WO1996013084A1 - Verfahren zur bekämpfung der sättigung und der nichtlinearen effekte in optischen halbleiterverstärkern - Google Patents

Verfahren zur bekämpfung der sättigung und der nichtlinearen effekte in optischen halbleiterverstärkern Download PDF

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Pierre-André Besse
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    • G02B6/2808—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs
    • G02B6/2813—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs based on multimode interference effect, i.e. self-imaging
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    • H01S5/5063—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30 operating above threshold
    • H01S5/5072—Gain clamping, i.e. stabilisation by saturation using a further mode or frequency

Definitions

  • Light rays are processed in modern optics. An important function is the amplification of light rays. These beams are often guided in optical waveguides [1]. The guidance comes about because the waveguide core is limited by a reflective transition. Metal is used for this in hollow waveguides. A dielectric medium with a lower refractive index is used for total reflection in dielectric waveguides (waveguide cladding). Only those modes which fulfill the Maxwell equations can propagate in optical waveguides. The waveguides are called cut-off, monomode or multimode, depending on whether they can have none, only one mode of each polarization or several modes.
  • optical amplifiers [2] are manufactured in III-V semiconductors and integrated with other optics components.
  • a free charge carrier inversion is generated by electrical or optical pump mechanisms.
  • the III-V Semiconductors show a gain that is directly related to this inversion [3].
  • the input signals are amplified by stimulated emission in a single pass (optical traveling wave).
  • the saturation and many so-called non-linear effects are related to the fact that the inversion itself depends on the strength of the input signal.
  • a resonant optical cavity and the traveling wave path are superimposed.
  • the resonant cavity corresponds to a laser over the
  • Threshold In the laser above the threshold, the inversion and therefore the material reinforcement is constant.
  • the quality factor (Q factor) [3] of the cavity controls the inversion. A small goodness corresponds to a large gain.
  • Method [5] [6] uses the wavelength as a distinguishing characteristic.
  • the cavity is defined by grids (external [5] or internal [6]). This is therefore only resonatory at one wavelength. Weak grids are used to achieve high gain. However, the lattice efficiency should be at least so great that a resonance effect takes place. Outside of the resonator wavelength ranges, the component can be used as a traveling wave amplifier.
  • Components are sent, energy transfer from resonant laser light to the external signals takes place without the inversion being changed. The saturation and many non-linear effects are avoided. The principle works as long as the resonance condition of the resonator optical cavity is fulfilled.
  • the resonant laser light is superimposed with the amplified signals. This laser light interferes with the next amplifier. Wavelength filters are necessary in systems in order to use such fixed optical semiconductor amplifiers. - The resonant laser light is also sent backwards, which is all
  • Transmission system can interfere. Optical isolators or further wavelength filters are necessary. Both components are very difficult to integrate.
  • the object is achieved according to the method described in claims 1 to 6.
  • the general method (claim 1) follows this principle: Fixed optical amplifiers can be realized in that the resonator light and the traveling wave signals are not characterized by different wavelengths but by different complex light distributions. Under complex distribution are different amplitude and, or
  • the complex light distributions should be so different that both (resonator and traveling wave light) can be mixed and separated later.
  • the component contains the following components (Fig. 1): - Two or more separate inputs, one for the traveling wave signals and the other for the resonant light.
  • a mixer that locally superimposes the traveling wave signals and the resonant light. This mixer must receive the information of the origin of the light.
  • An amplification section in which both the resonant and the traveling wave light are superimposed and amplified.
  • a demixer that uses the information of the origin of the light (contained in the complex light distribution) to separate the resonant light from the traveling wave light and send it to two or more separate outputs.
  • the mixer input for the traveling wave signals clearly corresponds to a specific demixer output.
  • the mixer is given by a 2x2 light divider with a ratio close to 50/50, the demixer by another 2x2 light divider with a ratio close to 50/50 (Fig. 2).
  • the light from each input is distributed to both outputs in a ratio of almost 50/50.
  • the information about the origin of the light is in the relative phase of the two
  • the following components of the integrated optics can be used as 2x2 dividers: Directional coupler [1], two-mode or multi-mode interference (MMI) coupler [8], asymmetrical X-junction [9] ...
  • the amplification section in this case contains two ideally identical, separate waveguides.
  • the gain medium is placed in both waveguides.
  • a phase shifter should be inserted into a waveguide.
  • the entire component is a Mach-Zehnder interferometer [1] [10] [11] with the following properties: each input leads unambiguously to a specific one
  • One input-output pair is a resonant cavity, the other pair is an optical traveling wave path.
  • the second special method (claim 3) follows the general method.
  • the mixer is a mode mixer
  • the demixer is a mode demixer (Fig. 3).
  • the modem mixer has two inputs and one output.
  • the basic mode of an input leads to the basic mode of the output
  • the basic mode of the second input leads to the second mode of the output.
  • the mode demixer has one input and two outputs.
  • the basic mode of the input leads to the basic mode of an output.
  • the second fashion of the Input leads to the basic mode of the second output.
  • the following components of the integrated optics can be used as mode mixers and mode demixers: asymmetrical adiabatic Y junctions [9] [12], certain sequences of MMI couplers [13] [14] [15] ... Die
  • the amplification section contains a waveguide with at least two modes.
  • the entire component has the following properties: each input leads uniquely to a specific output.
  • One input-output pair is a resonant cavity, the other an optical traveling wave path.
  • the third special method (claim 4) follows the general method.
