DE69409539T2

DE69409539T2 - Optische schalteinrichtung

Info

Publication number: DE69409539T2
Application number: DE69409539T
Authority: DE
Inventors: Andrew David Suffolk Ip8 3Rw Ellis; Robert John Suffolk Ip1 6Rb Manning; David Malcolm Colchester Essex Co6 3Ta Patrick; David Michael Suffolk Ip12 1Lf Spirit
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1993-10-11
Filing date: 1994-10-11
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2014-10-12
Also published as: ES2115260T3; JPH09503598A; CN1053744C; AU674259B2; WO1995010795A1; CN1133095A; CA2173237C; EP0723676B1; AU7821094A; DE69409539D1; KR960705250A; HK1010064A1; EP0723676A1; CA2173237A1; US5742415A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen nichtlinearen optischen Schalter und insbesondere auf einen Schalter mit einem optischen Halbleiterverstärkungsmedium, das in optischen Schaltungen mit diesem Schalter die Phase eines optischen Signals umschaltet.
Die von der vorliegenden Erfindung behandelten nichtlinearen optischen Schalter kännen in sehr vielen Bereichen verwendet werden. Diese Schalter kännen in optischen Telekommunikationssystemen zum Beispiel den Kern eines Demultiplexers für Pulsfolgen mit OTDM (optischem Zeitmultiplex) bilden. Ein Demultiplexer, der in einer Anordnung mit nichtlinearem Schleifenspiegel ein nichtlineares Haibleiterbauelement verwendet, kann bei Bit-Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 10 GHz arbeiten. Außerdem wurde vorgeschlagen, bei optischen Telekommunikationssystemen nichtlineare Halbleiterbauelemente zur Wiedergewinnung des Taktsignal zu verwenden. Die ebenfalls von uns eingereichte internationale Anmeldung PCT / GB 93/00863 offenbart und beansprucht solche Schaltungen mit nichtlinearen Bauelementen im Resonator eines mode-locked Lasersystems zur Erholung des Taktsignals.
Bei den bisher verwendeten herkömmlichen nichtlinearen Halbleiterbauelementen wurde die Leistung dieser optischen Schalter im wesentlichen durch die Erholungszeit des optischen Verstärkermediums des Halbleiters begrenzt. Zur schnellstmöglichen Erholung wurden an das Halbleiterlasermedium hohe elektrische Vorspannungsfelder angelegt, aber selbst dadurch gelang es bei einigen Anwendungen, wie etwa bei der Wiedergewinnung des Taktsignals, nicht, die für den Betrieb bei höchsten Übertragungsgeschwindigkeiten notwendigen Erholungszeiten zu erreichen.
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein nichtlinearer optischer Phasenschalter mit einem optischen Halbleiterverstärkungsmedium bereitgestellt, mit dem ein Signal mit einer ersten Wellenlänge (λ3) in Abhängigkeit von einem Steuersignal mit einer zweiten Wellenlänge(λ2), das an das optische Verstärkungsmedium angelegt wird, um den Brechungsindexes des optischen Halbleiterverstärkungsmediums zu ändern, geschaltet werden soll, der durch eine Vorrichtung zum Anlegen eines optischen Haltesignals mit einer dritten Wellenlänge (λ1) an das Verstärkungsmedium zum Pumpen des optischen Halbleiterverstärkungsmediums gekennzeichnet ist, so daß das Fermi-Niveau des Verstärkungsmediums fixiert wird.
In der vorliegenden Erfindung wird ein dritter Lichtstrahl auf in das Halbleiterverstärkungsmedium gelenkt, damit sich die Erholungszeit eines nichtlinearen Bauelements verringert, und die Erholungszeit kann außerdem direkt einfach durch das Ändern der Intensität des Haltestrahls gesteuert werden. Durch das Festhalten des Fermi-Niveaus des Leitungsbands im Verstärkungsmedium stellt der Haltestrahl sicher, daß das nichtlineare Schaltelement auf das Steuersignal selbst dann immer gleich reagiert, wenn das Steuersignal irregulär ist. Dies ist bei Anwendungen zur Erholung des Taktsignals besonders wichtig, bei denen das Steuersignal eine Datenfolge mit beispielsweise einer langen Serie von Nullen sein kann.
Das System kann mit degenerierten Wellenlängen arbeiten, d.h. die Wellenlänge des Haltestrahls kann mit einer oder beiden der anderen Wellenlängen übereinstimmen. Es ist jedoch besser, wenn die drei Wellenlängen unterschiedlich sind. Durch die Auswahl passender Wellenlängen kann dann die Leistung des Geräts entsprechend der Wellenlängenverstärkungseigenschaften des Verstärkers optimiert werden. Die verschiedenen Strahlen können dann außerdem beispielsweise mit WDM-Kopplern getrennt werden.
Die Wellenlänge des Signals λ3 kann mit wenigen Einschränkungen frei gewählt werden. Je näher sie bei der zur Bandlücke äquivalenten Wellenlänge liegt, desto besser ist die Phasenmodulation; je näher sie dem Haltestrahl ist, desto besser ist die Amplitudenmodulation. Sie kann außerdem über die Energie des Haltestrahls (d.h. in Verlust) gesetzt werden - dies wurde kürzlich bei erfolgreichen Versuchen zur Wiedergewinnung des Taktsignals mit 10 und 20 GHz erprobt. Alternativ kann die Wellenlänge des Signals auch unter der Bandlückenenergie des Halbleitermaterials liegen. Das Signal befindet sich dann im Transparenzbereich.
Das optische Haltesignal kann ein Dauerstrich- (CW-) Signal oder alternativ ein gepulstes Signal sein, das so getaktet wird, daß es dem Steuersignal folgt (d.h. daß es zeitlich später kommt).
Der Schalter umfaßt vorzugsweise einen nichtlinearen Schleifenspiegel (NOLM) mit einen Halbleiterlaserverstärker (SLA) als nichtlineares Bauelement. Wie unten erläutert wird, ist dieser Schalter besonders zum OTDM-Demultiplexen geeignet, und er kann dann eine TOAD- (2) Anordnung verwenden.
