DE9422388U1 - Optical message transmission with a surface-emitting vertical cavity laser in multi-transverse mode operation - Google Patents

Optical message transmission with a surface-emitting vertical cavity laser in multi-transverse mode operation

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SCHOPPE, ZIMMERMANN;:STG>CKELER:& 0NJKLERSCHOPPE, ZIMMERMANN;:STG>CKELER:& 0NJKLER

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Optische Nachrichtenübermittlung mit einem Oberflächen-Optical communication with a surface

emittierenden Vertikalhohlraumlaser imemitting vertical cavity laser in

Multitransversalmoden-BetriebMulti-transverse mode operation

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Optische Nachrichtenübermittlung mit einem Oberflächenemittierenden Vertikalhohlraumlaser im Multitransversalmoden-BetriebOptical communication with a surface-emitting vertical cavity laser in multi-transverse mode operation

BeschreibungDescription

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die optische Übertragung von Signalen und insbesondere auf ein optisches Nachrichtenübermittlungsnetzwerk mit einer optischen Multimodefaser, die einen Multimodelichtstrahl von einem Oberflächen-emittierenden Vertikalhohlraumlaser empfängt, der multimodig oder mit Mehrfach-Filamentbildung betrieben wird.The present invention relates generally to optical signal transmission and, more particularly, to an optical communication network comprising a multimode optical fiber receiving a multimode light beam from a surface emitting vertical cavity laser operating in multimode or multifilamentary mode.

Optische Nachrichtenübermittlungssysteme werden verwendet, um Informationen von einem Ort zu einem anderen zu übertragen. Einer der Vorteile von optischen Systemen besteht darin, daß sie extrem große Bandbreiten haben. Das bedeutet, daß optische Systeme vielmehr Informationen übertragen können, als andere Arten von Nachrichtenübermittlungssystemen, wie z.B. Funk oder Mikrowellentechnik. Z.B. werden nahezu alle Ferntelefongespräche durch optische Nachrichtenübermittlungssysteme übertragen, da eine einzelne optische Faser tausende von Gesprächen zur gleichen Zeit übertragen kann. Optische Systeme bieten ferner das Potential, große Mengen von digitalen Daten für Hochgeschwindigkeitscomputer effizienter und ökonomischer als andere Nachrichtenübermittlungssysteme zu übertragen.Optical communication systems are used to transmit information from one place to another. One of the advantages of optical systems is that they have extremely wide bandwidths. This means that optical systems can transmit more information than other types of communication systems, such as radio or microwave technology. For example, almost all long-distance telephone calls are transmitted by optical communication systems because a single optical fiber can carry thousands of calls at the same time. Optical systems also offer the potential to transmit large amounts of digital data for high-speed computers more efficiently and economically than other communication systems.

Jedes optische Nachrichtenübermittlungssystem umfaßt mindestens drei Elemente: einen Sender, der einen LichtstrahlEvery optical communication system comprises at least three elements: a transmitter that transmits a light beam

erzeugt und den Strahl mit Daten, die übertragen werden sollen, moduliert, einen Empfänger, der den Lichtstrahl empfängt und die Daten aus diesem zurückgewinnt, und ein Medium, wie z.B. eine optische Faser, die den Lichtstrahl von dem Sender zu dem Empfänger überträgt. Typischerweise verwendet der Sender einen Laser oder eine Licht-emittierende Diode ("LED"), um den Lichtstrahl zu erzeugen. Der Empfänger verwendet Photodetektoren oder dergleichen, um den Strahl zu empfangen. Das Medium kann anstelle der optischen Faser ein optischer Wellenleiter oder dergleichen sein.and modulates the beam with data to be transmitted, a receiver that receives the light beam and recovers the data therefrom, and a medium, such as an optical fiber, that transmits the light beam from the transmitter to the receiver. Typically, the transmitter uses a laser or light-emitting diode ("LED") to generate the light beam. The receiver uses photodetectors or the like to receive the beam. The medium may be an optical waveguide or the like instead of the optical fiber.

Das Licht kann sich als einzelner Mode oder als mehrere Moden durch ein optisches Medium bewegen. Im allgemeinen kann ein "Mode" einer elektromagnetischen Welle als ein stationäres Muster der Welle definiert sein. In dem speziellen Fall eines Lichtstrahls (der im optischen Teil des Spektrums als eine elektromagnetische Welle betrachtet werden kann) ist ein Mode ein Wellenmuster, das die Form seiner transversalen Feldverteilung nicht ändert, wenn es sich durch das Medium ausbreitet.Light can travel through an optical medium as a single mode or as multiple modes. In general, a "mode" of an electromagnetic wave can be defined as a stationary pattern of the wave. In the special case of a beam of light (which can be considered an electromagnetic wave in the optical part of the spectrum), a mode is a wave pattern that does not change the shape of its transverse field distribution as it propagates through the medium.

Ein gegebenes optisches Medium kann in der Lage sein, viele Moden oder nur einen einzelnen Mode zu unterstützen. Dies wird durch die physikalischen Parameter, wie z.B. -- im Fall einer optischen Faser -- den Durchmesser der Faser und den Unterschied zwischen den Brechungsindizes des Kerns und der Hülle, bestimmt.A given optical medium may be able to support many modes or only a single mode. This is determined by the physical parameters such as -- in the case of an optical fiber -- the diameter of the fiber and the difference between the refractive indices of the core and the cladding.

Ebenso können viele Laser dazu gebracht werden mit einem einzelnen Mode oder mit mehreren Moden zu arbeiten. Dies kann durch eine geeignete Wahl der Gerätestruktur und Ansteuerbedingungen geschehen. Multimodebetrieb wurde im allgemeinen so verstanden, daß mehrere Moden in einem Laserhohlraum bestehen. Jedoch haben Studien gezeigt, daß ein Multitnodelaserbetrieb mit einer Filamentbildung aufgrund nicht gleichmäßiger Verstärkung oder Dämpfung auftreten kann. Dies gilt speziell für Laser mit, verglichen mit der Wellenlänge, großen transversalen Abmessungen. Der Bequem-Similarly, many lasers can be made to operate in a single mode or in multiple modes. This can be done by a suitable choice of device structure and driving conditions. Multimode operation has generally been understood to mean that multiple modes exist in a laser cavity. However, studies have shown that multinode laser operation can result in filament formation due to non-uniform gain or attenuation. This is especially true for lasers with large transverse dimensions compared to the wavelength. The convenience

lichkeit halber schließen die Begriffe "mehrere Moden" und "Multimode", die hierin verwendet werden, um den Betrieb eines Lasers zu beschreiben, sowohl mehrere Moden in einem einzelnen Laserhohlrautn als auch Mehrfach-Filamentbildung ein.For convenience, the terms "multiple modes" and "multimode" used herein to describe the operation of a laser include both multiple modes in a single laser cavity and multiple filamentation.

