DE69207373T2 - Halbleiterlaser mit optischem Steuereingang - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem optischen Steuereingang und mindestens einem Laserhohlraum, in dem es eine Laserverstärkungszone und eine sättigungsfähige Absorptionszone gibt.
• Haibleiterlaser mit sättigungsfähigem Absorber wurden bereits mehrfach beschrieben. Insbesondere beschreibt der Aufsatz "Analysis of a proposed bi-stable injection laser" von G.J. Lasher, der in Solid-State Electronics, Pergamon Press 1964, Vol. 7, Seite 707 beschrieben ist, einen Fabry- Pérot-Laser, der auf einer Seite eines Lichtwellenleiters zwei Elektroden hintereinander aufweist. Eine Elektrode injiziert einen Speisestrom durch einen Verstärkungsabschnitt des Lichtwellenleiters, wobei dieser Strom einen halbleitenden Übergang durchquert, in den dieser Lichtwellenleiter eingefügt ist. Durch Injektion von Ladungsträgern des entgegengesetzten Typs in diesen Wellenleiter erreicht man die zum Aufbau einer Lichtschwingung erforderliche Verstärkung. Die andere Elektrode injiziert einen Absorptionssteuerstrom in einen sättigungsfähigen Absorber, der von einem anderen Abschnitt dieses Wellenleiters gebildet wird. Die elektrische Absorptionssteuerung ergibt in einem Diagramm, in dem man die von einem solchen Laser ausgesende te Lichtleistung über dem Speisestrom des Lasers aufträgt, einen Hysteresezyklus, dessen Breite von dieser Absorption abhängt.
• Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung anzugeben, die derartige Laser verwendet und einen optischen Steuereingang besitzt, über den die Laserschwingung auf optischem Weg ausgelöst werden kann. Die Erfindung hat insbesondere zum Ziel, einen bistabilen Lichtoperator, ein optisches Regenerationselement und eine Gruppe von Regenerationselementen vorzuschlagen, die ein optisches Schieberegister oder eine optische Verzögerungsleitung mit mehreren Ausgängen bilden kann.
• Hierzu ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, die in Anspruch 1 definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserhohlraum eine asymmetrische Kopplungsvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Lichtwellenleiter besitzt, die für die Sendewellenlänge des Laserhohlraums unterschiedliche wirksame Brechungsindices besitzen, wobei der wirksame Brechungsindex des ersten Wellenleiters zumindest in der Nähe des effektiven Brechungsindex der Lasermodi liegt, die sich in den Verstärkungs- und Absorptionszonen ausbreiten, und wobei der zweite Lichtwellenleiter so angeordnet ist, daß er mit einer Quelle von optischen Steuersignalen gekoppelt werden kann.
• Die optische Auslösungsenergie gelangt so zum Laserhohlraum über einen getrennten optischen Lichtwellenleiter gemäß einer Struktur, die einem asymmetrischen Modusseparator-Koppler gleicht. Solche Koppier sind an sich bekannt aus dem Aufsatz "Mode conversion in planar dielectric separating waveguides" von William K. Burns und A. Fenner Milton, der in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-11 Nº 1, Januar 1975, Seiten 32 bis 39 veröffentlicht wurde. Ein solcher Koppler verhält sich wie ein Modusseparator für eine optische Welle, die sich in der Kopplungszone in Richtung der Ausgangslichtleiter ausbreitet, und erlaubt es, durch eine günstige Wahl der wirksamen Brechungsindices nahezu die ganze optische Energie, die sich gemäß dem Grundmodus ausbreitet, in einen der Ausgangslichtleiter zu lenken, während die Energie, die sich gemäß einem Modus höherer Ordnung ausbreitet, nahezu vollständig im anderen Lichtleiter verläuft.
• Die Erfindung verwendet die Kombination eines Lasers mit sättigungsfähigem Absorber und eines unsymmetrischen Kopplers, der an einem der Enden des Lasers liegt, um einen optisch auslösbaren Laser zu realisieren.
