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Technisches
Gebiet und Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Multimoden-Interferenzkoppler
(oder interferometrischen Multimodenkoppler, MMI-Koppler), der zum Beispiel
in einem Halbleiterverstärker
für die
Fernmeldetechnik verwendet werden kann.
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Der erfindungsgemäße Koppler ist anwendbar bei
der Realisierung von optischen Komponenten auf InP- oder Asta-Halbleitern
(Laser, Lasermodulatoren,...).
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Ein Erfindungsbeispiel ist die Realisierung eines
Verstärkers,
der eine höhere
optische Leistung als ein Standard-Halbleiterverstärker liefert.
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Ein anderes Anwendungsbeispiel betrifft
alle Übertragungssysteme,
wo ein streng linearer Verstärker
erforderlich ist.
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Die Multimodenkoppler vom Interferenztyp sowie
ihre Anwendung auf die integrierte Optik sind bereits aus dem Stand
der Technik bekannt: Beispiele von Kopplern und ihren Anwendungen
werden gegeben in den Artikeln von L.B. Soldano, Journal of Lightwave
Technology, Band 13, Nr. 4, Seite 615, 1995 und in dem Artikel von
P.A. Besse, Journal of Lightwave Technology, Band 14, Nr. 10, Seite
2290, 1996.
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Auf dem Gebiet der Halbleiterverstärker sind Standard-Halbleiterverstärker und
Halbleiterverstärker
mit vergrößerter Oberfläche bekannt.
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Die typische Komponente eines Standard-Halbleiterverstärkers ist
ein Einmoden-Wellenleiter auf einem Halbleiter, dessen Kern ein
Material vom Lasertyp enthält.
Wenn ein Strom eingespeist wird, weist das Material eine Verstärkung auf,
und die Lichtwelle wird verstärkt.
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Die 1A und 1B zeigen die Entwicklung der Gesamtleistung
bzw. der maximalen Leistung in einem gleichen Abschnitt eines solchen
Standard-Halbleiterverstärkers.
In dem angegebenen Beispiel wird eine Lichtleistung von –25 dBm
eingespeist, und die Gesamtleistung am Ausgang ist 0 dBm. Die maximale
Leistung folgt dem gleichen Verlauf.
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Die Verstärker mit vergrößerter Oberfläche ermöglichen
eine Vergrößerung der
Ausgangsleistung der Vorrichtung, indem sie dafür sorgen, dass die maximale
Leistungsdichte nicht den Sättigungsleistungspegel
erreicht. Letztere ist durch das Material und den Strom eindeutig
festgelegt. Hierfür
wird der Wellenleiter fortschreitend verbreitert. Dadurch wird der
Wellenleiter zwar mehrmodig, doch bleibt die Lichtwelle in die Hauptmode
gekoppelt und verbreitert sich fortschreitend.
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Daraus resultiert, dass die Verstärkung die gleiche
bleibt (25 dB), dass aber die Sättigungsleistung
umm ca. 7 dB zunimmt. Die 2A und 2B zeigen die Entwicklung der Gesamtleistung
bzw. der maximalen Leistung in einem gleichen Abschnitt eines Halbleiterverstärkers mit
vergrößerter Oberfläche.
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Dieser Typ von Vorrichtung hat zwei
Nachteile:
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- (i) Es ist schwierig, das Ausgangslicht in
einen Einmoden-Wellenleiter
oder eine optische Faser zu koppeln.
- (ii) Die Struktur ist potenziell instabil gegenüber einer
lokalen Veränderung
der Leistung, die zu einer Indexmodifikation führt, was zu einer Kopplung
der Welle in eine höhere Mode
und wiederum zu einer lokalen Modifikation der Leistung etc. führt.
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Schließlich ist aus der Mitteilung
von K. Hamamoto, erschienen in EICO'97, 02. bis 04. April 1997,
Stokholm, ein MMI bekannt, wo das gesamte aktive Material des Kopplers
ein Verstärker
ist.
