DE2747228A1 - Verfahren und vorrichtungen zur anwendung der verstaerkenden und bistabilen eigenschaften eines in einem resonator eingeschlossenen nichtlinearen mediums - Google Patents

Description

27A7228

Beschreibung

I I Il Ml I I ■ II» I Il j

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen, mit denen optische Signale verstärkt oder geschaltet werden können, ohne daß eine Zwischenumformung des optischen Signals in ein elektronisches Signal erforderlich wäre. Bei den Vorrichtungen werden die Eigenschaften eines nichtlinearen Mediums so gesteuert, daß bei Kombination mit den Ubertragungseigenschaften eines Resonators eine Verstärkung oder ein Schalten des optischen Signal3 erhalten wird.

Integrierte optische Schaltungen, die in Größe und Funktion mit integrierten elektronischen Schaltungen vergleichbar sind, würden es dem Konstrukteur ermöglichen, mit optischen Signalen in praktisch der selben Weise zu arbeiten, wie dieses derzeit mit elektrischen Signalen geschieht. Eine Umsetzung des optischen Signals in ein elektronisches Signal würde, wenn überhaupt, nur an den Endstellen des Übertragungssystems auftreten. Sämtliche Verstärkungs- und Schaltoperationen würden an dem Signal in dessen optischer Form ohne zwischengeschalteter elektronischer Bausteine durchgeführt werden. Die Realisierung vollständig integrierter optischer Schaltun-

809819/0646

gen hat sich bisher mangels eines vernünftigen optischen Verstärkers nicht durchführen lassen, mangels eines Bauelementes also, das dem Transistor ähnlich ist, aber keine zv/ischengeschaltete elektronische Bauelemente erfordert. Mit der vorliegenden Erfindung wird nun ein solcher optischer Verstärker verfügbar gemacht.

Entsprechend der Erfindung werden die Übertragungseigenschaften eines nichtlinearen Mediums ausgenutzt. Diese Eigenschaften sind, wie gefunden wurde, so steuerbar, daß Bereiche für Verstärkungsbetrieb oder einen bistabilen Betrieb erhalten werden können.

Die speziellen Eigenschaften nichtlinearer Absorptionsmedien sind seit langem bekannt. Im allgemeinen wird auf ein lineares Absorptionsniedium auftreffendes Licht während seines Durchganges durch das Medium in der Intensität entsprechend der Beziehung

verringert. In Gleichung (1) steht I_Q für die anfängliche Strahlintensität, ferner I_L für die Intensität im Abstand L im Medium und ß für den Absorptionskoeffizienten, der die Absorptionceigenschaften des Mediums kennzeichnet. Für ein gegebenes Medium ist ß eine bekannte Funktion der Yfellenlange des einfallenden Strahlenbündels und gibt große Zunahmen im

809819/0646

Bereich der Grumlzustandüänderungen wieder. So ist beispielsweise jm Falle eines Gases die Absorption bei Jener Wellenlänge sehr stark, welche einen der Grundzuctände mit einem angeregten Zugtend verknüpft.

Trotz der starken Absorption des einfallenden Strahlenbündels im Bereich eines Übergänge:; v.oirde gefunden, daß bei Erhöhung der Strahlintensität ein Bareich auftritt, in dem die absorbierte Energie eil) Maximum erreicht. Dieses tritt auf, wenn die Intensität des Strahlenbündels ausreichend hoch ist, um etwa die Hälfte der Atome auf den oberen Zustand "anzuregen". Im Gleichgewichtszustand i.ot dieses die größte Anzahl Atome, die sich bei einer gegebenen Zeit im oberen Zustand befinden können. Unter diesen Umständen wird jedes zusätzliche, auf das Gas einfallende Licht nicht mehr absorbiert. Man sagt dann, daß das Medium ausgebleicht oder gesättigt ist. Vor kurzem ist gezeigt worden, daß die Ubertraguugseigenschaften eines optischen Resonators beachtlich geändert werden können, wenn dieser mit einem derartigen sättigbaren Absorptionsmedium gefüllt wird. Ein einfaches heuristisches Argument sei zur Demonstration dieses Sachverhaltes angeführt.

Ein leerer optischer Resonator besteht aus zwei Planspiegeln hohen Reflexionsvermögens, die unter einem gegenseitigen Abstand L voneinander angeordnet sind. Y/enn Licht der Inten-

809819/0646

sität Iq senkrecht auf einen Spiegel einfällt, dann wird ein Betrag IqT in den Resonator übertragen. T bedeutet hier die Durchlässigkeit des betroffenen Spiegels und ist generell kleiner als Eins. Befindet sich das Licht einmal im Inneren des Resonators, dann wird es zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert, wobei einiges Licht, von den Spiegeln bei jedem Durchgang durchgelassen wird. \Jenn der Abstand zwischen den Spiegeln ein ganzzahliges Vielfaches der halben optischen Wellenlänge ist, dann sagt man, daß der Resonator mit dem Licht in Resonanz ist, und das Licht wird dann mit wenig Verlust übertragen. Diese Übertragung tritt infolge verstärkender Interferenz des Lichtes auf, die jedem Durchgang an den Spiegeloberflächen zugeordnet ist. \Ierm diese Bedingung erfüllt ist, dann ist die Intensität innerhalb des Resonators, die sogenannte Intraresonator-Intensität I«, annähernd gegeben durch

¹T

wobei I_T die übertragene Intensität ist. Da bei Resonanz

I_T * I₀ (3)

ist, erhält man

¹C = V^T > ¹O

809819/0646

Die Lichtintensität innerhalb des Resonators ist größer als die des am Resonator einfallenden Lichtes, und zv/ar wegen der Intraresonator-Vielfachreflcxionen.

Alsdann werde der Resonator mit einem sättigbaren Absorptions· medium gefüllt, das sich bei Bestrahlung mit Licht der Intensität Ig sättigt. V/enn Licht der Intensität Iq senkrecht auf eine der Platten des Resonators auftrifft, dann schwindet die in den Resonator übertragene Intensität

¹TC - ¹O^{1 (5)}

exponentiell mit dem Abstand entsprechend Gleichung (1). Als Ergebnis dieses Schwundes erreicht nur sehr wenig Energie den zweiten Spiegel, und v/irksame Mehrfachreflexionen treten nicht auf. V/enn jedoch die in den Resonator übertragene Leistung 1^ gleich Ig ist

¹TC ^{β 1}S

dann ist die in den Resonator eintretende Intensität ausreichend hoch, um das Absorptionsmedium zu sättigen, so daß jedes zusätzliche Licht das Medium durchlaufen wird als ob dieses nicht vorhanden wäre. Unter diesen Bedingungen sagt man, daß der Resonator eingeschaltet ist. Aus Gleichungen £>) und (6) ergibt sich, daß die einfallende Intensität, die den Re-

8098 1 9/0646

sonator einschalten wird, gegeben ist durch

¹OEIn = V^T

Es sei nun der Fall betrachtet, daß der Resonator eingeschaltet ist und daß die einfallende Intensität erniedrigt wird. Hieraus soll die Intensität beobachtet v/erden, bei der der Resonator wieder 'ausschaltet". Aus der obigen Erörterung sieht man, daß das Medium aufhört, übertragend zu sein, wenn die Intraresonator-Intensität unter Ig abfällt. Die Intraresonatorintensität ist Jedoch gegeben durch Gleichung (4)

Die Abschaltbedingung wird dann

¹C - ¹S - V^T

I₀ Aus = IgT (9)

Wenn die einfallende Intensität kleiner als IgT wird, dann schaltet der Resonator aus. Zwar ist das obige Argument nur qualitativ, ein Vergleich von Gleichung (7) mit Gleichung (9) zeigt aber, daß, weil T kleiner als 1 ist, die einfallende Intensität, bei der der Resonator einschaltet, größer ist als diejenige Intensität, bei der der Resonator ausschaltet.

