Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verzögerung einzelner Lichtpulse in einem Wellenleiter.

Die Verzögerung und damit letztendlich auch die Speicherung von Lichtpulsen hat viele interessante und wichtige Anwendungen. Insbesondere ist die Verzögerung optischer Pulse, Pakete oder Bursts in sogenannten optischen Puffern ein Schlüsselelement bei der Realisierung optischer Netzwerke. Gleichzeitig kann eine Verzögerung die Grundlage für den Aufbau optischer Speicher sein. Der Einsatz optischer Puffer ist auch aus der Verarbeitung von Mikrowellensignalen, der zeitaufgelösten Spektroskopie, der nichtlinearen Optik, der optischen Kohärenz-Tomographie und von phasengesteuerten Antennen bekannt.

Es ist bekannt, als optische Pufferelemente einfache Verzögerungsschleifen einzusetzen. Allerdings erlauben diese lediglich Verzögerungen von Vielfachen der Umlaufzeit in der Schleife. Zudem wurden andere Mechanismen zur Speicherung respektive Verzögerung optischer Pulse vorgeschlagen. Diese basieren beispielsweise auf der Reflexion an einem Gitter, der Verzögerung in Resonatorstrukturen und der Verzögerung in optischen Wellenleitern durch Wellenlängenkonversion und anschließender Dispersion. In den letzten Jahren wurden auch so genannte „Slow Light" - Ansätze verfolgt, bei denen die Gruppengeschwindigkeit der Pulse in einem Wellenleiter künstlich verändert wird, wobei dazu meist die stimulierte Brillouin Streuung genutzt wird.

Generell können die bekannten Methoden in zwei Kategorien eingeteilt werden. In der ersten wird die Verlängerung des Ausbreitungsmediums zur Verzögerung der Pulse genutzt. In diese Kategorie gehören die optischen Verzögerungsstrecken und Faserschleifen. In der zweiten Kategorie wird das Licht künstlich verlangsamt. Darunter fallen die Slow-Light Systeme, die sich besondere Materialstrukturen oder Resonatoranordnungen zu Nutze machen. Beide Kategorien haben jedoch ihre Vor- und Nachteile im Hinblick auf die maximale Verzögerungszeit, den Grad an Verzerrungen des Pulses, die Geschwindigkeit der Änderung und die mögliche Kontrolle des Systems, sowie deren struktureller Komplexität.

Zudem ist eine andere Methode der Verzögerung bekannt, die auf dem Zusammenhang zwischen der Zeit- und Frequenzrepräsentation von Signalen beruht. Im Gegensatz zu den anderen Methoden bietet diese hohe Verzögerungszeiten, die einfach und stufenlos einstellbar sind. Diese als„Quasi- Lichtspeicherung" bezeichnete Technik ist in der Lage, optische Pakete bis zu 100 ns zu speichern. Ein wesentlicher Nachteil des Verfahrens ist jedoch, dass es auf der Brillouin Streuung in optischen Fasern beruht und daher ein auf diesem Verfahren beruhender optischer Speicher relativ große Abmessungen aufweist und schwerlich integrierbar ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr darin, ein mit einfachen Mitteln kostengünstig umzusetzendes Verfahren zur Verzögerung von Lichtpulsen vorzuschlagen, das starke Verzögerungen bei geringem baulichem Aufwand bietet. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein System zur Umsetzung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und ein System nach Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.

Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung liegt in einer Transformation des Spektrums des zu verzögernden optischen Pulses vom Frequenzbereich in den Zeitbereich mittels einer starken Dispersion. In dem Zeitbereich werden Frequenzen extrahiert bevor die Frequenzanteile wiederum mittels einer starken Dispersion mit entgegengesetztem Vorzeichen in den Frequenzbereich zurück transformiert werden. Da dann nur noch äquidistante Frequenzanteile vorliegen, besteht die am Ende vorliegende Ausgangsfunktion aus zeitlich verzögerten Kopien des Eingangssignals.

