DE69308984T2 - Überwachung der optischer Verstärkung eines optischen Halbleiterverstärkers - Google Patents
Überwachung der optischer Verstärkung eines optischen HalbleiterverstärkersInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleiterbauelemente und insbesondere ein Halbleiterbauelement, das bei Betrieb als optischer Verstärker eine Überwachung der optischen Verstärkung bereitstellt.
- Halbleiterlaserverstärker werden für Anwendungen mit optischer Signalverarbeitung zu immer wichtigeren Komponenten. Zusätzlich zu den einfachen Funktionen der Verlustkompensation und des Schaltens kann ein Halbleiterlaserverstärker gleichzeitig Verstärkung und Erfassung eines optischen Signals bereitstellen. In jüngster Zeit haben Verstärker, die diese doppelte Kapazität aufweisen, durch Einsatz eines geteilten Kontakts und Ausführung der Erfassungsfunktion am hinteren Kontakt eine verbesserte Erfassungskapazität gezeigt. Siehe dazu C. Jorgensen et al., "Two-Section Semiconductor Optical Amplifier Used as an Efficient Channel Dropping Node", IEEE Photon. Technol. Letters, Band 4, S. 348-350, 1992.
- EP-A-0377948 offenbart einen optischen Halbleiterverstärker mit einem Eingangsabschnitt, einem Ausgangsabschnitt und einem Mittelabschnitt und mit einem Verstärkungsmedium und einem durchgehenden optischen Wellenleiter, der sich durch den Eingangsabschnitt, den Mittelabschnitt und den Ausgangsabschnitt hindurch erstreckt.
- Mit zunehmender Komplexität von photoelektronischen integrierten Schaltungen mit integrierten Halbleiterlaserverstärkern wird es notwendig, die Verstärkung des Verstärkers zu überwachen, so daß eine automatische Verstärkungskontrolle durchgeführt bzw. die Widerstandsfähigkeit des Systems vergrößert werden kann. Die vorliegende Erfindung besteht darin, dieses Erfordernis der Überwachung der optischen Verstärkung eines Halbleiterlaserverstärkers zu erfüllen.
- Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert und betrifft einen Halbleiterlaserverstärker, der außer zur Verstärkung eines optischen Signals auch zur Überwachung der Verstärkung des Verstärkers verwendet werden kann. Es hat sich herausgestellt, daß bei elektrischer, nicht optischer, Teilung eines Halbleiterlaserverstärkers in drei getrennte Abschnitte, zwei Endabschnitte und einen Mittelabschnitt, und beim parallelen Anlegen einer Durchlaßvorspannung an alle drei Abschnitte die optische Verstärkung des Halbleiterverstärkers zu dem Verhältnis der Spannungen an den beiden Endabschnitten in Beziehung steht und daß diese Beziehung lediglich von festen Größen wie den Längen der drei Abschnitte abhängt.
- Figur 1 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau zum Überwachen der optischen Verstärkung eines Halbleiterlaserverstärkers.
- Figur 2 ist eine graphische Darstellung des Spannungssignals am Eingang und Ausgang des Halbleiterlaserverstärkers bei einem Vorpolarisierungsstrom Idc=26 mA.
- Figur 3 ist eine graphische Darstellung des Spannungssignals am Eingang und Ausgang des Halbleiterlaserverstärkers bei einem Vorpolarisierungsstrom Idc=110 mA; und
- Figur 4 ist eine graphische Darstellung der inneren optischen Verstärkung des Verstärkers über die Spannungsverstärkung des Halbleiterlaserverstärkers.
- Die Verstärkung eines optischen Halbleiterverstärkers kann durch Teilen des optischen Halbleiterverstärkers in drei elektrisch getrennte Abschnitte, die sich entlang eines durchgehenden optischen Wellenleiters erstrecken, überwacht werden. Ein erster Abschnitt liegt am Eingangsende des Verstärkers, ein zweiter Abschnitt liegt am Ausgangsende des Verstärkers und ein dritter Abschnitt liegt zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt. Jeder Abschnitt trägt einen elektrischen Kontakt, der zum individuellen Anlegen einer Durchlaßvorspannung in jedem Abschnitt verwendet wird. Bei Betrieb steht das Verhältnis der Spannungen an den an den ersten bzw. Eingangsabschnitt und den dritten bzw. Ausgangsabschnitt angekoppelten Kontakten in Beziehung zu der Verstärkung des Verstärkers.
- Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird ein Blockschaltbild eines Halbleiterlaserverstärkers gezeigt, der eine Überwachung der optischen Verstärkung bereitstellt. Das Material des Halbleiterverstärkers 10 kann unter Verwendung der Epitaxie aus der Gasphase einer metallorganischen Verbindung bei Normaldruck gezogen werden. Der Basiswafer umfaßt eine spannungskompensierte Mehrquantenmuldenverstärkungsschicht 11 für eine Wellenlänge von 1,55 µm auf einem 280 nm (2800 Å) dicken passiven InGaAsP-Wellenleiter 13, der dem in B.I. Miller et al., "Strain-Compensated Strained-Layer Superlattices for 1.5 µm Wavelength Lasers", Appl. Phys. Lett., Band 58, S. 1952-1954, 1991 ähnlich ist. Der Quantenmuldenstapel besteht aus sechs 3 nm (30 Å) dicken InGaAs-Mulden mit 1,3% Zugspannung, die durch 12,5 nm (125 Å) dicke InGaAsP-Sperrschichten mit 0,2% Zugspannung mit einer Photolumineszenz-Spitzenwellenlänge von 1,25 µm getrennt sind. Der Halbleiterverstärker 10 verwendet die halbisolierende, planare vergrabene Heterostruktur, wie sie von U. Koren et al., "Semi-Insulating Blocked Planar Buried Heterostructure GaInAs-InP Laser With High Power and High Modulation Bandwidth", Electron. Lett., Band 24, S. 138-139, 1988 offenbart worden ist. Mesas mit einer Dicke von 3 µm werden durch standardmäßige Photolithographie und naßchemisches Ätzen und danach zweimaliges Aufwachsen durch Epitaxie aus der Gasphase einer metallorganischen Verbindung für Stromblockier-, Ummantelungs- und p-Kontaktierungsschichten geschaffen. Der Halbleiterverstärker 10 ist 880 µm lang, wobei der obere Kontakt in drei Abschnitte unterteilt ist, einen 640 µm langen Mittelabschnitt 12, einen 100 µm langen Eingangsabschnitt 14 und einen 100 µm langen Ausgangsabschnitt 16, die durch 20 µm lange Lücken 18, 20 getrennt sind, an der vorderen bzw. hinteren Facette. Durch Implantierung von Ionen in den Lückenbereichen 18, 20 sind die drei Abschnitte 12, 14 und 16 voneinander elektrisch getrennt.
- Ionen, die zu diesem Zweck eingesetzt werden können, sind unter anderem Wasserstoff, Helium und Fluor. Bei Vorspannung der drei Abschnitte in Durchlaßrichtung stellt es sich heraus, daß das Bauelement eine Laserschwelle von 30 mA aufwies, bevor die Facetten mit einer Antireflexionsschicht beschichtet wurden.
- Es folgt unten eine theoretische Beschreibung des Halbleiterlaserverstärkers 10 mit drei Abschnitten. Die Ratengleichung für die Ladungsträger-Photonen-Dynamik bei einem gegebenen Weg entlang des Verstärkers lautet:
- wobei n und p Kleinsignal-Ladungsträgerdichte- und Photonendichtemodulationsamplituden, gn und g die Differenzverstärkung und die ungesättigte Materialverstärkung, P&sub0; die Photonendichte im eingeschwungenen Zustand, vg die Gruppengeschwindigkeit und τsp die spontane Lebensdauer der Ladungsträger sind. Unter der vereinfachenden Annahme, daß der Verstärker auf ungesättigte Art betrieben wird, wird die Beziehung (1) für Modulationsfrequenzen unter 1/τsp
- n(t)=-gvgτsp(t). (2)
- Die Kleinsignal-Diodenübergangsspannung v ist ebenfalls proportional zur Ladungsträgerdichtemodulation
- v(t)=mVTn(t)/No, (3)
- wobei m eine Konstante ist, die die Dichte von Zuständen betrifft, VT die Temperaturspannung und N&sub0; die Ladungsträgerdichte im eingeschwungenen Zustand ist. Durch Kombinieren der Beziehungen (2) und (3) ergibt sich v(t) α p (t).