809819/0646

_₁₆- 27A7228

Folglich kann zvar die Leistung innerhalb des Resonators in eine eindeutige Beziehimg zur übertragenen Leistung gesetzt v/erden, aber die Verknüpfung ".wischen Ri.ngangslcistung und Resonatorleistimg und folglich die zwischen Eingangsund Ausgangsleistung ist doppeldeutig.

Das hiernach gegebene Bistabilitätsverhalten ist erstmals in der US-PS 3 610 731 beschrieben worden und wurde dann entsprechend US-PS 3 813 605 (Szoke) zur Erzeugung kurzer optischer Impulse variabler Impulslänge angewandt. Szoke nennt in diesem Zusammenhang v/eitere Anwendurjranöglichkeiten, v/ie Rechteckwellenverstärkung, Inversion und Triggerung. Es findet sich Jedoch koterlei Hinweis, daß eine solche Vorrichtung anders als in einem absorptiven bistabilen Mode betrieben werden könnte. Mit der vorliegenden Erfindung wurde nun gefunden, daß unter gewissen Betriebsbedingungen eine hauptsächlich dispersive bistabile Vorrichtung realisiert werden kann. Da die erfindungsgemäße bistabile Vorrichtung in erster Linie dispersiv ist, zeigt sie wesentlich weniger Dämpfung als die absorptive bistabile Vorrichtung. Mit der Erfindung wurde demgemäß auch bestimmt, daß unter gewissen Betriebsbedingungen der Bistabilitätsbereich in eine eindeutige Beziehung mit differentieller Verstärkung entartet. Auf diese Weise wird eine neue Vorrichtung zur Verstärkung von Lichtsignalen realisiert. Diese Vorrichtung rührt von einem vertieften Ver-

809819/0646

ständnis der Übertragungseigenschaften eines Resonators her, in dessen Inneren sich ein nichtlineares Medium befindet. Die vresentlichen Elemente dieses verbesserten Modells sind nachstehend beschrieben.

Die Erfindung ist demgemäß auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verstärken optischer Signale gerichtet, ohne daß hierzu elektronische Verstärker benötigt würden. Es wurde gefunden, daß die Absorptions- und Dispersionseigenschaften eines nichtlinearen Mediums mit den Übertragungseigenschaften eines Resonators so kombiniert werden können, daß eine Verstärkung zeigende Eingangs/Ausgangs-Kennlinie erhalten wird. Zusätzlich können die Mediums- und Resonatoreigenschaften so kombiniert v/erden, daß ein Bereich hauptsächlich dispersiver Bistabilität erhalten wird.

Im einzelnen ist die Erfindung in den Patentansprüchen angegeben und nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Resonators,

Fig. 2 und 3 Diagramme zur Darstellung der Beiträge der einzelenen nichtlinearen Phänomene zur Bistabilität,

809819/0646

Fig. A und 5 Diagramme zur Darstellung der verschiedenen nichtlinearen Phänomene für eindeutige (einwertige) Verstärkung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit einem nichtlinearen Festkörpermedium,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung, bei der das nichtlineare Medium gasförmiges Na ist,

Fig. 8 eine schematische Darstellung der angesteuerten und nichtangesteuerten Zustände,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Rubin-Vorrichtung und

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Rubin-Lasers.

Es sei ein leerer Resonator betrachtet, der aus zwei reflektierenden Oberflächen - in Fig. 1 als Spiegel I«L und M₂ bezeichnet - besteht, die je ein übertragungsvermögen T und ein. Reflexionsvermögen R haben und im Abstand L voneinander angeordnet sind. Die reflektierenden Flächen können als Spiegel oder als Beugungsgitter vorliegen, der Einfachheit halber werden sie Jedoch als Spiegel bezeichnet. Von den Spiegeln sei angenommen, daß sie verlustlos sind, also R und T sich zu Eins summieren. Der Resonator kommt für unter einem Winkel

809819/0646

von 90° einfallendes Licht der Wellenlänge λ in Resonanz, wenn die Bedingung

L = S^- + k (10)

erfüllt ist, wobei m eine ganze Zahl ist und k eine Konstante ist, die vom Spiegelmaterial abhängt. In der ganzen nachstehenden Erörterung kann der Resonator als ein Fabry-Perot-Resonator aufgefaßt werden. Ferner sei E_Q das dem einfallenden Licht zugeordnete Eingangsfeld, E^ das dein außerhalb des Resonators reflektierten Licht zugeordnete Feld und E,„ das dem übertragenen (durchgelassenen) Licht zugeordnete Feld, während Ep und Eg die der Vorwärts- bzw. Rückwärts-Lichtkomponente zugeordnete Felder innerhalb des Resonators sind. Dann ergibt sich aus der Definition von Übertragungs- und Reflexionsvermögen an der Stelle Z=O, wenn Z den Abstand vom linken Spiegel in Richtung auf den rechten Spiegel bedeutet ,

E_T = PF E_F (11)

E_B = fREp (12)

An der Stelle Z=L gilt die folgende Bedingung (in Matrix form)

809819/0646

Hierin ist e ^F ein Phasenfaktor, der dem Durchgang der Wellen, die den elektromagnetischen Felder zugeordnet sind, durch den Resonator zugeschrieben ist, und es gilt

φ = -L- 4T (MODULO 2"T) (14)

A*

Da der Resonator als anfänglich leer angenommen ist, vermindern sich die Intraresonator-Felder v/ährend ihres Durchlaufs durch den Resonator nicht.

Es sei nun das Eingangsfeld Eq, ausgedrückt durch das übertragene Feld Em, errechnet. Aus Gleichung (13) ergibt sich

E_F = /T^-E₀ +[Re¹^Eg (15)

Folglich gilt

S- (16)

Aus Gleichungen (11) und (12) eigj-bt sich jedoch für Z = O

= Pf- E_T (17)

Da im Resonator kein Medium vorhanden ist, gilt weiterhin

'B

Z=L

80981 9/0646

(18)

Z=O

deshalb kann der aus Gleichung (17) erhaltene V/ert für E_ß in Gleichung (16) eingesetzt v/erden. Wenn weiterhin und mit der selben Berechtigung der V/ert von Ep aus Gleichung (11) in Gleichung (16) eingesetzt wird, erhält man

^Eo =

Bei Abstimmung des Resonators auf Resonanz wird

e¹^ = 1 (20)

Man erhält also aus Gleichung (19)

E₀ β E_T (bei Resonanz) (21)

Dieses ist die einfache Resonanzbedingung für 100 ?oige Übertragung und zeigt die Gültigkeit des vorliegenden Modells.

Es sei nun der Resonator als mit einem nichtlinearen Medium, beispielsweise einem sättigbaren Absorptionsmedium, gefüllt betrachtet. Zu ErIäuterungszwecken seien dazu die tatsächlichen Resonatorbedingungen durch die Annahme angenähert, daß das Medium optisch dünn ist und daß Absorption nur in der Komponente E_ß auftritt. Die in Gleichungen 11, 12 und 13 enthaltenen Randbedingungen sind gleichermaßen für einen ein absorbierendes Medium enthaltenden Resonator gültig. Folglich

809819/0646

gilt bei Z = L

E_p(0) - /Te¹* E₈(O)
E₀(L) = —ti ~- § (22)

^υ Γ

und aus Gleichungen (2) und (35) erhält man

E_F(0) = 2

E_B(0) = /-f. E

Als Ergebnis der Annäherung, daß die Absorption innerhalb
des Resonator« nur die Koraponente E_ß beeinflußt, ergibt sich

E_F(0) = E_F(L) (24)

Andererseits wird E_ß durch das Resonatormedium beeinflußt,
ein Zustand, der ausgedrückt werden kann durch

E_B(L) = E_B(0) - G'v (25)

Hierin ist G'v die Änderung des Feldes wegen dessen Wechselwirkung mit dem Medium, und Gleichung (25) gibt die resultierende Verringerung von E„ wieder, wenn die zugeordnete Welle den Resonator durchquert. Beachte daß G'v selber von der Feldamplitude abhängig ist. Durch Kombination von Gleichungen (22) bis (25) erhält man

809819/0646

E₀ = E_T () + Ge¹K (26)

Hierin ist

G = -|- G' (27)

Entsprechend der Annahme eines optisch dünnen Mediums gilt näherungsweise

e¹** =i 1 + irf (28)

so daß aus Gleichung (26)

E₀ ^ E_T - irf ξ E_T + G ν (29)

erhalten wird. Hierbei ist der zweite Ausdruck auf der rechten Seite von Gleichung (29) in der Annäherung niedrigster Ordnung beibehalten, und zwar wegen des im allgemeinen großen Wertes von R/T.

