DE1764878B2

DE1764878B2 - Laseranordnung zur Informationspeicherung mit mindestens drei stabilen Zuständen

Info

Publication number: DE1764878B2
Application number: DE1764878A
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: 1973-09-13
Also published as: US3599019A; DE1764878C3; DE1764878A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung zur Informationsspeicherung mit mindestens drei stabilen Zuständen, die ein stimulierbares Medium und zwei mit ihm optisch gekoppelte nichtlineare Lichtabsorber aufweist, deren Absorptionsvermögen durch Anlegen jeweils eines äußeren Signals verringerbar ist, um wahlweise eine Strahlungsrichtiing der Laserstrahlung und damit einen stabilen Zustand einzustellen.

?.<=■ sind bereits verschiedene optisch aktive Bauteile bekannt. Die meisten derselben nutzen zur Informationsspeicherung die optische Verstärkung aus und unterscheide!ι zwischen dem Vorhandensein und dem Fehlen einer kohärenten Strahlung. Beispiele solcher optisch aktiver Bauteile sind in folgenden Arbeiten beschrieben: »Applied Physics Letters«, Bd. 3. Nr. 1, vom 1. Juli 1963, S. 1 bis 3, oder »I. B. M. Journal R & D«, Bd. 8, Nr. 4, September 1964, S. 471 bis 475. Die in diesen Arbeiten beschriebenen Anordnungen stellen optische Kippstufen dar. Dieselben besitzen zwei stabile Zustände, so daß sie für eine Verwendung als Informationsspeicher geeignet sind.

Aus der deutschen Patentschrift 1 220 055 und aus »Technische Rundschau« vom 1. Oktober 1965, Bd. 57, Nr. 41. S. 45, ist eine Halbleiterdiodenschaltanordnung als optischer Informationsspeicher mit zwei stabilen Zuständen bekannt, bei der optisch miteinander gekoppelt ein Bereich einer Halbleiterdiode als optischer Sender und ein anderer als Lichtabsorber arbeitet. Diese Anordnung hat die logische Funktion eines Inverters.

Die deutsche Auslegeschrift 1214 783 beschreibt eii.'i Lascninordnung der eingangs genannten Art, bei Her K'weils nur eine Stirnfläche des stimulierbaren Mediums als Fabry-Perot-Resonatorspiegel ausgebildet ist. d. h. von je einem Paar parallel zueinander verlaufender Stirnflächen ist jeweils eine teilweise reflektierend und die andere durchlässig ausgebildet, wobei sich der Absorber jeweils an die durchlässige Seitenfläche anschließt. Durch Ausbildung des stimulierbaren Mediums in Form eines regelmäßigen Vielecks kann man innerhalb ein und desselben stimulierbaren Mediums in verschiedene Richtungen ausgerichtete

ίο optische Resonatoren verwirklichen. Durch Anregung der Eigenschwingung je eines dieser optischen Resonate 'en erhält man dann mit einem einzigen stimulierbaren Medium mehrere stabile Zustände. Bezogen auf die Anzahl η der Lichtabsorber einer Laseranordnung ist die mögliche Anzahl der stabilen Zustände /; — 1. Da die verschiedenen Lichtabsorber jeweils verschiedenen optischen Resonatoren zugeordnet sind, ist es schwierig, sicherzustellen, daß die verschiedenen Eigenschwingungen miteinander übereinstimmen.

