DE2262475C3

DE2262475C3 - Verfahren zum Betrieb eines Lichtverstärkers

Info

Publication number: DE2262475C3
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: 1975-10-16
Also published as: US3828231A; DE2262475B2; DE2262475A1; JPS5242358B2; JPS4868188A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Lichtverstärkers, der einen mit einem einzigen langgestreckten PN-Übergang ausgestatteten Halbleiterkristall enthält, auf dem zu einer Seite des PN-Übergangs eine einzige großflächige Elektrode angebracht ist, während sich auf der anderen Seite des PN-Übergangs in Lichtdurchgangsrichtung hintereinander eine Vielzahl von Elektroden befindet, die an voneinander unabhängigen Stromquellen angeschlossen sind.

Es ist eine mit Elektroden in vorstehend beschriebener Weise ausgestattete Halbleiteranordnung bekannt (DT-AS 12 20 054), welche mit voneinander unabhängigen Pumpströmen arbeitet, die entsprechend logischen Informationen so gesteuert sind, daß stimuliertes Laserausgangslicht erzeugt wird, wenn alle Pumpströme zusammengenommen einen Schwellenwert übersteigen, während unkohärentes, diffuses Ausgangslicht erhalten wird, sofern die Summe der Pumpströme den Schwellenwert nicht erreicht. Diese zwei Zustände werden als Binärinformation gewertet und benutzt.

Es ist ferner ein Laseroszillator mit räumlich dem obigen Lichtverstärker veigleichbarer Halbleiter- und Elektrodenanordnung bekannt (CH-PS 4 35 478), bei dem Intensität und Richtung des abgestrahlten Laserlichts gesteuert werden. Bei dieser Anordnung erfolgt die Lichtabstrahlung in der Ebene des PN-Übergangs des Halbleiters im Bereich derjenigen Elektroden, die in Durchlaßrichtung gepolt sind. In den Absorptionsbereichen wird die Lichtstrahlung unterdrückt.

Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten Betriebsverfahren der bekannten Halbleiteranordnungen die Aufgabe zugrunde, den Lichtverstärker so zu betreiben, daß das parallel zur PN-Ubergangsschicht an einem Ende auf die Anordnung auftreffende Licht bei entsprechender Ansteuerung der Elektroden am anderen Ende nur dann verstärkt austritt, wenn die Eingangsintensität einen gegebenen Schwellenwert überschreitet. Dabei soll die Intensität des austretenden Lichts einen gegebenen Sättigungswert nicht überschreiten. Schwellenwert und Sättigungswert sollen dabei bestimmte gewünschte Größen annehmen können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeweils zwei aufeinanderfolgende Elektroden und der zugehörige Halbleiterbereich durch unterschiedliche positive Aussteuerströme derart angesteuert werden, daß einer der beiden benachbarten Bereiche einen Verstärkungsbereich und der andere einen sättigbaren Absorptionsbere'ch darstellen, und daß das zu verstärkende Licht so eingestrahlt wird, daß es zuerst in einen Verstärkungsbereich eintritt.

Die Eigenschaften, das Prinzip, sowie Aufbau und Wirkungsweise der Erfindung werden nachfolgend nun in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung

ao erklärt. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaubiild zur Erläuterung herkömmlicher Lichtverstärker mit einem Schwellenwert in der Eingangs-Ausgangscharakteristik,
F i g. 2 eine graphische Darstellung des Verstärkungs- und des Dämpfungskoeffizienten zur Erläuterung der Arbeitsweise des in F i g. 1 dargestellten Lichtverstärkers,

Fig. 3 ein graphisches Schaubild, das die Eingangs-Ausgangscharakiieristik des in F i g. 1 gezeigten Lichtverstärkers wiedergibt,

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus der F i g. 4,

Fig. 6A und 6B Stirnansicht und Schnitt nach der Linie6ß-6ß in Fig. 6A des Lichtverstärkers aus der F i g. 4, aus welchen ein Verstärkungsbereich und ein sättigbarer Absorptionsbereich erkennbar sind,

