DE1764878C3

DE1764878C3 - Laseranordnung zur Informationspeicherung mit mindestens drei stabilen Zuständen

Info

Publication number: DE1764878C3
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: 1974-04-04
Also published as: US3599019A; DE1764878A1; DE1764878B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine Laserano^dnung 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.

Es sind bereits verschiedene optisch aktive Bauteile bekannt. Die meisten derselben nutzen zur Informationsspeicherung die optische Verstärkung aus und unterscheiden 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 & De, 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 1 214 783 beschreibt eine Laseranordnung der eingangs genannten Art, bei ier jeweils nur eine Stirnfläche des stimulierbaren Mediums als Fabry-Perot-Resonatorspicgel 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 optische Resonatoren verwirklichen. Durch Anregung der Eigenschwingung je eines dieser optischen Resonatoren 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, sicherzusteüen, daß die verschiedenen Eigenschwingungen miteinander übereinstimmen.

Über den eingangs angegebenen Gattungsbegriff des Anspruchs 1 hinaus ist es aus der deutschen Auslegeschrift¹ 214 783 bekannt, daß sowohl das stimulierbare Medium, das als optischer Sender wirkt, als aucli die nichtlinep.ren Lichtabsorber 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) 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 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 UmJaufrichtungen ausnutzen. Darüber hinaus ist es möglich, durch entsprechende Einstellung der Lichtabsorber und/oder durch entsprechende Anregungsenergie/ufuhr zum stimulierbaren Medium beide Umlaufrichtungen 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-Lichtintensität 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

io

von der Einfalls-Lichtintensität; Galliumarsenid ist ein Beispiel eines nichtlinearen Absorbers und in «Applied Physics Letters«, Bd. 6, Nr. 6, vom 15.3.1965, S 101 bis 102, erläutert. Es gibt zahlreiche weitere Stoffe mit nichtlinearer Absorptionskennlinie.

F i g. 2 zeigt eine AusTührungsfoim der Erfindung -nil einem stimulierbaren Medium 1, den nichtlinearen Lichtabsorbern 2 und 3, den Resonatorspiegeln 4, 5 und 6, den Nachweisgeräten 7 und 8 für die Strahlung*- richtung und mit einer löschenden Lichtquelle 9. Die gestrichelte Linie gibt den Licht- bzw. Strahlungsweg an Beide Stirnflächen des stimulierbaren Mediums 1 sind nichtreflektierend, so daß im stimulierbaren Medjum 1 keine stehenden Wellen auftreten können, und das stiniulierbare Medium 1 als nichtrückgekoppelter optischer Sender oder als optischer Verstärker wirkt.

Unter der Annahme eines Verstärkungsfaktors g des stimuiierbaren Mediums 1, von Durchlässigkeitsfak-,oren /, und t₃ der Absorber 2 und 3 und einer aus beiden Stirnflächen des stimulierbaren Mediums 1 aus- ao tretenden Lichtintensität I₀, erhält man die Intensität i> des im mathematisch positiven Drehsinn (entgegen dem Uhrzeiger) zum Ausgangspunkt zurückkehrenden Lichtstrahls zu

^IP - '° ^ ^V*

mit χ ais Reflexionsfaktor der Resonatorspiegel 4, 6 _u„d 5. Entsprechend ergibt sich die Intensität i» des im mathematisch negativen Drehsinn (mit dem Uhrzeiger) sich ausbreitenden Lichtstrahls bei Rückkehr sität des Lichtbündels bei Rückkehr in die Ausgangsstellung gemäß der Beziehung

/„' = I₀ λ u'l₃'g'

nicht zur Aufrechterhaltung der stimulierten Emission aus, da der Verstärkungsfaktorg ^herai?S"^et^'^St"_da.

Eine entsprechende wahlweise Strahlung kannoa durch erhalten werden, daß man ein f"satzl^htbunuei unabhängig von dem Lichtbuiidei /, im ^genu zeigersinn auf den Absorber 2 nch,tet, :stau a*» rn einen äußeren Lichtimpuls ^de™ L'cMbunde! Y₀ uoe lagert. Wenn andererseits ein Halbleiter-PN-Ubergang als Absorber 2 benutzt ist, l.efert die SWJ Durchlaßstromes im Sinne einer Änderung des uurcn lässigkeitsfaktors das gleiche Ergebnis.

Nach der zweiten Ausfuhrungsforrn der trhnaung gemäß F i g. 3 sind Halbleiter-PN-tJbergange als AO-sorber 2 und 3 benutzt, die an eine ^Ko"^s;*" 3", nungsquejle angeschlossen sind Wenn ein ^L'^c™^ auf die tJbergangszone auffallt, bedingt oie' "¹^ chende elektrische Leitfähigkeit eine ^ve^rg^r°^UerunS oes Stromes. Da der vergrößerte Strom ^d"f ^arkung des auffallenden Lichtes anhebt, steigt mogl.cnerweis die Durchlässigkeit der Übergangszone an.