Gleichung (29) verkörpert die Beziehung zwischen dem dem Resonator präsentierten Licht und dem vom Resonator übertragenen Licht. Obgleich Gleichung (29) sich auf Feldamplituden bezieht, existiert die selbe qualitative Beziehung zwischen den Intensitäten des einfallenden bzw. übertragenen Lichtes. Während im Vorliegenden nur Absorption betrachtet ist, ist die

809819/0646

Größe ν, die in Gleichung (29) erscheint und komplex ist, sowohl die dispersive als auch die absorptive Natur des nichtlinearen Mediums wieder. Eine v.-eitere Analyse der Gleichung (29) führt sowohl zu bistabilen als auch verstärkenden Eigenschaften entweder absorptiven oder hauptsächlich dispersiven Ursprungs.

Zur Vereinfachung der Diskussion von Gleichung (29) sei angenommen, daß ν reell und vollständig absorptiv ist und daß φ = 0. Es ißt bekannt, daß ν eine Funktion der Intensität und folglich eina Funktion von K^ sein kann. In Fig. 2 ist das allgemeine Verhalten von G ν als E_T,EQ-Diagramm dargestellt. Unter Vernachlässigung den ji-Terins ist Gleichung (29) in Fig. 2 gleichfalls dargestellt. In Fig. 3 ist Gleichung (29) bei vertauschten Koordinaten, also im EQ,Em-Diagramm dargestellt. Im Bereich zwischen E^ und E₂ ist die Kurve mehrdeutig, und man erhält ein Bistabilitäts-Verhalten, wie dieses in den US-PSen 3 610 731 und 3 813 605 beschrieben ist. Als direktes Resultat der vorliegend gewonnenen Einsichten ergibt sich jedoch, daß G ν geändert werden kann, um die Form der Ausgangskurve zu ändern. So wird beispielsweise G ν in Fig. 4 so geändert, daß die in Fig. 5 dargestellte Ausgangskurve eindeutig wird und einen Bereich mit Verstärkung hat. Obgleich diese Resultate anhand der elektromagnetischen FeI-

80981 9/0646

-25- 274/228

der gewonnen sind, sei betont, daß dieselben qualitativen Beziehungen zwischen den einzelnen Lichtintensitäten existieren. Wenn φ von Null verschieden ist, was den Umstund wiedergibt, daß der Resonator, wenn leer, verstimmt ist, ist ein zusätzlicher Term verfügbar, der geändert v/erden kann, um in der Ausgangskurve Verstärkungseigenschaften zu erhalten. Weiterhin ist im allgemeinen die Größe ν komplex und schließt die dispersiven Qualitäten des Mediums ein, die gleichfalls zur Steuerung der Ausgangseigenschaften des Resonators geändert werden können. Ein notwendiges Charakteristikum der vorliegenden Erfindung ist, daß das nichtlincare Medium ein Positivtemperatur-Medium ist. Ein Positivternperatur-Medium ist ein solches, dem eine Besetzungsumkehr des Typs fehlt, wie dieser für eine Laser-Wirkung in der beschriebenen Vorrichtung notwendig ist.

Während die obigen Gleichungen zur Demonstration der einem von einem Resonator umschlossenen nichtlinearen Medium zugeordneten Verstärkungs- und Bistabilitätsphänomene ausreichend sind, werden die meisten praktischen Anwendungsfälle die Lösung genauerer Gleichungen mit einschließen. Solche Gleichungen sind teilv/eise in der Arbeit von S. K. McCaIl, Jr. in Physical Review, April 1974 (Vol. 9), Seite 1i?22 beschrieben. Hiernach sind die genaueren Gleichungen, die die Intraresonator-Felder beschreiben, gegeben durch

80981 9/0646

(O) E_F + 6 (2K) Ε_Β

Ε_Β - t (-2K) E_F (30)

Diese Gleichungen erhält man durch Lösen der Maxwellschen Gleichungen unter Berücksichtigung der Beschränkungen, die durch das nichtlineare Medium eingeführt werden. Die ö-Terme geben die nichtlinearen Eigenschaften des Mediums wieder. Im Gegensatz zu den Gleichungen in dem vorstehend erwähnten Artikel müssen hier die Größen in Gleichung (30) als komplex betrachtet werden, um sowohl absorptive als auch dispersive Phänomene zu erfassen.

Für den praktischen Anwendungs£2.1 wird Gleichung (30) mit den vom Resonator diktierten Randbedingungen kombiniert und man erhält einen Ausdruck für die übertragene Intensität in Abhängigkeit von der einfallenden Intensität. Diese Beziehung, die iia allgemeinen nicht analytisch sein wird, ist gegeben durch

I_T = F (I₀, M, C) (3D

Hierin bezeichnet F eine detaillierte funktionelle Verknüpfung, Iq und Im sind die Werte der einfallenden bzw. übertragenen Intensität und sind durch die Absolutwerte des Quadrates ihrer zugeordneten Felder gegeben, während M und C medium- bzw. resonatorabhängige Parameter sind. Die vollständige Lösung, die

80981 9/0646

-27- 27A7228

durch Gleichung (31) dargestellt ist, ist vieldimensional und hängt von den Parametern Iq, M und C ab. Entsprechend der Lehre und Durchführung der vorliegenden Erfindung gibt es jedoch bestimmte Vierte dieser Parameter, für die Gleichung (31) eindeutig wird und einen Bereich differentieller Verstärkung liefern. Die hiernach erfolgende Lösung der obigen Gleichungen wird Bereiche hauptsächlich absorptiver oder hauptsächlich dispersiver Verstärkung liefern, ferner Bereiche kombinierter absorptiver und dispersiver Verstärkung sowie ähnliche Bereiche, in denen Bistabilität vorhanden ist, und zwar durchweg in Abhängigkeit von den Größenbereichen der Parameter Iq, M und C. Die Lösung der entsprechenden Gleichungen und die Bestimmung und Auswahl der Untergruppe, die die erf5.ndungsgemäßen Anforderungen erfüllen wird, wird anhand der Beschreibung für den Fachmann leicht verständlich werden.

nui-julehiv-ii

Weiterhin wird.beschrieben, daß zusätzlich zu den bistabilen Eigenschaften, die auf den ausschließlich absorptiven Eigenschaften eines in einem Resonator eingeschlossenen nichtlinearen Mediums beruhen, weitere und wesentlich breitere Betriebsarten möglich sind. Demgemäß können Bistabilität und Verstärkung, die sowohl dispersiven als auch absorptiven Eigenschaften des Mediums zugeordnet sind, die Basis neuer funktioneller Bauelemente bilden. Die Eigenschaften des Mediums und des Resonators können dahingehend geändert werden, um einen bistabilen

