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1?Verfahren zur Verstärkung eines optischen Signals sowie Anordnung
zur Durchführung des Verfahrens" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung
eines optischen Signals mit einem Halbleiterinjektionslaser sowie eine Anordnung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Es sind optische Verstärker mit einem Halbleiterinjektionslaser bekannt,
bei denen ein in den Halbleiterlaser eingekoppeltes optisches Signal durch stimulierte
Emission des mittels Stromdurchfluß angeregten Halbleiterlasers verstärkt wird.
Bei derartigen optischen Verstärkern erweist es sich jedoch als schwierig, einen
stabilen Betriebszustand einzuhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verstärkung
eines optischen Signals mit einem Halbleiterinäektionslaser als Verstarkerelement
sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben mit gegenüber
herkömmlichen optischen Verstärkern verbesserten Stabilitätseigenschaften. Ein Verfahren
zur Lösung dieser Aufgabeist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß dem durch
einen durchfließenden Gleichstrom über die Laserschwelle angeregten Verstärkerelement
gleichzeitig mit dem zu verstärkenden optischen Signal ein dem Anregungsgleichstrom
überlagerter Wechselstromanteil zugeführt wird, dessen Frequenz höher als die Signalfrequenz
ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei einem mittels eines
Gleichstroms oberhalb seines Schwellstromes vorgespannten Halbleiterinjektionslaser,
dem zusätzlich zu diesem Gleichstrom ein Wechselstrom relativ kleiner Amplitude
überlagert wird, bei einer bestimmten Modulationsfrequenz w0 ein Maximum der Modulationstiefe
des Ausgangssignals feststellbar ist. Durch Modulation mit einer Frequenz #p=2 #o
lassen sich beispielsweise im optischen Ausgangssignal neben der Frequenz und deren
Harmonischen auch Subharmonische mit der Frequenz 0 erzeugen. Dieser Effekt kann
zur Verstärkung eines mit der Frequenz o modulierten Signals durch Uberlagerung
eines Inåektionsstroms mit der Frequenz
#p = 2 #o ausgenutzt werden.
Vorzugsweise werden dabei die Betriebsbedingungen derart gewählt, daß zwar noch
keine Subharmonischen mit #o erzeugt werden aber dem Verstärkerelement zugeführte
Signale mit der Frequenz #o entdämpft werden. Dies wird beispielsweise durch eine
entsprechende Verstimmung der Resonanzfrequenz oder durch Bedämpfung über den Stromkreis
erreicht.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird eine Modulation mit zwei Frequenzen
betrachtet. Der dem Laser zugeführte Strom besteht aus einer Gleichstromkomponente
10 und zwei Wechselstromkomponenten mit Amplituden Ip Is und Kreifsfrequenzen #p
bzw. #s, wobei #p etwa 2#o ist und #s < #p gilt, vorteilhafterweise entweder
#s oder #p - #s im Bereich von #o ist.
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Dabei ist Ip der Pumpstrom, während Is der Signalstrom ist.
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Es wird vorausgesetzt, daß Ip so groß ist, daß die Nichtlinearitäten
des Systems wirksam werden, daß jedoch der Signalstrom derart klein ist, daß der
Kleinsignalfall vorliegt.
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Infolge der vorhandenen Nichtlinearitäten tritt eine Mischung der
verschiedenen Frequenzanteile auf. Für den betrachteten Fall wird dabei außer (0
und (bp nur die Kreisfrequenz oi - #p -bs beachtet. Die Nichtbeachtung anderer Frequenzanteile
ist dadurch gerechtfertigt, daß nur Frequenzen bei der Resonanzfrequenz des Lasers
oder in deren unmittelbarer Nachbarschaft von Interesse
sind. Falls
die Summenfrequenz #p + #s ebenfalls in der Nähe der Resonanzfrequenz des Lasers
#o liegt, kann in den meisten Fällen eine Unterdrückung durch einen äußeren Schwingkreis
erreicht werden.
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Das Verhalten des Lasers kann durch folgende Bilanzgleichungen beschrieben
werden: dn J n n dt eV #sp (1) ds s = - + gns, (2) dt #ph Dabei bedeuten: n = Elektronendichte
in der aktiven Zone des Lasers s I Photondichte in der aktiven Zone des Lasers I
= Injektionsstrom e I Elektronenladung V . Volumen der aktiven Zone #sp = spontane
Elektronenlebensdauer #ph = Photonlebensdauer.
