DE1282210B

DE1282210B - Optischer Nachverstaerker fuer kohaerentes Licht mit mindestens zwei Halbleiterdioden

Info

Publication number: DE1282210B
Application number: DEJ27467A
Authority: DE
Inventors: Alan Bicksler Fowler
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-02-10
Filing date: 1965-02-06
Publication date: 1968-11-07
Also published as: CH427069A; FR1423482A; GB1079813A; SE323154B; US3303431A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIs

Deutsche Kl.: 21g-53/08

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 82 210.5-33 (J 27467)

6. Februar 1965

7. November 1968

Die Erfindung betrifft einen optischen Nachverstärker für kohärentes Licht mit mindestens zwei Halbleiterdioden, deren pn-Ubergänge in einem kurzen Abstand in der gleichen Ebene liegend hintereinander angeordnet sind und deren Stimulation durch Ströme anregbar ist, die die Halbleiterdioden in Durchlaßrichtung und senkrecht zur Ebene des pn-Uberganges durchqueren, wobei der Stromwert für die Anregung der nachgeschalteten nachverstärkenden Halbleiterdiode unter dem Schwellenwert für die Anregung eines optischen Senders gehalten wird.

Es ist bekannt. Halbleitermaterialien bestimmter ArI als optische Sender zu verwenden, derart, daß durch die Injektion eines Stromes, der dem Halbleiter senkrecht zur pn-Schicht zugeführt wird, Licht- r5 strahlen einer stimulierten kohärenten Schwingung erzeugt werden. Die Zufuhr des Stromes bewirkt eine Rekombination der Ladungsträger, d. h., Elektronen und Löcher des Halbleitermaterials werden wieder vereinigt und erzeugen dadurch Photonen. Es wurde festgestellt, daß Gallium-Arsenid-Halbleiter für diese Art der Strahlungserzeugung besonders geeignet sind. Durch Einrichtungen dieser Art ist es möglich, einen kohärenten Lichtstrahl zu erzeugen, dessen Strahlung parallel zur Ebene der pn-Schicht des Halbleiters gerichtet ist. Die Strahlung beginnt, wenn der steuernde Injektionsstrom einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

Einrichtungen der genannten Art sind jedoch auch dazu geeignet, die Intensität eines bereits vorhandenen, in der Ebene der pn-Schicht des Halbleiters liegenden Lichtstrahls durch die Steuerung eines Injektionsstromes zu ändern. Solche Einrichtungen dienen zur Modulation oder zur Verstärkung eines Lichtstrahls.

Es wurde bereits vorgeschlagen, optische Nachverstärker derart auszubilden, daß die pn-Schichten von mehreren Halbleiterdioden in der Ebene des Lichtstrahls in Kaskade hintereinander angeordnet sind (deutsches Patent 1 186 148).

Ein Nachverstärker dieser Art ist so ausgebildet, daß den einzelnen Halbleitern Steuerströme zugeführt werden, die entsprechend der Laufzeit des Lichtstrahls zeitlich nacheinander auftreten. Auf diese Weise wird das Erreichen einer kritischen Stromstärke und damit eine Selbsterregung des Systems vermieden, durch die der optische Lichtverstärker in den Zustand eines optischen Senders übergeht.

Ein optischer Nachverstärker dieser Art kann nur als Verstärker dienen, ohne daß die Verstärkereigenschaften einer Stufe in einer logischen Verknüpfungsschaltung für Zwecke der Steuerung oder der Datenverarbeitung ausgenutzt werden können.

Optischer Nachverstärker für kohärentes Licht
mit mindestens zwei Halbleiterdioden

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Busch, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Alan Bicksler Fowler, Yorktown Heights, N. Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. Februar 1964
(343 588)

Nachverstärker der vorgeschlagenen Art werden gemäß der Erfindung dadurch ausgewertet, daß der optische Nachverstärker als optischer Sender mit nachgeschalteter optischer Verstärkerstufe betrieben wird.

Auf Grund dieser Betriebsart kann ein Nachverstärker so ausgebildet sein, daß eine erste Halbleiterdiode als Senderstufe und eine zweite Halbleiterdiode als Verstärkerstufe geschaltet ist. Die Anordnung hat den Vorteil, daß durch kombinierte Steuerung der Injektionsströme große Intensitätsunterschiede eines ausgesendeten Lichtstrahls erreicht werden. Diese Intensitätsunterschiede werden erreicht durch Injektionsströme, deren Stromdichten wesentlich kleiner sind als die kritische Stromstärke.

