DE69600573T2

DE69600573T2 - Optischer verstärker

Info

Publication number: DE69600573T2
Application number: DE69600573T
Authority: DE
Inventors: Dominique Ipswich Suffolk Ip5 7Tl Marcenac
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2016-06-08
Also published as: EP0830721A1; CA2221693A1; US6188511B1; WO1996041405A1; CA2221693C; AU6010196A; DE69600573D1; EP0830721B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Verstärker, insbesondere einen optischen Halbleiterverstärker mit nichtlinearen Charakteristiken.

Hintergrund

Es ist bekannt, daß Halbleiter als optische Verstärker arbeiten können. Werden gewisse Halbleiter von einem initiierten elektrischen Strom durchflossen, veranlaßt ein einfallendes Photon ein Elektron, die Bandlücke des Halbleiters zu überspringen, wodurch ein zusätzlichen Photon erzeugt wird, was zu einer Lichtverstärkung führt. Optische Halbleiterverstärker, die auf diese Weise arbeiten, sind allgemein bekannt und in "Long Wavelength Semiconductor Lasers" von G. P. Agrawal und N. K. Dutta; Van Nostrand, Kapitel 1 bis 6, beschrieben.
Das Halbleitermaterial, das für den aktiven Verstärkungsbereich der Vorrichtung verwendet wird, kann ein Substratmaterial oder beispielsweise einen Stapel von mehreren Quantentrögen (MQW multiple quantum wells) enthalten. Ein Problem des für den Verstärkungsbereich verwendeten Halbleitermaterials liegt in einem Verstärkungssättigungseffekt, der auf verstärkter spontaner Emission (ASE) beruht. Deshalb weisen typische Vorrichtungen, die dieses Substrathalbleitermaterial in einem parallelen seitlichen Kanal verwenden, üblicherweise eine Länge von 500 um oder weniger und eine Breite von 1-2 um auf. Wenn die Vorrichtung verlängert werden würde, würde sich keine Verstärkungsverbes serung ergeben. Für MQW-Vorrichtungen ist die Verstärkung pro Längeneinheit geringfügig kleiner als für Vorrichtungen mit Substratmaterial und bis jetzt wurden Verstärker mit einer Länge bis zu 1 mm erzeugt. Es wurde angenommen, daß längere Vorrichtungen der ASE unterliegen, so daß keine Verbesserung der Verstärkung möglich ist. Es wurde von längeren konisch zulaufenden Vorrichtungen mit einer Länge von 1-3 mm berichtet, wobei der Verstärker sich konisch verjüngt, um teilweise das Auftreten von Verstärkungssättigung zu kompensieren. Hierbei wird auf S. El Yumin et al., "Taper Shape Dependence of Tapered-Waveguide Travelling Wave Semiconductor Amplifier", IEICE Transactions on Electronics, Band 77, Nr. 4, April 1994, Tokio, Japan verwiesen. Ebenso wird auf D. Mehuys et al. verwiesen "11.6 W Peak power diffraction limited diode-to-diode optical amplifier", Appl. Phys. Letters, Band 62, Nr. 6, 8. Februar 1993, Seiten 544-546, wo ein Breitbandbereich-Wellenfortbewegungsverstärker mit einer Breite von 600 um und einer Länge von 2 200 um beschrieben wird.
Ein weiterer Nachteil längerer Vorrichtungen ist es, daß sie schwerer zu befestigen sind. Üblicherweise werden optische Halbleiterverstärker (SOAs) mit Köpfen befestigt, die für Laserdioden gebaut sind, die relativ kurz sind, womit es nicht einfach ist, längere Vorrichtungen zu montieren.
Weiterhin verbrauchen längere Vorrichtungen mehr Strom, so daß es als nachteilig angesehen wurde, die Vorrichtungen länger zu machen als die Länge, bei der optische Sättigung auftritt.
Optische Halbleiterlaser können für mehrere unterschiedliche Aufgaben verwendet werden, eine Zusammenfassung gibt es in K. E. Stubkjaer et al., "Optical Wavelength Converters", Proc. ECOC 1994, Seiten 635-642. Optische Halbleiterver stärker können als Modulatoren verwendet werden, wobei ein mit einer gegebenen Bitrate moduliertes optisches Signal zusammen mit einer getrennten Zielwelle in den Verstärker eingespeist wird. Das modulierte Signal erzeugt Verstärkungssättigung für aufeinanderfolgende Bits, so daß die Zielwelle mit dem Eingabebitmuster moduliert wird. Dies ist als übersprechende Verstärkungsmodulation (XGM) bekannt. Die Modulation kann ebenso in der Zielwelle eine Phasenänderung hervorrufen, was unter übersprechender Phasenmodulation (XPM) bekannt ist. Beide diese Prozesse können zu Wellenlängenumwandlungen führen. Beispielsweise kann sich die Zielwellenquelle von der modulierten Eingabequelle von der Wellenlänge unterscheiden, so daß sich die Bitmodulation vom optischen Eingabesignal bei der ersten Wellenlänge auf die Zielwelle bei einer zweiten unterschiedlichen Wellenlänge überträgt.
Damit der Modulator beispielsweise in einem optischen Datenübertragungsnetzwerk effektiv arbeitet, muß der Verstärker gleichmäßige Verstärkungscharakteristiken über einen weiten Bereich von Bitmodulationsfrequenzen aufweisen. Beispielsweise schlägt Stubkjaer weiterhin eine Bitratendurchlässigkeit bis über 5-10 G-Bits vor. Eine Bitrate von 20 G-Bits wurde von J. M. Wiesenfeld, J. S. Perino, A. H. Gnauk und B. Glance in "Bit Error Rate Performance for Wavelength Conversion at 20 Gbit/s", Electronic Letters 30, Seiten 720-721 (1994) beschrieben, obwohl es bei Wiesenfeld et al. nicht klar ist, ob der Modulator mit einer 3dB-Bandbreite arbeitete.
Bis jetzt glaubte man, daß die Bandbreite durch die unterschiedliche Trägerrekombinationsrate im Verstärker beschränkt ist, wobei diese Rate spontane Emission und stimulierte Emission beinhaltet.
Jedoch wurde es in der vorliegenden Erfindung nachgewiesen, daß die -3dB-Bandbreite der Verstärkerverstärkung in bezug auf die Bitmodulationsrate eine Funktion der Weglänge durch den Verstärker ist. Somit kann erfindungsgemäß durch die Vergrößerung der Weglänge die Bandbreite vergrößert werden.
Halbleiterverstärker können ebenso zur Erzeugung von Wellenlängenumwandlungen durch einen anderen als Vier-Wellen- Mischung bekannten Prozeß verwendet werden. Dies ist auch bei Stubkjaer beschrieben, eine genauere theoretische Diskussion gibt es in "Population pulsations and nondegenerate four-wave mixing in semiconductor lasers and amplifiers" von G. P. Agrawal, J. Opt. Soc. Am. B, Band 5, Nr. 1, Januar 1988, Seiten 147-159. Bei der Vier-Wellen-Mischung wird Pumpstrahlung bei einer Pumpwellenlänge λp in einen Halbleiterverstärker zusammen mit einem Eingabesignal λi mit einer anderen Wellenlänge als das Pumpsignal eingespeist. Typischerweise hat die Pumpwelle eine Energie von 10 mW und das Eingabesignal eine Energie von 1 mW. Die Wellenlänge des Eingabesignals liegt in der Nähe der Wellenlänge des Pumpsignals mit einem üblichen Wellenlängenunterschied von 2 nm. Beide Strahlen haben die gleiche Polarisation und schwingen daher kohärent mit einer Schwingungsfrequenz in diesem Beispiel von 100 GHz. Durch die sich ergebende Schwingungswelle oszilliert die Trägerdichte im Verstärker. Dies hat einen nichtlinearen Effekt auf die Verstärkung, was die Eingabewelle verzögert und die Verstärkung mit der Eingabewelle schlagen läßt. Es kann gezeigt werden, daß dies ein Signal bei einer umgewandelten Wellenlänge λc ergibt, mit λc = 2 λp - λi. Das konvertierte Signal λc und die Eingabewelle λi haben in bezug auf die Wellenlänge den gleichen Abstand nach oben und unten zur Pumpwellenlänge λp.
