DE60300859T2

DE60300859T2 - Ramanverstärker

Info

Publication number: DE60300859T2
Application number: DE60300859T
Authority: DE
Inventors: Dr. Georg Bastian; Ekaterina Bourova
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: US7106500B2; US20040207908A1; ATE298143T1; EP1471612A1; DE60300859D1; EP1471612B1

Description

Sachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Raman-Verstärker, die zum Verstärken optischer Signale in verschiedenen optischen Kommunikationssystemen verwendet werden können, sowie auf ein Raman-Verstärkungsverfahren.
Hintergrund und Stand der Technik
Das Prinzip der optischen Raman-Verstärkung ist als solches aus dem Stand der Technik bekannt. In Raman-Verstärkern werden angeregte Raman-Streuungen zum Erzeugen einer optischen Verstärkung genutzt. Ein typisches Raman-Verstärkersystem beinhaltet einen Hochleistungs-Pumplaser und einen Richtkoppler. Die optische Verstärkung erfolgt in der Übertragungsfaser selbst und ist über den Übertragungsweg des optischen Signals verteilt. Da Lichtleitfasern aus amorphem Silizium bestehen, entsteht ein Raman-Streuspektrum, so daß das gesamte im WDM-System verwendete Spektrum ebenso verstärkt wird wie das Rauschen, das bei Verwendung eines Pumplasers mit einer einzelnen Wellenlänge auftritt. Das Verstärkungsspektrum wie auch die Faserverluste resultieren in einer ungleichmäßigen Verteilung der Leistungen der einzelnen Kanäle, was irgendeine Form einer sukzessiven Verstärkungsglättung erfordert, beispielsweise mit Hilfe variabler optischer Dämpfungsglieder.
Eine Hochleistungs-Pumpeinheit für ein Raman-System ist bekannt aus der Veröffentlichung von Yoshihiro Emori und Shu Namiki, "Demonstration of Broadband Raman Amplifiers: A Promising Application of a High-Power Pumping Unit", Furukawa Review, Nummer 19, 2000. Darüber hinaus wurden Berichte über die Verwendung einer Silicon-on-Isolator-Struktur (SOI-Struktur) anstelle einer Lichtleitfaser veröffentlicht (R. Claps et al, 'Stimulate Raman Scattering in Silicon Waveguides', Electronics Letters, Vol. 38, Nr. 22, Oktober 2002, und R. Claps et al, 'Observation of Raman Emission in Silicon Waveguides at 1.54 μm', Optics Express, Vol. 10, Nr. 22, November 2002).
Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung entsprechend der Definition in Anspruch 1 sieht ein verbessertes Raman-Verstärkersystem vor, bei dem als Lichtwellenleiter ein kristalliner Werkstoff zur Anwendung kommt. Dies basiert auf der Entdeckung, daß kristalline Werkstoffe eine wohldefinierte Raman-Wellenlängenverschiebung anstelle eines Spektrums der Raman-Wellenlängenverschiebung aufweisen, was bei Fasern der Fall ist, die aus amorphem Silizium bestehen und bei Raman-Verstärkersystemen nach dem Stand der Technik angewandt werden. Die Verwendung eines kristallinen Werkstoffes macht es möglich, den Raman-Verstärkungseffekt auf eine bestimmte optische Wellenlänge zu konzentrieren, was die erforderliche Wechselwirkungslänge des Pumplichts und des zu verstärkenden optischen Signals reduziert und zudem die Verstärkung von Rauschen verhindert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Wellenleiterwerkstoff ein Halbleiter verwendet. Es kommen vorzugsweise Halbleiter der Gruppen IV, II–VI oder III–V wie zum Beispiel Indiumphosphid, Galliumarsenid oder Silizium-Germanium zur Anwendung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Lichtwellenleiter aus einer Halbleiter-auf-Isolator-Struktur wie etwa einer Silicon-on-Isolator-Struktur (SOI-Struktur). Die Verwendung einer solchen Struktur bietet den Vorteil, daß zur Herstellung des Wellenleiters Halbleiter-Fertigungsverfahren nach dem Stand der Technik angewandt werden können und daß sich die erforderliche Wechselwirkungslänge des zu verstärkenden optischen Signals und des Pumplichts weiter bis auf die Größenordnung von 1 cm reduzieren läßt, so daß das Raman-Verstärkersystem als integrierte Schaltung hergestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Lichtwellenleiter durch eine Membran einer Halbleiterschicht gebildet. Die Verwendung einer solchen Struktur bietet den Vorteil, daß die Einschließung der optischen Mode erhöht wird, weil der Brechzahlkontrast der umgebenden Luftummantelung größer ist. Dies bewirkt eine weitere Verringerung der Wechselwirkungslänge des Systems.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtwellenleiter mit einem Defektwellenleiter in einem photonischen Kristall versehen. Die Verwendung einer solchen Struktur bietet den Vorteil, daß die Einschließung der optischen Mode aufgrund des photonischen Bandabstands des umgebenden Materials erhöht werden kann. Die Einschließung kann vertikal, lateral oder in beiden Richtungen erhöht sein. Dieses bewirkt eine weitere Verringerung der Wechselwirkungslänge des Systems.
