DE2029702A1

DE2029702A1 - Halbleiter Laser Apparatur

Info

Publication number: DE2029702A1
Application number: DE19702029702
Authority: DE
Inventors: Thomas Lee Chatham Ripper Jose Eiiis North Plamfieici N J Paoli (V StA)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1969-06-16
Filing date: 1970-06-16
Publication date: 1971-01-07
Also published as: FR2046795B1; SE367285B; NL7008440A; US3614447A; BE751469A; DE2029702B2; FR2046795A1; GB1266084A; DE2029702C3

Description

Paoli 1-2

Western Electric Company Incorporated 195 Broadway, New York, USA

Halbleiter-Laser-Apparatur

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Laser-Apparatur, bei welcher Anregungsenergie einem Halbleiter-Laser zugeführt wird, um im Laser ein spontanes Pulsieren zu induzieren. Im Rahmen der Erfindung wurde beobachtet, daß diese selbstinduzierte Pulsierwirkung in kontinuierlich arbeitenden Lasern mit Halbleiterübergängen bei geeigneten Werten von Temperatur und Strom auftritt, d.h., sie erzeugen eine Folge von Lichtimpulsen von Mikrowellenfrequenzen (T.L. Paoli and J.E. Ripper, "Coupled Longitudinal Mode Pulsing in Semiconductor Lasers", Phys. Rev. Letters, May 26, 1969).

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer solchen Halb leiter-Laser-Apparatur, bei welcher die Lage der Impulse im Ausgang von pulsierenden Halbleiter-Lasers moduliert wird.

Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung für die Zufuhr eines Mikrowellensignals von geringer Energie zum Laser, um die Folgefrequenz der Impulse mit der Frequenz des Mikro-

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wellensignals phasenstarr zu koppeln, sowie eine Einrichtung zur Modulation des Mikrowellensignals entsprechend einem Informationsträgersignal. Wenn sich die Frequenz des Mikrowellensignals verändert, folgt die Folgefrequenz des Lasers nach. Die Folgefrequenz verändert sich daher direkt mit der Frequenz des zugeführten Signals. Da der Laser spontan pulsiert, braucht das Mikrowellensignal nicht die Impulse zu erzeugen und kann die Modulation mit verhältnismässig niedrigen Pegeln der Mikrowellenenergie bewirken.

Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben und zwar zeigen;

Fig. 1 ein Schaltbild eines Modulators in Verbindung mit einem Laser mit pn-übergang und

Fig. 2 ein Schaltbild eines.MuItiplex-Nachrichtenübertragungssystems mit mehreren Laser-Modulatoren der in Fig. 1 gezeigten Art.

In Fig. 1 ist ein Laser-Modulator mit einem pn-übergang dargestellt, der einen Laser 10 mit einem pn-übergang (einschließlich einer nicht gezeigten Kühleinrichtung) aufweist, der sowohl mit einer Gleichspannungsquelle als auch mit einer Mikrowellenspannungsquelle 12 von geringer Energie gekoppelt ist₉ die einen Modulator 13 zur Frequenzmodulation der Mikrowellenquelle entsprechend der Eingangsinformation besitzt„ Bei einer einfachen Anordnung befinden sich die Gleichspannungsauelle 11 in Reihe mit einer Spule lh und die Mikrowellenquelle 12 inReihe mit einem Kondensator 15 in Parallelschaltung und der Parallelkreis befindet sich in Reihe mit dem Laser. Die Werte der Induktivität und der⁵ Kapazität der Elemente 14 und 15 sind so gewählt ₉ daß die beiden Spannungsquellen voneinander entkoppelt werden, so daß der

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Gesamt-Spannungsabfall über den Laser im wesentlichen gleich der Summe der Spannungen der beiden Quellen ist.

Der Wert der Gleichspannung wird so gewählt, daß ein selbstinduziertes Pulsieren im Ausgang des Lasers 10 erhalten wird. Diese Spannung hängt gewöhnlich von dem besonderen Laser und der Temperatur ab. Für Laser mit einem Galliumarsenidübergang bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff ist die Spannung gewöhnlich diejenige, die erforderlich ist, um das 1,1 - 3-fache des Schwellenstroms für stimulierte ä

Emission zu erzeugen. Die Impuls-Wiederholungsfrequenz ist gewöhnlich 0,5 und 3 Gigahertz. Der genaue Bereich von Gleichspannungen, die ein Pulsieren für einen besonderen Laser hervorrufen, kann empirisch durch Verändern der Spannung, Nachweisen des Laserlichtes mit einer Photodiode und Untersuchen des Diodenausgangs in einem Mikrowellenspektrumanalysator bestimmt werden. Wenn einmal ein spontanes Pulsieren eingetreten ist, wird die Mikrowellen-Spannungsquelle 12 auf eine Frequenz eingestellt, die annähernd gleich der Impuls-Wiederholungsfrequenz: oder einer annähernd Harmonischen derselben ist. Bei verhältnismässig geringen Mengen der Mikrowellenenergie, gewöhnlich weniger als einige Milliwatt, ist die Phase der Lichtimpulse starr mit der ^j

der Mikrowellenquelle gekoppelt.