809819/0646

Betrieb oder einen auf einer eindeutigen Kennlinie beruhenden Veriitärkungsbotrieb zu erzeugen, wobei beide Betriebsarten entweder absorptiven oder dispersiven Ursprungs oder eine Kombination hiervon sein können. Die Eigenschaften, die solcherart variiert werden können, umfassen die Dichte des Mediums, dessen Länge, dessen Temperatur, dessen Fremdstoffgehalt, den Abstand der Spiegel und deren gegenseitige Orientierung, die Orientierung, Polarisation, Intensität und Frequenz des in den Resonator eintretenden Lichtes ebenso wie die Einführung von mehr als einem Lichtstrahlenbündel in den Resonator. Es leuchtet ein, daß die Natur des nichtlinearen Mediums ob gasförmig, flüssig oder fest - unwesentlich ist, solange das Medium nur hinreichend flexible Eigenschaften derart hat, daß die erforderlichen Ausgangseigenschaften erhalten werden. In sowohl dem absorptiven als auch dem dispersiven Mode braucht der leere Resonator nicht auf Resonanz abgestimmt zu sein. Der Resonator kann aus jedem Material geeigneten Reflexionsvermögens aufgebaut sein. Während die Frequenz - je nach Medium - irgendwo im elektromagnetischen Spektrum liegen kann, wird wohl hauptsächlich der optische Spektralbereich in Frage kommen, der sowohl den UV-Bereich (50 bis 450 nm) als auch den 1R-Bereich (750 nm bis 25 Mikrometer) neben dem sichtbaren Bereich (450 bis 750 nm) umfaßt.

Bei einer Au.oführungsform der Erfindung ist ein nichtlineares

809819/0646

Pestkörpermaterial mit stirnseitigen Spaltflächen vorgesehen, um die reflektierenden Resonatorflächen zu erhalten, die zur weiteren Erhöhung des Reflexionsvermögens noch vorteilhaft beschichtet sind. Beispielhafte Materialien für die dicpersiven Vorrichtungen sind Jene, die die Bedingung In₂I >10"¹^ cin²/statvolt erfüllen, wobei n₂ der Koeffizient desjenigen Terms im feldabhängigen Brochungsindex ist, v/elcher quadratisch in der Feldstärke ist. Eine Vorrichtung mit einem nichtlinearen Festkörperraedium ist in Fig. 6 dargestellt. Dort ist 11 das nichtlineare Festkörperraediuin. Die beschichteten Spaltflächen sind mit 12 bezeichnet. Ein Parameter/ zur Fixierung des Betriebsbereiches variiert v/erden kann, ist die Länge des Mediums. Zu diesem Zweck können piezoelektrische oder elektrooptische Effekte ausgenutzt werden. Im in Fig. 6 dargestellten Fall sind hierzu zwei piezoelektrische Elemenxe 13 vorgesehen. Die optische Signalquelle ist bei. 14 angeordnet, und der Detektor bei 15.

Als das Festkörpermodiuia können nichtlineare Halbleitermaterialien verwendet v/erden. So kann beispielsweise InSb sowohl für dispersive Verstärkung als auch Bistabilität bei einer Eingangswellenlänge von 10,8 Mikrometer benutzt v/erden. Der Betriebsbereich wird durch Ändern der Halbleiterkörperlänge oder der Konzentration der freien Ladungsträger gesteuert. N ,,-dotiertes GaP, das bei reduzierten Temperaturen gehalten

309819/0646

-30- 27A7228

wird, wird absorptive Verstärkung zeigen. In allen Fällen können boi diesen Vorrichtungen die Resonatorwände gekrümmt sein, um die Intrarosonator-Lichtdichte zu erhölien.

Hat Mail einmal einen optischen Verstärker des oben beschriebenene Typus verfügbar, dann können vielo Funktionen in direkter Analogie zu den vertrauteren elektronischen Verstärkern durchgeführt v,^rörden. Ms Beispiele diesel" Funktionen seien Y/echselstronverstäi^kung, Beschneidung,, Begrenzung, Diski'iraination und positive und negative Rückkopplung genarmt.

y ? £ }-1ILJ^J1 ΐνΐί T un^sbe i spiele

^-· ifa'Dridoiitfiricl-.' riisterol-ve Beiträge als FoH.ge nichtaiigosteuerter Zustäride
1. Natriura

Aus Gründen experimenteller Brauchbarkeit wurden die ersten Beobachtungen über optische Bistabilität und differentieller Verstärkung mit Hilfe eines Fabry-Perot-Interferometers (FP) gemacht, das Natriumdampf enthielt und mit der Ausgangsstrahluns eines frequenx.stabilisierten, im Dauerstrichbetrieb betriebenen Farbstofflaser bestrahlt wurde. Die Apparatur ist in Fig. 7 dargestellt. Dsr 50 mVZ-Einzelmoden-Farbstofflaser 24 wurde durch phasenstarre Ankopplung an ein evakuiertes, hochstabiles FP'-Etalon (Frequenzschwankung weniger als 100 MHz pro Stunde)

809819/0646

stabilisiert. Der Farbstofflaser wurde durch Neigen und/oder Erwärmen des 1 cm-Etalons abgestimmt. Die Absolutwerte der Frequenzen wurden durch Sättigungsspoktroskopie bestimmt. Das optische Strahlenbündel durchquerte einen akustooptischen Modulator 19, der die Intensität bei Audiofrequenzen variierte, das Amplitudenzittern des Farbstofflasers von 10 % auf 1 bis 2 % durch Rückkopplungssteuerung reduzierte und die optische Rückkopplung aus der Vorrichtung zum Farbstofflaser durch Abwärtsverschiebung der Frequenz des rückkehrenden Strahlenbündels um 80 MHz. Das auf die optische Verstärkungsvorrichtung einfallende optische Strahlungsbündel hatte einen Durchmesser von etwa 1,65 mm und eine maximale Leistung von 13 mV. Die Vorrichtung bestand aus einem FP-Glied mit zu 90 % reflektierenden Spiegeln 22, die mit Stirnfenstern 23 eines 11 cm langen evakuierten Bereiches vereinigt waren. Die 2,5 cm lange Mittelstrecke 21 enthielt Natriumdampf bei einem

-5 -U , typischen Druck von 10 ^y bis 10 Torr. (Eine Na-Kondensation an den Spiegeln wurde durch mit Balgen versehene Röhren 18 einer Länge von 4 cm und eines Durchmessers von 0,6 cm verhindert, die die aus rostfreiem Stahl aufgebaute Na-Zelle mit den Spiegeln verbanden). Die übertragenen und einfallenden Intensitätswerte wurden an einem Sekundärelektronenvervielfacher 15 überwacht und als vertikale und horizontale Ablenkungen an einem Oszillographen wiedergegeben. Der Na-Ofen ist bei 16 dargestellt, während 17 die erforderliche Vakuumpumpenanlage ist.

809819/0646

/ils erstmalig Bistabilität auftrat, vairde diese einer nichtlinearen Absorption zugeschrieben, wobei die auf das Erniedrigen der Intensität hin auftretende Hysteresis als von der großen Intraresonator-Intensität herrührend angesehen vairde, welche die Absorption für Intensitäten unterhalb der Einschnlt-Intensität gesättigt hält, wie dieses im Vorstehenden erläutert wurde. Obgleich der Dopplereffekt beim Natrium erwarten ließ, daß die Bistabilität stark reduziert wird, zeigten die Versuchsdaten starke Bistabilität. In weiterer Nichtübereinstimmung mit dem Absorptionsmodell änderte sich die Kennlinie unterschiedlich, wenn der FP-Plattenabstand gegenüber dein optimalen Bistabilitätsabatand erhöht oder erniedrigt VAjrdo. Die FP-Asynimotrie zeigte eindeutig die Bedeutung der Dispersion für optimale Bistabilität in Natrium. Durch Abtasten der Laserfrequenz über die D₂~Natriumlinie wurde gefunden, daß die Asymmetrie verschv/and und sich im Vorzeichen bei drei Frequenzen änderte, nämlich bei etwa 400 MHz unterhalb der Übergänge vom Grundzustand F = 2, bei der Überkreuzungsstelle in der Mitte zwischen F =1 und F = 2 und bei etwa 300 MHz oberhalb F = 1. Es wurde dann errechnet, daß bei diesen drei Frequenzen die Dispersion, keine nichtlinearen Eigenschafton hat. Bei der niedrigsten Frequenz, vairde rein absorptiver bistabiler Betrieb bei Verwendung maximaler Leistung und hoher Absorption beobachtet. Es wird daher angenommen, daß dieses die erste klare Demonstration einer absorptiven Bistabilität

80981 9/0646

ist. In anderen Spektralbereichen konnten kombinierte absorptive und dispersive, oder hauptsächlich dispersive,,Nichtlinearität, Bistabilität oder Verstärkung beobachtet werden, und zwar je nach Mediumdichte und optischer Frequenz. Diese Bedingungen sind in Tabelle I wiedergegeben.

