DE2330310A1

DE2330310A1 - Verfahren zur pulsmodulation von halbleiterlasern

Info

Publication number: DE2330310A1
Application number: DE19732330310
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Ing Schicketanz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-06-14
Filing date: 1973-06-14
Publication date: 1975-01-16
Also published as: FR2233728A1; JPS5037400A; GB1464970A; FR2233728B1

Description

Verfahren zur Pulsmodulation von Hnlbleiterlasern

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pulsmodulation von Halbleiterlasern, insbesondere von GaAs-Laserdioden bei Pulsfolgefrequenzen im GHz-Bereich.

Halbleiterlaser werden üblicherweise bis zu hohen Frequenzen direkt über den Strom moduliert. Eine Direktraodulation des Halbleiterlasers in der Pulsfolgefrequenz ist jedoch ab bestimmten Frequenzwerten durch Einschwing- und Verzögerungseffekie eingeschränkt.

Bei einer Pulsmodulation steht üblicherweise der gesamte Bereich der Kennlinie des Lasers zur Verfügung, wobei der Übergang von überwiegend spontaner zu stimulierter Emission an der Schwelle zur Formung von Lichtimpulsen ausgenützt werden kann. Für eine analoge Modulation der Lichtleistung dagegen ist man auf die linearen Kennlinienbereiche des Lasers in eingeschränkten Bereichen unterhalb und oberhalb der Schwelle angewiesen.

Bei kurzen Impulsen, d.h. Impulsen im NanoSekundenbereich, macht sich die Fluoreszenzlebensdauer von einigen ns bemerkbar. Um Laserimpulse zu erzeugen, muß man daher bei der Pulsmodulation entweder sehr kurz und sehr hoch über die Schwelle pumpen oder man benützt einen Vorstrom, der die Inversion im Laser schon in der Nähe des Schwellwertes aufbaut. Dann genügen nur noch kleine Stromimpulse, um Laserimpulse zu erzeugen.

Bei einer Pulsfolgefrequenz im MHz-Bereich entstehen nach Einschalten des Pumpstromes von O bis über die Schwelle Laserimpulse, die das tj-pische Einschwingen von Lasern mit Re-

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laxationsimpulsen zeigen. Wegen dieses Einschwingverhaltens ist es einerseits schwierig, große Bandbreiten analog zu übertragen, andererseits ist dadurch die Pulsfolgefrequenz bei Pulsmodulation begrenzt.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Pulsmodulation von Halbleiterlasern, und insbesondere von GaAs-Laserdioden, bei Pulsfolgefrequenzen im GHz-Bereich anzugeben, mit df»r große Bandbreiten übertragen werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß im Halbleiterlaser ein konstanter Gleichstrom, ein sinusförmiger Wechselstrom und ein pulsförmiger Modulationsstrom überlagert werden.

Die Frequenz des sinusförmigen Wechselstromes ist vorzugsweise ungefähr auf die Eigenfrequenz der Relaxationsschwingungen des Halbleiveriasers abgestimmt.

Besonders vorteilhaft können einzelne Impulse dadurch ausgetastet werden, daß die Summe von konstantem Gleichstrom und pulsförmigem Modulationsstrom direkt am Halbleiterlaser ausgetastet werden.

Die Taktrückgewinnung in einem regenerierendem Repeater kann direkt zur Ansteuerung der Laserdiode verwendet werden, wobei das Modulationssignal direkt der Laserdiode zur Regeneration der Impulse zugeführt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine Pulsmodulation eines Halbleiterlasers direkt über den Pumpstrom ohne zusätzlichen optischen Modulator bis zu Pulsfolgefrequenzen von einigen GHz zu ermöglichen. Es können dabei Lichtimpulse mit einer Dauer von 0,25 ns und einer Spitzenleistung von einigen ;nW erzeugt werden.

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Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß für Modulation und Pulserzeugung weniger Leistung nötig ist, da die verschiedenen Signale für Gleichstrom, Pulserzeugung und Modulation aufgespalten sind und außerdem in der Laserresonanz gearbeitet wird.

Das Pulssignal in einem Repeater braucht weiterhin nicht regeneriert zu werden, sondern wird direkt zur Ansteuerung des Halbleiterlasers verwendet, da der Laser die Impulsformung übernimmt.

Der Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wesentlich vereinfacht, da die Taktrückgewinnung direkt zur Ansteuerung des Halbleiterlasers verwendet werden kann. Der Zeitverlauf des Wechselstromes kann dabei in Grenzen beliebig sein (etwa sinusförmig).

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden.

Es zeigen:

Figur 1 schematisch einen Halbleiterlaser mit den verschiedenen ihm zugeführten Strömen,

Figur 2 eine Anordnung mit passiven Bauelementen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Figur 3 eine Anordnung mit aktiven Bauelementen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 4 eine Anordnung zur Pulsmodulation in einem Repeater, bei der regenerierte Lichtimpulse erzeugt werden.

Bei der in Figur 1 schematisch dargestellten Anordnung -eines Halbleiterlasersenders zur Durchführung des erfindungsgemäßen Modulationsverfahrens ist mit 1 der Halbleiterlaser bezeichnet, beispielsweise eine GaAs-Diode, dem ein als Vorstrom dienender Gleichstrom 2, ein der Pulserzeugung dienender Wechselstrom

3 und ein die Impulsinformation enthaltender Modulationsstrom

4 getrennt zugeführt werden. Der Wechselstrom 3 ist dabei vor-

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zugsweise auf die Resonanzfrequenz der Laseremission abgestimmt. Der die Impulsinformation enthaltende Modulationsstrom 4 braucht keine hohen Amplituden aufzuweisen, so daß man mit geringen Leistungen auskommt.

