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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Lasersender und insbesondere
abstimmbare Breitband-Halbleiterlasersender,
die Signalverzerrungen in faseroptischen Systemen verringern.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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1992
schlug D.A. Fishman vor, daß zukünftige faseroptische Übertragungssysteme
wahrscheinlich Faserverstärker
nutzen werden, um die Distanz und Kapazität zwischenverstärkerloser
Faserabschnitte zu vergrößern, und
daß sie
extern modulierte abstimmbare CW-Laser mit schmaler Linienbreite
verwenden würden,
die Signale auch bei Anwesenheit großer Werte chromatischer Dispersion über lange
zwischenverstärkerlose
Abschnitte übertragen
können.
Ferner erwähnte
er, daß sich
technologische Fortschritte auf das Vergrößern von Abschnittslängen und
Kapazität
durch Verringern von Dispersionskosten, Verbessern der optischen
Verstärker
und Behandeln von Begrenzungen aufgrund von Fasernichtlinearitäten konzentrieren
würden.
Siehe Journal of Lightwave Technology, Band 11, Nr. 4, Seiten 624-632
(1993).
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Tatsächlich führt Fasernichtlinearität und -dispersion
weiter zu Begrenzungen der Leistungsfähigkeit faseroptischer Übertragungssysteme
und zwar insbesondere von digitalen Systemen mit hoher Bitrate.
Sie verursachen Signalverzerrungen, die ihrerseits Zwischensymbolstörungen erzeugen
und die maximale gesendete Leistung, das Signal/Rausch-Verhältnis und
die zwischenverstärkerlose
Abschnittslänge
verringern.
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Eine
theoretische Analyse von Y. Kodama et al. hat gezeigt, daß durch
ordnungsgemäßes Vorchirpen (oder
Vorverzerren) eines NRZ-Digitalsignals (non-return-to- zero) bestimmte Nichtlinearitäten der
Faser (z.B. Selbstphasenmodulation) und die Dispersion der Faser
(ein linearer Effekt) beide aufgehoben werden können. Die entsprechende Vorverzerrung
hängt von
dem Eingangsleistungspegel, der Art von Faser und der mittleren Dispersion
der fraglichen Faserstrecke ab. Siehe OFC'96 Technical Digest, Arbeit Tu16, Seiten
48-49 (1996). Kodama
et al. lieferten jedoch keinen tatsächlichen Senderentwurf, um
ihre Theorie zu verifizieren, und legten folglich keine tatsächliche
Vorchirp-Signalform offen, die die Reaktion der Signalverzerrungen
erzielen würde. Andere
Experten haben versucht, dieses Problem der linearen (positiven)
Dispersion zum Beispiel dadurch zu behandeln, daß über eine geeignete Vorspannung,
die an einen mit einem DFB-Laser
integrierten externen Elektroabsorbtionsmodulator (EA-Modulator)
angelegt wird, ein negatives Wellenlängen-Chirpen eingeführt wird.
Der EA-Modulator diente bei diesen Entwürfen einer zweifachen Funktion:
in das übertragene
Signal sowohl negatives Wellenlängen-Chirpen
als auch Amplitudenmodulation einzuführen. Siehe zum Beispiel K.
Morito et al., IEEE Photonics Technology Leiters, Band 8, Nr. 3,
Seiten 431-433 (1996) und Y.K. Park et al., IEEE Photonics Technology
Leiters, Band 8, Nr. 9, Seiten 1255-1257 (1996). Von diesen Einrichtungen
wird berichtet, daß sie
ein gechirptes NRZ-Ausgangssignal aufweisen, bei dem die vordere
Flanke der Impulse rotverschoben war (d.h. eine etwas größere Wellenlänge aufwies),
während
die nacheilende Flanke der Impulse blauverschoben war (d.h. eine
etwas verminderte Wellenlänge
aufwies). Außerdem
wurde von einer Übertragung
mit 10 Gb/s über
100 km und 130 km Standardfaser ohne Dispersionskosten berichtet.