TABELLE I

Einfallende Temp. (C⁰) Druck

Mode Frequenz _ (Torr)

absorptive

Bistabilität F = 2, -400 MHz 205 * 20 2 χ 10

dispersive _L

Bistabilität F = 2, +150 MHz 195 ± 20 10"^

absorptive /.

Verstärkung F = 2, -AOO MIz 195 ί 20 10~^H

dispersive c

Verstärkung F = 1, -100 MHz 185 ± 20 6 χ 10"^p

In Spalte 2 der Tabelle bezieht sich F auf die Hyperfeinstrukturlinie des D₂-Überganges in Natrium bei 589 nra. Im Falle dispersiver Bistabilität überwiegt der Dispersioneffekt.

Es sollte sich verstehen, daß mit der Erfindung gefunden wurde, daß generell nichtlineare dispersive (d. h., intensitätsabhängige) Effekte, die zu Verstärkung oder Bistabilität führen, zv/ei verschiedenen Gruppen von Quantenzuständen zugeordnet

809819/0646

v/erden können. Zur Erläuterung dieser Gruppierungen sei der Fall betrachtet, in welchem zwei oder mehr Zustände durch re-sonantes oder nahezu resonantcs Einfallslicht angesteuert werden, während der gesamte dispersive Effekt als Folge des Mediums den absorptiven Effekt überwiegt. Die angesteuerten Zustände (unter denen jene Zustände vorstanden sein sollen, deren Besetzung direkt durch Resonanzabsorption oder durch die resi;'' ~ tierenden Relaxationsphänoinene (Fig. 8) geändert werden), liefern sowohl absorptive als auch dispersive Beiträge zur Gesa;rt~ Wechselwirkung zwischen Medium und Strahlung. Es wurde jedoch gefunden, daß zusätzliche dispersive Beiträge - sogar mehr &Xz 10 % der dispersiven Beiträge infolge der angesteuerten Zustände - d urch nichtangesteuerte Zustände gemacht v/erden können. Folglich führen Absorptionspbänomene, die die Besetzung der angesteuerten Zustände beeinflussen, nicht nur zu den den angesteuerten Zuständen zugeordneten dispersiven Effekten, sondern auch zu bedeutsamen dispersiven Effekten, die den nichtangesteuerten Zuständen zugeordnet sind. Für Natrium sind die von den nichtangesteuerten Zuständen herrührenden dispersiven Effekte klein und sicherlich kleiner als 10 % der von den angesteuerten Zuständen herrührenden dispersiven Effekte. Bei den nachfolgenden Beispielen sind jedoch die den nichtangesteuerten Zuständen zugeordneten dispersiven Effekten bedeutsam und größer als 10 % des den angesteuerten Zuständen

809819/0646

zugeordneten dispersiven Effektes.

B· Bedeutsame dispersive Beiträge als Folge nichtmigesteuorter Zi?. stände
1. Rubin

Bei den interessierenden Betriebsarten für die nachstehenden Beispiele überwiegen die dispersiven Eigenschaften des Mediums - sowohl infolge angesteuerter als auch nichtangesteuerter Zustände - die absorptiven Eigenschaften des Mediums. Die relativen Beiträge der verschiedenen dispersiven und absorptiven Effekte können verschiedene V/erte annehmen, von denen einige recht unerwartet sind. Beispielsweise kann der den angesteuerten Zuständen zugeordnete absorptive Beitrag die dispersiven Beiträge überwiegen, die den angesteuerten Zuständen zugeordnet sind; andererseits werden die von den nichtangesteuerten Zuständen herrührenden dispersiven Beiträge in einem überwiegen des absorptiven Effektes durch den gesamten dispersiven Effekt resultieren» Bei allen nachstehenden Beispielen liegen die dispersiven Beiträge der nicht angesteuerten Zustände wenigstens bei 10 % der dispersiven Beiträge der angesteuerten Zustände. Offensichtlich können nichtangesteuerte Beiträge von 50 % oder mehr als 100 % des Beitrages angesteuerter Zustände noch wünschenswerter sein. In Jdem dieser Fälle führt die Besetzung angesteuerter Zustände erhöhte dispersive Bei-

809 819/0646

-36- 27A7228

träge als Folge der nichtangcr.teuerten Zustände ein. Diones
ermöglicht eine Situation, in der die den angesteuerten Zuständen zugeordnete Absorption und folglich die den angesteuer· ten Zustünden zugoordneΛc Dispersion klein ist. Gleichwohl
ist der gesamte dispersive Effekt als Folge von Beiträgen
niehtangestcuerter Zustande; groß. Die niedrige Absorption gestattet eine niedrige Eingsngslcistung, während die große Gssandisporsion zu. ninein wirksamen bistabilen und verstärkenden Ve rhaltcη führt.

Zusammengefaßt, werden die nichtlinearen dispersiven Eigenschciften des Hediuius so gemacht, daß die nichtlineoren absorptivcn Eigenschaften überv;icgen; und dieses geschieht durch
Induzieren reeller Übergänge innerhalb des Materials durch
die Absorption von Licht. Die den angesteuerten Zuständen zugeordnete nichtlineare Dispersion Wird durch Dispersionsbeiträge nichtangesteuerter Zustände verstärkt. Die resultierende nichtlinoare Dispersion, die dem Medium zugeordnet ist, überwiegt den absorptiven Effekt und kann sich mit den Resonatoreigenschaften dahingehend kombinieren, daß die oben erwähnten bistabilen und verstärkenden Eigenschaften erhalten werden.
Die Absorption, die für sich genommen nur minimal zu Verstärkungs- und Bistabilitätsphänomenon beiträgt, verursacht aber
einen Übergang, der zu einer großen nichtlinearen Dispersion
führt. Die resultierende Vorrichtung zeigt entweder bistabile oder verstärkende Eigenschaften, und zwar hauptsächlich wegen

80981 9/0666

der Kombination der optischen Eigenschaften des Resonators mit den dispersiven, statt den absorptlven, Eigenschaften der» Mediums. Wie bei analogen elektronischen Vorrichtungen gestattet die Verr.tärkungsl'ionnlinio dei' verstärkenden Vorrichtung einen Betrieb in zahlreichen Betriebsarten, wobei zeitweilig auch mehr als eine solche Vorrichtung benutzt v/erden kann. Beispiele hierfür sind Vechoolstroinverstärkung, Bosch) όχ· dung, Begrenzung, Diskrimination, positive und negative Rückkopplung, Oszillation, Frequenz-l-iD.lt iplex- und -Deruu'i tiplexbetricb und zahlreiche Logikoperationen.