Optische Kommunikationssysteme sind verschiedenen Arten von Verlusten und Begrenzungen unterworfen. Unter diesen befinden sich intermodulare Dispersion, chromatische Dispersion und modenselektive Verluste. Diese alle bewirken eine Verschlechterung des Rauschabstandes. Daher ist es erwünscht, diese so gut wie möglich zu eliminieren oder minimieren.Optical communication systems are subject to various types of losses and limitations. Among these are intermodular dispersion, chromatic dispersion and mode-selective losses. These all cause a deterioration in the signal-to-noise ratio. Therefore, it is desirable to eliminate or minimize them as much as possible.

Die intermodale Dispersion wird schlimmer, wenn die Länge der Faser anwächst. Die intermodale Dispersion beeinflußt ausschließlich Multimodefasern. Daher sind Monomodefasern bei der Nachrichtenübermittlung über große Entfernungen bevorzugt. Der Ausdruck "große" Entfernung, der hierin verwendet wird, steht für eine Entfernung, die größer als einige hundert Meter ist, und der Ausdruck "kleine" Entfernung für eine, die kleiner als einige hundert Meter ist. Es sollte selbstverständlich offensichtlich sein, daß dies eine Näherung ist. Multimodefasern bis zu einigen Kilometern Länge wurden erfolgreich verwendet, jedoch wird gewöhnlich eine Monomodefaser verwendet, wenn die erforderliche Faserlänge ein paar hundert Meter überschreitet.Intermodal dispersion becomes worse as the length of the fiber increases. Intermodal dispersion affects only multimode fibers. Therefore, single-mode fibers are preferred for long-distance communication. The term "long" distance used herein means a distance greater than a few hundred meters, and the term "small" distance means one less than a few hundred meters. It should of course be obvious that this is an approximation. Multimode fibers up to a few kilometers in length have been used successfully, but single-mode fiber is usually used when the required fiber length exceeds a few hundred meters.

Die chromatische Dispersion wird ebenfalls schwerwiegender, wenn die Faserlänge anwächst, jedoch beeinflußt die chromatische Dispersion, anders als die intermodulare Dispersion, sowohl Monomode- als auch Multimode-Fasern. Die nachteiligen Wirkungen der chromatischen Dispersion können durch die Verwendung eines hochkohärenten Lasers minimiert werden, da ein derartiger Laser einen Lichtstrahl einer sehr schmalen spektralen Breite erzeugt. Demgemäß wurden hochkohärente Laser für die meisten optischen Nachrichtenübermittlungssysteme, besonders für die Nachrichtenübermittlung über große Entfernungen, bevorzugt.Chromatic dispersion also becomes more severe as the fiber length increases, but unlike intermodular dispersion, chromatic dispersion affects both single-mode and multimode fibers. The adverse effects of chromatic dispersion can be minimized by using a highly coherent laser, since such a laser produces a light beam of very narrow spectral width. Accordingly, highly coherent lasers have been preferred for most optical communication systems, particularly for long-distance communication.

Selbstverständlich können optische Monomode-Faser&eegr; auch über kleine Entfernungen (weniger als einige hundert Meter) verwendet werden, z.B. um digitale Daten in einem lokalen Netzwerk von einem Computer zu einem anderen zu übertragen oder sogar um Daten zwischen Punkten, die in einem einzelnen Computer weniger als einen Meter voneinander entfernt sind, zu übertragen. Jedoch sind optische Multimode-Fasern für optische Nachrichtenübermittlungssysteme mit kleinen Entfernungen bevorzugt, da die relative Leichtigkeit ihrer Verpackung und Ausrichtung diese beträchtlich günstiger macht als Monomode-Fasern. Of course, single-mode optical fibers can also be used over short distances (less than a few hundred meters), for example to transmit digital data from one computer to another in a local area network, or even to transmit data between points less than a meter apart in a single computer. However, multimode optical fibers are preferred for short distance optical communication systems, since the relative ease of their packaging and alignment makes them considerably cheaper than single-mode fibers.

Ein Nachteil von optischen Multimodemedien war, daß diese modenselektiven Verlusten unterworfen sind. Ein modenselektiver Verlust kann als eine physikalische Bedingung charakterisiert werden, die die optischen Charakteristika des Mediums beeinflußt. Diese Verluste können z.B. Verbindungsstellen im Medium, Leistungsteiler und andere Vorrichtungen, die mit dem Medium verbunden sind, und physikalische Fehler, wie z.B. Verbindungen geringer Qualität und eine Fehlausrichtung der Komponenten, sein. Obwohl derartige physikalische Verbindungen durch sorgfältige Entwicklung und Aufbau reduziert werden können, ist es in der Praxis selten möglich, ein System herzustellen, das vollständig frei von diesen ist. Daher sind alle praktisch realisierbaren optischen Multimode-Nachrichtenübermittlungssysteme zumindest einigen modenselektiven Verlusten unterworfen.A disadvantage of multimode optical media has been that they are subject to mode-selective losses. Mode-selective loss can be characterized as a physical condition that affects the optical characteristics of the medium. These losses can include junctions in the medium, power splitters and other devices connected to the medium, and physical defects such as poor quality connections and misalignment of components. Although such physical connections can be reduced by careful design and construction, in practice it is rarely possible to produce a system that is completely free of them. Therefore, all practically feasible multimode optical communication systems are subject to at least some mode-selective losses.

Der tatsächliche Mechanismus, durch den physikalische Diskontinuitäten modenselektive Verluste erzeugen, wird nun kurz erörtert. Eine Interferenz zwischen verschiedenen Moden in einem Multimodemedium, das einen kohärenten Lichtstrahl überträgt, erzeugt ein Fleckenmuster. Im idealen Fall würde dieses Fleckenmuster stationär bleiben, jedoch bewegt es sich in der Praxis etwas im Medium. Die Bewegung des Flekkenmusters kann durch physikalisches Anstoßen oder eine andere Bewegung der Faser selbst (relativ langsame Bewegung)The actual mechanism by which physical discontinuities produce mode-selective losses is now briefly discussed. Interference between different modes in a multimode medium carrying a coherent light beam produces a speckle pattern. Ideally, this speckle pattern would remain stationary, but in practice it moves somewhat in the medium. The movement of the speckle pattern can be induced by physical nudges or other movement of the fiber itself (relatively slow movement).

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oder durch Lasermode-Partitionierung und dergleichen (relativ schnelle Bewegung) verursacht werden. Eine Bewegung des Fleckenmusters in einem System mit modenselektiven Verlusten hat Leistungsveränderungen in dem empfangenen Signal zur Folge. Diese Veränderungen werden durch die modenselektiven Verluste verursacht und haben eine Verschlechterung des Rauschabständes zur Folge. In digitalen Systemen offenbart sich eine Verschlechterung des Rauschabstands selbst als eine erhöhte Bitfehlerrate.or by laser mode partitioning and the like (relatively fast motion). Motion of the speckle pattern in a system with mode-selective losses results in power changes in the received signal. These changes are caused by the mode-selective losses and result in a deterioration of the signal-to-noise ratio. In digital systems, a deterioration of the signal-to-noise ratio manifests itself as an increased bit error rate.

Modenselektive Verluste sind detaillierter in Schriften, wie Epsworth, R.E., "The Phenomenon of Modal Noise in Analogue and Digital Optical Fibre Systems", Proceedings of the 4th European Conference on Optical Communications, Genoa, September, 1978, Seiten 492 - 501, und in Kanada, T., "Evaluation of Modal Noise in Multimode Fiber-Optic Systems", IEEE Journal of Lightwave Technology, 1984, LT-2, Seiten 11 - 18, beschrieben.Mode-selective losses are described in more detail in papers such as Epsworth, R.E., "The Phenomenon of Modal Noise in Analogue and Digital Optical Fibre Systems", Proceedings of the 4th European Conference on Optical Communications, Genoa, September, 1978, pages 492 - 501, and in Kanada, T., "Evaluation of Modal Noise in Multimode Fiber-Optic Systems", IEEE Journal of Lightwave Technology, 1984, LT-2, pages 11 - 18.

Modenselektive Verluste können durch die Verwendung einer relativ niederkohärenten Lichtquelle, wie z.B. einer LED oder einer selbstpulsenden Laserdiode ("SPLD"), anstelle eines hochkohärenten Lasers vermieden werden. Die Verwendung von LEDs in optischen Nachrichtenübermittlungssystemen ist bei Soderstrom, R., u.a., "Low Cost High Performance Components of Computer Optical Date Links", Proceedings of the IEEE Laser and Electrooptics Society Meeting, Orlando, Florida, 1989, beschrieben. Ein Nachteil der Verwendung von LEDs in optischen Nachrichtenübermittlungssystemen besteht darin, daß der Koppelwirkungsgrad zwischen einer LED und einer optischen Faser sehr gering ist. Zusätzlich dazu sind LEDs inhärent langsam, was die maximale Übertragungsgeschwindigkeit begrenzt.Mode-selective losses can be avoided by using a relatively low-coherence light source, such as an LED or a self-pulsing laser diode ("SPLD"), instead of a high-coherence laser. The use of LEDs in optical communication systems is described in Soderstrom, R., et al., "Low Cost High Performance Components of Computer Optical Date Links", Proceedings of the IEEE Laser and Electrooptics Society Meeting, Orlando, Florida, 1989. A disadvantage of using LEDs in optical communication systems is that the coupling efficiency between an LED and an optical fiber is very low. In addition, LEDs are inherently slow, which limits the maximum transmission speed.

SPLDs wurden in solchen Systemen, wie der Multimodefaserdatenverbindung Hewlett-Packard HOLC-0266 Mbaud Fiber Channel, hergestellt durch die Anmelderin desselben, verwendet. Dies ist bei Bates, R.J.S., Multimode Waveguide Computer DataSPLDs have been used in such systems as the Hewlett-Packard HOLC-0266 Mbaud Fiber Channel multimode fiber data link manufactured by the assignee of the same. This is in Bates, R.J.S., Multimode Waveguide Computer Data

Links with Self-Pulsating Laser Diodes", Proceedings of the International Topical Meeting on Optical Computing, Kobe, Japan, April, 1990, Seiten 89 - 90, beschrieben. Der Koppelwirkungsgrad zwischen einer SPLD und einer optischen Faser ist besser als der zwischen einer LED und einer optischen Faser, ist jedoch noch nicht optimal. Außerdem ist die maximale Übertragungsgeschwindigkeit, die mit einer SPLD erreicht werden kann, begrenzt. Weder SPLD- noch LED-Systeme waren in der Lage, zuverlässige Übertragungsgeschwindigkeiten im Bereich von 1 Gigabit pro Sekunde zu erreichen.Links with Self-Pulsating Laser Diodes", Proceedings of the International Topical Meeting on Optical Computing, Kobe, Japan, April, 1990, pages 89 - 90. The coupling efficiency between an SPLD and an optical fiber is better than that between an LED and an optical fiber, but is not yet optimal. In addition, the maximum transmission speed that can be achieved with an SPLD is limited. Neither SPLD nor LED systems have been able to achieve reliable transmission speeds in the range of 1 gigabit per second.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches Nachrichtenübermittlungssystem, das über kurze Entfernungen arbeitet, zu schaffen, um auf eine zuverlässige und ökonomische Art und Weise Daten mit größeren Übertragungsgeschwindigkeiten als 1 Gigabit pro Sekunde zu übertragen .The object of the present invention is to provide an optical communication system operating over short distances in order to transmit data at transmission speeds greater than 1 gigabit per second in a reliable and economical manner.

Diese Aufgabe wird durch ein optisches Nachrichtenübermittlungsnetzwerk gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by an optical communication network according to claim 1.

