DE69736403T2 - Erzeugung von laserlicht mit verschiedenen wellenlängen - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • 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.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNICK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Laservorrichtung bereitzustellen, die abgestimmt werden kann, um Licht unterschiedlicher Wellenlängen innerhalb eines nicht zu begrenzten Wellenlängenbereichs bereitzustellen.
  • 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.
  • 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.
  • Diese und andere Aufgaben ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nun detaillierter vermöge der nicht-einschränkenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben werden.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 ein schematisches Bild eines Querschnitts einer Laservorrichtung, die auf unterschiedliche Wellenlängen abstimmbar ist und drei einzelne Laser und einen Modulator umfasst;
  • 2 ein Diagramm der Leistung von Licht, das aus einem DFB-Laser ausgegeben wird, als eine Funktion des elektrischen Stroms, der dorthin zugeführt wird;
  • 3 ein Diagramm eines Auslöschungsverhältnisses und einer Seitenmode-Unterdrückung als eine Funktion einer Frequenz für eine Laservorrichtung, die zwei einzelne Laser enthält; und
  • 4 ein Diagramm einer Bitfehlerrate für eine Übertragung einer Information in einer optischen Faser mittels einer Laservorrichtung, die zwei einzelne Laser enthält.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (22)

  1. Vorrichtung, umfassend einen Laser zum Emittieren von Licht, wobei die Vorrichtung gesteuert werden kann, Licht einer einer Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen zu emittieren, gekennzeichnet durch zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3'), die auf dem gleichen Substrat (1) aufgebaut sind, und wobei jede eine Laserkavität umfasst, in welcher das Licht erzeugt wird, wobei die Laserkavitäten jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen und zueinander ausgerichtet angeordnet sind und so eingerichtet sind, dass dann, wenn eine der zumindest zwei Lasereinheiten aktiviert wird, Licht in einer Richtung parallel zu der großen Fläche des Substrats in einer Längsrichtung der einen der zumindest zwei Lasereinheiten emittiert wird, und die Richtung des emittierten Lichts durch zumindest eine der anderen der zumindest zwei Lasereinheiten läuft, wobei die zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') elektrisch voneinander durch Gräben (13) getrennt sind, die ein halbisolierendes Material enthalten, und optisch miteinander durch passive Wellenleiter (15) verbunden sind, die an den Unterseiten der Gräben (13) angeordnet sind.
  2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das halbisolierende Material InP ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') angeordnet ist, grundsätzlich unabhängig von der anderen der zumindest zwei Lasereinheiten betrieben zu werden, so dass sie veranlasst werden kann, Laserlicht unabhängig von der anderen der zumindest zwei Lasereinheiten zu emittieren.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Lasereinheiten (3, 3') angeordnet sind, wobei jede eine Laserkavität umfasst, und dass die Kavitäten zueinander ausgerichtet angeordnet sind, so dass dann, wenn eine erste der zumindest drei Lasereinheiten aktiviert wird, Licht von der ersten Lasereinheit durch die Kavität einer unterschiedlichen, zweiten Lasereinheit, die nahe der ersten Lasereinheit angeordnet ist, und durch die Kavität einer unterschiedlichen, dritten Lasereinheit läuft, die neben der zweiten Lasereinheit angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') auf eine derartige Weise angeordnet sind, dass die zumindest zwei Lasereinheiten die gleichen Emissionsrichtungen aufweisen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') in einer Reihe angeordnet sind, wobei jede der zumindest zwei Lasereinheiten Laserkavitäten aufweist, die Längsrichtungen aufweisen, wobei die Längsrichtungen zueinander ausgerichtet sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Lichtabsorptionsvorrichtung, die an einem Ende der Reihe angeordnet ist, die durch die zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') gebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') sämtlich unterschiedliche Emissionswellenlängen aufweisen.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lasereinheit, die in den zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') enthalten ist, eine Gittervorrichtung (5) umfasst, deren Gitterperiode die Emissionswellenlänge der Lasereinheit bestimmt.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') sämtlich Gittervorrichtungen (5) aufweisen, deren Gitterperioden die Emissionswellenlänge der jeweiligen Lasereinheit bestimmen, wobei die zumindest zwei Lasereinheiten sämtlich unterschiedliche Gitterperioden ihrer Gittervorrichtungen aufweisen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittervorrichtungen (5) durch die Gräben (13) getrennt sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 11, gekennzeichnet durch eine Temperatursteuereinrichtung zum Steuern der Temperatur der zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') auf gewünschte Werte, um eine Feineinstellung der Emissionswellenlängen der zumindest zwei Lasereinheiten zu erzeugen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 12, gekennzeichnet durch einen Modulator (17), der so angeordnet ist, dass Licht, das von einer der zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') emittiert wird, durch den Modulator läuft.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede der zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') eine hintere Facette und eine vordere Facette aufweist.
  15. Verfahren zum Emittieren von Laserlicht einer Mehrzahl unterschiedlicher Wellenlängen, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bereitstellen von zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3'), die ausgelegt sind, Licht unterschiedlicher Emissionswellenlängen zu emittieren, – Anordnen der zumindest zwei Lasereinheiten so, dass dann, wenn eine der zumindest zwei Lasereinheiten zum Emittieren von Licht aktiviert wird, das Licht in einer Richtung emittiert wird, die durch zumindest eine andere Lasereinheit der zumindest zwei Lasereinheiten läuft, – Aktivieren von nur einer ersten der zumindest zwei Lasereinheiten, um Licht zu emittieren, und – Vorspannen einer zweiten, unterschiedlichen der zumindest zwei Lasereinheiten, durch welche Richtung des Lichts, das von der ersten Lasereinheit emittiert wird, läuft, entweder transparent für das Licht zu sein, das von der ersten Lasereinheit emittiert wird, oder das Licht, das von der ersten Lasereinheit emittiert wird, zu absorbieren.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch ein Vorspannen sämtlicher Lasereinheiten, die in dem Satz der zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') enthalten sind und auf einer Seite der ersten Lasereinheit angeordnet sind, wenn derartige Lasereinheiten vorhanden sind, um transparent für das Licht zu sein, das aus der ersten Lasereinheit emittiert wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 – 16, gekennzeichnet durch ein Vorspannen sämtlicher Lasereinheiten, die in dem Satz der zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') enthalten sind und auf einer Seite der ersten Lasereinheit angeordnet sind, wenn derartige Lasereinheiten vorhanden sind, um das Licht, das aus der ersten Lasereinheit emittiert wird, zu absorbieren.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 – 17, gekennzeichnet durch ein Anordnen sämtlicher Lasereinheiten, die in dem Satz der zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') enthalten sind, so dass Licht, das aus sämtlichen der Lasereinheiten emittiert wird, die gleichen Richtungen aufweist.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 – 18, gekennzeichnet durch ein Anordnen sämtlicher Lasereinheiten, die in dem Satz der zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') enthalten sind, in einer Reihe.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 – 18, gekennzeichnet durch ein Absorbieren des Lichts, das in einer Richtung aus der ersten Lasereinheit emittiert wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 – 20, gekennzeichnet durch ein Steuern der Temperatur der zumindest zwei Lasereinheiten (3, 3') auf gewünschte Werte, um eine Feineinstellung der Emissionswellenlängen der zumindest zwei Lasereinheiten zu erzeugen.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 – 21, gekennzeichnet durch ein Modulieren (17) von Licht, das aus der ersten Lasereinheit emittiert wird.
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