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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft eine Lichtquelle zum Erzeugen oder Emittieren
von Licht, dessen Wellenlänge
etwa mittels elektrischer Signale gesteuert werden kann, insbesondere
eine Laservorrichtung, die abstimmbar ist, um Licht unterschiedlicher
Wellenlängen
zu emittieren, und auch ein Verfahren zum Erzeugen oder Emittieren
von Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
UND STAND DER TECHNICK
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Durch
ein Einführen
der Verwendung des Wellenlängenteilungs-Multiplexierens (WDM,
Wavelength Division Multiplexing) in optischen Faserkommunikationsnetzen
kann die Bandbreite derartiger Netze und dadurch die in diesen übertragene
Informationsmenge viel höher
als vorher ausgeführt
werden, ohne extrem hohe Übertragungsraten
zu verwenden. Die Information wird stattdessen auf einer Anzahl
paralleler Kanäle übertragen,
wovon jeder einen festgelegten, getrennten Wellenlängenbereich oder
ein Wellenlängenband
umfasst. Systeme werden gegenwärtig
eingeführt,
die 4 – 16
Kanäle
aufweisen, die eine Übertragungsrate
oder Bitrate von 2,5 Gbits/s pro Kanal aufweisen. Auf längere Sicht werden
sicherlich noch mehr Kanäle
verwendet werden. Somit ist es völlig
realistisch, eine Anzahl von 16 – 32 Kanälen zu verwenden, und in Laborsituationen sind
funktionierende Übertragungssystem,
die 128 Kanäle
verwenden, nachgewiesen worden. Ferner wird auf die gleiche Weise
mit Sicherheit auch die Bitrate pro Kanal beträchtlich erhöht werden, beispielsweise auf
10 Gbits/s. Noch höhere Übertragungsraten
sind in Laborsituationen verwendet worden, wie etwa Raten von 29,
30 und 40 Gbits/s, und sie werden vielleicht auch in der Zukunft
verwendet werden.
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Für jeden
Kanal und Wellenlängenbereich
einer Wellenlängenmultiplexierten Übertragung
muss eine separate Lichtquelle wie etwa ein geeigneter Halbleiterlaser
verwendet werden, wobei das Licht, das von dem Laser ausgegeben
wird, zusätzlich
in der Lage sein muss, moduliert zu werden, um einen Bitstrom zu
erhalten, der Nutzinformation befördert. Jedoch besteht eines
der Hauptprobleme darin, derartige Lasersender bereitzustellen,
da sie eine schmale optische Linienbreite aufweisen müssen, d.h.
einen kleinen Chirp aufweisen müssen.
Dies kann unter anderem durch Methoden erreicht werden, die eine
externe Modulation einführen,
d.h. derart, dass der Laser durch einen konstanten Strom getrieben
wird, und indem die Modulation mittels eines separaten Intensitätsmodulators
oder eines Intensitätsmodulators
ausgeführt
wird, der mit dem Laser integriert ist, beispielsweise vom Elektroabsorptionstyp.
Der Laser sollte entweder vom DFB-Typ sein, d.h. ein Laser, der
eine verteilte Rückkopplung
(distributed feedback) aufweist, oder vom DBR-Typ, d.h. ein Laser, der einen verteilten
Bragg-Reflektor aufweist, um sicherzustellen, dass dann, wenn der
Laser betrieben wird, nur ein longitudinaler elektromagnetischer
Mode lasert.
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Der
Wellenlängenbereich,
der gegenwärtig für ein Wellenlängenmultiplexieren
am interessantesten ist, umfasst den Bereich von ungefähr 1530 – 1560 nm.
Dies ist der Bereich, für
welchen gute Faserverstärker
verfügbar
sind, wie etwa Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA:s). In der Zukunft
kann begonnen werden, andere Wellenlängenbereiche zu verwenden,
wie etwa beispielsweise ungefähr
1300 nm.
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In
typischer Weise sind gegenwärtig
verwendete Lichtemittierende und -modulierende Vorrichtungen so
aufgebaut, dass Lasersender von z.B. dem DFB-Typ für unterschiedliche
Wellenlängen
hergestellt werden können,
bei welchen der jeweilige Lasersender für emittierendes Licht aktiviert werden kann.