• Gemäß einer Ausführungsform, in der der Laserhohlraum aus einer integrierten optischen Schaltung besteht und die Verstärkungs- und Absorptionszonen von länglichen Lichtleitern gebildet werden, die in der geradlinigen Verlängerung zueinander angeordnet sind, kann der erste Lichtleiter der Koppelvorrichtung mit dem Lichtleiter der Verstärkungs- und Absorptionszonen in Flucht angeordnet sein, und der Laserhohlraum kann zwei Spiegel für die Laserschwingung enthalten, die von Spaltflächen der integrierten Schaltung gebildet werden, welche senkrecht zur Richtung dieser fluchtenden Lichtleiter angeordnet sind.
• Alternativ können die beiden Lichtleiter jeder Kopplungsvorrichtung bezüglich der Richtung der Verstärkungs- und Absorptionszonen des Laserhohlraums geneigt sein, wobei der Hohlraum eine als erster Spiegel für die Laserschwingung ausgebildete Stimseite aufweist und einer zweiter Spiegel zwischen die Absorptionszone und die Lichtleiter der Kopplungsvorrichtung integriert ist.
• Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann N optisch in Kaskade verbundene Laserhohlräume besitzen, derart, daß der erste Lichtleiter der Kopplungsvorrichtung eines Hohlraums des Rangs n mit dem zweiten Lichtleiter der Kopplungsvorrichtung eines Hohlraums des Rangs n+1 gekoppelt ist, während der zweite Lichtleiter des Hohlraums des Rangs 1 so angeordnet ist, daß er mit einer Quelle eines optischen Signalflusses vom Serientyp gekoppelt ist und jeder Halbleiterhohlraum eine Stimseite besitzt, die so gestaltet ist, daß sie als optischer Zwischenausgang der Vorrichtung dient. In diesem Fall sind die Lichtleiter jeder Kopplungsvorrichtung vorzugsweise bezüglich der Richtung der Verstärkungs- und Absorptionszonen des entsprechenden Laserhohlraums geneigt und besitzen an den Stellen der gegenseitigen Kopplung identische opto-geometrische Merkmale. Wenn die Laserhohlräume und ihre Kopplungsvorrichtungen so gestaltet sind, daß die Lichtausbreitungszeit von einem Hohlraum zum nächsten konstant ist, erhält man so eine abgestimmte Vorrichtung, die als Schieberegister mit Serieneingang und parallelem Ausgang oder als Verzögerungsleitung mit zahlreichen Ausgängen dienen kann.
• Physikalisch setzt der Betrieb einer Gruppe von N Laserhohlräumen in Kaskade voraus, daß die Eigenschaften der optischen Steuerung jedes Lasers mit den Sendebedingungen jedes Lasers im Schwingungsbetrieb kompatibel sind. Hierzu werden zwei Ausführungsformen in Betracht gezogen:
• - In einer ersten Ausführungsform sind die charakteristischen Sendewellenlängen der Laser von der Konstruktion her so gewählt, daß der Laser des Rangs n (1< n< N) eine Strahlung mit einer größeren Wellenlänge (d.h. Photonen mit geringerer Energie) aussendet als die optische Strahlung, die vom Laser des Rangs N-1 geliefert wird und zur optischen Steuerung der Schwingungsauslösung bestimmt ist.
• - In einer zweiten Ausführungsform besitzt der Lichtleiter, der die Verbindung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lasern herstellt, interne Verstärkungsmittel, die durch elektrisches oder optisches Pumpen des gemäß einem bekannten Stand der Technik ausgebildeten Halbleitermaterials wirksam werden, so daß die elektrische Steuerleistung eines Lasers stets größer oder gleich der im Schwingungszustand gelieferten Leistung ist.