Die Vier-Wellen-Mischung hat den Vorteil, daß der Umwandlungsprozeß äußerst schnell ist und nicht auf der Trägerrekombination wie bei XGM und XPM beruht. Weiterhin ergeben sich weniger Verzerrungen, jedoch hat die Vier-Wellen- Mischung den Nachteil, daß das umgewandelte Signal eine geringe Energie hat und daß das Signal zu Rausch-Verhältnis beim umgewandelten Signal ein Problem darstellen kann.
Jedoch wurde erfindungsgemäß herausgefunden, daß die Umwandlungseffizienz für Vier-Wellen-Mischung eine Funktion der Weglänge durch den Verstärker ist. So kann erfindungsgemäß durch die Vergrößerung der Weglänge die Vier-Wellen- Mischungseffizienz erhöht werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine optische Halbleiterverstärkungsvorrichtung mit einer optischen Weglänge bereitgestellt, die sich von einem Eingang zum Ausgang über einen optischen Verstärkungsbereich erstreckt, dessen Breite im wesentlichen konstant ist und entlang der Länge weniger als 50 um beträgt, wobei die Länge der optischen Weglänge über den Bereich größer als 1 mm ist.
Weiterhin stellt die Erfindung eine optische Vorrichtung mit einer Zielwellenquelle bereit, einer modulierten optischen Quelle, die mit einer gegebenen Bitrate moduliert wurde, und einem optischen Halbleiterverstärker, der von den Quellen Strahlung aufnimmt und die Zielwelle gemäß der Modulation der modulierten optischen Quelle moduliert und somit eine modulierte Zielwellenausgabe erzeugt, wobei sich die Wellenlänge des Verstärkers von einem Eingang über einen optischen Verstärkungsbereich zum Ausgang erstreckt, und wobei die Länge der optischen Weglänge länger als die Länge ist, bei der in dem Bereich optische Sättigung auftritt.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine optische Modulationsvorrichtung mit einer Zielwellenquelle bereitgestellt, einer modulierten optischen Quelle, die mit einer gegebenen Bitrate moduliert wurde, einem optischen Verstärker, der von den Quellen Strahlung aufnimmt und die Zielwelle gemäß der Modulation der modulierten optischen Quelle moduliert und somit eine modulierte Zielwellenausgabe erzeugt, wobei sich die Weglänge des Verstärkers von einem Eingang über einen optischen Verstärkungsbereich zum Ausgang erstreckt und die Weglänge so gewählt ist, daß die Verstärkung des Verstärkers der modulierten Zielwellenausgabe eine -3dB- Bandbreite ergibt, die sich in bezug auf die Modulationsbitrate über 20 GHz erstreckt.
Die modulierte optische Quelle kann ebenso übersprechende Verstärkungsmodulation im Verstärker erzeugen. Weiterhin kann übersprechende Phasenmodulation erzeugt werden, die alternativ dazu bei der Modulation der Zielwelle verwendet werden kann. Die Zielwellenquelle kann eine unterschiedliche Wellenlänge wie die modulierte optische Welle aufweisen, so daß eine Wellenlängenumwandlung auftritt. Dies kann für einen gesamtoptischen Schalter verwendet werden, indem der Verstärker an mehrere optische Ausgabekanäle angeschlossen ist, bei denen jeweils die optischen Filter auf eine unterschiedliche Wellenlänge abgestimmt sind, so daß durch die Steuerung der Wellenlänge der Zielwellenquelle die modulierte Ausgabe selektiv zu den unterschiedlichen Kanälen geleitet werden kann.
Der Weg durch den optischen Verstärkungsbereich des Verstärkers wird gewählt, um wie vorher erwähnt die Bandbreite zu optimieren, aber kann sich als nicht lang genug heraus stellen, um Probleme mit ASE zu erzeugen. Typischerweise ist die Weglänge geringer als 5 mm. Typische Weglängen liegen oberhalb von 1,0, 1,125, 1,25, 1,5, 1,75, 2,0, 1,2, 2,25, 2,50 oder 2,75 mm.
Der Verstärker kann wenigstens erste und zweite Verstärkungselemente aufweisen, die in Reihe angeschlossen sind, wobei die gesamte addierte Weglänge durch die Elemente so gewählt wurde, daß sich die gewünschte Bandbreite ergibt. In praktischen Ausführungsformen der Erfindung kann sich die -3dB-Bandbreite über 28, 35 oder 40 GHz hinaus erstrecken, indem passende Parameter der Vorrichtung gewählt werden.
Die vorliegende Erfindung kann auch auf Vier-Wellen-Mischung angewendet werden und in einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung einen optischen Halbleiterverstärker, der einen optischen Weg von einem Eingang über einen optischen Verstärkungsbereich zum Ausgang mit ersten und zweiten Quellen mit unterschiedlicher optischer Eingangsstrahlung für den Verstärker aufweist, wobei der Verstärker eine verstärkte optische Ausgabe in Abhängigkeit der optischen Strahlung der ersten und zweiten Quelle erzeugt, wobei die Länge des Weges durch den Bereich größer als 1 mm ist.
Die erste Quelle kann eine Strahlungspumpquelle für den Verstärker bei einer Wellenlänge λp aufweisen, und die zweite Quelle kann eine Signalquelle bei einer Wellenlänge λi aufweisen, so daß der Verstärker im Betrieb durch Vier- Wellen-Mischung eine Ausgabe mit einer verbesserten Amplitude und einem verbesserten Signal zu Rausch-Verhältnis als bisher bei einer Wellenlänge λc erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform liefert die Erfindung eine optische Halbleiterverstärkungsvorrichtung mit einem optischen Weg von einem Eingang über einen optischen Verstärkungsbereich zu einem Ausgang, wobei der Weg eine Länge L durch den Bereich aufweist, der größer als 3 mm ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Für das bessere Verständnis der erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die Erfindung nachfolgend mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine Aufsicht eines optischen Halbleiterverstärkers ist;
Fig. 2 ein Querschnitt entlang I-I' von Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein schematisches Diagramm zur Darstellung der Modulationseffekte im Verstärker der Fig. 1 und 2 ist;
die Fig. 4A-4C schematische Diagramme sind, die XGM- Effekte im Verstärker von den Fig. 1 und 2 durch eine Überlagerung von SGM-Effekten erklären;
Fig. 5 ein Graph des Real- und Imaginärteils einer Funktion (T (ω) -1) ist;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines experimentellen Aufbaus zum Test der Bandbreitenabhängigkeit von der Weglänge des Verstärkers ist;
Fig. 7 ein Graph für die Bandbreite von zwei in Reihe geschalteten Verstärkern ist sowie ein entsprechender Graph für die Verstärker alleine, wobei ein Antriebsstrom für jeden Verstärker 140 mA betrug;
Fig. 8 den Effekt zeigt, den der Anstieg des Antriebstroms für den Verstärker auf 400 bzw. 500 mA bewirkt;
Fig. 9 ein Graph ist, der die Linearität der Umwandlungsbandbreite in bezug auf die Verstärkungslänge L darstellt sowie die entsprechende Linearität der Peakwellenlänge für die Wellenlängenumwandlung;
Fig. 10 einen Netzwerkschalter mit einem erfindungsgemäßen Verstärker zeigt;
Fig. 11 schematisch einen Demultiplexer darstellt;
Fig. 12 einen erfindungsgemäßen Verstärker zeigt, der in einem Mach-Zehnder-Interferometer verwendet werden kann, der als Demultiplexer konfiguriert ist;
die Fig. 13 bis 15 alternative Ausführungsformen zeigen, die erfindungsgemäße Verstärker in dem Mach-Zehnder-Interferometer konfiguriert werden können; und
Fig. 16 die Ergebnisse der Vorrichtung von Fig. 6 darstellt, wenn sie durch Vier-Wellen-Mischung betrieben wird.