In Figur 2 ist eine Anordnung mit passiven Bauelementen gezeigt, bei der der GaAs-Diode wieder ein Gleichstrom 2, ein Wechselstrom 3 und ein Modulationsstrom 4 zugeführt werden, die in der Diode überlagert werden, so daß eine Reihe von Lichtimpulsen emittiert werden, welche Riesenimpulscharakteristik aufweisen, d.h. eine kleine Halbwertsbreite und eine hohe Spitzenleistung. Die Laseremission zeigt eine Resonanzfrequenz, welche durch die Resonatorverweilzeit und die Fluoreszenzlebensdauer gegeben ist. Beim Pumpen des Halbleiterlasers 1 und überlagerung von einer kleinen Wechselstörung mit dieser Resonanzfrequenz entstehen bei der Laseremission eine Folge von optischen Impulsen, wie sie mit 5 angedeutet sind. Da in der Resonanz gepumpt wird, benötigt man nur eine geringe Leistung, wobei außerdem keinerlei Nachschwingen der Laseremission auftritt.

In Figur 3 1st eine weitere Anordnung mit aktiven Bauelementen gezeigt, um der Laserdiode 1 den Gleichstrom 2, den Wechselstrom 3 und den Modulationsstrom 4 getrennt zuzuführen.

Bei einem steilen Anstieg des Pumpstromes steigt die Inversion entsprechend sehr viel steiler an, als die Laseremission. Der sich ausbildende Laserimpuls sieht also eine gegenüber der Schwelle überhöhte Anfangsverstärkung. Entsprechend dieser überhöhten Anfangsverstärkung hat der Laserimpuls nahezu die charakteristischen Elemente eines Riesenimpulses, wobei die Inversion merklich unter die Schwelle abgebaut wird. Je größer dieser Inversionsabbau ist, um so mehr muß der mittlere Pumpstrom über der Schwelle liegen, um einen ausreichend hohen Inversionsanstieg nach Jedem Impuls zu gewährleisten.

Eine Informationsübertragung kann dadurch erfolgen, daß .der

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sinusförmige Wechselstrom 3 mit einem Modulator ausgetastet wird. Liegt nun der als Vorstrom wirkende Gleichstrom 2 über der Schwelle der Laserdiode 1, so fängt der Laser bei einer Austastung nach einigen ns spontan wieder zu schwingen an. Zur Vermeidung dieses spontanen Anschwingens wird daher die Summe von Gleichstrom 2 und Modulationsstrom 4 direkt' an der Laserdiode 1 ausgetastet. Dies bedeutet ein kurzzeitiges Herabsetzen des Vorstromes unter die Schwelle, wobei der Laser dann nicht anschwingen kann, da der vorhergehende Impuls die Inversion auf einen Wert unterhalb der Schwelle abgebaut ist. Der nächste Laserimpuls findet bei der Eintastung die gleichen Bedingungen vor wie ohne Austastung.

Eine Modulation der Laserimpulse kann nun dadurch erfolgen, daß einzelne Impulse ausgetastet, d.h. unterdrückt werden. Die Impulsfolgefrequenz kann durch die Laserparameter in weiten Grenzen eingestellt werden.

Figur A zeigt schematisch eine Anordnung zur Erzeugung regenerierter Lichtimpulse. Mit 6 ist dabei ein Empfänger bezeichnet, dem das Lichtsignal zugeführt wird, mit 7 eine Fotodiode, die die Taktrückgewinnung durchführt, wobei die Taktimpulse dem Laser 1 alc Wechselstrom über 3 zugeführt werden. Mit 8 ist ein Verstärker zur Signalverstärkung bezeichnet, dem sowohl die Information zu entnehmen ist als auch ein Modulationssignal zur Modulation des Lasers 1.

Mit dem erfindungsgemäBen Verfahren ist also eine Pulsmodulation direkt über den Pumpstrom ohne zusätzlichen optischen Modulator bis zu Pulsfolgefrequenzen von einigen GHz möglich.

Das Verfahren der Pulsmodulation, wie es hier beschrieben ist, läßt sich vorzüglich in der optischen Breitband-Nachrichtenübertragung verwenden.

h Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1J Verfahren zur Pulsmodulation von Halbleiterlasern, insbesondere von GaAs-Laserdioden bei Pulsfolgefrequenzen im GHz-Bereich, dadurch gekennzeichnet , daß im Halbleiterlaser ein konstanter Gleichstrom, ein sinusförmiger Wechselstrom und ein pulsförmiger Modulationsstrom Überlagert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz des sinusförmigen Wechselstromes ungefähr auf die Eigenfrequenz der Relaxationsschwingungen des Haibleiterlasers abgestimmt wird.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch g. e k e η η zeichnet , daß einzelne Impulse dadurch ausgetastet werden, daß die Summe von konstantem Gleichstrom und pulsförmigem Modulationostrom direkt am Halbleiterlaser ausgetastet werden.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß in einem regenerierenden Repeater die Taktrückgewinnung zur Ansteuerung der Laserdiode verwendet wird und das Modulationssignal direkt der Laserdiode zugeführt wird, so daß diese die Regeneration der Impulse durchführt.

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