DE1248104B

DE1248104B - Elektro-optische Kippschaltung

Info

Publication number: DE1248104B
Application number: DER40337A
Authority: DE
Inventors: Joseph Richard Burns; Roy Harold Cornely
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1964-04-08
Filing date: 1965-04-06
Publication date: 1967-08-24
Also published as: GB1089016A; US3319080A

Description

BLUMJJi.SJKJiijrUli.Llft

DEUTSCHES

mi.

JHLUJK

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 al - 36/18

Nummer: 1 248 104

Aktenzeichen: R 40337 VIII a/21 al

Anmeldetag: 6. April 1965

Auslegetag: 24. August 1967

Die Erfindung betrifft eine elektro-optische Kippschaltung, die unter Steuerung durch ihrem Eingangskreis zugeführte Eingangssignale zwei diskrete Betriebszustände anzunehmen vermag.

Die Arbeitsgeschwindigkeit digital-binärer Datenverarbeitungsanlagen hängt ab von der Geschwindigkeit, mit der die verwendeten Stufen zwischen zwei diskreten Zuständen, die der Information »0« und »1« entsprechen, umgeschaltet werden können, der Geschwindigkeit, mit der die die Informationen »0« und »1« enthaltenden Signale von einer Stufe zu einer oder mehreren nachgeschalteten logischen Stufen übertragen werden können, und der durch die verwendeten Stufen erreichbaren Signalverstärkung, die die Anzahl der ansteuerbaren Stufen bestimmt. Die Arbeitsgeschwindigkeit aller bekannter Anlagen wird durch einen oder mehrere dieser Faktoren mehr oder weniger stark eingeschränkt. So sind beispielsweise Anlagen, in denen die sehr rasche Umschaltbarkeit von Tunneldioden ausgenutzt wird, erheblichen Einschränkungen wegen der erforderlichen engen Toleranzen und der begrenzten Ausgangsleistung solcher Einrichtungen unterworfen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1083 323 ist bereits ein lichtgesteuerter bistabiler Multivebrator bekannt, der zwei nebeneinander angeordnete, als lichtelektrische Schaltelemente wirkende Phototransistoren enthält. Zwischen diesen Phototransistoren und einer Lichtquelle ist eine mechanisch bewegte Abdeckfahne angeordnet, die wahlweise den Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem einen oder anderen Phototransistor zu unterbrechen gestattet. Die Schaltungsparameter sind so gewählt, daß beim Passieren der Fahne in der einen Richtung der eine Betriebszustand des Multivibrators und beim Passieren der Fahne in Gegenrichtung der andere Betriebszustand auftritt. Die Lichtquelle kann aus einer Glühlampe bestehen, die als Widerstand eines Basisspannungsteilers des ersten Transistors so geschaltet ist, daß beim Durchbrennen der Lampe der erste Transistor leitend wird. Die Lampe liefert jedoch kein den Betriebszustand des Multivibrators anzeigendes Ausgangssignal, dieses wird vielmehr wie üblich in Form einer Spannung von den Transistoren abgenommen.

Außer Phototransistoren sind auch Photodioden bekannt, die bei Vorspannung in Sperrichtung einen der Beleuchtungsstärke entsprechenden Sperrstrom liefern.

Es sind schließlich auch die verschiedensten monostabilen und bistabilen Kippschaltungen bekannt, die als aktives Bauelement eine Tunneldiode enthalten.

Elektro-optische Kippschaltung

Anmelder:

Radio Corporation of America,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Roy Harold Comely, Monmouth Junction, N. J.; Joseph Richard Burns,

Trenton, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 8. April 1964 (358 164) - -

So ist in der deutschen Auslegeschrift 1148 258 eine bistabile Kippschaltung beschrieben, die eine in Reihe mit einem Widerstand an eine Vorspannungsquelle angeschlossene Tunneldiode enthält. Die Schaltungsparameter sind so gewählt, daß sowohl in einem ersten, bei verhältnismäßig niedriger Spannung liegenden Kennlinienbereich positiven differentiellen Widerstandes (»Niederspannungsbereich«) als auch in einem bei verhältnismäßig hohen Spannungen liegenden Kennlinienbereich positiven differentiellen Widerstandes (»Hochspannungsbereich«) ein stabiler Arbeitspunkt besteht. Die Schaltung kann durch positive bzw. negative Impulse zwischen den den beiden stabilen Arbeitspunkten entsprechenden Betriebszuständen umgeschaltet werden. Diese bekannte Schaltung liefert ein elektrisches Ausgangssignal an einer Kollektorelektrode eines in Emitterschaltung arbeitenden Transistors, dessen Emitter-Basis-Strecke der Tunneldiode parallel geschaltet ist.