  • the mixer is a reverse mode filter
  • the demixer is a mode filter (Fig. 4).
  • the reverse mode filter has multiple inputs and a main output.
  • the basic mode of an input leads to the basic mode of the main output, the other inputs lead to the second mode of the main output.
  • the mode filter has one main entrance and several
  • Main exit in the middle (Fig. 4) are particularly suitable. Side exits bring unwanted light rays to the loss regions.
  • the gain section in this case contains a waveguide with at least two modes.
  • the entire component has the following properties: An input leads unambiguously to a certain output, this input-
  • the starting pair is the traveling wave path.
  • the other inputs and outputs form a resonant cavity.
  • Each input-output pair has different reflectivity requirements.
  • a special method (claim 5) can serve that certain facets have a certain reflection. The angle between the facet and the waveguide can be adapted from case to case. Oblique facets reduce the reflectivity very strongly [16].
  • this new method is used: the traveling wave input-output pair has a different facet angle than the other input-output pairs (Fig. 1, 2, 3, 4, 5). The pair with the oblique facet becomes an optical traveling wave path, the other inputs and outputs act as a resonant cavity.
  • Claim 6 is another method. Under certain conditions it is possible to insert a reflection point in the reinforcement section. The component then becomes a "reflective" element (Fig. 5). The mixer acts as a mixer on the way out and as a demixer on the way back. The conditions are: the mixer / demixer should be such that the traveling wave light that is sent into a waveguide is sent back into the same waveguide.
  • the resonant light is locally separated from the external signals at the output. This means that the use of wavelength filters is not mandatory.
  • Fig. 1 Principle of the general method for suppressing the saturation and the non-linear effects in optical semiconductor amplifiers.
  • 1 first input
  • 2 second input
  • 3 mixer
  • 4 amplification section with optical semiconductor amplifiers
  • 1 traveling wave input
  • 2a, b resonant inputs
  • 3c reversed mode filter
  • 4b amplification section with a multimode optical semiconductor amplifier
  • 5c mode filter
  • 6a, b resonant outputs
  • 7 traveling wave output
  • 8a, b, c, d reflection points
  • Fig. 1 Principle of the general method (claim 1) for suppressing the saturation and the non-linear effects in optical semiconductor amplifiers.
  • the traveling wave input clearly corresponds to a certain output.
  • the input-output pair ⁇ 1,7 ⁇ as traveling wave path and ⁇ 2,6 ⁇ as resonant path is illustrated as an example.
  • a pair here, for example, the pair ⁇ 2,6 ⁇
  • the second pair here for example the pair ⁇ 1,7 ⁇
  • the mixer locally overlays the light from the entrances. This component must provide information about the origin of the
  • Receive light This is then included in the complex light distribution.
  • the demixer uses the information about the origin of the light (contained in the complex light distribution) to separate the resonant light from the traveling wave light and send it to two or more separate outputs.
  • both the resonant and the traveling wave light are superimposed and are amplified by the same inverted material.
  • the arrows show the direction of light propagation.
  • the passive waveguides are in white, the semiconductor gain medium is hatched.
  • the resonant input-output pair ⁇ 2.6 ⁇ has a less inclined facet (here a vertical facet as an example) than the facet of the traveling wave input-output pair ⁇ 1.7 ⁇ .
  • claim 2 Principle of the first special method (claim 2) for suppressing the saturation and the non-linear effects in optical semiconductor amplifiers. It is based on Figure 1 in a Mach-Zehnder interferometer configuration.
  • the mixer is provided by a 2x2 light divider with a 50/50 divider ratio
  • the demixer is provided by another 2x2 light divider with a 50/50 divider ratio.
  • the information about the origin of the light is obtained in the relative phase of the two outputs, or is contained in the relative phase of the two inputs.
  • the following components of the integrated optics can be used as 2x2 dividers: directional coupler [1], two-mode or multi-mode
  • the amplification section contains two separate, ideally identical waveguides.
  • the gain medium is placed in both waveguides.
  • a phase shifter should be inserted into a waveguide.
  • both the resonant and the traveling wave light are superimposed and are amplified by the same inverted material. Typical intensity distributions are shown, black areas for the resonant input-output pair and white areas for the traveling wave input-output pair.
  • the phases of the two pairs are different and contain the information about the origin of the light. The arrows show the direction of light propagation.
  • the passive waveguides are drawn in white, the semiconductor reinforcement medium is hatched.
  • the resonant input-output pair ⁇ 2.6 ⁇ has a less inclined facet (here a vertical facet as an example) than the facet of the traveling wave input-output pair ⁇ 1.7 ⁇ .
  • the mixer is a fashion mixer
  • the demixer is a fashion mixer.
  • the modem mixer has two inputs and one output.
  • the basic mode of an input leads to the basic mode of the output
  • the basic mode of the second input leads to the second mode of the output.
  • the mode mixer has one input and two outputs.
  • the basic mode of the input leads to the basic mode of an output.
  • the second mode of the input leads to the basic mode of the second output.
  • the following components of the integrated optics can be used as fashion mixers and fashion demixers: asymmetrical adiabatic Y junctions [9] [12], certain sequences of MMI couplers [13] [14] [15] ...
  • the gain section in this case contains a waveguide with at least two modes.
  • Typical amplitude distributions are drawn with black areas for the resonant input-output pair and with white areas for the traveling wave input-output pair.
  • the arrows show the direction of light propagation.
  • the passive waveguides are in white, the semiconductor gain medium is hatched drawn.