Die Laser-Wellenlänge
eines derartigen DFB-Lasers
wird durch den aktiven Brechungsindex in der aktiven Schicht des
Lasers und die Teilung ("Pitch") des longitudinalen
Gitters, d.h. die Gitterperiode bestimmt. Ein derartiger Laser kann
durch ein Steuern der Temperatur des Lasers innerhalb eines Wellenlängenintervalls
von ungefähr
5 nm abgestimmt werden, da in dem typischen Fall die Wellenlänge um ungefähr 0,1 nm/K
variiert und da Halbleiterlaser nicht bei zu hohen Temperaturen
aufgrund eines Erhöhens
des Schwellenstroms und einer verringerten Ausgangsleistung des
emittierten Lichts beim Erhöhen
der Temperatur betrieben werden können. Dies bedeutet, dass Laser
in unterschiedlichen Wellenlängenklassen
hergestellt werden müssen, und
dass dann, wenn ein Sendergerät
zum Wellenlängenmultiplexieren
eingebaut wird, korrekte Komponenten ausgewählt werden müssen. Es
bedeutet auch, dass die emittierte Wellenlänge nicht auf einfache Weise
innerhalb eines größeren Wellenlängenbereichs
geändert
werden kann, d.h. eine Änderung auf
einen beliebigen Kanal kann nicht auf einfache Weise ausgeführt werden.
Möglicherweise
kann nur eine Änderung
von Kanälen
für Laser
ausgeführt werden,
die bei Wellenlängen
betrieben werden, die nahe beieinander liegen. Jedoch können derartige Kanaländerungen
von Interesse in flexiblen optischen Netzen sein, die optische Kreuzverbindungen (OXC)
und optische Multiplexer umfassen, die eine Hinzufügungs- und
Abfallfunktion (Add and Drop Function) (OADM, Optical Add/Drop Multiplexers) aufweisen.
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Unterschiedliche
Vorschläge
sind präsentiert worden,
um Laser bereitzustellen, die einen breiteren Bereich aufweisen,
bei dem die Wellenlänge
ausgewählt
werden kann. Diese Vorschläge
umfassen unterschiedliche Varianten von DBR-Lasern, bei welchen
das Reflexionsmaximum des Gitters durch ein Initiieren eines Stroms
oder durch ein lokales Erwärmen
des Wellenleiters, oder indem die Vorrichtung einem elektrostatischen
Feld unterworfen wird, versetzt werden kann. Ein Vorschlag basiert
auf dem Verfahren, dass ein DFB- Laser
in unterschiedliche Segmente geteilt wird, und der Strom in den
unterschiedlichen Segmenten variiert wird. Ein dritter Vorschlag
basiert auf dem Verfahren, dass die Laserqualität in unterschiedliche Unterkavitäten geteilt
wird, die etwas unterschiedliche Längen aufweisen, und eine Interferenz
zwischen den unterschiedlichen Kavitäten wird verwendet, um die
Wellenlänge
zu definieren, die zu emittieren ist, sogenannte Y-Laser oder C3-Laser. Ein Problem, das mit sämtlichen
dieser Typen einhergeht, besteht darin, dass der Abstimmmechanismus
relativ kompliziert ist, derart, dass er komplizierte Steueralgorithmen
erfordert, und dass sämtliche
Typen, die auf einer Strominjektion basiert sind, um den Brechungsindex
zu ändern,
potentiell an Problemen kranken, die mit der Zuverlässigkeit
der Vorrichtungen einhergehen.
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In
der veröffentlichen
europäischen
Patentanmeldung 0 735 635, die nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung
veröffentlicht
wurde, ist eine optische Halbleitervorrichtung offenbart, die zwei
Halbleiterlaserabschnitte einschließt, die in Reihe zueinander
angeordnet sind. Unterschiedliche Polarisationsmodi von Licht können in
dem Laser angeregt werden, indem die Abschnitte mit unterschiedlichen
Strömen
versorgt werden, und indem die Ströme geeignet ausgewählt werden,
kann die Vorrichtung dazu veranlasst werden, eine oder zwei Wellenlängen zu
emittieren. In der veröffentlichten
europäischen
Patentanmeldung 0 539 015 ist ein Halbleiterlaser zum koaxialen
Emittieren von Licht bei zwei oder mehreren unterschiedlichen Wellenlängen offenbart.
Der Laser weist Bereiche einer Trägerquantisierung wie etwa Quantentöpfe auf
und ist zwischen zumindest zwei unterschiedlichen Ausgangswellenlängen schaltbar.