Weder Morito et al. noch Park et al. behandeln jedoch das Problem
der Fasernichtlinearitäten.
Außerdem
ist der Doppelfunktions-EA-Modulator
nachteilig, weil die Prozesse des Vorchirpens und der Datencodierung
nur dann beide optimiert werden können, wenn jede Funktion unabhängig gesteuert
werden kann. Zum Beispiel werden die Modulationssignalformparameter
(z.B. Amplitude, Spannungsoffset und Form) für die Codierung mit dem höchsten Extinktionsverhältnis in
der Regel für
Vorchirp-Dispersionskompensation
nicht optimiert.
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In
einem Artikel mit dem Titel „Broad-Band
Tunable Electroabsorption Modulated Laser for WDW Application", IEEE Journal of
Selected Topics in Quantum Electronics, Band 3, Nr. 3, Juni 1997,
wird ein DFB-Laser mit einem gebogenen Wellenleiter beschrieben,
der ein negativ gechirptes Signal in dem Wellenlängenbereich 1550 nm erzeugt.
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Die
Verfasser sind jedoch der Auffassung, daß eine weitere Verbesserung
der Übertragung,
die sowohl Fasernichtlinearitäten
als auch -dispersion behandelt, realisierbar ist, wenn eine willkürliche,
zurechtgeschnittene (z.B. optimierte) Vorchirpsignalform hergestellt
werden kann, die das Ausgangssignal des Lasersenders vorverzerrt.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegenden Erfindung liefert somit einen Lasersender gemäß Anspruch
1.
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In
einem faseroptischen WDM-Übertragungssystem
umfaßt
ein digitaler Lasersender einen abstimmbaren Breitband-Halbleiterlaser mit
einem resonatorinternen, integrierten zusammengesetzten Reflektor,
an den eine Abstimmspannung und ein Vorchirpsignal angelegt werden.
Die Abstimmspannung liefert eine grobe Wellenlängenabstimmung unter WDM-Kanälen, während das
Vorchirpsignal Signalverzerrungen reduziert, die durch Fasernichtlinearitäten und
-dispersion verursacht werden. Zu diesem Zweck wird die Signalform
des Vorchirpsignals als eine Funktion des Eingangsleistungspegels
in die Faser, der Art der Faser und der mittleren Dispersion der
Faser zurechtgeschnitten. Zusätzlich
liegt die Frequenz des Vorchirpsignals in derselben Größenordnung
wie die Bitrate des Laserausgangssignals; das heißt, Vorchirpwellenlängenabweichungen
werden im Zeitmaßstab
einer Bitperiode (d.h. Bitdauer) des Ausgangssignals des Senders
gesteuert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
liefert der abstimmbare Laser ein optisches Ausgangssignal in einer
beliebigen von N verschiedenen Longitudinalmoden bei Wellenlängen, die
zum Beispiel den N Kanälen des
WDM-Systems entsprechen.
Der Laser umfaßt
eine MQW-Aktivregion,
eine DFB-Region zur Auswahl der nominalen Wellenlänge der
stimulierten Emission (d.h. des Laserlichts), die durch die Aktivregion
erzeugt wird, und einen optisch an die Aktivregion angekoppelten
ersten Wellenleiter zum Ermöglichen
eines Ausgangs des Laserausgangssignals. Der abstimmbare Laser ist
dadurch gekennzeichnet, daß ein
zusammengesetzter zweiter Reflektor an ein Ende des ersten Wellenleiters
angekoppelt ist, um so einen Hohlraumresonator mit der DFB-Region
zu bilden. Der zweite Reflektor enthält eine zweite MQW-Region,
die optisch an die MQW-Aktivregion angekoppelt ist, wobei ein zweiter
Wellenleiter ein Ende aufweist, das optisch an den ersten Wellenleiter
angekoppelt ist, und an dem anderen Ende des zweiten Wellenleiters
eine dielektrische Schicht mit hohem Reflexionsvermögen angeordnet
ist. Um die Mittenwellenlänge
des Laserlichts abzustimmen, wird die Abstimmspannung an die zweite
MQW-Region angelegt, um durch den QCSE (Quantum Confined Stark Effect) Brechungsindexänderungen
zu verursachen. Um Signalverzerrungen zu verringern, wird außerdem das
Vorchirpsignal an die zweite MQW-Region angelegt.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung zusammen mit ihren verschiedenen Merkmalen
und Vorteilen wird aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung in
Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung ohne weiteres verständlich.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht eines abstimmbaren Halbleiterlasers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Draufsicht des Lasers von 1;
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3 eine
schematische Ansicht des Lasers von 1, bei der
eine Vorchirpsignalquelle 30 an den zusammengesetzten Reflektorteil 14 angekoppelt
wird, um Signalverzerrungen zu verringern;
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4-6 zeigen
ein hypothetisches Chirpprofil (5), das
durch eine entsprechende Spannungssignalform (6)
zur Dispersionkompensation eines optischen NRZ-Impulses (4),
der sich in einem dispersiven faseroptischen System ausbreitet,
produziert wird.