Obwohl die vorliegende Erfindung besonders wirkungsvoll mit NOLM arbeitet, kann sie jedoch auch bei anderen Schaltstrukturen verwendet werden. Das optische Verstärkermedium des Halbleiters kann zum Beispiel in einem Arm eines Mach-Zender- Interferometers angeordnet werden. Dies kann ein integrierter Festkörperaufbau sein. Die Zeitauflösung dieser Anordnung ist besser, weil die Reaktion des Schalters nicht mehr durch die Durchgangszeit durch einen optischen Regelkreis, wie in der NOLM-Anordnung, begrenzt wird.
Optische Schalter, die die vorliegende Erfindung verwenden, können bei OTDM-Demultiplexern verwendet werden, wie es z.B. in "The use of GaInAsP amplifiers for 40 Gbit/s signal processing" von A.D. Ellis, D.M. Spirit in der Postdeadline- Veröffentlichung in "Nonlinear Guided-Wave Phenomena", Cambridge, England, 20.-22.September 1993, beschrieben wird.
Durch das Anlegen einer relativ hohen elektrischen Vorspannung an das Halbleiterverstärkungsmedium sollte der Haltestrahl wenigstens so weit verstärkt werden, daß im wesentlichen die Abschwächung des Haltestrahls bei seinem Durchgang durch den Verstärker ausgeglichen wird. Die Leistung des Haltestrahls bei der Einspeisung sollte relativ niedrig sein, damit das Verstärkungsmedium nicht sofort beim Eingang in das Medium gesättigt wird, und der Halbleiter wird elektrisch vorgespannt, damit der Haltestrahl netto verstärkt wird.
Der Erfinder fand heraus, daß die elektrische Vorspannung des Verstärkers die Geschwindigkeit der Erholung stark beeinflußt und daß diese Geschwindigkeit dann optimal ist, wenn die elektrischen Vorspannung so hoch ist, daß der Haltestrahl wenigstens soweit verstärkt wird, daß die Abschwächung ausgeglichen wird, die der Haltestrahl sonst erfahren würde. Die für den Haltestrahl erforderliche optische Eingangsleistung kann auf diese Weise relativ klein gehalten werden, wobei die meiste Leistung für den Haltestrahl abhängig von der angelegten elektrische Leistung durch die Verstärkung innerhalb des Verstärkers abgegeben wird.
Optische Schalter, die die vorliegenden Erfindung verwenden, können in Schaltungen zur Erholung von Taktsignalen und/oder zur Regeneration von Signalen verwendet werden, wie in unserer anhängigen, am 26. April 1993 eingereichten internationalen Anmeldung PCT/GB 93 / 00863 beschrieben und beansprucht wird. Sie können ebenfalls in optischen Impulsgeneratorschaltungen verwendet werden, wie sie in unserer ebenfalls anhängigen Internationalen Anmeldung mit dem Titel "Optical Switch" (Anwalts Referenznr. 80 4633 02) beschrieben und beansprucht werden, die die Priorität von EP 93308057.3 beansprucht. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs auf diese Bereiche begrenzt, und sie kann immer dann, wenn ein optisches Schaltelement mit verbesserter und leicht steuerbarer Erholungszeit gebraucht wird, eingesetzt werden.
Entsprechend eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein OTDM-Demultiplexer einschließlich eines Schalters bereitgestellt.
Entsprechend einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Pulsgenerator zur Verbindung im optischen Resonator eines mode-locked Lasers bereitgestellt, der einen Schalter entsprechend des ersten Aspekts umfaßt, wobei das Steuersignal, das an das Verstärkungsmedium angelegt wird, beim Betrieb Pulse kreuzphasenmoduliert, die sich im Resonator fortpflanzenden.
Entsprechend eines vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Phasenschalten eines optischen Signals bereitgestellt, das das Leiten eines optischen Signals mit einer ersten Wellenlänge durch ein Halbleiterverstärkungsmedium, das Modifizieren des Brechungsindexes des Verstärkungsmediums in Abhängigkeit von einem Steuersignal mit einer zweiten Wellenlänge umfaßt, gekennzeichnet durch Anlegen eines optischen Signals mit einer dritten Wellenlänge an das Verstärkungsmedium, um das Medium zu pumpen, um das Fermi-Niveau zu fixieren.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 ist die Abbildung eines Demultiplexers mit dem Schalter der vorliegenden Erfindungen.
Figur 2 zeigt eine Schaltung zur Wiedergewinnung des Taktsignals, die den Schalter der vorliegenden Erfindung verwendet.
Figur 3 ist eine Abbildung der Energieniveaus eines Halbleiterlasers nach dem Stand der Technik.
Figur 4A und 4B stellen bei einer regelmäßigen Taktsignalfolge die Änderung der Trägerpopulation und der Phase des Halbleiters der Figur 3 in der Zeit dar.
Figur 5 ist eine Darstellung der Energieniveaus eines Schalters, der die vorliegende Erfindung verwendet.
Figur 6 zeigt die Änderung der Population als Funktion der Zeit für die Schaltung aus Figur 2 zur Erholung des Taktsignals.
Figur 7 ist eine Darstellung der Taktabstimmung bei einem gepulsten Haltestrahl.
Figur 8 ist ein Kennlinie, die die Erholungszeit des Schalters zeigt.
Figur 9A und 9B sind Ansichten eines Geräts mit einem aktiven Resonator.
Figur 10a und 10b sind Diagramme der Amplituden- bzw. der Phasenmodulation bei verschiedenen angelegten Vorspannungsströmen
Figur 11 stellt die Verteilung der optische Leistung entlang eines Halbleiterlaser-Verstärkers dar und
Figur 12 stellt die optimalen Wellenlängen für einen Phasenmodulationsschalter dar.