Genaue Beschreibung

Ein typischer optischer Halbleiterverstärker A1 aus InGaAsP-Material zur Verwendung in Telekommunikationssystemen mit Wellenlängen, die um 1,55 um zentriert sind, ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Die Vorrichtung besteht aus einem länglichen Verstärkungsbereich 1, der auf einem Substrat 2 ausgebildet ist. Der Verstärkungsbereich 1 weist an einem Ende einen Eingang 3 für optische Strahlung und einen optischen Ausgang 4 am anderen Ende auf, die jeweils antireflektierend beschichtet sind. Eine typische Reflektivität liegt bei 10&supmin;³-10&supmin;&sup4;. Der Eingang 3 und der Ausgang 4 ist so ausgebildet, daß sie an optische Einzelmodenwellenleiter, beispielsweise optische Fasern oder andere Strukturen (nicht gezeigt), die auf dem Substrat integriert sind, koppeln. Der Bereich 1 hat, wie nachfolgend erklärt, eine längliche Form mit der Länge L und einer Breite W, die die seitliche Begrenzung bildet. Wie nachfolgend erklärt wird, ist die Länge L des Verstärkungsbereichs 1 größer wie bisher, um die Verstärkungscharakteristiken zu verbessern. Die Breite W des Bereiches 1 ist für die Leitung von sich ausbreitenden Wellen gewählt und liegt typischerweise im Bereich von 1 bis 2 um, weniger als 50 um und normalerweise weniger als 5 um.
Der aktive Verstärkungsbereich 1 kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden und eine Ausführungsform, die eine vergrabene Heterostruktur aufweist, ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt. In Fig. 2 weist der aktive Bereich 1, der die Verstärkung erzeugt, einen Stapel von Quantentrogstrukturen mit mehreren aufeinanderfolgenden Schichten von InGaAsP- InP 5 auf, die auf einem n-dotierten InP-Substrat 6 liegen. Über dem aktiven Bereich 5 liegt ein p-dotierter InP- Bereich 7 mit einem leitenden Überkontakt 8 aus p-dotierten InGaAsP-Material, das mit einem Metallkontakt 9 ausgestattet ist. Eine Metallisierungsschicht 12 bildet die Unterseite des Substrats 2.
Bei der Herstellung der Vorrichtung werden Bereiche an der Seite des länglichen aktiven Bereichs 1 durch ein an sich bekanntes Verfahren des selektiven Ätzens entfernt und Schichten 10 und 11 von p-dotiertem InP- und n-dotiertem InP-Material angezüchtet.
So liegt der MQW-Stapel 5 zwischen einem p-dotierten InP- Bereich 7 und einer n-dotierten InP-Schicht 6, so daß ein elektrischer Strom durch den Stapel 5 fließt, wenn eine Spannung zwischen dem Metallkontakt 9 und δer Metallisierungsschicht 12 angelegt wird. Die Anordnung der n- und p- dotierten Schichten 10 und 11 bildet eine Verbindung mit Sperrvorspannung, so daß der durch die an den Kontakt 9 angelegte Spannung erzeugte Strom selektiv durch den aktiven Bereich 1 anstatt zu jeder Seite geleitet wird, die die seitliche Begrenzung darstellen. Somit regen am Eingang 3 (Fig. 1) einfallende Photonen Elektronen an, die Bandlücke des MQW-Stapels 5 zu überqueren und somit zusätzliche Photonen zu erzeugen, womit sich optische Verstärkung ergibt. Für weitere Details der Struktur der Vorrichtung und verschiedene Änderungen davon wird auf "Long Wavelength Semiconductor Laser" von Agrawal und Dutta verwiesen, wo ein Substratmaterial als Alternative hierzu verwendet wurde.
Ein optischer Halbleiterverstärker kann als eine aktive Komponente eines Modulators verwendet werden, wie es mit Bezug auf Fig. 3 erklärt wird. Eine im wesentlichen kontinuierlich strahlende Zielwellenquelle 13, beispielsweise ein Laser, der in dem vorher genannten optischen Telekommunikationswellenlängenbereich arbeitet, strahlt auf den Eingang 3 des aktiven Bereichs 1 des Verstärkers ein. Eine optische Quelle 14, die mit einer gegebenen Bitrate moduliert wurde, wird ebenso auf den Eingang 3 des Verstärkers gerichtet. Die "1" Bits der Modulation erzeugen Sättigungseffekte im aktiven Bereich, so daß die Zielwelle durch die Signale von der Quelle 14 moduliert wird. Die resultierende Ausgabe am Ausgang 4 weist die Zielwelle auf, die mit dem Modulationsmuster von Quelle 14 moduliert wurde. Die Ziel wellenquelle 13 und die modulierte Quelle 14 werden bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben, so daß eine Wellenlängenumwandlung vorliegt. Dieser Prozeß ist als übersprechende Verstärkungsmodulation bekannt. Wie vorher ausgeführt, kann die Modulation ebenso eine Phasenänderung bewirken, die detektiert werden kann, indem die Phase der modulierten Zielwellenausgabe mit der Phase der Eingabezielwelle von Quelle 13 (durch nicht gezeigte Mittel) verglichen wird.
Damit die Vorrichtung in der Praxis einsetzbar ist, muß der Modulator über einen weiten Bitratenbereich der modulierten Quelle 14 betrieben werden können. Somit sollte sich die Verstärkung des Verstärkers in dem gewünschten Betriebsbereich der Bitmodulationsrate nicht wesentlich ändern.
Erfindungsgemäß wurde gezeigt, daß diese Verstärkungsbandbreite des Verstärkers in bezug auf die Modulationsbitrate eine Funktion der Länge L des optisch aktiven Bereichs von Fig. 1 ist. Nachfolgend erfolgt nun eine Ableitung der Frequenzantwort der Wellenlängenumwandlung, um die Wellenlängenabhängigkeit der Bandbreitencharakteristiken zu zeigen. Dies erfolgt, indem zuerst die Antwort des Verstärkers auf einen einzelnen Eingabestrahl betrachtet wird und die Berechnung anschließend auf zwei Strahlen durch Superposition erweitert wird.