F i g. 7 ein graphisches Schaubild der Eingangs-Ausgangscharakteristik des Verstärkungsbereiches und des sättigbaren Absorptionsbereiches bezogen auf einen Betrag /, der proportional zu einem Treiberstrom ist, welcher als Parameter verwendet ist, F i g. 8 ein Diagramm mit charakteristischen Kurven für / = 30 und / == 0,05 in F i g. 6 zur Erläuterung des Auftretens des Schwellenwertes,

F i g. 9 ein die Schemaschaltung der Erfindung darstellendes Blockschaltbild,

Fig. 10 ein Diagramm der Eingangs-Ausgangscharakteristik eines einstufigen Verstärkers (Kurve a) gemäß F i g. 8, eines zweistufigen Verstärkers (Kurve b) und eines fünfstufigen Verstärkers (Kurve c) in Kaskadenschaltung und

Fig. 11 ein Blockschaltbild des Lichtverstärkers mit fünf hintereinandergeschalteten Stufen gemäß der Erfindung.

Um das Wesen und die Vorteile der Erfindung klar herauszustellen, wird zunächst der Stand der Technik beschrieben. In der Fig. 1 ist ein aktives Material 1, das Laserwirkung hat, und ein sättigbares Absorptionsmaterial 2, das Sättigungscharakteristik in seinen Dämpfungskoeffizienten hat, gleichmäßig in einem Trägerkristall enthalten. Beispielsweise sind Neodym (Nd³⁺) und Uranoxyd (UOj⁺) als aktives Material und als Absorptionsmaterial in Glas enthalten. Mit der Ziffer3 ist in Fig. 1 ein ankommender Lichtstrahl und mit Ziffer 4 ein abgehender Licht-

strahl bezeichnet. Die Wirkungsweise des Lichtver- P-leitender Galliumarsenid-Halbleiter, 8 ein N-lei- »tärkers ist nun folgendermaßen. F i g. 2 zeigt den tender Galliumarsenid-Halbleiter und 9 die zwischen Verstärkungskoeffizienten a_g des aktiven Materials ihnen liegende Ubergangsfläche. Um einen Verstärker je Längeneinheit und den Dämpfungskoeffizien- in einem Streifenübertragungssystem zu bilden, wird ten X₁ des sättigbaren Absorptionsmaterials, der einen 5 der Mittelbereich einer Isolierschicht 10 aus SiO₂, Dämpfungskoeffizienten «„ hat, welcher dem System die auf die P-Typenschicht 7 aufgedampft ist. in eigen ist. Die Schnittpunkte A und B der beiden Form einer streifen förmigen Nut ausgeätzt, worauf Kurven »_g und a_t sind ein instabiler Punkt und ein dann leitende Elektroden 11 bis 20 aufgedampft werstabiler Punkt. Wenn nämlich das dem Verstärker den, die voneinander jeweils elektrisch isoliert sind, zugeführte Licht seiner Intensität nach geringfügig io wie dies Fig. 5 deutlich erkennen läßt. Auschlußleiunter dem Wert S_A (entsprechend Punkt A) ist, so tungen 21 bis 30 führen zu den Elektroden 11 bis 20. arbeitet der Verstärker als Dämpfungssystem, denn Das eintretende Licht 3 wird dem Mittelbereich der es gilt Ci₁ größer als <x_?, und das vom Verstärker Übergangsfläche 9 an der Eintrittsfläche 5 zugeführt, weitergeleitete Licht wird geschwächt. Die Knten- auf der sich keine Isolierschicht 10 aus SiO₁, befindet, sitätsabnahme ist um so stärker, je mehr «_t den 15 und das Eintrittslicht wird verstärkt und tritt als Wert a_f übersteigt, wodurch das Licht verringert AustrittsHchtstrahl 4 an der Austrittsfläche 6 wieder wird. Wenn der Verstärker ausreichend lang ist, aus. Die PN-Übergangsbereiche, die von den leitenkann die an seinem Ende vorhandene Lichtintensität den Elektroden 11 bis 20 aus ausgesteuert werden, bis auf 0 gedämpft sein. Ist jedoch das Licht seiner werden in der nachfolgenden Beschreibung mit 31 Intensität noch geringfügig größer als S_A, wenn es 20 bis 40 (siehe Fig. 6B) bezeichnet. Die Bereiche31, auf den Verstärker trifft, dann tritt das umgekehrte 33, 35, 37 und 39 sind Verstärkungsbereiche, die je-Phänomen ein, und das Licht wird bei seinem Durch- weils dieselben Verstärkungseigenschaften haben, die gang durch den Verstärker in seiner Intensität ver- Bereiche 32, 34, 36, 38 und 40 sättigbare Absorpstärkt. Wenn jedoch die Lichtintensität den Wert S_B tionsbereiche mit denselben Sättigungseigenschaften, entsprechend dem Schnittpunkt B überschreitet, von 25 Die Verstärkungscharakteristik und die sättigbare Abwelchem ab der Verstärker wieder als dämpfendes Sorptionscharakteristik der jeweiligen Bereiche wird System wirkt, tritt erneut die Dämpfungseigenschaft durch die Aussteuerströme beeinflußt,
in Wirkung, so daß das übertragene Licht schließlich Funktionell kann der Lichtverstärker der Fig.4 mit der Intensität S₈ am Verstärkerausgang austritt. so betrachtet werden, daß jeweils ein Verstärkungs-Die Eingangs-Ausgangscharakteristik dieses Verstär- 30 bereich 31 und ein sättigbarer Absorptionsbereich 32 kers ist in der F i g. 3 dargestellt, und die Lichtinten- einen Verstärker ausmachen, dessen Eingangs-Aussität S_A stellt den Schwellenwert dar. gangscharakteristik einen Schwellenwert hat, wobei

