DE60100777T2

DE60100777T2 - Optischer Wellenlängenkonverter

Info

Publication number: DE60100777T2
Application number: DE60100777T
Authority: DE
Inventors: Charles H. Red Bank Joyner; Jacco Leonard Morganville Pleumeekers
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: DE60100777D1; CA2353416C; EP1195639A1; US6603592B1; EP1195639B1; JP2002156671A; CN1347224A; CA2353416A1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die optische Kommunikation allgemein und insbesondere einen optischen Wellenlängenumsetzer.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
DWDM-Systeme (dense wavelenght division multiplexing) liefern zahlreiche Wellenlängenkanäle, um optische Signale über Regional- und Fernverkehrsanwendungen zu übertragen. DWDM-Systeme verwenden Wellenlängenumsetzer, um zur effizienten Ausnutzung von Spektren mit einer begrenzten optischen Bandbreite Wellenlängenkanäle umzuordnen und neu zuzuordnen. Wellenlängenumsetzer sind zunehmend erforderlich, um optische Signale zwischen dem 1300 Nanometer Wellenlängenband (Regionalverkehrsanwendungen) und dem 1500 Nanometer Wellenlängenband (Fernverkehrsanwendungen) umzusetzen.
Wellenlängenumsetzer zwischen dem 1300 nm und dem 1500 nm Band haben in der Vergangenheit ein optischelektrisch-optisches Design („OEO") verwendet. Durch die Umsetzung eines optischen Datensignals in eine elektrische Darstellung und zurück in ein optisches Schema sind jedoch den Datenübertragungsraten Begrenzungen auferlegt worden. Auf OEO-Wellenlängen basierende Systeme für die 1300 nm und 1500 nm Umsetzung lagen bei etwa 620 MB/s. Infolgedessen ist zur Vergrößerung der Datenübertragungsraten auf über 2,5 GB/s in die Entwicklung optischer Netze mit weniger elektrischen Komponenten erhebliche Untersuchungsarbeit investiert worden.
Diese Bemühungen haben zu der Entwicklung optischoptischer Wellenlängenumsetzer („OO") geführt. Aus Barnsley und Fiddyment in IEEE Photonics Technology Letters, Band 3, Nr. 3, März 1991 (im weiteren „Barnsley") ist ein OO-Wellenlängenumsetzer bekannt, der eine SOA-(semiconductor optical amplifier) Konfiguration für das Verstärken optischer Leistung im 1500 nm Band verwendet. Barnsley schlägt vor, ein verstärktes Dauerstrichsignal („cw") im 1500 nm Band mit dem binären Wert jedes Bit eines Datenstroms in einem 1300 nm Band zu modulieren. Dadurch wird ein Datenstrom im 1500 nm Band erzeugt. Durch das Verstärken des Dauerstrichsignals im 1500 nm Band beim Bilden des Datenstroms im 1500 nm Band erzeugt die SOA-Konfiguration jedoch auch eine verstärkte spontane Emission im 1500 nm Band. Der OO-Umsetzer von Barnsley erzeugt somit unerwünschtes Rauschen auf der gleichen Wellenlänge wie der umgesetzte Datenstrom im 1500 nm Band.
Ein alternativer OO-Umsetzer ist von Lacey et al. in IEEE Photonics Technology Lettters, Band 8, Nr. 7, Juli 1996 (im folgenden „Lacey") dargelegt worden. Lacey schlägt ein Mach-Zehnder-Interferometer („MZI") mit zwei Wellenleiterzweigen vor, die jeweils ein optisches Dauerstrichsignal im 1500 nm Band empfangen. Bei einem dieser Zweige induziert ein Datenstrom im 1300 nm Band eine relative Phasenverschiebung von etwa 180 Grad in einem 1300 nm Band-SOA. Die relative Phasenverschiebung zwischen den Zweigen bewirkt, wenn sie vorliegt, eine auslöschende Interferenz, um die Signalamplitude am Ausgang des MZI zu reduzieren. Dadurch entspricht der von dem MZI im 1500 nm Band ausgegebene Datenstrom dem Komplement jedes Bit eines Datenstroms im 1300 nm Band. Folglich hängt der OO-Umsetzer von Lacey davon ab, daß eine Phasenverschiebung von genau 180 Grad erzeugt wird. Da zwischen der Eingangsleistung des 1300 nm Datensignals und der durch den SOA erzeugten Phasenverschiebung eine Beziehung vorliegt, ist der OO-Umsetzer von Lacey gegenüber Eingangsleistung leider extrem empfindlich.
