DE68908817T2 - Mit einer hohen Frequenz modulierte Halbleiterlaserquelle. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung einer mit hoher Frequenz modulierten Lichtwelle. Zu diesem Zweck sind verschiedene Quellen bekannt. Die wesentlichen Elemente einer dieser Quellen sollen hier zunächst aufgeführt werden. Bestimmte Elemente sind dieser bekannten Quelle und einer Quelle gemäß der vorliegenden Erfindung, mindestens teilweise gemeinsam. Bei den gemeinsamen Elementen handelt es sich um:
• - ein monolithisches Plättchen mit zwei einander gegenüberliegenden Endflächen, das aus einem differenziert dotierten Halbleitermaterial besteht, dessen Brechungsindex örtlich verringert wird, um Lichtwellen entlang eines Lichtkanals zu führen, der sich von dem einen zum anderen Ende der beiden Endflächen erstreckt;
• - eine Verstärkungseinspeiseeinrichtung, um einen Vorspannungsgleichstrom (Ip) in das genannte Plättchen einzuspeisen, der im Lichtkanal eine Populationsumkehr herbeiführt, derart, daß die Lichtwellen dort verstärkt werden, wobei die die mögliche Verstärkung einer Welle darstellende Verstärkung nur dann positiv ist, wenn die Frequenz dieser Welle in einem Verstärkungsspektralbereich liegt, der eine Verstärkungsspektralbreite besitzt,
• - zwei Reflektoren zur Bildung eines optischen Hohlraumes zwischen diesen, der den Lichtkanal einschließt und eine optische Hohlraumlänge L besitzt, derart, daß der Hohlraum, gemäß einer Modenfolge bei Lichtwellen in Resonanz geht, die eine entsprechende Folge von Eigenfrequenzen besitzen, und diese Frequenzen voneinander durch gleiche Intervalle entsprechend einer Zwischenmodenfrequenz fi = c/sL getrennt sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, derart, daß der Hohlraum einen Laseroszillator bildet, der Lichtwellen mit Frequenzen in der Nähe der Eigenfrequenzen erzeugen kann, die in dem Verstärkungsspektralbereich liegen, und daß eine Modenkopplung zwischen den erzeugten Wellen möglich ist;
• - eine Modulationseinspeiseeinrichtung (CM), um in das Plättchen einen Modulationswechselstrom (IHF) einzuspeisen, der eine Modulationsfrequenz (fm) besitzt und auch den Lichtkanal durchquert, um darin eine Verstärkungswechselkomponente entstehen zu lassen, wobei diese Modulationsfrequenz in der Nähe der Zwischenmodenfrequenz liegt, um so eine Modenkopplung zu erzwingen, aus der der Oszillator die Lichtwellen in Form einer modulierten Trägerwelle (OP) erzeugt, wobei mindestens eine Modulationskomponente dieser Welle ein Ausgangsmodulationssignal ergibt, das die Modulationsfrequenz aufweist.
• Diese erste, bekannte Quelle ist in einem Aufsatz (J.P. van der ZIEL, Semiconductors and Semimetals, Bd. 22, B, S. 1, 1985, Academic Press) beschrieben worden. Der optische Hohlraum befindet sich im wesentlichen außerhalb des Halbleiterplättchens. Er liefert Lichtimpulse kurzer Dauer (größenordnungsmäßig einige Picosekunden) mit einer Wiederholungsfrequenz, die typischerweise 100 MHz beträgt und 9,4 GHz erreichen kann. Bei Frequenzen von oberhalb etwa 1 GHz fällt die Kohärenz der erhaltenen Trägerwelle schlecht aus, was im übrigen die maximale Wiederholfrequenz auf etwa 10 GHz begrenzt. Bei niedrigeren Frequenzen befördert die modulierte Trägerwelle in jeder der zahlreichen Modulationsspektrallinien, die sie umfaßt, nur eine geringe Leistung.
• Zur Herstellung einer mit hoher Frequenz modulierten Halbleiterlaserquelle sind auch andere Möglichkeiten bekannt.
• Eine Möglichkeit bietet die direkte Modulation des Lasers. Die Leistung des Modulationsstromes wird ausreichend groß gewählt, um durch sie selbst die gewünschte Modulation der Lichtwelle, ohne Hilfe des Modenkopplungsphänomens, zu bewirken. Die mit Hilfe einer so aufgebauten Quelle zugänglichen Frequenzen sind aber, zusätzlich zu anderen Nachteilen, durch die Frequenz der Relaxationsschwingungen begrenzt, d.h., daß sie bei den gegenwärtigen Halbleiterlasern auf ungefähr 10 GHz, und in Zukunft wahrscheinlich auf 20 GHz beschränkt sind (G.P. AGRAWAL und N.K. DUTTA, Long wavelength semiconductor lasers, Van Nostrand, 1986).
• Eine andere Möglichkeit bilden die äußeren Modulatoren, deren Durchlaßbereiche gegenwärtig 40 GHz erreichen (K. UHDE, Electronic letters Nr. 23, S. 1156, 1987).
• Eine andere bekannte Möglichkeit besteht darin, zwei Laser mit unterschiedlichen Frequenzen oder zwei Moden eines Lasers pulsieren zu lassen. Diese Möglichkeit wurde bei Halbleiterlasern durch Injizieren von Slave-Lasern mit Hilfe eines modulierten Master-Lasers angewandt (L.GOLDBERG, A.M. YUREK, J.F. WELLER und H.F. TAYLOR, Electronic Letters Nr. 21, S. 814, 1985). Die praktische Umsetzung dieser Möglichkeit ist jedoch schwierig und läßt kaum Integrationsmöglichkeiten erwarten.
• Eine solche Integration in Form eines monolithischen Laseroszillators dürfte dennoch erwünscht sein, wenn nämlich die herzustellende Quelle Bestandteil eines Systems (beispielsweise eines Nachrichtentechniksystems) sein soll.
• Dies ist der Grund, warum bei einem monolithischen Halbleiterlaser mit kurzem Hohlraum eine Modenkopplung durch Strominjektion durchgeführt worden ist (K.Y. LAU, I. URY und A. YARIV, Appl. Phys. Lett. Nr. 46, S. 1117, 1985). Die Modenkopplung existierte jedoch nur teilweise, und das so aufgebaute Bauteil erlaubte es nicht, die Phase des Ausgangsmodulationssignals zu definieren, und auch nicht, eine sehr kohärente Lichtemission zur Bildung der Trägerwelle herbeizuführen. Die Autoren haben sehr starke Modulationsströme verwendet, ohne jedoch eine vollständige Modenkopplung zu erzielen. Daraus geht hervor, daß dieses Bauteil für den Aufbau einer modulierbaren Lichtquelle als nicht geeignet angesehen wurde.