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Erläuterung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Verstärkung
und Kopplung nach dem Multimoden-Interferenz-Prinzip, wie in Anspruch
1 definiert.
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Im Verhältnis zu den bekannten Vorrichtungen
weist die Multimoden-Interferenz-Vorrichtung gemäß der Erfindung zwei Abschnitte
auf, einen Verstärkerabschnitt
und einen Abschnitt aus einem transparenten Material, der es erlaubt,
die in dem ersten Abschnitt verstärkte Strahlung zu führen.
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Die erfindungsgemäße Struktur ermöglicht die
Herstellung eines Verstärkers,
der ungefähr
die gleiche Verstärkung
und die gleiche Sättigungsleistung
wie ein Verstärker
mit vergrößerter Oberfläche hat.
Außerdem
ermöglicht
er eine Kopplung des gesamten verstärkten Lichts in einen Einmodenleiter mit
einem Minimum an Verlusten. Schließlich hat der erfindungsgemäße Multimoden-Interferenz-Koppler nicht
die für
einen herkömmlichen
Verstärker
mit vergrößerter Oberfläche charakteristische
Instabilität,
da aufgrund ihrer Multimoden-Natur die Erfindung wenig empfindlich
gegen eine Indexfluktuation ist.
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Im Verhältnis zu der in dem oben zitierten
Artikel von K. Hamamoto beschriebenen Vorrichtung wird nur ein Abschnitt
des Multimodenkopplers als Verstärker
verwendet. In dem ersten Abschnitt des erfindungsgemäßen MMI
wird nämlich
die optische Leistung dekonzentriert, und deshalb ist es vorteilhaft,
dort die Strahlung zu verstärken.
In dem zweiten Abschnitt des erfindungsgemäßen MMI wird die optische Leistung
konzentriert, z. B. auf einen Ausgangsleiter, und es wichtig, sie
nicht zu verstärken,
um den Verstärker
nicht zu sättigen.
Die Vorrichtung nach Hamamoto nutzt somit nicht eine selektive Verstärkung in
den Zonen, wo die optische Leistung gering ist, im Gegensatz zur
erfindungsgegenständlichen Vorrichtung.
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Außerdem nutzt die von Hamamoto
beschriebene Vorrichtung nicht einen Abschnitt aus transparentem
Material, sondern ist lediglich eine Verstärkungsvorrichtung.
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Ein Einmodenleiter kann am Ausgang
des erfindungsgemäßen Kopplers
angebracht sein.
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Außerdem kann das Verstärkermaterial
eine in einem InP-Substrat
vergrabene Struktur sein.
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Das Verstärkermaterial kann ein Lasermaterial
sein, zum Beispiel eine quaternäre
InGaAsP-Legierung. Das Material kann auch ein Quantentrog-Material
sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch einen
optischen Vorverstärker
vor dem Multimoden-Wellenleiterabschnitt aufweisen.
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Gegenstand der Erfindung sind auch
diverse Verfahren:
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- – zum
Verstärken
der Leistung einer Lichtquelle
- – zum
Kompensieren der Verluste einer optischen Faser oder
- – zum
Verstärken
von wellenlängengemultiplexten Signalen,
wobei diese diversen Verfahren die erfindungsgemäße optische Verstärkungs-
und Kopplungsvorrichtung einsetzen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Auf jeden Fall werden die Kennzeichen
und Vorteile der Erfindung deutlicher anhand der nachfolgendem Beschreibung.
Diese Beschreibung bezieht sich auf die zur Erläuterung und nicht zur Einschränkung angegebenen
Ausführungsbeispiele,
wobei sie Bezug nimmt auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1A und 1B die Entwicklung der Gesamtleistung und
der maximalen Leistung in einem gleichen Abschnitt eines Standard-Halbleiterverstärkers,
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2A und 2B die Entwicklung der Gesamtleistung und
der maximalen Leistung in einem gleichen Abschnitt eines Halbleiterverstärkers mit
vergrößerter Oberfläche nach
dem Stand der Technik,
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3 die
Struktur einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4A und 4B die Entwicklung der Gesamtleistung
bzw. der maximalen Leistung in einem gleichen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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5 schematisch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
vom Typ 1 × 1,
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6A bis 6D diverse Formen der Grenze zwischen den
zwei Abschnitten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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7 ein
Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer integrierten
Vorrichtung.
