DE69409715T2

DE69409715T2 - Optischer Impulsgenerator

Info

Publication number: DE69409715T2
Application number: DE69409715T
Authority: DE
Inventors: Fabrice Devaux
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: US5559628A; EP0632309B1; FR2707766B1; FR2707766A1; JPH07142816A; DE69409715D1; EP0632309A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Pulsgeneratoren, welche vom Typ her einen elektroabsorbierenden Modulator aufweisen.
Optische Puisgeneratoren mit elektroabsorbierenden Modulatoren finden eine Anwendung in technischen Gebieten, welche die Erzeugung kurzer Lichtpulse erfordern.
Sie werden beispielsweise in Meßapparaturen für die Beobachtung schneller physikalischer oder chemischer Phänomene verwendet.
Sie werden ebenfalls in dem Gebiet der Telekommunikation über lange Distanz verwendet, für die Transmission mit hoher Transmissionsrate von binären Daten über Lichtfasern mittels einer Codierung über Solitonenpulse oder über eine herkömmliche RZ-Modulation.
Für eine Zusammenfassung des Standes der Technik heutzutage bekannter elektroabsorbierender Modulatoren kann vorteilhaft der Artikel: E. Bigan - "Modulateurs électroabsorbants en onde guidée pour haisons optiques 1,55um" - lvocho des Recherches no. 149 - 3e trimestre 1992 herangezogen werden.
Ein elektroabsorbierender Modulator der Art, wie sie heutzutage bekannt sind, ist schematisch in Fig. 1 dargep stellt. Ein solcher Modulator ist eine Diode, die zwei dünne Schichten 1 und 2 aus einem jeweils n und p dotierten Material aufweisen. Zwischen diesen beiden Schichten 1 und 2 ist eine Schicht 3 dazwischen angeordnet, die einen nicht beabsichtigterweise dotierten Bereich bildet, in dem ein elektroabsorbierendes Material enthalten ist. Eine solche n-i-p Diode besitzt außerdem eine Wellenführungs struktur.
Die Absorption des elektroabsorbierenden Materials der Zwischenschicht 3 variiert abhängig von der Spannung V, die zwischen den beiden dünnen Schichten 1 und 2 der Diode angelegt wird.
Man charakterisiert gewöhnlich die Transmission einer Schicht, in der ein elektroabsorbierendes Material enthalten ist, über das Verhältnis zwischen der Ausgangsund der Eingangsleistung der auf diese Schicht gesendeten Lichtströme. In Fig. 2a der beigefügten Zeichnung ist die Transmissionskurve des Modulators der Fig. 1 als Funktion der Spannung V dargestellt, die zwischen seinen beiden dotierten dünnen Schichten 1 und 2 angelegt wird. Wie diese Kurve zeigt, fließt ein Strom in die Diode und das elektroabsorbierende Material arbeitet im Laser- oder optischen Verstärkungsbereich (Bereich 1 der Kurve), wenn die diesen Modulator bildende Diode in Vorwärtsrichtung betrieben wird (V größer als Null).
Wenn andernfalls die Diode in Sperrichtung betrieben wird (V kleiner als Null), so sperrt sie und es wird ein elektrisches Feld über dem elektroabsorbierenden Material erzeugt. Die Absorption dieses Materials variiert als Funktion des Wertes der angelegten Spannung V. Insbesondere ist das elektroabsorbierende Material transparent, wenn diese Spannung schwach oder gleich 0 ist (Bereich II der Kurve) und absorbierend für entgegengesetzte Spannungen, die vom Absolutwert her größer sind (Bereich III der Kurve).
Zum Erzeugen kurzer Lichtpulse ist bereits vorgeschlagen worden, einen derartigen elektroabsorbierenden Modulator mittels eines sinusförmige Spannungssignals zu steuern.
Diesbezüglich kann sich vorteilhaft auf den Artikel: TRANSFORM-LIMITED 14ps OPTICAL PULSE GENERATION WITH 15 GHz REPETITION RATE BY InGaAsP ELECTROABSORPTION MODULATEUR - M. Suzuki, H. Tanaka, K. Utaka, N. Edagawa and Y. Matsuchima - ELECTRONICS LETTERS 21. Mai 1992, Vol 28 No. 11 bezogen werden.
Wie es in diesem Artikel beschrieben wird, betreibt ein derartiges Signal die den Modulator bildende Diode in Sperrichtung. Es hat eine feste Frequenz und eine wesentlich größere Amplitude als die Steuerspannung des Modulators.
