DE2262475B2

DE2262475B2 - Verfahren zum Betrieb eines Lichtverstärkers

Info

Publication number: DE2262475B2
Application number: DE2262475A
Authority: DE
Inventors: Takaya Yokohama Kanagawa Yamamoto (Japan)
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1972-12-20
Publication date: 1975-02-27
Also published as: DE2262475C3; JPS4868188A; JPS5242358B2; DE2262475A1; US3828231A

Description

troden(31, 32...; 39, 40) und der zugehörige i₅ stärkende Licht so «ngestrah wrd, daß es zuerst

Halbleiterbereich durch unterschiedliche positive in einen Verstarkungsbereichantatt.

Aussteuerströme (Z₁, /₂) derart ausgesteuert wer- Die Eigenschaften das Ρπηζψ sowe Aufbau und

den, daß einer deVbeiden benachbarten Bereiche Wirkungsweise der Erfndung_werde" ^nachfol^nd

einen Verstarkungsbereich und der andere einen nun in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung

sättigbaren Absorptionsbereich darstellen, und 20 erklärt. Es zeigt _cl!i h»,^™™

daß das zu verstärkende Licht so eingestrahlt Fig. 1 ein Schaubild zur Erkuterang herkomm-

wird, daß es zuerst in einen Verstärkungsbereich licher Lichtverstarker mit einem Schwellenwert m

eintritt der Eingangs-AusgangscharaktensUk,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verstar-25 kungs- und des Dämpfungskoeffizienten zur Erläuterung der Arbeitsweise des in F i g. 1 dargestcll-

ten Lichtverstärkers,

F i g. 3 ein graphisches Schaubild, das die Emgangs-Ausgangscharakteristik des in F i g. 1 gezeig-30 ten Lichtverstärkers wiedergibt,

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Auseines Lichtverstärkers, der einen mit einem einzigen führungsbeispiels der Erfindung,
langgestreckten PN-Übergang ausgestatteten Halb- Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Ausleiterkristall enthält, auf dem zu einer Seite des PN- Schnitts aus der Fig. 4

Übergangs eine einzige großflächige Elektrode ange- 35 Fig. 6A und 6B Stiraansicht und Sehn, nach

bracht ist, während sich auf der anderen Seite des der Linie 6B-6B m Fig. 6A des Lichtverstärkers

PN-Übergangs in Lichtdurchgangsrichtung hinler- aus der F i g. 4, aus welchen em Verstarkungsbereich

einander eine Vielzahl von Elektroden befindet, die und ein sättigbarer Absorptionsbereich erkennbar

tn voneinander unabhängigen Stromquellen ange- sind,

schlossen sind 4° Fig. 7 ein graphisches Schaubild der Eingangs-Es ist eine mit Elektroden in vorstehend beschrie- Ausgangscharakteristik des Verstarkungsbereiches bener Weise ausgestattete Halbleiteranordnung be- und des sättigbaren Absorptionsbereiches bezogen kannt (DT-AS 12 20054), welche mit voneinander auf einen Betrag/, der proportional zu einem Treiunabhängigen Pumpströmen arbeitet, die ent- berstrom ist, welcher als Parameter verwendet ist, sprechend logischen Informationen so gesteuert sind, 45 F i g. 8 ein Diagramm mit charakteristischen Kurdaß stimuliertes Laserausgangslicht erzeugt wird, ven für / -- 30 und / = C1,05 in Fig. 6 zur briauwenn alle Pumpströme zusammengenommen einen terung des Auftretens des Schwellenwertes,
Schwellenwert übersteigen, während unkohärentes, F i g. 9 ein die Schemaschaltung der Erfindung dardiffuses Ausgangslicht erhalten wird, sofern die stellendes Blockschaltbild,

