DE69727445T2 - Mach-Zehnder optischer Modulator mit einstellbarem Chirp und Verfahren zur Erzeugung einstellbaren Chirps - Google Patents

Mach-Zehnder optischer Modulator mit einstellbarem Chirp und Verfahren zur Erzeugung einstellbaren Chirps Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasenmodulator mit eingebauter Phasenverschiebung, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine solche Einrichtung mit getrennten Steuermitteln zur Erzeugung eines modulierten optischen Signals, das entweder einen positiven oder einen negativen Frequenzchirp hat und ein hohes Extinktionsverhältnis für eine hochqualitative Übertragung, entweder über eine dispersions-verschobene Faser oder eine nicht-dispersions-verschobene Faser, aufweist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Der stetig ansteigende Bedarf für höhere Transmissions-Kapazitäten in Kommunikations-Netzwerken mit vertretbaren Kosten, erfordert die optimale Ausnutzung der optischen Faserübertragungs-Verbindungen. Eine Konsequenz war die Übernahme von Mehrfachwellenlängen zwischen 1,52 μm und 1,56 μm, um den Vorteil niedriger Faserverluste und die Bandbreiten-Kapazität von durch Erbium dotierten Faserverstärkern (EDFA) ausnutzen zu können. Leider ist die chromatische Dispersion herkömmlicher Einmodefasern in diesen EDFA-Bandbreiten höher als bei der früher benutzten Wellenlänge von 1,31 μm. Diese Dispersion resultiert aus einer frequenzabhängigen Gruppengeschwindigkeit und beträgt im typischen Fall 17 ps/nm·km für eine nicht-dispersions-verschobene Einmodefaser, bei einer Wellenlänge von 1,55 μm und –3,75 ps/nm·km für dispersions-verschobene Einmodefasern bei einer Wellenlänge von 1,53 μm.
  • Halbleiter-Laser und insbesondere Laser, die aus ausgewählten III–V Verbindungen hergestellt sind, wie beispielsweise In-GaAsP/InP, können so ausgebildet werden, dass ein optisches Signal mit der geeigneten Wellenlänge erzeugt wird. Modulierte Laser haben jedoch eine spektrale Ausbreitung, teilweise infolge einer Wellenlängen-Verschiebung oder einem Chirp, der durch die Modulation zustande kam. Die Impulsverbreiterung ist ein Ergebnis der Wellenlängen-Verschiebung nach kürzeren Wellenlängen hin (Blauverschiebung) an der Anstiegskante des Modulationsimpulses und einer Wellenlängen-Verschiebung nach Längeren Wellenlängen (Rotverschiebung) an der Nachlaufkante des Impulses. Dies ist als positiver Frequenzchirp bekannt. Bei Ausbreitung durch eine nicht-dispersions-verschobene Faser wird ein Impuls mit positivem Frequenzchirp ausgebreitet, weil sich die Vorlaufkante schneller bewegt und die Nachlaufkante sich langsamer bewegt. Der Frequenzchirp kann für direkt-modulierte Laser sehr groß sein und infolgedessen ist die Entfernung zwischen Verstärkern in einem optischen Fasernetzwerk, das mit hoher Geschwindigkeit betrieben wird und solche Einrichtungen als Sender benutzt, notwendigerweise gering.
  • Unter Benutzung der gegenwärtigen Technologie sind direkt-modulierte 1,55 μm Laser mit Multi-Quantum-Wells in der Lage, Daten mit Geschwindigkeiten von 2,5 Gb/s innerhalb eines Verstärkerbereichs von 80 km zu übertragen. Der Dispersions-Mehraufwand bei dieser Wellenlänge ist jedoch für praktische lange Übertragungswege, entweder über eine nicht-dispersions-verschobene Faser oder eine dispersions-verschobene Faser, bei 10 Gb/s zu groß.
  • Eine Alternative für direkt-modulierte Laser stellt ein elektro-optischer Modulator dar, der in Verbindung mit einem Dauer-Laser die Möglichkeit eines modulierten Signals mit einstellbarem Chirp ermöglicht.
  • Ein elektro-optischer Modulator von besonderem Interesse ist der Mach-Zehnder-Phasen-Modulator, der als Interferometer arbeitet. Bekannte Mach-Zehnder-Modulatoren werden gewöhnlich aus Lithiumniobat (LiNbO3) mit Titan (Ti) diffundierten Wellenleitern hergestellt. Die Frequenzchirp-Charakteristiken von solchen Einrichtungen wurden studiert und in der Literatur berichtet. Okiyama et al („10 Gb/s Transmission in Large Dispersion Fiber Using Ti : LiNbO3 Mach-Zehnder-Modulator", Conf. Integrated Optics and Optical Fiber Communication, Kobe, Japan, 1989) berichtet, dass Mach-Zehnder-Modulatoren einen Dauer-Laser mit einer Bit-Rate von bis zu 10 Gb/s modulieren können, obgleich ein Frequenzchirp festgestellt wurde.
  • Korotky et al („High Speed Low Power Optical Modulator with Adjustable Chirp Parameters", Topical Meeting of Integrated Photonics Research, Monterey, Ca., 1991) berichten, dass der Chirp eines LiNbO3-Modulators dadurch gesteuert werden kann, dass die Modulationsspannung zugeschnitten wird, die den Elektroden zugeführt wird. Korotky et al haben gefunden, dass der Modulator im wesentlichen „chirplos" gemacht werden kann, obgleich eine solche Bedingung nicht notwendigerweise ideal wäre, und dass ein gewisses „Vor-Chirp" für Hochgeschwindigkeits-Weitübertragungen vorteilhaft sein könnte.
  • Gnauck et al („Dispersion Penalty Reduction using an Optical Modulator with Adjustable Chirp", Photonics Tech. Lett., Bd. 3, S. 916–918, 1991) beschreibt einen Ti : LiNbO3 Mach-Zehnder-Modulator, der „chirplos" oder mit einem negativen Chirp betrieben werden kann. Es wird berichtet, dass leicht negative Werte des Frequenzchirp benutzt werden könnten, um eine Impulsverbreiterung zu vermindern und dadurch der Mehraufwand für Übertragungen über eine nicht-dispersions-verschobene Faser verringert wird.