Es besteht als solches ein Bedarf an einem OO-Wellenlängenumsetzer zum Umsetzen optischer Daten zwischen einer 1300 nm Wellenlänge und einer 1500 nm Wellenlänge ohne verstärktes spontanes Emissionsrauschen. Außerdem existiert ein Bedarf an einem OO-Wellenlängenumsetzer zum Umsetzen optischer Daten zwischen einer 1300 nm Wellenlänge und einer 1500 nm Wellenlänge, der gegenüber dem Eingangssignal weniger empfindlich ist.
Ma et al. beschreibt in IEEE Photonics Technology Letters, Band 11, Nr. [2], Februar 1999, Seiten 188–190, „Realization of all-optical wavelength converter based on directionally coupled semiconductor optical amplifiers" einen optisch-optischen Wellenlängenumsetzer zum Umsetzen eines optischen Datensignals von einer ersten Wellenlänge im 1500 nm Wellenlängenband zu einer zweiten Wellenlänge im 1500 nm Wellenlängenband mit einem Richtkoppler mit einem ersten Wellenleiter zum Empfangen eines optischen Datensignals mit einer ersten Wellenlänge im 1500 nm Wellenlängenband (in diesem Beispiel 1,554 μm) und einem zweiten Wellenleiter zum Empfangen eines optischen Dauerstrichsignals mit einer zweiten Wellenlänge im 1500 nm Wellenlängenband (in diesem Beispiel 1,549 μm). Das optische Dauerstrichsignal wird als Reaktion auf eine binäre Null im ursprünglichen optischen Datensignal vom zweiten Wellenleiter zum ersten Wellenleiter gekoppelt, während das optische Dauerstrichsignal sich als Reaktion auf eine binäre Eins in dem ursprünglichen optischen Datensignal weiterhin durch den zweiten Wellenleiter ausbreitet.
Kurze Darstellung der Erfindung
Ein optisch-optischer Wellenlängenumsetzer gemäß der Erfindung ist wie in Anspruch 1 dargelegt. Bevorzugte Formen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Wir haben einen OO-Wellenlängenumsetzer erfunden, der einen Richtkoppler verwendet, um optische Daten von einem ersten Wellenlängenband in ein zweites Wellenlängenband umzusetzen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein OO-Wellenlängenumsetzer offenbart zum Umsetzen mehrerer optischer Bit von einem 1300 nm Wellenlängenband zu einem 1500 nm Wellenlängenband. Der OO-Wellenlängenumsetzer verwendet einen Richtkoppler mit mindestens einem optischen Element wie etwa einem SOA, um seinen Brechungsindex als Reaktion auf den Empfang optischer Leistung im 1300 nm Wellenlängenband zu ändern. Der SOA bewirkt, daß ein Dauerstrichsignal („cw") im 1500 nm Wellenlängenband mit einem Ausgangsport gekoppelt wird, falls ein Bit der mehreren optischen Bit eine binäre Eins ist. Dadurch arbeitet ein sich durch den Ausgangsport ausbreitendes optisches Signal auf der zweiten Wellenlänge und entspricht vom binären Wert her den mehreren optischen Bit im 1300 nm Wellenlängenband.
Diese und weitere Ausführungsformen, Vorteile und Aufgaben ergeben sich dem Fachmann durch die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Ansprüchen und den sich daran anschließenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung läßt sich aus der Lektüre der folgenden Beschreibung der nicht einschränkenden Ausführungsformen besser verstehen, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
2 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Der OO-Wellenlängenumsetzer der vorliegenden Erfindung setzt Daten zwischen einem ersten Wellenlängenband und einem zweiten Wellenlängenband um. Bei einer Ausführungsform setzt der OO-Wellenlängenumsetzer mehrere optische Datenbit bei einer Wellenlänge im 1300 nm Band in mehrere optische Datenbit bei einer Wellenlänge im 1500 nm Band um. Es ist dem Fachmann jedoch bei Betrachtung der vorliegenden Offenbarung klar, daß andere Wellenlängenbänder verwendet werden können.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein OO-Wellenlängenumsetzer 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Wellenlängenumsetzer 100 umfaßt einen Richtkoppler 120. Der Richtkoppler 120 enthält einen ersten Eingangswellenleiter 125 zum Empfangen mehrerer optischer Datenbit von einem ersten Eingangsport 105. Die mehreren optischen Bit arbeiten in einem ersten Wellenlängenband. Der Richtkoppler 120 verwendet außerdem einen zweiten Eingangswellenleiter 130 zum Empfangen eines optischen Dauerstrichsignals („cw"), das in einem zweiten Wellenlängenband von einem zweiten Eingangsport 110 aus arbeitet. Bei einer Ausführungsform weist jedes Bit der mehreren eine erste Wellenlänge λ₁ von 1310 nm auf, während das Dauerstrichsignal eine zweite Wellenlänge λ₂ von 1550 nm aufweist.
