DE69823729T2

DE69823729T2 - Unidirektionaler optischer Verstärker

Info

Publication number: DE69823729T2
Application number: DE69823729T
Authority: DE
Inventors: Minoru Kanazawa City Yamada
Original assignee: Kanazawa University NUC
Current assignee: Kanazawa University NUC
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2018-03-26
Also published as: EP0867987A2; JP3072363B2; EP0867987A3; DE69823729D1; US6219175B1; EP0867987B1; JPH10270808A

Description

1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen unidirektionalen optischen Verstärker, der in vielen Gebieten angewendet werden kann, beispielsweise in der Elektrotechnik, in der Elektronik, in der Informationstechnologie und der Optoelektronik, um Licht nur in einer Richtung zu verstärken.
2. STAND DER TECHNIK
Als Stand der Technik zum Durchführen einer optischen Verstärkung gibt es einen Laser, eine Wanderwellenröhre, und eine Ausbreitungswellen-Verstärkung von Licht als Folge eines Zwischenband-Elektronenübergangs, nämlich die verschiedenen Arten von Versuchen, mit denen eine unidirektionale Verstärkung von Licht unter Verwendung von diesen Einrichtungen realisiert werden sollte.
Der Laser ist ein typisches optoelektronisches Element oder eine optoelektronische Einrichtung zum Erzeugen von Licht und zum Verstärken von Licht. Die Richtung des Lichts, welches verstärkt werden soll, ist möglicherweise umgekehrt und sowohl eine Vorwärtswelle als auch eine Rückwärtswelle werden verstärkt. Wenn das emittierte Licht an der Oberfläche einer Linse, einer optischen Faser oder einer optischen Platte oder dergleichen reflektiert wird und auf den Laser wieder als Rückkehrlicht einfällt, dann muss demzufolge dieses rückkehrende Licht ebenfalls verstärkt werden. Deshalb werden die Oszillationscharakteristik und die Verstärkungscharakteristik eines Lasers verschlechtert und zusätzliches Rauschen wird erzeugt.
Als Gegenmaßnahmen der obigen Fehlfunktion wird gegenwärtig ein typisches Verfahren mit einer Technik vorgeschlagen, die das erneute Eintreten von rückkehrendem Licht allgemein verhindert, indem auf der Ausgangsseite eines Lasers ein Isolator zum Durchlassen von Licht in die unidirektionale Richtung bereitgestellt wird. Es ist nur möglich, dass der optische Isolator ein magnetisches Material mit einer sperrigen Form als Hauptmaterial bildet und der Preis davon ist teuer, sodass der Verwendungsbereich davon beschränkt ist. Infolgedessen wird der optische Isolator für grundlegende Studien in dem optischen Gebiet und in einem faseroptischen Kommunikationssystem mit großer Kapazität verwendet, aber die Geräte, von denen eine kleine Größe und ein billiger Preis gefordert wird, beispielsweise bei der Technologie von optischen Platten, können den optischen Isolator nicht verwenden und somit wird eine charakteristische Verschlechterung und eine Rauscherzeugung als Folge des obigen Rückkehrlichts ein technisches Hindernis für den Fall einer Anwendung des Lasers.
Ferner wird auch ein System zum Ausführen einer Hochgeschwindigkeits-Informationsverarbeitung durch Licht vorgesehen, indem der Lichterzeugungsabschnitt, der Verstärkerabschnitt oder der Modulationsabschnitt oder dergleichen, die den Laser verwenden, miteinander als eine optische integrierte Schaltung integriert werden, aber in diesem System kehrt das Licht von einem Vorwärtsabschnitt an einen Rückwärtsabschnitt zurück, sodass ein Problem verursacht wird, das eine Zusammenstellung als optische Schaltung mit zusammengestellter Funktion nicht vervollständigt werden kann.