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Der Ausdruck gns in beiden Gleichungen bezieht sich auf die stimulierte
Emission.
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Der Injektionsstrom I (t) hat die Form:
Die Elektronendichte n (t) und die Photondichte s (t) sind gegeben durch.
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No, SOs Np und Sp ergeben sich in nachfolgender Form aus Großsignalberechnungen:
Sp = a # (a) Soej#, (8) Np = j a #p No ej# (9) Mit (a) - 2 I1 (a) / a Io (a) (10)
Dabei sind Io (a) die modifizierten Besselfunktionen der Ordnung 0 und 1.
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a und gamma; sind gegeben durch
mit ep = Jp/(Jo - Jth), (13) Jth = eV/g #sp #ph, (14) #²o = (Jo/Jth
- 1)/ # sp #ph. (15) Die Amplituden Ns, Ss, Ni und Si sind zunächst unbekannt. Nach
Einsetzen der Gleichungen (3) bis (5) in (1) und (2) können die Gleichungen in Bezug
auf die Amplituden der Signal- bzw. Pumpfrequenzanteile ws bzw. p linearisiert werden.
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Alle Großsignalamplituden sind aus den Gleichungen (6) bis (9) bekannt;
Anteile, die Produkte zweier Kleinsignalamplituden enthalten werden dabei vernachlässigt,
Daraus ergibt sich ein lineares Gleichungssystem, welches die Elektron- bzw. Photondichten
der Signal- und Pumpfrequenz mit dem Signalstrom verknüpft:
Die Auflösung der Gleichung (16) nach Ss und Si ergibt:
In Figur 1 sind typische Ergebnisse dargestellt der Modulationstiefe
der Photondichte für die Signalfrequenz #s und die Pumpfrequenz p als Punktion der
normierten Signalfrequenz +s/+p. Dabei wurden für die Parameter folgende Werte gewählt;
#sp / #ph = 500 1o / Ith = 1,5 #p / #o = 1,4.
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Im Falle ep = 0, das heißt ohne Pumpstrom, hat die Modulationsempfindlichkeit
ein Maximum bei der Kleinsignalresonanzfrequenz.
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Offensichtlich ist keine Komponente der Hilfsfrequenz ei vorhanden.
Eine völlig andere Situation entsteht, wenn ein zusätzlicher Pumpstrom (ep I 0,9)
mit einer Frequenz mp X 1,4 o dem Laser zugeführt wird; die die Modulationsempfindlichkeit
darstellende Kurve (nicht unterbrochene Linie) zeigt zwei Resonanzspitzen, bei #s
/ (0p = 0,81 und 0, 19. Diese beiden Resonanzfrequenzen treten auch in. der Modulationstiefe
(gestrichelte Linie) des Hilfssignals bei ei auf. Aus dieser Darstellung ist entnehmbar,
daß die Modulationstiefe des Signalanteils durch Anlegen eines zusätzlichen Pumpstroms
erheblich vergrößert werden kann.
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Die weitere Beschreibung nimmt Bezug auf Figur 2 der Zeichnung, in
der eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt
ist. Die Verstärkeranordnung besteht aus einem Halbleiterinjektionslaser 1, Frequenzweichen
2, 2', 2'' einer Gleichstromquelle Io und einer Wechselstromquelle Ip.
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Die Gleichstromquelle Io dient zur Vorspannung des Halbleiterinjektionslasers
1 oberhalb seiner Easerschwelle. Da die Eigenresonant der Modulationsübertragungsfunktion
- mit flodulations-Übertragungsfunktion wird im linearisierten Kleinsignalfall der
Quotient von Hüllkurvenspektrum des optischen Ausgangssignals und zugehörigem Spektrum
des Modulationssignals bezeichnet - von 10 abhängig ist, kann mit 10 auch eine Abstimmung
von #o erfolgen.
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Die Eigenresonanzfrequenz der Nodulationsübertragungsfunktion liegt
bei Injektionslasern in der Größenordnung von etwa 108 -1O10Hz. Die Pumpquelle Ip
liefert einen dem Gleichstrom Io überlagerten Wechselstrom mit der Frequenz (0pe
Frequenzweichen 2, 2', 2'', sind in die zu dem Halbleiterinjektionslaser 1 führenden
Verbindungsleitungen eingeschaltet und dienen zur ELtkopplung der dem Halbleiterinjektionslaser
zugeführten Pumpströme und der Signalanteile. Der Laser selbst übernimmt die Funktion
des nichtlinearen Elementes und des Signalfrequenz-Resonanzkreises.