Die vorliegende Erfindung schafft ein optisches Nachrichtenubermittlungssystem, das Daten zuverlässig und ökonomisch mittels optischer Multimodemedien mit einer beliebigen Geschwindigkeit bis zu und über 1 Gigabit pro Sekunde hinaus übertragen kann.The present invention provides an optical communication system that can transmit data reliably and economically using multimode optical media at any speed up to and beyond 1 gigabit per second.

Kurz und allgemein gesprochen ist die Erfindung in einem optischen Nachrichtenübermittlungssystem mit einem Oberflächen-emittierenden Vertikalhohlraumlaser ("SEL"; SEL = Surface-Emitting Laser = Oberflächen-emittierender Laser) verkörpert. Ein optisches Multimodemedium, wie z.B. eine optische Faser, ist mit dem SEL gekoppelt. Eine Leistungsversorgung liefert einen Vorspannungsstrom, der den SEL in einen Multitransversalmoden-Betrieb steuert, vorzugsweise mit mehr als zwei verschiedenen Moden. Der SEL erzeugt einen Lichtstrahl, der eine geringere Kohärenz aufweist, als der, der von einem Monomodelaser geliefert wird. Dieser Licht-Briefly and generally speaking, the invention is embodied in an optical communication system having a vertical cavity surface-emitting laser ("SEL"). A multimode optical medium, such as an optical fiber, is coupled to the SEL. A power supply provides a bias current that drives the SEL into multi-transverse mode operation, preferably with more than two different modes. The SEL produces a light beam that has less coherence than that provided by a single mode laser. This light-

strahl wird mit Daten moduliert, die von einem ankommenden Signal getragen werden. Der SEL hat vorzugsweise eine Öffnung, die größer als etwa 8 Mikrometer ("&mgr;&tgr;&eegr;") ist, durch die der modulierte Lichtstrahl emittiert wird.beam is modulated with data carried by an incoming signal. The SEL preferably has an aperture larger than about 8 micrometers ("μιη") through which the modulated light beam is emitted.

Das optische Medium überträgt den modulierten Lichtstrahl von dem SEL zu einem Empfänger an einem räumlich entfernten Ort. Der Empfänger, der näher als 1 Meter oder weiter als 100 Meter entfernt sein kann, gewinnt die Daten aus dem Lichtstrahl zurück.The optical medium transmits the modulated light beam from the SEL to a receiver at a remote location. The receiver, which may be closer than 1 meter or further than 100 meters away, recovers the data from the light beam.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:A preferred embodiment of the present invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines optischen Nachrichtenübermittlungssystems gemäß der Erfindung,- undFig. 1 is a schematic diagram of a preferred embodiment of an optical communication system according to the invention, and

Fig. 2 eine Querschnittansicht eines Oberflächen-emittierenden Vertikalhohlraumlasers der Art, die in dem Nachrichtenübermittlungssystem, das in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet ist.Fig. 2 is a cross-sectional view of a surface emitting vertical cavity laser of the type used in the communication system shown in Fig. 1.

Wie in den Zeichnungen zu Zwecken der Darstellung gezeigt ist, ist die Erfindung in einem neuartigen optischen Nachrichtenübermittlungssystem mit einem Oberflächen-emittierenden Vertikalhohlraumlaser ("SEL")/ der in einem Multitransversalmoden-Betrieb gesteuert wird, um einen Lichtstrahl zu liefern, der Daten zuverlässig und wirksam über ein optisches Multimodemedium überträgt, verkörpert. Um den Aufwand der Monomodefasern für die Nachrichtenübermittlung über Entfernungen von weniger als einigen hundert Metern zu vermeiden, verwendeten bestehende optische Nachrichtenübermittlungssysteme Multimodefasern, wobei derartige Systeme jedoch unannehmbar hohen Modenselektionsverlusten ausgesetzt waren, oder verwendeten niederkohärente Lichtquellen, wie z.B. LEDs und SPLDs, die nicht in der Lage waren, ausreichend hoheAs shown in the drawings for purposes of illustration, the invention is embodied in a novel optical communication system having a surface emitting vertical cavity laser ("SEL") controlled in multi-transverse mode operation to provide a light beam that reliably and efficiently transmits data over a multi-mode optical medium. To avoid the expense of single-mode fiber for communication over distances of less than a few hundred meters, existing optical communication systems used multi-mode fiber, but such systems were subject to unacceptably high mode selection losses, or used low coherence light sources such as LEDs and SPLDs that were unable to provide sufficiently high

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Übertragungsgeschwindigkeiten zu erreichen.to achieve transfer speeds.

Ein Nachrichtenübermittlungssystem gemäß der Erfindung verwendet einen SEL im Multitransversalmoden-Betrieb. Der SEL liefert einen Lichtstrahl, der eine geringere Kohärenz aufweist, als die hochkohärenten Lichtstrahlen, die typischerweise bei MonomodeSystemen verwendet werden, jedoch eine höhere Kohärenz, als die niederkohärenten Strahlen, die von LEDs und selbstpulsenden Lasern geliefert werden. Ein optisches Multimodemedium überträgt den Strahl von dem SEL zu einem Empfänger, der weniger als 1 Meter oder 100 Meter und weiter entfernt sein kann. Das System ist in der Lage, Daten bei einer beliebigen Geschwindigkeit bis zu und über 1,5 Gigabit pro Sekunde mit einer vernachlässigbaren Bitfehlerrate zu übertragen. Das System liefert alle Vorteile, wie z.B. leichte Ausrichtung, einfache Verpackung und geringe Kosten, die üblicherweise mit optischen Multimodemedien verbunden sind.A communications system according to the invention uses an SEL in multi-transverse mode operation. The SEL provides a light beam that has lower coherence than the high coherence light beams typically used in single mode systems, but higher coherence than the low coherence beams provided by LEDs and self-pulsing lasers. A multimode optical medium transmits the beam from the SEL to a receiver that may be less than 1 meter or 100 meters or more away. The system is capable of transmitting data at any speed up to and above 1.5 gigabits per second with a negligible bit error rate. The system provides all of the advantages, such as ease of alignment, simple packaging and low cost, typically associated with multimode optical media.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend detaillierter erörtert. Gemäß Fig. 1 ist die Erfindung in einem optischen Nachrichtenübermittlungsnetzwerk verkörpert, das einen SEL 11, eine Leistungsversorgung 13, die einen Vorspannungsstrom liefert, um den SEL in den Multitransversalmoden-Betrieb zu steuern und ein optisches Multimodemedium 15, das optisch mit dem SEL gekoppelt ist, um das optische Signal von dem SEL zu einem räumlich entfernt plazierten Empfänger 17 zu übertragen, umfaßt. Der SEL spricht auf ein Signal an, das Daten trägt (allgemein als 19 bezeichnet), um ein optisches Signal zu liefern, das mit den Daten moduliert ist. Der Empfänger 17, der optisch mit dem optischen Medium 15 gekoppelt ist, empfängt das modulierte optische Signal und gewinnt die Daten (allgemein als 21 bezeichnet) daraus zurück.A preferred embodiment of the invention is discussed in more detail below. Referring to Figure 1, the invention is embodied in an optical communication network comprising an SEL 11, a power supply 13 which provides a bias current to drive the SEL into multi-transverse mode operation, and a multi-mode optical medium 15 optically coupled to the SEL for transmitting the optical signal from the SEL to a remotely located receiver 17. The SEL is responsive to a signal carrying data (generally designated 19) for providing an optical signal modulated with the data. The receiver 17, optically coupled to the optical medium 15, receives the modulated optical signal and recovers the data (generally designated 21) therefrom.