Über den eingangs angegebenen Gattungsbegriff des Anspruchs 1 hinaus ist es aus der deutschen Auslegeschrift 1 214 783 bekannt, daß sowohl das stimulierbare Medium, das als optischer Sender wirkt, als auch die nichtlinearen Lichiabsorber Halbleiterdioden sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Ausnutzung eines einzigen optischen Resonators und damit ein und derselben Eigenschwingung eines optischen Senders (Lasers) zur Informationsspeicherung mit mindestens drei stabilen Zuständen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß erstens das stimulierbare Medium und die Lichtabsorber in einem gemeinsamen optischen Resonator durch Umlenkspiegel optisch so hintereinandergeschaltet sind, daß der Laserstrahlengang einen in sich geschlossenen Weg (Ring) bi'det. daß zweitens die Einstellung der Strahllingsrichtung in einer Einstellung des Umlaufsinnes der Laserstrahlung auf dem geschlossenen Weg besteht und daß drittens die dem stimulierbaren Medium zugeführte Anregungsenergie derart unterschiedlich einstellbar ist, daß die Laserstrahlung entweder in nur einer Umlaufrichtung oder in beiden Umlaufrichtungen gleichzeitig auftreten kann.
Durch die Anordnung eines geschlossenen Lichtwegs kann man ein und dieselbe Eigenschwingung wahlweise für beide möglichen Umlauf richtungen ausnutzen. Darüber hinaus ist es möglich, durch entsprechende Einstellung der Lichtabsorber und rder durch entsprechende Anregungsenergiezufuhr /um stimulierbaren Medium beide Umlauf richtungen gleichzeitig zu verstärken. Dadurch erhält man mit zwei Lichtabsorbern innerhalb einer Laseranordnung vier mögliche stabile Zustände.

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

F i g. 1 ist eine graphische Darstellung der Durchgangs-Lichlintcnsität in Abhängigkeit von der Einfalls-Lichtintensität für Galliumarsenid;

F i g. 2 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3 ein entsprechendes Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 4 (a) und 4 (b) Kennlinien zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Ausführungsformen der Erfindung.

F i g. 1 zeigt für Galliumarsenid (GaAs) die Kennlinie der Durchgangs-Lichtintensität in Abhängigkeit

\0'·ί der Einfalls-Lichtinteniität: Galliumarsenid ist ein Beispiel eine;, nichtlinearen Absorbers und in ,Applied Phy>ics Letters··. Bd. 6. Nr. 6. \om 15. 3. !9h5. $ ii'i! his 102. erläuten. Es gibt zahlreiche weitere Stoffe mil nichtlinearer Absorptionskennlinie.

F i Ί. - zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem r'imulierbaren Medium 1. den nichtlinearen Lichtabsorbern 2 und 3. den Resonatorspiegeln 4. 5 und 6. den Nachweisgeräten 7 und 8 für die Strahlungsrichtuns⁷ und mit einer löschenden Lichtquelle 9. Die iTc^riehelte Linie gibt den Licht- bzw. Strahlungsweg an. Beide Stirnflächen des stimulierbaren Mediums I sind !lichtreflektierend, so daß im stimulierbaren Me-Jj:-;--1 keine stehenden Wellen auftreten können, und j;... limulierb.ire Medium 1 als niclurückgekoppelter op'.i-cher Sender oder als optischer Verstärker wirkt.

Inter der Annahme eines Verstärkungsfaktors g des «,tjnuilierbaren Mediums 1. von Durchlässigkeitsfaktoren f., und Z₃ der Absorber 2 und ? und einer aus bH-ien Stirnflächen des stimulierbaren Mediums 1 austretenden Lichtintensität /₀. erhält man die Intensität ip QC- im mathematisch positiven Drehsinn (entgegen JtTi L hrzeicer) zum Ausgangspunkt zurückkehrenden Lichtstrahls zu

ip ■-- I₀ \ U₃*

mi: \ al> Reflexionsfaktor der Resonatorspiegel 4. 6 v.r-.c 5· Entsprechend ergibt sich die Intensität/,, des in* .iiathematisch negativen Drehsinn (mit dem Uhr-/.'iier) sich ausbreitenden Lichtstrahls bei Rückkehr /ι:--. Ausgangspunkt zu