In Fig. 2b ist ein sinusförmiges Signal S für die Spannungssteuerung eines elektroabsorbierenden Modulators dargestellt, welcher die Transmissionskurve der Fig. 2a aufweist. Wie aus dieser Figur 2b ersichtlich ist, nimmt dieses Signal 5 an diesen Sinusspitzen nahe der Nullspannung Werte an, bei denen es den Transparenzzustand des elektroabsorbierenden Materials steuert.
Die so erzeugten Pulse sind kurze Pulse, deren Wiederholungsrate gleich der Frequenz des Steuersignals ist. Sie sind in Fig. 3 dargestellt.
Ein derartiger optischer Pulsgenerator weist mehrere Nachteile auf.
In Anbetracht der Tatsache, daß der transparente Zustand des elektroabsorbierenden Modulators Sinusspitzen des Steuersignals entspricht, ist die Steuerung der Breite der erzeugten Pulse beschränkt. Insbesondere ist das Verhältnis der Pulsbreite zu der Wiederholperiode größer als ein minimaler Wert. Das Vorliegen dieses minimalen Wertes verhindert die Verwendung der heutzutage bekannten elektroabsorbierenden Modulatoren für die Erzeugung sehr kurzer Pulse, und vor allem die Verwendung dieser elektroabsorbierenden Modulatoren bei den Techniken des zeitlichen Multiplexens mehrerer Pulsfolgen.
Außerdem ist es mit einem derartigen Lichtpulsgenerator erforderlich, etwaige Steuersignaldrifts permanent zu überwachen. Dieses darf nämlich nicht die Lawinenspannung der Diode überschreiten, um nicht die Zuverlässigkeit der Vorrichtung in Frage zu stellen. Außerdem muß dieses Steuersignal negativ bleiben, um zu verhindern, daß das elektroabsorbierende Material nicht im Verstärkungs- oder Laserbereich arbeitet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die grundsätzliche Aufgabe zugrunde, diese verschiedenen Nachteile zu beheben.
Aus der Druckschrift US 3,748,597 ist bereits ein optischer Pulsgenerator bekannt, mit:
- einer Quelle zum Erzeugen eines Lichtstrahles,
- einem elektroabsorbierenden Modulator zum Modulieren dieses Lichtflusses in Lichtpulse, wobei dieser elektroabsorbierende Modulator wenigstens zwei Schichten aus dotierten Halbleitermaterialien und wenigstens eine zwischen diesen beiden Schichten angeordnete Zwischenschicht aufweist, wobei die Zwischenschicht aus einem nicht beabsichtigterweise dotierten Material besteht, in dem ein elektroabsor bierendes Material enthalten ist, wobei der absorbierende oder transparente Zustand dieser Zwischenschicht mittels einer zwischen zwei der dotierten Schichten angelegten Spannung gesteuert wird,
- Mitteln zum Steuern des Modulators mit einer Steuerspannung periodischer Art,
wobei die beiden Schichten des Modulators, zwischen denen Spannung angelegt wird, eine Dotierung mit demselben Vorzeichen aufweisen, die Transmission des Modulators als Funktion der ihn steuernden Spannung maximal in der Nähe der Nullspannung und symmetrisch zu dieser ist, und die Steuerspannung des Modulators eine periodische Spannung ist.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Mittel eine um die Nullspannung zentrierte Spannung liefern.
Weitere Merkmale und Vorteile sind auch aus der Beschreibung ersichtlich, die einem Ausführungsbeispiel der Erfindung folgt. Diese Beschreibung soll mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung gelesen werden, in der:
Fig. 4a schematisch die Transmissionskurve als Funktion der Spannung des elektroabsorbierenden Modulators des Generators der Erfindung darstellt.
Fig. 4b schematisch ein Sinussignal für die Spannungssteuerung eines Modulators darstellt, der die in Fig. 4a dargestellte Transmissionskurve aufweist, wobei dieses Signal die Erzeugung periodischer Lichtpulse ermöglicht,
Fig. 5 einen Zug von Ausgangspulsen darstellt, die mit dem Sinussignal der Fig. 4b erzeugt wurden;
Figuren 6 bis 8 schematisch mehrere mögliche Varianten des elektroabsorbierenden Modulators darstellen;
Fig. 9 in einem Blockdiagramm einen erfindungsgemäßen optischen Pulsgenerator darstellt.
Gemäß der Erfindung wird die Verwendung eines Modulators vorgeschlagen, dessen Transmissionskurve als Funktion der an die Anschlüsse dieses Modulators angelegten Spannung maximal für Spannungen in der Nähe der Nullspannung und symmetrisch bezüglich dieser Nullspannung ist. Eine solche Kurve ist in Fig. 4a dargestellt, in welcher der Transmissionsbereich eines solchen Modulators in der Figur 4a mit IV bezeichnet ist.