Figur 1 zeigt ein erstes System, das die vorliegende Erfindung verwendet. Ein nichtlinearer Schleifenspiegel (NOLM), der zum Demultiplexen angeordnet ist, enthält im Regelkreis als nichtlineares Bauelement einen Halbleiterlaser-Verstärker (SLA) . Der Regelkreis arbeitet konventionell, wobei die Dateneingabe über einen Koppler 2 abhängig von der Phasenänderung, die sie innerhalb des Regelkreises erfährt, entweder übertragen (T) oder reflektiert (R) wird. Diese Phasenänderung wird vom Zustand des Halbleiterlaserverstärkers bestimmt. Der Zustand des Verstärkers wird abhängig von einem Eingabesteuersignal mit einer Wellenlänge λ2 getaktet. Dieses Steuersignal wird in den Regelkreis über ein Wellenlängenmultiplexgerät WDM1 eingekoppelt.
Im System, das die vorliegenden Erfindung verwendet, wird über ein zweites Wellenlängenmultiplexgerät WDM2 ein weiteres Signal, das Haltesignal mit der Wellenlänge λ1, in den Halbleiterlaserverstärker eingekoppelt. Wie weiter unten dargestellt wird, bewirkt dies, daß der Halbleiterlaserverstärker optisch vorgespannt wird, um nach jedem Steuerpuls von der Pulsquelle seine Erholungszeit zu verringern. So kann der Demultiplexer mit einer höheren Eit-Übertragungsgeschwindigkeit arbeiten.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist die Schaltung eine Schaltung zur Erholung des Taktsignals, wie sie in unserer oben genannten, ebenfalls eingereichten internationalen Anmeldung PCT/GB 93/00863 beschriebenen wird. Der Halbleiterlaserverstärker arbeitet in diesem Fall als ein mit dem optischen Resonator eines Ringlasers verbundener Modulator. Das lusteuersignaln ist in diesem Fall eine an den Halbleiterlaser angelegte Datenfolge. Die Kreuzphasenmodulation und die Amplitudenmodulation der angelegten Datenfolge und der Pulse im Laserresonator bewirkt innerhalb des Resonators, der mit dem Taktabstimmungssignal der Datenfolge verriegelt ist, die Erzeugung einer Pulsfolge. Diese Pulsfolge wird aus dem Resonator ausgekoppelt, um ein Taktsignal für die folgenden optischen Verarbeitungsstufen bereitzustellen. Wie in der oben beschriebenen ersten Schaltung wird, wenn die vorliegende Erfindung in diesem Zusammenhang verwendet wird, außerdem ein optisches Haltestrahl-Signal mit der Wellenlänge λ1 an den Halbleiterlaserverstärker angelegt. Wie oben bereitet dies den Verstärker vor, damit die Erholungszeit verkürzt wird, und bei dieser besonderen Anwendung ist ausschlaggebend, daß außerdem das Fermi-Niveau des Halbleiterverstärkungsmediums fixiert wird, um sicherzustellen, daß:
(1) die Phasenantwort auf das angelegte modulierende Signal konstant ist,
(2) sich die Phase nicht ändert, wenn kein Signal anliegt (d.h. Abwesenheit entspricht einer 0).
Diese Wirkungen sind vorteilhaft, wenn als "Taktsignal"-Folge (λ2) Datenfolgen mit diesem Gerät optisch verarbeitet werden sollen, unabhängig davon, um welche spezielle Anwendung (z.B. Wellenlängenumwandlung, Demultiplexen, usw.) es sich handelt.
Eine Schaltung, wie sie oben zur Verwendung bei der Erholung des Taktsignals beschrieben wurde, erzeugt, wenn die Datenfolge ein sich wiederholendes Signal mit einer Wiederholungsperiode, die gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches der Resonatordurchlaufzeit ist, statt eines gleichmäßigen Taktsignals eine Pulsfolge mit Bits in den Bitpositionen, die den Kanälen, in denen Daten übertragen werden, im sich wiederholenden Signal entsprechen, und ohne Bits in den Positionen, die den Kanälen im Signal entsprechen, die AUS, d. h. permanent auf Null sind. Wie in unserer ebenfalls anhängigen internationalen Anmeldung (Refernznr. 80/4633/03) beschrieben und beansprucht, dient die Schaltung als programmierbarer Pulsgenerator, der das Eingabesignalmuster wiederholt, und er kann zum Beispiel zum Steuern eines rein optischen Demultiplexers verwendet werden, bei dem der Ausgang des Pulsgenerators einen optischen Schalter, wie z. B. einen NOLM durchschaltet.
Figur 3 veranschaulicht die Energieniveaus eines konventionellen Halbleiterlaserverstärkers. Die bisher zum Schalten verwendeten Verstärker empfangen Signale mit nur zwei Wellenlängen: der Signalwellenlänge (zum Beispiel der Wellenlänge der Daten in einem Demultiplexer) und zweitens der Wellenlänge eines Takt- oder Steuersignals. Im Beispiel der in (1) offenbarten Schaltung hat das Taktsignal eine Pulsrate von 10 GHz. An den Halbleiter wird ein hohes elektrisches Vorspannungsfeld angelegt, damit die Erholungszeit in der Größenordnung von etwa 100 Ps liegt. Der Taktpuls hält das Fermi-Niveau auf einer mittleren Energie, um die es schwankt. Das Fermi-Niveau wird heruntergezogen, da das Taktsignal die Verstärkung sättigt, und dann (nachdem der Taktpuls vorbei ist) unter dem Einfluß des Vorspannungsfelds über Elektronen- und Lochinjektionen in die Leitungs- und Valenzbänder wiederhergestellt. Die Ladungsträger(Elektron und Loch) Population wird dann vom nächsten Taktpuls wieder herausgespült. Die vom Taktpuls verursachte Verteilung der Ladungsträgerpopulation verursacht die Phasenänderung um dann des Signalpulses. Die Regelmäßigkeit des Taktsignals bewirkt, daß das Fermi-Niveau zur selben Höhe zurückkehrt Die Figuren 4A und 4B zeigen die Population der Ladungsträger und die Phasenänderung der Signalwellenlänge. Das Vorzeichen der Nichtlinearität (d.h. der Phasenänderung) kann abhängig von den für die drei Strahlen spezifisch gewählten Wellenlängen entweder positiv oder negativ sein.