  • Kürzlich sind Mach-Zehnder-Modulatoren in III–V Materialien, beispielsweise InP mit Multi-Quantum-Wells von InP/InGaAsP in geführten Bereichen hergestellt worden. Eine solche Einrichtung wird von Rolland et al beschrieben („10 Gb/s 120 km Normal Fiber Transmission Experiment Using a 1,56 μm Multi-Quantum-Well InP/InGaAsP Mach-Zehnder-Modulator", Conf. Optical Fiber Communication, San Jose, Ca. 1993), wobei eine gewisse Frequenzchirp-Regelung möglich ist.
  • Ein Mach-Zehnder-Phasen-Modulator basiert auf einer interferometrischen Konfiguration, bei der die Phasenmodulation in eine Intensitätsmodulation umgewandelt wird. Wenn die Differenz-Phasen-Verschiebung zwischen den beiden Armen des Modulators ±π erreicht, dann wird der antisymmetrische Modus in der Nähe des Ausgangs erzeugt und wird im wesentlichen aus einem Ein-Moden-Wellenleiter gebrochen. Dies ist der „Aus"- oder der logisch „0"-Status. Bei keiner differentiellen Phasenverschiebung wird der Grundmodus erregt und schreitet mit geringem Verlust nach dem Ausgang fort. Dies ist der „An"- oder logisch „1"-Zustand. Die Möglichkeit der Einstellung des Frequenzchirp von Mach- Zehnder-Modulatoren durch Veränderung der Steuerspannung an den Armen oder durch ein Leistungsaufspalt-Verhältnis hat diese gut geeignet gemacht zur Mehrfach-Gigabit-Weitübertragung über optische Fasern.
  • Die Steuerspannung, die die Differenz-Phasen-Verschiebung einstellt, wird üblicherweise einem Arm (Einzelarmsteuerung) oder beiden Armen (Doppelarmsteuerung) zugeführt. Diese Beziehung wird weiter unten im einzelnen beschrieben. In jedem Fall erfordern Einarmsteuer-Bedingungen eine größere Betriebsspannung als eine Doppelarmsteuerung, wobei die Doppelarmsteuerung mit gleicher Gegentaktspannung für einen LiNbO3-Modulator im wesentlichen ein Null-Chirp liefert.
  • Ein beträchtlicher Unterschied zwischen einem III–V Mach-Zehnder-Modulator und einem LiNbO3 Mach-Zehnder besteht darin, dass der erstere die Absorption mit der Spannung vergrößert, die an die Arme angelegt wird, während eine Absorption im letzteren Fall nicht vorhanden ist. Der Betrag der Absorption in der III–V Einrichtung hängt davon ab, wie nahe die Betriebs-Wellenlänge an der Erregerspitze des Multi-Quantum-Well-Materials liegt. Ein weiterer Unterschied zwischen einem LiNbO3 Mach-Zehnder und einer III–V Einrichtung mit einem MQW besteht darin, dass letztere eine nicht-lineare Phasenänderung als Funktion der Vorspannung zeigt. Die nicht-lineare Phasenänderung wird vorteilhafterweise bei der vorliegenden Erfindung benutzt, während der Nachteil der Absorption minimiert wird.
  • Weil der Mach-Zehnder-Modulator die Phasenmodulation in eine Intensitätsmodulation umwandelt, ist es wichtig, dass das Verhältnis zwischen dem „Ein"-Zustand und dem „Aus"-Zustand relativ hoch ist. Dieses Verhältnis, das auch als Extinktionsverhältnis (ER) bezeichnet wird, ist ein Maß für die Signalintensität in Abhängigkeit vom Hintergrundrauschen. Infolgedessen ermöglicht ein hohes Extinktions-Verhältnis auch einen größeren Bereich zwischen Verstärkern in einem Übertragungsnetz.
  • Wie oben angegeben beeinträchtigt ein positiver Frequenzchirp eine Wellübertragung über eine dispersionslos verschobene Faser. In solchen Situationen ist es vorteilhaft, den negativen Chirp, der durch die optische Modulation erzeugt wird, zu steuern. Gewisse Übertragungsnetze benutzen dispersions-verschobene oder dispersions-kompensierte optische Fasern, bei denen ein negativer Chirp nicht erforderlich ist, und tatsächlich kann es zweckmäßiger sein, Datenimpulse mit einem geringen positiven Chirp zu versehen. Daher besteht ein Bedarf nach einem optischen Modulator, der in der Lage ist, selektiv sowohl einen positiven Chirp als auch ein negativen Chirp zu erzeugen.
  • In der laufenden US-Patentanmeldung Serial-No. 08/612,555, die am 8. März 1996 angemeldet wurde, und nunmehr unter der Nummer 5 695 504 erteilt ist, wird ein optischer Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Modulator beschrieben, der unterschiedliche optische Längen zwischen den jeweiligen Pfaden besitzt. Es kann eine Modulationsspannung nur an einen Arm oder an beide Arme in Gegentakt-Anordnung angelegt werden, wie dies in Spalte 5 und 6 dieser Patentschrift beschrieben ist. Bei der früheren Anmeldung haben die optischen Pfade eine Längendifferenz gleich π oder einem integralen ungeradzahligen Vielfachen hiervon, bei der gewählten freien Betriebs-Wellenlänge. Diese Differenz in der optischen Pfadlänge bedeutet, dass das Interferometer im „Aus"-Zustand oder logisch „0"-Zustand beim Fehlen eines elektrischen Feldes befindlich ist, und ein „An"- oder logisch „1"-Zustand vorhanden ist, bei Anlegen eines elektrischen Feldes. Dies führt zu einem negativen Chirp mit gutem Extinktions-Verhältnis, wie im einzelnen in der erwähnten Anmeldung beschrieben ist.