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Im
Interesse der Einfachheit und Klarheit wurden 1-3 nicht
maßstabsgetreu
gezeichnet.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Verringerung
von Signalverzerrungen
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Nunmehr
mit Bezug auf 3 umfaßt ein abstimmbarer Breitband-Halbleiterlaser 10 einen
Verstärkungsteil 12 und
einen resonatorinternen, integrierten zusammengesetzten Reflektorteil 14 in
Tandemanordnung miteinander. Ein Stromtreiber 16 liefert
dem Verstärkungsteil
Strom, um ein Ausgangssignal 20 zu erzeugen. Wie im folgenden
ausführlicher
beschrieben wird, wird die Mittenwellenlänge des Ausgangssignals durch Steuerung der
Phase des optischen Feldes in dem Laserresonator durch eine dem
Reflektorteil 14 durch die Vorspannungsquelle 18 zugeführte Gleichspannung
grob abgestimmt. Zusätzlich
wird das Ausgangssignal in der Regel an ein Übertragungsmedium (nicht gezeigt;
z.B. eine optische Silikat-Faser) angekoppelt, in dem das Signal
tendenziell durch Nichtlinearitäten
(z.B. Selbstphasenmodulation) und durch Dispersion verzerrt wird.
Um Signalverzerrungen gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung zu reduzieren, wird außerdem dem
Reflektorteil 14 ein relativ hochfrequentes Niederspannungs-Vorchirpspannungssignal
zugeführt,
um relativ kleine Wellenlängenauslenkungen
(d.h. Schwankungen) um die Mittenwellenlängen zu erzeugen. Im allgemeinen
ist die Signalform des Vorchirpsignals eine Funktion der vom Sender
an die Faser abgelieferten Eingangsleistung, der Art der Faser (z.B.
Kern-Mantel-Geometrie,
Dotierungsstoffe, Dotierungsprofil usw.) und der mittleren Dispersion
der Faser. Die tatsächliche
Signalform in einer beliebigen konkreten Systemanwendung wird unter
Verwendung der nichtlinearen Gleichungen von Schroedinger berechnet,
die beschreiben, wie sich optische Impulse in einem nichtlinearen
dispersiven Medium, wie zum Beispiel optische Silika-Faser, ausbreiten.
Siehe zum Beispiel G.V. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Academic
Press, Inc., Boston, Abschnitt 2.3, Seiten 34-44 (1989). Zusätzlich sollte
die Frequenz des Vorchirpsignals bei digitalen Anwendungen in derselben
Größenordnung
wie die Bitrate des Ausgangssignals liegen; das heißt, die
Wellenlängenabweichungen werden
im Zeitmaßstab
einer Bitperiode (d.h. Bitdauer) gesteuert.
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Vorchirp-Signalform
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4-6 zeigen
ausführlicher,
wie gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Dispersionskompensation erzielt wird.
Die bestimmten Betriebsbedingungen, Einrichtungsparameter und Systemspezifi kationen
werden lediglich zur Veranschaulichung angegeben und sollen, sofern
es nicht ausdrücklich
anders angegeben ist, den Schutzumfang der Erfindung, der durch
die Ansprüche
definiert wird, nicht einschränken.