Ferner ist die Wanderwellenröhre eine unidirektionale Elektronenröhre mit der höchsten betreibbaren Frequenz über der oberen Grenze einer betreibbaren Frequenz einer gewöhnlichen Elektronenröhre mit einer unidirektionalen elektronischen Funktionalität oder eines Transistors (ungefähr 1000 MHz), aber diese Wanderwellenröhre veranlasst die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle durch Verwendung einer Verzögerungsübertragungsleitung, die durch Metall gebildet ist, ein Elektronenstrahl, der von einer Elektronenkanone emittiert wird, gibt an diese elektromagnetische Welle Energie und die elektromagnetische Welle wird verstärkt, wenn die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle miteinander übereinstimmen, und eine andere elektromagnetische Wellenkomponente, die in der umgekehrten Richtung ausgebreitet wird, wird nicht verstärkt. Jedoch gilt, dass je höher die Frequenz ist, desto kürzer die Wellenlänge ist, sodass die obere Grenze der verwendbaren Frequenz der Wanderwellenröhre durch eine Herstellungstechnik für das Metall des Übertragungspfads bestimmt wird, so dass die Wanderwellenröhre mit einer Frequenz von Dutzenden von GHz oder mehr (Wellenlänge; mehrere cm oder weniger) verwendet werden kann. Demzufolge ist die Herstellung der Wanderwellenröhre, die das Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 1 μm und eine Grenze der gegenwärtigen Herstellungstechnik weit übersteigend anwenden kann, derzeit unmöglich.
Als Stand der Technik einer fortschrittlichen Wellenverstärkung von Licht durch einen Zwischenband-Elektronenübergang gibt es den Versuch einer unidirektionalen Verstärkung von Licht durch Verwenden eines Halbleiterlasers, der die Erzeugung und die Verstärkung von Licht durch einen Elektronenübergang von einem Leitungsband auf ein Valenzband in dem Halbleiter und durch Zählen eines Werts des Moments hβ/2π (wobei h die Plank'sche Konstante ist und β die Wellenzahl von Licht ist) von Licht, was in fast allen Fällen ignoriert wird, weil ein Wert gewöhnlicherweise klein ist, erzeugt. Da eine Streuung eines Elektrons extrem groß ist, ist in diesem Fall eine deutliche unidirektionale Verstärkungswirkung nicht bestätigt worden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen unidirektionalen optischen Verstärker bereitzustellen, der die optische Verstärkung ausführen kann, die nicht von dem rückkehrenden Licht beeinflusst wird.
Diesbezüglich ist in Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein unidirektionaler optischer Verstärker vorgesehen, der einen optischen dielektrischen Wellenleiter umfasst und einen Verstärkerabschnitt zum Verstärken von Licht in einer Richtung durch Verwenden eines Energieniveaus höher als das Fermi-Niveau in einem Emissionsabschnitt einschließt und einen hohen Brechungsindex zum Führen von Licht durch den Verstärkerabschnitt von einem Lichteingangsanschluss an einen Lichtausgangsanschluss und einen geraden Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt, der sich in der Elektronenstrahl-Übergangsrichtung erstreckt, aufweist, und einen Emissionsabschnitt zum Emittieren eines Elektronenstrahls in den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt und einen Elektronenabsorptionsabschnitt zum Absorbieren des Elektronenstrahls, der sich durch den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt bewegt, wobei der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt so ausgebildet ist, dass eine effektive Masse eines Elektrons in dem Verstärkerabschnitt klein wird, und wobei der optische dielektrische Wellenleiter und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt in einer derartigen Weise angeordnet sind, dass die Wellenzahl des Lichts in dem Verstärkerabschnitt groß wird und die elektrische Feldkomponente des Lichts in der Elektronenstrahl-Übergangsrichtung so erzeugt wird, dass die Elektronen, die von dem Emissionsabschnitt emittiert werden, energetisch auf das Licht einwirken, welches sich in dem Verstärkungsabschnitt ausbreitet.
In Übereinstimmung mit diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt des Verstärkerabschnitts zum Verstärken von Licht in einer Richtung durch Verwenden eines Energieniveaus höher als das Fermi-Niveau durch Material gebildet, so dass eine effektive Masse eines Elektrons klein zu werden scheint, und der optische dielektrische Wellenleiter des Verstärkungsabschnitts und der Elektronensteuer-Übergangsabschnitt sind in einer derartigen Weise angeordnet, dass die Wellenzahl von Licht in dem Verstärkerabschnitt großgemacht wird und die elektrische Feldkomponente von Licht sich zu erzeugen scheint.
