DE60034687T2

DE60034687T2 - Optische Schaltvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE60034687T2
Application number: DE60034687T
Authority: DE
Inventors: Mario Martinelli; Andrea Zappettini
Original assignee: Pirelli and C SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2020-11-23
Also published as: EP1209782B1; ATE361564T1; DE60034687D1; EP1209782A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf optische Vorrichtungen und Verfahren zum Schalten von optischen Signalen, insbesondere auf Vorrichtungen und Verfahren zum Schalten optischer Signale durch einen Vorgang des Auftastens mittels Torschaltung (gating process).
In der optischen Telekommunikation sind drei separate Wellenlängebereiche („Fenster") identifiziert worden, um optische Signale zu übertragen, wobei diese Fenster den spektralen Bereichen entsprechen, in denen die Abschwächungs- und Streuungseigenschaften des Lichts durch optische Fasern aus Silica günstig sind. Das erste Fenster ist bei 0,9 Mikron zentriert. Das zweite Fenster ist bei 1,3 Mikron zentriert. Das dritte Fenster ist bei 1,55 Mikron zentriert. Das zweite und dritte Fenster sind vielleicht kommerziell am wichtigsten.
Optische Schalter sind eine grundlegende Komponente für optische Kommunikationsnetzwerke. Optische Schalter können elektrisch gesteuert werden (opto-elektronisches Schalten) oder optisch gesteuert werden (vollständig optisches Schalten). Das opto-elektronische Schalten ist hinsichtlich der Geschwindigkeit durch die Bandbreite der elektronischen Antriebsschaltkreise auf ungefähr 10 Gb/s beschränkt, während vollständig optisches Schalten viel schneller sein kann, z.B. 100 Gb/s.
Ein vollständig optischer Schalter, der auf einer erbiumdotierten Faser basiert, ist vorgeschlagen worden [3, 4]. Nützlicherweise ist dieser optische Schalter in dem typischen Wellenlängenbereich der Verstärkung der Er³⁺-Ionen (1530–1560 nm) verwendbar, die in erbiumdotierten Faserverstärkern (EDFAs) verwendet werden. Jedoch ist die Anstiegszeit des Schaltens in dieser erbiumdotierten Vorrichtung ziemlich langsam, und liegt im zweistelligen Mikrosekundenbereich. Die Anschaltzeit der Verstärkung ist intrinsisch auf 7 Mikrosekunden oder mehr beschränkt, und zwar aufgrund der langen Fluoreszenzlebensdauer der Erbiumionen im Glas. Als Ergebnis ist ein schnelles optisches Schalten, z.B. von Impulspaketen oder Impulsfolgen, nicht möglich, wie es für ein Paketvermittlungsnetz, wie z.B. ein ATM-Netzwerk (Asynchronous Transfer Mode Network) erwünscht wäre. Die Öffnungszeit solcher Schalter ist einfach zu lang.
Ein weiterer vollständig optischer Schalter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10 ist in [15] offenbart.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen optischen Schalter bereitzustellen, der in der Lage ist, mit hoher Geschwindigkeit zu schalten, insbesondere im zweiten und/oder dritten Telekommunikationsfenster.
Darstellung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Auftasten eines optischen Signals mittels Torschaltung (gating) bereitgestellt, umfassend:

(a) Eingeben eines torzusteuerenden optischen Signals in ein Verstärkungsmedium, das eine Übergangsmetall-Dotierung umfasst, die keine seltene Erden-Dotierung ist und die in einem Mutterkristall vorgesehen ist;
(b) Anwenden eines ersten Steuersignals mit einer ersten Wellenlänge auf das Verstärkungsmedium, um einen angeregten Zustand der Übergangsmetall-Dotierung zu bevölkern und dadurch eine Verstärkung des optischen Signals durch stimulierte Emission zu induzieren; und
(c) Anwenden eines zweiten Steuersignals mit einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen, zweiten Wellenlänge auf das Verstärkungsmedium, um den angeregten Zustand der Übergangsmetall-Dotierung zu entvölkern und dadurch die Verstärkung des optischen Signals zu unterdrücken.

Es wurde entdeckt, dass mit Übergangsmetallen dotierte Materialien, wie z.B. mit Cr⁴⁺ oder V³⁺ dotierte Kristalle als Grundlage für das optische Schalten verwendet werden können. Insbesondere wurde realisiert, dass Übergangsmetall-Dotierungen eine Verstärkung bereitstellen können, die sehr schnell an- und ausgeschaltet werden kann im Vergleich zu optischem Schalten, das auf Er³⁺-seltene Erden-Dotierungen basiert, bei dem das Anschalten inhärent langsam ist.
Mit Übergansmetall-Dotierungen ist die Anstiegszeit des Verstärkungsvorgangs lediglich beschränkt durch: (a) die Dauer des ersten Steuersignals, welches einsetzbar ist, um den „an"-Impuls bereitzustellen; und (b) die notwendige Zeit, damit die angeregten Elektronen auf das niedrigste Niveau des angeregten Zustands relaxieren, wobei diese Zeit im Allgemeinen für Übergangsmetall-Dotierungen kurz ist (im Gegensatz zur seltene Erden-Dotierung Er³⁺, welche eine viel langsamere Relaxationszeit besitzt). Z.B. ist bekannt, dass die Relaxationszeit im Falle des ³T₂-Zustands von Cr⁴⁺ in einem YAG-Mutterkristall (Yttrium Aluminium Garnet:Y₃Al₅O₁₂) nur wenige Picosekunden beträgt [1], und es ist diese Picosekunden-Relaxationszeit, die die letztliche Geschwindigkeitsgrenze der auf Cr⁴⁺:YAG basierenden Ausführungsformen der Erfindung definieren wird. Es ist wichtig, dass die kurze Anstiegszeit es einem mit Übergangsmetall dotierten Schalter erlaubt, dazu verwendet zu werden, Impulsfolgen von Hochfrequenzsignalimpulsen mittels Torschaltung aufzutasten, so wie sie beispielsweise in einem optischen Paketvermittelungsnetzwerk auftreten.
Nach Kenntnis der Erfinder gibt es im Stand der Technik keine Beschreibung oder Anregung, dass mit Übergangsmetall dotierte Kristalle für das optische Schalten verwendet werden könnten, obwohl es den Erfindern bekannt ist, dass Cr⁴⁺:YAG als Laserstabmaterial verwendet wurde [1, 5, 6, 11].