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4 zeigt
einen typischen optischen NRZ-Impuls mit 1 mW Intensität zur Ausbreitung
in einem faseroptischen digitalen System, das durch Signalverzerrung
gekennzeichnet ist. Es wird angenommen, daß die Impulsdauer τ 1 ns beträgt, entsprechend
einer Datenrate von 1 Gb/s. Für
die gegebene Einspeiseleistung von 1 mW und einer Mittenwellenlänge von λi des
Betriebs kann die resultierende mittlere Wegdispersion und -nichtlinearität für das System
berechnet werden. Durch Verwendung wohlbekannter numerischer Simulationstechniken
(die auch von Agrawal, supra, Abschnitt 2.4, gelehrt werden),
können
Schroedingers Gleichungen für
die gegebenen Anfangsbedingungen gelöst werden. Die Lösung dieser
Gleichungen bestimmt zusätzlich
auch das gewünschte
Chirpprofil für
das Laserausgangssignal, das die Übertragungssignalverzerrungen reduzieren
wird. 5 zeigt ein hypothetisches Chirpprofil, das mit
diesem Ansatz bestimmt werden würde. Diese
Figur zeigt die zeitaufgelösten
Wellenlängenschwankungen
(z.B. ± 0,1
nm) während
eines Impulsintervals (d.h. 1 Bitperiode). Der vorliegende schnelle
abstimmbare Lasersender 10 (1-3)
ermöglicht
ein Auferlegen dieser schnellen Wellenlängenschwankungen auf das Ausgangssignal
des Senders. Genauer gesagt wird eine geeignete Spannungssignalform
(6) mit im wesentlichen demselben Profil wie das
berechnete Chirpprofil (5) an den zusammengesetzten
Reflektorteil 14 des Senders 10 angelegt, um die
Phase der resonatorinternen Laserstrahlung (über den QCSE) zu modulieren
und die gewünschten
Schwankungen ihrer Mittenwellenlänge
zu erzeugen. Wie in dem nachstehenden Beispiel II besprochen wird,
ist der vorliegende Lasersender zu einer schnellen Wellenlängenverschiebung in
einem Zeitmaßstab
von 50 ps fähig,
also überaus
adäquate
für das
Chirpprofil von 5, das nur gesteuerte Wellenlängenschwankungen
auf einem Zeitmaßstab
von weniger als der Impulsdauer von 1 ns (1000 ps) der NRZ-Impulse
von 4 erfordert. Natürlich würde die 50-ps-Wellenlängenverschiebungsgeschwindigkeit
des Senders eine Dispersionskompensation in Systemen mit sogar noch
höherer
Bitrate (z.B. Systemen mit bis zu nahezu 20 Gb/s) ermöglichen.
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Breitband-Abstimmung
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Nunmehr
mit Bezug auf 1 und 2 soll die
Struktur und Funktionsweise der breitbandigen abstimmbaren Laserquellen 10 von 3 ausführlicher
beschrieben werden. Die Quelle 10 erzeugt ein optisches Ausgangssignal 20 in
einer beliebigen von mehreren N Longitudinalmoden jeweils mit einer
verschiedenen Wellenlänge λ1 (i
= 1, 2, ... N). Das Ausgangssignal 20 breitet sich entlang
einer Übertragungsachse 22 zum Beispiel
eines (nicht gezeigten) WDM-Systems aus. Die in Betracht gezogenen
Systeme können
langsame Anwendungen (z.B. wenig häufige Netzwerkumkonfigurationen)
und auch relativ schnelle Anwendungen (z.B. optische Paketvermittlungen)
umschließen.
In jedem Fall umfaßt
die abstimmbare Quelle 10 einen Hohlraumresonator, der
durch einen Verstärkungsteil 12 und
einen zusammengesetzten Reflektorteil 14 gebildet wird.