Mit dem ersten Eingangswellenleiter 125 sind ein erster optischer Halbleiterverstärker („SOA") 135 und ein erster Ausgangswellenleiter 145 gekoppelt. Der SOA 135 ist so ausgelegt, daß sich sein Brechungsindex n₁ als Reaktion auf den Empfang optischer Leistung in einem ersten Wellenlängenband ändert. Der SOA 135 ist in Durchlaßrichtung vorgespannt und wird von einer nicht gezeigten Stromquelle betrieben, um den Betrieb in seinem Sättigungsbereich zu ermöglichen.
Analog ist der zweite Wellenleiter 130 mit einem zweiten optischen Halbleiterverstärker („SOA") 140 und einem zweiten Ausgangswellenleiter 150 gekoppelt. Der SOA 140 weist einen Brechungsindex n₂ auf. Der Brechungsindex n₂ ist bei Fehlen von optischer Leistung im ersten Wellenlängenband im wesentlichen gleich n₁. Der SOA 140 ist in Durchlaßrichtung vorgespannt und wird von einer nicht gezeigten Stromquelle betrieben, um den Betrieb in seinem Sättigungsbereich zu ermöglichen.
Es sei angemerkt, daß die Wellenleiter 125, 130, 145 und 150 in der vorliegenden Offenbarung als Wellenleiter in Form einzelner Elemente beschrieben sind, die miteinander gekoppelt sind. Der erste Eingangs- und Ausgangswellenleiter 125 und 145 können jedoch als ein einziger Wellenleiter ausgebildet sein und als solcher hergestellt werden. Analog können der zweite Eingangsund Ausgangswellenleiter 130 und 150 als ein einziger Wellenleiter hergestellt sein. Bei einer Ausführungsform bilden der Richtkoppler 120, die Wellenleiter 125, 130, 145 und 150 sowie die SOAs 135 und 140 eine integriert-optische Komponente auf einem einzigen Substrat 115.
Der Richtkoppler 120 nutzt im Betrieb einen Kopplungseffekt, wie er im folgenden ausführlich beschrieben wird, um das Dauerstrichsignal als Reaktion auf den binären Wert jedes Bit der mehreren optischen Datenbit im ersten Wellenlängenband zwischen erstem und zweitem Ausgangswellenleiter 145 und 150 zu lenken. Durch diese Anordnung wird ein optisches Signal mit der den binären Werten der mehreren optischen Datenbit entsprechenden Wellenlänge des Dauerstrichsignals durch den zweiten Ausgangswellenleiter übertragen. Analog wird ein optisches Signal mit der dem Komplement der binären Werte der mehreren optischen Datenbit entsprechenden Wellenlänge des Dauerstrichsignals durch den ersten Ausgangswellenleiter 145 übertragen.
Falls genauer gesagt der binäre Wert eines Bit der mehreren optischen Datenbit eine Null ist, lenkt der Richtkoppler 120 das Dauerstrichsignal vom zweiten Eingangswellenleiter 130 durch den ersten Ausgangswellenleiter 145. In diesem Fall ist der Richtkoppler 120 ausgeglichen. Die Brechungsindizes n₁ und n₂ weisen in einem ausgeglichenen Zustand im wesentlichen den gleichen Wert auf. Dadurch ermöglicht es der Richtkoppler 120, daß das Dauerstrichsignal vom zweiten Eingangswellenleiter 130 über einen Kopplungseffekt, der im folgenden näher erörtert wird, zum ersten Ausgangswellenleiter 145 hinübergeführt wird.