Es wurde auch realisiert, dass Übergangsmetall-Dotierungen einen weiteren wesentlichen Vorteil über seltene Erden-Dotierungen besitzen, insofern als dass mit einem Übergangsmetall die grundlegenden atomaren elektronischen Energieniveaus durch das Vorhandsein des Mutterkristalls zu einem viel größeren Ausmaß in Bänder erweitert sind als es für seltene Erden-Dotierungen der Fall ist, welche relativ unbeeinflusst von ihrem Mutterkristall sind. Als Ergebnis kann eine auf Übergangsmetall-Dotierungen basierende Vorrichtung einen relativ breiten Wellenlängenbereich für die Verstärkung bereitstellen. In dem spezifischen Beispiel von Cr⁴⁺:YAG, tritt die Verstärkung über ein höchst erwünschtes breites Band auf, das sich zwischen ungefähr 1,3 und 1,6 Mikron erstreckt und sowohl das zweite als auch das dritte Telekommunikationsfenster überspannt.
Im ersten Aspekt der Erfindung kann das erste Steuersignal von einer ersten Lichtquelle mit einer Ausgabe bei einer ersten Wellenlänge bereitgestellt werden, an welcher sich ein erster erlaubter optischer Übergang der Übergangsmetall-Dotierung in den angeregten Zustand befindet. Das zweite Steuersignal kann von einer zweiten Lichtquelle mit einer Ausgabe an einer zweiten Wellenlänge bereitgestellt werden, an welcher sich ein zweiter erlaubter optischer Übergang der Übergangsmetall-Dotierung aus dem angeregten Zustand befindet. Das torzusteuernde optische Signal kann von einer dritten Lichtquelle jeglicher Wellenlänge innerhalb des Verstärkungsbands des Verstärkungsmediums bereitgestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt das Verstärkungsmedium eine Verstärkung über einen Wellenlängenbereich zur Verfügung, der das zweite und/oder das dritte Telekommunikationsfenster umfasst. Das erste und zweite Steuersignal sind bevorzugt optisch, obwohl eine elektrische oder anderweitige Anregung mit einigen Materialien möglich sein kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Auftasten eines optischen Signals durch Torschaltung (gating) bereitgestellt, umfassend:

(a) eine Eingangsstufe, die angeordnet ist, um ein erstes und zweites optisches Steuersignal einer ersten und zweiten Wellenlänge sowie ein torzusteuerndes optisches Signal einer dritten Wellenlänge aufzunehmen und zu kombinieren, wobei die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge verschieden ist;
(b) ein Verstärkungsmedium, das angeordnet ist, um von der Eingangsstufe das erste und zweite optische Steuersignal und das torzusteuernde optische Signal aufzunehmen, wobei das Verstärkungsmedium eine Übergangsmetall-Dotierung umfasst, die keine seltene Erde-Dotierung ist und die in einem Mutterkristall vorgesehen ist, wobei die Übergangsmetall-Dotierung einen von dem ersten optischen Steuersignal bevölkerbaren und vom zweiten optischen Steuersignal entvölkerbaren angeregten Zustand aufweist, um eine selektive Verstärkung des torzusteuernden optischen Signals durch die stimulierte Emission aus dem angeregten Zustand zu erlauben, die auf das erste und zweite optische Steuersignal anspricht; und
(c) eine Ausgangsstufe zur Übertragung des optischen Signals nach der torgesteuerten Auftastung im Verstärkungsmedium.

Die Vorrichtung des zweiten Aspekts der Erfindung kann weiter umfassen:eine erste Lichtquelle zum Erzeugen des ersten optischen Steuersignals an einer ersten Wellenlänge zur Bevölkerung des angeregten Zustand der Übergangsmetall-Dotierung, um so eine Verstärkung des optischen Signals an der dritten Wellenlänge bereitzustellen; und/oder eine zweite Lichtquelle zum Erzeugen des zweiten optischen Steuersignals an einer zweiten Wellenlänge zur Entvölkerung des angeregten Zustands der Übergangsmetall-Dotierung, um so eine Verstärkung des optischen Signals an der dritten Wellenlänge zu unterdrücken. In einigen Ausführungsformen kann die erste und/oder die zweite Lichtquelle separat vom Verstärkungsmedium bereitgestellt werden, z.B. an einer entfernten Position, um eine Fernbedingung des aktiven Teils der Vorrichtung zu erlauben.
Die Vorrichtung kann eine Freiraumvorrichtung, eine auf optischen Fasern basierende Vorrichtung oder eine auf einem ebenen Wellenleiter basierende Vorrichtung sein, je nach Wunsch. Zusätzlich kann die Vorrichtung eine Hybridmischung aus Freiraum-, Faser- und/oder Feststoffwellenleiterkomponenten sein. In einer Ausführungsform liegen das Verstärkungsmedium, die Eingangsstufe und/oder die Ausgangsstufe in einer optischen Faser. In einer weiteren Ausführungsform liegen das Verstärkungsmedium, die Eingangsstufe und/oder die Ausgangsstufe in einem ebenen Wellenleiter. Eine oder mehrere der Lichtquellen können auch mit diesen Komponenten in einer integrierten Faser oder einer ebenen Wellenleiterkomponente integriert sein, z.B. in faseroptischen Lasern oder Feststofflasern.
In Ausführungsformen der Erfindung ist es nützlich, einen Filter zum Herausfiltern des ersten und zweiten optischen Steuersignals aus dem optischen Signal bereitzustellen, nachdem sie durch das Verstärkungsmedium hindurchgetreten sind, so dass die Ausgabe aus der Auftastvorrichtung im Wesentlichen frei von Steuersignalkomponenten ist.