Eine in der deutschen Auslegeschrift 1142 011 beschriebene bekannte monostabile Kippschaltung enthält zwei Tunneldioden. Die erste, monostabil vorgespannte Tunneldiode ist in Reihe mit einer Induktivität an eine Vorspannungsquelle angeschlossen und über einen Tunnelgleichrichter mit der zweiten, bistabil vorgespannten Tunneldiode gekoppelt, die in Reihe mit einem Widerstand an eine Vorspannungsquelle angeschlossen ist. Auch diese bekannte Schaltung liefert ein elektrisches Ausgangssignal.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schaltungen der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie Ausgangssignale genormten Pegels zu liefern vermögen, die mit Lichtgeschwindigkeit einer größeren Anzahl anderer logischer Einheiten zugeführt werden können.

Dies wird bei einer elektro-optischen Kippschaltung, die unter Steuerung durch ihrem Eingangskreis zugeführte Eingangssignale zwei diskrete Betriebszustände anzunehmen vermag, in denen ihr Ausgangskreis Strom unterschiedlicher Größe führt, gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Ausgangskreis mindestens eine Laserdiode enthält, die nur in einem der beiden Betriebszustände kohärentes Licht emittiert.

Die vorteilhaften Eigenschaften einer Kippschaltung gemäß der Erfindung kommen besonders zum Tragen, wenn die Kippschaltung in bekannter Weise eine monostabil oder bistabil vorgespannte Tunneldiode enthält.

Der Eingangskreis der Kippschaltung gemäß der Erfindung kann mindestens eine in Sperrichtung vorgespannte Photodiode enthalten, so daß der Kreis auch durch Lichtsignale steuerbar ist. Die Photodiode bzw. Photodioden werden dann zweckmäßigerweise zwischen eine Vorspannungsquelle und die Tunneldiode geschaltet. Die Schaltungsparameter werden vorzugsweise so gewählt, daß die Tunneldiode von ihrem,einen Spannungszustand in den anderen umschaltet, wenn auf eine oder mehrere der in den Eingangskreis geschalteten Photodioden Licht fällt. Man kann auf diese Weise die logische UND- oder ODER-Funktion realisieren.

Mit einer bistabil vorgespannten Tunneldiode sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zwei entgegengesetzt gepolte, in Sperrichtung vorgespannte Photodioden gekoppelt und die Schaltungsparameter sind so gewählt, daß die Tunneldiode vom Niederspannungszustand in den Hochspannungszustand bzw. vom Hochspaönungszustand in den Niederspannungszustand umschaltet, wenn auf die eine bzw. andere Photodiode Licht fallt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung liegen die Tunneldiode und die LaSerdiode jeweils in einem von zwei Stromzweigen einer Parallelschaltung, die an eine Stromquelle angeschlossen ist. Die Schaltungsparameter sind dabei vorzugsweise so gewählt, daß der von der Stromquelle an die Parallelschaltung gelieferte Strom bei im Niederspannungszustand arbeitender Tunneldiode in erster Linie durch diese und bei im Hochspannüngszustand arbeitender Tunneldiode in erster Linie durch die Laserdiode fließt.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Läserdiöde mit der Tunneldiode in Reihe ger schaltet. Der Reihenschaltung aus LaSerdiode und Tunneldiode kann eine mit einer Vorspannungsquelle in Reihe geschaltete weitere Diode parallel geschältet sein.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Reihenschaltung aus Tunneldiode und Läserdiode eine zweite Laserdiöde parallel geschaltet, die Parallelschaltung ist an eine Stromquelle angeschlossen, und die Schaltungsparameter sind so gewählt, daß der von der Stromquelle gelieferte Strom bei im Niederspannungszustand arbeitender Tunneldiode hauptsächlich durch diese und die mit ihr in Reihe geschaltete erste Laserdiöde und bei im Hochspannungszustand arbeitender Tunneldiode in erster Linie durch die zweite Laserdiode fließt. Der zweiten Laserdiode kann eine weitere Diode oder eine Vorspannungsquelle in Reihe geschaltet werden.