Bei Anwendungen zur Erholung des Taktsignals wird das Taktsignal durch eine unregelmäßige Datenfolge ersetzt, und das Fermi-Niveau wird nicht mehr wie zuvor festgelegt, da es nicht unbedingt einen regelmäßigen Puls mit der Bitrate gibt. Die Datenfolge 1101001 würde beispielsweise die in Figur 4C gezeigte Änderung der Ladungsträgerpopulation ergeben. Die Figur zeigt, daß die Änderung als Reaktion auf eine 1 nicht konstant sein muß, und die Phasen der Nullen ändern sich mit der Zeit unterschiedlich.
Wie bereits beschrieben, werden in den Systemen, die die vorliegende Erfindung verwenden, die Signal- und Steuerwellenlängen für den Halbleiter um einem Haltestrahl mit einer dritten Wellenlänge ergänzt. Figur 5 zeigt unter diesen Bedingungen die Energieniveaus des Halbleiters. Jetzt hält der Haltestrahl mit der wellenlänge λ1 die meiste Zeit das Fermi-Niveau fest. Wenn ein Taktsignal- oder ein Steuerpuls kommt, wird die überschüssige Ladungsträgerpopulation herausgeschwemmt, wodurch sich der Brechungsindex bei λ3 ändert. Die Population der Ladungsträger im Grundzustand wird dann vom Dauerstrich-Haltestrahl sehr schnell, wenn der Strahl intensiv genug ist, zurückgepumpt. Auf diese Weise kehrt der Laserverstärker rasch in seinen Anfangszustand zurück. In Abwesenheit eines Taktpulses wird die Verstärkung durch den Haltestrahl auf demselben Wert gehalten. Die Änderung der Population bei einer Schaltung zur Erholung des Taktsignals, die die Datenfolge 1101001 empfängt, hat jetzt die in Figur 6 gezeigte Form. Im Gegensatz zum Stand der Technik variiert die Phase jetzt nicht bei den Nullen, und die Phasenänderung bei Ankunft des nächsten "Takt-" (Treiber-) Pulses ist konstant. Sehr wichtig ist außerdem, daß durch das optische Vorspannen, das die Ladungsträger, die in das Valenzband herunter stimuliert worden sind, zurück in das Leitungsband pumpt, die Geschwindigkeit zunimmt, mit der sich die Verstärkung erholt. Die Geschwindigkeit der Erholung ist direkt proportional zur Intensität der vom Haltestrahl gelieferten optischen Vorspannung. Es ist wichtig, daß diese Geschwindigkeit der Erholung kleiner als die Geschwindigkeit der Populationszunahme des Valenzbands durch den Taktpuls ist, denn sonst würde sich keine deutliche Populationsänderung oder Phasenänderung ergeben. Bei einer typischen Datenfolge ist jedoch das Verhältnis von Signal zu Zwischenraum 1:10, so daß nur sichergestellt werden muß, daß die Erholung in der Zeitskala der Bitperiode und nicht in der Zeitskala des Taktpulses stattfindet. Bei einer Taktsignalgeschwindigkeit von beispielsweise 10 Gbit dauert der optische Puls 10 Ps, und die Bitperiode dauert dann 100 Ps. Die Erholungszeit muß dann in der Größenordnung von 100 PS liegen. Dies ist nützlich, da die Ladungsträger nur langsam (mit 1/10 der Geschwindigkeit, mit der Ladungsträgern in das Valenzband injiziert werden) entfernt werden, wenn der Taktpuls anliegt.
Statt einen Dauerstrich-Haltestrahl zu verwenden, könnte der Strahl, wie in Figur 7 gezeigt, gepulst werden, so daß die Verstärkung nur nach dem Taktsignal- oder Steuerpuls erneuert wird.
Die optische Vorspannung durch den Haltestrahl könnte statt der elektrischen Vorspannung oder zusätzlich zur elektrischen Vorspannung eingesetzt werden. Die elektrische Vorspannung ist vorteilhaft. Sie unterstützt die Erholungsgeschwindigkeit, sie versorgt das Gerät mit Energie, und sie liefert für die unten erläuterten Ausführungsformen einen der Betriebsparameter. Für die bevorzugten Ausführungsformen sind hohe Vorspannungsströme (ca. 200 mA) wünschenswert.
Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Ansatz ermöglicht äußerst kompakte Geräte. Der Halbleiterlaser-Verstärker kann von einer Seite mit Hilfe eines weiteren Lasers oder einer Oberfläche, die Laser emittiert, entweder auf der Wellenlänge des Taktsignals oder des Haltestrahls gepumpt werden. Der Halbleiterlaser-Verstärker kann jeder Halbleiterlaseraufbau, beispielsweise ein bulk-, ein Quantum-well- oder ein Quantendraht(oder sogar ein Quantenpunkt-) Gerät sein.
Obwohl im obigen ersten Beispiel die Haltewellenlänge kürzer als die Wellenlänge entweder des Steuersignals oder der Daten ist, können die Wellenlängen anders eingestellt werden. Bei der Erholung des Taktsignals kann es zum Beispiel geschickter sein, die längeren Wellenlänge λ2 für den Vorspannungs- oder Haltestrahl und die kürzeste Wellenlänge λ1 für die Datenfolge zu verwenden. Dann erhöht die Datenfolge die Verstärkung des Systems. Wenn die Wellenlängen so ausgewählt werden, ergibt sich der Vorteil, daß jede von den Datenpulsen verursachte Amplitudenmodulation dazu neigt, zur Verstärkung der wiederhergestellten Taktpulse beizutragen, wodurch sich ein "Shutter"- Effekt ergibt. Die überschüssige Verstärkung wird jetzt durch eine stimulierte Ausstrahlung mit der Wellenlänge des Haltestrahls entfernt. Diese Anordnung kehrt das Vorzeichen der Änderung des Brechungsindex um, was für die Leistung des Ringlaserteils der Schaltung zur Taktsignalerholung vorteilhaft sein kann.