Verschiedene Arten von optischen Multimodemedien, wie z.B. optische Fasern und Wellenleiter, können als das Medium 15 verwendet werden. Der SEL 11 und der Empfänger 17 sind durchVarious types of multimode optical media, such as optical fibers and waveguides, can be used as the medium 15. The SEL 11 and the receiver 17 are connected by

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geeignete Kopplungen 23 und 25 mit dem Medium 15 gekoppelt. Wie nachfolgend detaillierter erörtert wird, wird der SEL 11 vorzugsweise mit mehr als zwei verschiedenen transversalen Moden betrieben. Wie oben erwähnt wurde, kann dies eine Mehrfach-Filamentbildung beinhalten.suitable couplings 23 and 25 to the medium 15. As discussed in more detail below, the SEL 11 is preferably operated with more than two different transverse modes. As mentioned above, this may involve multiple filamentation.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des SEL 11 ist in Fig. 2 dargestellt. Der SEL wird auf ein n+ GaAs-Substrat 31 (GaAs = Gallium-Arsenid) aufgewachst. Ein unterer Ausgabespiegel, z.B. 18,5 Paare von &eegr;-dotierten GaAs/AlAs-Viertelwellenschichten (GaAs/AlAs = Gallium-Arsenid/Aluminium-Arsenid) (in den Zeichnungen allgemein mit 33 bezeichnet) wird epitaxial auf das Substrat 31 aufgewachst. Die Grenzfläche zwischen den Schichten wird unter Verwendung eines variablen Arbeitszyklusses kurzer Dauer eines AlAs/GaAs/Al (0,3) Ga (0,7) As-Supergitters ("SPSL");(SPSL = short period superlattice = Kurzdauer-Supergitter) abgestuft. Das SPSL reduziert alle Heteroübergangsbanddiskontinuitäten an der GaAs/-AlAs-Grenz fläche. Der Dotierungspegel ist l-lO-'-^cm"^ in gleichförmigen Regionen und 3-1018cm~3 in abgestuften Regionen. Zur Vereinfachung sind nur wenige der 18,5 Schichtenpaare in der Figur gezeigt. Das Reflexionsvermögen des unteren Spiegels 33 beträgt 98,9%.A preferred method of fabricating the SEL 11 is shown in Fig. 2. The SEL is grown on an n+ GaAs (gallium arsenide) substrate 31. A lower output mirror, e.g., 18.5 pairs of η-doped GaAs/AlAs (gallium arsenide/aluminum arsenide) quarter-wave layers (generally designated 33 in the drawings), is epitaxially grown on the substrate 31. The interface between the layers is graded using a short period variable duty cycle of an AlAs/GaAs/Al(0.3)Ga(0.7)As superlattice ("SPSL"). The SPSL reduces any heterojunction band discontinuities at the GaAs/AlAs interface. The doping level is 1-10-'-^cm"^ in uniform regions and 3-10 18 cm~ 3 in graded regions. For simplicity, only a few of the 18.5 layer pairs are shown in the figure. The reflectivity of the lower mirror 33 is 98.9%.

Als nächstes wird eine optische Hohlraumstruktur 35 aufgewachst. Die Hohlraumstruktur umfaßt eine n-Hüllschicht 37, eine Quantenmulde 39 und eine p-Hüllschicht 41. Die Hüllschichten 37 und 41 umfassen Al (0 . 3) Ga (0 . 7) As, dotiert auf 1■10^cm~3, reduziert auf 5-101^Cm"3 angrenzend an die Quantenmulde 39. Die Quantenmulde 3 9 umfaßt drei MQW von gespanntem In(O.2)Ga(0.8)As (Indium-Gallium-Arsenid) mit einer Dicke von etwa 80 Ä (Ä = Angstrom) , mit GaAs-Barrieren mit einer Dicke von 100 Ä.Next, an optical cavity structure 35 is grown. The cavity structure comprises an n-cladding layer 37, a quantum well 39, and a p-cladding layer 41. The cladding layers 37 and 41 comprise Al(0.3)Ga(0.7)As doped to 1-10^cm~3, reduced to 5-10 1 ^Cm" 3 adjacent to the quantum well 39. The quantum well 39 comprises three MQWs of strained In(O.2)Ga(0.8)As (indium gallium arsenide) having a thickness of about 80 Å (Å = Angstroms), with GaAs barriers having a thickness of 100 Å.