Betrachtet man zuerst den Fall eines gesättigten Verstärkers mit einem einzelnen optischen Eingabestrahl, so ergibt sich folgendes Zeitverhalten der Trägerdichte N im Verstärker:
wobei R(N) die spontane Rekombinationsrate, J die injizierte Stromdichte, d die aktive Schichtdicke, e die elektrische Ladung, A der aktive Querschnitt, 17 die Modenbegrenzung, hν die Photonenenergie, α die Materialverstärkung, Nt die Durchlässigkeit der Trägerdichte und P die optische Leistung ist.
Dies ist als Selbstverstärkungsmodulation bekannt und ist weiter in: G. P. Agrawal & N. A. Olsson in "Self-phase modulation and spectral broadening of optical pulses in semiconductor laser amplifiers" J. of Quantum Electronics, 25, Seiten 2297-2306, 1989 beschrieben.
Es kann gezeigt werden, daß für die Gleichung der Ausbreitungswelle der optischen Energie folgendes gilt:
wobei αsc der Wellenleiterverlust pro Längeneinheit ist. In einem kurzen Zeitabschnitt werden die nullten mittleren Zeitänderungsbereiche von P und N jeweils δP und δN genannt. Die Trägerdichte ist gegeben durch:
Für einen gesättigten Verstärker liegt die Verstärkung in der Nähe des Wellenleiterverlustes und die optische Leistung wird beim Sättigungswert konstant. Unter Vernachlässigung des Phasenfaktors lautet die Ausbreitungsgleichung (2) nun, wobei
durch Integration über die Länge L des Verstärkers folgt:
δP (L) = T(ω)δP(0),
wobei T(ω) die wie folgt definierte Übertragungsfunktion ist:
Schreibt man die stimulierte Trägerlebenszeit als:
und die optische Verstärkung als g = αΓ (N - Np), so folgt:
Die Berechnung eines einzelnen optischen Eingabestrahls des Verstärkers kann durch Superposition so erweitert werden, daß zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge in den Verstärker eingespeist werden, so daß charakteristische übersprechende Modulationseffekte erzielt werden. Dies wird nun mit Bezug auf Fig. 4 erklärt.
In Fig. 4 sind zwei optische Eingabenstrahlen I, II mit unterschiedlicher Wellenlänge mit der jeweiligen Leistung P&sub1; und P&sub2; für den optischen Verstärker A gezeigt, wobei der Strahl I den modulierten Strahl darstellt und Strahl II den Zielstrahl.
In Fig. 4A wird die Situation betrachtet, in der jeder Eingabestrahl mit einem Modulationspuls δ übertragen wird, so daß die Eingabepulse δ und δ/r auf den Verstärker wie ge zeigt angewendet werden. Der Verstärker arbeitet so, daß beide Eingaben anteilsmäßig verändert werden und die Eingaben gemäß der Übertragungsfunktion T(ω) des Verstärkers verstärkt werden, was die Ausgaben δ · T(ω) und δ · T(ω)/r ergibt.
In Fig. 4B ist eine andere Situation gezeigt, in der die Eingabestrahlen moduliert werden und jeweils Eingaben +δ/r und -δ/r erzeugen. Der Verstärker arbeitet so, daß die Eingabe- und Ausgabeleistung konstant gehalten wird, so daß die Ausgaben mit den Eingaben übereinstimmen, d. h. +δ/r und -δ/r.
Fig. 4C zeigt eine Superposition der Eingaben und Ausgaben der Fig. 3A und 3B. Unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen den Werten der Eingaben und der Ausgaben, die in Fig. 4C gezeigt sind und durch die Ersetzung von r kann gezeigt werden, daß die übersprechende Verstärkungsmodulationsantwort TXGM(ω) gegeben ist durch:
Die Bandbreite der Wellenlängenumwandlung durch übersprechende Verstärkungsmodulation in Gleichung (8) steigt erfindungsgemäß ungefähr linear mit der Verstärkungslänge an. Die 3dB-Begrenzung der Bandbreite für diese Umwandlung kann durch Weiterberechnung der Therme von Gleichung (8) verstanden werden. Für eine gegebene Betriebsbedingung ist der Therm P&sub1;/P&sub1; + P&sub2; konstant, aber der Therm (T(ω) - 1) verändert sich mit Frequenz und Phase und hat jeweils Real- und Imaginärteile. Fig. 5 zeigt eine Darstellung der Real- und Imaginärteile der Funktion F = (T(ω) - 1) in orthogonalen z- und y-Achsen. Bei ansteigender Frequenz beschreibt die Funktion eine sich erweiternde Spirale 15, die in der Nähe von z = -1 für ω = 0 beginnt und bei z = 0 für ω = ∞ en det. Anders ausgedrückt erstreckt sich die Funktion T(ω) spiralförmig von dem Punkt (-1,0) nach außen zu dem Punkt (0,0). Die 3dB-Wellenlängenbandbreitenumwandlungsbegrenzung der Funktion F wird durch den Ort 16 eines Vektors mit dem Betrag 0,5 beschrieben, der im Ursprung zentriert ist und endet, wenn die Windungsspirale 15 den Bogen 16 trifft. Durch das Auftragen der Real- und Imaginärteile von F für verschiedene Werte von gL wurde herausgefunden, daß der Phasenwinkel für den Ausdruck T(ω) immer in der Nähe von τ/6 ist, wenn die Spirale 15 den Bogen 16 trifft. Durch die Berechnung der Phase von T(ω) in Gleichung 7 auf π/6 ermöglicht eine Frequenzbedingung F3db die 3dB-Bandbreite, unter der Annahme, daß der Verstärker gesättigt betrieben wird, d. h. die stimulierte Trägerlebensdauer τs geringer ist als die spontane Lebensdauer τc:
Wie in Gleichung (9) zu erkennen ist, hängt die 3dB-Bandbreite ungefähr linear von der Länge L des Verstärkers ab, wenn andere Faktoren, wie die Injektionsstromdichte konstant gehalten werden.