Das aus einer Laserdiode austretende kohärente Licht wird gemäß einer anderen Ausgestaltung dfer Erfindung jeweils einem Flächendiodenlichtverstäfker zugeführt. Das aus dem Lichtverstärker austretende kohärente Licht kann über einen Lichtteiler den Eingängen einer Anzahl anderer Stufen mit lichtempfindlichem Eingangskreis zugeführt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrooptischen Anlage gemäß der Erfindung, F i g. 2 und 3 Kennlinien zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung,

Fig. 4 emen Iiiverterlbreis, der an die Stelle eines Teiles der in Fig. 1 dargestellten Anordnung treten kann, ... .' ....

ao Fig. 5 ein weiteres Diagramm zur,Erläuterung'der

Erfindung und

F i g. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung.
DaS in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der

Erfindung enthält einen Tunneldiödenkreis mit einer Reihenschaltung, die eine Dio.de mit negativem Widerstand, insbesondere eine Tunneldiode 10, einen Verbindüngspunkt 11, eine Induktivität 12 und einen positiven Pol F₂ einer GleichSpännüngsquelle enthält,

deren anderer Pol an Masse öder einem. Bezugspotential liegt. Als Tunneldiode 10 wird vorzugsweise eine Galliumarseniddiöde mit der üblichen Stromspannüngskenrtlinie .10' (Fig. 3.) verwendet, deren Spitzenstrom beträchtlich höher ist als das Strömminimum, so daß ihr Ausgangsstrom den. Läserschwellwert einer noch zu beschreibenden, Laserdiode übersteigt. ' . .. . , .'.... ..."

Der Tunneldiode 10 ist als Belastung eine ,Laserdiode 14 parallel geschältet. Als Belastung für die

Tunneldiode 10 hat die Laserdiöde 14 eine Strömspannungs-Kennlinie 14 ,(Fig. 3). Die Läserdiode kann aus einer Galliumärsenidscheibe mit einem bis zu den Rändern der Scheibe durchgehenden, ebenen pn-Ubergang bestehen. Zwei in einem geeigneten Abstand angeordnete entgegengesetzte Ränder der Scheibe sind teilweise reflektierend ausgebildet, so daß in dem ebenen Übergang kohärente Lichtschwingungen entstehen und vom Rand, der Scheibe, abgestrahlt werden, wenn der den Klemmen .der ..Diode zugeführte elektrische Strom eifie ausreichende

Größe hat. ... .

Die Tunneldiode 10 ist mit einem auf Lichtsignäle ansprechenden Eingangskreis gekoppelt, .der eine Anzähl von Phötödioden .18 enthält, die. parallel

zwischen eine positive Klemme V₁ einer Vorspannungsqüelle und eine mit der Anöde .der.Tunneldiode 10 verbundene klernme.ll geschaltet sind. Die Photodioden 18 sind vorzugsweise .Siljcjum-pn-Flächendioden.

Die Phötodiöden in sind in F i g. 1 mit. ihren Kathoden an die positive Klemme V₁ angeschlossen und dadurch in Sperrichtung vorgespannt. Eüie derart in Sperrrichtung vorgespannte Photodiode stellt im unbeleuchteten Zustand für den Sperrström eine hohe Impedanz dar, wie die. Stromspannungskennlinie 18' in Fig. 2 zeigt. Wenn ändejerseits. der Bereich des Überganges einer in .Sperrichtung vorgespannten Photodiode durch ein Lictiteingängssignäi

beleuchtet Wird, fließt ein verhältnismäßig großer Spemtrom durch die Diode, wie die Kennlinie 18" in F i g. 2 zeigt.

Der praktisch waagerechte Verlauf des linken Teiles der Kennlinie 18" zeigt, daß der Sperrström der Photodiode in einem beträchtlichen Sperrspannungsbereich praktisch konstant ist. Ein eine Photodiode 18 durchfließender Sperrstrom ist für die Tunneldiode 10 in Flußrichtung gepolt.