In der besten Ausführungsform der Erfindung ist die Übergangsmetall-Dotierung Cr⁴⁺ und das Verstärkungsmedium umfasst YAG als Mutterkristall für die Übergangsmetall-Dotierung. Andere Übergangsmetall-Dotierungen, wie z.B. V⁴⁺ können auch geeignet sein. Darüber hinaus können für jede gegebene Übergangsmetall-Dotierung unterschiedliche Mutterkristalle ausgewählt werden, um die Energien derselben Quantenübergänge zu ändern und dadurch einen gewissen Grad an Auswahl des Wellenlängenbereichs zu erlauben, über den die Verstärkung auftritt. Insbesondere werden weitere Ausführungsformen in Betracht gezogen, die Cr⁴⁺ in von YAG verschiedenen Mutterkristallen verwenden, z.B. in anderen Garnets. Die Designfreiheit, die durch die Auswahl des Mutterkristalls für eine gegebene Übergangsmetall-Dotierung bereitgestellt wird, ist mit seltene Erden-Dotierungen, wie z. B. dem im Stand der Technik verwendeten Er³⁺ [3, 4], nicht verfügbar, da die Übergangsenergien der seltene Erden-Dotierungen von den Änderungen des Mutterkristalls aufgrund der Elektronenschalen-Konfiguration der seltenen Erden im Wesentlichen unbeeinflusst sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe in die Tat umgesetzt werden kann, wird nun im Zuge eines Beispiels auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
1 eine optische Auftastvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ein Energieniveau-Diagramm des Cr⁴⁺-Ions mit einer 2d²-Elektronenkonfiguration und einer D_2d-Punktgruppensymmetrie zeigt;
3 einen Graph der Intensität der verschiedenen optischen Signale in willkürlichen Einheiten als Funktion der Zeit in Sekunden für die Vorrichtung der 1 ist;
4 eine schematische Zeichnung einer optischen Auftastvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist;
5 eine schematische Zeichnung einer optischen Auftastvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist;
6 eine schematische Zeichnung eines ersten Beispiels der optischen Auftastvorrichtung in einem Systemzusammenhang ist; und
7 eine schematische Zeichnung eines zweiten Beispiels der optischen Auftastvorrichtung in einem Systemzusammenhang ist.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung ist ein optischer Verstärkungsgenerator (OGG, Optical Gain Generator) 80, der auf einer Lichtausbreitung im freien Raum basiert. Die Vorrichtung umfasst drei Lichtquellen 22, 24 und 26, die betätigbar sind, um jeweilige Lichtstrahlen 21, 23 und 25 an drei unterschiedlichen Wellenlängen auszugeben. Die Lichtquellen 24, 26 werden im Gebrauch von einer Steuerungseinheit 32 über elektrische Leitungen 36 getriggert. Eine Sammlung optischer Elemente 42, 44, 46, 27, 28, 29, 30, 47, 48 und 49 (die im Folgenden detailliert beschrieben wird) ist angeordnet, um die drei Strahlen 21, 23, 25 für den Einfall auf ein Verstärkungsmedium 20 zu kombinieren.
Das Verstärkungsmedium 20 ist ein Cr⁴⁺:YAG-Kristall (Yttrium Aluminium Garnet:Y₃Al₅O₁₂). Diese Art von Kristall wurde bereits zuvor als Laserverstärkungsmedium zur Laserschwingung im Spektralbereich 1350–1550 nm verwendet [1, 5, 6, 11], jedoch wurde es nach Kenntnis der Erfinder zuvor noch nicht für irgendeine optische Schaltanwendung verwendet. Das Cr⁴⁺:YAG-Kristall 20 ist ein <1, 0, 0>-orientierter Einkristallstab mit den Abmessungen 5 × 5 × 25 mm. Der Kristall ist unter dem Brewsterwinkel für eine Strahlung von 1064 nm geschnitten, die die Wellenlänge des Lichtstrahls 23 ist.
Genauer gesagt ist die Lichtquelle 22 ein Diodenlaser, der abstimmbar ist, um um eine Wellenlänge von 1,5 μm herum zu arbeiten. Die Lichtquelle 24 ist ein Güte-geschalteter Laser (Q-switched laser), der an einer Wellenlänge von 1064 nm arbeitet. Die Lichtquelle 26 ist ein BBO (Beta-Barium Borat:β-BaB₂O₄)-basierter optischer parametischer Oszillator (OPO), der an einer Wellenlänge von 1,45 μm arbeitet. Die Lichquelle 26 ist angeordnet, um von der dritten Oberschwingung eines Güte-geschalteten (Q-switched) Nd:YAG-Lasers 19 gepumpt zu werden. Die Steuerungseinheit 32 umfasst einen Impulsgenerator, der eingesetzt wird, um die beiden gepulsten Laser 24, 26 auf solche Weise anzutreiben, dass sie eine vorbestimmte Verzögerung zwischen ihren Impulsen bereitstellen.
Verzögerungsplatten (waveplates) 42, 44 und 46 sind angeordnet, um den Polarisationszustand der jeweiligen Lichtstrahlen 21, 23 und 25 zu steuern. Linsen 48, 47 und 49 sind angeordnet, um die jeweiligen Lichtstrahlen 21, 23 und 25 auf den Cr⁴⁺:YAG-Kristall 20 zu fokussieren. Ein Spiegel 27 ist angeordnet, um den Lichtstrahl 23 nach dem Durchtritt durch die Verzögerungsplatte 44 auf einen ersten dichromatischen Strahlteiler (beamsplitter) 28 über die Linse 47 zu lenken, welche zwischen dem Spiegel 27 und dem dichromatischen Strahlteiler 28 angeordnet ist. Der Lichtstrahl 21 wird durch die Verzögerungsplatte 42 und die Linse 38 geführt und mit dem Lichtstrahl 23 auf dem ersten dichromatischen Strahlteiler 28 überlagert. Ein Spiegel 29 ist angeordnet, um den Lichtstrahl 25 nach dem Durchtritt durch die Verzögerungsplatte 46 auf einen zweiten dichromatischen Strahlteiler 30 über die Linse 49 zu lenken, welche zwischen dem Spiegel 29 und dem zweiten dichromatischen Strahlteiler 30 angeordnet ist. Der zweite dichromatische Strahlteiler 30 ist angeordnet, um die Lichtstrahlen 21, 23 vom ersten dichromatischen Strahlteiler 28 sowie den Lichtstrahl 25 von der Linse 49 zu empfangen und alle drei Strahlen 21, 23 und 25 so auszurichten, dass sie sich im Wesentlichen entlang desselben Wegs durch den Cr⁴⁺:YAG-Kristall 20 ausbreiten. Nach dem Verstärkungsmedium 20 ist ein dritter dichromatischer Strahlteiler 34 angeordnet, um die Lichtstrahlen 23, 25 aus dem Lichtstrahl 21 herauszufiltern, welcher als Ausgangssignal aus der Vorrichtung heraus übertragen wird.
