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Puls-code-modulierbare Laserdioden-Vorrichtung.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, puls-code-modulierte Laserstrahlung
eines C02-Lasers (Applied Physics Letters, Bd.18 (1971), Seite 406 ff.) bzw. eines
He-Ne-Lasers (Optical and Quantum Electronics, Bd.11 (1979), Seiten 353-358) in
der Weise zu erzeugen, daß innerhalb des optischen Resonators des jeweiligen Gaslasers
ein optisches Element eingefügt ist, mit dem sich simultan Modenkopplung und interne
Auskoppelmodulation (DE-PS 1285073 und DE-PS 1248826) durchführen läßt. Bei der
Modenkopplung handelt es sich darum, eine Kopplung der im optischen Resonator auftretenden
longitudinalen Schwingungsmoden der Laserstrahlung zu bewirken, mit dem Ergebnis,
daß zeitabhängig hohe, steile Impulsspitzen dieser Laserstrahlung auftreten. Die
zeitlichen Abstände sind abhängig von der optischen Länge L des Resonators und der
Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Laserstrahlung im Resonator. Es gilt für den zeitlichen
Abstand dieser Impulsspitzen a t = 2L/c. Die in Halbwertshöhe gemessene zeitliche
Dauer 4t' = 17\ozs ist gleich dem entsprechenden Reziprokwert der Oszillatorbandbreite
A fozs des Lasersystems.
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Als optisches Element, mit dem simultan sowohl Modenkopplung als auch
die Auskoppelmodulation zu bewirken ist, wurde ein einkristalliner Lithiumniobat-Körper
in der Form eines
Quaders verwendet, der in Richtung seiner kristallografischen
c-Achse vom Laserlicht durchstrahlt wurde und dessen vier Seitenflächen (mit der
Flächenormale senkrecht zur c-Achse) mit Elektroden belegt sind. Diese vier Elektroden
bilden zwei Elektrodenpaare, bestehend aus jeweils einander gegenüberliegenden Elektroden,
von denen das eine Elektrodenpaar mit dem für die Modenkopplung bestimmten elektrischen
Signal angesteuert worden ist und das andere Elektrodenpaar der Ansteuerung durch
das Auskoppelsignal diente.
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Mit der Vorrichtung mit dem He-Ne-Laser konnte man bereits eine Puls-Code-Auskoppelmodulation
(internal pulse-code modulation) mit einer Bit-Rate von 150 MBit/s erzielen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg zu finden, auf
dem man zu der Möglichkeit einer Modulation mit noch wesentlich höherer Bit-Rate
gelangen kann. Insbesondere soll die dieses Ziel erreichende Vorrichtung einen konstruktiven
Aufbau haben, der sich in Anordnungen mit Glasfaseroptik vorteilhaft einfügen läßt
und insbesondere für seine Benutzung keine neuen technologischen Probleme aufwirft.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gelöst, die
die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen
sind solche Vorrichtungen, die zusätzlich noch Merkmale der Unteransprüche umfassen.
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Ein der Erfindung zugrundeliegender Gedanke ist, daß wesentlich höhere
Bitraten von einigen 10 GBit/s nur dann mittels simultaner Modenkopplung und Auskoppelmodulation
zu erreichen sind, wenn man die Resonatorlänge der Laseranordnung entsprechend
der
Bitrate verkürzt und die Modulation indirekt über einen Modualtor im laserinaktiven
Bereich innerhalb des Laserresonators durchführt. Dabei muß gewährleistet sein,
daß die Oszillationsbandbreite mindestens das Zweifach der Bitrate beträgt und die
Laserstrahlungsverstärkung nicht entscheident verringert ist. Ein weiterer, jedoch
ganz anderer der Erfindung zugrundeliegender Gedanke ist, die bereits fortgeschrittene
Technologie der mechanischen und optischen Anpassung von Lumineszenzdioden an Glasfaserleitungen
auszunutzen, nämlich mit der Erfindung in einem technologischen Gebiet zu bleiben,
für das bereits langjährige Erfahrungen zur Verfügung stehen.
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Bei der Erfindung ist eine der Lumineszenzdiode verwandte Halbleiter-Laserdiode
mit einem ebenfalls an sich schon lang bekannten, oben beschriebenen Modulationsprinzip
für Laser mit Isolatorkristallen oder Gasfüllung, kombiniert worden, und zwar mit
einem technischen Ergebnis, das mit keinem der einzelnen für die erfindungsgemäße
Kombination herangezogenen Prinzip für sich auch nur annähernd erreichbar ist.