Die Erzeugung periodischer Pulse mit einem Modulator, der eine Transmissionskurve dieser Art aufweist, wird vorteilhaft mit Hilfe eines beispielsweise sinusförmigen, um die Nullspannung zentrierten periodischen Steuersignals realisiert. Eine Steuerspannung dieser Art ist in Fig. 4b dargestellt.
Wie aus dieser Fig. 4b ersichtlich ist, ist der Bereich des Signals, der den transparenten Zustand des Modulators steuert, derjenige, bei dem die Änderung des Steuersignals am schnellsten ist (maximale Steigung). Auch ist das Verhältnis der Breite der erzeugten Pulse zu der Wiederholperiode nicht mehr beschränkt und kann sehr viel kleiner sein, als es die elektroabsorbierenden Modulatoren aus dem Stand der Technik erlauben. Ein Zug optischer Impulse, die mit einem solchen Steuersignal erzeugt wurden, ist in Fig. 5 dargestellt.
Nunmehr werden mehrere Ausführungsbeispiele elektroabsorbierender Modulatoren beschrieben, deren optische Transmissionskurve vom Typ wie die in Fig. 4a sind.
Im allgemeinen hat ein erf indungsgemäßer Modulator eine Struktur, die ihn äquivalent zu einer Anordnung macht, welche zwei Modulatoren vom Typ aus dem Stand der Technik aufweist, welche entgegengesetzt zueinander angeordnet sind. Damit ist eine der diese Modulatoren bildenden Dioden im Durchlaßbereich, während die andere im Sperrbereich ist, wenn die an die Anordnung angelegte Steuerspannung nicht gleich Null ist. Der transparente Bereich des Modulators wird nur erhalten, wenn die Spannung an den Anschlüssen jeder der beiden Dioden äquivalent in der Nähe von Null Volt ist, d.h. wenn die Steuerspannung an den Anschlüssen des Modulators ihrerseits in der Nähe von Null Volt ist.
Der in Fig. 6 dargestellte Modulator weist prinzipiell zwei Schichten 11 und 12 auf, von denen eine n und die andere p dotiert ist, zwischen denen eine Zwischenschicht 13 angeordnet ist, die nicht beabsichtigterweise dotiert ist und in der ein elektroabsorbierendes Material enthalten ist.
Eine transversal angeordnete Isolierung 14 durchquert die Schichten 11 und 13 in ihre Tiefe und trennt diese beiden Schichten jeweils in zwei isolierte Halb-Schichten, die jeweils mit 11a und 11b und 13a und 13b bezeichnet werden.
Man hat damit zwei entgegengesetzt angeordnete Dioden realisiert, von denen jeweils die eine durch die Schichten 11a und 12 und die Zwischenschicht 13a und die andere durch die Schichten 11b und 12 und die Zwischenschicht 13b gebildet wird. Die Steuerspannung V wird, wie schematisch in Fig. 6 dargestellt, zwischen den beiden Schichten 11a und 11b angelegt, die eine Dotierung mit demselben Vorzeichen aufweisen.
Wenn die eine oder die andere der Schichten 13a und 13b absorbierend ist, d.h., wenn die Steuerspannung einen von Null Volt entfernten Wert annimmt, ist die eine der beiden Zwischenschichten 13a und 13b absorbierend. Der so gebildete Modulator ist damit absorbierend.
Wenn andernfalls die Steuerspannung in der Nähe der Nullspannung ist, sind die beiden Schichten 13a und 13b transparent. Die Durchlässigkeit ist maximal.
Es wird sich nunmehr auf Fig. 7 bezogen, in der ein elektroabsorbierender Modulator gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Dieser Modulator weist zwei Schichten 21 und 22 mit einer Dotierung mit dem selben Vorzeichen (p oder n) auf, zwischen denen eine Zwischenschicht 23 angeordnet ist. Diese Zwischenschicht 23 ist ihrerseits in zwei Unterschichten 23a und 23b durch eine Schicht 24 getrennt, die eine Dotierung mit umgekehrten Vorzeichen zu derjenigen der Schichten 21 und 22 aufweist. Diese beiden Unterschichten 23a und 23b sind alle beide nicht beabsichtigterweise dotiert und enthalten ein elektroabsorbierendes Material.