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Der
Verstärkungsteil 12 enthält eine
MQW-Aktivregion mit relativ breiter effektiver Bandlücke 12.1, eine
DFB-Region 12.2 mit einem optisch an die Aktivregion angekoppelten
Gitter mit gleichförmigem
Gitterabstand und einen ersten Wellenleiter mit relativ schmälerer Bandlücke, der
optisch an die Aktivregion angekoppelt ist. Der Ausgang des Wellenleiters 12.3 ist
durch eine dielektrische Schicht mit relativ niedrigem Reflexionsvermögen (oder
einer Zusammensetzung von Schichten z.B. eine AR-Beschichtung) 12.7 an
die Übertragungsachse 22 angekoppelt.
Wenn der Stromtreiber 16 Vorwärtsvorstrom oberhalb der Schwelle über die Elektroden 12.4 und 12.6 an
die Aktivregion liefert, erzeugt die Laserquelle 10 Licht
(Strahlung) mit einer Wellenlänge,
die durch die Zusammensetzung und das Verstärkungsspektrum der MQW-Region
bestimmt wird. Bei Abwesenheit von Abstimmechanismen bestimmt der
Gitterabstand des DFB-Gitters, welche Longitudinalmode in dem Verstärkungsspektrum
ausgewählt
wird. Diese Mode wird in den ersten Wellenleiter 12.3 eingekoppelt
und liefert das Laserausgangssignal 20.
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Wie
später
besprochen wird, kann eine beliebige einer Vielzahl von N Longitudinalmoden
mit verschiedenen Wellenlängen
gewählt
werden, indem der Laserentwurf gemäß verschiedenen Aspekten der
vorliegenden Erfindung modifiziert wird.
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In
einem Aspekt ist die Laserquelle 10 mit dem zusammengesetzten
Reflektorteil 14 ausgestattet, der wie oben beschrieben,
einen Hohlraumresonator mit dem Verstärkungsteil 12 (d.h.
mit der DFB-Region 12.2) bildet. Genauer gesagt enthält der Teil 14 eine
zweite MQW-Region 14.1, die optisch an die MQW-Aktivregion 12.1 angekoppelt
ist, einen zweiten Wellenleiter 14.3 mit einem Ende, das
optisch an den ersten Wellenleiter 12.3 angekoppelt ist,
und eine dielektrische Schicht mit relativ hohem Reflexionsvermögen (oder
eine Schichtzusammensetzung; z.B. eine HR-Beschichtung) 14.7,
die an dem anderen Ende des zweiten Wellenleiters 14.3 angeordnet
ist.
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In
einem in 2 gezeigten zweiten Aspekt ist
die Laserquelle 10 mit einem ersten Wellenleiter 12.3 ausgestattet,
der eine vorbestimmte Form (z.B. eine Raised-Sine-Form) aufweist,
die den Teil 12.3b des Wellenleiters 12.3 (d.h.
den Teil unter der Elektrode 12.4) effektiv entsprechend
den N verschiedenen Wellenlängen
des WDM-Systems (d.h. den Kanalwellenlängen) in N Zonen aufteilt.
Diese Zonen, in 2 mit λi (i
= 1, 2, ... N) bezeichnet, liefern jeweils optische Rückkopplung
mit einer verschiedenen Wellenlänge,
weil der Wellenleiter 12.3b in jeder Zone eine verschiedene
Steigung (d.h. relativ zu den Gitterlinien) aufweist. Eine kontinuierliche
Abstimmung über
den Bereich von λ1 bis λN ist jedoch nur dann möglich, wenn alle diesen Wellenlängen entsprechenden
Longitudinalmoden im wesentlichen dieselben Wellenverstärkungen
aufweisen. Dieses Desideratum wird erzielt durch eine Kombination
der Form des Wellenleiters 12.3b (die die Flachheit des Verstärkungsspektrums
der Moden bestimmt) und des Ansteuerstroms (der die Verstärkung der
MQW-Aktivregion 12.1 bestimmt) erzielt. Zusätzlich treten
bei Moden, die Zonen entsprechen, in denen die Wellenleitersteigung
größer ist,
höhere
Verluste auf. Um die höheren
Verluste in der Zone λN mit der nächsten Wellenlänge zu kompensieren,
die die größte Wellenleitersteigung
aufweist, ist der Wellenleiter 12.3 mit einem geraden (d.h.