- Die innere Verstärkung G des Verstärkers ist das Verhältnis aus der Eingangs- und Ausgangsphotonendichtemodulation. Bei ungesättigtem Betrieb ist
- G=Pout/Pin=exp[(Γg-α)(L&sub1; +L&sub2;+L&sub3;)-2αgapLgap) (4)
- wobei Γ der Modenbegrenzungsfaktor, a der Verlustkoeffizient und αgap der Überschußverlust von den ungepumpten Lückenbereichen ist. Um G zu den Facettenkontaktspannungen v&sub1; und v&sub3; in Beziehung zu setzen, ist es erforderlich, die örtliche Photonendichte unter den Kontakten zu mitteln. Durch Integration erhält man die Spannungsverstärkung
- Für den Fall, wo die Facettenkontakte die gleiche Länge aufweisen (L&sub3;=L&sub1;), kann diese Beziehung mit Beziehung (4) kombiniert werden und ergibt
- G(dB)=[1+L&sub3;/L&sub1;+L&sub2;].v&sub3;/v&sub1;(dB)+4,34[2αgapLgap][L&sub3;/L&sub1;+L&sub2;] (6)
- wobei G und v&sub3;/v&sub1; nun in Dezibel ausgedrückt werden. Bei einer doppeltalgorithmischen Darstellung ist G deshalb eine lineare Funktion der Spannungsverstärkung v&sub3;/v&sub1;. Diese Beziehung hängt lediglich von festen Größen ab, da die von der Vorspannung abhängige Kleinsignalverstärkung g aus der Gleichung eliminiert worden ist. Auch ist für alle sinnvollen Werte von αgap (< 100 cm&supmin;¹) die Versetzung aufgrund von Lückenverlust gering (< 0,3 dB). Bei diesem Bauelement beträgt die Steigung 1+L&sub3;/L&sub1;+L&sub2;=1,14.
- Nun wiederum auf Figur 1 Bezug nehmend, wird ein die Erfindung verkörpernder Halbleiterverstärker gezeigt, der so angeschlossen ist, daß seine optische Verstärkung überwacht werden kann. In einer Überprüfung der Erfindung wird ein optisches Eingangssignal Pin von einem Mehrquantenmulden-Bragg-Reflektor-Laser bei 1,561 µm durch eine Sinuswelle mit 50 MHz direkt moduliert. Das Licht wird dann gedämpft und mit einer Objektlinse in den Verstärker 10 eingekoppelt. Das Eingangslicht ist TE-polarisiert und in diesem Fall wird die auftreffende durchschnittliche optische Leistung als -6 µm bestimmt. An die drei Abschnitte 14, 12, 16 des Halbleiterverstärkers 10 ist Durchlaßvorspannung parallel angelegt, und die Wechselspannungssignale an den Kontakten der Abschnitte 14, 16 werden mit einem Paar Vorspannungsabzweige, die aus den Kondensatoren 22, 24 und den Induktoren 26, 28 bestehen, ausgekoppelt. Das Wechselstromsignal von dem Kontakt auf dem Abschnitt 14 wird von einem Verstärker 30 elektrisch verstärkt, und das Wechselstromsignal von dem Kontakt auf dem Abschnitt 16 wird von einem Verstärker 32 elektrisch verstärkt. Die Verstärkung des Halbleiterverstärkers ist proportional zu dem Verhältnis der verstärkten Signale von den Verstärkern 30, 32.