Wenn die Frequenz der Mikrowellenquelle moduliert wird, wird die Wiederholungs- bzw. Folgefrequenz bis auf mindestens 50 Megahertz auf jeder Seite ihres Kopplungswertes bei Frequenzen höher als 10 Megahertz mitgezogen. Es ist zu erwarten, daß Frequenzen von der Höhe der Puleierfrequenz selbst mit der richtigen Mikrowelleneinrichtung erzielt werden können. Daher hat ein einziger modulierter Laser zumindest die Informationsträgerkapazität eines koaxialen Kabels.

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Das selbstinduzierte Pulsieren ist der Kopplung unter den longitudinalen Eigenschwingungen des Lasers und der hohen Streuung der Halbleitermaterialien zuzuschreiben. So zeigt die Theorie an, daß ein ähnliches Pulsierverhalten ■ in Halbleiter-Lasers vorhanden ist, die aus anderen Materialien als Galliumarsenid und/oder unter Verwendung anderer Pumpmechanismen als Injektion durch einen Übergang hergestellt sind. Die Spikes bildende Wiederholungsfrequenz in solchen Lasern kann durch eine analoge Modulation der Pumpquelle moduliert werden. Beispielsweise wird in einem Halbleiter-Laser, der durch einen Elektronenstrahl gepumpt wird, das modulierte Mikrowellensignal dem Strahl zugeführt und bei einem optisch gepumpten Laser wird die Intensität der optischen Pumpquelle mit Mikrowellenfrequenzen moduliert.

Als Beispiel wurde ein Laser mit einem Galliumarsenidübergang in der folgenden Weise hergestellt. Eine n-dotierte Unterlage wurde durch Wachsen eines tellurdotierten Kristalls aus Galliumarsenid nach dem Czoehralski-Verfahren und Schneiden des Kristalls in Plättchen gebildet. Die Konzentration der freien Elektronen der Unterlage betrug zwischen

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3 und 4,5 χ 10 Elektronen je ecm. Eine p-dotierte Zone wurde in das Substrat unter Verwendung des an sich bekannten "Box"-Verfahrens diffundiert. Bei einer Quelle aus einer 2-%igen Lösung von Zink in mit Galliumarsenid gesättig· tem Gallium betrug die Diffusionszeit 4 Stunden bei 800⁰C. Die Tiefe des auf diese Weise gebildeten Übergangs betrug etwa 1,8 Mikron.

Hierauf wurde das Substrat wärmebehandelt. Nach dem Auf bangen einer Schutzschicht aus SxO₂ von etwa 950 Anström wurde das Substrat zusammen mit wenigen Milligramm reines Arsen in eine Quarzampulle (mit einem Volumen von etwa 7 ecm) gebracht. Die Ampulle wurde auf einen Druck von 10*" mm Queck-

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silbersäule abgesaugt. Die Ampulle wurde sodann 4 Stunden lang auf 850° C erhitzt und dann durch Eintauchen in Eiswasser auf 0⁰C abgeschreckt.

Nach der Wärmebehandlungsstufe wurden die elektrischen Kontakte zu den n- und p-Zonen der Diode gebildet. Durch photolithographische Methoden wurden dann Streifen mit den Abmessungen 25,Hx 380 Mikron durch das Oxyd an der pdotierten Zone geschnitten. Sodann wurde eine zweite Diffusion durchgeführt, um einen guten Ohmschen Kontäct mit der p-dotierten Zone zu machen. (Durch diese Diffusion wird die ursprüngliche Diffusion nicht verändert und erfolgt diese nur zur Herstellung guter Kontakte). Diese Maßnahme wurde nach dem "Box"-Verfahren unter Verwendung einer reinen Zinkarsenidquelle und einer Diffusionszeit von 15 Minuten bei 65O°C durchgeführt. Durch diese Diffusion wird eine stark dotierte Schicht in der p-Zone mit einer Dicke von weniger als 3000 Angström gebildet. Hierauf wurde auf die p-Zone ein Kontakt aus 500 Angström Titan, 5000 Angström Silber und 1000 Angström Gold aufgebracht. Die n-dotierte Seite wurde auf eine Dicke von etwa 105 Mikron heruntergeläppt und ein Kontakt aus 2000 Angström Zinn, 4000 Angström Nickel und 4000 Angström Gold aufgebracht. Das Substrat wurde dann angerissen und abgespaltet, um einzelne Fabry-Perot-Resonatoren mit Endabmessungen von der Grössenanordnung von 100 χ 380 χ 625 Mikron zu bilden.