• Eine letzte bekannte Möglichkeit besteht in der Erzeugung von Lichtimpulsen mit einer Dauer von Picosekunden, die aber wegen der kurzen Dauer der Impulse einen großen Frequenzbereich belegen. Diese Impulse können durch Verstärkungsumschaltung (K.Y. LAU und A. YARIV, Semiconductors and Semimetals, Bd. 22, B, S. 69, 1985, Academic Press), oder durch Längsmodenkopplung eines äußeren Hohlraumes erreicht werden, wie sie bei der erstgenannten, bekannten Quelle erfolgt. In beiden Fällen ist die Wiederholungsfrequenz, wie weiter oben bemerkt, niedrig, wobei die in einem schmalen Frequenzband transportierte Energie ebenfalls gering ist.
• Die vorliegende Erfindung verfolgt insbesondere die nachfolgenden, die Modulation einer optischen Trägerwelle betreffenden Ziele:
• - Erhöhen der Modulationsfrequenz in den Mikrowellenbereich;
• - Herbeiführen einer Modulation, die einen überwiegenden Teil ihrer Leistung in einem sehr schmalen Band transportiert, d.h. in Gestalt einer Grundwelle, die möglicherweise ebenfalls moduliert ist, aber eine wesentliche niedrigere Frequenz besitzt, wobei die Harmonischen dieser Grundwelle nur einen kleinen Anteil der Energie transportieren, der vorzugsweise unter 20 % liegt;
• - Verringern des Modulationsstromes, vorzugsweise weit unter 50 % des Vorspannstromes;
• - Herbeiführen einer Modulation in Form von Impulsen, die mit erhöhter Wiederholungsfrequenz aufeinander folgen, wenn die beiden vorgenannten Ziele nicht von Nutzen sind und wenn ein starker Modulationsstrom benutzt werden kann;
• - Modulieren des Ausgangsmodulationssignals selber, und zwar nach Amplitude und/oder Phase und/oder Frequenz;
• - Durchführen der Modulation mit Hilfe einer monolithischen und kompakten Quelle.
• Eine Laserquelle gemäß der vorliegenden Erfindung weist in monolithischer Form zwischen zwei Reflektoren einen Modulationsabschnitt auf, der an einen Wellenleiterabschnitt mit Zusatzfilterung angeschlossen ist, wobei er von einem Vorspanngleichstrom und einem Mikrowellenmodulationsstrom kleinerer Amplitude gesteuert wird.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Quelle, die die erwähnten gemeinsamen Elemente aufweist und im Vergleich zu der weiter oben genannten ersten bekannten Quelle dadurch gekennzeichnet ist, daß das Plättchen an seinen Endseiten die Reflektoren trägt, derart, daß die optische Hohlraumlänge L durch die Länge des Lichtkanals begrenzt ist, um die Intermodenfrequenz (fi) und dementsprechend auch die Modulationsfrequenz (fm) in den Mikrowellenbereich zu bringen, wobei das Modulationssignal ein Ausgangsmikrowellensignal (SHF) ist,
• - daß das Plättchen weiter eine Dispersionbegrenzungseinrichtung aufweist, die in dem optischen Hohlraum angeordnet ist, um die Streuung der Gruppenlaufzeiten der Lichtquellen im Hohlraum zu begrenzen,
• - und daß ein zusätzliches Filter im optischen Hohlraum enthalten ist, so daß der Laseroszillator die Lichtwellen nur innerhalb eines spektralen Filterbereiches mit einer Filterbreite erzeugen kann, die kleiner als die Hälfte der Verstärkungsspektralbreite, aber größer als die Intermodenfrequenz ist, so daß Instabilitäten der Frequenzen der vom Laseroszillator erzeugten Wellen vermieden werden,
• - wobei die Verstärkungsmodulation nur in einem Abschnitt der Länge des Lichtkanals erfolgt und dieser Abschnitt ein Verstärkungsmodulationsabschnitt ist, der sich über einen kleineren Teil dieser Länge, an einem Ende derselben, erstreckt, derart, daß dem Ausgangsmikrowellensignal eine vorbestimmte Phase relativ zum Modulationsstrom eingeprägt wird.
• Darüber hinaus können die nachfolgenden Maßnahmen getroffen werden, die in bestimmten Fällen von Vorteil sind:
• - Die Verstärkungseinspeiseeinrichtung beschränkt die Populationsinversion und die Verstärkung der Lichtwellen auf einen Verstärkungsabschnitt des Lichtkanals, wobei dieser Abschnitt gleichzeitig den Verstärkungsmodulationsabschnitt bildet und seine optische Länge kleiner als ein Viertel der optischen Hohlraumlänge ist. Der Rest der Länge des Hohlraumes kann einen passiven Wellenleiterabschnitt bilden, bei dem das Innenmaterial des Führungskanals intrinsisch transparent ist. Es soll jedoch bemerkt werden, daß ein solcher passiver Wellenleiterabschnitt durch einen neutralen Wellenleiterabschnitt ersetzt werden kann, bei dem dieses Material nicht intrinsisch transparent, aber zwischen die halbleitenden Schichten entgegengesetzter Leitfähigkeit eingefügt ist, so daß eine Verstärkung ermöglicht wird, wobei aber das Material von einem Strom durchquert wird, der so gewählt ist, daß er unverstärkt bleibt.
• Die Filterbreite liegt zwischen dem 2- und 100-fachen der Intermodenfrequenz (fi), derart, daß die Modenkopplung über mehrere Längsmoden erfolgt.
• Das Zusatzfilter ist ein verteilter Bragg'scher Reflektor, der einen Filtrierabschnitt an einem Ende des optischen Hohlraumes einnimmt. Ein solcher Reflektor ist international unter der Abkürzung DBR, entsprechend "Distributed Bragg Reflector", bekannt. Er erlaubt die Verschmälerung der Filterbreite auf einen Wert in der Größenordnung eines Nanometers, um ein Bauteil großer Dynamik zu erhalten (d.h., ein Bauteil, das die Herbeiführung großer Änderungen der modulierten optischen Leistung ermöglicht). Die spektrale Breite des DBR-Filters muß dennoch, relativ zu fm, genügend groß bleiben, damit nicht ein zu starker Strom IHF benötigt wird (was die Erreichung starker Kopplungkoeffizienten K in der Größenordnung von 100 oder 200 cm&supmin;¹ erfordert). Auch wenn dies nicht als vorteilhaft erscheint, könnte dieses Filter auch anders aufgebaut sein, insbesondere in Form eines Stapels dielektrischer Schichten, die an einem Ende des genannten optischen Hohlraumes einen Reflektor bilden.