F i g 4 gibt die obengenannte Beziehung zwischen dem duri. die Übergangszone fließenden Strom und der an derselben anliegenden Spannung wieder, vv ei erc

Einzelheiten sind in »Japanese «^ Physics«, Bd. 3, 1964, S 233 bis .234. erläutert Wenn nach F i g. 4 (a) die Dioden und »an eine Span

Eine stimulierte Emission tritt nicht aui, wenn V* < 1.

₃₅

Wird dagegen ein zusätzliches im positiven Drehsinn umlaufendes äußeres Lichtbündel der ursprünglichen Strahlung/₀ überlagert, die Strahlung somit auf den Wert^ /„ verstärkt und auf den Absorber 3 gerichtet, dann verringert sich der Durchlässigkeitskoeffizient des Absorbers 3 vom Wert _h auf den Wert r₃'. Das durch den Absorber 3 hindurchtretende Lichtbündel wird in dem optischen Verstärker 1 verstärkt und tritt durch den Absorber 2 mit dem Durchlässigkeitsfaktor f,' hindurch; das Lichtbündel hat bei Rückkehr zum Ausgangspunkt die Intensität

Wenn

ii' β I₀K t₂'t₃'g .

^V ^h'^t3'^S

50

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 Lichtbündels ssäsä! sssä

j_st in F i g 4 (b) angegeben. Danach ist die emittierte Strahlungsintensität der Diode 1 mehr als doppelt.so groß wie die Strahlungsintensität der Diode I Der Anstieg der Strahlungsintensität der Diode 1ist aurtn die Zunahme der elektrischen ^^&Η'*^^ι1 _Η"¹⁰^" starken Lichteinfalls bedingt. Diesί ⁿ»¹ ^nden crlässigkeitsfaktor der Diode 1 an, wie im folgenden

läutert wird. ,,_MPrnH„ Treiber-

Wenn nach Fig. ^e-" kurzdauernde^ Treibe

impuls an dem Absorber 3 mit einem Harn ei PN-Übergang anliegt, tragt ein Teil der in aem 1 Übergang injizierten Ladungsträger zu der verew kung des Einfallslichtbundels in dem ⁰^" « Sinn bei. Infolgedessen ander «ch d keitsfaktor von t₃ auf t₃ . Die Strahlung J₀ « t₂ im ^e genuhrzeigersinn verringert sich auf /₀ « t_tt₃',

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

⁷o ^λ

verstärkt und trifft auf den Absorber 2 Absorber 2 flielknde Slrom steigt bei E

z.

im Uhrzeigersinn auf einen Wert unter den für das Lichtbündel im Gegenuhrzeigersinn erforderlichen Wert (bekannt als Löscheffekt). Dann reicht die Intentung der Schwingung erforderliche Beziehung lautet. _Λ t^t^g = 1.

Andererseits erreicht der Strahlungspuls im Uhr- Einfallsfläche und Jer Lichteinfallsrichtung die Un-2:eigersinn, det aus dem von einem Treiberimpuls ange- gleichung erfüllt: regten Absorber 3 herauskommt, den Verstärker 1, .

nachdem der Strahlungspuls im Gegenuhrzeigersinn in ^sm f ^> "°'ⁿ ·

den Verstärker 1 eingetreten ist. Der Verstärkung- 5

faktor g' des Verstärkers 1 für den Strahlungspuls im Setzt man η = 3,6 für die kohärente Strahlung in

Uhrzeigersinn ist kleiner als für den Strahlungspuls im GaAs, so tritt Totalreflexion auf, für ψ > 16°8', so-Gegenuhrzeigersinn, da der Hauptteil der an dem Ver- lange der Brechwert der Umgebung H₀ = 1, oder stärker 1 anliegenden Anregungsenergie für die Ver- φ > 19°28', solange //„ = 1,2 (entsprechend flüssigem ütäiNung des Strahlungspulses im Gegenuhr/eigersinn io Stickstoff als umgebenden Stoff). Bei der Anordnung verbraucht ist. Deshalb bleibt die Beziehung in f-orm eines gleichseitigen Dreiecks nach F i g. 3 ist

der Winkel zwischen der Normalen zu der Obcr-

■Kt₂t₃f>' 1 fläche A-B, C-D oder E-F und der Lichteinfallsrich-

tung ψ —- 30°, so daß Totalreflexion auftritt und λ₀ 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 stimdiubarcn 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 1 °/₀ erhält, kann man die Üchtbündels dann abfällt und der Durchlässigkeits- 20 Reflexionsverlustc 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 (-k 4- β J) I > 0 ,

Sinne einer Herabsetzung des Verstärkungsfaktors des

Verstärkers 1. Der Umlaufsinn der stimulierten Emis- 35 und einen Absorber, wenn gilt: sion kann durch Löschen der stimulierten Emissien

mittels der Lichtquelle 9 und danach entweder durch ( -k i β J)I < 0 .