Die Quantentöpfe
sind aufeinander in einer aktiven Schicht platziert.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Laservorrichtung bereitzustellen,
die abgestimmt werden kann, um Licht unterschiedlicher Wellenlängen innerhalb
eines nicht zu begrenzten Wellenlängenbereichs bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine abstimmbare Laservorrichtung
bereitzustellen, die eine zuverlässige
Funktion aufweist und die nicht zu empfindlich auf die Wahl der
Betriebsspannungen und Betriebsströme ist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine abstimmbare Laservorrichtung
bereitzustellen, die einen kompakten Aufbau aufweist und die auf eine
monolithisch integrierte Weise auf einer einzelnen Schaltungsplatine
aufgebaut werden kann, und die zusätzliche optische Komponenten
zum Betrieb nicht erfordert.
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Diese
und andere Aufgaben ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
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Das
Problem, das die Erfindung zu lösen
beabsichtigt, besteht somit darin, eine abstimmbare Laservorrichtung
bereitzustellen, die einen einfachen und zuverlässigen Aufbau und eine entsprechende Funktion
aufweist, und die auf einfache Weise gesteuert werden kann, um Licht
bei einer ausgewählten
Wellenlänge
innerhalb eines nicht zu begrenzten Wellenlängenbereichs zu emittieren.
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Die
Lösung
des oben präsentierten
Problems und auch anderer Probleme besteht darin, eine Anzahl unabhängiger Laser
bereitzustellen, die im Prinzip zueinander identisch sind und nebeneinander
in einer Zeilen- oder Reihenkonfiguration angeordnet sind. Die Laser
weisen unterschiedliche Emissionswellenlängen auf und können betrieben werden,
Licht unabhängig
voneinander zu emittieren. Die Lichtemissionsrichtungen sämtlicher
Laser stimmen im Wesentlichen miteinander überein, d.h., die Laser weisen
die gleiche Längsrichtung
auf. Ferner ist die Anordnung der Laser derart, dass Licht, das von
einem Laser in der Reihe emittiert wird, in einer Richtung zu und/oder
durch die anderen Laser und insbesondere die Laserkavitäten davon
laufen wird.
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Eine
derartige Laservorrichtung ist in vorteilhafter Weise mittels Halbleiterlasern
auf dem gleichen halbleitenden oder einem Substrat anderen Typs
aufgebaut. Verglichen mit einer abstimmbaren Laseranordnung, die
mehrere Laser umfasst, die Licht parallel zueinander und zur Seite
voneinander emittieren, ist in der Laservorrichtung, die hierin
beschrieben ist, ein optischer Koppler nicht erforderlich, was eine
beträchtliche
Vereinfachung von Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ist.
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Allgemein
ist die Laservorrichtung, wie sie hierin beschrieben ist, in ihrem
Aufbau somit robust und einfach. Sie kann auch einfach gesteuert
werden, da sie nur einen relativ einfachen Steueralgorithmus erfordert.
Bei der Auslegung einer Laservorrichtung auf der Grundlage von Halbleitern
können
die Emissionswellenlängen
des Lasers durch ein Steuern der Temperatur der Vorrichtung auf
die bekannte Weise fein eingestellt werden. Ferner erfordert die Vorrichtung
eine kleine Fläche
auf dem Substrat, die den Lasern gemeinsam ist, da kein Koppler
erforderlich ist. Die Herstellung der Laservorrichtung kann mittels
des gleichen bekannten Prozesses ausgeführt werden, der verwendet wird,
wenn DFB-Laser hergestellt werden.
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Allgemein
werden zum Emittieren von Licht einer Mehrzahl unterschiedlicher
Wellenlängen
somit die folgenden Schritte ausgeführt: Zunächst werden zumindest zwei
Laser bereitgestellt, die ausgelegt sind, Licht unterschiedlicher
Emissionswellenlängen zu
emittieren; die Lasereinheiten werden z.B. in einer Linie oder Reihe
platziert, so dass dann, wenn einer davon zum Emittieren von Laserlicht
vorgespannt ist, das Licht in Richtungen, allgemein in zwei entgegengesetzte
Richtungen, emittiert wird, wovon eine durch zumindest eine andere
Lasereinheit – laufen wird,
vorzugsweise sind sämtliche
Lasereinheiten so angeordnet, dass Licht, das von sämtlichen
der Lasereinheiten emittiert wird, die gleichen Richtungen aufweist;
nur eine, eine erste der Lasereinheiten wird dann vorgespannt oder
aktiviert, um Licht zu emittieren, wie etwa, indem sie mit geeigneten
elektrischen Treiberspannungen und Strömen versorgt wird; eine zweite,
unterschiedliche der Lasereinheiten, durch welche eine der Richtungen
des Lichts, das von der ersten Lasereinheit emittiert wird, läuft, wird
entweder vorgespannt für
das Licht, das von der ersten Lasereinheit emittiert wird, transparent
zu sein, d.h. das emittierte Licht durchzulassen, oder, das Licht,
das von der ersten Lasereinheit emittiert wird, zu absorbieren.