In Übereinstimmung mit diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die effektive Masse eines Elektrons in dem Verstärkerabschnitt kleingemacht und die Wellenzahl von Licht wird groß gemacht (mit anderen Worten, eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in der elektronischen Übergangsrichtung wird klein gemacht), sodass der unidirektionale optische Verstärker zum Realisieren der optischen Verstärkung, die nicht von dem rückkehrenden Licht beeinflusst wird, bereitgestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verstärkerabschnitt so konstruiert, dass der optische dielektrische Wellenleiter auf und um den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt in einer spiralförmigen Form gewickelt ist.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der optische dielektrische Wellenleiter zum Bilden des Verstärkungsabschnitts auf und um den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt an seinem Umfang in einer spiralförmigen Form gewickelt.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der optische dielektrische Wellenleiter auf und um den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt herumgewickelt, sodass eine Wellenzahl von Licht in dem Verstärkerabschnitt durch diese Ausbildung und einen hohen Brechungsindex des optischen dielektrischen Wellenleiters groß gemacht werden kann und die elektrische Feldkomponente von Licht in der Elektronenstrahl-Übergangsrichtung erzeugt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verstärkerabschnitt so konstruiert, dass sich der optische dielektrische Wellenleiter und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt orthogonal zueinander an mehreren Abschnitt schneiden.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schneiden sich der optische dielektrische Wellenleiter und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt, die den Verstärkerabschnitt bilden, orthogonal zueinander an mehreren Abschnitten davon.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schneiden sich der optische dielektrische Wellenleiter und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt orthogonal zueinander an mehreren Stellen davon, sodass eine Wellenzahl von Licht in dem Verstärkerabschnitt durch diese Ausbildung und einen hohen Brechungsindex des optischen dielektrischen Wellenleiters groß gemacht wird, und die elektrische Feldkomponente von Licht kann in der Elektronenstrahl-Übergangsrichtung erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verstärkerabschnitt so konstruiert, dass sich der optische dielektrische Wellenleiter und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt mit dem gleichen gesetzten Winkel zueinander an mehreren Abschnitten schneiden.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schneiden sich der optische dielektrische Wellenleiter und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt, die den Verstärkerabschnitt bilden, mit dem gleichen gesetzten Winkel zueinander an mehreren Abschnitten.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schneiden sich der optische dielektrische Wellenleiter und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt mit dem gleichen gesetzten Winkel zueinander an mehreren Abschnitten, sodass eine Wellenzahl von Licht in dem Verstärkerabschnitt durch diese Ausbildung und einen hohen Brechungsindex des optischen dielektrischen Wellenleiters groß gemacht wird, und die elektrische Feldkomponente von Licht kann in der Elektronenstrahl-Übergangsrichtung erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verstärkerabschnitt so konstruiert, dass der optische dielektrische Wellenleiter parallel zu dem Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt angeordnet ist, um so den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt durch den Mittenabschnitt des optischen dielekirischen Wellenleiters zu erstrecken.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der optische dielektrische Wellenleiter parallel zu dem Elektronensteuer-Übergangsabschnitt so angeordnet, dass der Elektronenstrahl (Übergangsabschnitt) durch den Mittenabschnitt des optischen dielektrischen Wellenleiters erstreckt wird.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der optische dielektrische Wellenleiter parallel zu dem Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt in einer derartigen Weise angeordnet, dass der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt durch den Mittenabschnitt des optischen dielektrischen Wellenleiters erstreckt, sodass eine Wellenzahl von Licht in dem Verstärkerabschnitt durch den hohen Brechungsindex des optischen dielektrischen Wellenleiters hochgemacht wird und die elektrische Feldkomponente von Licht in der Elektronenstrahl-Übergangsrichtung erzeugt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt aus einem Halbleiter der II–VI Gruppe gebildet, beispielsweise aus ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS und einem gemischten Kristall davon oder einem isolierendem Material wie CaF₂, SrF₂, BaF₂ für den Fall einer Verwendung davon für den Bereich des sichtbaren Lichts von dem Bereich des nahen Infrarots, und aus einem Halbleiter der III–V Gruppe, wie InP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs und einen gemischten Kristall davon für den Fall einer Verwendung davon für den Infrarot-Bereich.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt aus einem Halbleiter der II–VI Gruppe wie ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS und einem gemischten Kristall davon oder einem isolierenden Material wie CaF₃, SrF₃, BaF₃ für den Fall einer Verwendung davon für den Bereich des sichtbaren Lichts von dem Bereich des nahen Infrarots, und aus einem Halbleiter der III–V Gruppe wie InP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs und einem gemischten Kristall davon für den Fall einer Verwendung davon für den Infrarot-Bereich gebildet.