in -= h ^λ Vl?-

ι mc stimulierte Emission tritt nicht auf. wenn

Wird dagegen ein zusätzliches im positiven Drehsinn umlaufendes äußeres Lichtbündel der ursprünglichen Strahlung I₀ überlagert, die Strahlung somit auf den Wert .·?/₀" verstärkt und auf den Absorber 3 gerichtet, d::nn verringert sich der Durchlässigkeitskoeffizient Jj> Absorbers 3 vom Wert Λ, auf den Wert Λ,'. Das durch den Absorber 3 hindurchtretende Lichtbündel w.rd in dem optischen Verstärker i verstärkt und tritt durch den Absoiber2 mit dem Durchlässigkeitsfaktor Λ.' hindurch; das Lichtbündel hat bei Rückkehr zum Ausgangspunkt die Intensität

Wenn

ip' --- β I₀ α r₂'t₃'g.

χ u't₃g -

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

Andererseits stellt sich eine Schwingung des im Drehsinn des Uhrzeigers umlaufenden Lichtbündeis nicht ein, ehe das in Gegenuhrzeigerrichtung umlaufende Lichtbündel eine kohärente Strahlung auslöst. Solange die auf den Verstärker 1 auftreffende Eingangsenergie konstant bleibt, verringert die Auslösung des Lichtbündels, das im Gegenuhrzeigersinn umläuft, den Verstärkungsfaktor für das Lichtbündel im Uhrzeigersinn auf einen Wert unter den für das Lichtbündel im Gegenuhrzeigersinn erforderlichen Wert (bekannt als Löscheffekt). Dann reicht die Intensität des Lichtbündels bei RückL r in die Ausgangsstellung gemäß der Beziehung

nicht zur Aufrechterhaltung der stimulierten Emission aus. da der Verstärkungsfaktor!*' herabgesetzt ist.

Eine entsprechende wahlweise Strahlung kann dadurch erhalten werden, daß man ein Zusatzlichtbündel unabhängig son dem Lichtbündel I₀ im Gegenuhrzeigersinn auf den Absorber 2 richtet, statt daß man einen äußeren Lichtinipuls dem Lichtbündel I₀ überlagert. Wenn andererseits ein Halbleiter-PN-L'bergang ais Absorber 2 benutzt ist. liefert die Steuerung des Durchlaßstromes im Sinne einer Änderung des Durchis lässigkeitsfaktors das gleiche Ergebnis.

Nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 3 sind Halbleiter-PN-Übergänge ;üs Absorber 2 und 3 benutzt, c¹ ■ 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 ues auffallenden Lichtes anhebt, steigt möglicherweise die Durchlässigkeit der Cbergangszone an. F i g. 4 gibt die obengenannte Beziehung zwischen dem durch die Übergangszone fließenden Strom und der an derselben anliegenden Spannung w ieder. Weitere Einzelheiten sind in "Japanese Journal of Applied Physics«. Bd. 3, 1964, S. 233 bis 234. erläutert. Wenn nach Fig. 4 (a) die Dioden I und II an eine Spannungsquelle \on 10 V angeschlossen sind, ist z. B. der Strom durch die Diode 1 bei Strahlung größer als der Strom durch die Diode II ohne Strahlung. Die Intensität des aus jeder Diode I und II austretenden Lichtes ist in F i g. 4 (b) angegeben. Danach i^:t die emittierte Strahlungsintensität der Diode I mehr als doppelt so groß wie die Strahlungsintensität der Diode II. Der Anstieg der Strahlungsintensität der Diode 1 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 F i g. 2 ein kurzdauernder Treiberimpuls an dem Absorber 3 mit einem Halbleiter-PN-Übergang anliegt, trägt ein Teil der in drm PN-Übergang injizierten Ladungsträger zu der Verstärkung des Einfallslichtbündels in dem oben erläuterten Sinn bei. Infolgedessen ändert sich der Durchlässigkeitsfaktor von t₃ auf Λ,'. Die Strahlung /₀ χ /₂ '^m Gegenuhrzeigersinn verringert sich auf I₀ \ /₂/₃' ,

nachdem sie durch den Absorber 3 gelangt ist; diese Strahlung gelangt dann in den Verstärker 1 wird dort auf den Wert

h ^% t«J:iS

verstärkt und trifft auf den Absorber 2. Der durch den Absorber 2 fließende Strom steigt bei Einstrahlung an,