Unter den Bestimmungsgrößen für den Schwellen- mehrere Verstärker dieser Art mit denselben Einwert befinden sich materialbedingte Konstanten, und gangs-Ausgangscharakteristiken in Kaskade geschallediglich die Dichte des Materials gibt eine Möglich- 35 tet sind mit dem Ziel, die Schwellenwertcharakkeit, den Schwellenwert zu steuern. Aber auch die teristik zu verbessern.

Beeinflussung des Schwellenwertes durch Verän- Die Wirkungsweise soll nun im einzelnen be-

derung der Dichte ist den Einflüssen des Herstel- schrieben werden. Es werden zunächst die Zonen 31

lungsprozesses unterworfen, und nach der Herstel- und 32 betrachtet. Der Einfachheit der Erläuterung

lung liegt der Schwellenwert fest und kann weder ge- 40 wegen wird angenommen, daß die Längen L₁ und L₂

steuert noch nachjustiert werden. der Bereiche 31 und 32 einander gleich sind

Es ist deshalb nicht leicht, einen gewünschten (L₁= L₂ = L entsprechend Fig. 6B). Der Bereich

Schwellenwert S_A und einen gewünschten Sättigungs- 31 wird" mit einer Stromdichte Z₁ über die Zufüh-

wert S₁₁ zu erhalten. In der Praxis jedoch wird ge- rungsleitung 21 positiv ausgesteuert, während der

fordert, daß der Verstärker Hilfsmittel aufweist, die 45 Bereich 32 positiv mit einer Stromdichte /₂ über die

eine leichte Einstellung des Schwellenwertes ermög- Leitung 22 ausgesteuert wird. Um die Stromdich-

lichen. ten /,, /., zu normieren, wird eine Stromdichte /₀ ver-

Um die Nachteile und Schwierigkeiten der bis- wendet.Dabei ist die Stromdichte ;_n das 1/e-fache des herigen Lichtverstärker zu überwinden, wird gemäß Stromes, bei dem der Verstärkungskoeffizient «_g der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines einen 50 gleich dem Dämpfungskoeffizienten a_n ist; »e« ist die Halbleiter verwendenden Lichtverstärkers geschaf- Basis des natürlichen Logarithmus. Nachfolgend wird fen, bei dem der Halbleiter-Laser mit PN-Übergang der so normierte Strom / = ///'„ benutzt,
elektrisch in zwei Abschnitte unterteilt ist. Die bei- Bei einem Ausführungsbeispiel eines Halbleiterden Abschnitte werden gesondert erregt und in einen lasers können die Eingangs-Ausgangs-Charakteristi-Verstärkungsabschnitt und in einen sätti^baren Ab- 55 ken des Verstärkungsbereiches 31 und des sättigbaren sorptionsabschnitt je nach der Größe des Treiber- Absorptionsbereiches 32 wie in F i g. 7 dargestellt Stroms unterschieden. Die beiden Abschnitte sind werden mit dem Strom I als Parameter. In diesem miteinander verbunden und bilden den Lichtverstär- Fall ist die Länge L der Bereiche 31 und 32 300 μΐη, kcr; durch den Treiberstrom erhält er einen Steuer- während die innere Dämpfung λ_(Ι jedes Bereiches 31 baren Schwellenwert, und eine Vielzahl von Stufen 60 und 32 50 cm~' ist.