  • the resonant input-output pair ⁇ 2.6 ⁇ has a less inclined facet (here a vertical facet as an example) than the facet of the traveling wave input-output pair ⁇ 1.7 ⁇
  • the reverse mode filter has multiple inputs and a main output.
  • the basic mode of an input leads to the basic mode of the main output, the other inputs lead to the second mode of the main output.
  • the mode filter has a main input and several outputs.
  • the basic mode of the main input leads to the basic mode of an output.
  • the second mode of the main entrance leads to the other exits.
  • MMI couplers [13] [14] can act as mode filters and reversed mode filters.
  • the amplification section contains a waveguide with at least two modes. The entire component has the following properties: An input leads unambiguously to a specific output, this input / output pair is gone from the traveling waves. The other inputs and outputs form a resonant cavity.
  • the mixer / demixer should be such that the traveling wave light that is sent into a waveguide is sent back into the same waveguide.

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Abstract

Ein fixierter optischer Halbleiterverstärker zur Verstärkung einer optischen Wanderwelle, der folgende Elemente umfasst: Zwei oder mehrere getrennte Eingänge (1, 2), einen für die Wanderwellensignale (offen) und die anderen für das resonante Licht (gefüllt); einen Mischer (3b), der die Wanderwellensignale und das resonante Licht örtlich überlagert. Dieser Mischer muss die Information der Herkunft des Lichtes erhalten; eine Vestärkungssektion (4b), in der beide, das resonante und das Wanderwellenlicht, überlagert sind und verstärkt werden; einen Entmischer (5b), der die Information der Herkunft des Lichtes (in der komplexen Lichtverteilung enthalten) benützt, um das resonante Licht vom Wanderwellenlicht zu trennen und nach zwei oder mehreren getrennten Ausgängen zu schicken. Der Mischereingang (1) für die Wanderwellensignale entspricht eindeutig einem bestimmten Entmischerausgang (7); zwei oder mehere so plazierte Reflexstellen (8), dass mindestens ein Eingang-Ausgang-Paar resonant ist, und damit die Inversion und die Verstärkung in der Verstärkungssektion begrenzt wird. Dieser optische Verstärker vermeidet Störungen durch Sättigung und nichtlineare Effekte und findet Anwendung in Telekommunikationssystemen.

Description

Verfahren zur Bekämpfung der Sättigung und der nichtlinearen Effekte in optischen Halbleiterverstärkern.
Stand der Technik
In der modernen Optik werden Lichtstrahlen verarbeitet. Eine wichtige Funktion ist dabei die Verstärkung von Lichtstrahlen. Oft werden diese Strahlen in optischen Wellenleitern [1] geführt. Die Führung kommt dadurch zustande, dass der Wellenleiterkern durch einen reflektierenden Übergang begrenzt ist. Bei Hohlraumwellenleitern wird ein Metall dazu verwendet. In dielektrischen Wellenleitern wird zur totalen Reflexion ein umgebendes Medium mit kleinerem Brechungsindex verwendet (Wellenleitermantel). In optischen Wellenleitern können nur jene Moden propagieren, welche die Maxwellgleichungen erfüllen. Die Wellenleiter werden cut-off, monomode oder multimode genannt, je nachdem ob sie keinen, nur einen Mode jeder Polarisation oder mehrere Moden führen können.
In der faseroptischen Kommunikation erfolgt die Datenübertragung mit optischen Signalen durch Glasfasern. Die Verarbeitung der optischen Signale erfolgt auf integrierten optischen Chips, die zwischen den Fasern plaziert werden. Zur Herstellung dieser Chips werden meist dünne Filmschichten auf einem Träger (Substrate wie z.B. Glas, Si, InP, GaAs...) angebracht und anschließend strukturiert. In III-V Halbleitern werden optische Verstärker [2] hergestellt und mit anderen Komponenten der Optik integriert.
In solchen optischen Halbleiterverstärkern wird eine freie Ladungsträgerin- version durch elektrische oder optische Pumpmechanismen erzeugt. Die III-V Halbleiter zeigen eine Verstärkung die direkt mit dieser Inversion in Verbindung steht [3]. Die Eingangssignale werden dabei durch stimulierte Emission in einen einzigen Durchgang (optische Wanderwelle) verstärkt. Die Sättigung und viele sogenannte nichtlineare Effekte hängen damit zusammen, dass die Inversion selber von der Stärke des Eingangssignals abhängt. Diese Effekte sind Störungen, die die Anwendung solcher Verstärker in
Telekommunikationssystemen einschränken. Zum Beispiel Intermodulationen, Übersprechen und Sättigungscharakteristiken resultieren davon.
Verschiedene Lösungen wurden vorgeschlagen, um diese Effekte klein zu halten. Das Ziel ist immer, die Inversion konstant zu halten, unabhängig davon, wie groß die optischen Signale sind. Direkte elektrische Rückkopplungen zur Kompensation oben genannter Effekte wurden getestet [4]. Diese Verfahren sind jedoch sehr kompliziert. Kürzlich wurden optische Rückkopplungen angewandt [5] [6]. Diese sogenannten fixierten optischen Halbleiterversärker sind viel einfacher im Aufbau und brauchen nur wenige Zusatzkomponenten.