Bei diesem Beispiel wurde Rubin als das nichtlinnare Medium

■4-^5 ■■■· *r"

benutzt. Cr -Ionen können auf die Anregungszustände 2A und K durch Absorption von Licht einer Wellenlänge von etwa 693,^ ηω angehoben v/erdon. Wenn dieses System als ein einfaches Zweizustandssysteui aufgefaßt v/ird, also die Effekte anderer nichtangesteueirter Zustände vernachlässigt werden, dann findet man, da3 die den angesteiierton Zuständen zugeordnete iiichtlineare Dispersion bei Zimmer temperatur sehr klein ist. Folglich würde man erwarten, daß die Rubin-Vorrichtung bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden muß, um einen nahezu Resonanzbotrieb mit einer begleitenden Zunahme der nichtlinearen Dispersion zu eririo'gl Lehen, die den angesteuerten Zuständen rugοordnet ist. Es wurde jedoch gefunden, daß

80981 9/MR46

der bedeutsame Beitrag der nichtangesteu.crten Zustande in diesem System zu der nichtlinearcn Dispersion einen Betrieb der Rub.invorrichiuiig in der dispersivon Betriebsart box Zimmertemperatur gestattet. Es sei bemerkt, daß in nicbtlinearen Medien die dispersive?! Eigenschaften des .Systems generell von der Benetzung der einzelnen Zustünde abhängen. Die Absorption von Licht aiii ert die Besetzung dieser verschiedenen Zustände; und resultiert dadurch in einer intensitatsabhängigen oder nichtlinearen Dispersion. Jedoch wird bei diesem Beispiel und beim nachfolgenden Beispiel die nichtlineare Dispersion zusätzlich und sehr bedeutsam durch von nichtangesteuerten Zuständen herrührenden Beiträgen beeinfluf.lt.

Eine schemat.i rebe Darstellung dor Rubinvorrichturjg ist in Fig. 9 dargestellt. Dort ist ein Quarzelcünent 91 dargestellt, das eine sphärische Spiegelfläche 92 eines Reflexionsvermögen^ von etwa 90 ^r/o bei 693,4 nra aufweist. Dos Rubinelonient 93 ist 0,5 cm dick und hat einen Durchmesser von 0,63 ein. Seine reflektierende Oberfläche 95 reflektiert zu 91,5 %, und seine übertragende Oberfläche 9h ist mit einem Antireflexbelag versehen. Der K-ru.'.'i.':ningsradius des sphärischen Fläche- 92 ist 0,07 cm. Durch Ocn Pfeil 96 dargestelltes Licht einer Wellenlänge von etwa 603,·'ι ϊιπί v.'ird in den Resonator von einer Lasor™ Quolle 97 e inge Cührt. Letzter'c ejrthält ein Trennglicd. Das

ü 0 Ϊ) 8 1 9 / il H 4 6

Licht hat eine Leistungsdichte von mehr als 100 Watt/cm und an der Rubinauftrcffstelle eine StrnhleinschnürunirsGtelle von AO Mikrometer. Die Vorrichtung wurde in allen Betriebsarten mit maximalen Eingangsleirtungen von 150 bis 600 Watt/cm betrieben. Der Bistabilitäts- und Verstärkungabetrieb wurde, wie in Tabelle II angegeben erhalten. Der Übergang vom bistabilen auf den verstärkenden Betrieb kann bei beispielhaften AusfUhrungsformen durch Ändern der Resonatortemperatur, der optischen Weglänge des Resonators, der Chromkonzentration im Rubin, der Kristalldicko, der Laser-Frequenz oder -Polarisation, oder durch Ändern mehrerer dieser Parameter erhalten werden. Es wurde eine 5 bis 20 Millisekunden lange Schaltzeit beobachtet, die sich mit der Lebensdauer von 3 bis 5 Millisekunden des angeregten Zustandes des Chromions im Rubin verträgt. Bei der Rubinvorrichtung die bei Raumtemperatur mit 693»A- nrn-Licht bestrahlt wird, überschreitet der von nichtangesteuerten Zuständen herrührende dispersive Beitrag den von den angesteuerten Zuständen herrührenden dispersiven Beitrag. In der Tat, werden sich, wenn das einfallende Licht so eingestellt wird, daß der Grundzustand auf eine Stelle zwischen den Anregungszuständen 2A und E* verlmüpft ist, die dispersiven Beiträge dieser beiden angesteuerten Zustände, die von unterschiedlichem Vorzeichen sind, einander auslöschen. In einem solchen Fall rührt der einzige dispersive Beitrag von den nichtangesteuerten Zuständen her.

809819/0 646

TABELLE II

Kristall
-+3.

Niedrigintensität-Laser- Resonator-

Betriebsart (1=Begrenzer 2=Wechselstromverstärkung

Länge Cr -Konz. Tomp. Fehlanpassungs- 3=bistabil

Rubin-Laser Temp.

⁰K winkel (rad) 4=Beschnoider) ⁰K

0,05

296

0,05

0,03

0,03

0,03

0,05

120

105

95

95

85

0,08

0,11

0,14

0,18

0,20

0,04

0,07

0,11

0,14

0,18

0,12 0,16 0,20

0,08

0,12

0,16

0,20

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

0,04

0,12

0,16

0,20 1 2 2 3 3 3

3 3 3 2 2 2

1 3 3 3

1 2 3 3 3

3 3 3 3 3 3

1 4 2 2 2

77

77

77

65

77

77

809819/0646

Ein über die Absorptionsbreite der R^-Linie von Rubin (0,5 ein Gesamtbreite) abstimmbarer Laser wurde zur Untersuchung der vorstehend beschriebenen Rubinvorrichtung benötigt. Eine monochromatische Dauerstrichleistung von einigen Milliwatt waren nötig. Farbstofflaser-v'irkungsgrade sind im benötigten Spektralbereich niedrig, und aus diesem Grunde ebenso auch aus Gründen einer größeren Stabilität wurde ein Rubinlaser benutzt. Der von einem Argonlaser angeregte Dauerstrich-Rubinlaser ist in Fig. 10 dargestellt.

Im Gegensatz zu früheren Entwürfen verläuft der Ausgangsatrshl dieses Lasers antiparallel zum Anregung«strahl. Das Rubinelement 101 hat Flächen, die einen Keil eines Keilwinkels von ± 2 Bogensekunden bilden (in Fig. 10 vergrößert gezeichnet). Das Element ist 1 cm lang, hat einen Durchmesser von 0,63 cm, eine Chromionenkonzentration von 0,05 % Cr und ist ein 60 °-Rubinstab der Union Carbide Corporation, dessen Flächen auf λ/10 eben sind. Die obere Stirnfläche des Rubinstabes befindet sich in einem Vakuum innerhalb der Kammer 102. Die untere Stirnfläche des Rubins wird auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff in einem Dewar-Gefäß 103 gehalten. Die zum flüssigen Stickstoff angrenzende Rubinfläche war für ein Reflexionsvermögen von 99 % bei 514,5 nm und 693,4 mn beschichtet. Die vakuumseitige Rubinfläche hatte ein Reflexionsvermögen von 50 % bei 693»4 nm und ein Reflexionsvermögen von 3 %

809819/0646

bei 514,5 mn. Der Rubinstab wurde in einer Bohrung eines Innendurchmessers von 0,648 cm eines Flansches 104 (Varian CONFLAT) angeordnet und mit Epoxyharz (Stycast 1266) festgeklebt. Der Flansch 104 war auf einem evakuierten rostfreien Stahlrohr eine rs Innendurchmessers von 3,8 cm montiert, das seinerseits mit einem unter dem Brevsterschen Winkel geneigten Fenster versehen war. Eine Vakuumpumpe (Vaclon) lieferte Drücke von 10" Torr und war dahingehend ausgewählt, daß eine ülkondensation auf der kalten vakuurnseitigen Rubinfläche unterblieb.

Die Ausgüngsfrequenz dos Rubinlasers hing von der Temperatur des mit dem Rubin in Berührung stehenden flüssigen Stickstoffs ab, die durch Aufpumpen von unter Druck stehendem Stickstoffgas 111 auf den flüssigen Stickstoff geregelt wurde, Die Pump- und Druckeinrichtung ist nicht dargestellt. Zur Verlängerung des Füllzeitzyklus des Dewar-Gefäßes wurde ein Heliuraballon 106 - ein Hohlzylinder mit offenem Boden, der mit Helium unter Druck gesetzt war - benutzt, um den Pegel 108 des flüssigen Stickstoffs im Dewar-Gefäß je nach Bedarf anzuheben oder abzusenken.