Über der Quantenmulde 35 befindet sich ein hochreflektierender oberer Spiegel 43. Das Reflexionsvermögen des oberen Spiegels ist größer als 99,96%. Der obere Spiegel 43 umfaßt z.B. 15 Paare von GaAs/AlAs-Viertelwellenschichten (allge-Above the quantum well 35 there is a highly reflective upper mirror 43. The reflectivity of the upper mirror is greater than 99.96%. The upper mirror 43 comprises, for example, 15 pairs of GaAs/AlAs quarter-wave layers (generally

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mein 45 bezeichnet), eine Phasenanpassungsschicht 47 und eine Au-Schicht 4 9 (Au = Gold). Eine Protonenisolierungsregion 51 umgibt die äußere Begrenzung der Viertelwellenschichten 45. Wie beim unteren Spiegel 33 sind nur einige der Viertelwellenschichten 45 tatsächlich in Fig. 2 gezeigt. Die Grenzflächen zwischen den Viertelwellenschichten sind auf eine Art und Weise abgestuft, die im allgemeinen ähnlich der Abstufung der Grenzflächen im unteren Spiegel 33 ist. Die Dotierpegel sind l-lO-^cirr3 in gleichförmigen Regionen und 5-1018cm~3 in abgestuften Regionen.my 45), a phase matching layer 47 and a Au layer 49 (Au = gold). A proton isolation region 51 surrounds the outer boundary of the quarter-wave layers 45. As with the lower mirror 33, only some of the quarter-wave layers 45 are actually shown in Fig. 2. The interfaces between the quarter-wave layers are graded in a manner generally similar to the grading of the interfaces in the lower mirror 33. The doping levels are 1-10-^cirr 3 in uniform regions and 5-10 18 cm~ 3 in graded regions.

Die Phasenanpassungsschicht 47, die aus GaAs besteht, kompensiert Phasenverzögerungen, die eine Folge der begrenzten Durchdringung des optischen Feldes in die Au-Schicht sind.The phase matching layer 47, which consists of GaAs, compensates for phase delays resulting from the limited penetration of the optical field into the Au layer.

Die Au-Schicht 49 ist etwa 2000 dick und wird nach dem
MBE-Aufwachsen (MBE = Molecular Beam Epitaxy = Molekularstrahl -Epitaxy) der darunterliegenden Struktur wie folgt hergestellt. Zuerst wird eine Goldschicht von 2000 auf der
GaAs-Phasenanpassungsschicht 47 abgeschieden. Dann wird ein dicker (mehr als 10 /xm) Au-Knopf auf der Oberseite plattiert, um als Maske für die Protonenisolierung zu dienen. Danach wird der Wafer protonenimplantiert. Eine Kristallstrukturbeschädigung, die aus der Protonenimplantation resultiert, liefert einen Stromeinschluß und daher eine Gewinnführung. Dann wird auf der Oberseite ein weiterer dicker Au-Knopf 53 mit einem Durchmesser von etwa 300 &mgr;&pgr;&igr; plattiert. Dieser Knopf 53 wird zur Lot-/Chip-Befestigung der fertigen Vorrichtung an einer Wärmesenke verwendet. Der Wafer wird danach auf einen Durchmesser von 125 &mgr;&khgr;&agr; geläppt und poliert und eine ringförmige Elektrode 55 wird auf der Grundfläche strukturiert. Eine Viertelwellen-Antireflexions-Beschichtung 57 aus SiO2 (Siliziumdioxid) wird in der offenen Region der Elektrode 55 abgeschieden.
The Au layer 49 is about 2000 thick and is deposited after
MBE growth (MBE = Molecular Beam Epitaxy) of the underlying structure as follows. First, a gold layer of 2000 is deposited on the
GaAs phase matching layer 47 is deposited. A thick (greater than 10 /xm) Au button is then plated on top to serve as a mask for proton isolation. The wafer is then proton implanted. Crystal structure damage resulting from the proton implantation provides current confinement and hence gain guidance. Another thick Au button 53, approximately 300 μιη in diameter, is then plated on top. This button 53 is used for solder/die attachment of the finished device to a heat sink. The wafer is then lapped and polished to a diameter of 125 μιη and an annular electrode 55 is patterned on the base surface. A quarter-wave anti-reflection coating 57 of SiO 2 (silicon dioxide) is deposited in the open region of the electrode 55.

Ein optisches Nachrichtenübermittlungssystem, das die Prinzipien der Erfindung verkörpert, wurde unter Verwendung eines relativ großflächigen SEL mit einer Öffnung von 25 &mgr;&idiagr;&eegr;,An optical communication system embodying the principles of the invention was constructed using a relatively large area SEL with an aperture of 25 μηη,

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gekoppelt mit einer optischen Faser, aufgebaut. Eine physikalische Diskontinuität wurde vorsätzlich in die Faser eingefügt. Diese Diskontinuität war eine Lücke von mehreren Millimetern. Die Lücke war einstellbar, um zwischen 3 dB und 16 dB Dämpfung zu bewirken. Die Länge der Faser zwischen dem SEL und der Lücke war 16 Meter. Dieser Abschnitt der Faser wurde mit einer Schüttelvorrichtung hin- und herbewegt, um den Effekt der Faserbewegung zu simulieren. Die Bitfehlerrate ("BFR") wurde für Lücken verschiedener Breite gemessen. Die gemessenen BFRs waren für Dämpfungen bis 10 db kleiner als 10"11.coupled to an optical fiber. A physical discontinuity was intentionally introduced into the fiber. This discontinuity was a gap of several millimeters. The gap was adjustable to provide between 3 dB and 16 dB of attenuation. The length of fiber between the SEL and the gap was 16 meters. This section of fiber was shaken back and forth to simulate the effect of fiber motion. The bit error rate ("BFR") was measured for gaps of various widths. The measured BFRs were less than 10" 11 for attenuations up to 10 db.

In den hierin beschriebenen Tests wurde eine Wellenlänge von etwa 970 Nanometern ("nm") verwendet. Es ist offensichtlich, daß die Grundsätze der Erfindung gleichermaßen auf Vorrichtungen anwendbar sind, die bei anderen Wellenlängen betrieben werden, und daß sich die physikalischen Abmessungen dementsprechend ändern werden.In the tests described herein, a wavelength of about 970 nanometers ("nm") was used. It will be apparent that the principles of the invention are equally applicable to devices operating at other wavelengths and that the physical dimensions will vary accordingly.