linearen) Teil 12.3s ausgestattet, der zwischen dem geformten
Teil 12.3b und dem zweiten Wellenleiter 14.3 des
zusammengesetzten Reflektorteils 14 angeordnet ist. Da
sich die Elektrode 12.4 mit dem Teil 12.3s überlappt,
wird die N-te Mode mit einer zusätzlichen
Verstärkung
ausgestattet, um die höheren
Verluste auszugleichen (d.h. die Zone für die N-te Mode enthält nicht
nur die mit λN bezeichnete Region unter der Elektrode 12.3b in 2,
sondern auch die mit λ'N bezeichnete
Region unter der Elektrode 12.3s).
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Die
Form y(x) der Wellenleiterteile 12.3b und 12.s und
ihrer entsprechenden Gitterabstandsfunktionen Λ(x) kann folgendermaßen durch
ein System von Gleichungen beschrieben werden. Im Bereich Ls ≤ x ≤ Lb folgt die Form des Wellenleiters 12.3b im
wesentlichen einer Raised-Sine-Form,
die gegeben wird durch: yb = W + (W/Lb)(2Ls – x)
+ (W/π)sin(πx/Lb) (1)dabei
ist x die Distanz entlang der Lichtausbreitungsrichtung (z.B. entlang
der Übertragungsachse 22),
W die maximale Verschiebung von y(x) von der Achse 22 im
Fall, daß der
gerade Teil 12.3s weggelassen ist, Ls ist die
Länge des
geraden Wellenleiterteils, 12.3s und Lb ist
die Länge
des geformten Wellenleiterteils 12.3b. Der entsprechende
Gitterabstand wird gegeben durch Λb = Λ0[1 + (W/Lb)2(cosπx/Lb – 1)1/2 (2)wobei Λ0 der
Gitterabstand des gleichförmigen
Gitters der DFB-Region 12.2 ist. Im Gegensatz dazu folgt
in dem Bereich Lb ≤ x ≤ (Lb +
Ls) die Form des Wellenleiters 12.3 einer
geraden Funktion, die durch ys = 2W + (2W/Lb)(Ls – x) (3)gegeben wird,
wobei der Gitterabstand durch Λs = Λ0[1 + (2W/Lb)2]1/2 (4)gegeben wird.
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Obwohl
die Kombination einer Raised-Sine-Funktion und einer geraden Funktion
für die
beiden Wellenleitersegmente bevorzugt wird, kann man abhängig von
der konkreten in Betracht gezogenen Anwendung andere Funktionen
verwenden.
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In
einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Laserquelle 10 mit
Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Steuersignals an den zusammengesetzten
Reflektorteil 14 ausgestattet, wodurch die Phase des sich
in dem zweiten Wellenleiter 14.3 und daher in der Laserquelle
als ganzes ausbreitenden Lichts effektiv verändert wird. Beispielsweise
wird ein elektrisches Signal aus der Quelle 18 über die
Elektroden 14.4 und 12.6 an den Teil 14 angelegt.
Das Signal kann mehrere Formen annehmen (d.h. Strom oder Spannung),
ist aber vorzugsweise eine Rückwärtsvorspannung,
die den QCSE (Quantum Confined Stark Effect) in der zweiten MQW-Region 14.3 hervorruft.
Der QCSE ruft seinerseits Änderungen
des Brechungsindex der MQW-Region 14.3 und daher der Phase
des sich in dem zweiten Wellenleiter 14.3 ausbreitenden
Lichts hervor. Durch Variieren der angelegten Spannung kann die
Laserquelle 10 deshalb über
einen relativ großen
Bereich von Wellenlängen,
entsprechend den durch die N Zonen des ersten Wellenleiters 12.3 überspannten
Wellenlängen, abgestimmt
werden.
