DE2534889C2

DE2534889C2 - Verfahren zur Verstärkung der Modulationstiefe des optischen Ausgangssignals bzw. des durch Einkopplung eines optischen Signals erzeugten elektrischen Ausgangssignals eines Halbleiterinjektionslasers sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2534889C2
Application number: DE19752534889
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr.rer.nat. 8000 München Harth; Peter Dr. 7900 Ulm Russer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-08-05
Filing date: 1975-08-05
Publication date: 1981-09-24
Also published as: DE2534889A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung der Modulationstiefe des optischen Ausgangssignals bzw. des durch Einkopplung eines optischen Signals erzeugten elektrischen Ausgangssignals eines Halbleiterinjektionslasers, welcher mit einem Gleichstrom /„ oberhalb der Schwelle vorgespannt und zusätzlich elektrisch mit einem schmalbandigen Modulationssignal der Signalmittenfrequenz ω, bzw. durch Einkopplung des optischen, mit einem schmalbandigen Modulationssignal der Signalmittenfrequenz 10, modulierten Signals, moduliert wird.

Aus der DF-OS 23 30 310 ist ein Verfahren zur v; Pulsmodulation von Halbleiterlasern bekannt, bei dem durch Überlagerung eines Gleichstroms mit einem sinusförmigen Wechselstrom aufgrund der Nichtlineantat des Halbleiterlaser ein optisches Ausgangssignnl mit n.v'el'mpulsförmiger Modulation erzeugt wirci m> Diiu'i fine weitere Oberlagerung eines derartigen Strom«, du· b den Halbleiterlaser mit einem pulsförmi gen Modulafionssignät wird das Auftreteil dieser Nadelirnpulse gesteuert.

Aus den Zeitschriften »Electronics and Cörnmutiiea* tiöns in Japan«, Bd, 53-B (1970), Nr. 9, Seiten 69 bis 75 sowie »Electronics Letters« BcI, 9, Nr, 22 (1,11.1973), Seiten 532 und 533 ist die Großsignalmodulatiön von Halbleiterlasern bekannt, bei der ebenfalls pulsförmige Ausgangssigriale entstehen.

Weiterhin sind sogenannte parametrische Laserverstärker bekannt, bei denen eingekoppeltes Licht unter Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte verstärkt wird. Es gelingt dadurch, die Frequenz des von dem Laserverstärker ausgesandten Lichtes zu verändern. Bei derartigen optischen Verstärkern erweist es sich jedoch als schwierig, einen stabilen Betriebszustand einzuhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verstärkung der Modulationstiefe des optischen Ausgangssignals bzw. des durch Einkopplung eines optischen Signals erzeugten elektrischen Ausgangssignals eines Halbleiterinjektionslasers sowie eine .Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben mit gegenüber herkömmlichen optischen Verstärkern verbesserten Stabilitätseigenschaften.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale des Verfahrens gelöst sowie durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 angegebenen merkmale der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

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 ω_ο ein Maximum der Modulationstiefe des Ausgangssignals feststellbar ist. Durrh Modulation mit einer Frequenz ω_ρ=2ωο lassen sich beispielsweise im optischen Ausgangssignal neben der Frequenz ω_ρ und deren Harmonischen auch Subharmonische mit der Frequenz O)D erzeugen. Dieser Effekt kann zur Verstärkung eines mit der Frequenz ωο modulierten Signals durch Überlagerung eines Injektionsstroms mit der Frequenz ω_ρ = 2ωο ausgenutzt werden. Vorzugsweise werden dabei die Betriebsbedingungen derart gewählt, daß zwar noch keine Subharmonischen mit ωο erzeugt werden aber dem Verstärkerelement zugeführte Signale mit der Frequenz ωο entdämpft werden. Dies wird beispielsweise durch eine entsprechende Verstimmung der Resonanzfrequenz oder durch Bedämpfung über den Stromkreis erreicht.

In der nachfolgenden Beschreibung wird eine Modulation mit zwei Frequenzen betrachtet. Der dem Laser zugeführte Strom besteht aus einer Gleichstromkomponente /0 und zwei Wechselstromkomponenten mit Amplituden I_n und /, und Kreisfrequenzen ω_Ρ bzw. ω,, wobei ω,, etwa 2ω_α ist und ΐι>.<ω_ρ gilt.vorteilhafter weise entweder ω, oder ω_ρ— er;, im Bereich von M_n ist Dal-ei ist /_Pder Pumpstrom, während Ader Signalstrom ist. Es wird vorausgesetzt, daß I_n so groß ist. daß die Nirhilinearitäten des Systems wirksam werden daß jedoch iler Signalstrom /, derart klein ist. daß der Kleinsignalfall vorliegt.

Infolge der vorhandenen Niohtlinearitäten tritt eine Mischung der verschiedenen I reouen/anteik inf Fiir den betrachteten Fall wird dabei außer ω, und o;_r nur die Kreisfrequen/ ω.=·(»ρ-<·), bc.i-htet Die Nichtbeach tUng anderer Frequenzanleite ist dadurch gerechtfertigt, daß nur Frequenzen bei der Resonanzfrequenz des Lasers oder in deren unmittelbarer Nachbarschaft Von Interesse sind. Falls die Summenfrequeriz (O_p+(o_s ebenfalls in der Nähe der Resonanzfrequenz des Lasers ώο liegt, kann in den meisten Füllen eine Unterdrückung

durch einen äußeren Schwingkreis erreicht werden.

Das Verhalten des Lasers kann durch folgende Bilanzgleichungen beschrieben werden:

Dabei bedeuten:

dn

uns,

ds s ,

— = - — +gns, dt i_ph

η = Elektronendichte in der aktiven Zone des

Lasers

s = Photondichte in der aktiven Zone des Lasers

(1) / = Injektionsstrom

e = Elektronenladung

V = Volumen der aktiven Zone

p. Tsp = spontane Elektronenlebensdauer

ίο Tph = Photonlebensdauer.

Der Ausdruck gns in beiden Gleichungen bezieht sich auf die stimulierte Emission. Der Injektionsstrom I(t) hat die Form:

JU) = J₀ + γ (j_pa^J"^ + J*e. >»>>·+J,e·^' +J* e ""-'Y Die Elektronendichte n(t) und die Photondichte s(i) sind gegeben durch:

.rf/} = S₀ + —fs.

+ S* e

+ S, e"*^J + S* e

+ .V e'"-' + Sf e

N_O,S_O,N_P und S₁, ergeben sich in nachfolgender Form aus Großsignalberechnungen:

eV

S_n = ^f(J₀-JJ, eV

S_p = αΦ(α)8₀ζ">,

N₁, "j

Mit

Φ(α) =

Dabei sind /_οια) und Z₁Co) die modifizierten Besselfunktionen der Ordnung 0 und I. ound φ sind gegeben durch:

'"0 I ph Up

tan

i_ph (

φ(α)

£>„ = J_pIU_a -J₁₁,),

J„, -- eV/% r,_p t_ph. ω¹,,- U_n'J,,,- I )//,„/„*.

Die Amplituden M, S„ N₁ und 5, sind zunächst Signal- und Purnofrequenz mit dem Signalstrom unbekannt. Nach Einsetzen der Gleichungen (3) bis (5) in 60 verknüpft: (1) und (2) können die Gleichungen in bezug auf die Amplituden der Signal- bzw. Pumpfrequenzanteile ω, bzw, (up linearisiert werdem

Alle Großsignalamplituden sind aus den Gleichungen (6) bis (9) bekannt,' Anteile, die Produkte zweier Kleinsignalamplituden enthalten Werden dabei Vernachlässigt. Daraus ergibt sich ein lineares Gleichungssyjtem, welches die Elektron- bzw. Photondichten der

	S,	JJeV
	sr	0
A
	N,	0

Ml

(17)

■Im =

/III

(17a)

gS₀ + -^^ -J

(17b)

ίτ/Υο - -^

A₁₁ =

gS

(17c)
(I7d)

Die Auflösung der Gleichung (16) nach S, und
ergibt:

S*

- Λ|2 ^2

(18)

zusätzlichen Pumpstroms erheblich vergrößert werden kann.

Die weitere Beschreibung nimmt Bezug auf Fig.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 k und einer WechselstfOfnquelle Ip. Die Gleichstromquelle la dient zur Vorspannung des

ίο Halbleiterinjektionslasers 1 oberhalb seiner Laserschwelle. Da die Eigenresonanz der Modulationsüber· tragungsfunktion — mit Modulationsübertragungsfunktion wird im linearisierten Kleinsignalfall der Quotient von Hüllkurvenspektrum des optischen Ausgangssi-

la gnals und zugehörigem Spektrum des Modulalionssignals bezeichnet — von Ia abhängig ist, kann mit /o auch eine Abstimmung von o)o erfolgen. Die Eigenresonanzfrequenz der Modulationsübertragungsfunktion liegt bei Injektionslasern in der Größenordnung von etwa 10⁸-10^loHz. Die Pumpquelle I_n liefert einen dem Gleichstrom /o überlagerten Wechselstrom mit der Frequenz ωρ. Frequenzweichen 2, 2', 2", sind in die zu dem Halbleiterinjektionslaser 1 führenden Verbindungsleitungen eingeschaltet und dienen zur Entkopplung der dem Halbleiterinjektionslaser zugeführten Pumpströme und der Signalanteile. Der Laser selbsi:

übernimmt die Funktion des nichtlinearen Elemente« und de* Signalfrequenz-Resonanzkreises.

Mit einer derartigen Verstärkeranordnung können die nachfolgenden beispielhaft aufgeführten Verfahren zur Verstärkung eines dem Verstärkerelement züge führten Signals durchgeführt werden.

Beispiel 1

Zusätzlich zum Injektionsstrom la und I_p wird dem Halbleiterinjektionslaser 1 eine Komponente /_s mit der Frequenz ω, eingeprägt. Das Modulationssignal mit der Frequenz ω, wird entdämpft und die Modulationstiefe vergrößert. Die Verstärkung besteht in der Erhöhung

•ίο der Modulationstiefe. genügend nahe Abstimmung an den instabilen Bereich läßt sich eine beträchtliche Modulationsverstärkung erzielen, es wird dabei nicht

In F i g. 1 sind typische Ergebnisse dargestellt der Modulationstiefe der Photondichte für die Signalfrequenz Wj und die Pumpfrequenz ω_ρ als Funktion der normierten Signalfrequeriz ω^ωρ. Dabei wurden für die Parameter folgende Werte gewählt:

i_v/r_rh = 500

ft/4» = U5

Ia_nZu)_n = 1,4.

Im Falle e_p=0, das heißt ohne Pumpstrom, hat die Modulationsempfindlichkeit ein Maximum bei der Kleinsignalresonanzfrequenz. Offensichtlich ist keine Komponente der Hilfsfrequenz ω, vorhanden. Eine völlig andere Situation entsteht, wenn ein zusätzlicher Pumpstrom (e_p=0,9) mit einer Frequenz ω_ρ= 1,4 (öodem Laser zugeführt wird; die die Modulationsempfindlichkeit darstellende Kurve (nicht unterbrochene Linie) zeigt zwei Resonanzspitzen, bei ω,/ωρ=0,81 und 0,19. Diese beiden Resonanzfrequenzen treten auch in der Modulationstiefe (gestrichelte Linie) des Hilfssignals bei ω, auf. Aus dieser Darstellung ist entnehmbar, daß die Modulationstiefe des Signalanteils durch Anlegen eines stärkt, sondern nur der mit ω, modulierte Anteil der Emission stärker gegenüber dem Gleichanteil bzw. den mit ωρ modulierten Anteil hervorgehoben.

Beispiel 2

In den Halbleiterinjektionslaser 1 wird ein optisches Signal 52 eingekoppelt, das mit der Frequenz o>_s in der Amplitude moduliert isL Die optische Trägerfrequenz von J₂ soll dem Bandabstand in der aktiven Zone des Halbleiterinjektionslasers entsprechen, so daß durch J₂ die Elektronendichte in der aktiven Zone verringert

>5 wird. Weiterhin ist es günstig, daß die optische Trägerfrequenz von J₂ in einen Schwingungsmodus des Halbleiterinjektionslasers fällt, wobei es aber nicht erforderlich ist, daß die Trägerfrequenz von Ji identisch ist mit der Frequenz des im Laser erzeugten optischen

ω 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 and wirkt daher wie eine VerruiEeruns des

Injeklionsstromes. Ist die Strahlung in der Amplitude mil einer Frequenz (<h moduliert, so hat das die gleiche" Wirkung wie die Hinzufügung einer Stromkomponente beider Frequenz ω, zum Injektionsstfom.

Beispiels ^

Eine Weitere Betriebsart liegt vor, wenn der Schwingungsmodus 1 Von der einfallenden Strahlung angefaßt wird* In diesem Fall liegt die Kombination zweier pafametrischer Verstiirlungseffekte vor, nämlich der bereits bekannten optischen parametrischen Verstärkung der Trägerwelle und der hier behandelten pärariietrischeh Verstärkung des Mödülätiönssignäles. Die Auskopplung; erfolgt über das optische Signal s\, dessen Trägerfrequenz die Schwingungsfrequenz, des ι j Lasers ist;

Beispiel 4
Dem Halbleiterlaser wird ein mit bis modulierter

lniputirSncctpnrri Vnrrpfiinrt· Nylon ηιιΙ·3"Ι iprlnrti one- HoR m* die Entdämpfung auch auf der elektrischen Seite' erfolgt. Eine derartige Anordnung läßt sich auch als rein elektrischer Mikrowellenverstärker bei Cu₁ betrieben. Das optische Ausgangssignal bleibt dabei unberücksichtigt. Der Injektionslaser arbeitet als degenerierter negativer Widerstandsverstärker. Die Trennung von elektrischem Ein- Und Aüsgarigssighal kann L B. durch einen Zirkulator erfolgen.

Beispiel 5

In den Haibleitcrinjeklionsiaser wird ein optisches Signal si eingeköppelt, das mit der Frequenz ώ, in der Amplitude moduliert ist. Die Anordnung wirkt als verstärkender Detektor für optische Signale, die mit der Frequenz ojj',amplitudenmoduliert sind. ZUf Weiterverarbeitung läßt sich ein dem optischen Signal entsprechendes elektrisches'S£"riä! i5tiskc""e!n«

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 130 233/228

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verstärkung der Modulationstiefe des optischen Ausgangssignals bzw. des durch Einkopplung eines optischen Signals erzeugten elektrischen Ausgangssignals eines Halbleiterinjektionslasers, welcher mit einem Gleichstrom Ia oberhalb der Schwelle vorgespannt und zusätzlich elektrisch mit einem schmalbandigen Modulationssignal der Signalmittenfrequenz ω₅ bzw. durch Einkopplung des optischen, mit einem schmalbandigen Modulationssignal der Signalmittenfrequenz ω₅ modulierten Signals, moduliert wird, dadurch gekennzeichnet,daß der Halbleiterinjektionslaser zum Zwecke der Erzeugung einer parametrischen Verstärkung der Modulationstiefe des schmalbandigen Modulationssignals zusätzlich mit einem sinusförmigen Pumpsignal mit einer oberhalb des Frequenzbandes des Modulationssignals liegenden Pumpfrequenz m_r moduliert wird.

2. Optische /erstärkeranordnung zur Verstärkung der ivludüiaüonsiiefe des optischen Ausgangssignais bzw. des durch Einkopplung eines optischen Signals erzeugten elektrischen Ausgangssignals eines Halb-Ieiterinjektionslasers, welcher mit einem Gleichstrom L oberhalb der Schwelle vorgespannt und zusätzlich elektrisch mit einem schmalbandigen Modulationssignal der Signalmittenfrequenz ω₅ bzw. durch Einkopplung des optischen, mit einem schmalbandigen Modulationssignal der Signalmittenfrequenz ω₅ modulierten Signals, moduliert ist zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch eine Gleichstromquelle (k) zur Vorspannung des Verstärkerelements (1) ober- » halb der Laserschweile, eine PurrDstromquelle (Ip). eine Signalquelle (U) sowie zwischen dem Verstärkerelement (1) angeordnete Frequenzweichen (2, 2', 2").