Falls jedoch andererseits der binäre Wert eines Bit der mehreren optischen Datenbit eine Eins ist, lenkt der Richtkoppler 120 das Dauerstrichsignal vom zweiten Eingangswellenleiter 130 durch einen zweiten Ausgangswellenleiter 150. In diesem Fall ändert sich der Brechungsindex n₁ des SOA 135 als Reaktion auf die optische Leistung im ersten Wellenlängenband relativ zum Brechungsindex n₂ des SOA 140. Da die Brechungsindizes n1 und n2 einander nicht länger gleich sind, wird der Richtkoppler 120 in einen unausgeglichenen Zustand umgeschaltet. Wenn er unausgeglichen ist, wird der Kopplungseffekt im wesentlichen minimiert und der Richtkoppler 120 ermöglicht es dem Dauerstrichsignal, sich vom zweiten Eingangswellenleiter 130 zum zweiten Ausgangswellenleiter 150 auszubreiten.
Der Richtkoppler 120 basiert wie oben angemerkt auf dem Kopplungseffekt. Der Kopplungseffekt ist ein bekanntes Phänomen, bei dem zwei Wellenleiter in ausreichend enger Nähe zueinander positioniert sind, so daß sich ihre Felder überlappen können und ein optisches Signal von einem Wellenleiter zum anderen Wellenleiter gekoppelt werden kann. Richtkoppler, die den Kopplungseffekt fördern können, sind im Handel erhältlich. Zu weiteren Informationen über Richtkoppler im allgemeinen und dem Kopplungseffekt im besonderen wird auf Saleh und Teich, „The Fundamentals of Photonics" [Grundlagen der Photonik], Wiley and Sons 1991 und Tamir, „Integrated Optics" [Integrierte Optik] (2. Auflage), Springer-Verlag 1979, verwiesen.
Um den Kopplungseffekt zu realisieren, weist der Richtkoppler 120 ein Kopplungsgebiet 170 auf. Das Kopplungsgebiet 170 umfaßt die SOAs 135 und 140 sowie Endteile der Wellenleiter 125, 130, 145 und 150. Das Kopplungsgebiet 170 ist so ausgelegt, daß es den Kopplungseffekt als Reaktion auf die binären Werte der ankommenden mehreren optischen Bit vom Eingangswellenleiter 125 ermöglicht. Wenn der binäre Wert eines Bit von den mehreren innerhalb des ersten Wellenlängenbands eine Null ist, sind die Brechungsindizes n₁ und n₂ der SOAs 135 und 140 im wesentlichen zueinander gleich. Bei diesen Bedingungen und dem besonderen Design des Kopplungsgebiets bewirkt der Kopplungseffekt, wie unten ausführlicher dargelegt wird, daß sich das Dauerstrichsignal vom zweiten Eingangswellenleiter 130 zum ersten Ausgangswellenleiter 145 ausbreitet.
Die effektive Übertragung des Dauerstrichsignals vom zweiten Eingangswellenleiter 130 zum ersten Ausgangswellenleiter 145 ist eine Funktion der Designparameter des Kopplungsgebiets 170. Das Kopplungsgebiet 170 weist einen Abstand d auf, der als die geringe Entfernung definiert ist, durch den das Wellenleiterpaar getrennt ist, um das Überlappen ihrer potentiellen Felder zu ermöglichen. Außerdem weist das Kopplungsgebiet 170 eine Länge L auf, die als die Entfernung definiert ist, mit der das Wellenleiterpaar durch den Abstand d beabstandet ist. Der Abstand d und die Länge L sind so ausgewählt, daß ein bestimmtes Ergebnis ermöglicht wird, nämlich die Kopplung eines optischen Signals in einem bestimmten Wellenlängenband von einem Wellenleiter zu dem anderen Wellenleiter. Es sei angemerkt, daß der Kopplungseffekt auch bewirken könnte, daß optische Signale außerhalb des gewünschten Wellenlängenbands zwischen Wellenleitern übertragen werden. Folglich sind der Abstand d und die Länge L so ausgewählt, daß optische Leistung im 1500 nm Band optimal zwischen dem Paar von Wellenleitern gekoppelt wird, während die effektive Übertragung optischer Signale außerhalb des gewünschten Wellenlängenbands im wesentlichen auf ein Minimum reduziert wird.