  • Ein Artikel mit der Bezeichnung „Phase engineered II–V MQW Mach-Zehnder-Modulators", von Juri Yu et al, IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 8 (Nr. 8) S. 1018–1020, August 1966, beschreibt ebenfalls einen Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Modulator zur Erzeugung von einem negativen Frequenzchirp mit einem asymmetrischen Eingangs- und einem Ausgangs-γ-Verbindungs-Wellenleiterkoppler, der durch interferometrische Arme ungleichförmiger Länge verbunden ist, um eine π Phasenverschiebung bei einer Null-Vorspannung zwischen den beiden Armen zu liefern.
  • Wie oben erwähnt, ist ein negativer Chirp vorteilhaft zur Datenübertragung über dispersions-frei verschobene optische Fasern. Der Anteil des negativen Chirp ist jedoch wichtig, da zu viel einen ungünstigen Einfluß auf die Impulsfolge ausübt.
  • Die vorliegende Erfindung benutzt die Phasenverschiebung durch die optische Phasenlänge, wie dies in der früheren Anmeldung beschrieben ist, und fügt Mittel bei, um weiter die Phase durch ein elektrisches Feld einzustellen, wodurch ein konfigurabler Chirp erhalten wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen optischen Multi-Quantum-Well-(MQW)-Mach-Zehnder-(MZ)-Modulator zu schaffen, der in der Lage ist, selektiv entweder einen positiven oder einen negativen Frequenzchirp zu erzeugen.
  • Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen MQW MZ zu schaffen, der entweder positiven oder negativen Chirp erzeugt, mit nur einer einzigen zusätzlichen Steuerelektrode.
  • Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, einen MQW MZ Phasen-Modulator zu schaffen, bei dem kontinuierlich ein einstellbarer Frequenzchirp von einem negativen Chirp bis zu einem positiven Chirp mit zwei zusätzlichen Elektroden erzeugt werden kann.
  • Daher betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt einen Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasen-Modulator zum selektiven Erzeugen von positivem und negativem Frequenzchirp in einem optischen Signal mit einer bekannten Freiraum-Wellenlänge. Der Modulator weist die folgenden Teile auf: einen asymmetrischen Eingangs-γ-Übergang-Wellenleiter-Koppler mit einem Eingangs-Wellenleiter zum Empfang des optischen Signals und mit einem ersten und einem zweiten Eingangs-Wellenleiter-Zweig und einem asymmetrischen Ausgangs-γ-Übergangs-Wellenleiter-Koppler, der einen Ausgangs-Wellenleiter aufweist, um das modulierte optische Signal auszusenden und mit einem ersten und einem zweiten Ausgangs-Wellenleiter-Zweig. Der Modulator weist außerdem einen ersten interferometrischen Arm zwischen ersten Wellenleiter-Zweigen der genannten Ein- und Ausgangs-γ-Übergangskoppler auf, der einen ersten optischen Pfad definiert. Außerdem ist ein zweiter interferometrischer Arm zwischen zweiten Wellenleiter- Zweigen der genannten Ein- und Ausgangs-γ-Übergangskoppler vorgesehen, der einen zweiten optischen Pfad definiert, wobei eine der genannten Pfadlängen um einen Betrag größer ist als die andere, der eine erste Phasendifferenz von π oder ein integrales, ungeradzahliges Vielfaches von π bei der bekannten Wellenlänge und Null-Vorspannung erzeugt. Es sind Elektroden auf dem ersten und zweiten interferometrischen Arm vorgesehen, um ein elektrisches Feld anzulegen, um die wirksame Phasendifferenz zwischen den genannten Armen zu modulieren. Auf einem der Arme ist eine Steuerelektrode angeordnet, um selektiv ein elektrisches Steuerfeld anzulegen, und um die Phasendifferenz zwischen den genannten Armen zu modulieren. Wenn kein elektrisches Feld an der Steuerelektrode angelegt ist, dann wird ein negativer Frequenzchirp erzeugt und wenn ein elektrisches Feld an dem Arm angelegt wird, das gleich ist dem Feld, welches zur Erzeugung einer Phasendifferenz von π, oder einem integralen ungeradzahligen Vielfachen von π, erforderlich ist, dann wird ein positiver Frequenzchirp erzeugt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung beträgt die feste Phasendifferenz, die durch die Längendifferenz zwischen den beiden interferometrischen Armen erzeugt wird, π/2. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Steuerelektrode an jedem der interferometrischen Arme angebracht, um ein elektrisches Steuerfeld zu empfangen. Das Steuerfeld ist derart, dass eine weitere Phasendifferenz von π/2 selektiv an den einen oder anderen interferometrischen Arm angelegt wird, was entweder zu keiner Phasendifferenz oder einer selektiven Phasendifferenz von π führt. So wird entweder ein positiver oder negativer Frequenzchirp durch den Phasenmodulator erzeugt, je nachdem an welchen Arm das elektrische Steuerfeld angelegt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur selektiven Erzeugung von positiven und negativen Frequenzchirp in einem optischen Signal einer bekannten Freiraum-Wellenlänge, welches Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Koppeln des optischen Signals an einen Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasen-Modulator, der einen asymmetrischen Eingangs-γ-Verbindungskoppler und einen asymmetrischen Ausgangs-γ-Verbindungskoppler mit ersten und zweiten interferometrischen Armen dazwischen aufweist, die einen ersten und einen zweiten optischen Pfad definieren, von denen einer um einen Betrag länger ist als der andere, so dass eine feste Phasendifferenz von π oder einem integralen ungeradzahligen Vielfachen von π bei der bekannten Wellenlänge und Null-Vorspannung erzeugt wird; wobei eine erste und eine zweite Elektrode an den jeweiligen Armen vorgesehen sind, um ein elektrisches Vorspann- und Modulations-Feld zu empfangen, um eine wirksame Phasendifferenz zwischen den jeweiligen Armen einzustellen, und es ist eine Steuerelektrode an einem der Arme angeordnet; (b) es wird ein elektrisches Feld an jede der genannten ersten und zweiten Elektroden in einer gleichen Gegentaktbeziehung angelegt, wobei die Größe des elektrischen Feldes so gewählt wird, dass die genannte Phasendifferenz von π oder einem integralen ungeradzahligen Vielfachen von π erzeugt wird; und (c) es wird selektiv ein elektrisches Feld an die genannte Steuerelektrode derart angelegt, dass ein negativer Frequenzchirp ohne elektrisches Feld und ein positiver Frequenzchirp mit einem elektrischen Feld erzeugt wird, wobei ein elektrisches Feld, welches gleich dem Vorspann- und Modulationsfeld ist, das zum Erzeugen der genannten Phasendifferenz von π oder einem genannten integralen ungeradzahligen Vielfachen von π benötigt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Phasendifferenz, die durch die Längendifferenz zwischen den interferometrischen Armen erzeugt wird, so gewählt, dass sie π/2 wird. Gemäß diesem Aspekt besitzt jeder der Arme eine Steuerelektrode, und es wird ein elektrisches Steuerfeld, das gleich ist dem Feld, das zur Erzeugung einer wirksamen Phasendifferenz von π/2 erforderlich ist, selektiv an jeden Arm angelegt, wodurch ein elektrisches Steuerfeld an dem einen Arm einen negativen Frequenzchirp und ein elektrisches Steuerfeld an dem anderen Arm einen positiven Frequenzchirp erzeugt.