Der minimale Abstand zwischen den Wellenlängen des Halte- (λ1) und des Taktsignals (λ2) wird durch die für die bestimmte Anwendung (π für OTDM, π/10 oder weniger bei der Erholung von Taktsignalen) erforderlichen Phasenänderung festgelegt, die die benötigte minimale Änderung der Ladungsträgerpopulation (ca. 1017 cm&supmin;³ für π) bestimmt. Zwischen den beiden Wellenlängen muß es wenigstens diesen Überschuß der Ladungsträgerpopulation geben. Der Abstand hängt daher von einer genauen Kenntnis der Bandstruktur (ihrer Krümmung oder sonstigem) und der Zustandsdichte ab. Die Schaltenergie (für eine Phasenänderung um π) beträgt 3 pJ; Schaltungen zur Taktsignalwiedergewinnung mit Phasenänderungen um π/10 brauchen etwa Energien von 0,3 pJ. Eine Erholungszeit von 10 Ps erfordert in der Ausführungsform des OTDM etwa 300 mW optische Leistung.
Der Erfinder maß eine Reihe von Erholungsgeschwindigkeiten bei einem Halbleiterlaserverstärker (SLA) mit und ohne intensivem optischen (wie oben λ1 genannten) CW-"Haltestrahl" im Verstärker, und er untersuchte außerdem bei eingeschaltetem Haltestrahl die Wirkung einer elektrischen Vorspannung auf die Erholungsgeschwindigkeit. Diese Messungen ergaben bei einem "Untersuchungs-" Puls, der durch den Verstärker geleitet wurde, nachdem ein stärkerer "Anregungs-" Puls die Eigenschaften des Halbleiterlaser-Verstärkers geändert hatte, schwache Amplituden- und Phasenänderungen. In dem Versuch wurde daher die Erholungsgeschwindigkeiten des Verstärkers zeitlich aufgelöst gemessen.
Die Leistung des Haltestrahl betrug unmittelbar vor dem Verstärker in der Faser ca. 37 mW. Unter der Annahme eines Verlusts von 3 dB durch der Verbindung betrug die in den Halbleiterlaser-Verstärker eingeführte Leistung ca. 18 mW. Der Haltestrahl hatte eine Wellenlänge von 1535 nm. Die "Anregungs-" und "Untersuchungs-" Pulse entsprachen den "Takt-" Pulsen (λ2) und den "Daten-" (oder "Signal-") Pulsen (λ3) . Bei diesen Experimenten hatten die "Anregungs-" und der "Untersuchungs-" Puls dieselbe Wellenlänge 1562 nm. Die Pulsdauer betrug bei beiden Pulse ca. 10 ps, und die Energie des "Anregungs-" Pulses betrug ca. 1,5 pJ (wieder in der Faser vor Einführung in den Halbleiterlaser-Verstärker gemessen, daher eine eingeführte Energie von ca. 0,7 pJ) . Die elektrische Vorspannung reichte von ca. 20 mA bis 200 mA, um die Wirkung auf Erholungsgeschwindigkeit zu beobachten. Die Figuren 10a und 10b, die die (simultan gemessene) Amplituden- und Phasenmodulation darstellen, zeigen die Ergebnisse dieser Versuche. Wie gesehen werden kann, wirkt sich die Steigerung der elektrischen Vorspannung stark aus. Die Ergebnisse werden im folgenden in Tabelle 1 zusammengefaßt. Zu beachten ist, daß die (1/e-) Lebensdauern aus linearen Näherungen der logarithmischen Darstellung gewonnen wurden. Tabelle 1
Man beachte, daß die Werte bei 100 mA nicht in den Figuren gezeigt werden.
Es wird angenommen, daß die drastische Auswirkung der Steigerung des Vorspannungsstroms hauptsächlich durch longitudinale Wirkungen im Verstärker verursacht wird. Bei niedrigen Vorspannungsströmen sättigt der CW-Strahl die verfügbare Verstärkung, aber er wird geschwächt, weil er im Verstärker gestreut wird. Die Messung dieses Verlusts ergab ca. 10 dB bei einem Vorspannungsstrom von ca. 25 mA. Bei einer Vorspannung von 200 mA wird der CW-Strahl fast nicht geschwächt. Bei niedriger Vorspannung beträgt die Leistung nur im vorderen Teil des Halbleiterlaser- Verstärkers 20 mW. Bei hoher Vorspannung wird der Halbleiterlaser-Verstärker über seine ganze Länge gleichmäßig beleuchtet. Figur 11 zeigt dies schematisch. Wir schließen daraus, daß es am geschicktesten (d. h. am schnellsten) ist, mit hohen Vorspannungsströmen (200 mA oder mehr) zu arbeiten. Dies ist wichtig, da dann der Haltestrahl keine unnötig große Leistung haben muß, die schwierig zu realisieren wäre. Bei hohen Vorspannungsströmen kann es Wirkungen auf die Zustandsdichte der Ladungsträger geben, die die Lebensdauer ohne Haltestrahl verringern und die Lebensdauer mit Haltestrahl reduzieren können. Leck- Effekte können die Lebensdauer außerdem vermindern.
In einem weiteren Versuch des Erfinders wurden mit einem Haltestrahl niedriger Leistung, 5-30 mW in der Einführungsfaser bei einem Vorspannungsstrom von 300 mA noch kürzere Lebensdauern erreicht. Das Lebensdauerantwort war dann kleiner oder gleich der Zeitauflösung des Systems des Experiments, d.h. ≤ 10 ps. Bei diesen niedrigen Einspeiseleistungen sättigt der Haltestrahl die Verstärkung des Halbleiters am Eingang nicht, und er wird höher verstärkt.
Der Halbleiterlaser-Verstärker hat eine natürliche Lebensdauer von etwa 1 ns und eine Länge von etwa 0,5 mm. Diese Länge ist viel kürzer, als die Länge der Fasermodulatoren, die üblicherweise zur Verwendung in Schaltungen zur Taktsignalwiederherstellung vorschlagen werden, und so kann die Latenz stark verringert werden, d.h. die Zeit, die benötigt wird, bis die Schaltung auf ein Eingabesignal antwortet und ein Taktsignal ausgibt. Der Halbleiterlaser-Verstärker kann außerdem in dem Verstärkungsspektrum des Verstärkers üblicherweise eine Bandbreite von ungefähr 100 nm einen Breitbandbetrieb anbieten. Die Position des Signals (λ3) im Energiediagramm unterliegt wenigen Einschränkungen. Je näher es der zur Bandlücke äquivalenten Wellenlänge ist, desto besser ist der reine FM- (d.h. Phasenmodulations-) Betrieb, je näher es dem Haltestrahl ist, desto besser ist die Modulation (d.h. Amplitudenmodulation). Es kann außerdem auf eine höhere Energie als der Haltestrahl (d.h. in Verlust) gesetzt werden; dies war der Fall in den neuen erfolgreichen Versuchen zur Taktsignalwiederherstellung bei 10 und 20 GHz.