Eine einzelne der verzögerten Kopien lässt sich im Zeitbereich mittels einer Art Schalter extrahieren. Dabei manifestiert sich das Verfahren darin, dass der Lichtpuls zur Aufspaltung der Frequenzanteile einem Element mit starker Dispersion ausgesetzt wird, dass Frequenzanteile ausgewählt und extrahiert werden und dass die ausgewählten Frequenzanteile einer starken Dispersion umgekehrten Vorzeichens ausgesetzt werden, wobei der so erzeugte Lichtpuls eine verzögerte Kopie des ursprünglichen Lichtpulses ist. Ein ähnliches Vorgehen wurde in S. Preussler et al.„Quasi light storage based on time frequency coherence", August 2009, Vol. 17, No. 18 / Optics Express 15790 beschrieben. Demnach müssen die Frequenzanteile besonders schmalbandig im Fequenzbereich aus dem Pulsspektrum mittels einer stimulierten Brillouin Streuung in einer optischen Faser extrahiert werden. Die dazu notwendige Faser muss jedoch lang sein und lässt sich nicht auf einem Chip unterbringen.

Die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht also auf der Transformation des Spektrums des optischen Signals in den Zeitbereich mit Hilfe einer starken Dispersion. Die einzelnen zu extrahierenden Frequenzanteile liegen dann nicht, wie bei dem Verfahren nach Preussler et al., gleichzeitig, sondern zeitlich nacheinander vor, so dass die Frequenzen durch einen Schalter im Zeitbereich einfach extrahiert werden können.

Die erfindungsgemäße Verzögerung macht sich somit den Zusammenhang zwischen Zeitbereich und Frequenzbereich zunutze, wie er über die Fourier- Transformation definiert ist. Dabei hat ein einzelnes optisches Paket im Zeitbereich ein kontinuierliches Spektrum. Im Frequenzbereich sind somit alle Frequenzanteile unter einer Einfüllenden vorhanden, wobei die Einhüllende von der Form des Pulses im Zeitbereich bestimmt wird. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise leitet sich nun aus dem Gedanken ab, dass bei einem aus einer zeitlichen Abfolge identischer optischer Pakete bestehenden Signal das Spektrum zwar wieder dieselbe Einhüllende aufweist, wobei allerdings nicht mehr alle Frequenzen im Spektrum vorhanden sind. Das Spektrum weist in diesem Fall nur noch einzelne äquidistante Frequenzkomponenten auf, deren Frequenzabstand sich aus der inversen Zeit zwischen den identischen Paketen im Zeitbereich ergibt.

Der erfindungsgemäße Gedanke liegt demnach darin, aus einem einzelnen optischen Signal verzögerte Kopien dieses Signals dadurch zu erzeugen, dass aus dem Spektrum dieses Signals äquidistante Frequenzanteile extrahiert werden. Die einzelne verzögerte Kopie ergibt sich dann durch eine zeitliche Extraktion mittels eines Schalters.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der guten Integrierbarkeit. Ein auf diesem Verfahren beruhender optischer Speicher weist besonders kleine Abmessungen auf und kann auf einem Chip integriert werden. Damit ist die wesentliche Voraussetzung geschaffen, dieses Verfahren beispielsweise für optische Computer, die optische Übertragung von Datensignalen innerhalb von Computern oder für optische Netzwerkknoten kleiner Abmessungen einzusetzen. Das Verfahren ist einfach und flexibel. Vor allem lässt es sich mit Standardkomponenten der optischen Nachrichtentechnik realisieren. Zudem benötigt es zu seiner Realisierung nur relativ wenig optische Leistung, die durch einfache Laserdioden geliefert werden kann. Ein auf diesem Verfahren beruhendes System ist daher preiswert und zuverlässig. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Verfahren keine Beschränkung auf eine bestimmte Bandbreite aufweist, so dass auch hochbitratige Datensignale verzögert respektive gespeichert werden können. Gleichzeitig ist das Verfahren vollständig transparent für das zu verzögernde Signal, was bedeutet, dass die Verzögerung unabhängig von der Eingangsbitrate und dem Modulationsformat des optischen Signals ist. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise verändert auch nicht die Phase des optischen Signals, so dass sie für so genannte kohärente Übertragungssysteme eingesetzt werden kann, bei denen die Phase des Signals moduliert wird. Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles entsprechend der Figuren 1 bis 5 näher erklärt. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems und

Figuren 2 bis 5 Spektren an verschiedenen Punkten des Systems.