Das von der Läserdäöde 14 in Richtung des Pfeiles 21 abgestrahlte kohärente Licht fällt auf eine Lichtverstärker-pn-Flächendiöde 20 (Fig. 1). Die Verstärkerdiode 20 strählt ihrerseits ein verstärktes, gerichtetes, schmälbandiges kohärentes Lichtsignal in Richtung des Pfeiles 22 ab. Wenn der Verstärkerdiöde 20 kein kohärentes Eingängslicht zugeführt wird, liefert sie eine ühgerichtete und nicht kohärente Ausgängsistrahluiig, Die Lichtverstärkerdiode 20 bildet einen Teil eines Lichtverstärkerkreises, zu dem außerdem Hoch ein Widerstand 24 gehört, der an eine positive Klemme F₃ einer Spähhungsquelle angeschlossen ist, so daß der Lichtverstärkerdiode 20 ein praktisch konstanter Strom zugeführt wird. Die Lichtverstärkerdiode 20 ist vorzugsweise eine GaI-liumarseniddiode ähnlich der Läserdiode 14, von der sie sich jedoch hinsichtlich bestimmter Abmessungen unterscheidet. Ein Weitef er Unterschied besteht darin, daß der Rand der Halbleiterscheibe der Verstärkerdiöde 20, dem das Licht in Richtung des Pfeiles 21 zugeführt Wird und der Rand, von dem das verstärkte Licht in Richtuhg des Pfeiles 22 abgestrahlt wird, mit lichtdurchlässigen Überzügen versehen Sind.

Das von der Lichtverstärkerdiode 20 verstärkte Licht wird über den m Richtung des Pfeiles 22 verlaufenden Übertragungsweg dem Eingang eines Optischen Lichtteilefs 25 zugeführt. Der Lichtteiler 25 kann aus optischen Lichtleiterfäsem bestehen, durch die das Licht aufgeteilt und über Wege 26 zu getrennten Photodioden geleitet wird, die den Photodioden 18 entsprechen und zu nachgeschalteten Einheiten der logischen Anlage gehören. Der Lichtteiler 25 kann andererseits auch aus einem System von teilweise und total reflektierenden Flächen bestehen, durch das getrennte Lichtsignale etwa gleicher Intensität für die verschiedenen Wege 26 erzeugt werden.

Die Anzahl der Signaleittgänge 19 und die Anzahl der Signalausgänge 26 kann kleiner oder auch beträchtlich größer sein als in F i g. 1 dargestellt ist. Die für die Vorspannungen und Schaltungselemente angegebenen Werte sind typisch, können aber selbstverständlich entsprechend der Auslegung der Anlage abgeändert werden.

Alle derzeit bekannten Photodioden, Laserdioden und Lichtverstärkerdioden, die sich für die in F i g. 1 dargestellte Anordnung eignen, zeichnen sich durch sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeiten und die obenerwähnten erwünschten Eigenschaften aus, wenn sie auf einer Temperatur gehalten werden, die beträchtlich kleiner ist als die normale Raumtemperatur. Bei den derzeit verfügbaren Bauelementen ist es daher zweckmäßig, Anordnungen der in F i g. 1 dargestellten Art bei tieferen Temperaturen zu betreiben, beispielsweise der Temperatur des flüssigen Stickstoffs (—178° C) oder der flüssigen Luft. Es ist anzunehmen, daß noch Halbleiter-Laser entwickelt werden, die die erwünschten Eigenschaften auch bei Zimmertemperatur aufweisen. Die verfügbaren Photodioden und Tunneldioden arbeiten bei Raumtemperatur zufriedenstellend und bei Wesentlich niedrigeren Temperaturen ebenso gut wenn nicht sogar besser. Die Photodioden, Läserdioden, Lichtverstärkefdiodeli und Tunneldioden können alle in einem Bruchteil einer Nanosekunde von einem Zustand in elrieli anderen umgeschaltet Werden.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung kann als ODER-Gatter oder UND-Gatter für Lichtsignäle betrieben werden, je nachdem wie die elektrischen

iö Vorspannungen gewählt sind. Wenn.die Anordnung als ÖDER-Gätter arbeiten soll, Weiden die Tunneldiode ΙΟ und die Läserdiöde 14 Sb Vörge'spähnt, daß. zwischen ihren Kennlinien 1Ö^;, 14' die in F i g. 3 dargestellte Relation besteht. Die Tunneldiode 10 ar-

beitet normalerweise in einem Arbeitspunkt ;4, der einer niedrigen Spannung und einem verhältnismäßig hohen Strom entspricht. An der Läserdiöde 14 liegt

in diesem Normalzustand dann die Spannung F₂, und die Läserdiöde 14 bietet eine hohe impedanz dar, so daß der sie durchfließende Ström - entsprechend klein ist. Der von der klemme F₂ zügeführte Strom fließt also praktisch vollständig durch die Tunneldiode 10.