Für den Fachmann ist anhand des oben gesagten offensichtlich, daß der Richtkoppler 120 das Dauerstrichsignal als Reaktion auf den binären Wert jedes der ankommenden mehreren Bit zu einem der Ausgangswellenleiter 145 oder 150 lenkt. Folglich breitet sich eine binäre Eins durch den Ausgangswellenleiter aus, der das gelenkte Dauerstrichsignal empfängt, während sich eine binäre Null durch den Ausgangswellenleiter ausbreitet, der nicht das gelenkte Dauerstrichsignal empfängt. Durch die obige Konfiguration können sich deshalb mehrere optische Bit im Wellenlängenband des Dauerstrichsignals durch den zweiten Ausgangswellenleiter 150 und einen Ausgangsport 160 ausbreiten. Die mehreren optischen Bit am Ausgangsport 160 entsprechen den binären Werten der mehreren optischen Bit, die vom Eingangsport 105 empfangen werden. Analog breiten sich mehrere optische Bit im Wellenlängenband des Dauerstrichsignals durch den ersten Ausgangswellenleiter 145 und einen komplementären Ausgangsport 155 aus. Die mehreren optischen Bit am komplementären Ausgangsport 155 entsprechen jedoch dem Komplement der binären Werte der vom Eingangsport 105 empfangenen mehreren optischen Bit.
Bei vorgegebenen Herstellungstoleranzen sei angemerkt, daß der Kopplungseffekt außerdem bewirken kann, daß ein kleiner Prozentsatz der optischen Leistung von den mehreren optischen Bit im ersten Wellenlängenband vom ersten Eingangswellenleiter 125 zum zweiten Ausgangswellenleiter 150 gekoppelt wird. Um die optische Leistung dieser ersten Wellenlänge von den mehreren optischen Bit im zweiten Wellenlängenband auszufiltern, kann außerdem ein nicht gezeigter Ausgangs-SOA zwischen den zweiten Ausgangswellenleiter 150 und den Ausgangsport 160 gekoppelt und vorteilhafterweise auf dem Substrat 115 ausgebildet sein. Der Ausgangs-SOA ist so ausgelegt, daß er Licht im ersten Wellenlängenband absorbiert und deshalb dämpft. Dieser Ausgangs-SOA kann außerdem so ausgelegt sein, daß er die optische Leistung in der zweiten Wellenlänge verstärkt, um die Signalleistung der sich durch den Ausgangsport 160 ausbreitenden mehreren optischen Bit im zweiten Wellenlängenband zu vergrößern.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann auch zwischen dem Eingangsport 105 und dem Eingangswellenleiter 125 ein nicht gezeigter Eingangsvorverstärker SOA eingebaut sein. Der Eingangsvorverstärker SOA verstärkt die mehreren optischen Bit im ersten Wellenlängenband, bevor sie das Kopplungsgebiet 170 erreichen. Durch den Einbau des Vorverstärkers SOA können gestreutes Streulicht und anderes beim Koppeln der mehreren optischen Bit im ersten Wellenlängenband in dem Anschluß 105 erzeugtes Rauschen wesentlich reduziert werden. Zudem kann in der vorliegenden Erfindung ein leistungsschwaches optisches Signal, dessen Wellenlänge umgesetzt werden soll, verwendet werden, beispielsweise mehrere optische Bit in der ersten Wellenlänge mit einer binären Eins, die unter 2 mW erfordern.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein OO-Wellenlängenumsetzer 300 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Wellenlängen umsetzer 300 funktioniert im wesentlichen wie der Umsetzer 100 von 1. Der Umsetzer 300 verwendet jedoch einen Eingangsport 310, um sowohl mehrere in einem ersten Wellenlängenband arbeitende optische Bit und ein in einem zweiten Wellenlängenband arbeitendes optisches Dauerstrichsignal („cw") zu empfangen. Wie beim Umsetzer 100 von 1 erzeugt der Umsetzer 300 am Ausgangsport 360 ein Ausgangssignal mit umgesetzter Wellenlänge und am Ausgangsport 355 ein komplementäres Ausgangssignal mit umgesetzter Wellenlänge. Indem die mehreren optischen Bit und das Dauerstrichsignal durch einen Eingangsport 310 empfangen werden, kann die Verkapselung des Umsetzers 300 vereinfacht werden.
Der Wellenlängenumsetzer 300 ist im wesentlichen wie der Umsetzer 100 von 1 ausgelegt. Der Umsetzer 300 umfaßt einen Richtkoppler 320 mit einem Eingangswellenleiter 330 für den Empfang der mehreren optischen Bit und des Dauerstrichsignals vom Eingangsport 310. Mit dem Eingangswellenleiter 330 sind ein erster SOA 340 und ein erster Ausgangswellenleiter 350 gekoppelt. Der SOA 340 weist einen Brechungsindex n₁ auf, der sich als Reaktion auf den Empfang optischer Leistung im ersten Wellenlängenband ändert.