Dieser Effekt kann im experimentellen Aufbau gesehen werden, der nachfolgend in bezug auf Fig. 6 beschrieben wird. Die Zielwellenquelle 13 weist ein DFB-Laser mit einer Betriebswellenlänge bei 1,555 um auf, und die modulierte Quelle 14 weist einen abstimmbaren Laser 14a bei einer Betriebswellenlänge von 1,560 um auf, der Strahlung zu einem Mach-Zehnder (M-Z)-Modulator 14b speist. Die Ausgaben der beiden Verstärker werden jeweils durch Erbium dotierte Faserverstärker 17 und 18 und daran angeschlossene Polarisationskontroller 19, 20 Abschwächer 21, 22 und Filter 23, 24 geleitet. Das resultierende modulierte Signal und die Zielwelle werden durch einen 3dB-Koppler 25 kombiniert und zu einem ersten Halbleiterverstärker A1 mit einem aktiven Bereich mit der Länge L geführt, der in Reihe an einen zweiten optischen Halbleiterverstärker A2 mit einem aktiven Bereich ebenso mit der Länge L angeschlossen ist. Zur Unterdrückung der spontanen verstärkten Emission sind die Verstärker in Reihe mit optischen Isolatoren 26A, 26B, 26C angeschlossen. Die resultierende Ausgabe wird durch einen weiteren Filter 27 und einem Abschwächer 28 zu einer Detektordiode 29 geleitet, die ein elektrisches Signal durch einen elektrischen Verstärker 30 zu einem Netzwerkanalysator 31 leitet. Der Analysator 31 liefert ebenso elektrische Kontrollsignale an den Modulator 14b. Der Modulator 14b streicht über eine Bitrate von 300 MHz bis 40 GHz. Die Antworten werden für drei unterschiedliche Fälle gemessen: Nur mit dem Verstärker A1, nur mit dem Verstärker A2 und ebenso mit beiden Verstärkern in Reihe geschaltet. Die beiden verwendeten Verstärker hatten die Länge L = 1,125 mm mit einer konstanten Breite W im Bereich von 1 um und einen Verstärkungspeak bei 1,550 um. Die in die Verstärker eingespeisten Signal- und Zielleistungen waren +2,5 und -1,8 dBm, was bedeutete, daß die Verstärkung gesättigt war und die Fabry- Perot-Welle auf unter 0,5 dB reduziert wurde. Der Antriebstrom eines jeden Verstärkers war auf 140 mA gesetzt und die einzelne XGM-Verstärkungsbandbreite war unter 10 GHz.
Die Ergebnisse sind in Fig. 7 zu sehen. Der Graph 32 zeigt die Verstärkung des Verstärkers als Funktion der Frequenz für einen einzelnen Verstärker, der Graph 33 zeigt ein Ergebnis für zwei in Reihe geschaltete Verstärker mit aktiven Bereichen 1A, 1B. In Fig. 5 ist zu erkennen, daß die -3dB- Bandbreite für einen einzelnen Verstärker von 6,5 GHz auf über 13 GHz vergrößert wird, wenn zwei Verstärker in Reihe geschaltet werden. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Länge L durch die in Reihe geschalteten Verstärker dieser Ausführungsform auf 2,25 mm vergrößert wird, indem die beiden Verstärker in Reihe angeschlossen werden.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung, in der die Antriebsströme der in Reihe geschalteten Verstärker von wie vorher beschrieben 140 mA auf jeweils 400 und 500 mA vergrößert wurden. Die resultierende Bandbreite zeigt eine -3dB-Dämpfung bei 28 GHz, die im wesentlichen größer ist als bisher.
Das Hintereinanderschalten der zwei Verstärker erzeugt bedeutende Verluste an den Übergängen zwischen den Verstärkern und durch die Bildung eines einzelnen Verstärkers, dessen Länge 1 mm überschreitet, kann eine im wesentlichen verbesserte Bandbreite erreicht werden, die sich über 20 GHz Bit-Modulationsrate mit Verstärkerantriebsströmen bei ~ 400 mA erstreckt.
Typische Längen L eines einzelnen optischen Halbleiterverstärkers sind größer als 1,00 mm, 1,125 mm, 1,25 mm, 1,5 mm, 1,75 mm, 2,00 mm 2,20 mm, 2,25 mm, 2,50 mm oder 2,75 mm, wobei der Antriebsstrom angepaßt wird, damit eine Stromdichte im aktiven Bereich von ungefähr 50 kA/cm² erreicht wird. Der Antriebsstrom kann so angepaßt werden, daß eine -3dB-Wellenlängenumwandlungsbandbreite erreicht wird, die sich über 25 GHz, 35 GHz oder 40 GHz hinaus erstreckt. Die Breite W liegt typisch in dem Bereich 1 bis 2 um, unter 50 um und allgemein unter 5 um.
Alternativ hierzu können mehrere Vorrichtungen wie beschrieben in Reihe geschaltet werden, um die gewünschte Weglänge zu erreichen, wobei Isolatoren dazwischen sind, um verstärkte spontane Emission zu unterdrücken.
In diesen Ausführungsformen wird ein Verstärker mit mehrfacher Quantentrogstruktur verwendet, bei dem die Weglänge wenigstens oberhalb 1 mm liegt und die Kanalbreite W geringer als 5 um ist. Jedoch können, wie vorher erklärt, Substratvorrichtungen alternativ verwendet werden, wobei die Weglänge kürzer sein kann, typischerweise oberhalb 800 um, da die Substratvorrichtungen eine höhere Effizienz gegenüber Quantentrogstrukturvorrichtungen aufweisen.
In bezug auf Fig. 9 zeigt dies die -3dB-Bandbreite (Graph 34) und Peakfrequenz (Graph 35) für die Wellenlängenumwandlung als Funktion der Verstärkerlänge. Wie zu sehen ist, verlaufen beide Charakteristiken linear mit der Länge des aktiven Bereichs des Verstärkers. Die zum Erhalt der Daten verwendeten Verstärker wurden wie in Fig. 1 und 2 beschrieben konstruiert und hatten bis auf die Länge des aktiven Bereichs die gleiche Bauweise. Sie wurden unter den gleichen Bedingungen betrieben.
Eine typische praktische Ausführungsform der Vorrichtung kann mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 mit einem aktiven Bereich 1 der Länge L = 3,5 mm und der Breite W = 1-2 um konstruiert werden, wobei die Dicke der Schichten in dem abgegrenzten aktiven Bereich zwischen 0,1 und 0,2 um liegt. Dies kann mit einer Wellenlängenumwandlungsbandbreite im Bereich von 40 Gb/s und einem Antriebsstrom im Bereich zwischen 500 mA und 2000 mA betrieben werden.