Summe der Pumpströme den Schwellenwert nicht er- 5° Fig. 10 ein Diagramm der Eingangs-Ausgangs-

reicht. Diese zwei Zustände werden als Binärinfor- charakteristik eines einstufigen Verstärkers (Kurve a)

mation gewertet und benutzt. gemäß Fig. 8, eines zweistufigen Verstärkers

Es ist ferner ein Laseroszillator mit räumlich dem (Kurve b) und eines funfstufigen Verstärkers

obigen Lichtverstärker vergleichbarer Halbleiter- und (Kurve r) in Kaskadenschaltung und

Elektrodenanordnung bekannt (CH-PS 435478), bei 55 Fig. 11 ein Blockschaltbild des Lichtverstärkers

dem Intensität und Richtung des abgestrahlten Laser- mit fünf hintereinandergeschalteten Stufen gemäß

lichts gesteuert werden. Bei dieser Anordnung er- der Erfindung.

folgt die Lichtabs trahlung in der Ebene des PN- Um das Wesen und die Vorteile der Erfindung

Übergangs des Halbleiters im Bereich derjenigen klar herauszustellen, wird zunächst der Stand der

Elektroden, die in Durchlaßrichtung gepolt sind. In 60 Technik beschrieben. In der Fig. 1 ist ein aktives

den Absorptionsbereichen wird die Lichtstrahlung Material 1, das Laserwirkung hat, und ein sättigbares

unterdrückt. Absorptionsmaterial 2, das Sättigungscharakteristik

Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten in seinen Dämpfungskoeffizienten hat, gleichmäßig

Betriebsverfahren der" bekannten Halbleiteranord- in einem Trägerkristall enthalten. Beispielsweise sind

nungen die Aufgabe zugrunde, den Licht verstärker : a 65 Neodym (Nd³⁺) und Uranoxyd (UOi⁺) als aktives

zu betreiben, daß das parallel zur PN-Übergangs- Material und als Absorptionsmaterial in Glas cnthal-

schicht an einem Ende auf die Anordnung auftref- ten. Mit der Ziffer 3 ist in Fig. 1 ein ankommender

fende Licht bei entsprechender Ansteuerung der Lichtstrahl und mit Ziffer 4 ein abgehender Licht-

strahl bezeichnet. Die Wirkungsweise des Lichtverstärkers ist nun folgendermaßen. Fig. 2 zeigt den Verstärkungskoeffizienten a_e des aktiven Materials je Längeneinheit und den Dämpfungskoeffizienten A₁ des sättigbaren Absorptionsmatenals, der einen Dämpfungskoeffizienten a₀ hat, welcher dem System eigen ist. Die Schnittpunkte Λ und B der beiden Kurven a_g und α, sind ein instabiler Punkt und ein stabiler Punkt. Wenn nämlich das dem Verstärker zugeführte Licht seiner Intensität nach geringfügig unter dem vVert S_A (entsprechend Punkt A) ist, so arbeitet der Verstärker als Dämpfungssystem, denn es gilt α, größer als &_x, und das vom Verstärker weitergeleitete Licht wird geschwächt. Die Intensitätsabnahme ist um so stärker, je mehr -», den Wert *_B übersteigt, wodurch das Licht verringert wird. Wenn der Verstärker ausreichend lang ist, kann die an seinem Ende vorhandene Lichtintensität bis auf 0 gedämpft sein. Ist jedoch das Licht seiner Intensität noch geringfügig größer als 5,,, wenn es auf den Verstärker trifft, dann tritt das umgekehrte Phänomen ein, und das Licht wird bei seinem Durchgang durch den Verstärker in seiner Intensität verstärkt. Wenn jedoch die Lichtintensität den Wert S_B entsprechend dem Schnittpunkt B überschreitet, von welchem ab der Verstärker wieder als dämpfendes System wirkt, tritt erneut die Dämpfungseigenschaft in Wirkung, so daß das übertragene Licht schließlich mit der Intensität S_B am Verstärkerausgang austritt. Die Eingangs-Ausgangscharakteristik dieses Verstärkers ist in der F i g. 3 dargestellt, und die Lichtintensität S_A stellt den Schwellenwert dar.