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Detaillierte Erläuterungen
der Ausgestaltungen der Erfindung
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3 zeigt
schematisch die Struktur einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen
Verstärkung
und Kopplung. Ein erster Abschnitt 2 ist aus einem Verstärkermaterial
gebildet, auf den ein Abschnitt 4 aus einem passiven transparenten
Material folgt. Der erste Abschnitt 2 bildet eine Verstärkerzone (diese
ist typischerweise aus einem Lasermaterial gebildet), und der zweite
Abschnitt 4 ist eine Mehrmoden-Führungszone, die aus einem Wellenleitermaterial
oder einem auf Transparenz vorgespannten Lasermaterial gebildet
ist.
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Die Verstärkerzone 2 und die
Führungszone 4 sind
im Wesentlichen senkrecht oder quasi senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des einfallenden Lichts 8 und des austretenden Lichts 10 des
Kopplers angeordnet, so dass sie die Eigenschaften des letzteren
nicht stören.
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Die oben beschriebene Vorrichtung
unterscheidet sich von anderen Wellenleitervorrichtungen wie „Tapern"
oder Linsen dadurch, dass sie aus einer Mehrmoden-Wellenleiterstruktur
besteht. Die eintreffende Lichtwelle wird effektiv an die Mehrzahl
der Moden des Kopplers gekoppelt.
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Die Form des Kopplers ist so gewählt, dass das
Lichtfeld vom Eingang am Ausgang an einem oder mehreren Orten mit
einer variablen Dämpfung und
Phasenverschiebung reproduziert wird. Die Bedingungen, die es erlauben,
dieses Ergebnis zu erzielen, sind in dem Artikel von L.B. Soldano
angegeben, der bereits in der Einführung dieser Anmeldung zitiert
wurde.
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Die 4A und 4B zeigen jeweils die Gesamtleistung und
die maximale Leistung in einem logitudinalen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Kopplers
im Laufe der Ausbreitung. In diesen zwei Figuren zeigt die vertikale
Linie das Ende der Verstärkerzone
oder die Grenzzone 6 zwischen der Verstärkerzone und dem Wellenleitermaterial
an. Diesen Figuren zufolge sieht man, dass die Verstärkung bei
25 Dezibel bleibt, dass aber die maximale Leistung –10 dBm
beträgt,
anstelle von 0 dBm für
eine Standardstruktur. Die Sättigungsleistung
ist somit um 10 Dezibel höher.
Außerdem
kann das Licht gut in einen Einmoden-Wellenleiter zurückgekoppelt werden. Der erfindungsgemäße Koppler
weist nicht die charakteristische Instabilität des bekannten Kopplers mit
vergrößerter Oberfläche auf,
weil aufgrund seiner Mehrmodennatur der erfindungsgemäße Koppler
wenig empfindlich gegen eine Indexfluktuation ist.
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5 zeigt
ein Beispiel eines 1 × 1-Kopplers,
das heißt
mit einem Eingangsleiter 12 und einem Ausgangsleiter 14.
Gemäß der Erfindung
wird ein Abschnitt 2 des Kopplers als Verstärker genutzt. Die
Grenzfläche
zwischen dem Verstärkermedium und
der Wellenleiterzone 4 kann vertikal sein, sie kann aber auch in
Bezug auf die Vertikale geringfügig geneigt
sein (zum Beispiel mit einem Winkel von 2 bis 8 Grad), und zwar
um Reflexionsprobleme zu vermeiden. Die zwei ersten Ecken 16,18 des
Kopplers bestehen nicht notwendigerweise aus einem Verstärkermeiterial,
da das Licht diese Regionen nicht erreicht.