2 zeigt ein Energieniveau-Diagramm von Cr⁴⁺. Die linke Seite des Diagramms (T_d-Punktgruppe) ist auf Cr⁴⁺ anwendbar, während die rechte Seite das Aufheben der Entartung zeigt, die aus der tetrahedralen Koordinierung resultiert, wie sie in einem YAG-Mutterkristall (D_2d-Punktgruppe) zu finden ist. Das Diagramm ist hier eingefügt, um bei der Erläuterung der für den Betrieb der Vorrichtung der 1 relevanten optischen Übergänge zu helfen. Das Diagramm zeigt die erlaubten Übergänge zwischen den Energieniveaus mit durchgezogenen Pfeilen, wobei bemerkt wird, dass nicht alle dieser erlaubten Übergänge aktiv beim Betrieb der Vorrichtung ausgenutzt werden, wie aus der folgenden Erläuterung zu verstehen sein wird.
Um das Schalten zu beginnen, wird ein Impuls des Lichtstrahls 23 aus dem Laser 24 an einer Wellenlänge von 1064 nm angewendet. Dieser Impuls bewirkt eine Absorption aus dem ³A₂/³B₁-Zustand in den ³T₂-Zustand und die Bevölkerung des ³B_2- Zustands über eine schnelle nicht radiative Relaxation (durch Phononen).
Als Ergebnis der Bevölkerung des angeregten ³B₂-Zustands wird das torzusteuerende Signal (der Lichtstrahl 21, der vom Laser 22 an einer Wellenlänge von 1,55 μm ausgegeben wird) durch stimulierte Emission aus dem ³B₂-Zustand in den ³B₁-Zustand verstärkt. In Cr⁴⁺:YAG ist dieser Übergang um ungefähr 1,5 Mikron zentriert, erstreckt sich jedoch zwischen ungefähr 1,3- und 1,6 Mikron, um eine Verstärkung sowohl über das zweite als auch das dritte Telekommunikationsfenster bereitzustellen. Dies ist ein hoch erwünschter Bereich der Verstärkung, wie verständlich werden wird. (Wie im Folgenden erläutert, können andere Mutterkristalle als YAG gewählt werden, um eine Vielzahl von Verstärkungsbereichen bereitzustellen).
Da der Impuls des Lichtstrahls 23 aus dem Laser 24 der Initiator des Verstärkungsvorgangs des Lichtstrahls 21 ist, wird er im Folgenden als der „an"-Impuls bezeichnet, wobei der Lichtstrahl 21 als „Signal" bezeichnet wird.
In Abwesenheit weiterer Eingaben wird das Verstärkungsniveau des Signals allmählich gemäß der natürlichen Entvölkerung des angeregten ³B₂-Zustands abnehmen, welcher metastabil ist und eine Relaxationszeit von ungefähr 3,4 μs besitzt (im Gegensatz dazu ist die vergleichbare Relaxationszeit für seltene Erden-Elemente wie z.B. Er³⁺ der Größenordnung von Millisekunden). Die Verstärkung kann jedoch für längere Zeiträume durch Anwenden weiterer „an"-Impulse aufrecht erhalten werden oder durch Anwenden eines „an"-Impulses längerer Dauer.
Es ist wichtig, dass es auch möglich ist, die Verstärkung viel schneller abzuschalten als es gemäß dem natürlichen Entvölkerungsvorgang geschieht. Ein schnelles Abschalten wird nämlich dadurch erzielt, dass ein Impuls des Lichtstrahls 25 aus der Lichtquelle 26 bei 1,45 μm angewendet wird, um den ³B_2- Zustand zu entvölkern, wie in 2 gezeigt. Der Impuls des Lichtstrahls 25 aus der Lichtquelle 26 wird somit im Folgenden als der „aus"-Impuls bezeichnet.
3 ist ein Graph der Intensität I von verschiedenen optischen Signalen in willkürlichen Einheiten aufgetragen gegen die Zeit in Sekunden und zeigt die experimentellen Ergebnisse des „aus"- und „an"-Schaltens und dessen Wirkung auf die Verstärkung des Signals. Die experimentellen Ergebnisse werden von der Vorrichtung der 1 erhalten. Im unteren Teil des Graphen sind der oben beschriebene „an"-Impuls 56 (Lichtstrahl 23) und der „aus"-Impuls 58 (Lichtstrahl 25) ersichtlich, wobei die Verzögerung zwischen den beiden Impulsen 1 μs beträgt, die von der in 1 gezeigten Steuerungseinheit 32 gesteuert wird. Eine untere Kurve 54 zeigt die zeitliche Entwicklung eines optischen Signals (Lichtstrahls 21) vor und nach dem „an"-Impuls 56 und vor und nach dem nachfolgenden „aus"-Impuls 58. es ist ersichtlich, dass der „an"-Impuls die Verstärkung des Signals triggert (auslöst) und dass der „aus"-Impuls die Verstärkung dämpft. Zum Vergleich zeigt die obere Kurve 52 die zeitliche Entwicklung des Signals (Lichtstrahl 21) als Reaktion auf einen „an"-Impuls, dem kein „aus"-Impuls nachfolgt. In diesem Fall fällt die Verstärkung allmählich gemäß der Bevölkerungslebensdauer des ³B₂-Zustands ab, die wie bereits erwähnt eine Größenordnung von Mikrosekunden hat.
In der Praxis wird die Vorrichtung bevorzugt so betrieben, dass der „an"-Impuls eine Dauer besitzt, die wesentlich kürzer als die Lebensdauer des ³B₂-Zustands ist, und eine Impulsenergie aufweist, die groß genug ist, um die erwünschte Bevölkerungsinversion zu erzeugen. In diesem Fall ist die Anstiegszeit der Verstärkung lediglich durch die Impulsdauer und durch die nötige Zeit beschränkt, damit die angeregten Elektronen zum niedrigsten ³B₂-Zustand abklingen. Die für das Abklingen in den untersten ³B₂-Zustand notwendige Zeit beträgt bekanntlich wenige Picosekunden [1]. Es ist diese sehr kurze Zeit, die die letztendliche Begrenzung der Geschwindigkeit einer auf Cr⁴⁺:YAG basierenden optischen Auftastvorrichtung, wie sie hier beschrieben ist, darstellen wird.
Wenn die Verstärkung für längere Zeiträume erforderlich ist, als sie von einem einzigen „an"-Impuls bereitgestellt werden kann, kann die Vorrichtung wie kurz zuvor erwähnt mit wiederholten „an"-Impulsen mit einer Wiederholungsfrequenz betrieben werden, welche bevorzugt größer als der Kehrwert der Lebensdauer des ³B₂-Zustands sein wird (z.B. ungefähr 300 kHz). Eine weitere Option ist es, längere „an"-Impulse mit vorbestimmter Dauer anzuwenden.
