DE2029702C3

DE2029702C3 - Pulsierender optischer Sender

Info

Publication number: DE2029702C3
Application number: DE2029702A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lee Chatham Paoli; Jose Ellis North Plainfield Ripper
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1969-06-16
Filing date: 1970-06-16
Publication date: 1978-06-15
Also published as: DE2029702A1; GB1266084A; BE751469A; SE367285B; US3614447A; DE2029702B2; NL7008440A; FR2046795A1; FR2046795B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen pulsierenden optischen Sender mit mindestens einem stimulierbaren Halbleitermedium, dessen unter Berücksichtigung seiner Temperatur geeignet eingestellter Anregungsgleichstrom sein spontanes Pulsieren bewirkt, insbesondere GaAs-Injektionslaser mit PN-Übergang.

Im Rahmen der Erfindung wurde beobachtet, daß diese selbstinduzierte, spontane Pulsierwirkung in stetig arbeitenden Halbleiterinjektionslasern mit PN-Übergang bei geeigneten Temperaturen und Anregungsstromstärken auftritt. Es entsteht dabei eine Folge von Lichtimpulsen bei Mikrowellenfrequenzen (vgl. Phys. Rev. Letters, Bd. 22, Nr. 21 vom 26. Ma! 1969, S. 1085 bis 1088).

Aufgabe der Erfindung ist es nun, den pulsierenden optischen Sender dahingehend weiterzubilden, daß die Lage der Impulse in der Ausgangsstrahlung des pulsierenden optischen Senders moduliert werden kann.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe gelöst durch eine Einrichtung für die Zufuhr eines dem Anregungsgleichstrom überlagerten Mikrowellensignals von geringer Energie zum stimulierbaren Halbleitermedium zur phasenstarren Kopplung der Wiederholungsfrequenz der Impulse mit der Frequenz des Mikrowellensignals und eine Einrichtung zum Modulieren des Mikrowellensignals entsprechend einem Informationsträgersignal.

Wenn sich also die Frequenz des Mikrowellensignals verändert, folgt die Impulswiederholungsfrequenz des optischen Senders nach. Die Impulswiederholungsfrequenz ändert sich daher direkt mit der Frequenz des zugeführten Signals. Da der optische Sender spontan pulsiert, braucht das Mikrowellensignal nicht die Impulse zu erzeugen und kann die Modulation mit verhältnismäßig niedriger Leistung bewirken.

Der erfindungsgemäße optische Sender ermöglicht auch einen Multiplexbetrieb, wenn Gruppen von stimulierbaren Halbleitermedien vorgesehen werden und dabei für jeweils eine Gruppe von Halbleitermedien mit gleicher Impulswiederholungsfrequenz, deren einzelne, jeweils einem Halbleitermedium zugeordnete Modulatoren die Mikrowellensignale mit gesonderten

ίο Signalen modulieren, eine Phasensynchronisiervorrichtung vorgesehen ist, die ausreichende Phasendifferenz zwischen den Impulsen aufrecht erhält, um ein Überlappen der verschieden modulierten Impulse zu vermeiden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig.) das Schaltbild eines aus einem Laser mit pn-übergang aufgebauten Modulators und
F i g. 2 das Schaltbild eines Multiplex-Nachrichten-Übertragungsystems mit mehreren Laser-Modulatoren der in Fig. 1 gezeigten Art.

Der in Fig. 1 dargestellte Modulator weist einen Halbleiterinjektionslaser 10 mit PN-Übergang (einschließlich einer nicht gezeigten Kühleinrichtung) auf.

*5 Der Laser ist sowohl mit einer Gleichspannungsquelle

11 als auch mit einer leistungsschwachen Mikrowellenspannungsquelle 12 verbunden, der ein Modulator 13 zur Frequenzmodulation der Mikrowellenquelle entsprechend der Eingangsinformation zugeordnet ist. Bei der dargestellten Anordnung befinden sich die Gleichspannungsquelle 11, die in Reihe mit einer Spule 14 geschaltet ist, und die Mikrowellenquelle 12, die in Reihe mit einem Kondensator 15 geschaltet ist, in Parallelschaltung zueinander und zu dem Laser 10. Die Induktivität und Kapazität der Bauteile 14 bzw. 15 sind so gewählt, daß die beiden Spannungsquellen voneinander entkoppelt sind und der Gesamt-Spannungsabfall am Laser 10 im wesentlichen gleich der Summe der Spannungen beider Quellen ist.