60 und der Übertragungsfaktor ändert sich auf den Wert t₂'- Das Licht breitet sich weiter aus und kehrt zum Absorber 3 zurück. Obgleich der Trciberimpuls in diesem Zeitpunkt abgeschaltet ist, nimmt der Durchlässigkeitsfaktor wiederum den Wert I₃ an, so daß die

65 Lichtintensität konstant bleibt. Die zur Aufrechterhaltung der Schwingung erforderliche Beziehung lautet".

λ /,Y₁" = 1 .

5 6

Andererseits erreicht der Strahlungspuls im Uhr- Einfallsfläche und der Lichteinfallsrichtung die Un-

zcigersinn, der aus dem von einem Treiberimpuls ange- gleichung erfüllt:

regten Absorber 3 herauskommt, den Verstärker 1, .· . ^

nachdem der Strahlungspuls im Gegenuhrzeigersinn in ^{Mn r/} ^ "<>■" '

den Verstärker 1 eingetreten ist. Der Verstärkung- 5

faktor ?' des Verstärkers 1 für den Strahlungspuls im Setzt man /; - 3,6 für die kohärente Strahlung in

Uhrzeigersinn ist kleiner als für den Strahlungspuls im GaAs, so tritt Totalreflexion auf, für 7 > 16^;8', so-

Gcgcnuhrzeigersinn, da der Hauptteil der an dem Ver- lange der Brechwert der Umgebung ;;„ 1, oder

stärker 1 anliegenden Anregungsencrgic für die Ver- <p „> 19°28', solange /;₀ --- 1,2 (entsprechend Hiesigem

Stärkung des Strahllingspulses im Gegenuhrzeigersinn 10 Stickstoff als umgebenden Stoff). Bei der Anordnung

verbraucht ist. Deshalb bleibt die Beziehung in Form eines gleichseitigen Dreiecks nach F i g. 3 ist

der Winkel zwischen der Normalen zu der Ober-

\ u't₃g' < I fläche A-B, C-D oder E-F und der Lichteinfallsrichtung <f = 30". so daß Totalreflexion auftritt und \₀- 1

bestehen, und eine stimulierte Emission für ein Licht- 15 gültig bleibt. Da das Licht senkrecht zu beiden Stirnbündel im Uhrzeigersinn wird nicht angeregt. flächen des stimulierbaren Mediums 1 und der Ab-

Die stimulierte Emission kann durch impulsartige sorber 2 und 3 einfällt und da beide Stirnflächen nichtHerabsetzung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers reflektierend ausgebildet sind, so daß man einen Reabgebrochen werden, da die Intensität des Ausgangs- flexionsfaktor R unterhalb l°/_n erhält, kann man die lichtbündcls dann abfällt und der Durchlässigkeits- 20 Rcflexionsverluste vernachlässigen. Setzt man \ I faktor wieder den Ausgangswert annimmt. In der und R < 1 %, erhält man einen Verstärker, wenn gilt: Praxis erfolgt die Unterdrückung der stimulierten

Emission durch Auslöschung mit der Lichtquelle 9 im (- A ~ β J) I > 0 ,
Sinne einer Herabsetzung des Verstärkungsfaktors des

