werden. Eine Pulskompression kann auf zwei verschiedene Arten realisiert werden. Eine davon ist, die Pulsanstiegsflanke dadurch abzutrennen, daß beispielsweise ein Zwei- Element-Verstärker mit einem sättigbaren Absorptionselement verwendet wird, das den Anstiegsteil des Pulses absorbiert und den Rest des Pulses nach Erreichen der Sättigung überträgt. Alternativ dazu kann auch die Pulsabfallflanke abgetrennt werden, indem die Verstärkungssättigung verwendet wird, wobei die Ladungsträger durch den ersten Teil des Pulses abgereichert werden, so daß dieser Teil des Pulses nicht übertragen wird. Ein verstärkungsgeschalteter DFB-Laser ist weniger empfindlich gegen Rückkopplung als ein LEC-Laser, und die Isolierung zwischen den beiden Laserverstärkern kann daher größenordnungsmäßig auf 40 dB verringert werden.
Nachdem ein Strom von Solitonpulsen erzielt wurde, ist es erforderlich, daß die Impulse mit Daten moduliert werden, damit sie für eine Datenübertragung genutzt werden können. Das trifft auch für Pulsströme zu, die nicht aus Solitonen bestehen; sie können erzeugt werden, indem eine Baugruppe verwendet wird, die ähnlich ist wie die in den Fig. 1 oder 3 gezeigte. Die vorliegende Erfindung sieht auch vor, daß die Modulation durch Modulieren des Vorstroms am zweiten Verstärker erzielt wird. Wenn der Vorstrom mit einer Rate von bis zu 2 GHz ein- und ausgeschaltet wird, werden auch die Impulse entsprechend ein- und ausgeschaltet. Wenn jedoch eine höhere Schaltgeschwindigkeit für den Vorstrom, beispielsweise 10 GHz, verwendet wird, schaltet der Verstärker nicht vollständig ab, und Infolgedessen entsteht eine Welllgkeit auf dem Verstärkungspuls, wobei sich für die "AUS"-Pulse ein typischer Verlust von 3 dB ergibt. Die modulierten Pulse können dann zur Abtrennung der Pulse mit niedrigerer Intensität weiter verarbeitet werden. Wenn die Laserverstärker auf die Erzeugung von Solitonen eingestellt sind, verringert der Verlust für die "AUS"-Pulse von 3 dB Ihre Leistung auf einen Pegel, der unter dem Solitonpegel liegt, und die Pulsfolge kann durch einen Solitonen-Spiegelschleifenschluß-Schalter gefiltert werden, so daß nur Solitonpulse und Null- Intervalle (entsprechend den ausgeschalteten Impulsen niedrigerer Intensität) in die Faser übertragen werden.
Sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungsform kann die Modulation am zweiten Laserverstärker auch dazu verwendet werden, einen Überwachungs- oder Ansprechkanal zu realisieren; so können beispielsweise am ersten Laserverstärker der Baugruppe von Fig. 1 ankommende Datenimpulse gelesen werden (z.B. durch Überwachung der Spannung an der Vorrichtung) , und eine am zweiten Verstärker überlagerte Modulation kann anzeigen, daß die Daten gelesen worden sind.

Claims

1. Laserverstärker-Baugruppe mit einem ersten und einem zweiten Halbleiterlaserverstärker und einem optischen Isolator, wobei der Ausgangsstrahl des ersten Laserverstärkers über ein durch zwei Linsen gebildetes Kollimatorteil zum zweiten Laserverstärker geleitet wird und der optische Isolator zwischen den beiden Linsen angeordnet ist, und wobei der optische Isolator einen solchen Isolationsfaktor aufweist, daß der Umlaufverlust eines Signals, das in Vorwärtsrichtung durch den zweiten Laserverstärker geht, von dessen entfernter Resonatorfläche reflektiert wird und in Rückwärtsrichtung durch den zweiten Laserverstärker und durch den optischen Isolator hindurchgeht, 8 dB bis 10 dB beträgt.

2. Laserverstärker-Baugruppe gemäß Anspruch 1, wobei der Isolationsfaktor des optischen Isolators höchstens 30 dB beträgt.

3. Laserverstärker-Baugruppe gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Isolator durch einen Faraday-Rotator gebildet wird und eine Lambda-Halbe-Platte zwischen zwei dielektrischen polarisierenden Strahltellerwürfeln angeordnet ist.

4. Verfahren zur Verstärkung von Lichtimpulsen, das folgende Schritt umfaßt: Leiten eines Eingangslichtpulses über eine Lichtleitfaser zu einem abgedichteten Gehäuse, das einen ersten und einen zweiten Halbleiterlaserverstärker, die in Reihe angeordnet sind, enthält, Verstärken des Eingangslichtpulses im ersten Laserverstärker, Leiten des resultierenden verstärkten Lichtpulses vorn Ausgang des ersten Laserverstärkers über ein aus zwei Linsen bestehendes Kollimatorteil zum zweiten Laserverstärker, weiteres Verstärken des Lichtpulses im zweiten Laserverstärker und Senden des als Ausgangssignal resultierenden, weiter verstärkten Lichtpulses über eine Lichtleitfaser,

wobei ein optischer Isolator zwischen den beiden Linsen vorgesehen und zwischen dem ersten und dem zweiten Laserverstärker angeordnet ist und der optische Isolator einen solchen Isolationsfaktor aufweist, daß der Umlaufsignalverlust eines Signals, das in Vorwärtsrichtung durch den zweiten Laserverstärker geht, von dessen entfernter Resonatorfläche reflektiert wird und in Rückwärtsrichtung durch den zweiten Laserverstärker und durch den optischen Isolator geleitet wird, 8 dB bis 10 dB beträgt.

5. Solitonen-Generator, der in einem Gehause einen Halbleiterlaser, einen Halbleiterlaserverstärker und einen optischen Tsoiator enthält, wobei der Ausgangsstrahl des Lasers durch ein aus zwei Linsen bestehendes Kollimatorteil am Eingang des Laserverstärkers anliegt und der optische Isolator zwischen den beiden Linsen angeordnet ist, und wobei der Laser als Impulsquelle dient, und Teil einer aktiv modengesperrten LEC- Laseranordung ist, so daß seine Ausgangsimpulse nahezu umformungsbegrenzt sind, oder als verstärkungsgeschalteter DFB-Laser betrieben wird, der Pulse erzeugt, die nicht umformungsbegrenzt sind, wobei dann der Laserverstärker ein nichtlinearer Verstärker ist, der so ausgebildet ist, daß die Pulse zu nahezu umformungsbegrenzten Pulsen komprimiert werden, und die Pulse dem Laserverstärker zugeführt werden, in dem sie verstärkt werden und optische Solitonen bilden, die durch eine Lichtleitfaser übertragen werden.

6. Solitonen-Generator nach Anspruch 5, der ferner einen Modulator zur Modulation des Vorstroms des Laserverstärkers umfaßt.

7. Solitonen-Generator nach Anspruch 6, wobei der Modulator derart ausgebildet ist, daß er den Vorstrom am Laserverstärker zwischen EIN und AUS schaltet.

8. Solitonen-Generator nach Anspruch 7, wobei der Modulator derart ausgebildet ist, daß der Laserverstärker mit einer Rate geschaltet wird, daß er nicht vollständig abgeschaltet wird.

9. Solitonen-Generator gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, der des weiteren eine Einrichtung zum Filtern von Ausgangsimpulsen niedrigerer Intensität aufweist, wenn der Modulator derart ausgebildet ist, daß die Vorspannung am Laserverstärker abgeschaltet wird.