Unter den Bestimmungsgrößen für den Schwellenwert befinden sich materialbedingte Konstanten, und lediglich die Dichte des Materials gibt eine Möglichkeit, den Schwellenwert zu steuern. Aber auch die Beeinflussung des Schwellenwertes durch Veränderung der Dichte ist den Einflüssen des Herstellungsprozesses unterworfen, und nach der Herstellung liegt der Schwellenwert fest und kann weder gesteuert noch nachjustiert werden.

Es ist deshalb nicht leicht, einen gewünschten Schwellenwert S₄ und einen gewünschten Sättigungswert S_B zu erhalten. In der Praxis jedoch wird gefordert, daß der Verstärker Hilfsmittel aufweist, die eine leichte Einstellung des Schwellenwertes ermöglichen.

Um die Nachteile und Schwierigkeiten der bisherigen Lichtverstärker zu überwinden, wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines einen Halbleiter verwendenden Lichtverstärkers geschaffen, bei dem der Halbleiter-Laser mit PN-Übergang elektrisch in zwei Abschnitte unterteilt ist. Die beiden Abschnitte werden gesondert erregt un;5 in einen Verstärkungsabschnitt und in einen sättigbaren Absorptionsabschnitt je nach der Größe des Treiberstrom? unterschieden. Die beiden Abschnitte sind miteinander verbunden und bilden den Lichtverstärker; durch den Treiberstrom erhält er einen steuerbaren Schwellenwert, und eine Vielzahl von Stufen derartiger Lichtverstärker ist in Kaskade geschaltet, wodurch die Schwellcnwrrtehnrnkteristik verbessert wird. Nachfolgend wire! ;:n I innd d-er Zeichnung die Erfindung im einzelnen beschrieben.

Fig. 4 zeigt ein Ausfiihningsbcispiel der Erfindung. Mit 5 und 6 sind die Eintritts- bzw. Austrittsfläche für das Licht bezeichnet, die mit lichthofverhindernden Filmschichten versehen sind, 7 ist ein P-leitender Galliumarsenid-Halbleiter, 8 ein N-leitender Galliumarsenid-Halbleiter und 9 die zwischen ihnen liegende Übergangsfläche. Um einen Verstärker in einem Streifenübertragungssystem zu bilden, wird dei Mittelbereich einer Isolierschicht 10 aus SiO₂, die auf die P-Typenschicht 7 aufgedampft ist, in Form einer streifenfönnigen Nut ausgeätzt, worauf dann leitende Elektroden 11 bis 20 aufgedampft werden, die voneinander jeweils elektrisch isoliert sind,

ίο wie dies F i g. 5 deutlich erkennen läßt. Anschlußleitungen 21 bis 30 führen zu den Elektroden 11 bis 20. Das eintretende Licht 3 wird dem Mittelbereich der Übergangsfiäche 9 an der Eintrittsfläche 5 zugeführt, auf der sich keine Isolierschicht 10 aus SiO₂ befindet,

»5 und das Eintrittslicht wird verstärkt und tritt als Austrittslichtstrahl 4 an der Austrittsfläche 6 wieder aus. Die PN-Übergangsbereiche, die von den leitenden Elektroden 11 bis 20 aus ausgesteuert werden, werden in der nachfolgenden Beschreibung mit 31 bis 40 (siehe Fig. 6B) bezeichnet. Die Bereiche 31, 33, 35, 37 und 39 sind Verstärkungsbereiche, die jeweils dieselben Verstärkungseigenschaften haben, die Bereiche 32, 34, 36, 38 und 40 sättigbare Absorptionsbereiche mit denselben Sättigungseigenschaften.

Die Verstärkungscharakteristik und die sättigbare Absorptionscharakteristik der jeweiligen Bereiche wird durch die Aussteuerströme beeinflußt.