Eine praktische erfindungsgemäße Ausführungsform wird nun mit Bezug auf Fig. 10 beschrieben. Ein erfindungsgemäßer optischer Halbleiterverstärker wird als Wellenlängenwandler verwendet. Digitale optische Kommunikationssignale einer modulierten Quelle 14 mit der Wellenlänge λ&sub0; werden an den Konverter angelegt, der einen optischen Verstärker mit einem aktiven Bereich 1, wie vorher beschrieben, mit einer Länge L = 3,5 mm aufweist. Eine Zielwellenquelle 13, deren Wellenlänge abstimmbar ist, wird ebenso an den Wellenlän genwandler angelegt. Mehrere Ausgabekanäle werden an die Ausgabe 4 des Verstärkers angeschlossen, die typischerweise aus optischen Fasern F1 bis F4 bestehen, die an unterschiedliche geographische Ziele angeschlossen sind. Jede Faser hat einen angeschlossenen Bandpaßfilter 35, 36, 37, 38, der auf eine bestimmte Wellenlänge λ&sub1; - λ&sub4; abgestimmt ist. Die Zielwellenquelle 13 wird auf die individuelle Wellenlänge λ&sub1;-λ&sub4; abgestimmt, so daß durch Festsetzen der Wellenlänge der Zielwellenquelle die Modulation der Quelle 14 auf die Wellenlänge der Zielwellenquelle übertragen werden kann und so folglich auf einen einzeln gewählten Kommunikationskanal abgezielt werden kann.
Eine alternative Verwendung eines erfindungsgemäßen Verstärkers ist ein Zeitdemultiplexer, in dem Daten in überlappenden Zeitabständen in unterschiedliche Kanäle unterteilt werden. Wie in Fig. 11 zu sehen ist, beinhalten nachfolgende Datenzeitabschnitte S1-SN Daten, die optische Pulse aufweisen oder nicht. Die Zeitabschnitte sind überlappend und sollen durch einen Multiplexer DM1 in unterschiedliche Kanäle Ch1, Ch2 gespeist werden. Eine geeignete Struktur des Demultiplexers DM1 ist in Fig. 12 gezeigt.
Der Demultiplexer DM1 weist eine Mach-Zehnder-Schleifenstruktur mit ersten und zweiten optischen Fasern 39, 40 mit zwei Kopplungsbereichen 41, 42 auf. Wie es im Stand der Technik für eine Mach-Zehnder-Schleifenstruktur bekannt ist, wird in Abhängigkeit der relativen Phase der durch die Bereiche 43, 44 der Faserschleife ausbreitenden Signale eine optische Ausgabe an die Ausgabe OP1 oder OP2 erzeugt. Erfindungsgemäß wird ein optischer Verstärkter A1, wie vorher beschrieben, mit einem aktiven Verstärkungsbereich > 1,25 mm, an eine der Schleifen angeschlossen und steuert somit die relative Phase der Signale in Bereichen 43, 44 der Schleife und schickt die Signale selektiv an die Ausgaben OP1, OP2.
Der überlappende optische Datenstrom für die Kanäle 1 und 2 von Quelle 14 wird zum Eingang IP1 geleitet, wo ein optischer Kontrollpulsstrom von Quelle 13 zum Eingang IP2 geleitet wird. Der Kontrollpulsstrom weist Pulse auf, die zeitlich Datenbereiche für Kanal 1 aufzeichnen. Die zu den Eingängen geleiteten Signalströme IP1, 2 haben jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge oder Polarisation oder beides und werden so durch den Koppler gemischt, daß sich der gemischte Strom entlang beiden Faserbereichen 43, 44 ausbreitet. Der Verstärker A1 erzeugt als ein Ergebnis der übersprechenden Phasenmodulation eine Phasenänderung im Signalstrom, der sich im Faserabschnitt 43 ausbreitet, in bezug zum Abschnitt 44, wobei die Phasenmodulation im Verstärker während der Kontrollpulse auftritt, wobei die Pulse für die Datenabschnitte von Kanal 1 auftreten und somit optische Datenpulse von Kanal 1 selektiv zu OP1 geleitet werden, wobei Datenpulse für Kanal 2 zum Ausgang OP2 passieren. Es ist selbstverständlich, daß entweder Kanal 1 oder Kanal 2 selbst weitere mehrere Kanäle aufweist, die mit Hilfe von weiteren Demultiplexern getrennt werden können.
Während die beschriebene Mach-Zehnder-Vorrichtung wie beschrieben als Demultiplexer verwendet wurde, kann sie ebenso als Schalter für andere Anwendungen verwendet werden, beispielsweise zur Zieleingabe von Paketen in geschalteten Paketnetzwerken, zur Steuerung von Signalen für andere Ziele und zur Verbesserung der Schwächungsrate eines digital modulierten optischen Signals.
Nachfolgend werden alternative Mach-Zehnder-Loopstrukturen beschrieben, die optische Verstärker A1, A2 in beiden Abschnitten 43, 44 der Faserschleife aufweisen, wobei beide Verstärker wie vorher beschrieben aufgebaut sind, beispielsweise jeder mit einem aktiven Bereich mit einer Länge größer als 1,75 mm.
In Fig. 13 unterscheidet sich die optische Weglänge vom Teiler 41 zu jedem der Verstärker A1, A2 um einen Versatz d. Betrachtet man die Eingaben IP1 und IP2, erreichen die Eingabesignale den Verstärker A1 vor dem Verstärker A2, was bedeutet, daß ein sehr enges Schaltfenster zum Demultiplexen erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Verwendung der Verstärker A1, A2 verschärft die Definition des Schaltfensters und ermöglicht so kürzere Schaltfenster als bisher. In dieser Konfiguration wird die Breite des Schaltfensters durch den örtlichen Versatz d während der Erzeugung der Vorrichtung festgelegt.