Wie von den im Folgenden abgeleiteten Gleichungen beschrieben wird, kann das Schalten des Verstärkungsvorgangs sehr schnell sein, wobei die Anstiegszeit und die Abfallzeit der Verstärkung im Allgemeinen so schnell wie die „an"- und „aus"-Impulse sind, welche beispielsweise auf eine Dauer von wenigen Nanosekunden festgelegt werden können.
Die Bevölkerung N₂ des angelegten ³B₂-Zustands bei Vorhandensein des „aus"-Impulses ändert sich mit der Zeit gemäß der Gleichung [8]: dN2/dt = –wN2 – N2/τfl (1)wobei w die Anzahl der „aus"-Fotonen pro Zeiteinheit ist und τ_fl die Abklingkonstante der Fluoreszenzlebensdauer ist. Aus der Gleichung (1) kann die folgenden Gleichung erhalten werden: N2(t) = N20exp(w + 1/τfl), wobei
N₂₀ die Bevölkerung des angeregten ³B₂-Niveaus ist, bevor der „aus"-Impuls losgeschickt wird.
Somit nimmt die Bevölkerung des angeregten ³B₂-Niveaus zu mit einer Lebensdauer von: τ = τfl/(1 + wτfl) (2)
Darüber hinaus ist w = Iσem/hνwobei hν die Fotonenenergie ist, σ_em der Wirkungsquerschnitt der stimulierten Emission ist und I die Intensität des "aus"-Impulses ist. Die Gleichung (2) kann dann geschrieben werden als: τ = τfl/(1 + I/Isat) (3)wobei I_sat die Sättigungsintensität ist und gegeben ist durch I_sat = hν/σ_em. Wann immer I >> I_sat, führt die Gleichung (3) zu: τ = 1/w
Somit ist die Lebensdauer des angeregten Niveaus und als Folge die Abfallzeit der Verstärkung derselben Größenordnung wie die Länge des „aus"-Impulses. In diesem Fall ist die Abschaltzeit des Schalters lediglich durch die Dauer des „aus"-Impulses begrenzt. Es ist ersichtlich, dass die oben beschriebene OGG-Vorrichtung nicht wirklich ein Schalter im Hinblick auf die miteinbezogenen physikalischen Prozesse ist, da das optische Signal durch die Vorrichtung in beiden Zuständen des Verstärkungsmediums übertragen wird, entweder im Wesentlichen ohne Verstärkung oder mit einer beträchtlichen, durch stimulierte Emission induzierte Verstärkung. Jedoch ist die Vorrichtung für eine solche Gestaltung vorgesehen, dass der Verstärkungskontrast zwischen dem „an"- und „aus"-Zustand so groß ist (z.B. 30 bis 40 dB), dass die Übertragung des optischen Signals ohne Verstärkung im Verstärkungsmedium als ein Blockierung des Signals angesehen werden kann. Auf diese Weise wirkt das optische Auftasten mittels Torschaltung (optical gating) effektiv als optischer Schalter (oder Hahn oder Ventil).
4 zeigt schematisch einen OGG gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In vielerlei Hinsicht kann die zweite Ausführungsform als faseroptische Umsetzung der Freiraum-Vorrichtung der ersten Ausführungsform verstanden werden.
Der OGG 80 der zweiten Ausführungsform besitzt drei Eingänge zur Aufnahme eines Eingangssignals (SIGNAL-EINGANG), von „an"-Impulsen (AN) und „aus"-Impulsen (AUS), die von jeweiligen Lichtquellen, die in Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben wurden, bereitgestellt werden. Diese Lichtquellen sind aus der Figur weggelassen, um zu veranschaulichen, dass die in 4 gezeigten Vorrichtungsmerkmale eine eigenständige Subkomponente bilden können. Insbesondere erfordert keine der in der Figur dargestellten Komponenten irgendeine externe elektrische Stromversorgung oder Steuerungsverbindungen. In diesem Sinn kann die Subkomponente der 4 nominal als passive Vorrichtung klassifiziert werden, da – obwohl aktiv – ihre aktiven Eigenschaften alle fernausgelöst werden können, d.h. durch die optischen „an"- und „aus"-Impulse. Wenn erwünscht, können die Lichtquellen zur Erzeugung der „an"- und „aus"-Impulse unter einer gewissen Entfernung von der Vorrichtung der 4 positioniert werden. Z.B. können die Lichtquellen für den „an"- und „aus"-Impuls an einem Hauptnetzwerkknoten angeordnet werden, z.B. an einem Transmitter oder einem Signalkonzentrator, und Vorrichtungen wie jene in 4 gezeigte könnten einen Teil eines Paketvermittlungsnetzwerks mit aktivierten Koppelpunkten (mit automatischer Leitwegwahl, „self-routing packet transport network") darstellen, welches lediglich hoch zuverlässige Komponenten enthält, die keine äußeren elektrischen Verbindungen benötigen und routinemäßig nicht instandgehalten, gewartet oder ersetzt werden müssen.
Wie in der ersten Ausführungsform werden die drei optischen Eingangssignale SIGNAL EINGANG, AN und AUS für die gemeinsame Ausbreitung durch einen Cr⁴⁺:YAG-Kristall kombiniert. In der zweiten Ausführungsform wird die Signalkombinierung mit einer Kaskade aus einem ersten und zweiten faseroptischen Koppler 62 und 64 erreicht. Wie ersichtlich ist, könnte die Signalkombinierung mit einem einzelnen Koppler mit drei Eingängen erzielt werden oder mit einer weiten Vielzahl anderer standardmäßiger faseroptischer Komponenten. Insbesondere werden in der zweiten Ausführungsform die Signale SIGNAL EINGANG und AN den faseroptischen Wellenleitern 70 und 72 zugeführt, die einen ersten und zweiten Eingang in den ersten optischen Koppler 62 bilden, dessen Ausgang einen Eingang in den zweiten optischen Koppler 64 bildet, dessen anderer Eingang ein faseroptischer Wellenleiter 74 ist, der aus dem AUS-Signaleingang herführt. Der Ausgang des zweiten faseroptischen Kopplers 64 dient somit dazu, alle drei Signale (SIGNAL EINGANG, AN und AUS) zu führen und zu einem Verstärkungsmedium in Form einer Cr⁴⁺:YAG enthaltenen optischen Faser 66 zu leiten, wo die Verstärkung des Eingangssignals unter Steuerung des „an"- und „aus"-Impulses stattfinden wird.