Der Wert der Gleichspannung wird so gewählt, daß ein selbstinduziertes, spontanes Pulsieren im stimulierten Ausgangslicht des Lasers 10 erhalten wird. Diese Spannung hängt gewöhnlich vom jeweiligen Laser und der Temperatur ab. Für Galliumarsenidlaser ist die Spannung bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff gewöhnlich diejenige, welche zur Erzeugung des 1,1- bis 3fachen der Schwellenwertstromstärke für stimulierte Emission erforderlich ist. Die Impulswiederholungsfrequenz ist gewöhnlich 0,5 und 3 GHz. Der genaue Gleichspannungsbereich der ein Pulsieren beim betrachteten Laser erzeugt, kann empirisch durch Verändern der Spannung, Nachweisen des Laserlichtes mit einer Photodiode und Untersuchen des Diodenausgangssignals 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 Impulswiederholungsfrequenz oder einer nahen Harmonischen hiervon ist. Bei verhältnismäßig geringen Mikrowellenleistungen, gewöhnlich weniger als einige Milliwatt, ist die Phase der Lichtimpulse starr mit der Mikrowellenquelle gekoppelt.

Wenn die Frequenz der Mikrowellenquelle moduliert wird, wird die Impulswiederholungsfrequenz bis auf mindestens 50 Mhz auf jeder Seite ihres Kopplungswertes bei Frequenzen höher als 10 MHz mitgezogen. Es ist zu erwarten, daß Frequenzen bis zur Höhe der Impulswiederholungsfrequenz selber mit einer entspre-

chenden Mikrowelleneinrichtung erzielt werden können. Daher hat ein einzelner modulierter Laser zumindest die Informationsträgerkapazität eines Koaxialkabels.

Das spontane Pulsieren ist einer Kopplung unter den Longitudinaleigenschwingungen des Lasers und der hohen Dispersion in den betroffenen Halbleitermaterialien zuzuschreiben. So zeigt die Theorie an, daß ein ähnliches Pulsierverhalten bei Halbleiterlasern vorhanden ist, die aus anderen Materialien, als Galliumarsenid hergestellt sind und/oder bei denen andere Anregungsmechanismen als Injektion durch einer. Übergang verwendet wird. Die Innpulswiederholungsfrequenz in solchen Lasern kann durch eine Analogmodulation der Anregungsenergiequelle moduliert werden. Beispielsweise wird bei einem von einem Elektronenstrahl angeregten Halbleiterlaser das modulierte Mikrowellensignal dem Strahl zugeführt und bei einem optisch angeregten Laser wird die Intensität der optischen Anregungsenergiequelle bei Mikrowellenrrequenzen moduliert.

Als Beispiel wurde ein Galliumarsenidübergangslaser in der folgenden Weise hergestellt. Ein N-dotiertes Substrat wurde durch Züchten eines tellurdotierten Galliumarsenidkristalls im Czochralski-Verfahren und anschließendes Zerschneiden in Plättchen hergestellt. Die Konzentration der freien Elektronen im Substrat lag zwischen 3 · 10'⁸ und 4,5 · 10¹⁸ Elektronen cm³. Eine P-dotierte Zone wurde in das Substrat im allgemein bekannten »Box«-Verfahren eindiffundiert. Bei einer Quelle aus einer 2%igen Lösung von Zink ^:n mit Galliumarsenid gesättigtem Gallium betrug die Diffusionszeit 4 Stunden bei 800⁰C. Die Tiefe des auf diese Weise gebildeten Übergangs war etwa 1,8 Mikrometer.

Hierauf wurde das Substrat wärmebehandelt. Nach dem Aufbringen einer etwa 95 nm dicken SiC^-Schutzschicht wurde das Substrat zusammen mit einigen Milligramm reinen Arsens in eine Quarzampulle (eines Volumens von etwa 7 cm³) verbracht. Die Ampulle wurde auf einen Druck von 10⁷ Torr abgesaugt. Die Ampulle wurde sodann 4 Stunden lang auf 850°C erhitzt und dann in Eiswasser auf 0° C abgeschreckt.

Nach der Wärmebehandlung wurden die elektrischen Kontakte zu den N- und P-Zonen der Diode erzeugt. Durch photolithographische Methoden wurden dann Streifen mit den Abmessungen 25,4 μίτι · 380 μίτι durch das Oxid an der P-Zone geschnitten. Sodann wurde eine zweite Diffusion durchgeführt, um einen guten Ohmschen Kontakt zur P-Zone zu erhalten. (Diese Diffusion verändert die ursprüngliche Diffusion nicht und erfolgt nur durch Herstellung guter Kontakte.)

Diese Maßnahme wurde nach dem »Box«-Verfahren unter Verwendung einer reinen ZinkarsenidquHle und einer Diffusionszeit von 15 Minuten bei 650⁰C durchgeführt. Durch diese Diffusionsbehandlung entsteht in der P-Zone eine stark dotierte Schicht einer Dicke von weniger als 300 nm. Sodann wurde auf die P-Zone ein Metallkontakt aus 50 nm Titan, 500 nm Silber und 100 nm Gold aufgebracht. Die N-dotierte Seite wurde auf eine Dicke von etwa 105 Mikrometer heruntergeläppt und es wurde ein Kontakt aus 200 nm Zinn, 400 nm Nickel und 400 nm Gold aufgebracht. Das Substrat wurde dann angerissen und gespalten, um einzelne Fabry-perot-Resonatoren mit EndLbmessungen von der Größenanordnung von 100 μπι · 380 μπι · 625 μπι zu bilden.