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Die
Lasereinheiten können
in zweite Lasereinheiten, die auf einer Seite der ersten Lasereinheit angeordnet
sind, und dritte Lasereinheiten, die auf einer gegenüberliegenden
Seite der ersten Lasereinheit angeordnet sind, geteilt werden, wobei
möglicherweise
derartige zweite und dritte Lasereinheiten nicht existieren, in
Abhängigkeit
von dem Ort der ersten Lasereinheit in der Linie oder Reihe der
Lasereinheiten, so dass eine Richtung des Lichts, das aus der ersten
Lasereinheit emittiert wird, durch sämtliche zweite Lasereinheiten
läuft,
und eine entgegengesetzte Richtung von Licht, das von der ersten
Lasereinheit emittiert wird, durch sämtliche dritte Lasereinheiten
läuft.
Sämtliche
der zweiten Laser können dann
vorgespannt werden, um transparent für das Licht zu sein, das von
der ersten Lasereinheit emittiert wird, und sämtliche der dritten Lasereinheiten können vorgespannt
sein, um das Licht, das von der ersten Lasereinheit emittiert wird,
zu absorbieren. Das Licht, das in einer der entgegengesetzten Richtungen
von der ersten Lasereinheit emittiert wird, kann somit immer durch
eine bestimmte geeignete Einrichtung wie etwa durch eine speziell
ausgelegte Absorptionseinheit absorbiert werden.
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Die
Temperatur der Lasereinheiten, insbesondere in dem Fall, wo sie
auf Halbleitern basiert sind, kann auf einen gewünschten Wert gesteuert werden,
um eine feine Einstellung der Emissionswellenlängen der Lasereinheiten zu
erzeugen. Das Licht, das durch ein Aktivieren der ersten Lasereinheit
emittiert wird, kann moduliert werden, um Informationsbits zu befördern.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun detaillierter vermöge der nicht-einschränkenden
Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen beschrieben werden.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
schematisches Bild eines Querschnitts einer Laservorrichtung, die
auf unterschiedliche Wellenlängen
abstimmbar ist und drei einzelne Laser und einen Modulator umfasst;
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2 ein
Diagramm der Leistung von Licht, das aus einem DFB-Laser ausgegeben
wird, als eine Funktion des elektrischen Stroms, der dorthin zugeführt wird;
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3 ein
Diagramm eines Auslöschungsverhältnisses
und einer Seitenmode-Unterdrückung als
eine Funktion einer Frequenz für
eine Laservorrichtung, die zwei einzelne Laser enthält; und
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4 ein
Diagramm einer Bitfehlerrate für eine Übertragung
einer Information in einer optischen Faser mittels einer Laservorrichtung,
die zwei einzelne Laser enthält.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist
ein Querschnitt einer abstimmbaren Laservorrichtung gezeigt, die
auf einer Halbleiterplatine aufgebaut ist, die ein n-dotiertes InP-Substrat 1 ist.
Die Laservorrichtung umfasst eine Mehrzahl von DFB-Lasern 3, 3', in dem veranschaulichten
Beispiel drei Laser, aber in der Praxis können zumindest bis zu zehn
einzelne Laser verwendet werden. Die Laser sind in einer Reihe und
nebeneinander angeordnet und sind mit 1, 2, 3 durchnummeriert
und weisen sämtlich
unterschiedliche Gitterperioden ihrer Gitter 5 auf. Jeder
Laser 3, 3' wird
grundsätzlich
unabhängig
von den anderen Lasern betrieben, so dass er veranlasst werden kann,
Laserlicht unabhängig von
den anderen Lasern zu emittieren, wenn ein geeigneter elektrischer
Strom dorthin zugeführt
wird. Die Gitterperioden der Laser werden auf eine geeignete Weise
gewählt,
so dass die Wellenlängen,
bei welchen die Laser Laserlicht emittieren, einen geeigneten oder
ausreichenden Unterschied zueinander aufweisen.
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Die
Wellenlängenseparation
zwischen den einzelnen Lasern 3, 3' und die Gitterkonstanten davon,
d.h. die Kopplungsstärke
der Gitter pro Einheitslänge,
müssen
auf eine derartige Weise gewählt
werden, dass das Stopp-Band, das der spektrale Bereich ist, innerhalb
welchem das Gitter Licht des Lasers reflektiert, nicht mit dem Stopp-Band
der anderen Laser überlappt.