Da in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt durch irgendeines der obigen Materialien gebildet ist, kann sogar für den Fall einer Verwendung von Licht des Bereichs von sichtbarem Licht von dem Bereich des nahen Infrarots und Licht des Infrarot-Bereichs eine effektive Masse eines Elektrons in dem Verstärkerabschnitt kleingemacht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der optische dielektrische Wellenleiter aus einem Halbleiter der Gruppe II–VI wie ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS und einem Mischkristall davon oder einem Halbleiter der III–V Gruppe wie GaN, GaP, AlAs und einen gemischten Kristall davon für den Fall einer Verwendung davon für den Bereich des sichtbaren Lichts von dem Bereich des nahen Infrarots, und aus Halbleitern der III–V Gruppe wie InP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs und einem gemischten Kristall davon oder einem Halbleiter der IV Gruppe von Si, Ge oder dergleichen für den Fall einer Verwendung davon für den Infrarot-Bereich gebildet.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der optische dielektrische Wellenleiter aus einem Halbleiter der II–VI Gruppe wie ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, Cds und einem Mischkristall davon oder einem Halbleiter der III–V Gruppe wie GaN, GaP, AlAs und einem Mischkristall davon für den Fall einer Verwendung davon für den Bereich des sichtbaren Lichts von einem Bereich des nahen Infrarots, und aus Halbleitern der III–V Gruppe wie InP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs und einem gemischten Kristall davon oder einem Halbleiter der IV Gruppe Si, Ge oder dergleichen, für den Fall einer Verwendung davon für den Infrarot-Bereich, gebildet.
Da in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der optische dielektrische Wellenleiter durch irgendwelche der obigen Materialien gebildet ist, kann die Wellenzahl von Licht in dem Verstärkerabschnitt sogar für den Fall einer Verwendung von Licht des Bereichs des sichtbaren Lichts von dem Bereich des nahen Infrarots und Licht des Infrarot-Bereichs groß gemacht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein unidirektional optischer Verstärker eine Konstruktion mit mehreren Stufen, angeordnet durch Verbinden von mehreren unidirektionalen optischen Verstärkern, wie mit irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht, in Kaskade.
In Übereinstimmung mit der, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der unidirektionale optische Verstärker mit einer mehrstufigen Konstruktion dadurch konstruiert, dass mehrere unidirektionale optische Verstärker, wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht, in Kaskade verbunden werden.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der unidirektionale optische Verstärker mit einer Mehrstufenkonstruktion durch Verbinden von mehreren unidirektionalen optischen Verstärkern, wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht, in Kaskade konstruiert, sodass der reale verwendbare Verstärkungsgrad erzielt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In der Zeichnung zeigt:
1 eine prinzipielle Ansicht, die einen grundlegenden Aufbau eines unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Erklärungsansicht, die einen Betrieb einer Konstruktion des gesamten unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläutert;
3 eine Erklärungsansicht, die einen Betrieb einer anderen Ausbildung des gesamten unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung der vorliegenden Erfindung erläutert;
4 eine Erläuterungsansicht, die einen Betrieb einer weiteren Ausbildung des gesamten unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläutert;