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Die bisher bei der Modulation von Laserdioden angewandten Verfahren
wie Steuerung des die Laserdiode speisenden Stromes (direkte Modulation, Modenkopplung
über den Pumpstrom) oder Steuerung der.Resonatorgüte (Q-Switch) sind von der Dynamik
der Laserdiode abhängig, die ihrerseits von dem Pumpstrom sowie der Lebensdauer
der Ladungsträger und der Photonen im Halbleitermaterial bestimmt wird. Da diese
Parameter nur begrenzt zu variieren sind, ergibt sich für die mit diesen Modulationsverfahren
erzielbaren Modulationsfrequenzen einer Laserdiode eine bei einzigen GHz liegende
technisch zu verwertende Grenze der Modulationsbandbreite.
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Höhere Modulationsbandbreiten lassen sich aDer mit der Erfindung mittels
der simultanen Modenkopplung und Auskoppelmodulation
erzielen,
und zwar mit Aufwand relativ geringer Modulationsleistung. Bei der Erfindung bietet
die Verwendung einer Halbleiterlaserdiode die für das Modulationsverfahren erforderlichen
Voraussetzungen: Sie besitzt bei einer nur wenige 100 pm betragenden Länge hohe
Verstärkung für die zu erzeugende Laserstrahlung, sie besitzt Verstärkungsbandbreiten
von einigen 100 GHz (hohe Oszillationsbandbreite) und sie läßt sich als Halbleiter-Bauelement
in einem solchen Halbleiter realisieren, dessen Material außerdem auch solche elektrooptischen
Eigenschaften hat, mit denen man ein optisches Element der Art realisieren kann,
wie es als Modulationseinrichtung aus einem Isolatormaterial dem obengenannten Stand
der Technik bereits verwendet wurde. Als derartige Modulatoreinrichtung wird bei
der Erfindung ein Richtkoppler verwendet, der sich in III-V-Halbleitermaterial realisieren
läßt. Insbesondere kommen hierfür elektrooptisch aktive ternäre III-V- Halbleitermaterialien
wie Galliumaluminiumnarsenid, quaternäre III-V-Halbleitermaterialien wie Galliumindiumarsenid-Phosphid
und dergleichen in Betracht, aus denen sich außerdem auch sehr leistungsfähige Laserdioden
nach bekannten technologischen Verfahren und Aufbauten (Hetero-Laser, Streifenlaser
und dergleichen) herstellen lassen.
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Bei der Erfindung sind - dies ist ein sehr wesentlicher Vorteil -
Laserdiode als unmoduliert bleibender Strahlungserzeuger und Richtkoppler als Modulatoreinrichtung
monolithisch in einem einzigen Halbleiterkörper realisiert, so daß Stoßstellen für
den Übergang der Laserstrahlung vom Laser in die Modulatoreinrichtung und umgekehrt
praktisch entfallen. Vorteilhafterweise wird der Resonator durch einander gegenüberstehende
(vergleichsweise zum Reflexionsvermögen von Halbleiter-Spaltflächen) hochreflektierende
Spiegel wie z.B. Interferenzspiegel realisiert, bzw. es lassen sich integrierte
Reflektoren zur vorgebbaren Beeinflussung der Oszillationsbandbreite realisieren.
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Mit den Maßnahmen der Erfindung erhält man nicht nur einwandfreie
Impulszüge der Modenkopplung, deren Pulsfolgefrequenz durch die optische Resonatorlänge
bestimmt ist, sondern die Auskoppelmodulation ermöglicht auch die codierte Auskopplung
derartiger Impulse, und zwar mit nur sehr geringem Aufwand an Modulationsleistung.
Die Möglichkeit, die erfindungsgemäßen technischen Maßnahmen als eine integrierte
Vorrichtung aufzubauen, ist ein entscheidender weiterer Vorteil der Erfindung. Bitraten
bis zu einigen 10 GBit mit hochwertiger Wiedergabe des Modulationssignals - auch
bei der Anwendung zur Regeneration der Modulationsimpulse -lassen sich mit der Erfindung
erreichen.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus den nachfolgenden, anhand
der Figuren gegebenen weiteren Erfindungsbeschreibung hervor.
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Fig.1 zeigt eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung,
wobei der darin gestrichelt dargestellte Anteil der Fig.1 eine Weiterbildung für
Gegentaktmodulation zeigt.
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Fig.2 zeigt eine Seitenansicht zur Fig.1.