Einführung eines äußeren Lichtimpulses in entgegen

gesetzter Richtung oder durch Anhebung des Durch- Somit ändert sich der Durchlässigkeilsfaktur mit

lässigkeitsfaktors des Absorbers 2 umgekehrt werden. 30 einer Änderung der Stromdichte J des durch den Die stimulierte Emission wird durch die Nachweis- PN-iJber^ng 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 Λ fließenden Stromes nachgewiesen, in Werte A -= 50 cm ^J und b - 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 Andeicrscits hat das kohärente Strahlenbündel in

Die zweite Ausführungsfcrm der Erfindung nach GaAs normalerweise eine Divergenz von etwa 10° für F i g. 3 ist nach Art eines Festkörperschallkrcises auf- alle Richtungen. Die Divergenz bringt Lichtverluste gebaut, bei dem alle Bauteile aus PN-Übergängen be- beim Übergang von dem stimuüerbaren Medium 1 zu stehen. An Stelle von Spiegeln werden Prismenflächen dem Absorber 2, vor dem Absorber 2 zu dem Absorder HalWeiterkörper selbst, sowohl des stimuüerbaren 40 ber 3 usw. mit sich. Der Verlustwert© ändert sich mit Mediums 1 als auch der der Absorber 2 und 3 für eine dem Abstand zwischen dem stimuüerbaren Medium 1 in diesem Falle totale Reflexion ausgenutzt. Die Bedin- und den Absorbern 2 oder 3 oder zwischen den Abgung zur Auslösung der stimulierten Emission ent- sorbern 2 und 3. Setzt man die Stromdichte des stimuspricht derjenigen für die erste Ausführungsform der lierbaren Mediums 1 auf J₁, diejenige der Absorber 1 Erfindung nach F i g. 2. Die stimulierte Emission kann 45 und 3 auf J und die Länge des stimuüerbaren Medurch impulsartige Verringerung des durch den Ver- diums 1 und der Absorber 2 und 3 jeweils 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- ( \* η - —Π χ \ι i m ι -> m /

führungsform der Erfindung PN-Übergänge von 50 ^^oj ' ^Ό ' '-' ^r3'S-c· exp \-ik +P(J₁ t-*.J)\ /< 1 GaAs für den Verstärker 1 und die Absorber 2 und 3 ,

Verwendung. Wenn durch den GaAs-PN-Übergang ° 11

Strom fließt, können der Verstärkungsfaktor des Ver- β (J₁ ^. 2 J) < 3k + - In — .

stärkers 1 und die Durchlässigkeitskoeffizienten der / Θ

Absorber 2 und 3 folgendermaßen ausgedrückt wer- 55

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

nimmt, wird die auf den Absorber 2 einfallende Lichi

ft₀ · exp (—k ]- β J) ■ 1 intensität um einen Faktor exp β Δ J₃I größer. Wen

die Stromdichte, des Absorbers 2 infolge einer Zi

mit k als Atsorptionskoeffizient, / als Stromdichte 60 nähme der Einfallslichtintensität um AJ₂ 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- 1 1 dium 1 oder die Absorber 2 oder 3 und mit «₀ als P Wi -t-2J + AJ₂) — 3k + —- In -- . Reflexionsfaktor der Oberflächen A-B, C-D und E-F. 65
Bezeichnet man den Brechwert von GaAs mit π und

denjenigen der Umgebung mit n₀, so tritt Totalreflexion Nimmt man ?, B. folgende Werte an: / = 5'Xi ,.u

auf, wenn der Winkel ψ zwischen der Normalen der Θ = O₁S, J₁ -- 2288 A/cm² und ./ =-- 400 A/cm², ergi

sich keine stimulierte Emission, da

3Ar + --In-* = 154,5

β (J₁+ 2J)= 154,4.

Wenn der Zusatzstrom Δ J₃ = 520 A/cm² dem durch Absorber 3 fließenden Strom überlagert wird, ergibt sich die auf den Absorber 2 einfallende Liehtinten- »ität um einen Faktor

exp β Δ J₃/ = 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 AJ₂ = 4A/cm² und

β (J₁ + 2J + Δ J₂) = 154,6 > 3A- -f -■- In —

/ Θ

Wie man diesem Ausführungsbeispiel entnimmt, bestehen zahlreiche Freiheitsgrade für den Aufbau der Anordnung, indem man die Längen des stimulierbaren 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 auf· tretende kohärente Strahlung.

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

Die Anordnung nach der Erfindung kann gegenübe·

der vorstehendtn Beschreibung so abgewandelt wer

ao den. daß man noch mehr stabile Zustände erhält, in dem man weitere stimulierbare Medien und/oder A^ sorber einfügt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Laseranordnung zur Informationsspeicherung mit mindestens drei stabilen Zuständen, die ein stimuücrbares 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 hintereinandergeschaltet sind, daß der Lascrstrahlengang einen in sich geschlossenen Weg (Ring) bildet, daß zweitens die Einstellung der Slrahlungsrichtung in einer Einstellung des Umlaufsinnes der Laserstrahlung auf dem geschlossenen Weg besteht und daß drittens die dem stimulierbaren Medium (1) zugeführte Anregungsenergie derart unterschiedlich einstellbar ist, daß die Laserstrahlung entweder in nur einer Umlaufrichtung oder in beiden Umlaufrichtungen gleichzeitig auftreten kann.

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das stimulierbare Medium (1) als auch die Lichtabsorber (2, 3) Halbleiterdioden sind.