Gemäß Anspruch 1 sowie einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für den Lichtwellenleiter ein isotopenreiner kristalliner Werkstoff wie zum Beispiel ein isotopenreiner Halbleiter verwendet. Isotopenreine Halbleiter sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt (vgl. Steven J. Bunden, 'High thermal conductivity silicon', Silicon Fabtech, 13^th Edition, Seite 297). Die Verwendung eines isotopenreinen kristallinen Werkstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf der Entdeckung, daß unterschiedliche Isotope desselben Elements geringfügig unterschiedliche Raman-Wellenlängenverschiebungen aufweisen. Die Verwendung eines isotopenreinen kristallinen Werkstoffs für den Lichtwellenleiter des Raman-Systems bietet somit den Vorteil, daß die Raman-Wellenlängenverschiebung mit noch größerer Genauigkeit festgelegt ist. Dies konzentriert den Raman-Verstärkungseffekt noch stärker auf die gewünschte Wellenlänge und macht es möglich, die Wechselwirkungslänge des Pumplichts und des zu verstärkenden optischen Signals weiter zu reduzieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind separate Laserpumpen für mehrere optische Signale vorgesehen, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen (ein WDM-System). Die Wellenlängen der Laserpumpen sind exakt auf die Wellenlängen der zu verstärkenden optischen Signale minus der Wellenlängenverschiebung des kristallinen Werkstoffs des Lichtwellenleiters abgestimmt. Dies ermöglicht die präzise Kontrolle der Verstärkung jedes einzelnen optischen Signals und macht die Verwendung variabler optischer Dämpfungsglieder überflüssig.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, in welcher 1 ein Blockschaltbild eines Raman-Verstärkersystems mit einem Semiconductor-on-Insulator- (SOI-) Lichtwellenleiter zeigt.
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt das Raman-Verstärkersystem 100, das einen Lichtwellenleiter 102 und einen Laser 104 beinhaltet. In der hier betrachteten bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter 102 ein Semiconductor-on-Insulator- (SOI-) Lichtwellenleiter. So ist beispielsweise die aus kristallinem Silizium bestehende gerippte Wellenleiterschicht 106 auf einem Isolator 108 wie etwa Siliziumdioxid (SiO₂) angeordnet. Beispielsweise beträgt die Breite 110 der Wellenleiterschicht 106 zwischen 0,5 μm und 10 μm, ihre Höhe 112 zwischen 1 μm und 10 μm und ihre Höhe 114 zwischen 0,25 μm und 7 μm. Beim Halbleitermaterial der Wellenleiterschicht 106 handelt es sich vorzugsweise um isotopenreines Material, mit dem eine größere Präzision der Raman-Verstärkung erzielt wird.
Der Laser 104 dient als Quelle für Pumplicht, das in den Lichtwellenleiter 102 zur Verstärkung eines optischen Signals eingekoppelt wird, welches sich durch den Lichtwellenleiter 102 ausbreitet.
Wenn das Halbleitermaterial, aus dem die Wellenleiterschicht 106 besteht, eine Raman-Wellenlängenverschiebung von Δλ hat, während das optische Signal, das sich durch die Wellenleiterschicht 106 ausbreitet, eine Wellenlänge von λ₁ hat, wird für den Laser 104 eine Wellenlänge von λ₂ = λ₁ – Δλ gewählt.
Wenn sich mehrere optische Signale durch den Lichtwellenleiter 102 ausbreiten, muß eine entsprechende Anzahl von Quellen für Pumplicht der jeweiligen Wellenlängen vorhanden sein. Beispielsweise wird für ein zusätzliches optisches Signal mit einer Wellenlänge λ₃ eine zusätzliche Quelle für Pumplicht der Wellenlänge λ₄ = λ₃ – Δλ benötigt.
Ein besonderer Vorteil des Raman-Verstärkersystems 100 besteht darin, daß es auf einer einzigen integrierten Schaltung mit einer Wechselwirkungslänge von beispielsweise 0,25 bis 1 cm implementiert werden kann. Die Länge des Lichtwellenleiters 102 kann sogar noch geringer sein, vor allem dann, wenn als Werkstoff für die Wellenleiterschicht 106 ein isotopenreiner Halbleiter verwendet wird.
Liste der Referenznummern