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flit einer derartigen Verstärkeranordnung können ie nachfolgenden
beispielhaft aufgeführten Verfahren zur Verstärkung eines dem Verstärkerelement
zugeführten Signals durchgeführt pferden Beispiel 1: Zusätzlich zum Injektionsstrom
10 und 1p wird dem Halbleiterinjektionslaser 1 eine Komponente I8 mit der Frequenz
#s eingeprägt, Das Modulationssignal mit der Frequenz #s wird entdämpft und die
Modulationstiefe vergrößert. Die Verstärkung besteht in der Erhöhung der Modulationstiefe.
Durch genügend nahe Abstimmung an den instabilen Bereich läßt sich eine beträchtliche
Modulationsverstärkung erzielen. Es wird dabei nicht die mittlere emittierte Lichtleistung
des Lasers verstärkt, sondern nur der mit #s modulierte Anteil der Emission stärker
gegenüber dem Gleichanteil bzw. dem mit (0p modulierten Anteil hervorgehoben.
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Beispiel 2: In den Halbleiterinåektionslaser 1 wird ein optisches
Signal s2 eingekoppelt, das mit der Frequenz #s in der Amplitude movon duliert ist.
Die optische Trägerfrequenz/s2 soll dem Bandabstand in der aktiven Zone des Halbleiterinjektionslasersentsprechen,
so daß durch s2 die Elektronendichte in der aktiven Zone verringert wird. Weiterhin
ist es günstig, daß die
optische Trägerfrequenz von s2 in einen
Schwingungsmodus des Halbleiterinjektionslasers fällt, wobei es aber nicht erforderlich
ist, daß die Trägerfrequenz von s1 identisch ist mit der Frequenz des im Laser erzeugten
optischen Signals. In diesem Fall sind der Modus 2, der durch die einfallende optische
Strahlung angeregt wird und der Modus 1, in dem der Laser schwingt, über das Elektronenreservoir
der optisch aktiven Zone des Halbleiterlasers verkoppelt.. Zwischen Modus 1 und
Modus 2 besteht keine Kohärenzbeziehung. Die einfallende Strahlung bewirkt bei Inversion
in der aktiven Zone des Lasers dort eine Ladungsträgerrekombination und wirkt daher
wie eine Verringerung des Inåektionsstromes. Ist die Strahlung in der Amplitude
mit einer Frequenz »s 5 moduliert , so hat das die gleiche Wirkung wie eine Hinzufügung
einer Stromkomponente bei der Frequenz ffls zum Injektionsstrom, Beispiel L Eine
weitere Betriebsart liegt vor, wenn der Schwingungsmodus 1 von der einfallenden
Strahlung angefacht wird. In diesem Fall liegt die Kombination zweier parametrischer
Verstärkungseffekte vor, nämlich der bereits bekannten optischen parametrischen
Verstärkung der Trägerwelle und der hier behandelten parametrischen Verstärkung
des flodulationssignales. Die Auskopplung erfolgt über das optische Signal sl' dessen
Trägerfrequenz die Schwingungsfrequenz des Lasers ist.
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Beispiel 4: Dem Halbleiterlaser wird ein mit #s modulierter Injektionsstrom
zugeführt. Man nutzt jedoch aus, daß die Entdämpfung auch auf der elektrischen Seite
erfolgt. Eine derartige Anordnung läßt sich auch als rein elektrischer Mikrowellenverstärker
bei #s betrieben. Das optische Ausgangssignal bleibt dabei unberücksichtigt. Der
Injektionslaser arbeitet als degenerierter negativer Widerstandsverstärker. Die
Trennung von elektrischem Ein- und Ausgangssignal kann z.B. durch einen Zirkulator
erfolgen.
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Beispiel 5: In den Halbleiterinjektionslaser wird ein optisches Signal
s2 eingekoppelt, das mit der Frequenz (0 in der Amplitude moduliert ist, Die Anordnung
wirkt als verstärkender Detektor für optische Signale, die mit der Frequenz w5 amplitudenmoduliert
sind. Zur Weiterverarbeitung läßt sich ein dem optischen Signal entsprechendes elektrisches
Signal auskoppeln.