In Figur 1 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems zur Umsetzung des Verfahrens gezeigt. Das zu speichernde Eingangssignal 1 besteht aus mehreren Bits, die ein optisches Paket in Form eines Bursts bilden. Das erste Element 2 zeichnet sich durch seine große Dispersion aus, so dass sich darin unterschiedliche Frequenzen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Hier erfolgt somit eine Transformation des Signals vom Frequenzbereich in den Zeitbereich. Element 2 kann ein gechirptes Faser-Bragg Gitter, ein Arrayed Waveguide-Gitter, ein virtually imaged phase array, ein 4f Linsen-Gitterpaar mit einem Flüssigkristall Modulator oder einer Phasenmaske im Zentrum oder ein optisches Etalon sein. Am Ausgang von Element 2 liegen die unterschiedlichen Frequenzanteile des optischen Eingangssignals zu unterschiedlichen Zeiten vor. Das Ausgangssignal an der Position A ist in Figur 2 dargestellt, wobei die Zeit in ns gegen die Amplitude des Signals dargestellt ist.

Der Signalgenerator 3 erzeugt ein periodisches elektrisches Signal, das die einzelnen zu extrahierenden Frequenzen des durch die Dispersion in den Zeitbereich transformierten Signals bestimmt. Das Signal des Generators 3 ist in Figur 3 dargestellt. Mit dem elektrischen Signal wird als drittes Element 4 ein Modulator, insbesondere ein Mach-Zehnder, angesteuert, der das Signal des Signalgenerators mit dem transformierten optischen Signal multipliziert und dadurch die einzelnen Frequenzanteile extrahiert. Mit dem elektrischen Signal bewerkstelligt der Modulator somit als Schalter das Herausschneiden der Frequenzen. Das nach dem Mach-Zehnder an Position B vorliegende Zeitbereichssignal vor der entgegengesetzten Dispersion ist in Figur 4 dargestellt. Da das Spektrum durch die erste Dispersion in den Zeitbereich transformiert wurde, entspricht dieses Zeitsignal den einzelnen Frequenzen. Jeder Peak stellt eine andere Frequenz dar.

Das vierte Element 5 ist wiederum ein Medium mit einer hohen Dispersion, die genau so groß ist, wie die Dispersion des ersten Elementes 2 aber ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. Hierfür können die gleichen Elemente wie für das erste Element 2 genutzt werden. Dieses Element transformiert die extrahierten Frequenzanteile wieder zurück, so das eine Reihe von Kopien des Ursprungspakets gebildet werden. Das entsprechende Ausgangssignal an der Position C ist in Figur 5 dargestellt. Darin zu sehen sind die einzelnen Kopien des Eingangspakets. Aus diesem Signal kann dann mittels eines Schaltelementes diejenige Kopie des Eingangssignals extrahiert werden, welche die gewünschte Verzögerung aufweist.

Eine einfache Grob- und Feinabstimmung der Verzögerungszeit lässt sich durch eine Änderung des elektrischen Signals im zweiten Element 3 und eine Verschiebung der Fensterfunktion in einem Element 6 erzielen. Ist die Leistung der Ausgangssignale zu gering, so lassen sich die einzelnen Frequenzanteile durch einen optischen Verstärker, wie z.B. einem optischen Halbleiterverstärker zwischen den Elementen 4 und 5 verstärken. Alle Elemente der hier vorgeschlagenen Methode können auf kleinstem Raum auf einem Chip implementiert werden, so dass äußerst kleine Abmessungen des optischen Speichers möglich sind. Der Ausgang ist mit dem Element 7 dargestellt.

Eine Erhöhung der maximal möglichen Verzögerung ist durch eine Änderung der Elemente 3 und 4 möglich. Wird die Auswahl der Frequenzen nicht elektrisch sondern optisch vorgenommen, so lassen sich schmalere Frequenzanteile extrahieren. In diesem Fall wird der Block 3 durch einen optischen Pulsgenerator gebildet, wozu sich ein modengelockter Laser einsetzen lässt. Element 4 wird durch ein optisches Element gebildet, das in der Lage ist die Pulse des Pulsgenerators mit dem optischen Signal zu multiplizieren. Dies kann z.B. ein SOA oder ein Wellenleiter mit Filter sein. In diesen Elementen kann beispielsweise die Kreuzphasenmodulation oder die Intrakanal-Kreuzphasenmodulation als physikalische Methode zur Multiplikation ausgenutzt werden.