Wenn dieser Zustand nicht erfüllt
ist, können
Probleme auftreten, die nicht-gewünscht parasitäre Reflexionen
betreffen. Die Spektralweite Δλ des Stopp-Bands,
die auch die optische 3 dB-Bandbreite des Gitters ist, ist ungefähr gegeben
durch: Δλ = kλ2/πn wobei
k die Kopplungsstärke
in dem Gitter ist, λ die Wellenlänge des
Lichts im Vakuum ist, und n der effektive Brechungsindex in dem
Wellenleiter ist. Typische Werte für DFB-Laser sind x = 50 cm–1,
der von 10 cm–1 bis
100 cm–1 variieren
kann, λ =
1,55 μm
und n = 3,25, was Δλ ≈ 1,2 nm ergibt.
Um sicherzustellen, dass kleine Reflexionen aufgrund einer Rückkopplung
von den Gittern, die um einen betrachteten DFB-Laser 3, 3' angeordnet
sind, nicht diesen Laser stören,
sollte der Abstand zwischen den Emissionswellenlängen der Laser deswegen für die Werte,
die als ein Beispiel gegeben sind, zumindest 2 – 3 nm betragen, was ungefähr 1,5·Δλ entspricht.
In dem typischen Fall kann zum Aufrechterhalten einer geeigneten Überlappung
zwischen diesen Wellenlängen,
die durch eine Temperatursteuerung, siehe unten, erhalten werden
können,
der Unterschied zwischen den Wellenlängen von Licht, das von den
Lasern emittiert wird, jedoch etwas erhöht werden und kann typischer Weise
ungefähr
3 – 5
nm betragen.
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Sämtliche
der Laser weisen einen gemeinsamen Massekontakt 7 wie etwa
auf der Unterseite des Substrats 1 auf. Die Wellenleiter 9 in
den Lasern sind aus InGaAsP (Bulk-Material oder Quantentöpfe) hergestellt,
das eine Lumineszenzwellenlänge
von 1550 nm (Q1, 55) aufweist. Oberhalb der Schichten, die die Wellenleiter
enthalten, sind die longitudinalen Gitter 5 angeordnet.
Die Gitterperiode wird bestimmt, wenn die Halbleiterplatine mittels
beispielsweise Elektronenstrahllitographie hergestellt wird. Jeder Laser 3, 3' weist seinen
eigenen elektrischen Kontakt 11 an seiner Oberseite auf.
Die Laser 3, 3' sind
elektrisch aneinander mittels Gräben 13 getrennt,
die beispielsweise halbisolierendes InP, SI-InP enthalten. Die Laser 3, 3' sind optisch
miteinander mittels passiver Wellenleiter 15 verbunden,
die an den Unterseiten der Gräben 13 angeordnet
sind, und die InGaAsP sein können,
das eine Lumineszenzwellenlänge
von ungefähr
1450 nm (Q1, 45) aufweist. Neben einem Laser 3' an dem Ende
der Reihe der Laser 3, 3' kann ein optischer Intensitätsmodulator 17 vom Elektroabsorptionstyp
angeordnet werden, der eine p-dotierte InP-Schicht 19 umfasst.
Diese Schicht 19 ist auf der Oberseite eines passiven Wellenleiters 21 des
gleichen Typs wie jene Wellenleiter 15 angeordnet, die die
Laser 3, 3' miteinander
verbinden. Die InP-Schicht 19 des Intensitätsmodulators
weist auf ihrer Oberseite einen elektrischen Kontakt 23 zum Zuführen der
elektrischen Modulationsspannung auf.
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Der
Betrieb der Laservorrichtung wird nun in Verbindung mit dem Diagramm
in 2 beschrieben werden. Die Stromintensitäten, die
den Lasern 3, 3' zugeführt werden,
sind mit I1, I2,
I3 bezeichnet, wobei der Index der Ordnungszahl
der Laser entspricht. Einer der Laser wird ausgewählt, z.B.
Laser Nr. 2, indem er durch einen großen Strom I2 =
Ilas vorwärts vorgespannt wird, der im
Wesentlichen den Schwellenstrom Ith überschreitet,
und der somit durch den Laser läuft.
Der Laser wird dann ein Emittieren von Laserlicht starten. Dieses
Licht wird in zwei entgegengesetzte Richtungen, in der Längsrichtung
des Lasers, d.h., sowohl in die Vorwärtsrichtung, d.h. nach links
zu dem Modulator 17, als auch in die Rückwärtsrichtung, d.h. nach links,
wie in 1 gezeigt, emittiert.
