DE1764878A1

DE1764878A1 - Laseranordnung mit wahlweiser Einstellung der Schwinngungsrichtung

Info

Publication number: DE1764878A1
Application number: DE19681764878
Authority: DE
Inventors: Susumu Ito; Yasuo Nannichi
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1967-08-25
Filing date: 1968-08-23
Publication date: 1972-02-03
Also published as: US3599019A; DE1764878C3; DE1764878B2

Description

Anmelderin; Stuttgart, den 22. August 1968

Nippon Electric Company,Limited, " P 2140 7»15i Shiba Gochome, Minato-ku,
Eokyo-to, Japan

Vertreter:

Patentanwalt
Dipl.-Ing. Max Bunke
7 Stuttgart W
Schloßstraße B

Laseranordnung mit wahlweiser Einstellung der SchwingunpisrichtunK

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit wahlweiser Einstellung der Schwingungsrichtung.

Es sind bereits verschiedene optisch aktive Bauelemente bekannt. Die meisten derselben nutzen zur Informationsspeicherung die Laserwirkung aus und unterscheiden zwischen dem Vorhandensein und dem Fehlen der Laserschwingung. Beispiele solcher optisch aktiver Bauelemente sind in folgenden Arbeiten beschrieben:"Applied ⁱ Physics Letters" 1963, Bd. 3, S. 1 bis 3 oder "I.B.M. Journal R & D" 1964-, Bd. 8, ß. 471 bis 475. Die in diesen Arbeiten be-

109886/U35

schriebenen bekannten Anordnungen stellen Laaqr-Kippstufen dar. Dieselben besitzen zwei stabile Zustände, ao daß sie für eine Verwendung als Informationsspeicher geeignet sind, Für logische Bauelemente müssen eine Anzahl gleichartiger aktiver Bauelemente miteinander kombiniert werden. Dieses kann dadurch umgangen werden, daß man Anordnungen mit drei oder mehr stabilen Zuständen · zur Verfügung hat. Die bekannten Laseranordnungen besitzen jedoch keine Mehrfach-Stabilität.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Laseranordnung mit wahlweiser Einstellung der Schwingungsrichtung, die drei oder vier stabile Zustände besitzt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens ein Laserverstärker und zwei Lichtabsorber mit nichtlinearer Abso3ptionskennlinie innerhalb eines geschlossenen optischen Kreises angeordnet sind und daß mit dem optischen Kreis eine Schaltstufe zur wahlweisen impulsartigen Erregung eines Lichtbündels mindestens in einer bestimmten Ausbreitungsrichtung innerhalb des optischen Kreises gekoppelt ist, wodurch eine Verringerung des nichtlinearen Absorpbionskoeffizienten erfolgt, damit durch die jeweilige Ausbreitungsrichtung der erzeugten Laserschwingung eine Vielzahl stabiler Zustände festgelegt ist.

Normalerweise ist ein geschlossener optischer Kreis zur Erzielung einer Laserschwingung notwendig. Da ein Laseroszillator eine Lichtquelle und gleichzeitig eine Art Lichtverstärker verkörpert, stellt sich die Laserschwingung ein, wenn der geschlossene optische Kreis einen Verstärkungsfaktor besitzt, der die Lichtabsorption überwiegt. Man kann infolgedessen die Ausbreitungsrichtung des erzeugten Las^rlichts durch Anwendung eines Stoffes mit nichtlinearer Absorptionskennlinie für den Absorber steuern* <

109886/U35

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.

Fig. 1 ist eine grafische Darstellung der Durchgangs-Licht intensität in Abhängigkeit von der Einfalls-Lichtintensität für Galliumarsenid;

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 ein entsprechendes Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4(a)

u. (b) Kennlinien zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt für Galliumarsenid (GaAs) die Kennlinie der Durchgangs-Lichtintensität in Abhängigkeit von der Einfalls-Lichtintensität; Galliumarsenid ist ein Beispiel eines nichtlinearen Absorbers und in "Applied Physics Letters" Bd. 6, Nr. 6, S. bis 102, 1965» erläutert. Es gibt zahlreiche weitere Stoffe mit nichtlinearer Absorptionskennlinie.