Der fertige Laser wurde dann auf einem Kupfer-Wärmesumpf in einer Mikrowellenpackung mit einem Fenster so angeordnet, daß Licht vom Laser austreten kann. Die Packung wurde als Abschluß einer 50 0hm Übertragungsleitung eingesetzt, die entsprechend bekannten Mikrowellen-Methoden ausgebildet war, um ein gutes Einkoppeln äusserer Mikrowellensignale in den Laser zu erzielen.

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Über bestimmte Bereiche des Injektionsstroms (zwischen dem Ein- und Zweifachen der Schwelle) bei Wärmesumpf» temperaturen zwischen 77° K bestand die Lichtintensität aus dem obigen Laser aus spontan erzeugten Impulsen mit Wiederholungsfrequenzen zwischen 500 Megahertz und 1200 Megahertz, Beispielsweise wurden bei einem Strom von 670 mA und einer Wärmesumpftemperatur von 96° K Impulse, deren Gesamtbreite am Halbwertspunkt etwa **00 psec betrug, mit 620 Megahertz erzeugt. Bei phasenstarrer Kopplung durch etwa 0,5 Megawatt äusserer Mikrowellenenergie mit der Impuls-Wiederholungsfrequenz wurde die Impulsbreite auf weniger als 200 psec herabgesärzt (diese Messumg ist durch die Auflösung des Nachweissystems begrenzt,) Unter diesen Bedingungen war die hierdurch erzielte Höchstfrequenz der Impulslagenmodulation weit grosser als 10 Megahertz und nur durch die verfügbar© Mikrowelleneinriehtussg begrenzt.

Fig. 2 ist ein Schaltbild eines Zeitmultlplex-Nachrichten-Übertragungssystems unter Verwendung mehrerer Laser-Modulatoren. Bei dieser Anordnung ist eine Anzahl Laser 10 mit einer gemeinsamen Wiederholungsfrequens piiasenstarr gekoppelt. Jeder Laser ist jedoch mit einer von jeder der anderen geringfügig abweichenden Phase durch Phasendifferential-Synchronisiervorrichtungen 2o gekoppelt,, welche die Mikrowellenquellen 12 koppeln. Die Phassnuntersehiede sind so gewählt, daß die modulierten Impulse einander nicht überlappen. Bei einer Impuls-Wiederholungsfrequsns von einem Gigahertz und bei maximalen Impulsbreiten von etwa 200 Plcosekunden können mindestens fünf Kanäle auf diese Weise mehrfach ausgenützt werden.

Der Empfänger 21 ist vorteilhaft eine sehr sehneil ansprechende Photodiode oder eine Anordnung won solchen Dioden. Vorteilhaft sind die Dioden pin-Photodioden oder Schottky-

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Sperrschicht-Photodioden.

Ausser einem Multiplexbetrieb auf diese Weise kann natürlich auch eine zweite Dimension des Multiplexbetriebs dadurch hereingebracht werden, daß Laser mit verschiedenen Lichtfrequenzen verwendet werden. Am Empfänger können die verschiedenen Frequenzen durch spektrographische Methoden getrennt und die Impulse durch Photodioden nachgewiesen werden.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

ί 1./Halbleiter-Laser-Apparatur mit einer Einrichtung für ^~"^ die Zufuhr von Anregungsenergie, um in einem Laser ein spontantes Pulsieren zu induzieren, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12) für die Zufuhr eines Mikrowellensignals von geringer Energie zum Laser (10) zur phasenstarren Kupplung der Wiederholungsfrequenz der Impulse mit der Frequenz des Mikrowellensignals', und eine Einrichtung (13) zum Modulieren des Mikrowellensignals entsprechend einem Informationsträgersignal.
2. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser ein Laser mit pn-übergang vorgesehen ist«
3. Apparatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser ein Laser mit Galliumarsenid-Übergang vorgesken ist.
Apparatur nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (13) die Frequenz des Mikrowellensignals moduliert.
5. Apparatur nach den vorangehenden Ansprüchen ₉ dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anzahl Lasern (10) je deren Impuls-Wiederholungsfrequenzen durch zugeführte Mikrowellen·

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Signale auf im wesentlichen den gleichen Wert festgelegt sind, die Mikrowellensignale gesondert moduliert werden und eine Phasen-Synchronisiervorrichtung (20) vorgesehen ist, um ausreichende Phasendifferenzen zwischen den Impulsen aufrecht zu erhalten, die durch den gesondert modulierten Laser erzeugt werden, damit sich die modulierten Impulse nicht überlappen.
6. Apparatur nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Lasergruppen Licht von auflösbar unterschiedlichen Frequenzen ausstrahlt.

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