- Das verstärkte optische Signal Pout von dem Halbleiterverstärker 10 wird mit einer zweiten Objektivlinse gesammelt und mit einem optischen Leistungsmesser, wo die erfaßte Leistung von der Hintergrundspontanemission von dem Meßwert abgezogen wird, überwacht. Die Spannungssignale von den Kontakten auf den Abschnitten 14, 16 werden dann zu der optischen Verstärkung des Verstärkers in Beziehung gesetzt.
- Figuren 2 und 3 zeigen typische Testergebnisse. Die Spannungen werden als Funktion des Verstärker-Vorpolarisierungsstroms Idc für konstante mittlere, auffallende optische Leistung gemessen. Bei einem Vorpolarisierungsstrom Idc=26 mA wurde der Halbleiterverstärker 10 in der Nähe von Nullverlust betrieben; wo der Spannungsverstärkungsfaktor gleich Eins ist. Unter Bezugnahme auf Figur 2 ist die obere Kurve die Spannung am Eingangsabschnitt 14 und die untere Kurve die Spannung am Ausgangsabschnitt 16. Bei Erhöhung der Vorspannung steigt auch die Spannungsmodulation am Ausgangsabschnitt 16. Figur 3 zeigt, daß bei einem Vorpolarisierungsstrom Idc=110 mA die Spannungsverstärkung 12,1 dB beträgt. In Figur 3 ist die obere Kurve die Spannung am Eingangsabschnitt 14 und die untere Kurve die Spannung am Ausgangsabschnitt 16, mit halbem Maßstab gezeigt.
- Figur 4 zeigt die innere Verstärkung des Halbleiterverstärkers 10 über die Spannungsverstärkung für den gleichen Bereich von Vorpolarisierungsströmen. Die optische Signalverstärkung bei einem Vorpolarisierungsstrom von 110 mA beträgt 7,2 dB, und der Eingangskopplungsverlust und αgap werden auf -9 dB bzw. 60 cm&supmin;¹ geschätzt, so daß sich bei dem Vorpolarisierungsstrom eine innere Verstärkung von 16,2 dB ergibt. Es ist zu bemerken, daß die Daten über den gesamten Bereich von Vorpolarisierungsströmen auf eine gerade Linie fallen. Die Steigung der Linie, die von Schätzungen für die Kopplung und αgap unabhängig ist, beträgt 1,35, was geringfügig höher liegt als der theoretische Wert von 1,14. Eine ausführlichere theoretische Behandlung, die die Wirkungen der Verstärkungssättigung mit einschließt, könnte möglicherweise über die kleine Abweichung Aufschluß geben.
- Zusammengefaßt wird offenbart, daß durch Bereitstellung eines optischen Halbleiterverstärkers mit drei elektrisch voneinander getrennten Abschnitten, die sich vom Eingang zum Ausgang entlang des optischen Wellenleiters erstrecken, die optische Verstärkung dadurch überwacht werden kann, daß Spannungsveränderungen an den beiden Endabschnitten verglichen werden. Die Versuchsdaten, die mit der Theorie übereinstimmen, zeigen, daß bei Kleinsignalmessungen an einem drei Anschlüsse aufweisenden Mehrguantenmulden-Verstärker mit 1,55 µm die optische Verstärkung proportional zur Spannungsverstärkung ist.
Claims (12)
1. Optischer Halbleiterverstärker mit
einem Eingangsabschnitt (14), einem
Ausgangsabschnitt (16) und einem zwischen dem Eingangsabschnitt und
dem Ausgangsabschnitt angeordneten Mittelabschnitt (12)
und mit einem Verstärkungsmedium (11) und einem
durchgehenden optischen Wellenleiter, der sich durch den
Eingangsabschnitt, den Mittelabschnitt und den
Ausgangsabschnitt hindurch erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß
er auch
Mittel (18, 20) zum elektrischen Trennen von
Eingangsabschnitt, Mittelabschnitt und Ausgangsabschnitt
voneinander,
angekoppelte Mittel (Idc), um an jeden der drei
Abschnitte eine Durchlaßvorspannung anzulegen, und
angekoppelte Mittel (22, 24, 26, 28, 30, 32) zum
Erfassen der Spannungsänderung am Eingangsabschnitt und
am Ausgangsabschnitt, so daß die optische Verstärkung des
Verstärkers durch Vergleichen der spannungsänderungen an
dem Eingangsabschnitt und dem Ausgangsabschnitt überwacht
werden kann, enthält.
