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Anordnung zur optischen Kopplung eines optischen Senders mit einer
Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium Es sind optische Sender mit einer Halbleiterdiode
bekanntgeworden, bei denen die kohärente Strahlung in einem Einkristall derart eingeschlossen
ist, daß sie von allen Oberflächen, auf die sie auftrifft, total zurückreflektiert
wird. Der Schwellenwert der Stromdichte, bei der die stimulierte Emission einsetzt,
ist in diesen Kristallen besonders niedrig, da in ihnen keine Reflexionsverluste
auftreten. Eine gewisse Schwierigkeit liegt darin, den Zustand stimulierter Emission
der Diode erkennbar zu machen bzw. einen Teil der kohärenten Strahlung aus der Diode
auszukoppeln oder die Strahlung mit derjenigen anderer Dioden zu vereinigen.
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Es ist deshalb eine Anordnung zur optischen Kopplung eines optischen
Senders mit einer Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium und totalreflektierenden
Seitenflächen bekanntgeworden, bei welcher eine Seitenfläche gegenüber einer Fläche
eines prismatischen Koppelkörpers derart planparallel angeordnet ist, daß der Abstand
zwischen den beiden Flächen um ein Vielfaches -kleiner als die Wellenlänge des ausgekoppelten
Strahles, vorzugsweise kleiner als d/10 ist. Über die dichtbenachbarten Flächen
des Kristalls und des Koppelkörpers kann die Strahlauskopplung vor sich gehen. Weiter
ist es bekannt, natürliche Kristallbruchflächen als totalreflektierende Seitenflächen
für optische Sender auszunutzen.
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Für die Vereinigung der Strahlung einer Halbleiterdiode mit derjenigen
anderer Halbleiterdioden schlägt die Erfindung, von der vorbeschriebenen Anordnung
ausgehend, vor, daß eine Mehrzahl optischer Teilsender untereinander über einen
gemeinsamen Koppelkörper angekoppelt sind, wobei die gegenseitige Kopplung über
die Kathetenflächen des als rechtwinkliges Prisma ausgebildeten Koppelkörpers erfolgt
und die Auskopplung oder Abstrahlung über die Hypothenusenfläche vonstatten geht.
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Es ist zwar eine aus zwei verschiedenen Stromquellen gespeiste Halbleiterdiode
bekanntgeworden (vgl. Solid State Electronics, B. 7, Nr. 10, Oktober 1964, S.707
bis 716). Sie besteht aber aus einem optisch einheitlichen Resonatorraum, der nicht
durch totalreflektierende Oberflächen geteilt ist. Die elektrische Trennung der
beiden Diodenhälften muß durch ein Ätzverfahren erzwungen werden, ohne daß dadurch
eine vollständige elektrische Entkopplung möglich wird.
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In Ausbildung des Erfindungsgedankens ist der gegenseitige Abstand
der beiden Halbleiterdioden so groß gewählt, daß diese unabhängig voneinander in
den Zustand stimulierter Emission . geraten. Eine solche Anordnung läßt sich als
optisches Anzeigeglied für eine Oder-Verknüpfung verwenden. Nach einer arideren
Ausführungsform der Erfindung sind zwei einen Winkel von 90° einschließende Halbleiterdioden
mit ihren einander zugekehrten Begrenzungsflächen auf einen gegenüber der abgestrahlten
Wellenlänge A, kleinen Abstand genähert. Der Auftreffwinkel der kohärenten Strahlung
auf die Trennfläche beträgt 45', so daß beide Dioden die Schwelle stimulierter Emission
nur in gegenseitiger Abhängigkeit erreichen können. Eine solche Anordnung läßt sich
als optisches Anzeigeglied für eine Und-Verknüpfung verwenden.
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Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, daß zwei Doppeldioden
für die Anzeige einer Und-Verknüpfung auf einer der beiden senkrecht zueinander
verlaufenden Flächen des Koppelkörpers angeordnet sind und gemeinsam ein Anzeigeglied
für eine Oder-Verknüpfung bilden.
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Im nachfolgenden wird an Hand dreier Abbildungen das Wesen der Erfindung
näher erläutert: A b b. 1 und 2 zeigen je zwei Halbleiterdioden, die durch einen
jeweils gemeinsamen Koppelkörper zu je einer Anzeigeeinheit zusammengefaßt sind;
in A b b. 3 sind zwei solcher Doppeldioden zu einer gemeinsamen Anzeigeeinheit zusammengefaßt.
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A b b. 1 zeigt zwei Halbleiterdioden L1 und L2, die in Ausgestaltung
des Erfindungsgedankens durch einen gemeinsamen Koppelkörper K zu einer Anzeigeeinheit
zusammengefaßt sind. Der pn-Übergang der Halbleiterdioden, die aktive Zone des stimulierbaren
Mediums,
liegt in der Zeichenebene. Parallel dazu, oberhalb und unterhalb der Zeichenebene,
müssen die Kontaktflächen der Halbleiterdiode L,. und L2 gedacht werden. Die kohärente
Strahlung Al bzw. 1, ist im Kristall durch jeweils vier totalreflektierende Oberflächen
eingeschlossen, die senkrecht auf der Zeichenebene stehen und von denen nur 2 Paar
gezeichnet sind. Die dem Koppelkörper K benachbarten Oberflächen 011 bzw.