Diskussion der fixierten optischen Halbleiterverstärker:
In diesen Verfahren werden eine resonante optische Kavität und der Wanderwel- lenweg überlagert. Die resonante Kavität entspricht einem Laser über der
Schwelle. Im Laser über der Schwelle ist die Inversion und deshalb auch die Materialverstärkung konstant. Der Gütefaktor (Q-Faktor) [3] der Kavität (Zum Beispeil die Reflekivität der Facette) kontrolliert die Inversion. Einer kleinen Güte entspricht eine großes Verstärkung. Das Wanderwellensignal und das resonante Lasersignal müssen unterschieden werden können. In den bekannten
Verfahren [5] [6] wird die Wellenlänge als Unterscheidungscharakteristik benützt. Die Kavität wird durch Gitter (extern [5] oder intern [6]) definiert. Diese ist deshalb nur bei einer Wellenlänge resonatorisch. Schwache Gitter werden benützt, um hohe Verstärkung zu erreichen. Der Gitterwirkungsgrad soll aber mindestens so groß sein, dass ein Resonanzeffekt stattfindet. Außerhalb der resonatorischen Wellenlängebereiche kann die Komponente als Wanderwellen¬ verstärker gebraucht werden.
In diesen fixierten optischen Halbleiterverstärkern bleibt die Inversion (und deshalb die Material Verstärkung) konstant. Wenn externe Signale durch die
Komponente gesendet werden, findet eine Energieübertragung von resona¬ torischem Laserlicht zu den externen Signalen statt, ohne dass die Inversion geändert wird. Die Sättigung und viele nichtlineare Effekte werden damit vermieden. Das Prinzip funktioniert solange, wie die Resonanzbedingung der resonatorischen optischen Kavität erfüllt ist.
Die Nachteile der bisherigen fixierten optischen Halbleiterverstärker sind: - Sie brauchen sehr feine Gitter (als Bragg Reflektoren) die sehr schwierig zu integrieren sind ("Distributed Bragg Reflector" DBR-Technik) [3]. - Die Wellenlänge ist die Unterscheidungscharachteristik zwischen resona¬ torischer optischer Kavität und Wanderwellenweg, deshalb kann das externe Signal nicht dieselbe Wellenlänge wie das resonatorische Licht haben. Dies schränkt den brauchbaren Wellenlängenbereich ein, und zwingt zur Anwendung von Gittern, um dieses unbrauchbare Gebiet klein zu halten und an den Rand der interessanten Wellenlängeregion zu setzen.
- Am Ausgang überlagert sich das resonatorische Laserlicht mit den verstärkten Signalen. Dieses Laserlicht stört den nächsten Verstärker. Wellenlängenfilter sind in Systemen notwendig um solche fixierte optische Halbleiterverstärker zu gebrauchen. - Das resonante Laserlicht wird auch rückwärts gesendet, was das gesamte
Transmissionssystem stören kann. Optische Isolatoren oder weitere Wellenlän¬ genfilter werden nötig. Beide Komponenten sind sehr schwierig zu integrieren.
Es ist Aufgabe der Erfindung: Verfahren zu entwickeln, die optische Rückkopplung in Halbleiterverstärkern erzeugen. Einfache integrierbare Elementen sind zu verwenden, der brauchbare Wellenlängenbereich soll nicht eingeschränkt werden und das resonatorische Licht soll weder vorwärts noch rückwärts in das System gestrahlt werden.
Die Aufgabe wird nach den, in den Ansprüchen 1 bis 6 beschriebenen Verfahren gelöst. Das allgemeine Verfahren (Anspruch 1) folgt diesem Prinzip: Fixierte optische Verstärker können realisiert werden, indem das resonatorische Licht und die Wanderwellensignale nicht durch unterschiedliche Wellenlänge, sondern durch verschiedene komplexe Lichtverteilungen gekennzeichnet sind. Unter komplexer Verteilung sind unterschiedliche Amplituden- und, oder
Phasen Verteilungen zu verstehen. Die komplexen Lichtverteilungen sollen so unterschiedlich sein dass beide (resonatorisches und Wanderwellenlicht) gemischt und später getrennt werden können. Das Bauteil enthält folgende Komponenten (Fig .1 ) : - Zwei oder mehrere getrennte Eingänge, einen für die Wanderwellensignale und die anderen für das resonante Licht.
- Ein Mischer, der die Wanderwellensignale und das resonante Licht örtlich überlagert. Dieser Mischer muß die Information der Herkunft des Lichtes erhalten. - Eine Verstärkungssektion, in der beide, das resonante und das Wanderwellen¬ licht, überlagert sind und verstärkt werden.
- Ein Entmischer, der die Information der Herkunft des Lichtes (in der komplexen Lichtverteilung enthalten) benützt, um das resonante Licht vom Wanderwellenlicht zu trennen und nach zwei oder mehrere getrennten Ausgängen zu schicken. Der Mischereingang für die Wanderwellensignale entspricht eineindeutig ein bestimmter Entmischerausgang.
- Zwei oder mehrere so plazierte Reflexstellen, dass mindestens ein Eingang- Ausgang-Paar resonant und damit die Inversion und die Verstärkung in der Verstärkungssektion begrenzt wird (kein Gitter ist notwendig, eine Fabry-Perot Kavität [3] reicht). Zudem sind, bei dem Wanderwellen Eingang- Ausgang-Paar, die üblichen Maßnahmen vorzusehen, um störende Reflexionen zu vermeiden (zum Beispiel: Anti-Reflexions Beschichtungen, schräge Ausgangsfazetten, [7] ...). Dieses sogennantes wanderwellen Eingang-Ausgang-Paar erfährt eine begrenzte Verstärkung und erfüllt die Voraussetzungen für einen optischen Wanderwellen weg. Die beschränkte Inversion (und Verstärkung) impliziert, dass die Sättigungseffekte und die damit zusammenhängenden nichtlinearen Effekte stark reduziert sind.