• Der spektrale Filterbereich ist so gewählt, daß er mit einem Frequenzbereich übereinstimmt, bei dem ein Dispersionsparameter in dem Verstärkungsabschnitt einen negativen Wert besitzt, während er in dem Führungskanal einen positiven Wert besitzt, wobei der negative Wert absolut größer als das Dreifache des positiven Wertes ist und wobei der Parameter die zweite Ableitung (d²n/d lambda²) des Brechungsindex (n) im Lichtkanal zur Wellenlänge (lambda) der Lichtwellen ist, derart, daß die Vereinigung dieses Verstärkungsabschnittes und des anderen Abschnittes des Führungskanals eine Dispersionskompensation herbeiführt, um die Dispersionsbegrenzungseinrichtung zu bilden. Allerdings kann die Kompensation allgemein dadurch bewirkt werden, daß die Länge des Hohlraumes Abschnitte umfaßt, die Streuwerte mit entgegengesetzten Vorzeichen besitzen, wobei diese Werte die Streuung der Gruppenfortpflanzungsgeschwindigkeit der Lichtwellen in den genannten Abschnitten darstellen.
• Schließlich ist mindestens einer der beiden Reflektoren halbdurchlässig, um eine Ausgangswelle austreten zu lassen, welche aus der Trägerwelle (OP) besteht, die durch das Ausgangsmikrowellensignal (SHF) moduliert ist.
• Die vorstehend getroffenen Maßnahmen ermöglichen die Herstellung einer Laserquelle, die im Mikrowellenbereich durch Modenkopplung eines Hohlraumes von Millimeterlänge moduliert wird, und in der die verschiedenen Funktionsparameter durch Gestaltung des Resonanzhohlraumes in Form aufeinanderfolgender Abschnitte entkoppelt sind. Verglichen mit den bekannten Quellen sind die Modulationsfrequenzen, im Gegensatz zur direkten Modulation, nicht durch die Relaxationsschwingungen begrenzt, und die Energie der Ausgangsmodulation wird im wesentlichen mit der Modulationsfrequenz transportiert, im Gegensatz zu dem Fall, bei dem die Ausgangswelle aus der Folge kurzer Impulse mit niedriger Wiederholungsfrequenz besteht.
• Eine solche Quelle ist besonders geeignet, ein Bauteil eines Nachrichtentechniksystems zu bilden.
• Nachfolgend sollen die Betriebsbedingungen eines solchen Bauteils näher erläutert werden. Wie bereits weiter oben gesagt wurde, ist die Grundlage dieser Betriebsweise die Kopplung der Längsmoden (G.H.C. NEW, Rep. Prog. Phys. Nr. 46, S. 877, 1983) einer Halbleiterlaserquelle mit ausgedehntem Resonanzhohlraum, wobei diese Kopplung durch die Modulation der Verstärkung bei einer Frequenz fm erzielt wird, die in der Nähe der Intermodeneigenfrequenz diese Hohlraumes liegt. Die Modulation der Verstärkung wird durch Einspeisen eines sinusförmigen Stroms IHF mit der Frequenz fm herbeigeführt, der einem Vorspanngleichstrom Ip überlagert ist, welcher den Laser auf einen Pegel oberhalb der Schwingungsschwelle bringt. Die Frequenz fm ist durch die Hin- und Rücklaufzeit des Lichtes entlang der optischen Länge L des ausgedehnten Hohlraumes gegeben:
• 1/fm = 2L/c;
• wobei c die Geschwindigkeit des Lichtes im Vakuum ist und die Länge L den Gruppenbrechungsindex jedes Abschnittes des ausgedehnten Hohlraumes berücksichtigt. Bei einem mittleren Index von n = 4 wird mit einem Hohlraum der Länge L von etwa 1,9 mm eine Frequenz fm von 20 GHz erhalten, während bei einem Hohlraum mit einer Länge L nahe bei 0,37 mm eine Frequenz von 100 GHz erzielt wird.
• Die Lichtemission dieses Bauteils besteht aus einem mit der Frequenz fm intensitätsmodulierten Lichtstrahl. Die mittlere Leistung hängt annähernd linear vom Vorspannstrom Ip ab und liegt in der Nähe derjenigen Leistung, die bei fehlendem Modulationsstrom erhalten würde.
• Der Modulationsgrad (Leistungskomponente bei der Frequenz fm, wobei diese Komponente auf die mittlere Gesamtleistung bezogen ist) hängt annähernd linear vom Modulationsstrom IHF ab. Eine sinusförmige Modulation mit der Frequenz fm wird durch Koppeln einiger Moden des Laserhohlraumes erzielt. Bei diesem Betriebstyp beruht die Intensitätsmodulation auf der Überlagerung der Emission des Lasers von mehreren Moden und kann bei Frequenzen erfolgen, die sehr weit oberhalb der Frequenz der Relaxationsschwingungen liegen, wobei diese Frequenzen nur durch die Verstärkungsbreite und den Wirkungsgrad der Verstärkungsmodulation begrenzt werden (was ein anstrebbares Maximum im Bereich von fm = 100 GHz ergäbe). Die Lichtmodulation (d.h. die Modulation der Trägerwelle) erfolgt im Zuge einer großen Anzahl von Hin- und Rückläufen des Lichtes im Bauelement (typischerweise 100 bis 1000 Male). Dies hat eine gute spektrale Kohärenz der Lichtemission zur Folge (d.h. der Trägerwelle), wobei diese Kohärenz in der Nähe derjenigen liegt, die beim Monofrequenzbetrieb des gleichen Laserbauelementes erzielt wird (D.W. RUSH, G.L. BURDGE und P.T. HO, IEEE J. Quant. Q.E. 22, S. 2088, 1986).
• Die für den einwandfreien Betrieb dieses Bauelementes wichtigen Punkte werden nachfolgend aufgeführt. Für den Aufbau desselben und seine Benutzung können jedoch bestimmte Ergebnisse Hilfe leisten, die zuvor experimentell und theoretisch gewonnen wurden und die die Modenkopplung in einer Laserquelle durch Stromeinspeisung in einen Halbleiterlaser betreffen, der in einem äußeren Hohlraum untergebracht ist (H.A. HAUS, Jpn J. Appl. Phys. Nr. 20, S. 1007, 1981).