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In den Fig.1 und 2 ist mit 2 ein Halbleiterkörper bezeichnet. Die
Bezugszeichen 3 bis 8 geben Elektrodenbelegungen der Oberfläche dieses Halbleiterkörpers
2 an. Die Elektroden 3 und 8 bilden zusammen das Elektrodenpaar, das der Zuführung
des für den Betrieb einer Laserdiode erforderlichen elektrischen Gleichstromes dient.
D.h., daß im Halbleiterkörper 2 unterhalb der Elektrode 3 bekanntermaßen der laseraktive
Streifenbereich vorliegt. Im Regelfall befindet sich dieser Streifenbereich, vergleichsweise
zur Dicke des Halbleiterkörpers
2, relativ dicht unter der in Fig.1
oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers 2, und zwar aufgrund der für Laserdioden
üblichen Aufbauweise in Mehrschichten-Struktur. Mit 10 ist auf die Ausbildung eines
Hin- und Herlaufs von Laserstrahlung im Innern des Halbleiterkörpers 2 hingewiesen,
wobei diese Laserstrahlung 10 im erwähnten laseraktiven Streifenbereich erzeugt
ist und dementsprechend in diesem Streifenbereich verläuft. Üblicherweise werden
für Dioden-Halbleiterlaser die natürlichen Grenzflächen (Spaltflächen) des Halbleitermaterials
des Halbleiterkörpers als Reflexionsflächen verwendet. Mit ihrem Reflexionsgrad
in Höhe von ca. 30% bieten sie im Regelfall ausreichendes Reflexionsverhalten. Bei
der Erfindung ist dagegen ganz wesentlich höheres Reflexionsvermögen in der Größenordnung
über 90% vorzuziehen, wobei durch vorgegebenen Reflexionsgrad die Oszillationsbandbreite
zu beeinflussen ist. Aus diesem Grunde sind mit 11 und 12 bezeichnete Reflexionsmittel
auf den Stirnflächen des Halbleiterkörpers 2 angebracht, und zwar solche Reflexionsmittel,
wie sie z.B. von Lasern mit Kristallen aus Isolationsmaterial, beispielsweise Rubin,
oder auch von Gaslasern her bekannt sind. Die Die Anordnung der Reflektoren von
11 und 12, auch als Spiegel bezeichnet, bilden den optischen Resonator der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bzw. für die hin- und her laufende Laserstrahlung 10.
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Die Elektrode 4 und die Gegenelektrode 8 bilden ein erstes Elektrodenpaar
des erfindungsgemäß vorgesehenen Richtkopplers. Die Elektrode 4 ist - wie ersichtlich
- auf der gleichen Oberfläche des Halbleiterkörpers 2 angebracht, auf der sich auch
die schon beschriebene Elektrode 3 befindet.
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Ihr Ort auf dieser Oberfläche ist so gewählt, daß diese Elektrode
4 über dem Strahlengang der Laserstrahlung 10 liegt,
d.h. daß sie
mit der Elektrode 3 fluchtet.
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In der einen Schnitt II-II durch die Vorrichtung nach Fig.1 wiedergebenden
Darstellung ist mit 14 derjenige Streifenbereich hervorgehoben, durch den hindurch
(in Fig.2 senkrecht zur Darstellungsebene) die Laserstrahlung 10 unter der Elektrode
4 hindurch verläuft. Ein durch Anschluß eines elektrischen Signals an den Anschluß
24 der Elektrode 4 im Material des Halbleiterkörpers 2 zwischen der Elektrode 4
und der Elektrode 8 erzeugtes elektrisches Feld wirkt zwangsläufig auch in den Bereich
14 und kann den elektrooptischen Eigenschaften des Materials des Halbleiterkörpers
entsprechend dort elektrooptische Wirkung auf die Laserstrahlung ausüben. Mit 5
ist eine weitere (mit der Elektrode 4 und der Elektrode 3, d.h. in bezug auf die
Laserstrahlung 10) fluchtende Elektrode bezeichnet, die sich auf der Oberfläche
des Halbleiterkörpers 2 befindet. Weitere entsprechende Elektroden 6 und 7 sind
in gleicher Weise auf dieser Oberfläche angebracht, jedoch fluchten diese Elektroden
6 und 7 nur miteinander und sie liegen - wie dargestellt -neben den Elektroden 4
und 5. Ein jeweiliges Elektrodenpaar bilden somit die Elektroden 5 und 8, 6 und
8 sowie 7 und 8.