Wenn auf keine der in Sperrichtung .vorgespannten

Photödiöden 18 ein Eingangslichtsignäl fällt, stellen, diese Dioden für den Sperrström entsprechend der Kennlinie 18' in Fig. 2 eine höhe impedanz dar. Wenn jedoch einer der Photödiöden 18 über einen Weg 19 ein Lichteingangssignäl zugeführt wirdj ändert sich die Stromspanhuhgskennlinie der betreffenden Photodiode Von der Kennlinie 18' in die Kennlinie 18" (F i g. 2). unter diesen Umständen ist dann der die betreffende Diode von der Klemme F₁ zur Klemme 11 der Tunneldiode 10 dürchfließendl-Sperrstrom verhältnismäßig groß. Dieser zusätzliche Ström, der die Tunneldiode IÖ in ihrer Flußrichtung durchsetzt, verschiebt deren Arbeitspunkt νόή Α über das Strornrnaxirnüm der Kennlinie (F i g. 3), von wo er dann rasch zu einem Arbeitspunkt B in eihert Bereich höher Springt.

Wenn die Tunneldiode im Höchspännühgszustärid entsprechend dem Arbeitspünkt B arbeitet, fließt der größte Teil des Stromes, der vorher von der Klemme F₂ durch die Tunneldiode 10 geflossen War, nun

durch den die Laserdiode 14 enthaltenden Parallelzweig. Der Ström durch die Läserdiode 14 reicht dann aus, um die Diode 14 zur Emission von kohärentem Licht höher Intensität längs der Strecke 2l anzuregen. DaS kohärente Ausgängslicht der Läserdiode 14 wird durch die Lichtverstärkerdiode 20 verstärkt und über den Lichtteiler zu den Eingängen anderer logischer Einheiten geleitet.

Der dargestellte Tünneldiödenkreis ist monostabil und der Arbeitspunkt der Tunneldiode 10 kehrt nach

einer Zeitspanne, die in erster Linie durch den Wert der Induktivität 12 bestimmt Wird, automatisch Vom Arbeitspunkt B zum Rühearbeitspunkt A zurück. Wenn die Tunneldiode IO wieder auf den Arbeitspuhktv4 zurückschaltet, übernimmt sie auch Wieder den vorher durch die Läserdiöde 14 geflossenen Ström, so daß diese aufhört kohärentes Licht zu erzeugen. Kürz gesagt, liefert der Lichtteiler 2*4 eine Anzahl von Ausgangslichtimpulsen bestimmter (genormter) Dauer, Wenn einer Photodiode 18 ein Ein-

gängslichtimpuls zugeführt wird.

Wehn die in F i g. l dargestellte Anordnung als UND-Gatter arbeiten soll, Wird die Vorspannung der Tunneldiode 10 so bemessen, daß alle Eingangs-

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photodioden 18 gleichzeitig mit Licht beaufschlagt 38 durchfließenden Stromes hat zur Folge, daß diese

sein müssen, um an die Tunneldiode 10 einen Strom kein kohärentes Licht mehr emittiert. Die Laserdiode

liefern zu können, der ausreicht, um den Arbeits- 38 emittiert erst dann wieder kohärentes Licht, wenn

punkt der Tunneldiode vom Punkt A über das der Arbeitspunkt der Tunneldiode zum Ruhearbeits-

Strommaximum zum Punkt B zu schalten. Im übri- 5 punkt A entsprechend niedriger Spannung und

gen arbeitet die Schaltung wie oben beschrieben. hohem Strom zurückgeschaltet hat, was nach einer

F i g. 4 zeigt einen Inverterkreis, der bei Vorhan- Zeitspanne erfolgt, die hauptsächlich durch die Redensein eines Lichteingangssignals 30 kein Ausgangs- aktanz der Induktivität 34 bestimmt wird,
signal liefert, während beim Fehlen eines Eingangs- Daß der in F i g. 4 dargestellte Kreis bei 32 ein signals ein Ausgangssignal 32 auftritt. Der Inverter- xo invertiertes Lichtausgangssignal liefert, beruht darkreis enthält eine Reihenschaltung, die beginnend auf, daß die Laserdiode 38 in Reihe mit der Tunnelan einer positiven Klemme F₄ einer Spannungsquelle diode und nicht parallel zu dieser liegt wie bei Fig. 1. in der angegebenen Reihenfolge eine Induktivität Das Lichtausgangssignal 32 von der Laserdiode 38 34, einen Verbindungspunkt 35, eine Tunneldiode 36 in F i g. 4 kann einer Lichtverstärkerdiode 20 und (Anode—Kathode) und eine Laserdiode (Anode— 15 einem Lichtteiler 24, wie sie in F i g. 1 dargestellt Kathode) enthält. Zwischen den Verbindungspunkt sind, zugeführt werden, bevor es zum Eingang einer 35 und eine positive Klemme V_s einer Vorspannung»- nachfolgenden logischen Einheit geleitet wird,
quelle ist eine pn-Flächendiode 40 geschaltet. Als Fig. 6 zeigt einen bistabilen Kreis, der ein Licht-Diode 40 wird vorzugsweise eine pn-Flächendiode ausgangssignal von einem Setzausgang 50 liefert, gewählt, deren elektrische Eigenschaften denen der ao nachdem seinem Setzeingang 52 ein Lichteingangs-Laserdiode 38 möglichst entsprechen, die Diode signal zugeführt worden ist, während der Kreis an braucht jedoch nicht optisch aktiv zu sein. Zwischen einem Ruheausgang 54 ein Lichtausgangssignal liedie positive Klemme F₁ einer Vorspannungsquelle fert, wenn er durch ein Lichteingangssignal am und den mit der Anode der Tunneldiode 36 verbun- Rückstelleingang 56 zurückgesetzt wurde. Der in denen Verbindungspunkt 35 ist eine in Sperrichtung 25 F i g. 6 dargestellte Kreis enthält an einer positiven gepolte Photodiode 42 geschaltet. Klemme V₆ einer Vorspannungsquelle beginnend