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Andere Beispiele für Strukturen
von erfindungsgemäßen Kopplern
und insbesondere von Grenzflächen
zwischen den Verstärkungs- und Wellenleiterzonen
sind in den 6A bis 6D angegeben. In 6A ist die Grenzflächenzone 6 geringfügig gekrümmt. In 6B ist sie V-förmig. In 6C ist
sie zickzackförmig.
Schließlich
ist 6D ein Beispiel für einen
Koppler mit einer in Bezug auf die Bahn der einfallenden und ausgegebenen
Strahlen oder in Bezug auf die Vertikale (mit einem Winkel von zum
Beispiel 2–10
Grad zur Vertikalen) geneigten Grenzfläche.
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Das Verstärkermaterial eines erfindungsgemäßen Kopplers
kann zum Beispiel gebildet sein durch eine in InP vergrabene Struktur
eines Lasers aus quaternärem
InGaAsP oder aus Quantentrögen, mit
dem für
einen Verstärker
typischen Elektroden- und Dotierungssystem, wie bereits in dem schon oben
zitierten Artikel von L.B. Soldano beschrieben. Die transparente
Zone kann durch das gleiche mit einem anderen Strom vorgespannte
Material, einem InGaAsP-Material oder aus Quantentrögen mit
vergrößerten verbotenen
Energiebändern
gebildet sein.
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Die Techniken zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Kopplers
nutzen die aus dem Stand der Technik bekannten Techniken. Diese
Techniken sind zum Beispiel beschrieben in dem Werk von Y. Suematsutal.
mit dem Titel „Handbook
of Semiconductor Lasers and Photonic Integrated Circuits", Kapitel
13, Seiten 428 bis 458, Chapman und Hall, 1994. Eine erfindungsgemäße Struktur
wird also mit den Standard-Herstellungsmethoden für Wellenleiter realisiert:
Vergrabener Streifen, erhabener Streifen, belasteter Streifen,....
Die Technologie der Verstärker ist
ihrerseits standardmäßig (vergrabene
oder erhabene PIN-Struktur).
Die verwendeten Integrationstechniken können sein: die stumpfe Kopplung, die
selektive Epitaxie oder die gedämpfte
Kopplung.
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7 ist
ein Anwendungsbeispiel der Erfindung in einer integrierten Vorrichtung,
zum Beispiel auf InP-Halbleiter. In dieser Mach-Zehnder-Vorrichtung
ist der erste der Koppler (zum Beispiel ein 3-dB-Koppler) durch
einen erfindungsgemäßen Koppler
ersetzt.
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Die in 7 beschriebene
Vorrichtung umfasst nacheinander von links nach rechts einen Eingangswellenleiter 20,
einen Eingangsverstärker 22 (der
einen Vorverstärkungsschritt
realisiert), einen erfindungsgemäßen Koppler 24 (hier
einen rautenförmigen
1 × 2-Koppler
mit ungleichem Verteilungsverhältnis
und einer verstärkten
Hälfte),
zwei Ausgangsleitern 26, zwei Standardverstärkern 28 und
einem Standard-2 × 2-Koppler 30.
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Ein anderes Anwendungsbeispiel der
Erfindung ist die Realisierung eines Verstärkers, der eine höhere optische
Leistung als ein Standard-Halbleiterverstärker liefert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann
dann als diskretes Bauelement verwendet werden oder mit anderen
Funktionalitäten
auf einem Halbleitersubstrat integriert werden. Zum Beispiel kann
die erfindungsgemäße Vorrichtung
am Ausgang eines Lasermodulators platziert sein, um den optischen
Leistungspegel zu erhöhen.
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Bei dieser Anwendung ist die einfallende Leistung
bereits relativ hoch im Verhältnis
zur Vorverstärkungsfunktion,
für die
die einfallende Leistung gering ist. Das Ziel dieses Typs von Anwendung
ist also, eine hohe optische Leistung liefern zu können. Dieser
Typ von Vorrichtung kann in der optischen Fernmeldetechnik zum Beispiel
hinter einer Lichtquelle verwendet werden, um deren Leistungspegel zu
erhöhen.