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Mit 20 ist auf einen noch näher zu beschreibenden optischen Strahlenweg
hingewiesen, der unterhalb der Elektroden 6 und 7, und zwar in dem mit 16 angedeuteten
Bereich, im Halbleiterkörper 2 verläuft, jedoch außerhalb des Bereichs der Elektroden
6 und 7 in einem wie dargestellten Bogen. An der den Laserstrahlungs-Signalausgang
bildenden Stelle 21 der Seitenfläche des Halbleiterkörpers 2 tritt - wie dies noch
näher zu erläutern ist - der gewünschterweise signalmodulierte Laserstrahl 22 aus.
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Für die Erläuterung der Erfindung anhand einer vereinfachten
Ausführungsform
genügt es, die Elektroden 5 und 7, d.h. die Elektrodenpaare 5-8, 7-8, außer Betracht
zu lassen. Die Elektrodenpaare 4-8 und 6-8 bilden zwei Elektrodenpaare der Modulatoreinrichtung,
die erfindungsgemäß zur simultanen Modenkopplung und Auskopplung dienen. Um Modenkopplung
mit der durch die Elektrodenpaare 4-8 und 6-8 zusammengenommen gebildeten Modulatoreinrichtung
hinsichtlich der Laserstrahlung 10 zu bewirken, legt man zwischen die Anschlüsse
24 und 28 des Elektrodenpaares 4-8 einerseits und zwischen die Anschlüsse 26 und
28 des Elektrodenpaares 6-8 andererseits ein elektrisches Hochfrequenzsignal an,
und zwar für beide Elektrodenpaare phasengleich. Es herrschen also in dn Bereichen
14 und 16 (unterhalb der Elektroden 4 und 6) entsprechend phasengleiche Hochfrequenz-Feldstärken.
Die Wirksamkeit des Elektrodenpaares 6-8 beruht darauf, daß die Elektroden 4 und
6 zueinander relativ nahe benachbart angeordnet sind und jede für sich genommen
und bezogen auf die Breite der Elektrode 3 des Halbleiterlasers nur so breit bemessen
sind, daß das elektromagnetische Feld der Laserstrahlung 10 innerhalb des Bereiches
14, d.h. unterhalb der Elektrode 4, mit dem seitlichen Ausläufer der üblichen Feldverteilung
noch bis in den Bereich 16 unterhalb der Elektrode 6 hineinreicht und dort noch
eine entsprechende Wirkung ausübt. Umgekehrt gilt das gleiche für das seitliche
Übergreifen eines Ausläufer in den Bereich 14 hinein, und zwar eines Ausläufers
einer Feldverteilung einer im Bereich 16 auftretenden Laserstrahlung, wie sie hier
mit 20 angesprochen worden ist.
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Um mit den Elektrodenpaaren 4-8 und 6-8 eine Auskopplung eines Anteils
der Laserstrahlung 10 als auszukoppelnde Laserstrahlung 20 zu erreichen, d.h. um
die interne Auskoppelmodulation bei der Erfindung bewirken zu können, wird das hochfrequente
Auskoppelsignal paarweise an die Anschlüsse 24-28 einerseits und 26-28 andererseits
angelegt.
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Die Auskopplung bedingt jedoch, zueinander phasenentgegengesetzte
Einspeisung in die Elektrodenpaare 4-8 und 6-8 durchzuführen.
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Die aus der Laserstrahlung 10 als Laserstrahlung 20 in den Ausgang
der erfindungsgemäßen Vorrichtung herübergekoppelte Energie kann man z.B. - wie
dargestellt - an einer seitlichen Stelle 21 als pulscodemodulierte Strahlung 22
auskoppeln. Der innerhalb des Halbleiterkörpers 2 gebogen 121 verlaufende Strahlungsweg
kann durch entsprechende an sich bekannte Dotierung, verbunden mit entsprechender
Verteilung der Brechungsindizes, bewirkt werden. Diese - wie dargestellte - seitliche
Auskopplung beseitigt solche Probleme, die im Zusammenhang mit den Reflektoren bzw.
Spiegeln 11 und 12 auf den Stirnflächen des Halbleiterkörpers 2 verbunden sein können.
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Die Fig.1 zeigt in gestrichelt dargestellter Ausführung noch einen
Anteil mit Elektroden 4' bis 7', die den Elektroden 4 bis 7 entsprechen. Zusammen
mit der Gegenelektrode 8 liegen dort Elektrodenpaare 4'-8, 5'-8, 6'-8 und 7'-8 vor,
die ebenfalls den entsprechenden Elektrodenpaaren 4-8 bis 7-8 entsprechen. Bei einer
solchen Ausführungsform umfaßt der Halbleiterkörper 2 auch den gestrichelten Anteil,
so daß nicht nur der Reflektor 11, sondern auch diese Stirnfläche des Halbleiterkörpers
2 entfällt und sich der entsprechende Reflektor 11' an dem - wie dargestellten -
Ort an der entsprechenden Stirnfläche des Halbleiterkörpers 2 befindet.