Die Kurve 37 in F i g. 5 zeigt die Stromspannungs- eine Reihenschaltung aus einer Widerstandsimpedanz

kennlinie der Reihenschaltung aus Tunneldiode 36 58, einem Verbindungspunkt 59, einer Tunneldiode

und Laserdiode 38. Man kann die Kennlinie 37 gra- 60 und einer Laserdiode 62. Die Vorspannung an der

phisch dadurch gewinnen, daß man die individuellen 30 Klemme V₆ und der Widerstand 58 sind so bemessen,

Kennlinien der Tunneldiode und der Laserdiode in daß dem Verbindungspunkt 59 ein praktisch kon-

Richtung der Spannungsachse E graphisch addiert. stanter Strom zugeführt wird.

Die pn-Flächendiode 40 ist durch die positive Vor- Zwischen den Verbindungspunkt 59 und eine spannung an der Klemme V₅ derart vorgespannt, daß Rückleitung des Kreises, z. B. Masse, ist eine Reihendie ihr entsprechende Arbeitskennlinie 40' die in 35 schaltung aus einer Laserdiode 64 und einer Hilfs-F i g. 5 dargestellte Lage bezüglich der Kennlinie 37 diode 66 (oder einer Vorspannungsquelle) geschaltet, hat, d.h.,..daß ein stabiler Schnittpunkte in einem Zwischen die positive Klemme V₁ einer Vorspan-Bereich niedriger Spannung und hohen Stromes und nungsquelle und den Verbindungspunkt 59 ist eine in ein weiterer stabiler Schnittpunkt B in einem Bereich Sperrichtung gepolte erste Photodiode 78 geschaltet, hoher Spannung niedrigen Stromes existieren. Die 40 Eine zweite Photodiode 70, die zur Rückstellung Spannungsquelle mit der Klemme F₅ kann gewünsch- dient, ist mit einer solchen Polung zwischen den Vertenfalls durch eine weitere pn-Flächendiode in Reihe bindungspunkt 59 und eine negative Klemme V₇ einer mit der pn-Flächendiode 40 ersetzt werden, um die Vorspannungsquelle geschaltet, daß sie in Sperrich-Arbeitskennlinie 40'zu erhalten, tung vorgespannt wird.

Im Betrieb des in F i g. 4 dargestellten Lichtsignal- 45 Die kombinierte Kennlinie der Tunneldiode 60

inverterkreises fließt normalerweise ein Strom von und der Laserdiode 62 entspricht der Kennlinie 37

der Vorspannungsquelle F₄ durch die Induktivität in Fig. 5, und die Arbeitskennlinie der Laserdiode

34, die Tunneldiode 36 und die Laserdiode 38. Der 64 und der Hilfsdiode 66 kann entsprechend der

Ruhearbeitspunkt entspricht dem Punkt A auf der Kennlinie 40' in F i g. 5 verlaufen. Durch den Ersatz

Tunneldioden- und Laserdiodenkennlinie 37. Durch 50 der Induktivität 34 in F i g. 4 durch den Widerstand

die Diode 40 fließt im Ruhezustand praktisch kein 58 in Fig. 6 ergibt sich ein bistabiler Kreis mit den

Strom. Der relativ große Strom, der durch die Tun- stabilen Arbeitspunkten A und B.