• Es ist klar, daß in beiden Ausführungsformen jeder Laser des Rangs n die Absorption seiner eigenen Zone mit sättigungsfähigem Absorptionsmaterial durch die von ihm ausgesendete Strahlung nicht sättigen kann und daß das Entstehen einer Schwingung von dem optischen Pumpen des Lasers des Rangs n-1 abhängt.
• Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines optisch auslösbaren erfindungsgemäßen Lasers.
• Figur 2 zeigt die Beziehung zwischen einem Steuersignal und einem ausgesendeten Signal für einen gegebenen Hysteresezyklus.
• Figur 3 zeigt in einer ähnlichen Ansicht wie Figur 1 eine andere Ausführungsform der Kopplungsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung.
• Figur 4 zeigt die Anwendung einer Vorrichtung nach Figur 3 auf die Bildung eines abgestimmten Schieberegisters.
• Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung enthält eine integrierte optische Schaltung auf einem Halbleitersubstrat 1, beispielsweise aus Indiumphosphid, die eine Laserverstärkungszone 2 und eine sättigungsfähige Absorptionszone 3 sowie eine Kopplungsvorrichtung 4 mit zwei unsymmetrischen Lichtwellenleitern 5 und 6 enthält. Die opto-geometrischen Merkmale der verschiedenen Zonen der integrierten optischen Schaltung sind so gewählt, daß der wirksame Brechungsindex des Lichtleiters 6 für die Sendewellenlänge des Lasers der Vorrichtung an den wirksamen Brechungsindex des Lasermodus angepaßt ist, der sich in den Zonen 2 und 3 ausbreitet. Der Laserhohlraum gemäß Figur 1 enthält einen Spiegel 7, bestehend aus einer Spaltfläche der integrierten optischen Schaltung senkrecht zur gemeinsamen Achse der Lichtleiter 2, 3 und 6 sowie einen Spiegel, der aus dem Übergang 9 zwischen der Zone 3 und der Kopplungsvorrichtung 4 besteht.
• Liegt kein optisches Signal eines ausreichenden Leistungspegels im Lichtleiter 5 vor, der den optischen Steuereingang der Vorrichtung bildet, ist die Laseraussendung in die Lichtleiter 2 und 3 aufgrund einer geeigneten Wahl der elektrischen Polarisationsströme gemäß der bekannten Technik blockiert. Wenn ein optisches Signal eines geeigneten Leistungspegels in den Lichtleiter 5 gekoppelt wird, wird das Gleichgewicht zwischen Gewinn und Verlust des Laserhohlraums nach einer für den wirksam werdenden physikalischen Effekt typischen Verzögerung erreicht. Der Laserstrahl pflanzt sich in der Zone 2 mit einem wirksamen Brechungsindex ähnlich dem der Zone 6 aus und die Laserschwingung entwickelt sich in dem aus den Elementen 2, 3 und 6 gebildeten Hohlraum, ohne daß der Lichtleiter 5 Licht in nennenswertem Umfang sammelt. Die Laserleistung wird in Höhe der Spaltfläche 7 nach außen abgegeben.
• Eine solche Vorrichtung ist durch den Hysteresezyklus gekennzeichnet, der in Figur 2 gezeigt ist und von den physikalischen Parametern der Schaltung und den Polarisationsbedingungen der Steuerelektrode der sättigungsfähigen Absorptionszone abhängt. In einer elementaren Ausführungsform sendet die Vorrichtung eine Laserstrahlung aus, sobald das optische Steuersignal im Lichtleiter 5 verfügbar ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform reicht ein im Lichtleiter 5 übertragener Lichtimpuls aus, um auf Dauer die Laserschwingung entstehen zu lassen. In diesem letztgenannten Fall wird die Schwingung gelöscht, indem die elektrische Speisung der Elektrode der Verstärkungszone 2 unterbrochen wird.