  • Eine selektive Einstellung des Steuerfeldes an den jeweiligen Armen kann zu einer kontinuierlichen Frequenzchirp-Einstellung von einem positiven nach einem negativen Wert führen, wodurch ein voll konfigurierbarer Chirp-Modulator geschaffen wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigen:
  • 1A veranschaulicht graphisch die Beziehung der Vorspann-Spannung an jedem Arm eines herkömmlichen MQW Mach-Zehnder-Phasenmodulators mit geeigneten optischen Leistungsverhältnissen zwischen den beiden interferometrischen Armen, um einen positiven Chirp zu erzeugen;
  • 1B veranschaulicht die Gegentaktmodulation und die Vorspannungsbeziehung für den Modulator gemäß 1A, zur Erzeugung eines negativen Chirp;
  • 2A veranschaulicht graphisch die Gegentakt-Modulation und die Vorspannungsbeziehung, die erforderlich ist, um einen negativen Chirp in einem MZ-Modulator zu erzeugen, der eine π Phasenverschiebung besitzt, die durch eine Differenz in der Armlänge erzeugt wurde;
  • 2B veranschaulicht die Gegentaktmodulation und die Vorspannungs-Bedingungen, die erforderlich sind, um in dem Modulator gemäß 2A einen positiven Chirp zu erzeugen;
  • 3 ist eine Grundrißansicht des MZ-Interferometers gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4A veranschaulicht die Gegentaktmodulation und die Vorspannungs- und Steuerspannungs-Beziehung für einen positiven Chirp in einem MZ-Modulator, der eine eingebaute π Phasenverschiebung hat;
  • 4B veranschaulicht graphisch die Gegentakt-Modulation und die Vorspannungs- und Steuerspannungs-Beziehung zur Erzeugung eines negativen Chirps in dem Modulator gemäß 4A;
  • 5 ist eine Simulation der Empfänger-Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Faser-Dispersion für unterschiedliche optische Leistungs-Spalt-Beziehungen und einem Vergleich mit individuellen positiven oder negativen Chirp-Einrichtungen;
  • 6 ist eine Messung des Frequenzchirp für einen Modulator für einen um π verschobenen, konfigurablen Chirp-MZ-Modulator;
  • 7A veranschaulicht graphisch die Gegentakt-Modulation und die Vorspannung und die Steuerspannung zur Erzeugung eines maximierten negativen Chirps in einem um π verschobenen MZ-Modulator;
  • 7B veranschaulicht graphisch die Beziehung, die eine π/2 Steuerspannung benutzt, um einen mittleren Wert eines positiven Chirp in einem um π verschobenen MZ-Modulator zu erzeugen;
  • 8A veranschaulicht graphisch die Gegentakt-Modulation und die Vorspannungs- und Steuerspannungs-Beziehung zur Erzeugung eines maximierten positiven Chirp in einem um π/2 phasenverschobenen MZ-Modulator;
  • 8B veranschaulicht graphisch die Gegentakt-Modulation und die Vorspannungs- und Steuerspannungs-Beziehung zur Erzeugung eines maximierten negativen Chirp im Modulator gemäß 8A; und
  • 9A und 9B veranschaulichen graphisch die Gegentakt-Modulation und die Vorspannungs- und Steuerspannungs-Beziehung zur Erzeugung eines kontinuierlich variablen Chirp in einem um π/2 phasenverschobenen MZ-Modulator.
  • Einzel-Beschreibung der Erfindung
  • Ein höchst erwünschtes Merkmal eines externen Lichtmodulators besteht in der Möglichkeit ein Signal mit einem einstellbaren Frequenzchirp zu erzeugen. Mach-Zehnder-(MZ)-III-V-Multi-Quantum-Well-(MQW)-Modulatoren werden daher zunehmend attraktiv gegenüber anderen Modulator-Ausbildungen, weil sie einen einstellbaren Frequenzchirp haben, eine niedrige Treiberspannung benötigen, kleine Abmessungen besitzen und eine langzeitige Betriebssicherheit und die Möglichkeit der Integration mit Laserquellen haben. Bei III-V-MQW-MZ-Modulatoren, wo die beiden Arme des Interferometers gleiche Länge haben und das Leistungs-Aufspaltverhältnis 50% beträgt, bewirkt leider der nicht-lineare elektrooptische Effekt einen geringen positiven Chirp, unter symmetrischen Gegentaktbedingungen. Ein negativer Chirp kann eingeführt werden, indem die γ-Verbindung so ausgebildet wird, dass eine geringere optische Leistung in den tiefer vorgespannten Modulator-Arm injiziert wird, und indem ein kleiner Anteil einer Übersteuerung vorgenommen wird, wobei das Rücken-an-Rücken-Extinktionsverhältnis verschlechtert wird. Dies ist im einzelnen in der laufenden US-Patentanmeldung Serial Number 08/450,841, angemeldet am 25. Mai 1995, von Rolland et al beschrieben, und der Inhalt dieser Anmeldung wird hiermit unter Bezugnahme eingeführt.