Figur 12 stellt die Verstärkung als Funktion der Wellenlänge (d.h. inverser Energie) dar. Es werde ein Sättigungsstrahl mit λ1 innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Halbleiterlaser- Verstärkers angenommen. Die "Takt-" oder "Steuer-" Pulse bei λ2 liegen vorzugsweise nahe dem Maximum der Verstärkung, da dies die Pulsenergie minimiert, die für das Umschalten im Demultiplexer-Verfahren, für die Taktsignalerholung oder für einen anderen Betrieb erforderlich ist. Die Auswahl an Werten für die "Signal-" Wellenlänge λ3 hängt von der Funktion ab, die vom Schalter verlangt wird. Für eine große Amplitudenmodulation sollte λ3 nahe dem Minimum der Verstärkung bei kurzen Wellenlängen (d.h. der Wellenlänge des Haltestrahls) liegen. Wenn eine kleine Amplitudenmodulation verlangt wird, wie beim Demultiplexen, dann sollte λ3 nahe dem Minimum der Verstärkung bei langen Wellenlängen liegen. Die Phasenmodulation sollte über das Verstärkungsspektrum für λ3 ungefähr konstant sein. Es ist wünschenswert, den Verlust des Signalpulses (λ3) beim Durchgang durch das SLA zu reduzieren. Idealerweise wird ein transparentes Schaltgerät gebraucht. Daher wird eine Verstärkung bei λ3 gebraucht werden, um den Verlust beim Einspeisen an beiden Enden des Halbleiterlaser-Verstärkers auszugleichen. Sie sollte ca. 6 dB betragen.
Bei den Versuchen des Erfinders wurden von der erforderlichen optische Leistung von ca. 300 mW 37 mW direkt durch den als optischen Strahls eingespeist, und der Rest wurden durch die Verstärkung des Strahls im Verstärker geliefert, wobei der Verstärker eine elektrische Leistung von etwa 450 mW benötigte.
Figur 8 zeigt weitere experimentelle Ergebnisse, die mit der oben unter Bezug auf Figur 2 beschriebenen Schaltung erhalten wurden. Zur besseren Veranschaulichung wird die Erholung der Amplitudenmodulation statt der Phasenmodulation dargestellt. Es zeigt sich, daß die Erholungszeit bei einem Haltestrahl mit 100 mW ca. 34 ps beträgt.
Bei Anwendungen des NOLM, wie etwa Demultiplexen kann es nützlich sein, das Lasen mit der Wellenlänge der optischen Vorspannung zuzulassen, weil dadurch das Festhalten des Fermi-Niveaus sichergestellt wird. Bei Anwendungen zur Taktsignalwiederherstellung sollte die Leistung an der Signalwellenlänge (d.h. dem wiederhergestellten Taktsignal) die Verstärkung nicht sättigen. Tatsächlich sollte bei allen Anwendungen die Leistung im Signalstrahl (λ3) klein sein, um eine Sättigung bei dieser Wellenlänge zu vermeiden. In einem weiteren Beispiel, das die Schaltung der Figur 2 zur Taktsignalerholung verwendet, hatte das Datensignal 1,5567 um, eine Bitrate von 10 Gbit/s, einen Leistungspegel +7,6 dBm; das wiederhergestellte Taktsignal hatte 1,544 um mit 10 Gbit/s und der CW-Haltestrahl hatte 1,5577 um bei einer Leistung von +8,1 dBm. Die Leistung des wiederhergestellten Taktsignals betrug +1,2 dBm. Der Haltestrahl hatte in diesem Beispiel weniger Energie, d.h. er hatte eine größere Wellenlänge als das wiederhergestellte Taktsignal (λ3). Daher arbeitete das Bauelement im Verlustbereich, d. h. das wiederhergestellte Taktsignal wurde beim Durchgang durch das Bauelement abgeschwächt. Die Länge des Musters der verwendeten Datenfolge betgug 2³¹-1.
Der bei dieser Ausführungsformen verwendete Halbleiter ist ein polarisationsunempfindliches bulk-layer- Halbleiterlaserverstärker- GaAsInP-Gerät mit einer maximalen Verstärkung bei einer Wellenlänge von 1,54 um. Er hat eine Verstärkung zwischen den Flächen von 22 dBm, eine Empfindlichkeit von 1,2 dB TE/TM und eine gesättigte Ausgangsleistung von +2 dBm. Solch ein Gerät ist bei BT & D/Hewlett Packard über Whitehouse Way, Ipswich, U.K. unter SOA 1100 / SOA 3100 erhältlich.
Wie bereits erwähnt, muß das nichtlinearen Schaltelement der vorliegenden Erfindung nicht nur in den beiden Bereichen Taktsignalwiederherstellung und Demultiplexen eingesetzt werden, es kann vielmehr bei vielen anderen Anwendungen eingesetzt werden. Der optische Schalter könnte beispielsweise die Basis eines Logikbauelements bei Signalverarbeitungsanwendungen und bei optischen Berechnungen bilden. Der Schalter könnte zum sehr schnellen (An/Aus-) Schalten unter Verwendung sowohl einer gepulsten Vorspannung als auch eines Taktstrahls verwendet werden. Der Schalter könnte die Basis eines optischen Phasen- Flipflopelements bilden. Der Schalter könnte einen Teil eines Wellenlängenkonverters bilden, wenn eine Kreuzphasenmodulation verwendet wird, um die Signalwellenlänge zu ändern. In diesem Fall stellt λ1 in Figur 5 den Haltestrahl, λ2 das Taktsignal und λ43 ein CW- Signal dar. Eine Kreuzphasen-Modulation des Taktsignals λ2 ergibt periodische Verschiebungen der Frequenz von λ3, und d4ie verschobenen Teile von λ3 können dann herausgefiltert werden und ergeben eine Datenfolge mit verschobener Wellenlänge.
Die oben beschriebenen OTDM- und Taktsignalwiederherstellungsschaltungen können kombiniert werden, um, wie in unserer bereits erwähnten ebenfalls eingereichten internationalen Anmeldung beschrieben wird, Signale rein optisch zu regenerieren. Auch hierbei ist es besonders nützlich, das Fermi-Niveau auf einer vorgegebenen Position zu halten.