Der Richtkoppler 320 umfaßt außerdem ein optisches Element 335. Das optische Element 335 weist einen Brechungsindex n₂ auf, der sich bei Anwesenheit von optischer Leistung im zweiten Wellenlängenband nicht ändert. Das optische Element 335 kann durch dem Fachmann bekannte verschiedene geeignete Komponenten einschließlich einem SOA realisiert werden. Mit dem optischen Element 335 sind ein zweiter Ausgangswellenleiter 345 und ein Ausgangsport 355 gekoppelt.
Der Richtkoppler 320 lenkt das Dauerstrichsignal als Reaktion auf die binären Werte jedes Bit der mehreren optischen Datenbit zwischen dem ersten und zweiten Ausgangswellenleiter 350 und 345. Durch diese Anordnung breitet sich ein optisches Signal mit der Wellenlänge des Dauerstrichsignals entsprechend den binären Werten der mehreren optischen Datenbit durch den ersten Aungangswellenleiter 350 aus. Analog breitet sich das Kompliment des optischen Signals mit der Wellenlänge des Dauerstrichsignals durch den zweiten Ausgangswellenleiter 345 aus.
Der Richtkoppler 320 umfaßt ein Kopplungsgebiet 370. Das Kopplungsgebiet 370 ermöglicht den Kopplungseffekt als Reaktion auf Werte von ankommenden mehreren optischen Bit vom Eingangswellenleiter 330. Das Kopplungsgebiet 370 umfaßt den SOA 340, das optische Element 335 und die Endteile der Wellenleiter 325, 330, 345 und 350.
Falls bei Betrieb der binäre Wert eines Bit von den mehreren im ersten Wellenlängenband eine Null ist, sind die jeweiligen Brechungsindizes n₁ und n₂ des SOA 340 und des optischen Elements 335 so ausgelegt, daß sie einander im wesentlichen gleich sind. Folglich bewirkt der Kopplungseffekt, daß sich das Dauerstrichsignal vom ersten Eingangswellenleiter 330 zum zweiten Ausgangswellenleiter 345 ausbreitet. Falls der binäre Wert eines Bit der mehreren im ersten Wellenlängenband jedoch eine Eins ist, ändert sich der Brechungsindex n₁ des SOA 340 relativ zum Brechungsindex n₂ des optischen Elements 335. Folglich sind die Brechungsindizes n₁ und n₂ einander nicht länger gleich, was bewirkt, daß sich das Dauerstrichsignal vom ersten Eingangswellenleiter 330 zum ersten Ausgangswellenleiter 350 ausbreitet.
Es sei angemerkt, daß die Wellenlängenumsetzer 100 und 300 jeweils auch mehrere optische Bit von einer ersten Wellenlänge zu mehreren anderen Wellenlängen umsetzen können. Hierbei wird eine Reihe von Dauerstrichsignalen, die jeweils eine andere Wellenlänge im zweiten Wellenlängenband aufweisen, in einen Eingangsport des Richtkopplers eingekoppelt. Der Richtkoppler lenkt jedes Dauerstrichsignal auf ähnliche Weise, wie hier ausführlich dargelegt. Folglich legt der Ausgangsport die mehreren optischen Bit auf den Wellenlängen jedes Dauerstrichsignals vor.