  • Die US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/612,555 von Yu et al, die am 8. März 1996 angemeldet wurde, beschreibt einen InP/InGaAsP MQW-Mach-Zehnder-Modulatur mit einer Struktur, die im wesentlichen identisch jener ist, wie sie in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/450,841 beschrieben ist, lediglich mit dem Unterschied, dass der optische Pfad durch einen Modulatorarm verlängert ist, um die erforderliche relative π Phasenverschiebung bei λ = 1,56 μm Betriebswellenlänge zu erzeugen. Die zusätzliche Wellenlänge wird in Ausdrücken des modalen Brechnungsindexes neff gegeben durch
  • Figure 00120001
  • In entsprechender Weise erfordert ein um π/2 phasenverschobener MZ bei λ = 1,56 μm, dass die zusätzliche Länge in einem Arm 0,12 μm wird.
  • Bei einem Halbleiter-Phasenmodulator erscheint die größere Phasenänderung bei einer Gegentaktkonfiguration in dem tiefer durch Gleichspannung vorgespannten Arm, wegen der nicht-linearen Natur des auf die Menge beschränkten Stark-Effektes. Außerdem kann bei einem Monomode-Wellenleiter das gesamte optische Feld am Ausgang des Modulators in einer ersten Annäherung als gewichtete Summation des optischen Feldes von den zwei getrennten Armen angesehen werden. Die Gewichtfaktoren hängen von dem Leistungs-Aufspaltverhältnis der beiden γ-Verbindungen und von der Photoabsorption im Modulationsabschnitt ab.
  • 1A veranschaulicht die Gegentakt-Treiberbedingungen zur Erlangung eines positiven Chirp in einem herkömmlichen III–V MQW MZ-Modulator (das heißt bei gleicher Armlänge). Die im Gegentakt betriebene Einrichtung wird aus dem „Aus"-Zustand in einen „Ein"-Zustand geschaltet. Die Einrichtung erreicht den „Ein"- oder den „Push"-Zustand, wenn beide Arme bei V = Vπ/2 gleich vorgespannt sind. Die Phase des optischen Feldes im Arm 1 fällt daher ab, wenn die Einrichtung von einem „Aus"-Zustand in einen „Ein"-Zustand geschaltet wird, so dass die Änderung in der Frequenz Δυ1 > 0 und infolgedessen das optische Feld in Richtung Blau verschoben wird. Aus den gleichen Gründen wird bei Δυ0 < 0 das optische Feld im Arm 0 nach Rot verschoben. Bei gleichem Gegentakt-Spannungsbetrieb wird |Δυ1| > |Δυ0| infolge der Nicht-Linearität des elektrooptischen Effekts. Um die größere Lichtabsorption in dem tiefer vorgespannten Arm 1 zu kompensieren, spaltet die γ-Verbindung mehr Leistung in den Arm 1 ab, wodurch nicht nur das Extinktions-Verhältnis erhöht, sondern auch die Blau-Verschiebung im Vorlaufrand des optischen Impulses maximiert wird.
  • 1B veranschaulicht die Vorspannungs-Beziehung bei einer Situation, in der der Arm 1 die größere optische Leistung hat, aber von Null auf Vπ/2 vorgespannt ist. Dies erzeugt einen negativen Chirp, wenn auch von schlechter Qualität. Auch ist das Extinktions-Verhältnis niedrig.
  • 2A veranschaulicht die Beziehung für beide Arme in einem um π phasenverschobenen III–V-MQW-MZ-Modulator, wie dieser in der erwähnten US-Anmeldung 08/612,555 beschrieben ist. Die Einrichtung wird angeschaltet, wenn beide Arme den Zug-Zustand erreichen. Die Phase des optischen Felds im Arm 1 wird demgemäß vermindert, wenn die Einrichtung vom „Aus"-Zustand in den „Ein"-Zustand geschaltet wird, so dass Δυ1 < 0, und es erfolgt eine Rot-Verschiebung des optischen Felds im Arm 1. Gleichzeitig wird Δυ0 > 0 und das optische Feld wird im Arm 0 nach Blau verschoben. Da nunmehr |Δυ1| > |Δυ0|, infolge der Nicht-Linearität des elektrooptischen Effekts, wird die Vorlaufkante des optischen Impulses nach Rot verschoben. Obgleich ein derartiger π phasenverschobener Modulator theoretisch ein unendliches Extinktionsverhältnis für eine symmetrische γ-Verbindung aufweist, muß in der Praxis, um einen genügenden negativen Frequenzchirp zu erzeugen, etwas mehr Leistung in den Arm 1 eingeführt werden. Diese kleine Asymmetrie beeinträchtigt jedoch nicht merklich das Extinktionsverhältnis. Wie in 2A dargestellt, liegt die optische Leistung im Arm 1 in dem Bereich 1,2 bis 2,2 mal der optischen Leistung im Arm 0. Diese asymmetrische Leistungsaufspaltung kann erreicht werden, durch Wellenleiter-Koppler mit asymmetrischer Eingangs- und Ausgangs-γ-Verbindung.