neldiode 36 und die Laserdiode 38 fließt, bewirkt, Zur Erläuterung der Arbeitsweise der in F i g. 6

daß die Laserdiode 38 normalerweise kohärentes dargestellten Anordnung soll zuerst angenommen

Licht in einen Ausgangskanal 32 emittiert. 55 werden, daß sich der Kreis im rückgestellten oder

Die in F i g. 4 dargestellte Schaltungsanordnung Ruhezustand befindet, in dem die Tunneldiode 60

arbeitet in dem oben beschriebenen Ruhezustand, im Niederspannungszustand arbeitet und ihr Arbeits-

solange der Photodiode 42 kein Lichteingangssignal punkt bei A in F i g. 5 liegt. Unter diesen Umständen

über den Weg 30 zugeführt wird. Wenn der Photo- fließt durch die Tunneldiode 60 und die Laserdiode

diode 32 dagegen ein Lichteingangssignal zugeführt 60 62 ein starker Strom, und die Laserdiode 62 emittiert

wird, fließt Strom von der Vorspannungsklemme V₁ dementsprechend kohärentes Licht bei 54, das das

durch die Photodiode 42 zur Tunneldiode 36 und Ruheausgangssignal darstellt.

bewirkt, daß der Arbeitspunkt der Tunneldiode vom Wenn der Photodiode 68 nun über den Setzein-

Punkt A zum Punkt B schaltet. Wenn dies eintritt, gang 52 ein Lichteingangssignal zugeführt wird, leitet

wird der größte Teil des Stromes, der vorher durch 65 die Photodiode 68, und der über den Verbindungs-

die Tunneldiode 36 und die Laserdiode 38 geflossen punkt 59 zur Anode der Tunneldiode 60 fließende

war, in den die Diode 40 enthaltenden Parallelstrom- Strom schaltet diese auf den Arbeitspunkt B im

weg abgeleitet. Die Verringerung des die Laserdiode Hochspannungszustand um. Weiin dies eintritt, wird

1 24Ö

der Strom, der vorher durch die Tunneldiode 60 und die Laserdiode 62 geflossen war, zur Laserdiode 64 umgeleitet. Die Laserdiode 62 hört dann auf Licht zu emittieren, während die Laserdiode 64 bei 50 am Setzausgang kohärentes Licht emittiert. Der Kreis kann beliebig lange in diesem Zustand verharren und liefert dabei am Setzausgang 50 ein kohärentes Lichtausgangssignal.

Um den in Fig. 6 dargestellten Kreis zurückzustellen, wird der Rückstellphotodiode 70 bei 56 ein Lichtsignal zugeführt. Bei belichteter Photodiode 70 fließt ein Strom vom Verbindungspunkt 59 in umgekehrter Richtung durch die Photodiode 70 zur Klemme V₇ der Vorspannungsquelle. Hierdurch wird der Strom verringert, der von der Klemme F₆ zur Tunneldiode gelangen kann. Die Verringerung des für die Tunneldiode 60 verfügbaren Stromes bewirkt ein Umschalten des Arbeitspunktes der Tunneldiode vom Punkt B zurück zum Niederspannungsarbeitspunkt A. Im Niederspannungszustand fließt ein relativ hoher Strom durch die Tunneldiode 60 und die Laserdiode 62, so daß letztere am Ausgang 54 ein Ruheausgangslichtsignal liefert. Gleichzeitig sinkt der durch die Laserdiode 64 fließende Strom so weit ab, daß das Lichtausgangssi'gnal 50 endet. Der in F i g. 6 dargestellte Kreis liefert immer an einem seiner beiden Ausgänge kohärentes Licht, je nachdem welcher seiner Eingänge zuletzt mit Licht beaufschlagt worden war.

Die Ausgangssignale des in F i g. 6 dargestellten bistabilen Kreises können jeweils durch einen Lichtverstärker und Lichtteiler, wie sie in F i g. 1 dargestellt sind, verstärkt und geteilt werden. Selbstverständlich können auch der in F i g. 4 dargestellte Inverterkreis und der in F i g. 6 dargestellte bistabile Kreis mit einer Anzahl von Photodiodeneingangskreisen versehen werden, wie es in F i g. 1 dargestellt ist.