Alle bisher beschriebenen Beispiele gründen sich auf das Auftreten von Nichtlinearitäten in dem Bereich, in dem Änderungen der Ladungsträgerpopulation eine Kreuzphasenmodulation eines Signals z.B. des Datensignal mit einem anderen Signal, z.B. einem Taktsignal ergeben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht begrenzt auf den Betrieb in diesem Bereich, und sie kann außerdem bei Halbleitergeräten angewendet werden, die andere Nichtlinearitäten verwenden. Insbesondere kann die Erfindung mit Geräten wie den, in unserer ebenfalls eingereichten internationale Anmeldung PCT/GB 93/01897 (BT A24475/WO) beschriebenen, verwendet werden. Diese Anmeldung offenbart und beansprucht ein nichtlineares optisch aktives Halbleitergerät zur Datenverarbeitung bei optischen Telefonsystemen, wobei das Gerät umfaßt:
(i) eine aktive Region, in die beim Betrieb ein optisches Signal eingespeist werden kann,
(ii) eine optische Pumpeingabevorrichtung zum Einspeisen eines optischen Pumpsignals in diese aktive Region, wobei die Wellenlänge des eingespeisten optischen Pumpsignals kürzer als die Wellenlänge, die der Bandlücke der aktiven Region entspricht, ist, und
(iii) eine optische Verstärkungsbestimmungsvorrichtung zum Transparent- bzw. im wesentlichen Transparentmachen der aktiven Region für das optische Pumpsignal.
In der Anordnung bewirkt das optische Pumpsignal im Betrieb auf nichtlineare Weise eine Änderung des Brechungsindex in der aktiven Region, so daß die Übertragung des optischen Signals im Gerät gesteuert werden kann. Dieses Gerät verwendet über der Bandlücke die extreme schnelle optische Nichtlinearität, die bei aktiven Lichtleitern beobachtet wird, die mit dem Transparenz-Strom betrieben werden. Diese Nichtlinearität wurde in den Veröffentlichungen "observations of ultra fast non-linear refraction in an InGaASP optical amplifier" in Applied Physics Letters, Band 58, Seiten 1119-1121 (1991) von R. 5. Grant und W. Sibbett und "Ultra fast refractive index dynamics in AlGaAs diode laser amplifiers" in Applied Physics Letters Band 59, Seite 635 (1991) von C. T. Hultgern und E. P. Ippen beschrieben. Figur-9 zeigt ein Gerät, mit dem diese Nichtlinearität genutzt werden kann. Sie zeigt in Draufsicht einen Richtkoppler 20, der ein Gerät mit einem Lichtleiter-Paar 21, 22 mit parallelen Stegen umfaßt. Figur 98 zeigt den Aufbau dieser Lichtleiter im Querschnitt, und er hat die folgende Merkmale:
(i) ein n-dotiertes ca. 100 um dickes InP-Substrat 23,;
(ii) eine 1,5 um dicke und auf n = 2 x 10¹&sup8; dotierte Pufferschicht 24 aus InP;
(iii) einen MQW-Aufbau mit insgesamt 0,4 um dicker, undotierter aktiver/Lichtleiterschicht 25,
(iv) eine 0,2 um dicke, auf 5 x 10¹&sup7; p-dotierte kaschierte Schicht 26 aus InP,
(v) eine 0,03 um dicke und auf 5 x 10¹&sup7; p-dotierte Ätz-Stop- Schicht 27 aus GaInAsP,
(vi) einen Steg 28 von jedem Hohlleiter 21, 22, der aus 1,0 um dicken und auf 5 x 10¹&sup7; p-dotiertem InP besteht;
(vii) eine Halbleiterkontaktschicht 29 zu jedem Steg 28 aus 0,1 um dicken und auf 10¹&sup9; p-dotiertem GaInAs;
(viii) eine Isolationssschicht 30 aus Siliziumoxyd;
(ix) eine Metallkontaktschicht 31 aus Ti/Au.
Alle Dotierungen sind in cm&supmin;³ angegeben.
Die genannten Dicken und Dotierungen dienen nur der Veranschaulichung, da die Geräteeigenschaften über einen Bereich von verschiedenen Parametern ähnlich sein können.
Die beiden Stege 28 mit der gleichen Breite W werden von einem durch Ätzen durch die Steg- und Kontaktschichten 28, 29 geformten Abstand 5 getrennt, um Kanäle zu formen. Die Ätz-Stop- Schicht 27 wird verwendet, um die Tiefe des Ätzens zu steuern, wenn ein selektives chemisches Ätzverfahren verwendet wird.
Die aktive / Hohlleiter-Schicht 25 besteht aus 32 jeweils 65 A dicken GaInAs-Wannen zusammen mit 60 A dicken Trennschichten aus InP.
In einem Beispiel wird das Gerät mit einem optischen Signal bei einer übertragenen Wellenlänge von 1526,8 nm betrieben. Der Transparenz-Strom beträgt dann 12,6 mA bei 15ºC. Beim Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung wird außer einem ersten Strahl mit der Signalwellenlänge und einem zweiten optischen Pumpstrahl mit einer zweiten Wellenlänge ein Haltestrahl mit einer dritten Wellenlänge in das Gerät eingegeben. Wie zuvor soll der Haltestrahl das Fermi-Niveau festhalten. Der Haltestrahl kann sinnvollerweise dazu verwendet werden, das System transparent zu halten, wodurch keine rückgekoppelte Präzisionssteuerung des elektrischen Vorspannungssignals mehr gebraucht wird. Der Haltestrahl kann die Signalwellenlänge oder eine längere Wellenlänge, wie z.B. 1528 nm in der vorliegenden Ausführungsform haben.
Obwohl die obengenannten Ausführungsformen nur 3 Wellenlängen verwenden, läßt das Verfahren die gleichzeitige Kreuzphasenmodulation mit vielen verschiedenen "Signal-" Wellenlängen (λ3) zu. Dies bedeutet, daß das Gerät zur Signalverarbeitung bei wellenlängen- gemultiplexten (WDM-) Signalen verwendet werden kann, obgleich die Signale in der Ausführungsform außerdem Pulsfolgen sind. Dies muß nicht so sein. Die Phase/Amplitude eines nicht-sättigenden Dauerstrich- (CW-) Strahls (oder Strahlen) mit λ3 wird wie auch der Haltestrahl λ1 von einer gepulsten Folge mit λ2 moduliert. Mit Verfahren zum Filtern von Frequenzen kann der schnelle (d.h. modulierte) Teil des Strahls/der Strahlen mit λ3 (s) und mit λ1 wiederhergestellt werden, wodurch es möglich wird, gleichzeitig die Wellenlänge eines Pulses (einer Daten- oder Taktsignal-) Folge in viele verschiedenen Wellenlängen umzuwandeln.