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Für den einfachsten
Typ einer Laserauslegung ist das Verhältnis von Licht, das in eine
Richtung emittiert wird, und Licht, das in die entgegengesetzte
Richtung emittiert wird, gleich Eins. Jedoch kann das Gitter des
Lasers so ausgelegt werden, dass mehr Licht in einer Richtung als
in der entgegengesetzten emittiert wird. Dies wird auf bekannte Weise
durch ein Variieren der Stärke
des Gitters in der Längsrichtung
(in dem gleichen Laser) erreicht.
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Diejenigen
Laser, die hinter dem ausgewählten
Laser angeordnet sind, in dem erwähnten Beispiel der Laser Nr.
1, werden betrieben, Spannungs-vorgespannt in der Rückwärtsrichtung
oder mit nur einer schwachen Vorspannung in der Vorwärtsrichtung
zu sein, so dass kein elektrischer Strom durch diese Laser läuft. Der
Strom I1 kann somit in dem Beispiel negativ
sein oder einen kleinen positiven Wert aufweisen. Diese Laser, die
dahinter angeordnet sind, werden dann das Licht absorbieren, das
in der Rückwärtsrichtung
des ausgewählten
Lasers emittiert wird. Dadurch werden Probleme beseitigt, die mit
Reflexionen von der hinteren Laserfacette in dem ausgewählten Laser
einhergehen, d.h. von der hinteren Seitenfläche des ausgewählten Lasers, gesehen
in der Längsrichtung.
Um sicherzustellen, dass keine Reflexionen den hintersten Laser
beeinflussen – der
hinterste Laser ist Nr. 1 in 1 – kann, wenn
dieser zum Emittieren von Licht ausgewählt wird, ein zusätzlicher
Abschnitt, der nicht gezeigt ist, an dem hintersten Abschnitt der
Laservorrichtung angebracht werden. Dieser Abschnitt kann einen
Aufbau identisch zu jenem der Laser der Reihe aufweisen, muss aber
nicht in der Lage sein, Licht zu emittieren. Diesem Abschnitt wird
ein Treiberstrom vorgegeben, so dass er auf die gleiche Weise absorbieren wird,
wie oben stehend für
jene Laser beschrieben worden ist, die hinter einem aktivierten
Laser angeordnet sind. Alternativ können an dem hintersten Abschnitt
der Laservorrichtung eine oder mehrere dielektrische Antireflexionsschichten,
die nicht gezeigt sind, angeordnet werden.
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Die
Laser, die vor den ausgewählten
Lasern angeordnet sind, d.h. jene, die zwischen dem ausgewählten Laser
und einem möglichen
Modulator angeordnet sind, in dem gewählten Beispiel Laser Nr. 3, werden
moderat in der Vorwärtsrichtung
vorgespannt. Damit ist gemeint, dass die Spannung über diesen
Lasern in dem typischen Fall so ausgewählt wird, dass der Strom einen
Wert zwischen dem Transparenzstrom Itranp und
dem Schwellenstrom Ith aufweist, siehe 2.
In dem Beispiel sollte somit Itranp < I3 < Ith gelten.
Dieser Transparenzstrom Itranp ist definiert
als die Stromdichte, bei welcher ein hereinkommendes Signal weder
eine Nettoverstärkung noch
eine Nettoabsorption in der aktiven Schicht des Lasers erfährt. Der
Schwellenstrom Ith ist als die Stromdichte
definiert, bei welcher die stimulierte Verstärkung die Gesamtverluste, die
sowohl durch Absorption als auch durch Auskoppeln von Licht aus
der Laserqualität
erzeugt werden, ausgleicht, und ist somit der Strom, bei welchem
der Laser startet, Licht zu emittieren, d.h. startet zu "lasern", wenn der Strom durch
den Laser erhöht
wird.
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Die
Wahl des exakten Werts der Stromdichte für die Laser, die vor dem ausgewählten Laser
angeordnet sind, ist, ist nicht besonders kritisch, da das Intervall
zwischen dem Transparenzstrom Itranp und dem
Schwellenstrom Ith typischer Weise mehrere
mA umfasst. Die exakte Wahl des Betriebsstroms bestimmt den Pegel
der Ausgangsleistung. In typischer Weise kann die Ausgangsleistung
um einige dB in Abhängigkeit
von der Position der Stromdichte dieser Laser innerhalb des Intervalls
[Itranp, Ith] variiert
werden.