• Wenn das optische Steuersignal ein "Alles oder Nichts"-Signal ist, das einen Fluß von binär kodierten Informationen überträgt, verhält sich die vorliegende Vorrichtung wie ein optischer Regenerator. Die Vorrichtung, die geeignete Bandpaßeigenschaften besitzt, sendet ein Signal aus, das ein Bild des Steuersignals nach einer Impulsformung aufgrund des eigenen Hysteresezyklus ist, wie Figur 2 zeigt.
• Figur 3 zeigt eine veränderte Struktur im Vergleich zu der in Figur 1, indem eine zweite reflektierende Seite 8 parallel zur ersten Seite 7 erzeugt wird.
• Die ähnlichen Elemente wie in Figur 1 tragen die gleichen Bezugszeichen. In dieser Ausführungsform ist der Ausgangslichtleiter 6 bezüglich der Achse der Lichtleiter 2 und 3 genauso geneigt wie der Zugangslichtleiter 5 der Kopplungszone. Die beiden Lichtleiter 5 und 6 bieten eine stetige Veränderung ihrer opto-geometrischen Eigenschaften wie z.B. der Breite des Profils des Einschließungs-Brechungsindex, so daß in Höhe der Seite 8 die beiden Lichtleiter gleiche Merkmale besitzen. Außerdem besitzt die Seite 8 eine reflektierende Oberflächenbehandlung mit einer Wirksamkeit nahe 100%.
• So erhält man eine Schaltung, die ein Motiv bildet, welches in Kaskade gemäß dem Schema der Figur 4 verwendet werden kann.
• In Figur 4 erkennt man acht elementare Vorrichtungen wie die in Figur 3 gezeigte, die untereinander so gekoppelt sind, daß ein Zugangslichtleiter wie z.B. der Lichtleiter 5.2 der Kopplungsvorrichtung eines Laserhohlraums wie z.B. 20 mit dem Ausgangslichtleiter 6.1 des vorhergehenden Hohlraums, hier des Hohlraums 10, gekoppelt ist. Der Hohlraum 10 ist über einen Zugangslichtleiter 5.1 an einen Eingangslichtleiter 14 der Vorrichtung gekoppelt. Die ganze Vorrichtung kann weiter einen Ausgangslichtleiter 13 aufweisen, der mit dem Ausgangslichtleiter 6,8 der Kopplungsvorrichtung des letzten Hohlraums 80 gekoppelt ist.
• Die Stirnseiten jedes Laserhohlraums, die in der Ebene 11 liegen, sind als Zwischenausgänge SP1, SP2, ... SP80 der Gesamtschaltung gestaltet. Diese Schaltung kann zur Kopplung eines binär modulierten "Alles-oder-Nichts"-Lichtsignals, das kodierte Informationen überträgt, an den Eingang ES des Lichtleiters 14 verwendet werden. Dieses Signal pflanzt sich in den periodischen Motiven der Schaltung so fort, daß in Höhe jedes Regenerators das vom Zugangslichtleiter 5.n empfangene Signal unverändert in die nachfolgenden Ausgangslichtleiter 6.n weiter übertragen wird. Vorausgesetzt, daß die Lichtausbreitungsverzögerung von einem Regenerator zum nächsten der Periode der an den Eingang ES gekoppelten binären Signale gleicht, arbeitet diese Vorrichtung als ein abgestimmtes Schieberegister, das als Register mit Serieneingang und parallelem Ausgang oder auch als Verzögerungsleitung mit zahlreichen Ausgängen dienen kann. Es sei bemerkt, daß die besondere Ausführungsform der Figur 3 optische Ausgänge senkrecht zu den Stirnseiten der Schaltung besitzt, was einen Vorteil für den Anschluß an ein Vielfach von Lichtleitfasern oder an eine Leiste von optoelektronischen aktiven Elementen darstellt.