Das Argonlaser-Strahlbündel bei 514,5 nm lieferte eine Leistung von 2 Watt an den Rubinstab. Das Strahlbündel wurde durch eine 15 cm-Linse 107 in den Rubinlaserstab fokussiert.

809819/0646

Alle optischen Bauteile trugen einen Antireflexbelag oder waren unter dem Brewstersehen Winkel orientiert. Das Ausgangsstrahlenbündel des Rubines hatte etwa 300 mW Leistung und war ein linearpolarisierter transversaler Einzelmode. Eine Kollimatorlinse (nicht dargestellt) lieferte ein Strahlenbündel eines Durchmessers von 2,45 mm. Die Ausgangsstrahlung enthielt eine Reihe Longitudinalmoden, die einen Frequenzabstand von annähernd 8,6 GHz hatten. Dieser Wert entsprach dem freien Spektralbereich (¹^r) des 1 cm langen Resonators. Die Moden überdeckten einen Frequenzbereich von mehr als 60 GHz um die LN₂-PR₁-Linie.

Obgleich die Laserausgangsstrahlung eine Reihe Longitudinalmoden enthielt, konnte ein einzelner Mode zum überwiegen gebracht werden, indem verschiedene Teile des abgeschrägten Laserstabs unter den Anregungsstrahl gebracht wurden. Aus diesem Grunde war die Laseranordnung auf einem XY-Umsetzertisch 109 angeordnet. Durch entsprechendes Pumpen zur Druckbeaufschlagung des Dewar-Gefäßes konnte die Temperatur des flüssigen Stickstoffes und die des Rubinelementes geändert und folglich die Frequenz des dominanten Modes in einen 20 GHz-Bereich ab" gestimmt werden.

Eine einfrequente Ausgangsstrahlung wurde durch Verwendung eines Fabry-Perot-Interferometers 100 (Burleigh RC 19) _t »»it

809819/0641

dem die Rubinlaserausgangsstrahlung gefiltert wurde, erhalten. Die Aungangsstrahlung des Rubinlasers wurde auf das Fabry-Perot-Interferometer mit Hilfe des Spiegels 110 gerichtet.
Das Fabry-Perot-·Interferometer hatte für ein Reflexionsvermögen von 95 % beschichtete Planspiegel einer Ebenheit von
λ/10Oj wobei die Spiegelflächen einen Abstand von etwa 2 mm mit einem freien Spektralbereich von 75 GHz hatten. Der Abstand des Fabry-Perot-Intorferometers wurde durch piezoelektrische Vandler auf einem der Spiegel gesteuert. Unter Verwendung einer kleinen 400 Hz-Modulation auf der Gleichvorspannung der V/andler, wurde die Ausgangsctrahlung des Fabry-Perot-Interfcrometers bei einem örtlichen Fabry-Perot-Ausgangsintensitätiimaximum gehalten, das so ausgewählt war, daß beim jeweiligen Mode Resonanz auftrat. Zu diesem Zweck wurde eine
übliche Servosteuerung verwendet. Ira Fabry-Perot-Interferometer trat ein Ubertragungsverlust von 25 % als Folge einer Absorption in den Beschichtungen und von Oberflächcnunregel·»· mäßigkeiten in den Spiegeln auf.

Der Rubinlaser lieferte mehr als 300 mW Leistung, die auf
7 oder 8 verschiedene Moden verteilt war. Durch Abstimmen des Rubinkeils konnten mehr als 75 mW im jeweils ausgefilterten einzelnen Mode erhalten werden. Ließ man das Fabry-Perot-Interferometer einen freien Spektralbereich überstreichen
und das Licht durch ein Rubinabsorptionsglied passieren, so

809819/0646

konnte man die relative Absorption der einzelnen Moden direkt beobachten. Die absolute Frequenz wurde mit einem Beugungsgitterspektrometer hoher Auflösung gersesen, während die gegenseitigen 1-iodenfrequenzen gegen einen Heliuiiineonlaser unter Verwendung eines Fabry-Perot-Interforometers gemessen wurden. Die Keliumneonlaserlinie diente auch zur Sicherstellung, daß immer die selbe Ordnung des Fabry-Perot-Interferometors benutzt wurde. Ein optischer Isolator 112 wurde im Laserausgang bei der optischen Verstärkeranordnung nach Fig. 9 verwendet .

2. Galliumarsenid (GaAs)

Eine Vorrichtung, die entweder in der bistabilen oder in der verstärkenden Betriebsart betreibbar ist, kann unter Verwendung von GaAs als das nichtlineare Medium hergecfcellt v/erden. In einer derartigen Vorrichtung induziert Licht von etwa 10 cm Übergänge, die angeregte Zustände besitzen, denen Excitonen zugeordnet sind. Ein Exciton ist ein gebundenes Elektronen/Löcher-Paar und kann verallgemeinert als ein neutraler angeregter beweglicher Zustand eines Kristalls angesehen werden. Die Energie des Excitons liegt gerade unterhalb der des Leitungsbandes und folglich spielen Beiträge aus diesem Band und von anderen nichtangesteuerten Zuständen eine bedeutsame Rolle bei der Bestimmung des schließlichen Viertes

80981 9/0646

der nichtlinearen Dispersion. Zusätzlich ändert in diesem Cystein, wie auch bei Halbleitern generell, die Änderung der V/eilenfunktion im angeregten Zustand diejenigen Matrixelemente, welche die Dispersion bestimmen, v/o durch die dif.pcrsiven Baiträge zum Verstärkungsphänomen noch weiter beeinflußt werden.

Die Galliumarsenidvorrichtung besteht aus einem GaAs-Medium, das innerhalb eines optischen Resonators angeordnet ist. Die optische Eingangsleistung, Intensität, Wellenlänge, Dotierstoffkonzentration und Dicke des nichtlinearen Hodiums werden zusammen mit anderen Parametern so eingestellt, daß die dispersiven Eigenschaften des Mediums gleich dessen absorptiven Eigenschafton sind oder diese überwiegen und eine Kombination mit den Resonatoreigenschaften erhalten wird, um entweder Bistabilität oder Verstärkung zu erhalten. Sandwich-Strukturen mit GaAl As. auf der Außenseite und mit GaAl„As. „ auf der Innenseite sind bevorzugt, um eine Exciton-Verarmung an der Oberfläche zu verringern.

Wie bei den anderen beschriebenen Vorrichtungen können auch die anderen Parameter, die die dispersiven oder absorptiven Eigenschaften des Mediums beeinflussen - je nach der speziellen Vorrichtung - geändert werden, um optimalen Betrieb zu erhalten. Diese Parameter können außerhalb des Mediums gelegen sein, und beispielsweise angelegte elektrische, magnetische, Schwerkraft- oder Phononenfeider betreffen. Die Ände-

80981 9/0666

-47- 27A7228

rungen dieser Parameter kann Größe oder Vorzeichen der nichtlinearen Dispersion des Mediums ändern oder eine nichtlineare Dispersion überhaupt erst einführen.

D. Andere Halbleiter

In der beschriebenen Vorrichtung können auch andere Halbleiter als das nichtlineare Medium verwendet werden. Als Beispiele hierfür seien InP, GaAsSb und CdS genannt, die ähnliche optische Eigenschaften haben. Außerdem kann jeder Halbleiter so dotiert v/erden, daß Störstellen-Niveaus erhalten werden. Die Anregung solcher Störstellen-Niveaus wird dispersive Beiträge als Folge nichtangesteuertcr Zustände einschließlich der Leitungsbänder einführen. Mit Np dotiertes GaP ist ein Beispiel eines solchen dotierten Halbleiters.