Funktionell kann der Lichtverstärker der F i g. 4 so betrachtet werden, daß jeweils ein Verstärkungsbereich 31 und ein sättigbarer Absorptionsbereich 32 einen Verstärker ausmachen, dessen Eingangs-Ausgangscharakteristik einen Schwellenwert hat, wobei mehrere Verstärker dieser Art mit denselben Eingangs-Ausgangscharakteristiken in Kaskade geschaltet sind mit dem Ziel, die Schwellenwertcharakteristik zu verbessern.

Die Wirkungsweise soll nun im einzelnen beschrieben werden. Es werden zunächst die Zonen 31 und 32 betrachtet. Der Einfachheit der Erläuterung wegen wird angenommen, daß die Längen L, und L₂ der Bereiche 31 und 32 einander gleich sind (L₁ = L₂ = L entsprechend Fig. 6B). Der Bereich 31 wird mit einer Stromdichte /, über die Zuführungsleitung 21 positiv ausgesteuert, während der Bereich 32 positiv mit einer Stromdichte /₂ über die Leitung 22 ausgesteuert wird. Um die Stromdichten/,, J₂ zu normieren, wird eine Stromdichte/₀ verwendet. Dabei ist die Stromdichte ;„ das 1 'e-fache des Stromes, bei dem der Verstärkungskoeffizient i_e gleich dem Dämpfungskoeffizienten *„ ist: »e« ist die Basis des natürlichen Logarithmus. Nachfolgend wird der so normierte Strom / = /'/„ benutzt.

Bei einem Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers können die Eingangs-Ausgangs-Charakteristiken des Verstärkungsbereiches 31 und des sättigbaren Absorptionsbereiches 32 wie in F i g. 7 dargestellt werden mit dem Strom I als Parameter. In diesem Fall ist die Länge L der Bereiche 31 und 32 300 um, während die innere Dämpfung ^_n jedes Bereiches 31 und 32 50 cm~' ist.

An der Ordinate ist die Ausgangslichtintensität angetragen für den Verstärkungsbereich, bei dem I>e ist, und die Eingangslichtintensität für den sättigbaren Absorptionsbereich, bei dem /<<? ist, während an der Abszisse die Eingangslichtintensität für den Verstärkungsbereich und die Ausgangslichtintensität für den sättigbaren Absorptionsbereich angegeben sind.

Die F i g. 8 zeigt die Kurven für / = 30 und / = 0,05 aus F i g. 7, die zum Nachweis des Schwellenwertes im Lichtverstärker (F i g. 9) benutzt werden, der einen Verstärkungsbereich (/ = 30, d. h. /, = 30 /₀) und einen sättigbaren Absorptionsbereich (/ = 0,05, d.h. 4 = 0,05/,,) in Hintereinanderschaltung hat. Die Schnittpunkte der beiden Kurven / = 30 und / = 0,05 sind mit A' und B' bezeichnet, und die Werte auf der Abszisse entsprechen P/ und P_B'. Dem Lichtverstärker gemäß Fig. 9 wird zunächst ein Eingangslichtstrahl 3 der Intensität P₀ zugeleitet, welche der Bedingung P_A'< P_o< P_B' genügt. Die Intensität P₁ des aus dem Verstärkungsbereich 31 austretenden Lichtstrahls 41 kann bei Verwendung der Kurve für / = 30 (siehe F i g. 8) an der Ordinate abgenommen werden. Der austretende Lichtstrahl der Intensität P₁ tritt dann in den sättigbaren Absorptionsbereich 32 ein, und die Intensität des austretenden Lichtstrahls 42 aus dem Bereich 32 kann als Intensität P₂ an der Abszisse bei Verwendung der Kurve für / = 0,05 abgelesen werden. Da P₉ > P₀ ist, hat der Lichtverslärker mit dem Aufbau gemäß F i g. 9 eine verstärkende Wirkung gegenüber dem eintretenden Licht von der Intensität P₀. Wenn P₀ = P₄' (oder P₀ — P_n'), dann wird, wie sich aus F i g. 8 ablesen läßt, P₂ — P_n. was mit anderen Worten bedeutet, daß das einfallende Licht 3 weder verstärkt noch abgeschwächt wird. Wenn Ρ_η<Ρ/ ist oder P_a>P_B', wird P₂<P_Q, so daß der Verstärker aus F i g. 9 eine dämpfende Wirkung hat. Folglich ist der Wert P/ der Schwellenwert der Verstärkung für das einfallende Licht 3, während der Wert P_fl' den Sättigungswert darstellt. Damit der Verstärker den Schwellenwert hat, ist es erforderlich, eine derartige Kombination des Aussteuerstromes auszuwählen, daß die charakteristischen Kurven des Verstärkungsbereichs und des sättigbaren Absorptionsbereichs einander schneiden wie in F i g. 7.