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Sämtliche
der drei Stromintensitäten
Ilas, Ith und Itranp sind ziemlich stark abhängig von
der Temperatur. Allgemein müssen
deswegen, wenn Halbleiterlaservorrichtungen verwendet werden, korrekte
Werte ausgewählt
werden. In einer automatisch arbeitendenden Vorrichtung können die
Laser dann mittels einer bestimmten Steuereinrichtung wie etwa einem Mikroprozessor,
der nicht gezeigt ist, betrieben werden, in dessen Speicher Tabellen
für die
Temperaturabhängigkeit
dieser Größen gespeichert
sind. Die Steuereinrichtung muss dann auch einen bestimmten Temperatursensor
umfassen und wählt
dann, geführt
durch die gemessene Temperatur und Tabellenwerte und angeordnet
durch geeignete Steuersignale, die korrekten Betriebsströme zu den
Lasern aus, die in der Laservorrichtung enthalten sind, um den gewünschten
Laser zu aktivieren, so dass sein Licht auf die beabsichtigte Weise
emittiert wird. Eine derartige Steuereinrichtung bereitzustellen,
führt zu
keiner wesentlichen Verkomplizierung verglichen mit gegenwärtig verwendeten
Systemen, die eine ähnliche Funktion
aufweisen. Jeder Aufbau einer Wellenlängen-abstimmbaren Lichtquelle
auf der Grundlage von Halbleitern erfordert somit eine bestimmte
Form logischer Steuermechanismen.
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Wenn
der Treiberstrom eines Lasers, der vorne angeordnet ist, d.h. der
Laser Nr. 3 in dem Beispiel einen zu kleinen Wert aufweist, wird
Licht darin absorbiert werden und die gesamte Ausgangsleistung der
Laservorrichtung nimmt ab. Sie kann mittels eines bestimmten geeigneten,
nicht gezeigten Fotodetektors automatisch erfasst werden, der nach
dem Demodulator angeordnet werden kann und mit der Steuereinrichtung
gekoppelt ist. Alternativ kann der Modulator 17 selbst
als ein Fotodetektor verwendet werden, da das Licht, das darin absorbiert
wird, einen Fotostrom herbeiführt.
Durch ein Messen dieses Fotostroms kann man auch die Lichtmenge
messen, die durch den Modulator läuft. Zum Kompensieren einer derartigen
Abnahme kann der Betriebsstrom jener Laser, die transparent sein
sollen, erhöht
werden, oder der Strom durch den aktiven Laser kann erhöht werden.
Jedoch besteht ein Problem, das damit einhergeht, dass der Laser
unerwünschte
Modensprünge
ausführt
oder instabil wird, was der Fall ist, wenn ungeeignete Ströme in einem
Laser ausgewählt
werden, der seinen Abstimmmechanismus auf Änderungen des Brechungsindex
basiert, wie sie durch den zugeführten
elektrischen Strom induziert werden, wie etwa DBR-Laser und ähnliche.
Wenn ein Laser altert, werden sich die optimalen Betriebsströme auch ändern, üblicherweise
werden sie zunehmen. Dies kann mit dem oben beschriebenen Aufbau
einfach auf die angezeigte Weise kompensiert werden, wohingegen
in Lasern von Typen, die ähnlich
dem DBR-Laser sind, ein komplizierteres Überwachen erforderlich ist,
um sicherzustellen, dass die Laservorrichtung nicht in einen Betriebszustand
gelangt, der ungeeignete oder unkorrekte Stromwerte aufweist, die
beispielsweise zu einer schlechten Seitenmodeunterdrückung des
Lasers führen
können.
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Eine
feine Einstellung der Wellenlänge
des Laserlichts, das aus der Vorrichtung emittiert wird, die oben
ist, kann durch ein Ändern
der Temperatur der gesamten Schaltungsplatine erreicht werden, z.B. durch
ein Anordnen eines Peltier-Elements,
das nicht gezeigt ist, in einer Kapsel, die die Laservorrichtung aufnimmt.
Wenn man in der Lage sein möchte,
die Laservorrichtung auf eine beliebige Wellenlänge innerhalb eines bestimmten
Wellenlängenintervalls
abzustimmen, sollten somit die Anzahl von Lasern und die Unterschiede
zwischen den Gitterperioden davon so ausgewählt werden, dass die möglichen
Temperaturänderungen,
beispielsweise innerhalb eines Intervalls von ungefähr 0°C bis ungefähr 50°C dafür ausreichend
sind.