  • 2B zeigt die Gegentakt-Treiberbedingung, die notwendig ist, um einen positiven Chirp bei einem um π phasenverschobenen MZ-Modulator zu erzeugen. Bei dieser Ausbildung wird der Arm mit der größeren optischen Leistung, nämlich der Arm 1, von V = Vπ/2 bis 0 angetrieben, während der Arm 0 von Vπ/2 nach Vπ betrieben wird. Obgleich dies immer noch ein gutes Extinktions-Verhältnis ergeben könnte, so ist doch der positive Chirp gering.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass 1A einen guten positiven Chirp und ein gutes Extinktions-Verhältnis zeigt, während 2A einen guten negativen Chirp und ein gutes Extinktions-Verhältnis wiedergibt. Die vorliegende Erfindung erlangt beide Ergebnisse in Verbindung mit einem einzigen Modulator.
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf 3 und die 4A und 4B beschrieben. 3 ist eine vereinfachte Ansicht, die die Struktur des Mach-Zehnder-Modulator zeigt. Die Einrichtung besteht aus einem III–V-Material, beispielsweise InP/InGaAsP, mit Multi-Quantum-Wells. Zur Beschreibung der Materialzusammensetzung wird auf die US-Patentanmeldung 08/612,555 Bezug genommen, die oben erwähnt wurde. Obgleich dies nicht direkt aus 3 ersichtlich ist, muß darauf hingewiesen werden, dass die optische Pfadlänge durch den Arm 1 des Interferometers länger ist, als die Pfadlänge durch den Arm 0, und zwar unterschiedlich um einen Abstand der äquivalent π, oder einem integralen ungeradzahligen Vielfachen hiervon, bei der Betriebs-Freiraum-Wellenlänge der Vorrichtung ist. Beispielsweise ist bei einer Betriebs-Wellenlänge von 1,56 μm die optische Pfadlänge durch den Arm 1 um 0,24 μm länger als durch den Arm 0, und zwar um eine π Phasenverschiebung. Wie in 3 dargestellt umfasst die Modulator-Struktur 18 asymmetrische Eingangs-γ-Verbindungs-Wellenleiter 22 und asymmetrische Ausgangs-γ-Verbindungs-Wellenleiter 20. Beide Arme 24, 26 sind optisch parallel und treffen die γ-Verbindungskoppler wie dargestellt.
  • Jeder Zweigarm 24, 26 besitzt zwei getrennte Kontaktkissen 28, 30 bzw. 32, 34. Die Kissen 28, 32 haben Verbindungszonen 36, 38 bzw. 44, 46 zum Anschluß an eine Leistungsquelle und Impedanzanschlüsse, wie dies auf diesem Gebiet üblich ist. Bei der Konfiguration nach 3 werden Vorspannung und Modulations-Spannung im Gegentakt den Kissen 28, 32 zugeführt, während das Kissen 34 zur Zuführung einer Steuer-Spannung dient, wie dies besser aus den 4A und 4B ersichtlich ist.
  • In den 4A und 4B ist der Arm 1 mit einer größeren optischen Leistung derart versehen, dass die optische Leistung des Arms 1 P1 = [1,8, 2,2] P0, wobei P0 die optische Leistung im Arm 0 ist. Es ist ersichtlich, dass die 4B die gleiche Beziehung wie jene gemäß 2A für ein gutes Extinktionsverhältnis (ER) und einen guten negativen Chirp zeigt.
  • Die Bedingungen, die in 4A dargestellt sind, können verglichen werden, mit den Bedingungen wie sie in 1A für ein gutes Extinktionsverhältnis ER und einen guten positiven Chirp dargestellt sind. In 4A wird eine Steuerspannung gleich Vπ dem Steuer-Spannungskissen 34 am Arm 0 über die Elektrode 48 zugeführt. Diese Steuerspannung versetzt in wirksamer Weise die Phasendifferenz, die durch die optische Pfadlängen-Differenz geschaffen wurde. Die Steuerspannung Vπ am Arm 0 führt im typischen Fall zu weniger als einer 2 dB Absorption, was eine weitere Verstärkung im System erfordern kann, um ungefähr 0,6 dB Einsatzverluste auszugleichen.
  • 5 ist eine graphische Darstellung, die die Empfindlichkeit als Funktion der Faser-Dispersion für unterschiedliche optische Leistungs-Verhältnisse zeigt. Die Werte, bei denen keine Steuerspannung (VC) aufgeführt ist, gelten für Bezugseinrichtungen. Die Graphiken, einschließlich VC, gelten für eine um π verschobene Einrichtung mit einer Vπ Steuerspannung, die dem Kissen 34 über die Elektrode 48 zugeführt wird, wie dies in 3 dargestellt ist, um einen guten positiven Chirp zu erhalten. Es ist ersichtlich, dass der konfigurable Chirp MZ gemäß der Erfindung das gleiche Übertragungsverhalten hat, wie zwei individuelle Modulatoren.
  • 6 ist eine Messung des Frequenzchirp für einen Modulator eines um π verschobenen konfigurablen Chirp Mach-Zehnder-Modulators gemäß der Erfindung.
  • Die 7A und 7B veranschaulichen ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall wird, wie aus 7A ersichtlich, keine Steuerspannung dem Steuerkissen zugeführt, und infolgedessen verhält sich die Vorrichtung wie in 4B dargestellt. In 7B wird jedoch eine Steuerspannung von V(π/2) dem Steuerkissen des Arms 0 zugeführt. Dadurch wird wirksam die Spannung am Arm 0 so angehoben, dass sie zwischen 0 und V(π/2) vorgespannt ist, das heißt das gleiche wie am Arm 1. Dieses Ausführungsbeispiel liefert ein gutes Extinktions-Verhältnis und einen positiven Chirp, der nicht ganz so gut ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 4A. Der Vorteil des Ausführungsbeispiels nach 7B besteht darin, dass ein etwas geringerer Einsatzverlust als bei 4A vorhanden ist.