Der fertige Laser wurde dann auf einer Kupfer-Wärmesenke innerhalb einer Mikrowellenbaueinheit mit einem Fenster so angeordnet, daß Licht aus dem Laser austreten kann. Die Baueinheit wurde als Abschluß einer 50 Ohm-Übertragungsleitung eingesetzt, die nach bekannten Mikrowellen-Methoden ausgebildet war, um ein gutes Einkoppeln äußerer Mikrowellensignale in den Laser zu erzielen.

Über bestimmte Bereiche des Injektionsstroms (zwischen dem Ein- und Zweifachen des Schwellwertes) bei Wärmesenketemperaturen zwischen 77 K und 110 K bestand das aus dem obigen Laser emittierte Licht aus spontan erzeugten Impulsen bei Wiederholungsfrequenzen zwischen 500MHz und 1200MHz. Beispielsweise wurden bei einem Strom von 67OmA und einer Wärmesenketemperatur von 96 K Impulse, deren Halbwertsbreite etwa 400 ps betrug, mit 620 MHz erzeugt. Bei phasenstarrer Kopplung durch etwa 0,5 mW äußerer Mikrowellenenergie mit der Impulswiederholungsfrequenz wurde die Impulsbreite auf weniger als 200 ps herabgesetzt (die Messung war durch die Auflösung des Detektorsystems begrenzt.) Unter diesen Bedingungen war die hierdurch erzielte Höchstfrequenz der Impulslagenmodulation weit größer als 10 MHz und nur durch die verfügbare Mikrowelleneinrichtung begrenzt.

F i g. 2 ist ein Schaltbild eines Zeitmultiplex-Nachrichtenübertragungssystems unter Verwendung mehrerer Laser-Modulatoren. Bei dieser Anordnung ist eine Anzahl Laser 10 mit einer gemeinsamen Wiederholungsfrequenz phasenstarr gekoppelt. Jeder Laser ist jedoch je mit einer gegenüber jeder anderen Phase geringfügig abweichenden Phase über Phasendifferenz-Synchronisiervorrichtungen 20 gekoppelt, die an die Mikrowellenquelle 12 angeschaltet sind. Die Phasenunterschiede sind so gewählt, daß die modulierten Impulse einander nicht überlappen. Bei einer Impulswiederholungsfrequenz von 1 GHz und bei maximalen Impulsbreiten von etwa 200 ps können hierbei mindestens fünf Kanäle im Multiplexbetrieb ausgenützt werden.

Der Empfänger 21 ist vorteilhaft eine sehr schnell ansprechende Photodiode oder eine Anordnung von solchen Dioden. Vorteilhaft sind die Dioden PIN-Photodioden oder Schottky-Sperrschicht-Photodioden.

In den beschriebenen Multiplexbetrieb kann noch eine zweite Multiplex-Dimension dadurch hereingebracht werden, daß Laser mit verschiedenen Lichtfrequenzen verwendet werden. Am Empfänger können die verschiedenen Frequenzen spektrographisch getrennt und die Impulse durch Photodioden nachgewiesen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Pulsierender optischer Sender mit mindestens einem stimulierbaren Halbleitermedium, dessen unter Berücksichtigung seiner Temperatur geeignet eingestellter Anregungsgleichstrom sein spontanes Pulsieren bewirkt, insbesondere GaAs-Injektionslaser mit PN-Übergang, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12) für die Zufuhr eines dem Anregungsgleichstrom überlagerten Mikrowellensignals von geringer Energie zum stirnulierbaren Halbleitermedium (10) zur phasenstarren Kopplung der Wiederholungsfrequenz der Impulse mit der Frequenz des Mikrowellensignals und eine Einrichtung (13) zum Modulieren des Mikrowellensignals entsprechend einem Informationsträgersignal.

2. Optischer Sender mit Gruppen von stimulierbaren Halbleiiermedien nach Anspruch 1, dadurch gekonnzeichnet, daß für jeweils eine Gruppe von Halbleitermedien (10) mit gleicher Impulswiederholungsfrequenz, deren einzelne, jeweils einem Halbleitermedium (10) zugeordnete Modulatoren (13) die Mikrowellensignale mit gesonderten Signalen modulieren, eine Phasen-Synchronisiervorrichtung (20) vorgesehen ist, die ausreichende Phasendifferenzen zwischen den Impulsen aufrecht erhält, um ein Überlappen der verschieden modulierten Impulse zu vermeiden.

3. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Halbleitermedien (10) Licht von auflösbar unterschiedlichen Frequenzen ausstrahlt.