0, sowie die gegenüberliegende Oberfläche 03 des gemeinsamen Koppelkörpers
sind eben und nur mit einem geringem Fehler behaftet, so daß der Abstand D zwischen
diesen Flächen kleiner als A/10 gewählt werden kann. Der gegenseitige Abstand E
der beiden Dioden L1 und L2 untereinander ist dagegen hier so groß gewählt, daß
sie unabhängig voneinander in den Zustand stimulierter Emission geraten. Aus dem
Körper K wird nur dann eine Strahlung austreten, wenn entweder L1 oder L2 oder L1
und L2 sich im Zustand stimulierter Emission befinden. Damit ist eine einfache Anordnung
für die optische Anzeige einer logischen »Entweder-Oder«-Verknüpfung zwischen den
Ausgangssignalen zweier Dioden gegeben, deren Strahlung andernfalls nicht erkennbar
wäre. Der Strahlengang der Strahlung Al bzw. 2, ist durch Pfeile angedeutet,
die an den Grenzflächen verlaufende Strahlung ist gestrichelt angedeutet.
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In der A b b. 2 sind zwei einen Winkel von 90° einschließende Dioden
L1, L2 mit ihren einander zugekehrten Begrenzungsflächen 012, 02, auf einen gegenüber
der abgestrahlten Wellenlänge A kleinen Abstand E genähert. Für die stimulierte
Emission von L, und L2 besteht mithin eine Kopplung über die sonst totalreflektierenden
Seiten 012 und 02z.
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Ebenfalls ist der Abstand D zwischen den Flächen und dem Koppelkörper
K kleiner als A/10. Der Auftrefl" winkel der Strahlung auf der jeweiligen Trennfläche
muß 8 = 45° betragen.
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Für 8 = 45° wird ein Teil der Strahlung von L1 nach L2 und umgekehrt
abgezweigt. Beide Dioden strahlen nicht mehr unabhängig voneinander. Sie können
als einheitliches Bauteil, als eine Doppeldiode, aufgefaßt werden, die aus zwei
elektrisch voneinander unabhängigen Dioden, welche aber optisch miteinander gekoppelt
sind, aufgebaut ist. Der Schwellenstromwert von L1 ist jezt abhängig vom Strahlungszustand
der Diode L2, und umgekehrt. Der niedrigste Schwellenstromwert Jmin wird erreicht,
wenn L1 und L2 zugleich stimuliert strahlen. Wird dagegen L1 allein mit einer bestimmten
Stromstärke angeregt, während L2 ohne Stromfluß bleibt, so steigt der Schwellenstromwert
Js in L1 erheblich über Jmin an, da jetzt L2 als Strahlungsabsorber für L1 wirkt
und die Strahlungsdichte in L1 nicht den für die stimulierte Emission notwendigen
Wert erreicht. Die Doppeldiode (L1 -I- L2) wird erst dann in den Zustand stimulierter
Emission versetzt; wenn die Stromdichte J1 in L2 und die Stromdichte J2 in L2 gleichzeitig
jeweils den Wert Jmin überschreiten. Falls Jmin <Jl<Js (bei J2 =0)
oder
Jmin <J2<Js (bei J1 = 0) gilt, tritt keine stimulierte Emission in der Doppeldiode
auf.
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Die oben beschriebene Doppeldiode ist in der Lage, in vorteilhafter
Weise die logische . Verknüpfung »Und« zwischen den Strömen J1 und J2 anzuzeigen,
da sie nur in den Zustand stimulierter Emission gerät, falls sowohl L1 als auch
L2 Stromwerte zwischen J..in und Js annehmen. Ein Koppelkörper K muß noch
zur Doppeldiode hinzugefügt werden, um den Strahlungszustand der Doppeldiode nach
außen sichtbar zu machen. Doppeldiode und Koppelkörper bilden demnach zusammen eine
Anzeigeeinheit, die die logische Und-Verknüpfung zwischen den Stromwerten J1 und
J2 optisch erkennbar macht.
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Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die beschriebenen Anzeigeoperationen
miteinander kombiniert werden können oder auch nur vervielfacht zu werden brauchen.
Es- lassen sich mehrere Doppeldioden auf einen Koppelkörper aufsetzen, und ebenso
lassen sie sich mit Einzeldioden über einen Koppelkörper verbinden. In einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung sind je- eine Doppeldiode L1, L2 und L3, L4 für die
Anzeige einer Und-Verknüpfung auf einer der beiden senkrecht zueinander verlaufenden
Kathetenflächen O5, OB des Koppelkörpers K angeordnet und bilden gemeinsam ein Anzeigeglied
für eine Oder-Ver= knüpfung. A b b. 3 zeigt diese zwei Doppeldioden, die durch den
Körper K zu einer »Entweder-oder«-Anzeigeschaltung vereinigt sind.
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Diese Beispiele können beliebig erweitert werden. So können zwei Doppeldioden
zu einer Vielfachdiode kombiniert werden, und auch diese können zu weiteren Einheiten
zusammengefaßt werden. In allen Fällen wird wenigstens ein Koppelkörper zur Anzeige
des Strahlungszustandes des gesamten Komplexes an einer seiner Dioden angebracht.