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in den 8A und 8B veranschaulicht. In diesem Fall beträgt die der optischen Pfadlänge zwischen dem Arm 1 und dem Arm 0 nur π/2, was bei einer Betriebs-Wellenlänge von 1,56 μm 0,12 μm ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Interferometer mit Steuer-Spannungs-Kissen 30 und 32 an jedem Arm ausgestattet, wie in 3 dargestellt. Das dem Kissen 30 über die Elektrode 40 zugeführte elektrische Feld ist strichliert in 3 dargestellt. Dabei muß berücksichtigt werden, dass bei einem mit π verschobenen Modulator eine Steuerelektrode an nur einem Arm (dem Arm 0 in 3) erforderlich ist, während eine um π/2 verschobene eine Steuerelektrode auf jedem Arm erfordert. Die Steuerspannung ist so abgestimmt, dass die wirksame Phasendifferenz wie oben erwähnt zustande kommt. So wird bei einem positiven Chirp der Arm 0 mit einer Steuerspannung von V(π/2) gespeist, während keine Spannung an den Arm 1 angelegt wird. Für einen negativen Chirp wird der Arm 1 mit einer Steuerspannung von π/2 betrieben, und es wird keine Spannung an den Arm 0 angelegt. Bei einem positiven Chirp-Fall wirkt die Steuerspannung, äquivalent zu π/2 Phasenverschiebung, der Phasendifferenz entgegen. Bei der negativen Chirp-Bedingung wird die Steuerspannung, äquivalent zur π/2 Phasenverschiebung, der π/2 Phasendifferenz zugesetzt, die durch die Längendifferenz gleich einer π Phasenverschiebung eingeführt wurde.
  • Um den Chirp einstellbar zu machen, beispielsweise um einen weniger positiven Chirp als beim Modulator gemäß 8A zu erzeugen, ist es nur notwendig, die Steuerspannung am Arm 0 abzusenken, und die Vorspannung am Arm 1 abzusenken, bis der Modulator wie aus 9A ersichtlich betrieben wird. In gleicher Weise besitzt ein um π/2 verschobener Modulator, der gemäß 9B betrieben wird, einen geringeren negativen Chirp als der Modulator der gemäß 8B betrieben wird.
  • Als Abwandlung der um π/2 verschobenen Modulatorstruktur ist es möglich, sowohl einen positiven als auch einen negativen Chirp zu erzeugen, indem sowohl eine vorwärts als auch eine rückwärts vorgespannte Steuerspannung nur einem Kissen des Interferometers zugeführt wird.
  • Vorstehend wurden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht und beschrieben. Es ist jedoch für den Fachmann klar, dass zahlreiche Abwandlungen und Alternativen vorgenommen werden können. Der Schutzumfang der Erfindung soll nur durch die beiliegenden Ansprüche begrenzt werden.

Claims (9)

  1. Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasenmodulator zum selektiven Erzeugen von positivem und negativem Frequenzchirp in einem optischen Signal mit einer bekannten Freiraum-Wellenlänge, wobei der Modulator folgendes umfasst: einen Y-Übergang-Hohlleiterkoppler mit asymmetrischem Eingang mit einem Eingangshohlleiter (22) zum Empfangen des genannten optischen Signals und mit einem ersten und einem zweiten Eingangshohlleiterzweig; einen Y-Übergang-Hohlleiterkoppler (20) mit asymmetrischem Ausgang mit einem Ausgangshohlleiter zum Senden des genannten modulierten optischen Signals sowie mit einem ersten und einem zweiten Ausgangshohlleiterzweig; einen ersten interferometrischen Arm (24) zwischen ersten Hohlleiterzweigen der genannten Ein- und Ausgangs-Y-Übergangskoppler, der einen ersten Lichtweg definiert; einen zweiten interferometrischen Arm (26) zwischen zweiten Hohlleiterzweigen der genannten Ein- und Ausgangs-Y-Übergangskoppler, der einen zweiten Lichtweg definiert, wobei eine der genannten Weglängen um einen Betrag größer ist als die andere, der eine erste Phasendifferenz von π oder ein integrales ungeradzahliges Vielfaches von π bei der bekannten Wellenlänge und Null-Vorspannung erzeugt; Elektroden (28, 32) auf dem ersten und dem zweiten interferometrischen Arm zum Anlegen eines elektrischen Feldes zum Modulieren der wirksamen Phasendifferenz zwischen den genannten Armen; und eine Steuerelektrode (34) auf dem genannten ersten oder dem genannten zweiten Arm zum selektiven Anlegen eines elektrischen Steuerfeldes an den genannten einen Arm, um die Phasendifferenz zwischen den genannten Armen zu modulieren; so dass ohne elektrisches Feld an der genannten Steuerelektrode ein negativer Frequenzchirp erzeugt wird und mit einem elektrischen Steuerfeld an dem genannten einen Arm, das gleich der Spannung ist, die zum Erzeugen einer Phasendifferenz von π benötigt wird, oder ein ungeradzahliges Vielfaches von π, ein positiver Frequenzchirp erzeugt wird.
  2. Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasenmodulator nach Anspruch 1, wobei der Y-Übergangskoppler 22 mit asymmetrischem Eingang das in den Modulator eintretende optische Signal so teilt, dass in dem längeren Lichtweg mehr Lichtenergie zu dem interferometrischen Arm geführt wird.
  3. Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasenmodulator nach Anspruch 2, wobei das Verhältnis der optischen Teilung im Bereich 1 : 1,8 bis 1 : 2,2 liegt, so gewählt, dass Elektroabsorption der Multi-Quantum-Well kompensiert wird.
  4. Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasenmodulator nach Anspruch 3, wobei die Steuerelektrode auf dem interferometrischen Arm ist, dem die geringere Lichtenergie zugeführt wird.