Diese Maßnahme bietet den Vorteil, daß die kohärente Strahlung eines Halbleiters erzeugbar ist durch eine geringere Stromdichte und daß der ausgesendete Lichtstrahl eines Halbleiters zusätzlich beeinflußbar ist durch die kohärente Strahlung benachbarter Halbleiter.

Die F i g. 1 zeigt die Ausführung eines optischen Senders mit Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium bekannter Art. Dieser besteht aus einer Halbleiterdiode 1 mit der p-Schicht 2 und der n-Schicht 3, die an den aufeinanderlicgenden Seiten den pn-öbergang4 bilden. Eine solche Halbleiterdiode besteht

109 (30/(49

vorzugsweise aus Gallium-Arsenid. Eine solche Halbleiterdiode ist geeignet zur Aussendung einer kohärenten Lichtstrahlung, wenn durch ihren pn-übergang in Durchflußrichtung ein Strom durch den Leiter Z geleitet wird. Wenn dieser Strom einen gewissen Schwellenwert überschreitet, ergibt sich die kohärente Lichtstrahlung an dem pn-übergang 4 in den Richtungen, die durch den Doppelpfeil P angedeutet sind. Es wurde festgestellt, daß eine wirksame Strahlung d flh d lb

so kann aus dieser Halbleiterdiode 11 ein kohärenter Lichtstrahl entnommen werden, wenn der Injektionsstrom J₂ den Schwellenwert I_T2 überschreitet. Wenn dagegen den beiden Halbleiterdioden 10 und 11 gleichzeitig ein Injektionsstrom I_c zugeführt wird, der den Schwellenwert J_n. überschreitet, so kann aus den beiden Halbleiterdioden 10 und 11 ein kohärenter Lichtstrahl in Richtung des Pfeiles L entnommen werden. Wenn daher jede der beiden Halbleiterdioden

-=f

erzielbar ist, wenn die Stirnflächen der Halbleiter- ,0 _{10 und} 11 einen Injektionsstrom der Größe-f erhält,

diode 1 in der Ebene der pn-Schicht aus Spaltflachen

bestehen und wenn die pn-Schicht an den nicht dem so wird ein kohärenter Lichtstrahl L erzeugt.

Für ein Paar von Halbleiterdioden, die etwa die gleiche Länge aufweisen, ergab sich z. B. der Schwellen

Lichtaustritt dienenden Seiten der Halbleiterdiode 1 Einschnitte aufweisen.

Die Fig. 2 zeigt zwei hintereinander angeordnete 15 wert I_Tc für den gemeinsamen Injektionsstrom zu 2,6 A.

Halbleiterdioden 10 und 11, die an der ebenen Oberfläche einer Trägerplatte 12 befestigt sind. Die beiden Halbleiterdioden sind genau in der gleichen Richtung ausgerichtet und haben einen ganz geringen Abstand von 15 μπι ihrer gegenüberliegenden Stirnflächen voneinander.

Eine derartige Ausbildung der Einrichtung kann dadurch erzielt werden, daß ein aus einem Stück bestehender Halbleiterkristall auf der Trägerplatte 12 Jede einzelne Halbleiterdiode erhielt demnach einen Injektionsstrom von 1,3 A. Der Schwellenwert I_n für den Betrieb nur der einen Halbleiterdiode hatte den Wert von 1,7 A, und der Schwellenwert I_T2 für den Betrieb der anderen Halbleiterdiode hatte den Wert von 2,0A. Die bei diesem Versuch erzielte Herabsetzung der Stromdichte wird an Hand der F i g. 3 veranschaulicht. Die Kennlinie L₁ bedeutet die Emission einer Halbleiterdiode, wenn diese einen

angeordnet und anschließend in die beiden Teile 10 25 über dem Schwellenwert liegenden Injektionsstrom

und 11 aufgetrennt wird. Die beiden Halbleiter- erhält. Entsprechend hierzu bedeutet die Kennlinie L₂

dioden 10 und 11 sind bezüglich ihrer Längsachse die Emission der anderen Halbleiterdiode, wenn diese