• Der Verstärkungsmodulationsabschnitt muß an einem Ende des Bauelementes ausgebildet sein, um die Phase der Lichtintensitätsmodulation relativ zu der des Modulationsstromes IHF zu fixieren. Der Abschnitt muß im Verhältnis zur gesamten optischen Länge des Laserresonanzhohlraumes kurz sein, damit die von diesem Strom erzeugte Verstärkungsmodulation auf eine präzise Zeitfraktion der im Hohlraum umlaufenden Lichtintensität begrenzt wird. Darüber hinaus beschränkt die kurze Länge des Verstärkungsabschnittes, die mit dem Verstärkungsmodulationsabschnitt zusammenfällt, auch eine bekannte nachteilige Wirkung, bei der es sich um eine spektrale Destabilisierung der Verstärkung handelt. Diese Wirkung beruht auf örtlichen Verarmungen an angeregten Quantenzuständen, die geeignet sind, die Lichtwellen zu verstärken. Diese Verarmungen befinden sich in den Bäuchen der stationären Lichtwelle, die im Resonanzhohlraum schwingt, und sind unter der internationalen Bezeichnung "spatial hole burning" bekannt.
• Der Hohlraum muß durch einen Führungsabschnitt verlängert werden, um durch seine Länge die Modulationsfrequenz fm festzulegen. Es ist wichtig, daß die optische Kopplung zwischen aufeinanderfolgenden Abschnitten nicht durch parasitäre Rückreflexionen gestört wird. Man wählt also Strukturen, die eine gute optische Impedanzanpassung ermöglichen, wodurch die Rückreflexionen maximal auf 1 Prozent oder auf mehrere Prozente begrenzt werden.
• Die vom Hohlraum zugelassene optische Spektralbreite (es handelt sich um diejenige Breite, die alle erlaubten Frequenzen enthält, und die durch die Verstärkungskurve und durch die Zusatzfilterung gegeben ist) muß (frequenzmäßig) größer als fm, also der Grenzgröße der emittierten Lichtwelle, sein. Der bei einem gegebenen Hohlraum zur Erzielung einer gegebenen Modulation erforderliche Strom IHF ist der Spektralbreite umgekehrt proportional. Man erhält so eine größere Empfindlichkeit der Modulationssteuerung durch Vergrößern der vom Hohlraum zugelassenen Spektralbreite. Dennoch führt eine zu große erlaubte Spektralbreite zu einer Destabilisierung der Lichtemission, hauptsächlich aufgrund der Verstärkungssättigung (spektral, räumlich und zeitlich). So ermöglicht die natürliche Breite der Verstärkung der gegenwärtig verfügbaren Halbleiterlaserquellen unter den oben angegebenen Bedingungen nicht die Erzielung einer Emission annehmbarer Kohärenz. Eine begrenzte, zusätzliche Filterung erlaubt die Herstellung eines empfindlichen Bauelementes (das von einem Strom IHF in der Größenordnung Milliampere gesteuert wird), das aber gegen Änderungen der äußeren Bedingungen wenig beständig ist und daher ein schwaches Dynamikverhalten zeigt. Eine schmalbandige Filterung (einige fm) ergibt ein weniger empfindliches Bauteil (es wird ein IHF in der Größenordnung von etwa 10 mA benötigt), das jedoch gegenüber äußeren Beeinträchtigungen robuster ist und daher eine größere Betriebsdynamik besitzt. Man kann die Filterung durch Aufbringen eines mehrschichtigen dielektrischen Filters auf einer der Flächen des Bauelementes erreichen. Doch scheint dieser Filtertyp zu wenig selektiv zu sein. Eine selektivere Filterung wird durch Vervollständigen des Wellenleiters mit einem Bragg'schen Reflektor mit verteiltem Gitter DBR erzielt. Auch in diesem Falle muß für eine gute optische Anpassung an den Rest des Lichtleiterabschnittes und auch dafür gesorgt werden, daß bei der Berechnung der optischen Länge des Resonanzhohlraumes das Gitter dieser DBR-Reflektor berücksichtigt wird.
• Ein wichtiger Parameter, der den Wirkungsgrad der Modulation durch den Strom IHF bestimmt, ist die Streuung der Gruppenlaufzeit im Inneren des Bauteils. Der Wert dieser Streuung kann durch Integration des Dispersionsparameters über die geometrische Länge des Hohlraumes berechnet werden. Die typischen Werte der Dispersion in Halbleitern verringern beträchtlich den Wirkungsgrad der Lichtmodulation im Vergleich zu dem, was bei fehlender Dispersion zulässig wäre. Wenn man die Möglichkeit der Steuerung des Bauteils durch einen schwachen Strom IHF (einige Milliampere) nutzen will, muß die Streuung der Gruppenlaufzeit auf einen Wert nahe bei null eingestellt werden. Diese Möglichkeit ist durch das Vorhandensein eines Bereiches hoher, "anormaler" Dispersion auf der Hochfrequenzflanke der Verstärkungskurve (Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz) gegeben, wo der angesprochene Parameter negativ ist (J.P. van der ZIEL und R.A. LOGAN, IEEE J. Quant. Elec., QE 19, S. 164, 1983). Der Absolutwert dieser "anormalen" Dispersion reicht aus, um die "normale" Dispersion der anderen Abschnitte zu kompensieren, für die dieser Parameter positiv ist, vorausgesetzt natürlich, daß die relativen Längen der verschiedenen Abschnitte richtig eingestellt sind. Um diese Kompensation zu erzielen, muß der Frequenzbereich des Zusatzfilters so weit wie möglich in den Bereich der anormalen Dispersion gelegt werden. Diese spektrale Position des Filters auf der Hochfrequenzflanke des Verstärkungskurve verbessert auch den Wirkungsgrad der Modulation durch Vergrößern der Differentialverstärkung (C.H. HENRY, R.A. LOGAN und K.A. BERTNESS, J. Appl. Phys. Nr. 52, S. 4457, 1981).
• Eine Amplitudenmodulation der Lichtemission ist durch Steuerung des Vorspannstromes möglich.
• Eine Fehlanpassung der optischen Länge kann toleriert werden, wenn sie nicht einen Relativwert von 10&supmin;² oder 10&supmin;³ überschreitet (wie dies im Falle der Laser mit äußerem Hohlraum der Fall ist:J.C. GOODWIN und B.K. GARSIDE, IEEE J. Quant. Elec. QE 19, S. 1068, 1983). Die Frequenzverstimmung führt zu einer Phasenabweichung des Ausgangsmikrowellensignals relativ zum Modulationsstrom und liefert eine Möglichkeit zur Phasenmodulation des betreffenden Signals.