Bei einer Kombination von / = 50 und / = 0,5 schneiden die Charakteristiken einander (außerhalb der Figur), so daß Verstärkung vorhanden ist. Wenn jedoch der Schwellenwert sehr niedrig ist, dann ist die Kombination in der Praxis im Hinblick auf Störrauschen unbrauchbar. Der Schwellwert P/ und der Sättigungspunkt P_B für die Verstärkung können

ίο durch ausgewählte Kombination der Aussteuerströme des Verstärkungsbereichs und des sättigbaren Absorptionsbereichs nach Wahl gesteuert werden.

Eine Größe / = 30 entspricht einer Stromdichte / = 6000 A'cm² bei einer absoluten Temperatur von 77⁰K. Dieser Stromdichtewert ist leicht zu erzielen. Die voranstehende Beschreibung läßt erkennen, daß mit der Erfindung die Schwierigkeiten, die mit der Arbeitswellenlänge zusammenhängen, wenn unterschiedliche aktive und sättigbare absorbierende

ao Materialien verwendet werden, ausgeschaltet werden können, wenn der Verstärkungsbereich und der sättigbare Absorptionsbereich aus demselben Halbleiter-Laser mit PN-Übergang aufgebaut sind. Außerdem wird der Schwellenwert nicht mehr durch die Dichte, die Relaxationszeit und die Übcrgangswahrschcinlichkeit des verwendeten Materials bestimmt, sondern Schwellenwert und Sättigungswert für die Verstärkung können auf einfache Weise durch die Intensität des Aussteuerstroms im Verstärkungsbereich und im sättigbaren Absorptionsbereich gesteuert werden. Ein Lichtverstärker von äußerst kleinen Abmessungen mit einem Schwellenwert, der durch den HaIbleiter-PN-Übergang beeinflußbar ist, ist für den Einsatz in Licht-PCM-Kommunikationssystemen, Lichtregenerationssystemen und optischen Faserübertrugungsleitungen u. dgl. von hohem Nutzen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

ι ²

Elektroden am anderen Ende nur dann verstärkt aus-

PatentansDruch- tritt, wenn die Eingangsintensität einen gegebenen

ratentansprucn. Schwellenwert überschreitet. Dabei soll die Intensi-

Verfahren im Betrieb eines Lichtverstärkers, tat des austretenden *^

der einen mit einem einzigen langgestreckten 5 gungswert nicht ^^t^f

PN-Übergang ausgestatteten Halbleiterkristall Sättigungswert sollen dabei bestimmte

enthält, auf dem zu einer Seite des PN-Übergangs Größen annehmen konnen.

eine einzige großflächige Elektrode angebracht Diese Aufgabe wird da^^fftfß jeweils

ist, während sich auf der anderen Seite des PN- zwei ™*^^¹^ ^^^JFL?^

Übergangs in Lichtdurchgangsrichtung hinterein- » hörige Halbleiterbereich durch ^™™ P°_R

ander eu?e Vielzahl von Elektroden befindet, die sitive Aussteuerstrome ^^«^^^?

.n voneinander unabhängigen Stromquellen ange- ^W ^