Verstärkers 1. Der Umlaufsinn der stimulierten Emis- 25 und einen Absorber, wenn gilt:
sion kann durch Löschen der stimulierten Emission

mittels der Lichtquelle 9 und danach entweder durch (—A -+ β 1)1 < 0 .
Einführung eines äußeren Lichtimpulses in entgegengesetzter Richtung oder durch Anhebung des Durch- Somit ändert sich der Durchiässigkeiisfakiui mii lässigkeitsfaktors des Absorbers 2 umgekehrt werden. 30 einer Änderung der Stromdichte J des durch den Die stimulierte Emission wird durch die Nachweis- PN-Übergang fließenden Stromes. Für die übliche geräte 7 und 8 oder durch Messung des in den Ab- kohärente GaAs-Strahlung hat man jeweils folgende sorbern 2 und 3 fließenden Stromes nachgewiesen, in Werte A 50 cm¹ und h - 0,05 cm/A bei der Temletzterem Falle, wenn die Halbleiter-PN-Übergänge peratur des flüssigen Stickstoffs,
als Absorber 2 und 3 benutzt werden. 35 Andererseits hat das kohärente Strahlenbündel in

Die zweite Ausführungsform der Erfindung nach GaAs normalerweise eine Divergenz von etwa 10 für F i g. 3 ist nach Art eines Festkörperschaltkreises auf- alle Richtungen. Die Dhergenz bringt Lichtverluste gebaut, bei dem alle Bauteile aus PN-Übcrgängen be- beim Übergang von dem stimulierbaren Medium 1 zu stehen. An Stelle von Spiegeln werden Prismenflächen dem Absorber 2, von dem Absorber 2 zu dem Absorder Halbleiterkörper selbst, sowohl des stimulierbaren 40 ber 3 usw. mit sich. Der Verlustwert Θ ändert sich mit Mediums 1 als auch der der Absorber 2 und 3 für eine dem Abstand zwischen dem stimulierbaren Medium 1 in diesem Falle totale Reflexion ausgenutzt. Die Bedin- und den Absorbern 2 oder 3 oder zwischen den Ab· gung zur Auslösung der stimulierten Emission ent- sorbern 2 und 3. Setzt man die Stromdichte des stimu· spricht derjenigen für die erste Ausführungsform der lierbaren Mediums 1 auf J₁. diejenige der Absorber ] Erfindung nach F i g. 2. Die stimulierte Emission kann 45 und 3 auf J und die Länge des stimulierbaren Me durch impulsartige Verringerung des durch den Ver- diums 1 und der Absorber 2 und 3 jewv. Is auf /. se stärker 1 oder die Absorber 2 und 3 fließenden Stromes tritt keine stimulierte Emission auf. solange gilt:
abgebrochen werden.

Zweckmäßig finden im Rahmen dieser zweiten Aus- _{a n} _

führungsform der Erfindung PN-Übergänge von 50 ^{x°' *^W' '2-V£ = ö-expl-3Ar ± β (J₁-^ 2 J)] K 1

GaAs für den Verstärker 1 und die Absorber 2 und 3 ,

Verwendung. Wenn durch den GaAs-PN-Übergang ^oaer

Strom fließt, können der Verstärkungsfaktor des Ver- β (J₁ _ 2J) < 3A -r- - In -

stärkers 1 und die Durchlässigkeitskoeffizienten der / θ

Absorber 2 und 3 folgendermaßen ausgedrückt wer- 55

den: Wenn die Stromdichte des Absorbers 3 um J J₃ zu

_i __ R 1 nimmt, wird die auf den Absorber 2 einfallende Lichl

"*o " ^exP ( κ ρ J)-1 intensität um einen Faktor exp β Δ J₃I größer. Wen

die Stromdichte des Absorbers 2 infolge einer Zt

mit k als Absorptionskoeffizient, J als Stromdichte 60 nähme der Einfallslichtintensität um Sj, zunimm durch den PN-Übergang, β als Konstante zur Dar- tritt eine stimulierte Emission auf, wenn gilt:
stellung des Verstärkungsfaktors für Licht, / als Licht-Weglänge des Lichtwegs durch das stimulierbare Me- j 1
dium 1 oder die Absorber 2 oder 3 und mit \₀ als ß (Λ ~ 2J -r J J₂) = 3A: + In * .
Reflexionsfaktor der Oberflächen A-B, C-D und E-F. 65 I Θ
Bezeichnet man den Brechwert von GaAs mit η und