Bei einem weiteren Test wurde das Verhalten des großflächigen SEL mit dem eines kleineren SEL mit einer Öffnung von 12 &mgr;&tgr;&agr; verglichen. Die Schwellenströme betrugen etwa 6,5 Milliampere (mA) für den großen SEL und 4,2 mA für den kleineren. Die Schwellenspannungen betrugen 2.7 bzw. 4.5 Volt. Die Ausgangsleistung beim doppelten Schwellenstrom betrug 3.6 Milliwatt (mW) für den größeren SEL und 2,8 mW für den kleineren. Die Emissionswellenlänge betrug etwa 970 Nanometer.In a further test, the performance of the large area SEL was compared to that of a smaller SEL with an aperture of 12 μ΄α . The threshold currents were about 6.5 milliamperes (mA) for the large SEL and 4.2 mA for the smaller one. The threshold voltages were 2.7 and 4.5 volts, respectively. The output power at twice the threshold current was 3.6 milliwatts (mW) for the larger SEL and 2.8 mW for the smaller one. The emission wavelength was about 970 nanometers.

Die SELs wurden direkt durch ein "NRZ"-Signal (NRZ = Non-Return-to-Zero) mit einem Gigabit pro Sekunde bei einer maximalen Amplitude von 2 Volt und mit einer pseudozufälligen Bitfolge von 215-1 durch ein Vorspannungs-T moduliert. Die Vorspannungspegel betrugen ein mehrfaches der jeweiligen Schwellenströme. Die SELs waren direkt mit einer Multimodefaser mit einem abgestuften Index von 50/125 gekoppelt. Die Länge der Faser zwischen dem SEL und der Lücke betrug 16 m und die Lücke war für eine Dämpfung von 10 dB eingestellt. Ein optisches Dämpfungsglied wurde zwischen die Lücke undThe SELs were directly modulated by a non-return-to-zero (NRZ) signal at one gigabit per second with a maximum amplitude of 2 volts and a pseudorandom bit sequence of 2 15 -1 through a bias T. The bias levels were multiples of the respective threshold currents. The SELs were directly coupled to a multimode fiber with a graded index of 50/125. The length of the fiber between the SEL and the gap was 16 m and the gap was set for an attenuation of 10 dB. An optical attenuator was placed between the gap and

• O &phgr; # t Φ # · 9 ·&ngr; Φ &phgr;• O φ # t ? # · 9 ·&ngr; ? φ

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den Empfänger eingefügt, um die am Empfänger eintreffende optische Leistung auf 6 dB über der Empfängerempfindlichkeit zu halten.inserted into the receiver to keep the optical power arriving at the receiver at 6 dB above the receiver sensitivity.

Der Empfänger war ein Empfänger von Hewlett-Packard, Modell 83442A, der zur Multimodeverwendung mit einem 60 Mikrometer- InGaAs -Detektor und einem Multimode-FC/PC-Eingangsverbinder modifiziert wurde. Der Empfänger hatte eine -3dB-Bandbreite von 0,9 GHz. Die AC-gekoppelte Empfängerausgabe wurde vor der Erfassung auf 2,0 Volt verstärkt. Die Empfindlichkeit des Empfängers war -23 dBm für eine rauschbegrenzte Empfänger-BFR von 10"9.The receiver was a Hewlett-Packard model 83442A receiver modified for multimode use with a 60 micrometer InGaAs detector and a multimode FC/PC input connector. The receiver had a -3 dB bandwidth of 0.9 GHz. The AC-coupled receiver output was amplified to 2.0 volts prior to acquisition. The receiver sensitivity was -23 dBm for a noise-limited receiver BFR of 10" 9 .

Bei dieser Testkonfiguration wurde der SEL mit Öffnung von 25 &mgr;&pgr;&igr; für 16 Stunden ohne einen Fehler betrieben, was eine BFR von weniger als 10"^ zur Folge hatte. In weiteren Tests wurde die Länge der Faser zwischen dem SEL und der Lücke (die Lücke wurde für eine Dämpfung von 10 dB eingestellt) zwischen 6 und 406 Metern verändert und in jedem derartigen Fall betrug die BFR weniger als 10"11. Der SEL mit einer Öffnung von 12 &mgr;&pgr;\ war ebenfalls in der Lage, eine BFR von weniger als 10"-^ zu erreichen, wobei die Lücke auf etwa 4 dB Dämpfung eingestellt war.In this test configuration, the SEL with an aperture of 25 μια was operated for 16 hours without a failure, resulting in a BFR of less than 10"^. In further tests, the length of fiber between the SEL and the gap (the gap was set for 10 dB attenuation) was varied between 6 and 406 meters, and in each such case the BFR was less than 10" 11 . The SEL with an aperture of 12 μια was also able to achieve a BFR of less than 10"-^ with the gap set for about 4 dB attenuation.

Ein stark gesteuerter SEL mit einem relativ großen Oberflächengebiet ("großes Oberflächengebiet" bedeutet eine Oberflächenöffnung, die größer als etwa 8 Mikrometer ist) arbeitet mit mehreren transversalen Moden höherer Ordnung, die sich bei leicht unterschiedlichen Wellenlängen befinden. Wenn die Größe der Öffnung anwächst, wächst auch die maximale Anzahl der transversalen Moden, die erhalten werden können, an. Folglich kann ein SEL mit einer Öffnung von 25 &mgr;&tgr;&eegr; mit wesentlich mehr transversalen Moden betrieben werden, als ein SEL mit einer Öffnung von 12 &mgr;&pgr;&igr;.A highly controlled SEL with a relatively large surface area ("large surface area" means a surface aperture larger than about 8 micrometers) operates with several higher order transverse modes located at slightly different wavelengths. As the size of the aperture increases, the maximum number of transverse modes that can be obtained also increases. Consequently, an SEL with an aperture of 25 μιη can operate with significantly more transverse modes than an SEL with an aperture of 12 μιη.

Wenn die Anzahl der transversalen Moden anwächst, wächst ebenfalls die optische Bandbreite des Lichts, das von dem Laser erzeugt wird, an und die Kohärenz des Lichts nimmt ab.As the number of transverse modes increases, the optical bandwidth of the light produced by the laser also increases and the coherence of the light decreases.

Fleckensichtbarkeitsmessungen haben gezeigt, daß die Flekkensichtbarkeit eines großflächigen SEL geringer ist als die kleinerer SELs.Spot visibility measurements have shown that the spot visibility of a large-area SEL is lower than that of smaller SELs.