• Die Durchlaßbereiche der Amplituden- bzw. der Phasenmodulationen im Mikrowellenbereich sind durch die Aufbauzeit der Modenkopplung auf 10&supmin;² oder 10&supmin;³ fm begrenzt. Sie sind annähernd proportional zu IHF und betragen maximal einige hundert MHz.
• Die Umwandlung der elektronischen Energie in Lichtenergie wird durch eine elektrische Impedanzanpassung des Modulationsstromes IHF verbessert (es genügt, diese Anpassung schmalbandig durchzuführen).
• Die halbleitende Struktur der Quelle gemäß der Erfindung kann von der gleichen Art wie diejenigen sein, die zur Herstellung von abstimmbaren Monomodenlasern beschrieben worden sind (L.A. COLDREN und S.W. SCOTT, IEEE J. Quant. Elec. QE 23, S. 903, 1987). Da die elektrischen und optischen Eigenschaften der bekannten Halbleiterlaserquellen eng beieinanderliegen, kann die Wahl des Aufbaumaterials entsprechend der gesuchten optischen Wellenlänge erfolgen, wobei die Herstellung der Modenkopplung bei Lasern, beispielsweise auf GaAs- oder InP-Basis, möglich ist.
• Es soll übrigens bemerkt werden, daß eine Dispersionskompensation bereits beschrieben worden ist, jedoch geschah dies für Laser mit äußerem Hohlraum und somit für Modulationsfrequenzen, die weit ab von den hier betrachteten Frequenzen liegen (J. KUHL, M. SERENYI, E.O. GOBEL, Optics Letters 12, S. 334 - 1987). Darüber hinaus waren die benutzten Mittel sehr verschieden.
• Das wie oben angegeben aufgebaute Bauelement kann durch Einwirken auf verschiedene steuerbare Größen moduliert werden, nämlich auf den Vorspannstrom Ip, den Modulationsstrom IHF und gegebenenfalls auf die Signale, die die Hohlraumlänge L und die Mittenfrequenz des Zusatzfilters beeinflussen. Durch Kombination mit anderen Elementen, wie etwa einem Lichtdetektor oder einer Lichtleitfaser, können verschiedene Einrichtungen geschaffen werden.
• Ein Vorteil dieses Bauelementes besteht darin, daß es nach Amplitude und Phase durch modulierbare Ströme mit einer Frequenz steuerbar ist, die wesentlich niedriger als die des erhaltenen Ausgangsmikrowellensignals ist, wobei der Strom IHF vorzugsweise konstant bleibt. Eine andere Besonderheit des Bauelementes besteht darin, daß es eine Quelle hoher Frequenz, aber schmaler Spektralbandbreite ist.
• In gewissen Fällen kann es jedoch vorteilhaft sein, das Bauelement in anderer Weise zu benutzen. Der Modulationsstrom (IHF) wird dann genügend groß gewählt, um in der Ausgangswelle Modulationskomponenten erscheinen zu lassen, die Harmonische bilden und Vielfachfrequenzen der Modulationsfrequenz (fm) darstellen, so daß eine Lichtimpulsquelle mit hoher Wiederholungsfrequenz hergestellt wird.
• Anhand der beigefügten schematischen Figuren soll nunmehr, beispielshalber und ohne Beschränkungsabsicht im einzelnen beschrieben werden, wie die vorliegende Erfindung im Rahmen der bisherigen Ausführungen in die Praxis umgesetzt werden kann. Wenn ein gleiches Element in mehreren Figuren dargestellt wird, ist es mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die beschriebenen Ausführungsformen umfassen die oben erwähnten Maßnahmen als bevorzugte Maßnahmen gemäß der vorliegenden Erfindung. Natürlich können die erwähnten Elemente durch andere Elemente ersetzt, die die gleichen technischen Funktionen übernehmen.
• Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Quelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 zeigt eine Ansicht dieser Quelle im Querschnitt;
• Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm einer von der Quelle ausgesandten Welle;
• Figuren 4, 7 und 10 stellen Steuerströme dar, die an diese Quelle für verschiedene Anwendungen derselben angelegt werden;
• Figuren 5, 8, 11 und 13 zeigen diese Quelle in verschiedenen Anwendungen; und
• Fig. 6, 9, 12 und 14 stellen Ausgangswellen bzw. -signale der Quelle bei verschiedenen Anwendungen dar.
• In den Figuren 1 und 2 ist das Halbleiterplättchen mit 2 bezeichnet und bildet einen Laserdiode, deren Länge entlang einer durch einen doppelten Pfeil dargestellten Längsrichtung verläuft. Die Endseiten 8 und 10 dieses Plättchens bilden die Reflektoren an den Enden des optischen Hohlraumes, der durch diesen Kanal gebildet wird. Zwei Schichten 12 und 14 mit einander entgegengesetzter Leitfähigkeit sind oberhalb und unterhalb eines Verstärkungsabschnittes des Kanals angebracht, um einem Vorspannstrom die Herstellung einer Populationsumkehr in diesem Abschnitt zu ermöglichen. Der interne Aufbau der durch das Plättchen gebildeten Diode ist in Wirklichkeit entsprechend den zur Herstellung von Halbleiterlaserdioden bekannten Maßnahmen komplexer ausgebildet als dargestellt.
• Verstärkungs- und Modulationseinspeiseeinrichtungen sind durch zwei Leiter CP und CM dargestellt. Sie führen die Einspeisung eines Vorspannstromes Ip und eines Modulationsstromes IHF mit Hilfe einer lokalisierten Elektrode 16 und einer lokalisierten Elektrode 18 durch, die an Masse gelegt werden kann.
• Der Verstärkungsabschnitt 20 befindet sich gegenüber der Elektrode 16. Der Filterabschnitt ist bei 24 dargestellt, während das Zusatzfilter bei 23 dargestellt ist. Der verbleibende Zwischenabschnitt 22 bildet mit dem Filterabschnitt den zuvor erwähnten Wellenleiterabschnitt.
• Die Ausgangswelle wird den durch Pfeil 26 dargestellt. Entsprechend der Fig. 3 besteht die Welle aus einer Trägerwelle OP mit Lichtfrequenz, die durch ein Mikrowellensignal SHF amplitudenmoduliert wird, wobei die Zeit t an der Abszisse, und das elektrische Feld E an der Ordinate abgetragen ist.