Literaturverzeichnis

1. "The use of GaInAsP Amplifiers for 40 Gbit/s signal processing", A.D. Ellis, D.M. Spirit. Postdeadline Veröffentlichung in Nonlinear Guided-Wave Phenomena, Cambridge, England, 20.-22. Sept. 1993.
2. "A Terahertz Optical Asymetric Demultiplexer (TOAD)", J.P. Sokoloff, P.R. Pruncal, I. Glesk und M. Kane in IEEE Photonics Technology Letters, Band 5, Nr. 7 vorn Juli 1993, Seiten 787- 790.

Claims

1. Nichtlinearer optischer Phasenschalter mit einem optischen Halbleiterverstärkungsmedium (SLA), das dazu dient, ein Signal bei einer ersten wellenlänge (λ&sub3;) in Äbhängigkeit von einem Steuersignal (λ&sub2;) bei einer zweiten Wellenlänge, das an das optische Verstärkungsmedium angelegt wird zum Modifizieren des Brechnungsindexes des optischen Halbleiterverstärkungsmediums, zu schalten gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (WDM2) zum Anlegen eines optischen Haltesignals bei einer dritten Wellenlänge (λ&sub1;) an das Verstärkungsmedium zum Pumpen des optischen Halbleiterverstärkungsmediums, so daß das Fermi-Niveau des Verstärkungsmediums fixiert wird.

2. Schalter nach Anspruch 1, bei dem das Haltesignal ein Dauerstrichsignal ist.

3. Schalter nach Anspruch 1, bei dem das Haltesignal ein gepulstes Signal ist, das so getaktet ist, daß es dem Steuersignal folgt.

4. Schalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das optische Halbleiterverstärkungsmedium das nichtlineare Element eines nichtlinearen Schleifenspiegels (NOLM) (1) ist.

5. OTDM-Demultiplexer mit einem Schalter nach einem der vorangehenden Ansprüche.

6. Optischer Pulsgenerator (Fig. 2) zur Verbindung in dem optischen Resonator eines mode-locked Lasers, der einen Schalter nach einem der vorangehenden Ansprüche umfaßt, wobei im Betrieb das Steuersignal, das an das Verstärkungsmedium angelegt wird, Pulse kreuzphasenmoduliert, die sich in dem Resonator fortpflanzen.

7. Optischer Puisgenerator nach Anspruch 6, bei dem die Pulse, die sich in dem Resonator fortpflanzen, gekoppelt sind an die Taktwelle einer Datenfolge, die an das Verstärkungsmedium als Steuersignal angelegt wird, wodurch ein wiedergewonnenes Taktsignal erzeugt wird.

8. Wellenlängenkonverter mit einem Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

9. Verfahren zum Phasenschalten eines optischen Signals mit Ausgeben eines optischen Signals bei einer ersten wellenlänge durch ein Halbleiterverstärkungsmedium und Modifizieren des Brechnungsindexes des Verstärkungsmediums in Abhängigkeit von einem Steuersignal bei einer zweiten wellenlänge, gekennzeichnet durch Anlegen eines optischen Signals bei einer dritten wellenlänge an das Verstärkungsmedium, um das Medium zu pumpen, um das Fermi-Niveau zu fixieren.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Halte-Signal ein Dauerstrichsignal ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Halte-Signal ein gepulstes Signal ist, das so getaktet ist, daß es dem Steuersignal folgt.

12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei dem eine elektrische Vorspannung an das Halbleiterverstärkungsmedium angelegt wird, so daß der Haltestrahl eine im wesentlichen ausreichende Verstärkung erfährt, um Abschwächung des Haltestrahls in seinen Durchtritt durch das Verstärkungsmedium zu eliminieren.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Vorspannungsstrom größer oder gleich 200 mA ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei welchem die optische Leistung des Haltestrahls geringer als die Sättigungsleistung des Verstärkungsmediums ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die optische Leistung des Haltestrahls sich in dem Bereich zwischen 5 und 30 mW befindet.