In Fig. 14 ist eine alternative Konfiguration gezeigt, in der die Verstärker A1 und A2 symmetrisch im Interferometer angeordnet sind, jedoch das Kontrollsignal IP2 in einem Bereich 43 einer Schleife durch einen getrennten Koppler 46 geleitet wird, so daß beispielsweise Demultiplexen auf die gleiche Art wie in Fig. 12 erreicht werden kann. Die symmetrische Anordnung der Verstärker A1, A2 ermöglicht die Anpassung der Verluste in beiden Bereichen 43, 44 der Faserschleife. Die erfindungsgemäße Verwendung eines längeren Verstärkers A1, A2 ermöglicht, die Beschleunigung der Phasenänderungen im Verstärker A1 gegenüber dem Stand der Technik.
In Fig. 15 sind die Verstärker A1, A2 symmetrisch im Interferometer angeordnet und Kontrollsignale können einzeln in die Verstärkereingänge durch jeweilige optische Koppler 46, 47 eingespeist werden. In der gezeigten Ausführungsform wird der Eingang IP2 in beide Koppler 46, 47 geleitet, wobei die Eingabe in den Koppler 47 zeitlich zur Eingabe in den Koppler 46 verzögert wird. Als Ergebnis wird ein sehr schmales Schaltfenster auf die in Fig. 13 beschriebene Art erzeugt. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verstärkers kann das Schaltfenster verschärfen. In der Konfiguration von Fig. 15 kann die Verzögerung zwischen den zwei eingespeisten Kontrollsignalen IP2, IP2 + Δ variiert werden, um die Länge des Schaltfensters anzupassen.
Die Erfindung findet ebenso Anwendung bei optischen Halbleiterverstärkern, die in Modulatoren verwendet werden, die durch Vier-Wellen-Mischung betrieben werden. Erfindungsgemäß kann durch die Vergrößerung der Länge des Verstärkers die Effizienz der Vier-Wellen-Mischung verbessert werden, wobei das Signal zu Rauschverhältnis erhöht wurde. Dies wird nun beispielhaft mit Bezug auf die Fig. 6 und 16 erklärt. Die Vorrichtung von Fig. 6 wird so gesteuert, daß die Zielwellenquelle bei einer relativ hohen Leistung betrieben wird, wobei eine Pumpe mit einer Pumpwellenlänge λ&sub1; = λp =1,555 um für die Verstärker A1 und A2 vorgesehen wird. Der abstimmbare Laser 14a wurde bei einer Wellenlänge λ&sub2; = λi = 1,560 um betrieben. Die Ausgaben der Laser wurden mit der gleichen Polarisation an die Verstärker A1, A2 angelegt. Die Amplitude der Laserausgabe 14a war deutlich niedriger als die des Lasers 13 mit dem Ergebnis, daß Vier- Wellen-Mischung auftrat, wie es in Fig. 16 zu sehen ist. Ein Signal λc mit umgewandelter Wellenlänge wurde erzeugt. Die Wellenlängenbeziehung zwischen den Signalen ist folgende:
λc = 2 λp - λi
Somit haben das umgewandelte Signal und das Eingangssignal den gleichen Abstand und liegen auf unterschiedlichen Seiten der Pumpwellenlänge λp wie es in Fig. 16 zu sehen ist.
Eine nicht limitierende qualitative Erklärung des Prozesses der Vier-Wellen-Mischung wird nachfolgend gegeben. Da λp und λi die gleiche Polarisation aufweisen, bilden sie eine Taktfrequenz im Bereich von 100 GHz, so daß die Trägerdichte im Verstärker oszilliert. Dies erzeugt einen nichtlinearen Verstärkungseffekt, der einen weiteren Takt mit der Pumpwellenlänge und das Signal λc mit umgewandelter Wellenlänge erzeugt. Für weitere Details wird auf Subkjaer et al. verwiesen.
Der Effekt, wenn die Vorrichtung von Fig. 6 nur mit einem der Verstärker A1, A2 und anschließend mit beiden Verstärkern betrieben wird, ist durch den dicken Graph 48 bzw. dünnen Graph 49 gezeigt. Es wird gezeigt, daß sich die Vier-Wellen-Mischungsumwandlungseffizienz mit ansteigender Verstärkungslänge L verbessert. Wenn die Verstärkerlänge verdoppelt wird (die Umwandlung von Graph 48 in 49), vergrößert sich die Amplitude des umgewandelten Signals λc. Ebenso wird das Signal zu Rauschverhältnis verbessert. Ebenso wurde der Rauschhintergrund 48a des Graphen 49 im Vergleich zum Untergrund 48a unter der Verwendung eines einzelnen Verstärkers nach unten gedrückt, so daß das Signal- zu Rauschverhältnis in bezug auf das umgewandelte Signal λc verbessert wird. Wie zu erkennen, tritt die Unterdrückung des Rauschhintergrundes asymmetrisch auf und das wellenlängenumgewandelte Signal λc wird auf die passende Seite der Pumpwellenlänge λp, gesetzt, um den Vorteil der asymmetrischen Änderung des Grundrauschens nach unten zu verwenden.
Wie vorher erwähnt, hat die Vier-Wellen-Mischung den Vorteil, daß die Wellenlängenumwandlung im Vergleich zur übersprechenden Verstärkungsmodulation schnell auftritt. Das umgewandelte Signal λc kann durch Modulation des Eingabesignals λi moduliert werden. Dies kann in der Konfiguration von Fig. 6 durch den Betrieb des Modulators 14b erreicht werden.
Ein Verstärker mit Vier-Wellen-Mischung kann zur Korrektur der Dispersion eines Signals, das sich entlang eines optischen Kommunikationsweges ausbreitet, beispielsweise ein Signal, das sich über große Distanzen ausbreitet, verwendet werden. Das sich entlang dem Weg ausbreitende Signal kann aufgrund von dispersiven Effekten des Weges, beispielsweise einer optischen Faser einer Frequenzveränderung unterliegen. Ein Verstärker, der mit Vier-Wellen-Mischung arbeitet, kann zur Änderung der Wellenlänge des Eingabesignals λi auf λc und zur Umkehrung der Signalwellenlänge in bezug auf λp verwendet werden, um Frequenzabweichungen zu kompensieren.
Es wurde herausgefunden, daß bei Vier-Wellen-Mischung die Effizient des Verstärkers ungefähr proportional zum Quadrat der Weglänge ist, d. h. E &sim; L².