mit einer Genauigkeit im Bereich von etwa 5° aus- einen über dem Schwellenwert liegenden Injektions-

gerichtet. Bei genauer Ausrichtung der beiden Halb- strom erhält. Die Kennlinie L₃ ist die Darstellung

leiterdioden 10 und 11 wird der Schwellenwert für 30 der Emission, die vorhanden ist, wenn beide HaIb-

die Aussendung des kohärenten Lichtstrahls herabgesetzt, und die Zunahme der Intensität des Lichtstrahls ist ungefähr proportional der Stromdichte des Injektionsstromes. Diese Wirkung der Einrichtung geht hervor aus der folgenden Beziehung:

G = AJ = ~

-PT + a

In dieser Beziehung bedeutet L die Gesamtlänge der Halbleiterdioden in Ausstrahlungsrichtung. R ist der Reflexionsfaktor. Es bedeutet α ferner den Verlust je Längeneinheit, der durch Absorptions- und Beugungsverluste entsteht. A ist eine Konstante, die aus der Beziehung der Dichte des Schwellenwertstromes J und der Verstärkung G je Längeneinheit abgeleitet wird.

Die beiden Halbleiterdioden 10 und 11 werden gesteuert durch die beiden Injektionsströme J₁ und J₂. Diese beiden Ströme werden an einer gemeinsamen Leitung zugeführt, in welcher der Gesamtstrom I_c auftritt. Wenn in der Halbleiterdiode 10 der Schwellenwert des Injektionsstromes J_n und in der Halbleiter gleichzeitig Injektionsströme erhalten, die über den Schwellenwerten von 1,3 A des Gemeinsambetriebes liegen.

Durch einen geeigneten Versuch sollen die Spektrallinien des optischen Senders festgestellt werden. Der Versuch erfaßt das Spektrum der Halbleiterdioden, wenn

a) nur die Halbleiterdiode 10 einen Injektionsstrom erhält,

b) wenn beide Halbleiterdioden 10 und 11 Injektionsströme erhalten.

40 Der Versuch erfaßt ferner das Spektrum der Halbleiterdiode 11, wenn

a) nur die Halbleiterdiode 11 einen Injektionsstrom erhält,

b) die beiden Halbleiter 10 und 11 Injektionsströme erhalten.

Um die Spektrallinien der beiden Halbleiterdioden zu trennen, wurden zwei Halbleiterdioden verschiedener Länge gewählt. Bei der Durchführung eines Versuchs erhielt die Halbleiterdiode 10 die Länge von 155 μπι und die Halbleiterdiode 12 die Länge 68 b d d l

leiterdiode 11 der Schwellenwert des Injektionsstro- 55 von 368 μΐη. Der Abstand der beiden Halbleiter

dioden betrug 15 μηι. Bei diesem Abstand ergab sich, daß die Hälfte der Lichtstrahlung der Halbleiterdiode 10 den Halbleitern beeinflußt.
Der Schwellenwert des Stromes für die Lichtaus-

mes J_r2 überschritten wird, entsteht in Richtung
des Pfeiles L ein kohärenter Lichtstrahl. Der für
beide Halbleiterdioden gemeinsam gültige Schwellenwert des Injektionsstromes hat dagegen den Wert I_Tc.
Der Schwellenwert I_n für den Gesamtinjektionsstrom 60 Sendung der Halbleiterdiode 10 betrug 0,75 A. Der

ist kleiner als die Schwellenwerte J_n und J_r2 der Schwellenwert des Stromes für die Lichtaussendung

Einzelinjektionsströme. Wenn aus der Stromquelle 13 der Halbleiterdiode 11 betrug 1,45 A. Diese Strom-

der Halbleiterdiode 10 ein Injektionsstrom J₁ zu- werte entsprechen Stromdichten von 48 bzw.

geführt wird, so kann aus der Halbleiterdiode 10 40 A/cm ~². Die Stromdichte der kürzeren Halbein kohärenter Lichtstrahl entnommen werden, wenn 65 leiterdiode war daher um den Faktor 1,2 höher als

der Injektionsstrom J₁ den Schwellenwert J_n über- die Stromdichte der längeren Halbleiterdiode. Wenn

schreitet. Wenn aus der Stromquelle 14 der Halb- beide Halbleiterdioden gleichzeitig Injektionsströme

leiterdiode 11 ein Injektionsstrom J₂ zugeführt wird, erhalten, betragen die Schwellenwerte für die Licht-

aussendung in jedem der beiden Halbleiterdioden 0,67 A.