Nach Fig. 2 umfaßt eine Ausführungsform der Erfindung einen Lichtverstärker 1, nichtlineare Lichtabsorber 2 und 3» Reflexionsspiegel 4, 5 und 6, Lichtausbreitungsrichtungs-Nachweisgeräte 7 und 8 und"eine löschbare Lichtquelle 9. Die gestrichelte Linie gibt den Lichtweg an. Beide Endflächen des Lichtverstärkers Λ sind nichtreflektierende Flächen, so daß der Lichtverstärker 1 selbst keine Laserwirkung ergibt.

Unter der Annahme eines Verstärkungsfaktors g des Li'chtverstärkers 1, von- Durchlässigkeitsfaktoren tp und t^ der Absorber 2 und 3 und einer aus beiden Endflächen des Verstärkers 1 austretenden Lichtintensität I₀, erhält man die Intensität i-, des in Gegenuhrzeigerrichtung zum Ausgangspunkt zurückkehrenden

109888/1435

Lichtstrahls zu

I₁ = I₀ κ t₂t₅s

mit & als' Reflexionsfaktor der Reflexionsspiegel 4,6 und 5. Entsprechend ergibt sich die Intensität i_r des in Uhrzeigerrichtung sich ausbreitenden Lichtstrahls bei Rückkehr zum Ausgangspunkt zu

i_r - I₀ * V₅S-

Eine Laserschwingung tritt nicht auf, wenn

C.

Nunmehr wird ein zusätzliches Lichtbündel Iq in Gegenuhrzeigerrichtung der Lichtschwingung überlagert, auf den Wert f> I_Q verstärkt und auf den Absorber 3 gerichtet. Damit verringert sich der Durchlässigkeitskoeffizient des Absorbers 3 vom Wert t, auf den Wert t'_z. Das durch den Absorber 3 hindurchtretende Lichtbündel wird in dem Verstärker 1 verstärkt und tritt durch den Absorber 2 mit dem Durchlässigkeitsfaktor t'₂ hindurch; das Lichtbündel hat bei Rückkehr zum Ausgangspunkt die Intensität

wird, bleibt die in dem geschlossenen optischen Kreis umlaufende Lichtintensität konstant, auch wenn der äußere Lichtimpuls verschwindet. Damit ist die Laserschwingung ausgelöst.

Andererseits stellt sich eine Schwingung des in Uhrzeigerrichtung umlaufenden Lichtbündels nicht ein, ehe das in Gegenuhrzeigerrichtung umlaufende Lichtbündel eine Schwingung auslöst. Solange die auf den Verstärker 1 auftreffende Eingangsenergie konstant bleibt., verringert die Auslösung des Lichtbündels in Gegenuhrzeigerrichtung den Verstärkungsfaktor für das Lichtbündel in Uhrzeigerrichtung auf einen Wert unter den für das Lichtbündel in Gegenuhrzeigerrichtung erforderlichen Wert

109886/U35

(bekannt als Löscheffekt). Dann reicht die Intensität des Lichtbündels bei Rückkehr in die Ausgangsstellung gemäß der Beziehung

nicht zur Aufrechterhaltung der Iserschwingung aus, da der Verstärkungsfaktor g' herabgesetzt ist.

Eine entsprechende wahlweise Schwingung kann dadurch erhalten werden, daß man ein Zusatzlichtbündel unabhängig von dem Lichtbündel Iq in Gegenuhrzeigerrichtung auf den Absorber 2 richtet, statt daß man einen äußeren Lichtimpuls dem Lichtbündel Iq überlagert. Wenn andererseits ein HalbIeiter-PN-Ubergang als Absorber 2 benutzt ist, liefert die Steuerung des Durchlaßstromes im Sinne einer Änderung des Durchlässigkeitsfaktors das gleiche Ergebnis.

Nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 sind Halbleiter-PN-Übergänge als Absorber 2 und 3 benutzt, die an eine' Konstantspannungsquelle angeschlossen sind. Wenn ein Lichtbündel auf die Übergangszone auffällt, bedingt die entsprechende elektrische Leitfähigkeit eine Vergrößerung des Stromes. Da der vergrößerte Strom die Verstärkung des auffallenden Lichtes anhebt, steigt möglicherweise die Durchlässigkeit der Übergangszone an.

Fig. 4 gibt die obengenannte Beziehung zwischen dem durch die Übergangszone fließenden Strom und der an derselben anliegenden Spannung wieder. Weitere Einzelheiten sind in "Japanese Journal of Applied Physics" Bd. 3, S. 233 bis 234, 1964, erläutert. Wenn nach Fig. 4(a) die Dioden I und II an eine Spannungsquelle von 10 V angeschlossen sind, ist z. B. der Strom durch die Diode I, wo eine Laserschwingung auftritt, größer als der Strom durch die Diode II, wo keine Laserschwingung auftritt. Die Intensität des aus jeder Diode I und II austretenden Lichtes ist in Fig.4(b)

109886/U35

angegeben. Danach ist die Lichtintensität der Diode I mehr als doppelt so groß wie die Lichtintensität der Diode II. Der Anstieg der Lichtintensität der Diode I ist durch die Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit infolge des starken Lichteinfalls bedingt. Dies hebt den Durchlässigkeitsfaktor der Diode I an, wie im folgenden erläutert wird".

Wenn nach Fig. 2 ein kurzdauernder Spannungsimpuls an dem Absorber 5 aus einem Halbleiter-PN-Übergang anliegt, trägt ein · Teil der in dem PN-Übergang injizierten Ladungsträger zu der Verstärkung des Einfallslichtbündels in dem oben erläuterten Sinn bei. Infolgedessen ändert sich der Durchlässigkeitsfaktor von t, auf *&'*· Das Lichtbündel I_Q fc t2 in Gegenuhrzeigerrichtung verringert sich auf Iq (X t~ t¹,, nachdem es durch den 'Absorber 3 gelangt ist; dieses Lichtbündel fällt auf den Verstärker 1 ein. Dieses Lichtbündel wird verstärkt auf den Wert Iq Af tp t',g und trifft auf den Absorber 2. Der durch den Absorber 2 fließende Strom steigt beim Lichtauffall an, und der Ubertragungsfaktor ändert sich auf den Wert t'p· Das Licht breitet-· sich weiter aus und kehrt zum Absorber 3 zurück. Obgleich der Treiberimpuls in diesem Zeitpunkt abgeschaltet ist, nimmt der Durchlässigkeitsfaktor wiederum den Wert t, an, so daß die Lichtintensität konstant bleibt. Die zur Aufrechterhaltung der Schwingung erforderliche Beziehung lautet:

Andererseits erreicht das Lichtbündel in Uhrzeigerrichtung, das aus dem von einem ^reiberimpuls erregten Absorber 3 herauskommt, den Verstärker 1 nachdem das Lichtbündel in Gegenuhrzeigerrichtung in den Verstärker 1 eingetreten ist. Der Verstärkungsfaktor g¹ des Verstärkers 1 für das Lichtbündel in Uhrzeigerrichtung ist kleiner als für das Lichtbündel in Gegenuhrzeigerrichtung, da der Hauptteil der an dem Verstärker 1 anliegenden Eingangsenergie für die Verstärkung des Licht-

109886/U35

bündeis in Gegenuhrzeigerrichtung verbraucht ist. Deshalb bleibt die Beziehung'

bestehen und eine Laserschwingung für ein Lichtbündel in Uhrzeigerrichtung wird nicht erregt. Somit erfolgt die Laserschwingung auf gerichteter Grundlage.