Claims

1. Optische Halbleiterverstärkungsvorrichtung (A1) mit einer optischen Weglänge, die sich von einem Eingang (3) zum Ausgang (4) über einen optischen Verstärkungsbereich (1) erstreckt, dessen Breite (W) im wesentlichen konstant ist und entlang der Länge weniger als 50 um beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der optischen Weglänge über den Bereich größer als 1 mm ist.

2. Optische Vorrichtung mit einer Zielwellenquelle (13), einer modulierten optischen Quelle (14), die mit einer gegebenen Bitrate moduliert wurde, und einem optischen Halbleiterverstärker (A1), der von den Quellen Strahlung aufnimmt und die Zielwelle gemäß der Modulation der modulierten optischen Quelle moduliert und somit eine modulierte Zielwellenausgabe erzeugt, wobei sich die Weglänge des Verstärkers von einem Eingang (3) über einen optischen Verstärkungsbereich (1) zum Ausgang (4) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der optische Weglänge länger als die Länge ist, bei der in dem Bereich aufgrund von verstärkter spontaner Emission (ASE) eine Sättigung der optischen Verstärkung auftritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Bereich eine mehrfache Quantentrog- (MQW) Struktur aufweist und die Weglänge größer als 1 mm ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Weg Substratmaterial aufweist und die optische Weglänge größer als 800 um ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Breite des Verstärkers entlang der Länge weniger als 50 um beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Länge (L) des Weges so gewählt ist, daß die Verstärkung des Verstärkers der modulierten Zielwellenausgabe eine -3dB-Bandbreite ergibt, die sich in bezug auf die Modulationsbitrate über 20 GHz hinaus erstreckt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Verstärkung des Verstärkers eine -3dB-Bandbreite ergibt, die sich in bezug auf die Modulationsbitrate über 28 GHz hinaus erstreckt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Verstärkung des Verstärkers eine -3dB-Bandbreite ergibt, die sich in bezug auf die Modulationsbitrate über 35 GHz hinaus erstreckt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Verstärkung des Verstärkers eine -3dB-Bandbreite ergibt, die sich in bezug auf die Modulationsbandbreite über 40 GHz hinaus erstreckt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Strahlung der modulierten optischen Quelle eine übersprechende Verstärkungsmodulation der Strahlung von der Zielwellenquelle erzeugt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Strahlung der Quellen in dem optischen Verstärkungsbereich wechselwirkt, wobei die Strahlung von der Zielwellenquelle durch die modulierte Strahlung der modulierten Quelle phasenmoduliert wird, wobei sich eine übersprechende Phasenmodulation ergibt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11 mit phasensensiblen Einrichtungen (43, 44), die die Phase der modulierten Zielwellenausgabe mit der Phase der modulierten optischen Quelle vergleichen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei die Zielquelle 13 eine erste Wellenlängencharakteristik und die modulierte optische Quelle (14) eine unterschiedliche zweite Wellenlängencharakteristik aufweist, womit sich Wellenlängenumwandlungen ergeben.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 mit mehreren optischen Ausgabekanälen (F1-F4), die an den optischen Verstärker angekoppelt sind und mit mehreren optischen Filtervorrichtungen (35-38), die jeweils an die Kanäle angeschlossen sind und jeweils unterschiedliche Durchlaßcharakteristiken aufweisen und mit Vorrichtungen, die die Wellenlänge der Zielwellenquelle (13) steuern, um jeweils die modulierte Ausgabe selektiv zu den Kanälen zu leiten.

15. Optische Modulationsvorrichtung mit einem optischen Halbleiterverstärker mit einer optischen Weglänge, die sich von einem Eingang (3) über einen optischen Verstärkungsbereich (1) zum Ausgang (4) erstreckt, mit ersten und zweiten Quellen mit unterschiedlicher optischer Eingangsstrahlung für den Verstärker, wobei der Verstärker eine verstärkte optische Ausgabe in Abhän gigkeit der optischen Strahlung der ersten und zweiten Quellen erzeugt, wobei die Länge (L) des Weges durch den Bereich größer als 1 mm ist und die Breite (W) im wesentlichen konstant ist und entlang der Länge weniger als 50 um beträgt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die erste Quelle eine erste Stahlungspumpquelle mit einer ersten Wellenlänge (λp) aufweist, die zweite Quelle eine zweite unterschiedliche Wellenlänge (λi), wobei der Verstärker durch die Mischung von vier Wellenlängen eine. Ausgabe bei Wellenlänge (λc) erzeugt, die sich von der ersten und zweiten Wellenlänge unterscheidet.

17. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Weglänge (L) des Verstärkers weniger als 5 mm beträgt.

18. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Weglänge (L) des Verstärkers 1,125, 1,25, 1,5, 1,75, 2,00, 2,25, 2,5, 2,75 oder 3 mm übersteigt.

19. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verstärker einen aktiven Bereich (1) aufweist und Vorrichtungen (9, 12), die elektrischen Strom an den aktiven Bereich anlegen und somit darin eine Verstärkung erzeugen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19 mit einer Vorrichtung (V), die an den Verstärker einen Strom anlegt, der nicht größer als 400 mA ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der aktive Bereich eine vergrabene Heterostruktur (5) auf einem Substrat (2, 6) aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, wobei der aktive Bereich eine mehrfache Quantentrogstruktur (5) aufweist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 20, 21 oder 22, wobei der aktive Bereich mehrere Schichten (5) von InGaAsP-InP aufweist, die zwischen einer InP-Schicht mit einer ersten Leitfähigkeit und einem Bereich von InP (7) mit einer zweiten Leitfähigkeit angeordnet sind.

24. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verstärker erste und zweite Verstärkerelemente (A1, A2) aufweist, die in Kaskade angeschlossen sind, wobei die Gesamtweglänge durch die optischen Verstärkungsbereiche 1 mm übersteigt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei die modulierte optische Quelle (14) einen optischen Bitstrom mit überlappenden Zeitbereichen (S1, ... SN) für erste und zweite Kanäle (Ch1, Ch2) bereitstellt, wobei die Zielquelle (13) einen Bitstrom bereitstellt, der selektiv die Zeitbereiche für einen der Kanäle (Ch1) definiert, wobei der Verstärker eine selektive Phasenänderung für Datenbits in einem der Kanäle (Ch1) erzeugt, mit einer phasensensitiven Vorrichtung (42), die die Phase der Datenbitausgabe des Verstärkers mit einer Referenz vergleicht, um die Datenbits selektiv zu den verschiedenen Kanälen zu leiten.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25 mit einer Kopplungsvorrichtung (41), die die Bitströme der Quellen (13, 14) mischt und den gemischten resultierenden Strom auf einem ersten Weg (39) zum Verstärker und auf einem zwei ten Weg (40) zur phasensensitiven Vorrichtung (42) einspeist.

27. Verwendung einer optischen Modulationsvorrichtung mit einem optischen Halbleiterverstärker, der eine optische Weglänge aufweist, die sich von einem Eingang (3) über einen optischen Verstärkungsbereich (1) zu einem Ausgang (4) erstreckt, dessen Breite (W) im wesentlichen konstant ist und entlang der Länge weniger als 50 mm beträgt, mit einer ersten und einer zweiten Quelle, die verschiedene optische Strahlungen in den Verstärker einstrahlen und eine verstärkte optische Ausgabe in Abhängigkeit der optischen Strahlung der ersten und zweiten Quellen erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des Weges durch den Bereich größer als 1 mm ist.

28. Verwendung einer optischen Modulationsvorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Verstärker mit übersprechender Verstärkungsmodulation oder übersprechender Phasenmodulation oder einer Mischung von vier Wellenlängen arbeitet.

29. Optische Halbleiterverstärkungsvorrichtung A1 mit einer optischen Weglänge, die sich von einem Eingang (3) zum Ausgang (4) über einen optischen Verstärkungsbereich (1) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des Weges über den Bereich größer als 3 mm ist und die Breite (W) im wesentlichen konstant ist und über den Verstärkungsbereich weniger als 50 um beträgt.

30. Ein Mach-Zehnder-Interferometer mit wenigstens einer Verstärkungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24.