In einem Beispiel wird das faseroptische Verstärkungsmedium 66 von einem Kern aus kristallinen Cr⁴⁺:YAG-Partikeln eingebettet in ein Brechwert-anpassendes Glas dargestellt, umgeben von einer Ummantelung aus einer Licht haltenden Struktur, die aus einem geeigneten Glas oder anderem Material hergestellt ist [2].
In einem weiteren Beispiel ist das faseroptische Verstärkungsmedium 66 eine Cr⁴⁺:YAG-Einkristallfaser. Solche Einkristallfasern können durch die Laser erhitzte Sockelwachstumstechnik (laser-heated pedestal growth technique, LHPG) erhalten werden [9, 10]. Wenn die Einkristallfaser entlang der <100>-Wachstumsrichtung orientiert ist, wird eine Emission bis zu 1 × 10^–19 cm² erwartet [1]. Mit einer Cr⁴ ⁺-Dotierungskonzentration im Faserkern von ungefähr 5 × 10¹⁷ Atomen/cm³ und einer Faserlänge von 140 cm sollte eine Verstärkung von ungefähr 30 dB erreicht werden. Wenn die Länge der Faser 66 auf 185 cm ausgedehnt wird, ist eine Verstärkung von 40 dB vorhergesagt. Es ist somit ersichtlich, dass eine sehr beträchtliche Verstärkung mit relativ kurzen Faserlängen erzielt werden kann, was eine einfache Herstellung der Vorrichtung erlaubt.
Am Ausgang des faseroptischen Verstärkungsmediums 66 ist ein Filter 68 vorgesehen, um den „an"- und „aus"-Impuls zurückzuweisen und das Signal zur Ausgabe der Vorrichtung weiter zu übertragen, die in 4 mit SIGNAL AUSGANG bezeichnet ist.
Die Vorrichtung der 4 wird in einer Weise arbeiten, die aus der Beschreibung der ersten Ausführungsform mit Bezug auf 1 bis 3 allgemein verstanden werden wird, und auf die Bezug genommen wird.
5 zeigt eine OGG 80 gemäß einer dritten Ausführungsform, der als Umsetzung mit ebenen Wellenleitern der faseroptischen Vorrichtung der zweiten Ausführungsform verstanden werden kann. Das Eingangssignal EINGANG und die beiden Steuersignale AN und AUS werden mit einer Kaskade aus einem ersten und zweiten Y-Koppler 162 und 164 kombiniert, die ähnlich den Faserkopplern der zweiten Ausführungsform angeordnet sind. Ein Verstärkungsmedium 166 wird durch eine Cr⁴⁺-Dotierung eines Abschnitts des Wellenleiters bereitgestellt, der vom Ausgang des zweiten Y-Kopplers 164 wegführt. Eine Ausgangsfilterung zum Zurückweisen der AN und AUS-Singale wird von einem ersten und zweiten Bragg-Gitter 167 bzw. 169 bereitgestellt, die in einer Linie in der Verlängerung des Wellenleiters des Cr⁴⁺-dotierten Abschnitts angeordnet sind. Die dritte Ausführungsform wird mit Bezug auf die obige Beschreibung der ersten und zweiten Ausführungsform weiter verständlich werden.
6 ist eine schematische Zeichnung eines ersten Beispiels eines OGG gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen in einem Systemzusammenhang. Ein Cr⁴⁺:YAG-basierter OGG 80 wird eingesetzt, um ein Eingangssignal SIGNAL EINGANG, das an einem Eingangsanschluss 81 angeliefert wird, mittels Torschaltung aufzutasten, wobei das Eingangssignal als Impulsfolge gezeigt ist. Das Eingangssignal tritt über den Eingangsanschluss 81 in den OGG 80 ein und erfährt eine Verstärkung, die auf die Zufuhr eines AN-Impulses mit 1064 nm an einem Steuerungsanschluss 802 reagiert. Eine Verstärkung von 30 bis 40 dB wird ein für viele Anwendungen ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis bereitstellen. Der Verstärkungsvorgang wird als Reaktion auf die Zufuhr eines AUS-Impulses mit 1450 nm an einem weiteren Steuerungsanschluss 84 gedämpft. Die Dauer der Verstärkung ist gleich der Verzögerung Δt zwischen dem „an"- und „aus"-Impuls und ist somit von außen steuerbar. In der Figur ist das selektive Auftasten am Ausgang durch die Verstärkung zweier Impulse in einer Folge von vier Impulsen schematisch dargestellt. In Wirklichkeit wird die Verstärkung beispielsweise für eine ausgewählte Anzahl von Datenpaketen eines Paketvermittlungsprotokolls wie z.B. eines ATMs (Asynchronous Transfer Mode) durchgeführt. Vorteilhafterweise erlaubt die Verstärkungsbandbreite des Cr⁴⁺:YAG ein Auftasten in einen Wellenlängenbereich zwischen 1,3 und 1,6 Mikron, d.h. über sowohl das zweite als auch das dritte Telekommunikationsfenster, wie durch die Beschriftung des Eingangssignals in der Figur gezeigt ist.
7 ist eine schematische Zeichnung eines zweiten Beispiels der Art, wie ein OGG gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen in ein System eingegliedert werden kann. Eine optische Übertragungsleitung 90 ist für die Übertragung von optischen Signalen in Form von Zellen oder Paketen 100 angeordnet. Ein Beispiel ist ein Datenübertragungssystem, das unter Verwendung des asynchronen ATM-Arbeitsprotokolls arbeitet. Jede ATM-Zelle 100 enthält einen Header 102. Ein optischer Koppler 92 ist in der Übertragungsleitung 90 angeordnet, um einen Teil des ATM-Signals in eine Verzweigungsleitung 91 abzutrennen. Das optische Signal wird somit dupliziert , wobei ein Satz der duplizierten Zelle sich weiter entlang der Übertragungsleitung 90 ausbreitet und der andere Satz der duplizierten Zelle sich entlang der Verzweigungsleitung 91 ausbreitet. Die Verzweigungsleitung 91 führt zu einem Eingang 81 eines Cr⁴⁺:YAG-basierten OGGs 80 gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung. Der OGG 80 dient dazu, das Eingangssignal EINGANG als Reaktion auf die Zufuhr eines AN-Impulses mit 1064 nm an einem Steuerungsanschluss 82 und eines AUS-Impulses mit 1450 nm zu verstärken, der an einem weiteren Steuerungsanschluss 84 empfangen wird. Die Dauer der Verstärkung ist gleich der Verzögerung Δt zwischen dem AN und AUS-Impuls und ist somit von außen steuerbar. Dieser Betrieb des OGGs 80 wird aus den oben beschriebenen Ausführungsformen verständlich.