Die F i g. 4 und 5 zeigen die Ergebnisse der erwähnten Versuchsanordnung. Das Spektrum des Lichtstrahls, der an der kurzen Halbleiterdiode 10 austritt, wurde beobachtet für den Injektionsstrom von 1,0 A. Bei der Beobachtung des Serienspektrums der beiden Halbleiterdioden wurde der Strom in der langen Halbleiterdiode gleichmäßig vergrößert, jedoch ohne daß der Schwellenwert von 1,45 A überschritten wurde. Die Spektralünien des Halbleiters 10 lagen im Bereich zwischen 8400 und 8435 Ä und hatten einen Unterschied der Wellenlängen von 4,53 Ä. Das Spektrum der Halbleiterdiode 11 lag im Bereich zwischen 8445 und 8465 Ä und hatte einen Unterschied der Wellenlängen von 1,94 A.

Diese Feststellung stimmt überein mit der Beobachtung, daß sich die Spitzen der Spektralünien nach kürzeren Wellenlängen bewegen, wenn die Stromdichte des Injektionsstrornes erhöht wird. Die Erhöhung der Stromdichte durch eine Verkürzung der Halbleiterdiode ergibt daher eine Strahlung kürzerer Wellenlänge. Das auffallendste Ergebnis dieser Versuche bestand darin, daß das Spektrum der Halbleiterdiode 10 verschwindet, wenn der Injektionsstrom der Halbleiterdiode 11 eingeschaltet wird. In dieser W^reise wird das Spektrum der Halbleiterdiode 10 ersetzt durch das Spektrum der Halbleiterdiode 11. Bei der Beeinflussung beider Halbleiterdioden durch Injektionsströme ergab sich lediglich eine Spektrallinie von 8455,5 Ä, die auch auftrat, wenn nur die eine Halbleiterdiode durch einen Injektionsstroni beeinflußt wurde. Aus den Versuchen geht hervor, daß die Frequenzselektivität der Lichtaussendung durch beide Halbleiterdioden nicht so groß ist, als wenn nur einer der Halbleiter Licht aussendet. Der Versuch ergab lediglich, daß bei 8450,8 A eine besonders ausgeprägte Spektrallinie besteht. Es erscheint daher so, daß die beiden Halbleiterdioden nicht so sehr als ein Paar gekoppelter Oszillatoren wirken, sondern eher, daß die Emission der Halbleiterdiode 11 durch die Emission der Halbleiterdiode 10 verstärkt wird. Die Halbleiterdiode 11 wird dadurch von der Halbleiterdiode 10 beeinflußt, jedoch lediglich derart, daß der Schwellenwert ihres Injektionsstromes herabgesetzt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Nachverstärker für kohärentes-Licht mit mindestens zwei Halbleiterdioden, deren pn-Ubergänge in einem kurzen Abstand in der gleichen Ebene liegend hintereinander angeordnet sind, und deren Stimulation durch Ströme anregbar ist, die die Halbleiterdioden in Durchlaßrichtung und senkrecht zur Ebene des pn-Uberganges durchqueren, wobei der Stromwert für die Anregung der nachgeschalteten nachverstärkenden Halbleiterdiode unter dem Schwellenwert für die Anregung eines optischen Senders gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Nachverstärker als optischer Sender mit nachgeschalteter optischer Verstärkerstufe betrieben wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gallium-Arsenid-Halbleiter als Halbleiterdioden vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einer Trägerplatte angeordneter Halbleiterkristall in zwei hintereinander angeordnete Teile getrennt ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei hintereinander angeordnete Halbleiterkristalle verschiedene Längen aufweisen.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter Längen von einigen hundert Mikrometer aufweisen.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiterkristalle in einem Abstand von annähernd 15 Mikrometer hinteieinander angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Internationale Elektronische Rundschau, Bd. 17, Nr. 8, August 1963, S. 389 bis 392.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsche Patente Nr. 1 186 148, 1220 054.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

»09 630/64» 10. U · Bundesdruckerei Berlin