• Das so hergestellte Bauelement bildet einen Mikrowellenwandler und/oder -verstärker, denn es liefert am Ausgang ein optischen Mikrowellensignal mit einer Leistung, die derjenigen des elektrischen Modulationsstromes IHF, den es mit der gleichen Frequenz am Eingang empfängt, vergleichbar ist oder größer als diese ist.
• Gemäß einer manchmal bevorzugten Einrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es die Verstärkungseinspeiseeinrichtung CP, den Vorspannstrom Ip bei niedriger Frequenz so zu steuern, daß die das Ausgangsmikrowellensignal AHF tragende Ausgangswelle bei niedriger Frequenz amplitudenmoduliert werden kann. Auf diese Weise erstellt man für die betreffende Ausgangswelle und für das Mikrowellensignal einen Amplitudenmodulator.
• Das dafür verwendete Bauelement entspricht dem zuvor beschriebenen Element, ausgenommen, daß sich der Vorspannstrom Ip gemäß Fig. 4 verändert. Das Bauelement ist in Fig. 5 symbolisch dargestellt, wobei das Ausgangsmikrowellensignal AHF in Fig. 6 dargestellt ist.
• In Fig. 5, ebenso wie in denjenigen Figuren, die die Bauelemente gemäß der Erfindung symbolisieren, stellen stark ausgezogenen Striche die Leitungen dar, durch die ein Steuerstrom zugeführt wird. Ein solcher Strom durchquert bei Bedarf einen der drei Abschnitte, wie etwa die Abschnitte 20, 22, 24, über eine der zusätzlichen Elektroden 30 und 32, die auf dem Zwischenabschnitt 22 und dem Filterungsabschnitt 24 angeordnet sind und die Leiter CK und CF tragen.
• Die Änderung des Vorspannstromes Ip verursacht nicht nur eine Änderung der Verstärkung, sondern auch eine Änderung des Brechungsindex und somit der optischen Länge des Verstärkungsabschnittes. Daher kann die Quelle weiter eine Einrichtung zur Kompensation der optischen Längenänderungen aufweisen, um einen Längenkompensationsstrom IK in den Phasenmodulationsabschnitt 22 einzuspeisen, und um diesen Kompensationsstrom gleichzeitig mit dem Vorspannstrom zu verändern, so daß ein Abdriften der Intermodenfrequenz fi vermieden wird. Ein solches Kompensationsmittel wird nicht benötigt, wenn der angestrebte Zweck darin besteht, die Phase des Ausgangsmikrowellensignals zu ändern.
• Gemäß einer weiteren, manchmal bevorzugten Anordnungsweise, wie sie in den Figuren 7 und 8 dargestellt ist, enthält die Quelle eine Phasenmodulationseinrichtung, die ein niederfrequentes Phasenmodulationssignal IK empfängt und in entsprechender Weise die optische Hohlraumlänge L steuert, derart, daß die Phase eines Ausgangsmikrowellensignals BHF moduliert wird, was sehr schematisch in Fig. 9 dargestellt ist. Entsprechend einer weiteren bevorzugten Anordnungsweise weist die Phasenmodulationseinrichtung auf:
• - einen Phasenmodulationsabschnitt, der aus dem Zwischenabschnitt 2 besteht und sich mindestens über einen Teil der Länge des Hohlraumes erstreckt, wobei der Brechungsindex in diesem Führungskanal 6 innerhalb dieses Abschnittes auf die Ladungsträgerdichte anspricht; und
• - eine Phasenmodulationseinspeiseeinrichtung (bestehend aus dem Leiter CK) zum Einspeisen eines elektrischen Phasenmodulationsstromes IK durch diesen Kanal in diesen Abschnitt, derart, daß darin die Ladungsträgerdichte gesteuert wird, wobei dieser Strom das Phasenmodulationssignal bildet.
• Es sei jedoch bemerkt, daß die Länge des Phasenmodulationsabschnittes auch durch den elektro-optischen Effekt abgestimmt werden kann, der schneller wirkt als die Steuerung durch Ladungsträgerinjektion.
• Eine andere manchmal vorzuziehende Anordnungsweise ist in den Figuren 10 und 11 dargestellt. Sie ist anwendbar, wenn das zusätzliche Filter 23 ein verteilter Bragg-Reflektor ist, der den Filterabschnitt 22 an einem Ende des optischen Hohlraumes 6, 8, 10 einnimmt, und wenn der Brechungsindex im Führungskanal 6 dieses Abschnittes auf die Ladungsträgerdichte anspricht.
• Gemäß dieser Anordnung weist die Quelle eine Frequenzmodulationseinspeiseeinrichtung auf (bestehend aus dem Leiter CF), um durch diesen Kanal einen Frequenzmodulationsstrom IF in diesen Abschnitt einzuspeisen, so daß dort die Ladungsträgerdichte gesteuert und so die Frequenz der Trägerwelle AP moduliert wird, was sehr schematisch in Fig. 12 dargestellt ist.
• Gemäß einer weiteren manchmal vorzuziehenden Anordnungsweise gemäß den Figuren 13 und 14 weist die Quelle weiter auf:
• - einen Photodetektor 40 zum Empfangen einer Ausgangswelle und zum Liefern eines Erfassungsstromes IHF, der das von der Welle getragene Ausgangsmikrowellensignal CHF darstellt; und
• - eine Verbindungseinrichtung (bestehend aus dem Leiter CM, der einen nicht dargestellten Verstärker enthält) zum Erzeugen des Modulationsstromes IHF aus diesem Erfassungsstrom, derart, daß die Quelle einen Mikrowellenoszillator bildet.
• Bei dem dargestellten Beispiel treten die beiden Ausgangslichtwellen gleichzeitig durch zwei Reflektoren 44 und 46, die die Reflektoren 8 und 10 ersetzen, aus der Quelle aus, wobei die eine Welle 42 zum Photodetektor 40 läuft, bei dem es sich beispielsweise um eine lichtempfindliche Diode handelt, während die andere Welle 43 eine Ausgangswelle des Mikrowellenoszillators darstellt. Die Frequenz dieser Welle kann durch einen Frequenzmodulationsstrom gesteuert werden, der eingespeist wird und wie der zuvor erwähnte Phasenmodulationsstrom wirkt. Der Modulationsstrom besteht nach der Verstärkung und/oder Filterung und/oder eventuellen Phasenkorrektur aus dem Detektorstrom.