Sie kann auch in einer Leitung zum Kompensieren der Verluste einer
optischen Faser verwendet werden. In beiden Fällen ist der Vorteil der Erfindung
im Vergleich zu einem (herkömmlicherweise verwendeten)
Verstärker
mit erbiumdotierter Faser, dass der erfindungsgemäße Verstärker monolithisch mit
der Quelle integriert werden kann, um ein kompaktes Bauelement zu
bilden.
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Ein anderes Anwendungsbeispiel betrifft
die Übertragungssysteme,
bei denen ein streng linearer Verstärker notwendig ist. Zum Beispiel
erfordert die Verstärkung
von wellenlängengemultiplexten
Signalen einen streng linearen Verstärker, um das Übersprechen
zwischen Kanälen
zu verhindern. Die Halbleiterverstärker werden jedoch schnell
nichtlinear: oberhalb eines bestimmten optischen Leistungspegels
nimmt ihre Verstärkung
ab. In diesem Fall hängt die
Transmission der Vorrichtung vom einfallenden Leistungspegel ab,
was die Definition der Nichtlinearität ist. Dies kann jedoch diverse
Probleme der Verformung der optischen Signale aufwerfen. Wenn zum Beispiel
ein einfallendes Signal aus Lichtwellen mit mehreren Wellenlängen zusammengesetzt
ist, bewirkt sein Durchgang durch eine nichtlineare Vorrichtung
ein Übersprechen
zwischen den verschiedenen Kanälen.
Ein besser linearer Verstärker
ermöglicht eine
Verringerung des Ausmaßes
dieses Problems. Ein typisches Beispiel ist das einer monolithisch
integrierten Mehrwellenlängenquelle.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann als integrierter Verstärker
zum Erhöhen des
Ausgangsleistungspegels dienen.
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Ein anderes Beispiel ist eine in
eine Leitung integrierte Filtervorrichtung, wo das Signal (durch
Filterung und Modulation) mit optischen Verlusten verarbeitet wird.
In diesem Fall ermöglicht
die Hinzufügung
eines erfindungsgemäßen Verstärkers, den Leistungspegel
ohne Verzerrung zu erhöhen.
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Ein anderes Beispiel ist die Verwendung
des Verstärkers
zum Erzeugen des optischen Signals durch spektrale Umkehrung des
opitischen Feldes. Hierfür
werden die Vierwellen-Mischeigenschaften der
Halbleiterverstärker
ausgenutzt (siehe zum Beispiel den Artikel von T. Ducellier mit
dem Titel „Study of
Optical Phase Conjugation in Bulk Traveling Wave Semiconductor Optical
Amplifier" erschienen in. IEEE Photonics Technology Letters Band
8 (4), Seite 530 (1996)). Ein streng linearer Verstärker gemäß der vorliegenden
Erfindung verhält
sich bei dieser Operation besser als ein herkömmlicher Halbleiterverstärker und
kann ihn daher vorteilhaft ersetzen. Die Effektivität der Vierwellenmischung
ist nämlich um
so höher,
je höher
die Ausgangsleistung ist, was mit dem erfindungsgemäßen Verstärker erreicht
werden kann.
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Einem weiteren Beispiel zufolge sind
die Wellenlängenwandler
integrierte Vorrichtungen, die diverse optische Elemente wie etwa
Wellenleiter, Y-Verbindungen, Koppler, Halbleiterverstärker enthalten.
Um sie anzuwenden, sind hohe optische Leistungen erforderlich, was
wenig praktisch ist. Die Erfindung kann daher vorteilhaft als integrierter
Verstärker
verwendet werden, in dem die gleichen Materialien wird bei den bereits
auf dem Chip vorhandenen Verstärkern
eingesetzt werden (diese werden außerdem in der Vorrichtung ihrer
nichtlinearen Eigenschaften wegen eingesetzt). Aufgrund der anderen Geometrie
dient die gleiche Verstärkerschicht
als nichtlinearer oder linearer Verstärker, was die Realisierung
erleichtert.