5 eine Querschnittsansicht, die eine Ausbildung eines Verstärkerabschnitts des unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
6a eine Querschnittsansicht, die eine andere Ausbildung eines Verstärkerabschnitts des unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
6b eine Querschnittsansicht, die eine andere Ausbildung eines Verstärkerabschnitts des unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
7a eine Querschnittsansicht, die eine weitere Konstruktion des Verstärkerabschnitts des unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
7b eine Querschnittsansicht, die eine weitere Ausbildung eines Verstärkerabschnitts des unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
8a eine Querschnittsansicht, die eine weitere Ausbildung eines Verstärkerabschnitts des unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
8b eine Querschnittsansicht, die eine weitere Ausbildung eines Verstärkerabschnitts des unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt; und
9 eine Erklärungsansicht, die einen unidirektionalen Verstärker mit einer mehrstufigen Konstruktion, gebildet durch eine Kaskadenverbindung einer Vielzahl von unidirektionalen optischen Verstärkern der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 zeigt eine prinzipielle Ansicht, die einen grundlegenden Aufbau des unidirektionalen des optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt umfasst ein unidirektionaler optischer Verstärker dieser Ausführungsform einen Verstärkerabschnitt 1, einen Elektronenemissionsabschnitt 2, der mit einem linken Abschnitt des Verstärkerabschnitts 1 gekoppelt ist, einen Elektronenabsorptionsabschnitt 3, der mit einem rechten Abschnitt des Verstärkerabschnitts 1 gekoppelt ist, um ihn so in eine koaxiale Beziehung in einer Elektronenstrahl-Übergangsrichtung (in der z Achsen-Richtung, die in 1 gezeigt ist) zu bringen, und ein Lichteingangsanschluss 4 ist an dem linken und unteren Endabschnitt des Verstärkerabschnitts 1 gebildet und ein Lichtausgangsanschluss ist an dem rechten und unteren Endabschnitt des Verstärkerabschnitts 1 gebildet.
2 bis 4 zeigen Erklärungsansichten, die einen Betrieb einer Ausbildung des gesamten unidirektionalen optischen Verstärkers der ersten Ausführungsform erläutern, wobei eine Abszissenachse die z Achse der 1 zeigt, und eine Ordinatenachse einen elektronischen Energiewert zeigt.
In der in 2 gezeigten Ausbildung umfasst der Elektronenemissionsabschnitt 2 eine Potenzialbarriere 7b, eine Emissionselektrode 6, eine Potentialbarriere 7a in der z Achsen-Richtung sukzessive. Die Emissionselektrode 6 dieses Elektronenemissionsabschnitt 2 besteht aus Metall von Au, Ag, Al, CoSi₂ oder dergleichen und die Potentialbarrieren 7a, 7b bestehen aus einem Isolationsmaterial von SiO₂, AlO₃, CaF₂. Der Verstärkerabschnitt 1 und der Elektronenabsorptionsabschnitt 3 werden durch ein später erwähntes Halbleitermaterial gebildet.
Wenn in 2 eine negative Spannung 8 an den Elektronenemissionsabschnitt 2 von dem Verstärkerabschnitt 1 angelegt wird, wird ein Potential eines Elektronenemissionsabschnitts 2 erhöht, so dass eine Potentialbarriere 7a dünn wird. Demzufolge wird ein Elektronenstrahl 9 mit einer Energie W_b, einem Moment hK_b/2π (Plank'sche Konstante) in der Richtung von dem Elektronenemissionsabschnitt 2 zu dem Verstärkerabschnitt 1 durch einen Tunneleffekt emittiert. Ein Elektron dieses Elektronenstrahls wirkt energetisch auf ein Licht 11 einer Wellenzahl β mit einer Winkelfrequenz ω ein, um so die folgenden Beziehungen zu erfüllen, und fällt dann ab und wird ein Elektronenstrahl 10 mit einer Energie W_a und einem Moment hK_a/2π. Wb – Wa = h·ω/2π (1) Kb – Ka = β (2)
Dieser abgeklungene oder gedämpfte Elektronenstrahl 10 wird an dem Elektronenabsorptionsabschnitt 3 absorbiert.