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Im
allgemeinen wird es durch Variieren nur eines einzigen Parameters,
wie zum Beispiel des Steuerspannungspegels, der an dem zusammengesetzten
Reflektorteil 14 angelegt wird, möglich, die Wellenlänge der
Laserquelle über
einen mäßig breiten
Bereich (z.B. etwa 2 nm) mit relativ hohen Geschwindigkeiten (z.B. 50-100
ps) abzustimmen. Ein Variieren mehrerer Parameter, wie zum Beispiel
des Steuerspannungspegels, des Ansteuerstroms und der Temperatur
des Lasers, ermöglicht
jedoch ein Abstimmen über
einen wesentlich breiteren Wellenlängenbereich (z.B. 10-12 nm),
wenn auch mit mäßigeren
Geschwindigkeiten (z.B. im Millisekunden- bis Nanosekundenbereich).
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Die
folgenden Beispiele demonstrieren die Effizienz der vorliegenden
Erfindung sowohl für
relativ langsame als auch relativ schnelle Anwendungen. Die verschiedenen
Materialien, Dimensionen, Betriebsbedingungen und anderen Parameter
werden lediglich zur Veranschaulichung angegeben und sollen nicht
als Beschränkung
des Schutzumfangs der Erfindung aufgefaßt werden, sofern dies nicht
ausdrücklich
so angegeben ist.
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Beispiel I: Langsame Abstimmung
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Eine
Laserquelle 10 wurde unter Verwendung eines selektiven
Bereichswachstums MOVPE zum Aufwachsen der verschiedenen Halbleiterschichten
und standardmäßiger Verarbeitung
zum Ätzen
von Formen, Ablagern von Elektroden und dergleichen hergestellt.
Die MQW-Regionen 12.3 und 14.3 umfaßten 7 Schichten
aus verspanntem InGaAsP (1,55 μm
Bandlücke),
verschachtelt mit Berrierenschichten aus InGaAsP (1,28 μm Bandlücke). Die
Transversalmodensteuerung wurde durch Bildung einer 1 μm breiten
wohlbekannten CMBH-Struktur erreicht. InP:Fe-Stromblockierschichten
mit einer Dicke von 3 μm
wurden auf jeder Seite der CMBH-Struktur ausgebildet, um den Leckstrom
und die parasitäre
Kapazität
zu reduzieren. Eine seichte Rille 19 mit einer Länge von
ungefähr
80 μm wurde
verwendet, um die elektrische Isolation mit einem typischen Widerstand
von 25 kΩ zu
verbessern. Die Wellenleiter 12.3 und 12.3s wiesen
Formen auf, die im wesentlichen durch die obigen Gleichungen (1)
und (3) definiert werden, und waren so ausgelegt, daß sie Verstärkung in acht
Longitudinalmoden, entsprechend acht Kanälen (jeweils mit einer Breite
von etwa 1,4 nm) eines WDM-Systems bei Wellenlängen bei einem Bereich von
1549,4 bis 1560,7 nm lieferten.
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Es
war möglich,
die Laserquelle durch alle acht Kanäle (über mehr als einen 11-nm-Bereich)
durch entsprechende Wahl von Vorspannung, Ansteuerstrom und Temperatur
abzustimmen. Die typische Leistung, die in eine Einmodenfaser abgeliefert
wurde, betrug 10 mW bei einem Ansteuerstrom von 60 mA. Das mittlere Seitenmodenunterdrückungsverhältnis betrug
etwa 36 dB. Die folgende Tabelle. zeigt, wie die drei Parameter variiert
wurden, um eine Abstimmung über
einen relativ breiten Bereich von 11 nm zu erzielen.
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Dieser
niedrige Geschwindigkeitsabstimmbereich von 11 nm ist mehr als das
Zweifache des besten Ergebnisses, von dem im Stand der Technik berichtet
wird (siehe H. Hillmer et al., IEEE J. Selected Topics in Quantum
Electronics, Band 1, Nr. 2, Seiten 356-362 (1995)).