Eine solche Struktur ist damit äquivalent zu zwei aufeinander und entgegengesetzt angeordneten n-i-p Dioden, wobei eine dieser Dioden durch die Schicht 21, die Unterschicht 23a, die dotierte Schicht 24 und die andere durch das Substrat 22, die Unterschicht 23b und die dotierte Schicht 24 gebildet wird. Wenn eine Spannung ungleich Null zwischen die Schichten 21 und 22 angelegt wird, arbeitet eine der genannten beiden Dioden im Duchlaßbereich, während die andere im Sperrbereich arbeitet. Die Spannung an den Anschlüssen der im Duchlaßbereich arbeitenden Diode ist im wesentlichen Null, während die Spannung an den Anschlüssen der anderen im wesentlichen gleich der Spannung des Steuersignals ist. Der so gebildete Modulator weist eine maximale Durchlässigkeit auf, wenn die beiden Unterschichten 23a und 23b transparent sind, d.h. wenn die Steuerspannung in der Nähe der Nullspannung liegt.
In Fig. 8 ist ferner ein Modulator gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieser Modulator weist zwei Schichten 31 und 32 auf, zwischen denen eine nicht beabsichtigterweise dotierte Schicht angeordnet ist, in der ein elektroabsorbierendes Material 33 enthalten ist. Diese Schichten 31 und 32 weisen eine Dotierung mit dem selben Vorzeichen (n oder p) auf. Die Schichten 31 und 32 und die Zwischenschicht 33 bilden somit eine n-i-n oder p-i-p Diode. Die Funktionsweise einer solchen, den elektroabsorbierenden Modulator bildenden Diode ist im wesentlichen analog zu derjenigen des in Fig. 7 dargestellten Modulators.
In den verschiedenen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die n oder p dotierten Schichten klassischerweise Halbleitermaterialien aus den Spalten III und V der Mendeljev-Tafel, die man durch Epitaxie auf einem Substrat aufwachsen läßt.
In der Ausführungsvariante, die eine Isolierung aufweist, ist diese beispielsweise durch eine H&spplus;-Ionenimplantation verwirklicht.
Die elektroabsorbierenden Materialien können massive Halbleitermaterialien III-V mit dem Franz-Keldysh-Effekt, Materialien mit einer Quantentopf-Struktur oder auch Materialien mit einer Übergitterstruktur in der Wannier- Stark-Anordnung sein. Für ihre Herstellung und ihre Ausführung wird sich vorteilhaft auf die verschiedenen folgenden Veröffentlichungen bezogen, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird:
- E. Bigan - - "Modulateurs electroabsorbants non guidée pour liaisons optiques 1,55 um" - lvocho des Recherches no. 149 - 3e trimestre 1992;
- F. Devaux, E. Bigan, A. Ougazzaden, B. Pierre, F. Huet, M. Carrvo, and A. Carenco - InGaAsP/InGaAsP Multiple-Quantum-Well Modulator with Improved Saturation Intensity and Bandwidth Over 20 GHZ - IEEE. 1041-1135, 1992;
- F. Devaux - "Fabrication, caractérisation et mise en oeuvre des modulateurs électroabsorbants non guidés 1,55 um pour les liaisons trés haut débit" - am 26. März 1993 hinterlegte Doktorarbeit - Universität von Paris Süd Centre d'Orsay.
Der in Fig. 9 dargestellte optische Pulsgenerator weist klassischerweise eine Laserquelle 40 und einen elektroabsorbierenden Modulator 41 auf, der durch eine Sinusspannungsgenerator 42 in der Spannung gesteuert wird.
Erfindungsgemäß ist der Modulator 41 von vorstehend beschriebener Art. Der Generator 42 liefert ein beispielsweise sinusförmiges, um die Nullspannung zentriertes Steuersignal periodischer Art.
Wie bereits angemerkt, ermöglichen die vorstehend beschriebenen optischen Pulsgeneratoren und elektroabsorbierenden Modulatoren, die unterschiedlichen Nachteile der elektroabsorbierenden Modulatoren aus dem Stand der Technik zu beheben.
Insbesondere:
- erlauben sie den Erhalt optischer Pulse, deren Verhältnis zwischen der Pulsbreite und der Wiederholrate nicht beschränkt ist;
- sind die sie steuernden Spannungen von geringerer Amplitude als diejenigen Steuerspannungen der elektroabsorbierenden Modulatoren aus dem Stand der Technik;
- ermöglichen sie die Risiken eines Überschreitens der Lawinenspannung oder des Arbeitens im Laser- oder Verstärkungsbereich zu unterdrücken.
Es sei ebenfalls angemerkt, daß die erfindungsgemäßen Generatoren und Modulatoren den Vorteil aufweisen, Pulse zu erzeugen, deren Wiederholrate das Doppelte der Frequenz des Steuersignals ist, während die Wiederholrate für die optischen Pulsgeneratoren aus dem Stand der Technik gleich der Frequenz des Steuersignals ist.