809819/0646

Claims (30)

BLUMBACU - WESER · Β^ίΟΪ.Μ - KRAMER ZWiRNER-MiRSCH-DREHM λ'7 , PATENTANWÄLTE ItJ MÜNCHEN UND WIESBADEN Püleitconv.i! RadciAosiraCc· « COCO Miindion cd Telefon (C3V) 833OCVeSSoCi Telex 05-212315 Telegrarr.ryio r»;iloriicofiu!t Pötenlccnsuü Sor.rier-.borgofStraP.i-43 Α2Γ0 Wioibadün Telefon (06121) S629i3/So1°9S Tf;lex 04-1862ö7 Tcicgrorn::,e Pa eaicor. Western Electric Company, Incorporated Gibbs 3-4-3 Hew York, N.Y., USA und Di.st Patcntangprüohq

1. Verfaliren zum Steuern von Änderungen in einem optischen Signal einer gegebenen Wellenlänge, durch Einführen von Licht dieser Wellenlänge in einen durch wenigstens zwei Flächen gebildeten Resonator, die bei dieser Wellenlänge reflektieren und die v/snigstens teilweise durch ein nichtlineares Positivetemperatur-Medium getrennt sind, ferner durch Fixieren der- Eigenschaften von Resonator und Medium derart, daß bei der gegebenen Wellenlänge die Dispersionseigenschaften des Mediums die Absorptionseigenschaften des Mediums über-

809819/0646

Müiidicn. R. Κγοτργ Dip!.-1-"J. - W. '.Ve.-er Dipl. Phys. Or. rcr. ndl. · P. Hii5c*i Dip¹.-Ing. ■ H P. Brehnn Dipi.-Chen. Dr. pr:.i. :ιθ!. V;i€^boc<:n : ?. G ElJ:noüch Dip!.-Ing. . P. Borgen Dipi.-ir-g. Dr. jur. · ~. Zwirner Dip! -Ir-g. Dipl.-'/.'.-lng.

2747^8

wiegen oder diesen gleich sind sowie derart, daß eine Verstärkung oder Bistabilität zeitigende Beziehung zwischen den Intensitäten der einfallenden und übertragenen Signale vorhanden ist, und durch Auskoppeln des Signals aus dem Resonator, dadurch gekennzeichnet , daß ein überwiegen der Dispersionseigenschaiten des Mediums über dessen Absorptionseigenschaften bewerkstelligt wird durch Induzieren eines Überganges innerhalb des Materials durch Lichtabsorption, der als Folge nichtangesteuerter An regungszustände Dispersionsbeiträge einführt, die ihrerseits größer als 10 % der durch die angesteuerten Zustände eingeführten Dispersionsbeiträge sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Resonator- und Mediumseigenschaften bestimmt werden durch Kombinieren der Intraresonatorgleichungen

+ rf (2K) E_B

mit den Resonator-Randbedingungen um eine Eingangs/Ausgang.s-Kennlinie zu erhalten, die Verstärkung oder Bistabilität aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die von don nichtangesteuerten Zu-

809819/0646

ständen herrührenden Dispersionsbeiträge größer als 50 % der von den angesteuerten Zuständen herrührenden Dispersionsbeiträge sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den nichtangesteuerten Zuständen herrührenden Dispersionsbeiträge die von den angesteuerten Zuständen herrührenden Dispersionsbeiträge überwiegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die den angesteuerten Zuständen zugeordneten Absorptionsbeiträge die den angesteuerten Zuständen zugeordneten Dispersionsbeiträge überwiegen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß einer der angesteuerten Zustände ein elektronischer Zustand ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein durch die Lichtabsorption eingeführter übergang ein Exciton erzeugt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch ge-

809819/0646

.4- 27A7228

kennzeichnet , daß wenigstens einer der angesteuerten Zustände ein Fremdstoffzustand (Störstellenzustand) ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtwellenlänge größer als 450 nm und kleiner oder gleich 750 nm ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenlänge größer als 750 nm und kleiner oder gleich 25 Mikrometer ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtwellenlänge größer als 50 nm und kleiner oder gleich 450 nm ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Wellenlänge so gewählt wird, daß das Medium einen Wert von In₂! > 10 cm /statvolt

13· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Mediumbedingungen durch Einführen zusätzlicher Lichtstrahlenbündel in den Resonator fixiert werden.

8098 1 9/0646

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet , daß die Mediuraseigenschaften dahingehend bestirorat sind, eine einwertige Eingangs/Ausgangs-Kennlinie zu erhalten, die Verstärkung zeigt.

15. Vorrichtung zum Steuern von Änderungen in optischen Signalen einer gegebenen Wellenlänge, mit einem Resonator, der durch wenigstens zwei Flächen, die Licht dieser Wellenlänge reflektieren, im Verein mit Mitteln zur Ein« und Auskopplung von Licht gebildet ist, wobei die Resonatorflächen wenigstens teilweise durch ein nichtlineares Positivtemperatur-Medium getrennt sind, und wobei diese Trennung einen solchen Wert aufweist und das Medium unter solchen Bedingungen gehalten wird, daß bei der gegebenen V/ellenlänge die Dispersionseigenschaften des Mediums dessen Absorptionseigenschaften überwiegen oder diesen gleich sind und eine Verstärkung oder Bistabilität zeitigende Beziehung zwischen den Intensitätswerten des auf die Vorrichtung auftreffenden und hiervon emittierten Signals bei der gegebenen Wellenlänge vorhanden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionseigenschaften des Mediums dessen Absorptionseigenschaften überwiegen, v/enn ein Übergang innerhalb des Materials durch die Absorption von Licht eingeführt wird, wobei dieser Übergang infolge nichtangesteuerter Zustände Dispersionsbei-

309819/0646

träge einführt, die größter als 10 % der von den angesteuerten Zuständen herrührenden Dispersionsbeiträgen sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonator- und Mediumseigenschaften durch Kombinieren der Intraresonatorgleichungen

_F + i (2K) E_B
= -<i (0)E_B - rf (-2K) E_F

mit den Resonatorrandbedingungen dahingehend bestimmt sind, eine Eingangs/Ausgangs-Kermlinie zu erhalten, die Verstärkung oder Bistabilität zeitigt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet , daß die von den nichtangesteuerten Zuständen herrührenden Dispersionsbeiträge größer als 50 % der von den angesteuerten Zuständen herrührenden Dispersionsbeiträge sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die von den nichtangesteuerten Zuständen herrührenden Dispersionsbeiträge die von den

809819/0646

angesteuerten Zuständen herrührenden Dispersionr.beiträge überwiegen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß die den angesteuerten Zuständen zugeordneten Absorptionsbeiträge die den angesteuerten Zuständen zugeordneten Dispersionsbeiträgen überwiegen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Absorption von Licht induzierter übergang ein Exciton erzeugt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens einer der angesteuerten Zustände ein Fremdstoff-Zustand (Störstellenzustand) ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Material von der Gruppe InP, GaAs₁ GaAsSb und CdS ausgewählt ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß das Material Rubin ist.

809819/0646

-β- 27A7228

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator als Fabry-Perot-Re&onator vorliegt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenlänge größer als 450 nm und kleiner oder gleich 750 nm ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtwellenlänge größer als 750 nra und kleiner oder gleich 25 Mikrometer ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenlänge größer als 50 nm und kleiner oder gleich 450 mn ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet , daß das Medium bei der gegebenen Wellenlänge einen Wert von In^l >10" ^ cm /statvolt besitzt.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, gekennzeichnet durch Mittel zum Einführen zusätzlicher Lichtstrahlenbündel in den Resonator zur Fixierung der Mediurasbedingungen.

809819/0646

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet , daß das nichtlineare Medium ein Festkörpernedium ist.

809819/0646