2. Optischer Halbleiterverstärker nach Anspruch 1,
weiterhin mit
angekoppelten Mitteln, um das Verhältnis aus der
Spannung am Eingangsabschnitt und am Ausgangsabschnitt zu
bestimmen.
3. Optischer Halbleiterverstärker nach Anspruch 1
mit
einem an den Eingangsabschnitt angekoppelten
ersten elektrischen Kontakt (14) zum Anlegen einer
Durchlaßvorspannung an den Eingangsabschnitt,
einem an den Mittelabschnitt angekoppelten
zweiten elektrischen Kontakt (12) zum Anlegen einer
Durchlaßvorspannung an den Mittelabschnitt und
einem an den Ausgangsabschnitt angekoppelten
dritten elektrischen Kontakt (16) zum Anlegen einer
Durchlaßvorspannung an den Ausgangsabschnitt.
4. Optischer Halbleiterverstärker nach Anspruch 3,
wobei
der Eingangsabschnitt und der Ausgangsabschnitt
jeweils eine Länge aufweisen, die unter der Länge des
Mittelabschnitts liegt.
5. Optischer Halbleiterverstärker nach Anspruch 3
oder 4, wobei
der Eingangsabschnitt, der Ausgangsabschnitt und
der Mittelabschnitt jeweils eine Länge aufweisen, die im
wesentlichen gleich ist.
6. Optischer Halbleiterverstärker nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei
jeder elektrische Kontakt im wesentlichen die
ganze Oberfläche seines zugeordneten Abschnitts überdeckt
und jeder elektrische Kontakt von jedem anderen
elektrisch getrennt ist.
7. Optischer Halbleiterverstärker nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei
das Mittel zum elektrischen Trennen des
Eingangsabschnitts, des Ausgangsabschnitts und des
Mittelabschnitts voneinander Ionen umfaßt, die in dem zwischen
dem Eingangsabschnitt und dem Mittelabschnitt und dem
Mittelabschnitt und dem Ausgangsabschnitt liegenden
Bereich in das Halbleiterbauelement implantiert worden
sind.
8. Optischer Halbleiterverstärker nach Anspruch 7,
wobei es sich bei den im Halbleiterbauelement
implantierten Ionen um Wasserstoffionen handelt.
9. Optischer Halbleiterverstärker nach Anspruch 7,
wobei es sich bei den im Halbleiterbauelement
implantierten Ionen um Heliumionen handelt.
10. Optischer Halbleiterverstärker nach Anspruch 7,
wobei es sich bei den im Halbleiterbauelement
implantierten Ionen um Fluorionen handelt.
11. Optischer Halbleiterverstärker nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei
jeweils am Eingangsabschnitt, am Mittelabschnitt
und am Ausgangsabschnitt Durchlaßvorspannung anliegt,
erste Mittel (22, 26, 30) an den
Eingangsabschnitt angekoppelt sind, um das Vorspannungspotential am
Eingangsabschnitt zu erfassen, und
zweite Mittel (24, 28, 32) an den
Ausgangsabschnitt angekoppelt sind, um das Vorspannungspotential am
Ausgangsabschnitt zu erfassen.
12. Optischer Halbleiterverstärker nach Anspruch 11,
wobei
der Eingangsabschnitt über einen ersten
Vorspannungsabzweig (22, 26) an das Vorspannungsmittel
angekoppelt ist;
der Ausgangsabschnitt über einen zweiten
Vorspannungsabzweig (28, 24) an das Vorspannungsmittel
angekoppelt ist; und
der Mittelabschnitt direkt an das
Vorspannungsmittel angekoppelt ist.
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