Die Laserschwingung kann durch impulsartige Herabsetzung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers abgebrochen werden, da die Intensität des Ausgangslichtbündels dann abfällt und der Durchlässigkeitsfaktor wieder den Ausgangswert annimmt. In der Praxis erfolgt die Unterdrückung der Laserschwingung durch Auslöschung mit der Lichtquelle 9 im Sinne einer Herabsetzung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 1. Die Richtung der Laserschwingung kann durch Anhalten der Laserschwingung mittels der Lichtquelle 9 und danach entweder durch Einführung eines äußeren Lichtimpulses in entgegengesetzter Richtung oder durch Anhebung des Durchlässigkeitsfaktors des Absorbers 2 umgekehrt werden. Die Laserschwingung wird durch die Nachweisgeräte 7 und 8 oder durch Messung des in den Absorber 2 und 3 fließenden Stromes nachgewiesen, in letzterem Falle, wenn die Halbleiter-PN-Übergänge als Absorber 2 und 3 benutzt werden.

Die zweite Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 ist nach Art eines Festkörperschaltkreises aufgebaut, bei dem alle Bauteile aus PN-Übergängen bestehen. Anstelle von Reflexionsspiegeln wird die Reflexion durch einen Teil des Lichtverstärkers 1 und durch Teile der Absorber 2 und 3 bewirkt. Die Bedingung zur Auslösung der Laserschwingung entspricht derjenigen für die erste Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2. Die Laserschwingung kann durch impulsartige Verringerung des durch den Verstärker 1 oder die Absorber 2 und 3 fließenden Stromes abgebrochen werden.

109886/U35

Zweckmäßig finden im Rahmen dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung PN-Ubergänge von GaAs für den Verstärker 1 und die Absorber 2 und 3 Verwendung. Wenn durch den GaAe-PN-übergang Strom fließt, können der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 1 und die Durchlässigkeitskoeffizienten der Absorber 2 und 3 folgendermaßen ausgedrückt werden:

ß^₀ .exp (-k

mit k als Absorp·—.tionskoeffizient, J als Stromdichte durch den PN-Übergang, P als Konstante zur Darstellung des Verstärkungsfaktors für Licht, 1 als Licht-Weglänge dee Lichtwegs durch den Verstärker 1 oder die Absorber 2 oder 3 und mit 0(q als Reflexionsfaktor der Oberflächen A-B, C-D und E-F. Bezeichnet. man den Brechungsindex von GaAs mit η und denjenigen der Umgebung mit n_Q, so tritt Totalreflexion auf, wenn der Winkel <f zwischen der Normalen der Einfallsfläche und der Lichteinfallerichtung die Ungleichung erfüllt!

sin J > Hq/π,

Setzt man η » 3j6 für das Laserlicht in GaAs, so tritt Totalreflexion auf ,ΐϋπ^β^¹, solange der Reflexioneindex der Umgebung ZLq * 1, oder </* 19°28' solange n_Q « 1*2 (entsprechend flüssigem Stickstoff als umgebenden Stoff). Bei der Anordnung in Form eines gleichseitigen Dreiecks nach Fig. 3 ist der Winkel zwischen der Normalen zu der Oberfläche A-B, C-D oder E-F und der Lichteinfallsrichtung <P « 30°, so daß Totalreflexion auftritt und A^₀-I gültig bleibt. Da das Licht senkrecht zu beiden Endflächen des Verstärkers 1 und der Absorber 2 und 3 einfällt und da beide Endflächen nichtreflektierend auegebildet sind, so daß man einen Reflexionfaktor R unterhalb 1 % erhält, kann man die Reflexioneverluste vernachlässigen. Setzt man ft« 1 und R <1%, erhält man einen Verstärker, wenn gilts

(-k +/j) l>0 . "

und einen Absorber, wenn gilt;

109886/U35

Somit ändert sich der Durchlässigkeitsfaktor mit einer Änderung der Stromdichte J des durch den PN-Übergang fließenden Stromes. Für das übliche GaAs-Laserlicht hat man jeweils folgende Werte k « 50cm~ und b « 0,05cm/A bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs.