  5. Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasenmodulator zum selektiven Erzeugen von positivem und negativem Frequenzchirp in einem optischen Signal einer bekannten Freiraum-Wellenlänge, der folgendes umfasst: einen Y-Übergang-Hohlleiterkoppler (22) mit asymmetrischem Eingang mit einem Eingangshohlleiter zum Empfangen des genannten optischen Signals sowie einer ersten und einer zweiten Eingangshohlleiterzweig-Steuerspannung; einen Y-Übergang-Hohlleiterkoppler (20) mit asymmetrischem Ausgang mit einem Ausgangshohlleiter zum Senden des genannten modulierten optischen Signals und einem ersten und einem zweiten Ausgangshohlleiterzweig; einen ersten interferometrischen Arm (24) zwischen ersten Hohlleiterzweigen der genannten Ein- und Ausgangs-Y-Übergangskoppler, der einen ersten Lichtweg definiert; einen zweiten interferometrischen Arm (26) zwischen zweiten Hohlleiterzweigen der genannten Ein- und Ausgangs-Y-Übergangskoppler, der einen zweiten Lichtweg definiert, wobei eine der genannten Weglängen um einen Betrag größer ist als die andere, der eine feste Phasendifferenz von π/2 an der bekannten Wellenlänge erzeugt; Elektroden an dem genannten ersten und dem genannten zweiten interferometrischen Arm zum Anlegen eines elektrischen Feldes zum Modulieren der wirksamen Phasendifferenz zwischen den genannten Armen; und eine Steuerelektrode auf dem genannten ersten und dem genannten zweiten Arm, zum selektiven Anlegen von elektrischen Steuerfeldern an jeden der genannten Arme, um die Phasendifferenz zwischen den genannten Armen zu modulieren; so dass ein elektrisches Feld zum Erzielen einer Phasendifferenz von π/2, das an die genannte Steuerelektrode an dem ersten Arm in Abwesenheit eines Feldes an der Elektrode am zweiten Arm angelegt wird, zu positivem Frequenzchirp führt, während ein gleiches elektrisches Feld, das an die Steuerelektrode am zweiten Arm angelegt wird, um eine Phasendifferenz von π/2 in Abwesenheit eines Feldes zur Elektrode am ersten Arm angelegt wird, zu negativem Frequenzchirp führt.
  6. Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasenmodulator nach Anspruch 5, wobei der Y-Übergangskoppler mit asymmetrischem Eingang das in den Modulator eintretende optische Signal so teilt, dass ein größerer Teil der Lichtenergie dem interferometrischen Arm in dem längeren Lichtweg zugeführt wird.
  7. Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasenmodulator nach Anspruch 6, wobei das Teilungsverhältnis von Lichtenergie im Bereich 1 : 2,2 bis 1 : 2,6 liegt, so gewählt, dass Elektroabsorption der Multi-Quantum-Well kompensiert wird.
  8. Verfahren zum selektiven Erzeugen von positivem und negativem Frequenzchirp in einem optischen Signal mit einer bekannten Freiraum-Wellenlänge, umfassend die folgenden Schritte: a) Koppeln des genannten optischen Signals mit einem Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasenmodulator mit einem Y-Übergangskoppler mit asymmetrischem Eingang und einem Y-Übergangskoppler mit asymmetrischen Ausgang, mit einem ersten und einem zweiten interferometrischen Arm dazwischen, die einen ersten und einen zweiten Lichtweg definieren, von denen einer um einen Betrag länger ist als der andere, so dass eine feste Phasendifferenz von π oder ein integrales ungeradzahliges Vielfaches von π an der genannten bekannten Wellenlänge und Null-Vorspannung entsteht; eine erste und eine zweite Elektrode an jeweiligen Armen zum Empfangen eines modulierenden elektrischen Feldes, um deren wirksame Phasendifferenz einzustellen; und eine Steuerelektrode an einem der genannten interferometrischen Arme; b) Zuführen eines elektrischen Feldes zu jeder der genannten ersten und zweiten Elektroden in einer gleichen Gegentaktbeziehung, wobei die Amplitude des genannten elektrischen Feldes so gewählt wird, dass die genannte Phasendifferenz von π oder ein integrales ungeradzahliges Vielfaches von π entsteht; und c) selektives Zuführen eines elektrischen Feldes zu der genannten Steuerelektrode, so dass ein negativer Frequenzchirp ohne elektrisches Feld und ein positiver Frequenzchirp mit einem elektrischen Feld erzeugt wird, das gleich dem genannten elektrischen Feld ist, das zum Erzeugen der genannten Phasendifferenz von π oder einem integralen ungeradzahligen Vielfachen von π benötigt wird.
  9. Verfahren zum selektiven Erzeugen von positivem und negativem Frequenzchirp in einem optischen Signal mit einer bekannten Freiraum-Wellenlänge, umfassend die folgenden Schritte: a) Koppeln des genannten optischen Signals mit einem Multi-Quantum-Well-Mach-Zehnder-Phasenmodulator mit einem Y-Übergangskoppler mit asymmetrischem Eingang und einem Y-Übergangskoppler mit asymmetrischen Ausgang, mit einem ersten und einem zweiten interferometrischen Arm dazwischen, die einen ersten und einen zweiten Lichtweg definieren, von denen einer um einen Betrag länger ist als der andere, so dass eine feste Phasendifferenz von π/2 an der genannten bekannten Wellenlänge und Null-Vorspannung entsteht; eine erste und eine zweite modulierende Elektrode an jeweiligen Armen zum Empfangen eines modulierenden elektrischen Feldes, um deren wirksame Phasendifferenz einzustellen; und eine erste und eine zweite Steuerelektrode an jeweiligen Armen; b) Zuführen eines elektrischen Feldes zu jeder der genannten ersten und zweiten modulierenden Elektroden in einer gleichen Gegentaktbeziehung, wobei die Amplitude des genannten elektrischen Feldes so gewählt wird, dass die genannte Phasendifferenz von π/2 entsteht; und c) selektives Zuführen eines elektrischen Feldes zu der einen oder der anderen der genannten Steuerelektroden, so dass ein Feld zu einer Steuerelektrode einen positiven Frequenzchirp und ein Feld zu der anderen Steuerelektrode einen negativen Frequenzchirp erzeugt.
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