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Die Laserstrahlung 10 verläuft dann auch bis zu diesem Reflektor 11.
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Die diesen gestrichelten Anteil mit einschließende Weiterbildung der
Ausführungsform der Fig.1 ist für (die an sich
bekannte) interne
Gegentakt-Auskoppelmodulation zu verwenden. Die Elektrodenpaare 4'-8 und 6'-8 bilden
einen wie zu den Elektroden 4, 6, 8 beschriebene zweite Modulatoreinrichtung mit
den Funktionen des Modenkopplers und des Auskoppel-Richtkopplers. Ausgekoppelt wird
die Strahlung 22'. Entsprechend dem Gegentaktprinzip weisen die Auskoppelstrahlungen
22 und 22' das diesbezügliche Gegentaktverhalten auf.
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Diese Gegentaktauskopplung führte dazu, daß durch die Auskopplung
eines modulierten Signals keinerlei Beeinflussung des Güte-Verhaltens der in dieser
Weise weitergebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung eintritt. Damit ist die Modulation
für jede Codierung unabhängig von der Dynamik des Lasers.
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An sich umfaßt die ausgekoppelte Laserstrahlung 22 bereits den gesamten
Informationsinhalt des (an die Anschlüsse 24/ 26 und 28 anzulegenden Modulationssignals,
und zwar unabhängig davon, ob nur eine einfache Auskopplung oder Gegentakt-Auskopplung
vorgesehen ist. Bei Gegentakt-Auskopplung kann z.B. das zweite (informationsinvertierte)
Signal 22' für Kontrollzwecke verwendet werden. Zum Beispiel können auf getrennten
Kabel wegen bzw. in voneinander getrennten Lichtfasern nebeneinander sowohl die
Strahlung 22 als auch die Strahlung 22' an einen entfernten Ort übertragen werden
und es kann aus einem eventuellen Auftreten von Fehlern hinsichtlich des Gegentaktverhaltens
auf Mängel in der Übertragung geschlossen werden.
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Es sei ergänzend darauf hingewiesen, daß Maßnahmen vorzusehen sind,
daß die unterhalb der Elektrode 3 im eigentlichen Bereich der Laserdiode erzeugte
Laserstrahlung 10 nicht auf ihrem übrigen Weg zwischen den Reflektoren 11 und 12
bzw.
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11' und 12, jedoch außerhalb des Bereiches der Elektrode 3,
keine
unzulässig starke Dämpfung, z.B. durch Reabsorption, erfährt. Für den Fachmann auf
dem Gebiet der Laser-Technologie bieten sich da mehrere Möglichkeiten, dies zu erreichen,
z.B. dem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 2 in den Bereichen b und b' vergleichsweise
zu dem Bereich a (bei sogenanntem direkten Halbleitermaterial) ausreichend, z.B.
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um 2 kT, größeren Bandabstand zu geben oder (bei indirektem Halbleitermaterial)
dort entsprechend geringere Dotierung vorzusehen. Eine andere Möglichkeit, Entsprechendes
zu erreichen, ist die, an den Übergangsstellen zwischen den Bereichen a und b bzw.
a und b' eine Versetzung des optischen Weges der Laserstrahlung 10 zu bewirken,
z.B. bei einem Schichtaufbau des Halbleiterkörpers 2 eine Versetzung dieses Strahlenweges
aus einer an sich laseraktiv wirksamen Schicht in eine parallel liegende andere
Schicht, in der die erzeugte Laserstrahlung wenigstens entscheidend weniger starke
Absorption erfährt.
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Fig.1 zeigt außerdem eine solche Variante der Modulatoreinrichtung,
die auch noch die Elektroden 5 und 7 (bzw.
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zusätzlich auch 5' und 7') besitzt, d.h. bei der weitere Elektrodenpaare
5-8 und 7-8 (sowie 5'-8 und 7') vorhanden sind. Ihre Anordnung geht aus der Fig.1
und der zu den Elektroden 4 und 6 gegebenen Beschreibung hervor. Diese weiteren
Elektrodenpaare dienen zusammen mit den Elektrodenpaaren 4-8 und 6-8 dazu, die Auskopplung
nach dem speziellen Prinzip des " B-reversal" durchzuführen, das in 1,IEEE Journ.
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Quant. Electr., QE12 (1976), Seiten 396 ff. eingehend beschrieben
ist.
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6 Patentansprüche 2 Figuren
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