Der Richtkoppler der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung von auf InP basierenden Halbleiterverarbeitungstechniken hergestellt werden. Diese Herstellungsschritte beinhalten das Aufwachsen von Halbleiterschichten über einem InP-Substrat. Die aufgewachsenen Halbleiterschichten werden strukturiert, geätzt und wieder aufgewachsen. Danach werden Metalle abgeschieden, um Kontakte zu bilden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Richtkoppler ein Paar aktiver Wellenleiterschichten auf, die über dem auf InP basierenden Substrat gebildet sind. Die aktiven Wellenleiterschichten bestehen aus GaInAsP. Jede GaInAsP-Schicht ist von einer Ummantelungsschicht aus InP umgeben. Es sein angemerkt, daß die hier offenbarten Materialien, Abmessungen und Parameter lediglich einen beispielhaften Charakter aufweisen und angesichts der vorliegenden Offenbarung modifiziert werden können, um die Vorzüge der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Richtkoppler 3 mm lang. Jede aktive Wellenleiterschicht weist eine Breite von 1,0 μm und eine Dicke von 0,2 μm auf. Zudem weist der Richtkoppler ein Kopplungsgebiet auf, bei dem beide aktive Wellenleiterschichten die Richtung des Dauerstrichsignals steuern. Das Kopplungsgebiet weist einen Abstand d von 2,0 μm zwischen den beiden aktiven Wellenleiterschichten und eine Länge L von 600 μm auf, um zwischen Wellenleitern im Kopplungsgebiet einen Kopplungseffekt zu bewirken. Der Ummantelungsteil InP jedes Wellenleiters weist bei Vorliegen von Licht von 1550 nm Wellenlänge einen Brechungsindex von 3,166 und bei Vorliegen von Licht der Wellenlänge 1310 nm von 3,203 auf. Analog beträgt der Brechungsindex des aktiven Teils GaInAsP jeder Wellenleiterschicht bei Vorliegen von Licht mit 1550 nm Wellenlänge 3,43 und bei Vorliegen von Licht der Wellenlänge 1310 nm 3,53.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel sollten die aktiven Gebiete beider Wellenleiter dem optischen Dauerstrichsignal bei 1550 nm einen vernachlässigbaren Verlust verleihen. Es wird jedoch geschätzt, daß die Kopplungsverluste beim Koppeln des optischen Dauerstrichsignals in den Richtkoppler sowie die Streuverluste, die sich auf die Form der Wellenleiter des Richtkopplers zurückzuführen lassen, im ungefähren Bereich von 10 bis 16 Dezibell („db") liegen. Bei diesen Verlusten kann die Eingangsleistung des optischen Dauerstrichssignals so ausgewählt werden, daß sie im ungefähren Bereich von 1 mW bis 10 mW liegt.
Im Gegensatz dazu muß die dem Eingangsdatenstrom bei 1310 nm zugeordnete optische Leistung das hier ausführlich dargelegte Schaltverhalten initiieren. Die erforderliche Leistung, um dieses Schalten zu bewirken, hängt von mehreren Parametern ab, einschließlich dem Kopplungsverlust beim Koppeln des Datensignals in den Richtkoppler, dem Polarisationsverlust, der Kopplungskonstante im Richtkoppler sowie der Wärmeableitung. In der vorliegenden Konfiguration zählen zu den Betriebsparametern zum Bestimmen der Leistung des Eingangsdatenstroms ein Kopplungsverlust von unter –6 db, ein polarisationsabhängiger Verlust von –2 db und eine Wärmeableitung im Bereich zwischen 0,3 W und 1,5 W. In der Regel wird der Eingangsdatenstrom zwischen 0 mW bei einer binären Null und 10 mW bei einer binären Eins umschalten.
Angesichts der oben geschätzten Betriebsparameter wird angenommen, daß das Verhältnis der Leistung einer binären Eins und einer binären Null, auch als Extinktionsverhältnis bezeichnet, bei etwa 100 liegt. Um dieses Extinktionsverhältnis zu maximieren, arbeitet jeder der hergestellten SOAs bei Sättigung, beispielsweise bei einem Vorstrom von 100 mA und einer Vorspannung von 1,5 V. Es wird geschätzt, daß die vorliegende Erfindung durch diese Anordnung bei einer Datenübertragungsrate von 10 GB/s ein Extinktionsverhältnis von etwa 20 Dezibell erzielt.
Wenngleich die besondere Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinne ausgelegt werden. Es versteht sich, daß, obwohl die vorliegende Erfindung beschrieben worden ist, sich dem Fachmann bei Bezugnahme auf diese Beschreibung zahlreiche Modifikationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung ergeben, ohne daß von der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt wird, abgewichen wird. Wenngleich die vorliegende Offenbarung detailliert, daß ein Paar von SOAs die Richtung eines Dauerstrichsignals durch einen Richtkoppler steuert, können somit ähnliche funktionelle Bauelemente verwendet werden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Analog wird zwar die Verwendung eines Paars von optischen Halbleiterverstärkern offenbart, doch ist dem Fachmann genauso klar, daß ein SOA in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, um das gleiche Ergebnis der vorliegenden Erfindung zu realisieren. Es ist dem Fachmann außerdem klar, daß der Richtkoppler alternativ so ausgelegt werden kann, daß er bei Empfang von optischer Leistung im ersten Wellenlängenband von einem unausgeglichenen Zustand in einen ausgeglichenen Zustand umschaltet.