100: Raman-Verstärkersystem
102: Lichtwellenleiter
104: Laser
106: Wellenleiterschicht
108: Isolator
110: Breite
112: Höhe
114: Höhe

Claims

Raman-Verstärkersystem, beinhaltend – einen Lichtwellenleiter (102, 106, 108), bei welchem ein kristalliner Werkstoff ein optisches Signal mit einer ersten Wellenlänge leitet, wobei der kristalline Werkstoff eine Raman-Wellenlängenverschiebung aufweist, – eine Pumpe (104), die für das Pumpen von Licht in den Lichtwellenleiter konfiguriert ist, wobei das Pumplicht eine zweite Wellenlänge hat, die im wesentlichen gleich der ersten Wellenlänge minus der Raman-Wellenlängenverschiebung ist, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Werkstoff isotopenrein ist.
Raman-Verstärkersystem gemäß Anspruch 1, bei welchem der kristalline Werkstoff ein Halbleiterwerkstoff und vorzugsweise ein Halbleiterwerkstoff der Gruppen IV, III–V oder II–VI wie zum Beispiel Silizium, Indiumphosphid, Galliumarsenid oder Silizium-Germanium ist.
Raman-Verstärkersystem gemäß Anspruch 1, bei welchem der Lichtwellenleiter eine gerippte Geometrie (106) des kristallinen Werkstoffs auf einer Isolatorschicht (108) aufweist.
Raman-Verstärkersystem gemäß Anspruch 1, bei welchem der kristalline Werkstoff ein isotopenreiner Halbleiter und vorzugsweise isotopenreines Silizium ist.
Raman-Verstärkersystem gemäß Anspruch 1, bei welchem der Lichtwellenleiter durch eine Membran einer Halbleiterschicht gebildet wird.
Raman-Verstärkersystem gemäß Anspruch 1, bei welchem der Lichtwellenleiter durch einen Defektwellenleiter in einem photonischen Kristall gebildet wird.
Raman-Verstärkersystem gemäß Anspruch 1, ferner beinhaltend mehrere Pumpen für die separate Raman-Verstärkung mehrerer optischer Signale, welche mehrere Wellenlängen haben.
Verfahren zum Erzeugen einer Raman-Verstärkung, beinhaltend die Schritte – der Bereitstellung eines Lichtwellenleiters mit einem isotopenreinen kristallinen Werkstoff, – der Ausbreitung eines optischen Signals durch den Lichtwellenleiter, wobei das optische Signal eine erste Wellenlänge hat, und – der Einkopplung von Pumplicht in den Lichtwellenleiter, wobei das Pumplicht eine zweite Wellenlänge hat, die im wesentlichen gleich der ersten Wellenlänge minus der Raman-Wellenlängenverschiebung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, ferner beinhaltend – die Ausbreitung mindestens eines optischen Signals, welches eine dritte Wellenlänge hat, durch den Lichtwellenleiter und – der Einkopplung von Pumplicht in den Lichtwellenleiter, wobei das Pumplicht eine vierte Wellenlänge hat, die im wesentlichen gleich der dritten Wellenlänge minus der Raman-Wellenlängenverschiebung ist.