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Beispiel II: Schnelle
Abstimmung
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Eine
der im Beispiel I beschriebenen ähnlichen
Laserquelle wurde verwendet, um eine Einzelparameter-, Schnellabstimmung über einen
relativ breiten Wellenlängenbereich
zu demonstrieren. Der einzige variierte Parameter war die an den
zusammengesetzten Reflektorteil 14 angelegte Vorspannung.
Bei Ansteuerung mit einer Vorspannung mit einer Periode von 350
ps stimmte sich das Laserausgangssignal zwischen einer hohen Wellenlänge (1551,7
nm) und einer niedrigen Wellenlänge
(1550,0 nm) mit derselben Rate hin und her ab. Das Ausgangssignal
wechselte über
einen Bereich von 1,7 nm in 56 ps von kurzer zu langer Wellenlänge und
zurück
in 134 ps (10% bis 90% Anstiegszeit). Das Seitenmodenunterdrückungsverhältnis betrug
während des
Abstimmens etwa 35 dB. Dieser Schnellabstimmbereich ist nahezu eine
Größenordnung
besser als der, von dem zuvor im Stand der Technik berichtet wurde
(siehe H. Nakajima et al., OFC Technical Digest, Seite 276 (1996)).
Das schnelle Umschalten zwischen vier Kanälen (Kanalabstand 0,7 nm) wurde
auch unter Verwendung einer Vorspannung mit vier Stufen demonstriert.
Die Möglichkeit
der vorliegenden abstimmbaren Laserquelle, mehrere WDM-Kanäle zu adressieren
und mit sehr hohen Geschwindigkeiten zwischen diesen umzuschalten,
sollte ein zellenweises optisches Routen in einem WDM-Netzwerk ohne
Erfordernis großer Schutzzeiten
ermöglichen.
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Es
versteht sich, daß die
oben beschriebenen Anordnungen lediglich die vielen möglichen
spezifischen Ausführungsformen
veranschaulichen, die konzipiert werden können, um eine Anwendung der
Prinzipien der Erfindung zu repräsentieren.
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Zum
Beispiel ist bei Fernübertragungssystemen
eine Laserquelle mit schmaler Linienbreite besonders wichtig, weil
die Faserdispersion dazu tendiert, die Impulsbreite zu vergrößern. Ein
räumliches
Lochbrennen in dem Laser, das durch einen ungleichförmigen Ansteuerstrom
verursacht werden kann, tendiert jedoch dazu, die Linienbreite zu
vergrößern. Deshalb
ist es besonders vorteilhaft, daß der Ansteuerstrom im wesentlichen gleichförmig an
die MQW-Aktivregion 12.1 angelegt werden kann. Zu diesem
Zweck wird bevorzugt, daß die Elektrode 12.4 eine
einzige, nicht segmentierte Elektrode ist und daß ähnlich die Aktivregion 12.1 eine
einzige, nicht segmentierte Region ist. Durch Verwendung dieser
Merkmale in der vorliegenden Erfindung was es möglich, Linienbreiten von 1-2
MHz zu erhalten, und es wird erwartet, daß dis eine Verbesserung um
eine Größenordnung
im Vergleich zu vorbekannten segmentierten Entwürfen wäre (siehe Hillmer et al. und
Naka; ima et al., supra).
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Zusätzlich kann
das Ausgangssignal des abstimmbaren Lasers moduliert werden. Wie
in 3 gezeigt, wurde also eine integrierte optische
Schaltung mit einem externen (d.h. resonatorexternen) Modulator 40,
insbesondere einem Elektroabsorbtionsmodulator, und einem abstimmbaren
Laser des zuvor beschriebenen Typs hergestellt. Daten aus der Quelle 42 wurden
dem Laserausgangssignal in Form von AM (d.h. Ein-Aus-Umschaltung) auferlegt.
Auf diese Weise können
die mehrfachen Funktionen des Verringerns von Verzerrungen, der
Datenmodulation und der Wellenlängenabstimmung
unter WDM-Kanälen
mit einer einzigen integrierten Einrichtung realisiert werden.