derartiger Lichtverstärker ist in Kaskade geschaltet. An der Ordinate ist die Ausgangslichtintensität an-

wodurch die Schwellcnwertcharaktcristik verbessert getragen für den Verstärkungsbereich, bei dem

wird. Nachfolgend wire! an Hand der Zeichnung die />c ist, und die Eingangslichtintensität für den sät-

Erfindung im einzelnen beschrieben. tigbarcn Absorptionsbereich, bei dem /<e ist, wäh-

Fig. 4 zeigt ein Ausfiihrungsbeispiel der Erfin- 65 _rend an der Abszisse die Eingangslichtintensität für

dung. Mit 5 und 6 sind die Eintritts- bzw. Austritts- den Verstärkungsbereich und die Ausgngslicht-

fläche für das Licht bezeichnet, die mit lichthofver- intensität für den sättigbaren Absorptionsbereich an-

hinrlernden Filmschichten versehen sind, 7 ist ein gegeben sind.

22

Die Fig. 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. /j = 30 /„) und einen sättigbaren Absorptionsbereich (/ = 0,05, d. h. j₂ = 0,05 /₀) in Hintereinanderschaltung hait. 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 F i g. 9 wird zunächst ein Eingangslichtstrahl 3 der Intensität P₀ zugeleitet, welche der Bedingung P/<CP₀<Pß' 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 flen sättigbaren Absorptionsbereich 32 ein, und die Intensität des austretenden Lichtstrahls 42 aus dem Bereich 32 kann als Intensität P₂ an der Abszisse bei ao Verwendung der Kurve für / = 0,05 abgelesen werden. Da P₂

P₀<P/ ist oder
k

g
ist, hat der Lichtverstärker mit dem

_{2 0}

Aufbau gemäß F i g. 9 eine verstärkende Wirkung gegenüber dem eintretenden Licht von der Intensität P₀. Wenn P₀ = P/ (oder P₀ = P₈'), dann wird, wie sich aus Fig. 8 ablesen läßt, P₂ = P₀, was mit anderen Worten bedeutet, daß das einfallende Licht 3 weder verstärkt noch abgeschwächt wird. Wenn

d <P dß

g
, wird P₂<P₀, so daß

₀/ ^₈ ₂₀

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_B' 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 Fig. 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_ß' für die Verstärkung können durch ausgewählte Kombination der Aussteuerströme des Verstärkungsbereichs und des sättigbaren Absorptionsbereichs nach Wahl gesteuert werden.

Eine Größe / = 30 entspricht einer Stromdichte / = 6000 A/cm⁸ bei einer absoluten Temperatur von 77° K. 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 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 Übergangswahrscheinlichkeit 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-Ubergang beeinflußbar ist, ist für den Einsatz in Licht-PCM-Kommunikationssystemen, Lichtregenerationssystemen und optischen Faserübertragungsleitungen u. dgl. von hohem Nutzen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Betrieb eines Lichtverstärkers, der einen mit einem einzigen langgestreckten PN-Übergang ausgestatteten Halbleiterkristall enthält, auf dem zu einer Seite des PN-Ubergangs eine einzige großflächige Elektrode angebracht ist, während sich auf der anderen Seite des PN-Übergangs in Lichtdurchgangsrichtung hintereinander eine Vielzahl von Elektroden befindet, die an voneinander unabhängigen Stromquellen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei aufeinanderfolgende Elektroden (31," 32...; 39, 4C) und der zugehörige Halbleiterbereich durch unterschiedliche positive Aussteuerströme (Z₁, /₂) derart ausgesteuert werden, daß einer der beiden benachbarten Bereiche einen Verstärkungsbereich und der andere einen sättigbaren Absorptionsbereich darstellen, und daß das zu verstärkende Licht so eingestrahlt wird, daß es zuerst in einen Verstärkungsbereich eintritt.