Claims

1. Optischer Impulsgenerator mit:

- einer Quelle (40) zum Erzeugen eines Lichtstrahles,

- einem elektroabsorbierenden Modulator (41) zum Modulieren des Lichtflusses in optische Impulse, wobei der elektroabsorbierende Modulator wenigstens zwei Schichten aus dotierten Halbleitermaterialien (11a, 11b, 12; 21, 22; 31, 32) und wenigstens eine zwischen diesen beiden Schichten angeordnete Zwischenschicht (13a, 13b; 23; 33) aufweist, wobei die Zwischenschicht (13a, 13b; 23; 33) aus einem nicht beabsichtigterweise dotierten Material besteht, in dem ein elektroabsorbierendes Material. enthalten ist, wobei der absorbierende oder transparente Zustand dieser Zwischenschicht (13a, 13b; 23; 33) mittels einer zwischen zwei (11a, 11b; 21, 22; 31, 32) der dotierten Schichten angelegten Spannung (V) gesteuert wird,

- Mitteln (42) zum Steuern des Modulators mit einer Steuerspannung periodischer Art, wobei die beiden Schichten des Modulators (11a, 11b; 21, 22; 31, 32), zwischen denen die Spannung (V) angelegt wird, eine Dotierung mit dem selben Vorzeichen aufweisen, die Übertragung des Modulators als Funktion der ihn steuernden Spannung (V), maximal in der Nähe der Spannung Null und symmetrisch ist, die Steuerspannung (V) des Modulators eine periodische Spannung ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel dazu ausgelegt sind, eine um die Spannung Null zentrierte Spannung zu liefern.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator wenigstens eine Schicht (12, 24) aufweist, die eine Dotierung mit umgekehrtem Vorzeichen zur Dotierung der Schichten (11a, 11b; 21, 22) aufweist, zwischen denen die Steuerspannung (V) angelegt wird, und die mit diesen und mit der (oder den) Zwischenschicht(en) (13, 23a, 23b) zwei p-i-n Dioden realisiert, die entgegengesetzt zueinander angeordnet sind.

3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (13) zwischen zwei Schichten (11, 12) angeordnet ist, von denen die eine eine n-Dotierung und die andere eine p- Dotierung aufweist, und eine transversale Isolierung (14) sich in die Tiefe der einen (11) der beiden Schichten und der Zwischenschicht (13) erstreckt.

4. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht zwischen zwei Schichten aufgenommen ist, die eine Dotierung mit demselben Vorzeichen aufweisen, und um zwei Unterschichten von einer Zwischenschicht entfernt ist, die eine Dotierung mit ungekehrtem Vorzeichen aufweist.

5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator eine p-i-p Diode oder eine n-i-n Diode ist.