Von diesen allgemeinen Verfahren kann man drei spezielle Verfahren herleiten. Das erste spezielle Verfahren (Anspruch 2) folgt dem allgemeinen Verfahren.
Der Mischer ist durch einen 2x2 Lichtteiler mit Teilerverhältnis nahe bei 50/50, der Entmischer durch einen weiteren 2x2 Lichtteiler mit Teilerverhältnis nahe bei 50/50 gegeben (Fig 2). In diesen Komponenten wird das Licht eines jeden Einganges auf beide Ausgänge im Verhältnis von nahezu 50/50 verteilt. Die Information über die Herkunft des Lichtes ist in der relativen Phase der beiden
Aus- respektive Eingänge enthalten. Zum Beispiel können als 2x2 Teiler folgende Komponenten der integrierten Optik verwendet werden: Richtungs- koppler [1], Zwei-Mode oder Multi-Mode Interferenz (MMI)-Koppler [8], asymmetrische X-Junktions [9]... Die Verstärkungssektion enthält in diesem Fall zwei idealerweise identische, voneinander getrennte Wellenleiter. Das Verstärkungsmedium wird in beide Wellenleiter plaziert. Im Fall von nicht identische Wellenleiter soll ein Phasen¬ schieber in ein Wellenleiter eingesetzt werden. Das gesamte Bauteil ist ein Mach-Zehnder Interferometer [1] [10] [11] mit folgende Eigenschaften: jeder Eingang führt eineindeutig zu einem bestimmten
Ausgang. Ein Eingang- Ausgang-Paar ist eine resonante Kavität, das andere Paar ist ein optischer Wanderwellenweg.
Das zweite spezielle Verfahren (Anspruch 3) folgt dem allgemeinen Verfahren. Der Mischer jedoch ist ein Mode-Mischer, der Entmischer ein Mode-Entmischer (Fig.3). Der Modemischer hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Der
Grundmode eines Eingangs führt zum Grundmode des Ausgangs, der Grundmode des zweiten Eingangs führt zum zweiten Mode des Ausgangs. Der Mode-Entmischer hat einen Eingang und zwei Ausgänge. Der Grundmode des Eingangs führt zum Grundmode eines Ausgangs. Der zweite Mode des Eingangs führt zum Grundmode des zweiten Ausgangs. Zum Beispiel können als Mode-Mischer und Mode-Entmischer folgende Komponenten der integrierten Optik verwendet werden: asymmetrische adiabatische Y-Junktions [9] [12], bestimmte Reihenfolgen von MMI-Kopplem [13][14][15]... Die Verstärkungssektion enthält in diesem Fall einen Wellenleiter mit minde- stens zwei Moden. Das gesamt Bauteil hat folgende Eigenschaften: jeder Eingang führt eineindeutig zu einem bestimmten Ausgang. Das eine Eingang-Ausgang-Paar ist eine resonante Kavität, das andere ein optischer Wanderwellenweg.
Das dritte spezielle Verfahren (Anspruch 4) folgt dem allgemeinen Verfahren.
Der Mischer jedoch ist ein umgekehrte Mode-filter, der Entmischer ein Mode- Filter (Fig.4). Der umgekehrte Modefilter hat mehreren Eingänge und einen Hauptausgang. Der Grundmode eines Eingangs führt zum Grundmode des Hauptausgangs, die anderen Eingängen führen zum zweiten Mode des Hauptausgangs. Der Mode-Filter hat einen Haupteingang und mehrere
Ausgänge. Der Grundmode des Haupteingangs führt zum Grundmode eines Ausgangs. Der zweite Mode des Haupteingangs führt zu den anderen Ausgängen. Zum Beispiel können MMI- Kopplern [13] [14] als Mode-Filter und umgekehrte Mode-Filter wirken. Besonders MMI-Koppler der Länge L=3Lc/4 mit ein Eingang in der Mitte und zwei Eingänge ganz am Rand, und ein
Hauptausgang in der Mitte (Fig.4) sind besonders geeignet. Nebenausgänge bringen unerwunchte Lichtstahlen zur Verlustregionen.
Die Verstärkungssektion enthält in diesem Fall einen Wellenleiter mit mindestens zwei Moden. Das gesamt Bauteil hat folgende Eigenschaften: Ein Eingang führt eineindeutig zu einem bestimmten Ausgang, diese Eingang-
Ausgangs-Paar ist der Wanderwellenweg. Die anderen Ein- und Ausgänge bilden eine resonante Kavität.
Jedes Eingang-Ausgang-Paar hat unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf die Reflektivität. Ein spezielles Verfahren (Anspruch 5) kann dazu dienen, dass gewisse Fazetten eine bestimmte Reflexion haben. Den Winkel zwischen der Fazette und dem Wellenleiter kann von Fall zu Fall adaptiert werden. Schräge Fazetten reduzieren die Reflektivität sehr stark [16]. Zuzüglich zu obgenannten Verfahren (Ansprüche 1 bis 4) wird dieses neue Verfahren angewendet: Das Wanderwellen Eingang- Ausgang-Paar hat einen anderen Fazettenwinkel als die anderen Eingang-Ausgang-Paare (Fig.1,2,3,4,5). Das Paar mit der schrägeren Fazette wird zu einem optischen Wanderwellenweg, die anderen Ein- und Ausgänge wirken als resonanten Kavität.