denjenigen der Umgebung mit «o-so tritt Totalreflexion Nimmt man z. B. folgende Werte an: / = 500 μΓ

auf, wenn der Winkel 9 zwischen der Normalen der Θ = 0,8, J₁ = 22S8 A/cm² und J = 400 A/cm*, ergii

iich keine stimulierte Emission, da
1

3 A- I ' In

/ β

154.5

β (J, ■ IJ) 154,4.

Wenn der Zusatzstrom /I J₃ — 520 A/cm² dem durch den Absorber 3 fließenden Strom überlagert wird, ergibt sich die auf den Absorber 2 einfallende Lichtintensität um einen Faktor

exp β Λ JJ = 3,7

größer. Wenn der durch den Absorber 2 fließende Strom um 1 °/₀ infolge des Anstiegs der Einfallslichtintensität zunimmt, wird die Bedingung für das Auftreten der stimulierten Emission erfüllt, da Λ J₂ = 4 A/cm² und

β (J₁ + 2 J + /1 J₂) = 154,6 > 3A- -i-

In

Wie man diesem Ausführungsbeispiel entnimmt, bestehen zahlreiche Freiheitsgrade für den Aufbau der Anordnung, indem man die Längen des stimulierbareii Mediums 1 und der Absorber 2 und 3, den Stromwert und den Verlustwert auf Grund der Dispersion der kohärenten Strahlung einstellt.

Die Erfindung liefert somit eine optische Anordnung mit drei bzw. vier stabilen Zuständen, nämlich erstens keine optische Strahlung in irgendeiner Richtung, ίο zweitens optische Strahlung im Gegenuhrzeigersinn, drittens optische Strahlung im Uhrzeigersinn und viertens in dem anderen Arbeitsbereich bei heraufgesetzter Eingangsenergie des stimulierbaren Mediums im Gegenuhrzeigersinn und Uhrzeigersinn gleichzeitig auftretende kohärente Strahlung.

Auf diese Weise wird ein Speicherelement mit dre bzw. vier Zuständen erhalten.

Die Anordnung nach der Erfindung kann gegenübei

der vorstehenden Beschreibung so abgewandelt wer den. daß man noch mehr stabile Zustände erhält, in dem man weitere stimulierbare Medien und/oder Ab sorber einfügt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 5:

Claims

Patentansprüche:

1. Laseranordnung zur Informationsspeicherung mit mindestens drei stabilen Zuständen, die ein stimulierbares Medium und zwei mit ihm optisch gekoppelte nichtlineare Lichtabsorber aufweist, deren Absorptionsvermögen durch Anlegen jeweils eines äußeren Signals verringerbar ist. um wahlweise eine Strahlungsrichtung der Laserstrahlung und damit einen stabilen Zustand einzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß erstens das stimulierbare Medium (1) und die Lichtabsorber (2. 3) in einem gemeinsamen optischen Resonator durch Umlenkspiegel (4. 5. 6) optisch so hintereinanderge^chaltet sind, daß der Laserstrahlengang einen in sich geschlossenen Weg (Ring) bildet, daß zweitens die Einstellung der Strahlungsrichtung in einer Einstellung des Umlaufsinnes der Laserstrahlung auf dem geschlossenen Weg besteht und daß drittens die dem stimulierbaren Medium (1) zugeführte Anregungsenergie derart unter-chiedlich einstellbar ist. daß die Laserstrahlung entweder in nur einer Umlaufrichtung oder in beiden L'mlaufrichtungen gleichzeitig auftreten kann.

2. Laseranordr'iiig nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das stimulierbare Medium (1) als auch die Lichtabsorber (2.

3) Halbleiterdioden sind.