Bei der in 3 gezeigten Ausbildung umfasst der Elektronenemissionsabschnitt 2 die Potentialbarriere 7b, die Emissionselektrode 6, die Potentialbarriere 7a und eine Potentialhalteelektrode 12 in der z Achsen-Richtung. Der Elektronenabsorptionsabschnitt 3 besteht aus Metall und bildet eine elektronische Absorptionselektrode 19. Die Potentialhalteelektrode 12 ist angeordnet, um an die negative Spannung 8 zwischen der Emissionselektrode 6 und dem Verstärkerabschnitt 1 anzulegen. Dieser Elektronenemissionsabschnitt 2 und die Potentialhalteelektrode 12 der Emissionselektrode 6 davon und der Elektronenabsorptionsabschnitt 3 besteht aus einem Metall aus Au, Ag, Al, CoSi₂ oder dergleichen, und die Potentialbarrieren 7a, 7b bestehen aus einem Isolationsmaterial von SiO₂, AlO₃, CaF₂. Ferner besteht auch der Verstärkerabschnitt 1 aus einem später erwähnten Isolationsmaterial und Halbleitermaterialien.
Bei der in 3 gezeigten Ausbildung ist das Prinzip einer elektronischen Emissionswirkung von dem Elektronenemissionsabschnitt 2 und der optischen Verstärkung in dem Verstärkerabschnitt 1 das gleiche wie dasjenige bei der in 2 gezeigten Ausbildung der Ausführungsform. Bei der in 3 gezeigten Ausbildung unterscheidet sich jedoch der Punkt, dass der gedämpfte Elektronenstrahl 10 mit einer elektronischen Absorptionselektrode 19 des Elektronenabsorptionsabschnitts 3 absorbiert und an die elektronische alte Elektrode 12 zurückgeführt wird, von der in 2 gezeigten Konstruktion.
Bei der in 4 gezeigten Ausbildung ist der Elektronenemissionsabschnitt 2 gebildet, indem ein Halbleiterübergang, bestehend aus einem n Typ Halbleiter 13 und einem p Typ Halbleiter 18, in der z Achsen-Richtung angeordnet werden, und der Verstärkerabschnitt 1 und der Elektronenabsorptionsabschnitt 3 bestehen aus einem i Typ Halbleiter. Bei dieser Ausbildung wird eine negative Spannung 8 an den p Typ Halbleiter 18 von dem Verstärkerabschnitt 1 angelegt und dann wird eine negative Spannung 14 an den n Typ Halbleiter 13 von dem p Typ Halbleiter 18 angelegt. In 4 zeigt eine strichpunktierte Linie 15 einen Verteilungszustand des Fermi-Niveaus an. Ein Elektron wird an den p Typ Halbleiter 18 von dem n Typ Halbleiter 13 injiziert und an den Verstärkerabschnitt 1 als ein Elektronenstrahl 9 emittiert und dann gedämpft, nachdem das Licht 11 genauso wie in 2 verstärkt wird, und wird schließlich mit dem Elektronenabsorptionsabschnitt 3 als ein Elektronenstrahl 10 absorbiert.
Die optische Verstärkungswirkung an dem obigen Verstärkerabschnitt 1 wird theoretisch analysiert, indem das Dichtematrixverfahren, welches eine der Analysetechniken der Quantummechanik ist, auf ein in den 2–4 gezeigtes Modell angewendet wird, und somit kann eine Verstärkungskonstante g des Lichts mit der folgenden Gleichung ausgedrückt werden.
wobei ξ das Verhältnis des Teils ist, der den Elektronenstrahl in den Gesamtverteilungen von Licht schneidet, μ₀ eine Permiabilität im Vakuum ist, ε₀ eine dielektrische Konstante im Vakuum ist, e eine Ladung eines Elektrons ist, λ eine Wellenlänge des Lichts ist, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist, <N_b> eine Energiespreizungsbreite des Elektronenstrahls ist und n_eff ein effektiver Brechungsindex ist.