Claims

Optisch-optischer Wellenlängenumsetzer, der folgendes umfaßt: einen Richtkoppler (120, 320), der dafür ausgelegt ist, mehrere optische Bit einer ersten Wellenlänge (λ₁) in eine zweite Wellenlänge (λ₂) umzusetzen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wellenlänge in einem 1300 nm Band liegt und die zweite Wellenlänge in einem 1500 nm Band liegt; wobei der Richtkoppler folgendes umfaßt: mindestens ein optisches Element (135, 335) mit einem Brechungsindex, der sich als Reaktion auf optische Leistung im 1300 nm Band ändert; und ein Kopplungsgebiet (170, 370), das so ausgewählt ist, daß es Leistung optisch im 1500 nm Band koppelt und gleichzeitig die effektive Übertragung optischer Signale außerhalb des 1500 nm Bands minimiert.
Optisch-optischer Wellenlängenumsetzer nach Anspruch 1, wobei der Richtkoppler ein Paar optischer Halbleiterverstärker (135, 140; 335, 340) mit Brechungsindizes n₁ bzw. n₂ umfaßt, wobei sich n₁ als Reaktion auf den Empfang optischer Leistung im 1300 nm Band ändert und bei Fehlen von optischer Leistung im 1300 nm Band im wesentlichen n₂ gleich n₁ ist .
Optisch-optischer Wellenlängenumsetzer nach Anspruch 1, wobei der Richtkoppler mindestens ein Dauerstrichsignal (cw) im 1500 nm Band durch einen Ausgangsport (160, 360) überträgt, falls ein Bit der mehreren gleich einem ersten Wert ist.
Optisch-optischer Wellenlängenumsetzer nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine optische Element mindestens einen optischen Halbleiterverstärker umfaßt, um das Dauerstrichsignal zum Ausgangsport zu lenken, falls ein Bit der mehreren optischen Bit gleich dem ersten Wert ist, und der mindestens eine optische Halbleiterverstärker das Dauerstrichsignal zu einem komplementären Ausgangsport (155, 355) lenkt, falls das Bit gleich einem zweiten Wert ist.
Optisch-optischer Wellenlängenumsetzer nach Anspruch 4, wobei der Richtkoppler folgendes umfaßt: mindestens einen Wellenleiter (330) zum Empfangen der mehreren optischen Bit im 1300 nm Band und des Dauerstrichsignals im 1500 nm Band; und ein Kopplungsgebiet (370) zum Koppeln des Dauerstrichsignals aus dem mindestens einen Wellenleiter (330) zu dem Ausgangsport (360), falls das Bit der mehreren gleich dem ersten Wert ist, und zum Koppeln des Dauerstrichsignals aus dem mindestens einen Wellenleiter zu dem komplementären Ausgangsport, falls das Bit der mehreren gleich dem zweiten Wert ist, so daß die sich mit der zweiten Wellenlänge durch den Ausgangsport ausbreitende optische Leistung den Bitwerten der mehreren optischen Bit im ersten Wellenlängenband entspricht.
Optisch-optischer Wellenlängenumsetzer nach Anspruch 4, der weiterhin folgendes umfaßt: einen ersten Wellenleiter (125) zum Empfangen der mehreren optischen Bit im 1300 nm Band und einen zweiten Wellenleiter (130) zum Empfangen des Dauerstrichsignals im 1500 nm Band.
Optisch-optischer Wellenlängenumsetzer nach Anspruch 5, wobei der Richtkoppler ausgeglichen ist, falls das Bit der mehreren eine binäre Eins ist, so daß das Dauerstrichsignal zum komplementären Ausgangsport gekoppelt wird, und der Richtkoppler unausgeglichen ist, falls das Bit der mehreren eine binäre Null ist, so daß das Dauerstrichsignal zum Ausgangsport übertragen wird.
Optisch-optischer Wellenlängenumsetzer nach Anspruch 7, wobei der Richtkoppler durch eine Änderung des Brechungsindexes unausgeglichen wird.
Optisch-optischer Wellenlängenumsetzer nach Anspruch 5, der weiterhin folgendes umfaßt: einen Kombinierer zum Kombinieren der mehreren optischen Bit im 1300 nm Band mit dem Dauerstrichsignal, wobei der Kombinierer mit dem mindestens einen Wellenleiter gekoppelt ist.
Optisch-optischer Wellenlängenumsetzer nach Anspruch 5, weiterhin mit einem optischen Halbleiterausgangsverstärker zum Dämpfen der mehreren optischen Bit in dem durch den Ausgangsport übertragenen ersten Wellenlängenband.