Die dargestellten und beschriebenen logischen Einheiten enthalten eine Reihe von Halbleiterbauelementen, die sich alle von Natur aus durch hohe Arbeitsgeschwindigkeit auszeichnen. Die Halbleitereinrichtungen werden derart verwendet, daß sich ein klarer Schwellwert zur Unterscheidung von Zuständen entsprechend den Informationen »0« und »1« ergibt. Die logischen Einheiten vermögen eine große Anzahl anderer entsprechender Einheiten anzusteuern, also an die Eingänge vieler nachgeschalteter logischer Einheiten Lichtausgangssignale genormten Pegels zu liefern. Die aus kohärentem Licht bestehenden Ausgangssignale können außerdem vom Ausgang einer logischen Einheit zum Eingang einer anderen logischen Einheit mit Lichtgeschwindigkeit in einem Übertragungsmedium übertragen werden.

Claims

55 Patentansprüche:

1. Elektro-optische Kippschaltung, die unter Steuerung durch ihrem Eingangskreis zugeführte Eingangssignale zwei diskrete Betriebszustände anzunehmen vermag, in denen ihr Ausgangskreis Strom unterschiedlicher Größe führt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis mindestens eine Laserdiode (14; 38; 62, 64) enthält, die nur in einem der beiden Betriebszustände kohärentes Licht emittiert.

2. Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in an sich bekannter Weise eine monostabil vorgespannte Tunneldiode enthält.

3. Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in an sich bekannter Weise eine bistabil vorgespannte Tunneldiode enthält.

4. Kippschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis mindestens eine in Sperrichtung vorgespannte Photodiode (18; 42; 68, 70) enthält.

5. Kippschaltung nach Anspruch 2 oder 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodiode bzw. Photodioden (18; 42; 68,70) zwischen eine Vorspannungsquelle (F₁, V₁) und die Tunneldiode (10, 36, 60) geschaltet sind.

6. Kippschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsparameter so gewählt sind, daß die Tunneldiode von ihrem einen Spannungszustand in den anderen umschaltet, wenn auf eine oder mehrere der in den Eingangskreis geschalteten Photodioden Licht fällt.

7. Kippschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der bistabil vorgespannten Tunneldiode (60) zwei entgegengesetzt gepolte, in Sperrichtung vorgespannte Photodioden (68, 70) gekoppelt sind und daß die Schaltungsparameter so gewählt sind, daß die Tunneldiode vom Niederspannungszustand in den Hochspannungszustand bzw. vom Hochspannungszustand in den Niederspannungszustand umschaltet, wenn auf die eine bzw. andere Photodiode Licht fällt (Fig. 6).

8. Kippschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunneldiode (10, 60) und die Laserdiode (14, 64) jeweils in einem von zwei Stromzweigen einer Parallelschaltung liegen, die an eine Stromquelle (F₂, F₆) angeschlossen ist.

9. Kippschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsparameter so gewählt sind, daß der von der Stromquelle an die Parallelschaltung gelieferte Strom bei im Niederspannungszustand arbeitender Tunneldiode in erster Linie durch diese und bei im Hochspannungszustand arbeitender Tunneldiode in erster Linie durch die Laserdiode (14) fließt.

10. Kippschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode (38, 62) mit der Tunneldiode (36, 60) in Reihe geschaltet ist.

11. Kippschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus Laserdiode (38) und Tunneldiode (36) eine mit einer Vorspannungsquelle (+F₅) in Reihe geschaltete weitere Diode (40) parallel geschaltet ist (Fig. 4).

12. Kippschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus Tunneldiode (60) und der Laserdidde (62) eine zweite Laserdiode (64) parallel geschaltet ist, daß an die Parallelschaltung eine Stromquelle (F₆) angeschlossen ist, und daß die Schaltungsparameter so gewählt sind, daß der von der Stromquelle gelieferte Strom bei im Niederspannungszustand arbeitender Tunneldiode hauptsächlich durch diese und die mit ihr in Reihe geschaltete erste Laserdiode (62) und bei im Hochspannungs-

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zustand arbeitender Tunneldiode in erster Linie durch die zweite Laserdiode (64) fließt (F i g. 6).

13. Kippschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Laserdiode (64) eine weitere Diode (66) oder eine Vorspannungsquelle in Reihe geschaltet sind.

14. Kippschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einer Laserdiode austretende kohärente Licht jeweils einem Flächendiodenlichtverstärker (20) zugeführt ist.

15. Kippschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Lichtverstärker (20) austretende Licht (22) über einen Lichtteiler (25) den Eingängen einer Anzahl anderer Stufen mit lichtempfindlichem Eingangskreis zugeführt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1083 323,
011, 1148 258;
»radio-mentor«, 1955, H. 1, S. 31.

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