Unter der Annahme, dass eine effektive Masse eines Elektrons an dem Verstärkerabschnitt 1 m ist und eine Ladung eines Elektrons –e ist, kann auch eine Anlegungsspannung 8, die für die Verstärkung notwendig ist, durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
Ferner ist eine Länge L des Verstärkerabschnitts 1 durch eine Energierelaxationszeit τ eines Elektrons begrenzt und kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. L ≤ τc/neff (5)
Deshalb kann ein Verstärkungsfaktor A des Verstärkers durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. A = exp(gL) (6)
Um eine optische Verstärkung zu realisieren, während die obigen Gleichungen (1), (2) erfüllt werden, ist es erforderlich die effektive Masse m eines Elektrons in dem Verstärkerabschnitt klein zu machen und eine Wellenzahl von Licht β = n_effω/c wird durch einen hohen Brechungsindex des optischen dielektrischen Wellenleiters und die Ausbildung des Verstärkerabschnitts 1 groß gemacht, das heißt, es ist erforderlich die Ausbreitungsgeschwindigkeit c/n_eff von Licht in der z Richtung, die eine elektronische Übergangsrichtung ist, zu machen. (Wenn die effektive Masse m eines Elektrons groß wird, können die Gleichungen (1), (2) nicht erfüllt werden, so lange wie der äquivalente Brechungsindex n_eff nicht groß gemacht wird, sodass eine Länge L des Verstärkerabschnitts 1 in der Gleichung (5) kurz wird und somit der Verstärkungsfaktor in der Gleichung (6) klein wird). Ferner ist es notwendig eine elektrische Feldkomponente von Licht in einer z Richtung, die eine elektronische Übergangsrichtung ist, zu bewirken, sodass dann, wenn die elektrische Feldkomponente von Licht nicht bewirkt wird, das Licht nicht verstärkt wird. Das Licht in der umgekehrten Richtung wird nicht verstärkt, da eine Wellenzahl von Licht –β wird und die Gleichung (2) nicht erfüllt. Nachstehend wird eine Ausführungsform der Ausbildung, bei der die Lichtgeschwindigkeit verkleinert wird und die elektrische Feldkomponente in der z Richtung erhalten wird, unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 erläutert.
Bei der in 5 gezeigten Ausbildung ist der Verstärkerabschnitt 1 ausgebildet, indem der optische dielektrische Wellenleiter 17 mit einem hohen Brechungsindex um den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt 16 in einer spiralförmigen Form angeordnet oder gewickelt wird. Allgemein dient der optische dielektrische Wellenleiter dazu eine Wellenleitung in einer derartigen Weise vorzunehmen, dass das elektrische Feld E von Licht so verteilt wird, dass das Licht auf die Mitte des Wellenleiters zusammengefasst wird, aber das Licht ist nicht vollständig in dem Wellenleiterpfad eingeschlossen, sodass das Licht beginnt auf der Außenseite des Wellenleiterpfads herauszukommen. Deshalb wird in dieser Ausführungsform der Konstruktion das elektrische Feld E von Licht so verteilt, dass es von dem optischen dielektrischen Wellenleiter 17 einweicht, und wird zu dem Elektronenstrahl schräg geschnitten, sodass die elektrische Feldkomponente der z Richtung sich in der z Richtung erzeugt und somit das elektrische Feld E von Licht verstärkt wird.
Bei der in den 6(a), (b) gezeigten Ausbildung ist der Verstärkerabschnitt 1, wie in 6(a) gezeigt, in einer derartigen Weise gebildet, dass der optische dielektrische Wellenleiter 17 mit einem hohen Brechungsindex und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt 16 sich zueinander an mehreren Abschnitten orthogonal schneiden. Wie in einer Querschnittsansicht in der y Richtung der 6(b) gezeigt ist der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt 16 angeordnet, um zwischen dem optischen dielektrischen Wellenleiter 17 eingebettet zu sein. In dieser Ausführungsform breitet sich das Licht in dem optischen dielektrischen Wellenleiter 17 in einer Zig-Zag-Form aus, sodass eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in der z Richtung verkleinert wird und somit auch die elektrische Feldkomponente in der z Richtung erzeugt wird. Indem der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt 16 im Vergleich mit der Wellenlänge des Lichts dünn genug gemacht wird, wird ferner eine Verteilung des elektrischen Felds I von Licht an dem Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt 16 stark, wie in dem schematischen Diagramm der 6(b), und kann somit verstärkt werden.
