Das aktive Mach-Zehnder-Interferometer, auch SOA-MZI (SOA-basiertes Mach-Zehnder-Interferometer) genannt, ist ein äußerst vielseitiges Bauelement in der optischen Signalverarbeitung. Zu seinen zahlreichen Anwendungen zählen optisches Schalten, Wellenlängenkonvertierung, digitale Logikfunktionen, optische Signalregeneration und vieles mehr. Es handelt sich um ein integriertes optisches Bauelement, dessen Funktionsweise auf einem durch Steuersignale gesteuerten Welleninterferenzphänomen beruht. In diesem Artikel erläutern wir seine grundlegende Funktionsweise und stellen einige Beispiele kommerziell erhältlicher Anwendungen vor.

Grundstruktur und Funktionsweise eines SOA-MZI:
Die allgemeinste Struktur eines SOA-MZI ist in Abbildung 1 dargestellt. Wie ersichtlich, verfügt er über acht optische Ein-/Ausgangsports. Diese Ports sind mittels einer Reihe von 1x2- und 2x2-Lichtwellenleitern und Kopplern miteinander verbunden, wobei letztere für das interferometrische Verhalten verantwortlich sind. Die beiden Hauptzweige enthalten jeweils zwei Halbleiter-Lichtverstärker (SOAs), die im nichtlinearen Modus arbeiten. Es existieren verschiedene Herstellungsverfahren, darunter monolithische Fertigung und hybride Integration. Im ersten Fall werden die SOAs üblicherweise auf Indiumphosphid (InP) mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestellt, wodurch die aktiven und passiven Bereiche des Bauelements entstehen. Im zweiten Fall wird ein planarer optischer Schaltkreis auf Siliziumdioxid mit den Lichtwellenleitern aufgebaut, in den anschließend die SOAs eingefügt werden (Abbildung 2). Hierbei ist die Ausrichtung und Einkopplung des Lichts zwischen den SOAs und den Wellenleitern von entscheidender Bedeutung.
Nachdem wir den Aufbau erläutert haben, werden wir nun die grundlegenden Funktionsprinzipien des SOA-MZI besprechen. Angenommen, ein optisches Datensignal wird an Eingangsport 2 angelegt. Liegen keine weiteren Signale an, teilt sich das Signal im 2x2-Eingangskoppler auf, durchläuft die beiden Hauptzweige des Interferometers (und passiert dabei die SOAs) und wird im 2x2-Ausgangskoppler wieder vereint, bevor es über Port 7 austritt. Dieses Verhalten erklärt sich dadurch, dass beide 2x2-Koppler in Kreuzkonfiguration eine Phasenverschiebung von 90° im optischen Signal bewirken , während in Balkenkonfiguration keine Phasenverschiebung auftritt. Die Phasenverschiebungen der optischen Ausgangssignale an den Ports 6 und 7 sind in den Abbildungen 3 und 4 schematisch dargestellt. Das heißt, liegen keine weiteren Signale an, wird das Eingangssignal an Port 6 (0° und 180°) ausgelöscht, während es an Port 7 (90° und 90°) phasengleich addiert wird.
Nehmen wir nun an, ein Steuersignal wird über Port 1 angelegt. Reicht die optische Leistung aus, um durch den nichtlinearen Prozess der Kreuzphasenmodulation (XPM) eine Phasenverschiebung von 180° am durch SOA1 geleiteten Signal zu induzieren, kehrt sich das Verhalten des SOA-MZI um. Das Signal wird nun an Port 7 (180° und 180°) ausgelöscht und an Port 6 (270° und 90°) phasenverschoben addiert. Dadurch wird der Betrieb als pulsgesteuerter optischer Schalter erreicht (Abbildung 1). Dies ist das Grundprinzip, mit dem sich durch einfaches Ändern der Signalart sowie der Ein- und Ausgänge zahlreiche weitere Funktionen realisieren lassen.

Kommerzielle Anwendungen
Wie bereits erwähnt, sind in den letzten Jahren eine Reihe von Komponentenherstellern aufgetaucht, die optische Geräte auf SOA-MZI-Basis in ihren Katalogen anbieten.

 

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Zu den bemerkenswertesten Geräten zählen Wellenlängenkonverter mit optischer Signalregeneration. Abbildung 5 zeigt beispielsweise ein Foto des 2R-Wellenlängenkonverters und -Regenerators von CIP (Centre for Integrated Photonics). Dieses Gerät ermöglicht die Verarbeitung von 40-Gbit/s-Signalen und deckt den Wellenlängenbereich von 1530 bis 1565 nm ab. Es zeichnet sich unter anderem durch seinen geringen Schaltenergiebedarf aus. (
Wie in den Abbildungen 5 und 6 zu sehen ist, verfügen die Geräte aller Hersteller über optische und elektrische Anschlüsse. Die elektrischen Anschlüsse dienen der Versorgung der SOAs mit Biasströmen sowie der Temperaturregelung, da ein Thermistor und ein thermoelektrischer (Peltier-)Kühler im Gehäuse integriert sind.)

Weitere Anwendungen:
Obwohl SOA-MZIs noch nicht vollständig auf dem kommerziellen Markt etabliert sind, werden weitere Anwendungen, insbesondere im Bereich des optischen Rechnens, erforscht. Experimentell konnte gezeigt werden, dass sich mit diesen Bauelementen Logikgatter und Flip-Flop-Funktionalitäten realisieren lassen. Diese Funktionen sind in der digitalen Elektronik wohlbekannt, in der Photonik jedoch weniger verbreitet. Dies liegt hauptsächlich daran, dass es in der Photonik bisher noch kein Äquivalent zum elektronischen Transistor gibt.

 

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Daher erfordert der Aufbau optischer Logikgatter den Einsatz anderer Techniken, darunter die Verwendung von SOA-MZI. Durch Anlegen geeigneter Datensignale an die optischen Ports des SOA-MZI lassen sich grundlegende Logikfunktionen realisieren: ODER, UND, XOR und NICHT.
Die Anwendungsgebiete von Logikgattern sind vielfältig, doch eines sticht besonders hervor: Das XOR-Logikgatter ermöglicht den Vergleich von Datenwörtern. Dies ist in optischen Paketnetzen von entscheidender Bedeutung. An den Knoten eines optischen Netzes müssen Paket-Header analysiert werden, um die Pakete an den entsprechenden Ausgangsport weiterzuleiten. Das optische XOR-Logikgatter kann diese Header direkt im optischen Bereich mit Referenzadressen vergleichen, ohne die Pakete in den elektrischen Bereich umwandeln zu müssen. Dies bietet mehrere Vorteile, der wichtigste ist jedoch die Reduzierung der Paketweiterleitungszeit. Dadurch kann die Kapazität dieser Knoten auf Werte bis hin zu Terabit/s erhöht werden. Leider müssen wir darauf noch einige Jahre warten, obwohl als erster Schritt bereits in den Katalogen der Hersteller Hinweise auf die Fähigkeit des SOA-MZI zur Durchführung von „optischer Logik“ zu finden sind.

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Francisco Ramos Pascual. Doktor der Telekommunikationstechnik.
Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia.