DE2647014A1 - Optisch-elektronische vorrichtung, insbesondere zur lichtverstaerkung und/oder uebertragung - Google Patents

Optisch-elektronische vorrichtung, insbesondere zur lichtverstaerkung und/oder uebertragung

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DE2647014A1 DE19762647014 DE2647014A DE2647014A1 DE 2647014 A1 DE2647014 A1 DE 2647014A1 DE 19762647014 DE19762647014 DE 19762647014 DE 2647014 A DE2647014 A DE 2647014A DE 2647014 A1 DE2647014 A1 DE 2647014A1
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Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER
PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN ■ DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K.HOFFMANN . DIPL.-ING. W. LEH N D-8000 MDNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · TELEFON (089) 9Π087 · TELEX 05-29619 (PATHE)
'3.
Anwaltsakte 28 524
Xerox Corporation, Rochester, New-York/USA
Optisch-elektronische Vorrichtung, insbesondere zur Lichtverstärkung und/oder übertragung
Die Erfindung schafft eine optisch-elektronische Vorrichtung mit einer Kombination eines Lichtstrahlers und einer lichtempfindlichen Vorrichtung.
In einer bekannten Kombination eines Lichtstrahlers und einer lichtempfindlichen Vorrichtung wird durch einen elektrischen Eingangsstrom der Lichtstrahler angeregt, von der lichtempfindlichen Vorrichtung aufgenommenes Licht zur Erzeugung oder Modifizierung eines elektrischen Ausgangsstromes auszustrahlen. Eine solche Kombination kann als nicht-elektrische Kopplung zwischen zwei elektrischen Kreisen verwendet werden.
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In einer anderen bekannten Kombination eines Lichtstrahlers und einer lichtempfindlichen Vorrichtung wird durch den Lichteingang der lichtempfindlichen Vorrichtung ein elektrischer Strom erzeugt oder modifiziert, der von dort auf einen Lichtstrahler fließt, der einen Lichtausgang erzeugt, welcher zu dem Lichteingang der Kombination in Beziehung steht. Eine solche Kombination kann als Lichtverstärker oder Lichtübertrager verwendet werden.
Gemäß der Erfindung ist eine optisch-elektronische Vorrichtung geschaffen, welche eine lichtempfindliche Vorrichtung, die einen elektrischen Strom in Abhängigkeit von der Intensität des darauf auffallenden Lichtes erzeugt oder modifiziert, und eine lichtstrahlende Vorrichtung aufweist, die zum Ausstrahlen von Licht in Antwort auf den elektrischen Strom eingerichtet und so angeordnet ist, daß ein Teil des ausgesandten Lichtes auf die lichtempfindliche Vorrichtung aufgestrahlt wird, so daß dadurch eine positive Rückkopplung erhalten wird.
Eine optisch-elektronische Vorrichtung in übereinstimmmung mit der Erfindung wird nun beispielhaft beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Schaltschema einer äquivalenten Prinzipschaltung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine erste beispielhafte Ausführungsform der Vorrichtung,
Fig. 3 eine Draufischt auf eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung und
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Fig. 4 bis 6 schematische Schaltkreise alternativer Schaltungen, die verwendbar sind, wenn die lichtsendende Vorrichtung ein Laser ist.
Gemäß Fig. 1 sind eine lichtempfindliche Vorrichtung 1 und eine lichtausstrahlende Vorrichtung 2 so angeordnet und elektrisch verbunden, daß durch die lichtempfindliche Vorrichtung erzeugte oder modifizierte elektrische Ströme die Lichtausstrahlung durch die lichtaussendende Vorrichtung steuern. In dem gezeigten Äauivalenzkreis ist die lichtempfindliche Vorrichtung 1 eine in Sperrichtung vorgespannte Diode, wie eine Avalanche-Fotodiode, und die lichtausstrahlende Vorrichtung 2 ist eine in Durchlaßrichtung vorgespannte lichtemittierende Diode. In der Verwendung einer Avalanche-Fotodiode besteht der eine Weg, die für beste Ergebnisse in dem Kreis erforderliche elektronische Leistung oder Verstärkung zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich kann die lichtemittierende Diode zum Erbringen dieser Leistung oder Verstärkung ausgelegt werden. Die beiden Dioden sind über einen Leiter 3 elektrisch miteinander verbunden. Ihre entgegengesetzten Anschlüsse sind, wie gezeigt, an den positiven bzw. negativen Pol einer Gleichstromquelle angeschlossen. Die lichtempfindliche Vorrichtung 1 ist so eingerichtet, daß sie äußeres Eingangslicht 4 erhält, durch welches der im Leiter 3 fließende Strom in Abhängigkeit von der Intensität des Eingangslichtes 4 hervorgerufen oder modifiziert wird. Der im Leiter 3 fließende Strom bewirkt oder modifiziert seinerseits die Lichtemission der lichtemittierenden Vorrichtung 2. Die lichtemittierende Vorrichtung 2 ist so relativ zu der lichtempfindlichen Vorrrichtung 1 angeordnet, daß ein Teil des ausgestrahlten Lichtes, das in der Zeichnung als Rückkopplungslxcht 5 angegeben ist, auf die lichtempfindliche Vorrichtung 1 auftrifft, so daß dadurch eine positive Rückkopplungsschleife erhalten wird. Der Rest des ausgestrahlten Lichtes bildet das Ausgangslicht 6 der Vorrichtung.
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Durch einen Parallelwiderstand 7 für die lichtemittierende Vorrichtung 2 kann der Kreis für eine Schwellenbildung ausgelegt werden. Die Begrenzung kann erhalten werden durch einen Reihenwiderstand (nicht gezeigt) in der Stromquelle, oder durch die Sättigung des Ausgangs der lichtemittierenden Vorrichtung 2. Eine Rücksteuerung kann gegebenenfalls einbezogen werden durch Änderung der Vorspannung und daher der Leistung des Systems.
Wenngleich der Begriff "Licht" hier in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, ist die Erfindung ersichtlich nicht auf Vorrichtungen beschränkt, die nur sichtbare elektromagnetische Strahlung verwenden. Der Begriff "Licht" in dieser Beschreibung und den Ansprüchen soll vielmehr sowohl sichtbare als auch unsichtbare Strahlung abdecken, beispielsweise Infrarotstrahlung und Ultraviolettstrahlung umschließen.
Aus Fig. 2 ist eine Möglichkeit ersichtlich, die erfindungsgemäße Vorrichtung in monolithischer Form aus einer Anzahl von Schichten aus halbleitenden Materialien aufzubauen und zu konstruieren. Die oberste Schicht 8 ist η-dotiertes GaAs und die Mittelschicht 9 ist aus eigenleitendem (intrinsischem)GaAlAs. Diese beiden Schichten bilden an ihrem Übergang eine Avalanche-Fotodiode. Die unterste Schicht 10 ist aus P-dotiertem GaAl As, welche .axt der Mittelschicht 9 eine lichtemittierende Diode an ihrem Übergang bildet. Alle drei Schichten sind durchscheinend und wirkungsmäßig in Übereinstimmung mit Fig. 1 geschaltet, wobei die oberste Schicht 8 einen leitenden Kontakt 11 hat und die unterste Schicht 10 an einen leitenden Kontakt 12 über ein Zwischenglied 13 aus p-dotiertem GaAs angeschlossen ist. Die Kontakte 11 und 12 sind entsprechend an die positiven und negativen Ausgänge einer (nicht gezeigten) Stromquelle angeschlossen. Die Mittelschicht 9 ist sowohl der Fotodiode und der lichtemittierenden Diode gemeinsam und entspricht dem Leiter 3 aus Fig. 1.
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Auf die Außenfläche der obersten Schicht 8 auftreffendes Eingangslicht 14 regt einen entsprechenden Strom von dem Fotodiodenübergang zwischen den Schichten 8 und 9 über den lichtemittierenden Übergang zwischen den Schichten 9 und 10 an. Dieser STrom verursacht eine Lichtemission aus dem Übergang zwischen den Schichten 9 und 10, wobei ein Teil dieses Lichtes, wie in der Zeichnung als Rückkopplungslicht 15 dargestellt, auf den Fotodiodenübergang zwischen den Schichten 8 und 9 auftrifft. Hierdurch wird die positive Rückkopplungsschleife eingerichtet, die oben unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben ist. Der Rest des vom lichtemittierenden Übergang ausgestrahlten Lichtes stellt das Ausgangslicht 16 der Vorrichtung dar.
Der Leckstrom über den lichtemittierenden Übergang sorgt als Äquivalent zu dem Parallelwiderstand 7 aus Fig. 1 für eine Schwellenbildung.
Durch Verwendung geeigneter physikalischer und elektrischer Gestaltung kann der lichtaussendende Übergang als Halbleiter-Laser betrieben werden. Eine solche mögliche Gestaltung ist aus Fig. 3 ersichtlich. In der gezeigten Auslegung sind eine Avalanche-Fotodiode 17 und ein Laserstrahlen aussendender Halbleiterbereich 18 Seite an Seite auf einem gemeinsamen Substrat 19 ausgebildet. Über einen Fotodiodenkontakt 20, einen Laserkontakt 21 und einen Substratkontakt 22 sind in Übereinstimmung mit einem der Kreise aus den Fig. 4,5 und 6 elektrische Anschlüsse hergestellt. In einer geeigneten Auslegung befinden sich die Vorrichtungen 17 und 18 auf einem isolierten Bereich des Substrates, der an den Rest des Substrates über einen (nicht gezeigten) Widerstand angeschlossen ist, so daß ein Kreis der aus Fig. 5 ersichtlichen Art gebildet ist.
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In dem Fall, in welchen die lichtemittierende Vorrichtung ein Laser ist, kann es erforderlich sein, eine Vorspannung vorzusehen, die so ausgelegt ist, daß der Laser nahe an seine Laserschwelle gebracht ist. Unter diesen Bedingungen kann die Vorrichtung in einen der aus den Fig. 4,5 und 6 ersichtlichen Kreise einbezogen werden.
In den Figuren 4,5 und 6 sind drei alternative Kreise gezeigt, die einen Laser einbeziehen. In diesen Figuren sind denen aus Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In Fig. 4 hat die lichtemittierende Vorrichtung 2, in diesem Fall ein Laser, eine eigenleitende (intrinsische) Schwelle. Die erforderliche Vorspannung,um diese Schwelle auszubilden, wird durch einen Widerstand 23 erhalten, der parallel mit der Fotodiode 1 geschaltet ist. Aus Fig. 5 ist ein Kreis ersichtlich, durch welchen unabhängig gesteuerte Schwellen erhalten werden, was über die Anschlüsse 24 und 25 erreicht wird, wobei der Anschluß 25 an den Leiter 3 über einen Widerstand 26 angeschlossen ist. Aus Fig. 6 ist ein Kreis ersichtlich, durch welchen eine Laser-Schwellensteuerung geschaffen ist. Die auf den Leiter 3 aufgebrachte Vorspannung wird über eine Diode 27 und einen Steigerungs-Feldeffekttransistor 28 zugeführt, die wie aus Fig. 6 ersichtlich geschaltet sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet Anwendung als kompakter Lichtverstärker oder Lichtübertrager. Sie kapn beispielsweise als Übertrager und Verstärker bei der Lichtübertragung entlang optischer Fasern verwendet werden.Eine Kette von jeweils in Übereinstimmung mit der Erfindung gestalteten Übertragern, die in Abständen entlang des Lichtleit-Kabels angeordnet sind, führen zu einer leistungsfähigen Übertragungslinie großer Länge. Falls die optische Rückkopplung zwischen dem Ausgang des einen über-
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-a.
tragers und dem Eingang des in der Kette vorhergehenden Übertragers sich als problematisch erweisen sollte, ist es möglich, die in der Kette jeweils folgende lichtempfindliche Vorrichtung auf eine Lichtaufnahme für Licht
die
einer größeren Wellenlänge alsi der vorangehenden Vorrichtung auszulegen. Die Empfindlichkeit der lichtempfindlichen Vorrichtung des ersten Übertragers in der Kette wird auf Licht mit Wellenlängen bis hinauf zu der Wellenlänge des aus seiner zugeordneten lichtemittierenden Vorrichtung ausgestrahlten Lichtes ausgelegt. Bei einer demgegenüber geringeren Eingangswellenlänge arbeitet der Übertrager wie oben erläutert und strahlt Licht mit einer größeren Wellenlänge als die an seinem eigenen Eingang zu der lichtempfindlichen Vorrichtung des nächsten Übertragers in der Kette aus. Dieser seinerseits ist in seiner Empfindlichkeit auf das vom vorangehenden Übertrager erhaltene Licht und auf größere Wellenlänge bis hinauf zu der Wellenlänge des von seiner zugeordneten lichtemittierenden Vorrichtung ausgestrahlten Lichtes ausgelegt. Durch eine solche Anordnung ist die Wellenlänge des von dem zweiten Übertrager ausgesendeten Lichtes zu lang als daß ein Eingang in dem vorangehenden Übertrager in der Kette erzeugt werden könnte. Jedoch kann eine solche Rückkopplung in einigen Systemen jedenfalls vernachlässigt werden, da das Licht durch die lichtempfindliche Vorrichtung des zweiten Übertragers zurück entlang dem Lichtleit-Kabel und dann durch die lichtemittierende Vorrichtung laufen muß, bevor es auf die lichtempfindliche Vorrichtung des ersten Übertragers einwirken kann.
Alternativ kann der elektrische Ausgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Hochempfindlichkeitsdetektor verwendet werden. Solch ein Detektor kann rauschärmer sein, als eine Silizium-Avalanche-Fotodiode. Die Vorrichtung hat
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die Vorteile, daß die Schwellenbildung und Begrenzung einfach vorgenommen werden kann und daß sie zu einer Reduktion der erforderlichen Multiplikation oder des erforderlichen Verstärkungsfaktors führt, verglichen mit einer ähnlichen Vorrichtung ohne optische Rückkopplung, sei es als Lichtverstärker oder als elektrischer Detektor. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem für eine große Bandbreite in den elektronischen Eigenschaften sorgen, wenn sie geeignet konstruiert wird.
Wenngleich besondere Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben sind, können ersichtlich verschiedene Modifikationen von dem Fachmann durchgeführt werden, ohne daß dadurch vom Erfindungsgedanken abgewichen wird, der insbesondere aus den Ansprüchen ersichtlich ist.
- Patentansprüche -
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    1J Optisch-elektronische Vorrichtung mit einer lichtempfindlichen Vorrichtung, durch welche ein elektrischer Strom in Abhängigkeit von der Intensität des auf sie auffallenden Lichtes erzeugt oder modifiziert wird,und einer Licht in Antwort auf den elektrischen Strom aussendenden lichtemittierenden Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Vorrichtung (2) so angeordnet ist, daß ein Teil (5) des abgestrahlten Lichtes unter Erzeugung einer positiven Rückkopplung auf die lichtempfindliche Vorrichtung (1) auftrifft.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Vorrichtung auf Licht anspricht, welches außerhalb der Vorrichtung erzeugt wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Vorrichtung für eine Übertragung eines Teiles des abgestrahlten Lichtes aus der Vorrichtung heraus eingerichtet ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Vorrichtung und die lichtempfindliche Vorrichtung Halbleiterübergangs-Dioden sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden in einer monolitisehen Struktur enthalten sind.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Vorrichtung eine Avalanche-Fotodiode ist.
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  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Vorrichtung ein Laser ist.
  8. 8. Optisch-elektrische Vorrichtung gekennzeichnet durch eine aus der Zeichnung und/oder Beschreibung ersichtliche Gestaltung oder Auslegung.
    709818/1 OSS
DE19762647014 1975-10-24 1976-10-18 Optisch-elektronische vorrichtung, insbesondere zur lichtverstaerkung und/oder uebertragung Pending DE2647014A1 (de)

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