Claims (6)

1. Halbleiterlaservorrichtung mit einem optischen Steuereingang, die mindestens einen Laserhohlraum (1) mit einer Laserverstärkungszone (2) und einer sättigungsfähigen Absorptionszone (3) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter eine asymmetrische Kopplungsvorrichtung (4), die als Mode-Separator wirkt und an einem Ende des Laserhohlraums (1) liegt, sowie einen ersten (6) und einen zweiten Lichtleiter (5) besitzt, deren wirksame Brechungsindices für die Laseremissionswellenlänge des Hohlraums unterschiedlich sind, wobei der effektiv Brechungsindex des ersten Lichtleiters (6) an den effektiven Brechungsindex de Schwingungsmodus angepaßt ist, der sich in der Verstärkungs- und der Absorptionszone ausbreitet, wobei der zweite Lichtleiter (5) mit der optischen Steuersignaiquelle gekoppelt werden kann,

daß die Laserverstärkungszone (2) und die sättigungsfähige Absorptionszone (3) aus zwei länglichen Lichtleitern bestehen, die geradlinig hintereinander liegen,

und daß die sättigungsfähige Absorptionszone (3) an einen Teil der Kopplungsvorrichtung (4) gekoppelt ist, der sowohl zum ersten (6) als auch zum zweiten Lichtleiter (5) dieser Kopplungsvorrichtung gehört.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Verstärkungs- und die Absorptionszone (2, 3) aus länglichen Lichtleitern gebildet werden, die in geradliniger Flucht hintereinander liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtleiter (6) der Kopplungsvorrichtung mit dem Lichtleiter der Verstärkungs- und Absorptionszonen (2, 3) fluchtet und daß der Laserhohlraum (1) eine als erster Spiegel ausgebildete Stimseite (7) sowie einen Übergang (9) in Form eines zweiten Spiegels zwischen der Absorptionszone (3) und den Lichtleitern (5, 6) der Kopplungsvorrichtung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Verstärkungs- und die Absorptionszone (2, 3) aus länglichen Lichtleitern gebildet werden, die in geradliniger Flucht zueinander liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtleiter (6) der Kopplungsvorrichtung mit dem Lichtleiter der Verstärkungs- und der Absorptionszone (2, 3) fluchtet und daß der Laserhohlraum (1) zwei Spiegel für die Laserschwingung aufweist, die von Spaltflächen (7, 8) gebildet werden, welche senkrecht zur Richtung der fluchtenden Lichtleiter verlaufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Verstärkungs- und die Absorptionszone (2, 3) aus länglichen Lichtleitern gebildet werden, die in geradliniger Flucht zueinander liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (6) und der zweite Lichtleiter (5) der Kopplungsvorrichtung bezüglich der Richtung der Verstärkungs- und der Absorptionszone geneigt verlaufen und daß der Laserhohlraum eine als erster Spiegel ausgebildete Stirnseite (7) und einen als zweiter Spiegel wirksamen Übergang (9) zwischen der Absorptionszone (3) und den Lichtleitern (5, 6) der Kopplungsvorrichtung aufweist.

5. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie N Vorrichtungen nach Anspruch 4 enthält, die in Kaskade über Kopplungsmittel (8) derart miteinander verbunden sind, daß der erste Lichtleiter (6,n) der als Mode-Separator wirkenden unsymmetrischen Kopplungsvorrichtung eines Hohlraums des Rangs n mit dem zweiten Lichtleiter (5.n+1) der als Mode- Separator wirkenden unsymmetrischen Kopplungsvorrichtung eines Hohlraums des Rangs n+1 gekoppelt ist, wobei der zweite Lichtleiter (5.1) des Hohlraums des Rangs 1 (über ES) mit einer Quelle eines optischen Seriendatenflusses gekoppelt ist und jeder Laserhohiraum eine Stimseite (SP1, SP2, ...) aufweist, die als optischer Zwischenausgang der Vorrichtung dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die N Laserhohlräume, die N als Mode-Separatoren wirkenden unsymmetrischen Kopplungsvorrichtungen und die Kopplungsmittel für die Kaskadenschaltung so gestaltet sind, daß die Laufzeit der Lichtausbreitung von einem Hohlraum zum nächsten konstant ist.