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Die
Laservorrichtung kann im Prinzip auf die gleiche Weise hergestellt
werden, wie sie eingesetzt wird, wenn DFB-Laser hergestellt werden,
siehe z.B. den Artikel "Zero-bias
and low-chirp, monolithically integrated 10 Gb/s DFG laser and electroabsorption modulator
on semi-insulating InP substrate",
O. Sahlen, L. Lundqvist, S. Funke, Electron. Vo. 32, Nr. 2, Seiten
120 – 121,
1996, die hierin unter Bezugnahme eingeschlossen wird. Ein InP-Substrat
(ein halbisolierendes InP-Substrat oder ein n-dotiertes InP-Substrat kann gewählt werden)
kann gemäß den obigen und
unterschiedlichen Legierungen von InGaAsP und möglicherweise InAlGaAs zum Aufbau
der Struktur gemäß 1 verwendet
werde. Die unterschiedlichen Schichten können epitaktisch mittels MOVPE, Metallorganischer
Phasenepitaxie (Metal Organic Phase Epitaxy) oder einer bestimmten
Variante davon, oder alternativ einer bestimmten Variante von MBE,
Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy) aufgewachsen werden.
Die Vorrichtung kann zur Verwendung in dem üblichen Wellenlängenband von
ungefähr
1550 – 1560
nm oder durch ein Ändern der
Materialzusammensetzung oder der Legierungsgehalte in den InGaAsP-Schichten
in anderen Wellenlängenbereichen,
beispielsweise in dem Wellenlängenintervall
um 1300 nm hergestellt werden. Noch kleinere Wellenlängen, beispielsweise
in dem Wellenlängenintervall
um ungefähr
980 nm können
unter Verwendung anderer Materialkombinationen wie etwa dem InGaAs/GaAs/AlGaAs-System
erzielt werden. Natürlich
ist es vorstellbar, auch andere Materialsysteme als Halbleiter zu
verwenden, wie beispielsweise dotierte dielektrische Materialien,
z.B. Erbium-dotiertes Quarz-auf-Silikon
oder dotierte ferroelektrische Materialien wie etwa Erbium-dotiertes
Lithiumniobat.
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Eine
Laservorrichtung gemäß dem Obigen ist
hergestellt worden, umfassend zwei kaskadierte DFB-Laser, die eine
Länge von
400 μm aufwiesen und
eine Verschiebung einer Viertelwellenlänge und einen Fran-Keldysh
(FK)-Modulator aufwiesen. Die Vorrichtung wurde wie in dem Artikel,
der oben erwähnt
ist, hergestellt, umfassend eine Elektronenstrahllitographie zum
Definieren der Gitter, jedoch mit der Ausnahme, dass die aktiven
Schichten nun sechs Quantentöpfe, "gespannte Quantentöpfe" ("strained quantum
wells") umfassen.
Durch ein Einstellen der Temperatur kann einer der 11 Wellenlängenkanäle ausgewählt werden,
der eine Frequenzdifferenz von 100 GHz aufwies, d.h. ein Abstimmintervall
von mehr als 8 nm wurde erhalten, vergleiche die Kurven in dem Diagramm
in 3. Das Seitenmode-Unterdrückungsverhältnis SMSR war besser als 40
dB und das modulare Auslöschungsverhältnis war
größer als 11
dB für
sämtliche
Temperaturen, wenn der Modulator mit einer Spannung von 0 bis –2 V versorgt
wurde. Die Temperatur wurde innerhalb eines Intervalls von 277 – 324 K
variiert. Der maximale Strom, der verwendet wurde, überschritt
100 mA nicht, was einen Leistungsausgang der Schaltungsplatine erzeugte, der
1 mW für
sämtliche
Betriebszustände überschritt. Eine
typische Leistung des emittieren Lichts betrug 3 mW. Die elektrooptische
Kleinsignalantwort des Modulators betrug 15 GHz. Die Laservorrichtung
wurde in einem System, das eine Bitrate von 2,488 Gbits/s (entsprechend
STM-16) aufweist, über
eine Länge von
543 km von optischen, nicht dispersionsverschobenen Standardfasern
getestet. In dem Diagramm der 4 sind Kurven
für die
Bitfehlerrate BER für vier
unterschiedliche Kanäle
gezeichnet. Zwei der Kurven entsprechen dem Fall, wo der Laser,
der am nächsten
zum Modulator angeordnet ist, aktiviert ist, wohingegen die beiden
anderen dem Fall entsprechen, wo der hintere Laser aktiviert ist
und der vordere Laser schwach vorwärts vorgespannt ist. Die Modulation
wies einen Spitzen-zu-Spitzenwert
von 2 V in sämtlichen
dieser Fälle
auf.