Anspruch 6 ist ein weiteres Verfahren. Unter bestimmten Bedingungen ist es möglich eine Reflexionsstelle in der Verstärkungssektion einzuführen. Das Bauteil wird dann zu einem "reflektierenden" Element (Fig.5). Der Mischer wirkt im Hinweg als Mischer und im Rückweg als Entmischer. Die Bedingungen sind: der Mischer/Entmischer soll so sein dass das Wanderwellenlicht, das in einen Wellenleiter gesendet wird, in denselben Wellenleiter zurückgesendet wird.
Die Vorteile der Entdeckung sind die folgenden: - Kein Gitter wird gebraucht. Die Integration wird damit viel einfacher. - Der Wellenlängenbereich für externe Signale wird nicht eingeschränkt.
- Das resonante Licht wird am Ausgang örtlich von den externen Signalen getrennt. Damit ist der Gebrauch von Wellenlängenfiltern nicht zwingend.
- Das resonante Licht gelangt nicht zurück in den Eingang wo externe Signale eingeführt werden. Dadurch ist der Gebrauch von Wellenlängenfiltern und optischen Isolatoren nicht zwingend.
Fig. 1 Prinzip des allgemeinen Verfahrens zur Unterdrückung der Sättigung und der nichtlinearen Effekte in optischen Halbleiterverstärkern. 1= erster Eingang, 2= zweiter Eingang, 3= Mischer, 4= Verstärkungssektion mit optischen Halbleiterverstärkern,
5= Entmischer, 6= erster Ausgang, 7= zweiter Ausgang, 8= Reflexionsstellen. Fig. 2 Prinzip des ersten speziellen Verfahrens zur Unterdrückung der Sätti¬ gung und der nichtlinearen Effekte in optischen Halbleiterverstärkern. Es basiert auf einer Mach-Zehnder Interferometer Konfiguration.
1= erster Eingang, 2= zweiter Eingang, 3a= 2x2 Lichtteiler mit Teiler¬ verhältnis 50/50, 4a= Verstärkungssektion mit zwei optischen Halblei¬ terverstärkern, 5a= 2x2 Lichtteiler mit Teilerverhältnis 50/50, 6= erster Ausgang, 7= zweiter Ausgang, 8= Reflexionsstellen. 1 l=Phasenschieber.
Fig. 3 Prinzip des zweiten speziellen Verfahrens zur Unterdrückung der Sät¬ tigung und der nichtlinearen Effekte in optischen Halbleiterverstärkern. Es basiert auf einer Mode-Mischer/-Entmischer Konfiguration. 1= erster Eingang, 2= zweiter Eingang, 3b= Modemischer, 4b= Verstärkungssektion mit einem multimodigen optischen Halblei¬ terverstärker, 5b= Modeentmischer, 6= erster Ausgang, 7= zweiter Ausgang, 8= Reflexionsstellen. Fig.4 Prinzip des dritten speziellen Verfahrens zur Unterdrückung der Sätti¬ gung und der nichtlinearen Effekte in optischen Halbleiterverstärkern. Es basiert auf einer umgekehrte Mode-Filter Mode-Filter Konfigura¬ tion.
1= Wanderwellen Eingang, 2a,b= Resonante Eingänge, 3c= umgeke¬ hrte Mode-Filter, 4b= Verstärkungssektion mit einem multimodigen optischen Halbleiterverstärker, 5c= Mode-Filter, 6a,b= resonante Aus- gänge, 7= Wanderwellen Ausgang, 8a,b,c,d= Reflexionsstellen,
9a,b,c,d=Nebenwellenleiter um das unerwünchte Licht wegzuführen, 1 Oa,b,c,d=Verluststellen. Fig.5 Prinzip des "reflektierenden" Elementes, basierend auf dem allgemein¬ en Verfahren mit einer Reflexionsstelle in der Verstärkungssektion. la= erster Ein- Ausgang, 2a= zweiter Ein- Ausgang, 3d= Mischer/Ent¬ mischer, 4= Verstärkungssektion mit optischen Halbleiterverstärkern, 8= Reflexionsstellen, 9= Reflexionsstelle in Verstärkungssektion.
Fig. 1 Prinzip des allgemeinen Verfahrens (Anspruch 1) zur Unterdrückung der Sättigung und der nichtlinearen Effekte in optischen Halbleiterver¬ stärkern. Den Wanderwellen Eingang entspricht eineindeutig einem bestimmten Ausgang. Illustriert wird als Beispiel das Eingang-Aus¬ gang-Paar { 1,7} als Wanderwellenweg und {2,6} als resonante Weg. Ein Paar (hier zum Beispiel das Paar { 2,6 } ) wird mit zwei Reflexions¬ stellen versehen und dient als optische Rückkopplung, um die Ladung¬ strägerinversion in der Verstärkungssektion zu begrenzen. Das zweite Paar (hier zum Beispiel das Paar { 1,7 } }) dient als optischer Wander¬ wellenverstärker. Der Mischer überlagert das Licht von den Eingängen örtlich. Diese Komponente muß die Information über die Herkunft des
Lichtes erhalten. Diese ist dann in der komplexen Lichtverteilung en¬ thalten. Der Entmischer benützt die Information über die Herkunft des Lichtes (enthalten in der komplexen Lichtverteilung), um das resonante Licht vom Wanderwellenlicht zu trennen und nach zwei oder mehreren getrennten Ausgängen zu schicken. In der Verstärkungssektion sind beide, das resonante und das Wanderwellenlicht, überlagert und wer¬ den durch dasselbe invertierte Material verstärkt. Die Pfeile zeigen die Richtung der Lichtpropagation. Im Weiss sind die passiven Wellenleiter, schraffiert ist das Halbleiter Verstärkungsmedi- um gezeichnet.