Im Gebrauch wird der OGG 80 durch Synchronisieren des AN- und AUS-Impulses gesteuert, um eine Verstärkung lediglich für die Headerabschnitte der ATM-Zellen bereitzustellen. Das optische Signal AUSGANG, das aus dem OGG 80 am Ausgang 83 ausgegeben wird, wird somit effektiv lediglich aus den ATM-Headerabschnitten 102 bestehen. Der Ausgang 83 ist mit einer optischen Signalleitung 103 verbunden, die zu einem Eingang eines optischen Korrelators 94 führt. Der optische Korrelator 94 ist so gestaltet, dass er die Header-Information liest und einen optischen Cross-Connector (automatischer Schaltverteiler) 96 gemäß der Header-Information über eine weitere optische Signalleitung 95 antreibt, die von einem Ausgang des optischen Korrelators 94 zu einem Steuereingang des optischen Cross-Connectors 9 führt. Der optische Cross-Connector 96 besitzt zusätzlich einen Eingang 93, der mit der optischen Hauptübertragungsleitung 90 verbunden ist und so gestaltet ist, dass die am Eingang 93 empfangenen ATM-Zellen 100 als Reaktion auf das Steuerungssignal CTRL, das vom optischen Korrelator 92 empfangen wird, zu einer Vielzahl von Ausgängen 97 vermittelt wird. In anderen Worten werden die ATM-Zellen, die in den optischen Cross-Connector 96 eingegeben werden, an die geeignete Ausgangsleitung 97 adressiert, die vom optischen Korrelator 97 bestimmt wird.
Das System gemäß dem zweiten Beispiel ist protokolltransparent (ähnlich dem ersten Systembeispiel). Ebenso wie es auf asynchrone Protokolle wie z.B. ATM anwendbar ist, kann es für synchrone Protokolle verwendet werden. Spezifische Beispiele weiterer Protokolle, die verwendet werden können, sind IP (Inter Protocol) und SDH-SONST (Synchronous Digital Hierarchy – Synchronous Optical Network).
Weitere Vorrichtungen, die auf den im Router der 7 eingesetzten Prinzipien basieren, können in Betracht gezogen werden, in denen Zellen oder Teile von Zellen (außer den Headern) selektiv aus einer Signalfolge unter Verwendung der AN- und AUS-Signale extrahiert werden können, die geeignet von einem lokalen oder entfernten Kontroller ausgelöst werden.
In alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann Cr⁴⁺ in andere Mutterkristalle als YAG dotiert werden. Indem andere Mutterkristalle ausgewählt werden, können unterschiedliche Wellenlängenbereiche der Verstärkung erzielt werden. Jedoch wird Cr⁴⁺ in YAG als die beste Wahl für Telekommunikationsanwendungen angesehen, da es der einzige, den Erfindern bekannte Mutterkristall ist, der eine Verstärkung sowohl über das zweite als auch das dritte Telekommunikationsfenster bereitstellen kann, obwohl weitere existieren können.
Weitere Cr⁴⁺ Mutterkristalle sind bekannt, um eine Verstärkung im zweiten und/oder dritten Telekommunikationsfenster bereitzustellen. Beispiele solcher Cr⁴⁺-Mutterkristalle sind Y₂SiO₅, Mg₂SiO₄, LiNbGeO₅, Y₃Al₅O₁₂:CaO, Y₃(Al,Sc)₂Al₃O₁₂:CaO, Y₃Sc₂Al₃O₁₂:CaO, Ca₂SiO₄, Ca₂GeO₄ und LiAlO₂, siehe Literaturquelle [2], Fig. 1.17 der Literaturquelle [12] und Tabelle 1 der Literaturquelle [14].
In weiteren alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann Cr⁴⁺ mit anderen Übergangsmetall-Dotierungen ersetzt werden, wie z.B. V⁴⁺ in einer YAG- oder anderen Muttermatrix, z.B. einem der oben aufgelisteten Mutterkristalle. Indem unterschiedliche Übergangsmetalle ausgewählt werden, können unterschiedliche Wellenlängenbereiche der Verstärkung erzielt werden. Beispiele solcher Übergangsmetallionen sind V²⁺, welches im Wellenlängenbereich von 1,05 bis 1,33 μm verstärken kann, Ni²⁺, das im Wellenlängenbereich von 1,314 bis 1,939 μm verstärken kann, und Co²⁺, das im Wellenlängenbereich von 1,62 bis 2,5 μm verstärken kann (siehe Tabelle 1.10 der Literaturquelle [12]).
Die Emission von Cr⁴ ⁺-dotierten Garnets ist in Literaturquelle [13] weiter detailliert aufgeführt.
Literaturquellen

[1] A. Sennaroglu, C R Pollock, H. Nathel, Journal of the Optical Society of America B, Band 12, Seiten 930–937 (1995)
[2] US Patent 5,717,517 : R. R. Alfano, V V Petricevic and Ping Pel Ho
[3] P. Myslinski, C. W. Barnard, J. Chrostowski, Fiber and Integrated Optics Band 14, Seiten 83–88 (1995)
[4] P. Myslinski, C. W. Barnard, G. Cheney, J. Chrostowski, B. Syrett, J. Glinski, Optics Communications, Band 97, Seiten 340–346 (1993)
[5] IT Mc Kinnie, J. C. Deittrich, R. T. White, D. M. Warrington SPIE Band 3265, Seiten 295–305
[6] IT Mc Kinnie, M J Davies, Pure Appl. Opt. Band 6, Seiten 759–772 (1997)
[7] Y. Kalisky, A. Ben-Amar Baranga, Y. Shimony, M. R. Kotka, Optical Materials Band 8, Seiten 129–134 (1997)
[8] O. Svelto, „Principles of Lasers" dritte AUsgabe, 1989, New York Press, New York Seiten 62–65.