Trotz dem Betrieb mit mehreren transversalen Moden, arbeitet der großflächige SEL in einem stabilen einzelnen longitudinalen Mode. Ein Longitudinalmode-Partitionsrauschen, das eine Folge mehrere longitudinaler Moden ist, ist daher bei großflächigen SELs kein wesentliches Problem.Despite operating with multiple transverse modes, the large-area SEL operates in a stable single longitudinal mode. Longitudinal mode partition noise, which is a consequence of multiple longitudinal modes, is therefore not a significant problem in large-area SELs.

Bei einem Test wurde herausgefunden, daß ein SEL mit einer Öffnung von 25 &mgr;&tgr;&eegr; bei einem Steuerstrom, der das 2,3-fache des Schwellenstroms betrug, mit mindestens sechs verschiedenen transversalen Moden arbeitete. Die spektrale Breite war *\ = 0,75 nm. Wenn der Steuerstrom ausreichend reduziert wurde, um zu bewirken, daß sich der Laser in Monomodebetrieb begab, war die spektrale Breite A\ < 0,08 nm. Diese Messung wurde durch die Auflösung des optischen Spektrumanalysators begrenzt, der für diesen Test verwendet wurde. Im Gegensatz dazu wurde herausgefunden, daß ein SEL mit einer Öffnung von 12 Mikrometern bei einem Steuerstrom, der das 1,5-fache des Schwellenstroms betrug, monomodig und bei einem Steuerstrom, der das 2,5-fache des Schwellenstroms betrug, mit zwei transversalen Moden arbeitete.In one test, an SEL with an aperture of 25 μιη was found to operate with at least six different transverse modes at a drive current of 2.3 times the threshold current. The spectral width was *\ = 0.75 nm. When the drive current was reduced sufficiently to cause the laser to enter single-mode operation, the spectral width A \ was < 0.08 nm. This measurement was limited by the resolution of the optical spectrum analyzer used for this test. In contrast, an SEL with an aperture of 12 micrometers was found to operate single-mode at a drive current of 1.5 times the threshold current and with two transverse modes at a drive current of 2.5 times the threshold current.

Aus dem Gesagten wird offensichtlich, daß ein optisches Nachrichtenübermittlungssystem gemäß der Erfindung in der Lage ist, digitale Daten mit Geschwindigkeiten bis zu und über 1,5 Gigabit pro Sekunde bei sehr geringen Bitfehlerraten zu übertragen. Die Erfindung bietet ferner die Vorteile, wie z.B. leichte Ausrichtung, einfache Verpackung und geringe Kosten, die mit Systemen, die optische Multimodetnedien verwenden, verknüpft sind. Zusätzlich wird erwartet, daß SELs leichter und günstiger herzustellen sind, als andere Laserarten.From the foregoing, it will be apparent that an optical communication system according to the invention is capable of transmitting digital data at speeds up to and exceeding 1.5 gigabits per second with very low bit error rates. The invention also offers the advantages such as ease of alignment, simple packaging and low cost associated with systems using multimode optical media. In addition, SELs are expected to be easier and less expensive to manufacture than other types of lasers.

Claims (7)

1. Optisches Nachrichtenübermittlungsnetzwerk, das folgende Merkmale aufweist:
eine Oberflächen-emittierende Vertikalhohlraumlaserstruktur (11) mit einer Öffnung, die größer als 8 Mikrometer ist, durch die ein optisches Signal emittiert wird;
eine Leistungsversorgung (13), die einen Vorspannungsstrom liefert, um den Laser in einen Multitransversalmodebetrieb zu steuern, in dem der Laser auf ein Signal, das Daten (19) trägt, anspricht, um ein optisches Signal, das mit den Daten moduliert ist, zu liefern, und um das optische Signal durch die Öffnung zu emittieren; und
ein optisches Multimodemedium (25), das optisch mit dem Laser gekoppelt ist, um das optische Signal von dem Laser zu einem räumlich entfernt positionierten Empfänger (17) zu übertragen.
1. Optical communication network having the following characteristics:
a surface emitting vertical cavity laser structure ( 11 ) having an aperture larger than 8 micrometers through which an optical signal is emitted;
a power supply ( 13 ) providing a bias current to drive the laser into a multi-transverse mode operation in which the laser is responsive to a signal carrying data ( 19 ) to provide an optical signal modulated with the data and to emit the optical signal through the aperture; and
a multimode optical medium ( 25 ) optically coupled to the laser for transmitting the optical signal from the laser to a remotely positioned receiver ( 17 ).
2. Netzwerk gemäß Anspruch 1, bei dem das optische Multimodemedium eine optische Faser umfaßt. 2. A network according to claim 1, wherein the multimode optical medium comprises an optical fiber. 3. Netzwerk nach Anspruch 1, bei dem das optische Multimodemedium (25) einen optischen Wellenleiter umfaßt. 3. A network according to claim 1, wherein the multimode optical medium ( 25 ) comprises an optical waveguide. 4. Netzwerk nach Anspruch 1, das ferner einen Empfänger (17), der optisch mit dem optischen Medium (25) gekoppelt ist, umfaßt, welcher das modulierte optische Signal empfängt und die Daten (21) daraus zurückgewinnt. 4. The network of claim 1, further comprising a receiver ( 17 ) optically coupled to the optical medium ( 25 ) which receives the modulated optical signal and recovers the data ( 21 ) therefrom. 5. Netzwerk gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die Öffnung des Lasers durch ein Element (55), durch welches das modulierte optische Signal emittiert wird, bestimmt ist. 5. A network according to any preceding claim, wherein the aperture of the laser is determined by an element ( 55 ) through which the modulated optical signal is emitted. 6. Netzwerk nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem der Multitransversalmoden-Betrieb mehr als zwei verschiedene transversale Moden umfaßt. 6. A network according to any preceding claim, wherein the multi-transverse mode operation comprises more than two different transverse modes. 7. Netzwerk nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Multitransversalmoden-Betrieb eine Mehrfach-Filamentbildung umfaßt. 7. A network according to any one of claims 1 to 5, wherein the multi-transverse mode operation comprises multiple filamentation.
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