Gemäß Anspruch 5, hat das resonante Eingang- Ausgang-Paar {2.6} eine weniger schräge Fazette (hier als Beispiel eine senkrechte Fazette) als die Fazette des Wanderwellen Eingang- Ausgang-Paars { 1,7} . Fig.2 Prinzip des ersten speziellen Verfahrens (Anspruch 2) zur Unter- drükkung der Sättigung und der nichtlinearen Effekte in optischen Hal¬ bleiterverstärkern. Es basiert auf Figur 1 in einer Mach-Zehnder Interferometer Konfiguration. Der Mischer ist durch einen 2x2 Lichtteiler mit Teilerverhältnis 50/50, der Entmischer durch einen weiteren 2x2 Lichtteiler mit Teilerverhält¬ nis 50/50 gegeben. Die Information über die Herkunft des Lichtes wird in der relativen Phase der beiden Ausgänge erhalten, respektive ist in der relativen Phase der beiden Eingängen enthalten. Zum Beispiel kön¬ nen als 2x2 Teiler folgende Komponenten der integrierten Optik ver- wendet werden: Richtungskoppler [1], Zwei-Mode oder Multi-Mode
Interferenz (MMI)-Koppler [8], asymmetrische X-Junktions [9] ... Die Verstärkungssektion enthält zwei getrennte, idealerweise identische Wellenleiter. In beiden Wellenleiten wird das Verstärkungsmedium plaziert. Im Fall von nicht identische Wellenleiter soll ein Phasenschie- ber in ein Wellenleiter eingesetzt werden. In der Verstärkungssektion sind beide, das resonante und das Wanderwellenlicht, überlagert und werden durch dasselbe invertierte Material verstärkt. Typische Inten¬ sitätsverteilungen sind eingezeichnet, schwarze Flächen für das reso¬ nante Eingangs-Ausgangs-Paar und weiße Flächen für das Wanderwellen Eingangs-Ausgangs-Paar. In den Verstärkungssektion sind die Phasen der beiden Paare unterschiedlich und enthalten die In¬ formation über die Herkunft des Lichts. Die Pfeile zeigen die Richtung der Lichtpropagation. Die passiven Wellenleiter sind in Weiss, das Hal- bleiter Verstärkungsmedium schraffiert gezeichnet. Gemäß Anspruch 5, hat das resonante Eingang- Ausgang-Paar {2.6} eine weniger schräge Fazette (hier als Beispiel eine senkrechte Fazette) als die Fazette des Wanderwellen Eingang- Ausgang-Paars { 1,7 } .
Fig. 3 Prinzip des zweiten speziellen Verfahrens (Anspruch 3) zur Unter- drükkung der Sättigung und der nichtlinearen Effekte in optischen Hal¬ bleiterverstärkern. Es basiert auf Figur 1 mit einer Mode-Mischer/- Entmischer Konfiguration.
Der Mischer ist ein Modemischer, der Entmischer ein Modeentmi scher. Der Modemischer hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Der Grund¬ mode eines Eingangs führt zum Grundmode des Ausgangs, der Grund¬ mode des zweiten Eingang führt zum zweite Mode des Ausgangs. Der Modeentmischer hat einen Eingang und zwei Ausgänge. Der Grund¬ mode des Eingangs führt zum Grundmode eines Ausgangs. Der zweite Mode des Eingangs führt zum Grundmode des zweiten Ausgangs. Zum Beispiel können als Modemischer und Modeentmischer folgende Kom¬ ponenten der integrierten Optik verwendet werden: asymmetrische ad¬ iabatische Y-Junktions [9] [12], bestimmte Reihenfolgen von MMI- Kopplem [13][14][15]...
Die Verstärkungssektion enthält in diesem Fall einen Wellenleiter mit mindestens zwei Moden.
Typische Amplitudenverteilungen werden gezeichnet mit schwarzen Flächen für das resonante Eingangs-Ausgangs-Paar und mit weissen Flächen für das Wanderwellen Eingangs-Ausgangs-Paar. Die Pfeile zeigen die Richtung der Lichtpropagation. In Weiss sind die passiven Wellenleiter, schraffiert ist das Halbleiter Verstärkungsmedium gezeichnet.