[9] S. Ishibashi, K. Naganuma, I. Yokoham, Journal of Crystal Growth, Band 183, Seiten 614–621
[10] US Patent 5,690,735 : Becker
[11] A. Suda et al: IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 35, Nr. 10, Seiten 1548–1553 (1999) beschreibt die Absorptions- und Oszillationseigenschaften eines gepulsten Cr⁴⁺:YAG-Lasers, untersucht mit einer Doppelpumptechnik
[12] A. A. Kaminskii, Crystalline Lasers:Physical Processes and Operating Schemes, Seite 52, Fig. 1.17 & Seite 29, Tabelle 1.10, CRL Press, New York (1996), ISBN 0-8493-3720-8
[13] S. Kueck et al, Physical Review B, Band 51, Seiten 17323–17331 (1995)
[14] T. Kellner et al, Applied Optics, Band 37, Seiten 7076–7084 (1998)
[15] US Patent 5,247,529 beschreibt ein Erbium-in-Glas-basiertes optisches Kommunikationsübertragungssystem mit optischer Steuerung eines optischen Verstärkers

Claims

Verfahren zum Auftasten eines optischen Signals (21) mittels Torschaltung (gating), umfassend: (a) Eingeben eines torzusteuernden optischen Signals (21 in ein Verstärkungsmedium (20), das eine Übergangsmetall-Dotierung umfasst, die keine seltene Erden-Dotierung ist und die in einem Mutterkristall vorgesehen ist; (b) Anwenden eines ersten Steuersignals (23) mit einer ersten Wellenlänge auf das Verstärkungsmedium (20), um einen angeregten Zustand der Übergangsmetall-Dotierung zu bevölkern und dadurch eine Verstärkung des optischen Signals (21) durch stimulierte Emission zu induzieren; und (c) Anwenden eines zweiten Steuersignals (25) mit einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen, zweiten Wellenlänge auf das Verstärkungsmedium (20), um den angeregten Zustand der Übergangsmetall-Dotierung zu entvölkern und dadurch die Verstärkung des optischen Signals (21) zu unterdrücken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium (20) die Verstärkung über einen Wellenlängenbereich bereitstellt, der das zweite Telekommunikationsfenster umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium (20) die Verstärkung über einen Wellenlängenbereich bereitstellt, der das dritte Telekommunikationsfenster umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium (20) die Verstärkung über einen Wellenlängenbereich bereitstellt, der das zweite und dritte Telekommunikationsfenster umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter das Herausfiltern des ersten und zweiten Steuersignals (23, 25) aus dem optischen Signal (21) nach dem Durchtritt durch das Verstärkungsmedium (20) umfassend.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Übergangsmetall-Dotierung Cr⁴⁺ ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (20) YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) als Mutterkristall für die Übergangsmetall-Dotierung umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Steuersignal (23) von einer ersten Lichtquelle (24) bereitstellt wird, die einen Ausgabe an einer ersten Wellenlänge aufweist, an der ein erster erlaubter optischer Übergang der Übergangsmetall-Dotierung in den angeregten Zustand vorhanden ist, und wobei das zweite Steuersignal (25) von einer zweiten Lichtquelle (26) bereitgestellt wird, die eine Ausgabe an einer zweiten Wellenlänge aufweist, an der ein zweiter erlaubter optischer Übergang der Übergangsmetall-Dotierung aus dem angeregten Zustand vorhanden ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Mutterkristall einen Kern aus kristallinen Teilchen umfasst, die in Glas mit Brechwertanpassung eingebettet sind.
Vorrichtung (80) zum Auftasten eines optischen Signals (21) durch Torschaltung (gating), umfassend: (a) eine Eingangsstufe (30), die angeordnet ist, um ein erstes und zweites optischen Steuersignal (23, 25) einer ersten und zweiten Wellenlänge sowie ein torzusteuerndes optisches Signal einer dritten Wellenlänge aufzunehmen und zu kombinieren, wobei die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge verschieden ist; (b) ein Verstärkungsmedium (20), das angeordnet ist, um von der Eingangsstufe das erste und zweite optische Steuersignal (23, 25) und das torzusteuernde optische Signal (21) aufzunehmen, wobei das Verstärkungsmedium (20) eine Übergangsmetall-Dotierung umfasst, die keine seltene Erden-Dotierung ist und die in einem Mutterkristall vorgesehen ist, wobei die Übergangsmetall-Dotierung einen von dem ersten optischen Steuersignal (23) bevölkerbaren und vom zweiten optischen Steuersignal (25) entvölkerbaren angeregten Zustand aufweist, um eine selektive Verstärkung des torzusteuernden optischen Signals (21) durch die stimulierte Emission aus dem angeregten Zustand zu erlauben, die auf das erste und zweite optische Steuersignal (20, 25) anspricht; und (c) eine Ausgangsstufe (34) zur Übertragung des optischen Signals nach der Auftastung im Verstärkungsmedium (20).
Vorrichtung (80) nach Anspruch 10, weiter umfassend: eine erste Lichtquelle (24) zum Erzeugen des ersten optischen Steuersignals (23) an einer ersten Wellenlänge zur Bevölkerung des angeregten Zustands der Übergangsmetall-Dotierung, um so eine Verstärkung des optischen Signals (21) an der dritten Wellenlänge bereitzustellen; und eine zweite Lichtquelle (26) zum Erzeugen des zweiten optischen Steuersignals (25) an einer zweiten Wellenlänge zur Entvölkerung des angeregten Zustands der Übergangsmetall-Dotierung, um so eine Verstärkung des optischen Signals (21) an der dritten Wellenlänge zu unterdrücken.
Vorrichtung (80) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Eingangsstufe (30) und das Verstärkungsmedium (20) über einen Bereich von Werten der dritten Wellenlänge betreibbar sind, der das dritte Telekommunikationsfenster umfasst.
Vorrichtung (80) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Eingangsstufe (30) und das Verstärkungsmedium (20) über einen Bereich von Werten der dritten Wellenlänge betreibbar sind, der das zweite Telekommunikationsfenster umfasst.
Vorrichtung (80) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Eingangsstufe (30) und das Verstärkungsmedium (20) über einen Bereich von Werten der dritten Wellenlänge betreibbar sind, der das zweite und dritte Telekommunikationsfenster umfasst.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Ausgangsstufe (34) einen Filter zum Zurückweisen des ersten und zweiten optischen Steuersignals und zum Übertragen des optischen Signals umfasst.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Übergangsmetall-Dotierung Cr⁴⁺ ist.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das Verstärkungsmedium (20) YAG (Yttrium-Aluminium-Garant) als Mutterkristall für die Übergangsmetall-Dotierung umfasst.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei das Verstärkungsmedium (20), die Eingangsstufe (30) und/oder die Ausgangsstufe (34) in einer optischen Faser liegen.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei das Verstärkungsmedium (20), die Eingangsstufe (30) und/oder die Ausgangsstufe (34) in einem ebenen Wellenleiter liegen.
Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei der Mutterkristall einen Kern aus kristallinen Teilchen umfasst, die in einem Glas mit Brechwertanpassung eingebettet sind.