Andererseits hat das Laserlichtbündel in GaAs normalerweise eine Divergenz von etwa 10° für alle Richtungen, wenn es auch sonst als divergenzfrei zu betrachten ist. Die Divergenz bringt Lichtverluste beim Übergang von dem Verstärker 1 zu dem Absorber

2, von dem Absorber 2 zu dem Absorber 3 usw. mit&ich. Der Verlustwert θ ändert sich mit dem Abstand zwischen dem Verstärker 1 und den Absorbern 2 oder 3 oder zwischen den Absorbern 2 und

3. Setzt man die Stromdichte des Verstärkers 1 auf J^, diejenige der Absorber 2 und 3 auf J und die Länge des Verstärkers 1 und der Absorber 2 und 3 jeweils auf 1, so triit keine Laserschwingung auf, solange gilt:

θ . t₂ - t, . g a 0 . exp ζ -3k + /(J^"+ 2J)^Jl

+ 2J)< 3k + J .-I_n,

Wenn die Stromdichte des Absorbers 3 um ^J, zunimmt, wird die auf den Absorber 2 einfallende Lichtintensität um einen Faktor exp SoJ*l größer. Wenn die Stromdichte des Absorbers 2 infolge einer Z_unahme der Einfallslichtintensität um όJ₂ zunimmt, tritt eine Laserschwingung auf, wenn gilt:

J₁ + 2J +OJ₂) = 3k + \ I_n J

Nimmt man z. B. folgende Wert an: 1 « 500 /u, θ » 0,8, 3_Λ ■ 2288 A/cm und' J » 400 A/cm , ergibt sich keine Laserschwingung, da ·

3k +.J I_n £ « 154,5
und

3_Λ + 2J) - 154.4.

109886/U35

Wenn der* Zusatzstrom &.Z-* « 520 A/cm dem durch den Absorber
3 fließenden Strom überlagert wird, ergibt sich die auf den
Absorber 2 einfallende Lichtintensität um einen Faktor
exp hhZ-j\ * 3>7 größer. Wenn der durch den Absorber 2 fließende Strom um 1% infolge des Anstiegs der Einfallslichtintensität zunimmt, wird die Bedingung für das Auftreten der Laserschwingung' erfüllt, da ά J₂ - 4- A/cm² und

2J + AJ₂) = 154.6 >5k + J I_n

Wie man diesem Ausführungsbeispiel entnimmt, bestehen zahlreiche Freiheitsgrade für den Aufbau der Anordnung indem man die Längen des Verstärkers 1 -und der Absorber 2 und 3» den Stromwert und
den Verlustwert aufgrund der Dispersion des Laserlichts einstellt·

Die Erfindung liefert somit eine Laseranordnung mit drei stabilen Zuständen, nämlich 1) keine Laserschwingung in irgendeiner Richtung, 2) Laserschwingung in Gegenuhrzeigerrichtung und 3) Laserschwingung in Uhrzeigerrichtung. Damit kann diese Laseranordnung als SpeicheieLement benutzt werden. Auch in dem andern Arbeitsbereich, d.h.« wenn die Eingangsenergie des Verstärkers heraufgesetzt ist, können die Las erschwingungen in Gegenuhrzeigerrichtung und Uhrzeigerrichtung gleichzeitig auftreten* so daß man
ein Speicherelement mit vier Zuständen erhält.

Die Anordnung nach der Erfindung kann gegenüber der vorstehenden Beschreibung so abgwandelt werden, daß man noch mehr stabile
Zustände erhält, indem man optisch weitere Verstärker und/oder
Absorber anfügt.

109886/U35

Claims

'3iegcxempia_;

ir-\^m

Patentanspruch

Laoeranordnung mit wahlweiser Einstellung der Schwingungsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Laserverüi-rirker (1) und zwei Lichtabsorber (2,3) mit nichtlinearer AbB6cp:ionskennlinie innerhalb eines geschlossenen optischen Kreises angeordnet sind und daß mit dem optischen Kreis eine Schaltstufe zur wahlweisen impulsartigen Erregung eines Lichtbündels mindestens in einer bestimmten Ausbreitungsrichtung innerhalb des optischen Kreises gekoppelt ist, wodurch eine Verringerung des nichtlinearen Absccptionskoeffizienten erfolgt, damit durch die jeweilige Ausbreitungsrichtung der erzeugten Laserschwingung eine Vielzahl stabiler Zustände festgelegt ist.

109886/U35

ORIGINAL INSPECTED