Gemäß Anspruch 5, hat das resonante Eingangs-Ausgangs-Paar {2.6} eine weniger schräge Fazette (hier als Beispiel eine senkrechte Fazette) als die Fazette des Wanderwellen Eingang- Ausgang-Paars { 1,7}
Fig.4 Prinzip des dritten speziellen Verfahrens (Anspruch 4) zur Unter- drükkung der Sättigung und der nichtlinearen Effekte in optischen Hal¬ bleiterverstärkern. Es basiert auf ein umgekehrte Mode-filter und ein Mode-Filter (Fig.4). Der umgekehrte Modefilter hat mehreren Eingänge und einen Hauptausgang. Der Grundmode eines Eingangs führt zum Grundmode des Hauptausgangs, die anderen Eingängen führen zum zweiten Mode des Hauptausgangs. Der Mode-Filter hat einen Haupteingang und mehrere Ausgänge. Der Grundmode des Haupteingangs führt zum Grundmode eines Ausgangs. Der zweite Mode des Haupteingangs führt zu den anderen Ausgängen. Zum Beispiel können MMI-Kopplem [13][14] als Mode-Filter und umgeke¬ hrte Mode-Filter wirken. Besonders MMI-Koppler der Länge L=3Lc/4 mit ein Eingang in der Mitte und zwei Eingänge ganz am Rand, und ein Hauptausgang in der Mitte (Fig.4) sind besonders geeignet. Nebenaus¬ gänge bringen unerwunchte Lichtstahlen zur Verlustregionen. Die Ver¬ stärkungssektion enthält in diesem Fall einen Wellenleiter mit mindestens zwei Moden. Das gesamt Bauteil hat folgende Eigenschaf¬ ten: Ein Eingang führt eineindeutig zu einem bestimmten Ausgang, diese Eingang- Ausgangs-Paar ist der Wanderwellen weg. Die anderen Ein- und Ausgänge bilden eine resonante Kavität. Gemäß Anspruch 5, haben die resonanten Ein- Ausgängen {2ab, 6ab} eine weniger schräge Fazette (hier als Beispiel eine senkrechte Fazette) als die Fazette des Wanderwellen Eingang- Ausgang-Paars { 1,7}.
Fig. 5 Prinzip des "reflektierenden" Elementes (Anspruch 6), basierend auf dem allgemeinen Verfahren mit einer Reflexionsstelle in der Ver¬ stärkungssektion. Der Mischer wirkt im Hinweg als Mischer und im
Rückweg als Entmischer. Die Bedingungen sind: der Mischer/Ent- mi scher soll so sein dass das Wanderwellenlicht, das in einen Wellen¬ leiter gesendet wird, in denselben Wellenleiter zurückgesendet wird.
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren um fixierte optische Verstärker zu realisieren, indem das reso¬ nante Licht und die Wanderwellensignale durch verschiedene komplexe Lichtverteilungen gekennzeichnet sind so dass beide, das resonante und das Wanderwellenlicht, gemischt und später getrennt werden können.
Das Bauteil enthält folgende Komponenten (Fig.l):
- ein getrennte Eingang- Ausgang-Paar für die Wanderwellensignale und andere Wege für das resonante Licht,
- ein Mischer, der die Wanderwellensignale und das resoonante Licht örtlich überlagert,
- eine Verstärkungssektion, in welcher beide, das resonante und das Wan¬ derwellenlicht, überlagert sind und verstärkt werden,
- ein Entmischer, der die Information über die Herkunft des Lichtes benützt um das resonante Licht vom Wanderwellenlicht zu trennen und nach zwei oder mehreren getrennten Ausgängen zu schicken,
- zwei oder mehrere so plazierte Reflexstellen, dass mindestens ein Ein¬ gang-Ausgang-Paar resonant und damit die Inversion und die Verstärkung in der Verstärkungssektion begrenzt wird.
Zudem sind, bei mindestens ein sogennantes Wanderwellen Eingang- Aus- gang-Paar, Maßnahmen vorzusehen, um störende Reflexionen zu vermei¬ den.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer du¬ rch einen 2x2 Lichtteiler mit Teilerverhältnis nahe an 50/50 und der Ent- mischer durch einen weiteren 2x2 Lichtteiler mit Teilerverhältnis nahe an 50/50 gebaut sind (Fig 2), und auch dadurch gekenntzeichnet, dass die
Verstärkungssektionen in zwei getrennte, idealerweise identische Wellen¬ leiter plaziert sind, so dass das gesamte Bauteil ein Mach-Zehnder Interfer- ometer mit folgenden Eigenschaften ist: jeder Eingang führt eineindeutig zu einem bestimmten Ausgang, das eine Eingangs-Ausgangs-Paar ist eine resonante Kavität und das Andere ein optischer Wanderwellenweg.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer ein Modemischer ist, dass der Entmischer ein Modeentmischer ist (Fig.3), und dass die Verstärkungssektion einen Wellenleiter mit mindestens zwei Moden ist, zudem hat das gesamte Bauteil folgende Eigenschaften: jeder Eingang führt eineindeutig zu einem bestimmten Ausgang, ein Eingangs-
Ausgangs-Paar entspricht einer resonanten Kavität, das Andere einem op¬ tischen Wanderwellenweg.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer ein umgekehrte Mode-filter ist, dass der Entmischer ein Mode-Filter (Fig.4) ist, dass Nebenausgänge unerwunchte Lichtstahlen zur Verlustregionen bringen und dass die Verstärkungssektion einen Wellenleiter mit mind¬ estens zwei Moden enthält, zudem hat das gesamt Bauteil folgende Eigenschaften: ein Eingang führt eineindeutig zu einem bestimmten Aus¬ gang, diese Eingang- Ausgangs-Paar ist der Wanderwellenweg, die anderen Ein- und Ausgänge bilden eine resonante Kavität.
5. Verfahren nach Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Win¬ kel zwischen der Fazette und dem Wellenleiter dazu dient, die Reflektiv- itäten so zu beeinflussen, dass das Wanderwellen Eingang-Ausgang-Paar vernachlässigbare Reflektivitäten sieht und dass die anderen Ein- und Aus- gänge als resonanten Kavität wirken.
6. Verfahren um reflektierende Elemente (Fig.5), die auf den Ansprüchen 1 bis 5 basieren, zu machen, wobei eine Reflexionsstelle in der Ver¬ stärkungssektion eingeführt ist und wobei das Wanderwellenlicht, das in einen Wellenleiter gesendet wird, in denselben Wellenleiter zurückgesen- det wird.
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