Claims (13)

1. Hochfrequenzmodulierte Halbleiterlaserquelle, die aufweist:

- ein monolithisches Plättchen (2) mit zwei einander gegenüberliegenden Endflächen (8, 10), das aus einem differenziert dotierten Halbleitermaterial besteht, dessen Brechungsindex örtlich verringert wird, um Lichtwellen entlang eines Lichtkanals (6) zu führen, der sich von dem einen zum anderen Ende der beiden Endflächen erstreckt,

- eine Verstärkungseinspeiseeinrichtung (CP, 12, 14), um einen Vorspannungsgleichstrom (Ip) in das genannte Plättchen einzuspeisen, der im Lichtkanal eine Populationsumkehr herbeiführt, derart, daß die Lichtwellen dort verstärkt werden, wobei die die mögliche Verstärkung einer Welle darstellende Verstärkung nur dann positiv ist, wenn die Frequenz dieser Welle in einem Verstärkungsspektralbereich liegt, der eine Verstärkungsspektralbreite besitzt,

- zwei Reflektoren (8, 10) zur Bildung eines optischen Hohlraumes zwischen diesen, der den Lichtkanal einschließt und eine optische Hohlraumlänge L besitzt, derart, daß der Hohlraum gemäß einer Modenfolge bei Lichtwellen in Resonanz geht, die eine entsprechende Folge von Eigenfrequenzen besitzen, und diese Frequenzen voneinander durch gleiche Intervalle entsprechend einer Zwischenmodenfrequenz fi = c/sL getrennt sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, derart, daß der Hohlraum einen Laseroszillator bildet, der Lichtwellen mit Frequenzen in der Nähe der genannten Eigenfrequenzen erzeugen kann, die in dem Verstärkungsspektralbereich liegen, und daß eine Modenkopplung zwischen den erzeugten Wellen möglich ist,

- eine Modulationseinspeiseeinrichtung (CM), um in das Plättchen einen Modulationswechselstrom (IHF) einzuspeisen, der eine Modulationsfrequenz (fm) besitzt und auch den Lichtkanal (6) durchquert, um darin eine Verstärkungswechselkomponente entstehen zu lassen, wobei die Modulationsfrequenz in der Nähe der Zwischenmodenfrequenz liegt, um so eine Modenkopplung zu erzwingen, aus der der Oszillator die Lichtwellen in Form einer modulierten Trägerwelle (OP) erzeugt, wobei mindestens eine Modulationskomponente dieser Welle ein Ausgangsmodulationssignal ergibt, das die Modulationsfrequenz aufweist;

- wobei die Laserquelle dadurch gekennzeichnet ist, daß das Plättchen an seinen Endseiten die Reflektoren (8, 10) trägt, derart, daß die optische Hohlraumlänge L durch die Länge des Lichtkanals begrenzt ist, um die Intermodenfrequenz (fi) und dementsprechend auch die Modulationsfrequenz (fm) in den Mikrowellenbereich zu bringen, wobei das Modulationssignal ein Ausgangsmikrowellensignal (SHF) ist,

- daß das Plättchen weiter eine Dispersionbegrenzungseinrichtung (20, 22, 23, 24) aufweist, die in dem optischen Hohlraum angeordnet ist, um die Streuung der Gruppenlaufzeiten der Lichtquellen im Hohlraum zu begrenzen,

- und daß ein zusätzliches Filter (23) im optischen Hohlraum (6, 8, 10) enthalten ist, so daß der Laseroszillator die Lichtwellen nur innerhalb eines spektralen Filterbereiches mit einer Filterbreite erzeugen kann, die kleiner als die Hälfte der Verstärkungsspektralbreite, aber größer als die Intermodenfrequenz ist, so daß Instabilitäten der Frequenzen der vom Laseroszillator erzeugten Wellen vermieden werden,

- wobei die Verstärkungsmodulation nur in einem Abschnitt der Länge des Lichtkanals erfolgt und dieser Abschnitt ein Verstärkungsmodulationsabschnitt (20) ist, der sich über einen kleineren Teil dieser Länge, an einem Ende derselben, erstreckt, derart, daß dem Ausgangsmikrowellensignal eine vorbestimmte Phase relativ zum Modulationsstrom eingeprägt wird.

2. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinspeiseeinrichtung (CP, 12, 14) die Populationsinversion und die Verstärkung der Lichtwellen auf einen Verstärkungsabschnitt (20) des Lichtkanals beschränkt, wobei dieser Abschnitt gleichzeitig den Verstärkungsmodulationsabschnitt bildet und seine optische Länge kleiner als ein Viertel der optischen Hohlraumlänge (L) ist, und wobei der restliche Teil der Länge dieses Kanals einen Wellenleiterabschnitt (12, 24) bildet.

3. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterbreite zwischen dem 2- und 100-fachen der Intermodenfrequenz (fi) liegt, derart, daß die Modenkopplung über mehrere Längsmoden erfolgt.

4. Quelle nach Anspruch 1, bei der das Zusatzfilter (23) ein verteilter Bragg-Reflektor ist, der an einem Ende des optischen Hohlraumes (6, 8, 10) einen Filterabschnitt (24) einnimmt.

5. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtkanal (6) Abschnitte umfaßt, die in seiner Längsrichtung aufeinander folgen und Dispersionswerte mit entgegengesetzten Vorzeichen besitzen, wobei diese Werte die Streuung der Gruppenfortpflanzungsgeschwindigkeit der Lichtwellen in diesen Abschnitten darstellen, derart, daß die Kombination der Abschnitte eine Dispersionskompensation herbeiführt und die Dispersionsbegrenzungsanordnung bildet.

6. Quelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spektrale Filterbereich so gewählt ist, daß er mit demjenigen Frequenzbereich übereinstimmt, bei dem ein Dispersionsparameter in dem Verstärkungsabschnitt einen negativen Wert besitzt, während er in dem Wellenleiterabschnitt (22, 24) einen positiven Wert besitzt, wobei der negative Wert absolut größer als das Dreifache des positiven Wertes ist, und wobei dieser Parameter die zweite Ableitung (d²n/d lambda²) des Brechungsindex (n) in dem Lichtkanal zur Wellenlänge (lambda) der Lichtwellen ist, so daß eine Dispersionskompensation zur Bildung der genannten Dispersionsbegrenzungsanordnung geschaffen wird.

7. Quelle nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der mindestens einer (10) der beiden Reflektoren halbdurchlässig ist, um eine Ausgangswelle (26) austreten zu lassen, die aus der Trägerwelle (OP) besteht, welche durch das Ausgangsmikrowellensignal (SHF) moduliert wird.

8. Quelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es die Verstarkungseinspeiseeinrichtung (CP) den Vorspannstrom (Ip) niederfrequent so steuern kann, daß die das Ausgangsmikrowellensignal (AHF) tragende Ausgangswelle bei niedriger Frequenz amplitudenmoduliert werden kann, wobei die Quelle weiter eine Einrichtung zum Kompensieren der optischen Längenänderung aufweist, um in einen Phasenmodulationsabschnitt (22) einen Längenkompensationsstrom (IK) einzuspeisen und um diesen Kompensationsstrom gleichzeitig mit dem Vorspannstrom zu ändern, so daß ein Abdriften der Zwischenmodenfrequenz (fi) vermieden wird.

9. Quelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstarkungseinspeiseeinrichtung (CP) die Stärke des Vorspannstromes (Ip) so ändern kann, daß die Intermodenfrequenz geändert wird, um die Phase des Ausgangsmikrowellensignals zu ändern, wobei diese Änderung von einem Amplitudenänderung der ein Signal tragenden Ausgangswelle begleitet wird.

10. Quelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter eine Phasenmodulationseinrichtung (CK) aufweist, die ein Phasenmodulationssignal (IK) mit niedriger Frequenz empfängt und in entsprechender Weise die optische Hohlraumlänge (L) steuert, derart, daß die Phase des Ausgangsmikrowellensignals (BHF) moduliert wird.

11. Quelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationsanordnung aufweist:

- einen Phasenmodulationsabschnitt (22), der sich mindestens über einen Teil der Länge des Lichtkanals (6) erstreckt, wobei der Brechungsindex in diesem Kanal innerhalb dieses Abschnittes auf die Ladungsträgerdichte anspricht, und

- eine Phasenmodulationseinspeiseeinrichtung (CK) zum Einspeisen eines elektrischen Phasenmodulationsstromes (IK) durch diesen Kanal in diesen Abschnitt, derart, daß darin die Ladungsträgerdichte gesteuert wird, wobei dieser Strom das genannte Phasenmodulationssignal bildet.

12. Quelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzfilter (23) ein verteilter Bragg-Reflektor ist, der an einem Ende des Lichtkanals (6) einen Filterabschnitt (24) einnimmt, wobei der Brechungsindex in diesem Kanal innerhalb des Abschnittes auf die Ladungsträgerdichte anspricht, und

- wobei die Quelle weiter eine Frequenzmodulationseinspeiseeinrichtung (CF) aufweist, um durch diesen Kanal einen Frequenzmodulationsstrom (IF) in diesen Abschnitt einzuspeisen, so daß dort die Ladungsträgerdichte gesteuert und so die Lichtfrequenz der Trägerwelle (AP) moduliert wird.

13. Quelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter aufweist:

- einen Photodetektor (40) zum Empfangen einer Ausgangswelle und zum Liefern eines Erfassungsstromes (IHF), der das von der Welle geführte Ausgangsmikrowellensignal (CHF) darstellt, und

- eine Begrenzungseinrichtung (CM) zum Erzeugen des Modulationsstromes aus dem Erfassungsstrom, derart, daß die Quelle einen Mikrowellenoszillator bildet.