Bei der in den 7(a), (b) gezeigten Ausbildung ist der Verstärkerabschnitt 1 in einer derartigen Weise gebildet, das der optische dielektrische Wellenleiter 17 einen Zig-Zag-Abschnitt aufweist, wie in 7(a) gezeigt, und sich somit der optische dielektrische Wellenleiter 17 und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt 16 an mehreren Abschnitten zueinander mit dem gleichen eingestellten Winkel schneiden. Der optimale Schnittwinkel des optischen dielektrischen Wellenleiters 17 für den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt 16, der sich in der z Richtung erstreckt, wird auf Grundlage des Brechungsindex und der Breite des optischen dielektrischen Wellenleiters 17, der Breite des Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt 16 und der Größe der angelegten Spannung 8 bestimmt. In dieser Ausführungsform ist der gefaltete Abschnitt des optischen dielektrischen Wellenleiters 16 im Vergleich mit demjenigen in der obigen 6(a), (b) gezeigten Ausführungsform verkleinert, so dass ein unerwünschter Lichtreflektions- und Streuverlust an dem gefalteten Abschnitt verringert werden kann.
Bei der in den 8(a), (b) gezeigten Konstruktion ist der Verstärkerabschnitt 1 in einer derartigen Weise gebildet, dass der optische dielektrische Wellenleiter 17 in der Breite breiter als der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt 16, wie in 8(a) gezeigt, konstruiert ist, und das, wie in 8(b) gezeigt, der optische dielektrische Wellenleiter 17 parallel zu dem Elektronenstrahl-Übergangsabschnit 16 angeordnet ist, um ihn so durch den Mittenabschnitt des optischen dielektrischen Wellenleiters 17 zu erstrecken. In diesem Fall ist das Licht in einer Meanderform durch eine Reflektion auf der Seite des optischen dielektrischen Wellenleiters 17 (die Bahn davon ist in 8(a) mit einem Pfeil gezeigt) ausgebildet.
In den obigen jeweiligen Ausbildungen müssen hinsichtlich der Materialien des Elektronensteuer-Übergangsabschnitt 16 die folgenden drei Bedingungen erfüllt sein.

1) Die effektive Masse des Elektrons ist klein.
2) Die Energie mit einer parabolischen funktionalen Form erstreckt sich zu dem Abschnitt der oberen Ebene des Leitungsbands.
3) Der Lichtverlust ist gering.

Diese Bedingungen sind erfüllt. Es wird bevorzugt, dass für den Elektronenstahl-Übergangsabschnitt, für den Fall eines Verwendungsbereichs von dem Bereich des nahen Infrarots zu dem Bereich des sichtbaren Lichts ein Halbleiter der II–VI Gruppe wie ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS und ein gemischter Kristall davon oder ein Isolationsmaterial wie CaF₂, SrF₂, BaF₂ verwendet wird und für den Fall einer Verwendung des Infrarot-Bereichs ein Halbleiter der III–V Gruppe wie InP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs und ein gemischter Kristall davon verwendet wird. Die obigen Materialien werden auch als ein Material des Elektronenabsorptionsabschnitt 3 verwendet.
Hinsichtlich eines Materials des optischen dielektrischen Wellenleiters 17 müssen ferner Materialien mit einem hohen Brechungsindex eines Verlusts verwendet werden. Diese Bedingung wird berücksichtigt. Es wird bevorzugt, dass für den optischen dielektrischen Wellenleiter 17, für den Fall einer Verwendung des Bereichs von den Bereich des nahen Infrarots zu dem Bereich des sichtbaren Lichts ein Halbleiter der II–VI Gruppe wie ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS und ein gemischter Kristall davon oder ein Halbleiter der III–V Gruppe wie GaN, GaP, AlAs und ein gemischter Kristall davon verwendet wird und für den Fall einer Verwendung des Infrarot-Bereichs werden Halbleiter der III–V Gruppe wie InP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs und ein gemischter Kristall davon oder ein Halbleiter der IV Gruppe von Si, Ge oder dergleichen verwendet.
Das Merkmal, welches einen stärksten Einfluss auf das Betriebsverhalten des optischen Verstärkers in dieser Ausführungsform ausübt, ist eine Auswahl von Materialien des Elektronenstrahl-Übergangsabschnitts 16 und um einen größeren Verstärkungsfaktor zu erhalten müssen die Materialien gewählt werden, sodass eine Energie einer parabolischen funktionalen Form sich an den Bereich der oberen Ebene des Leitungsbands erstreckt. Ferner wird ein gewisser oder konstanter Verstärkungsfaktor mit nur einer Stufe der optischen Verstärker erhalten, weil die existierenden Materialien diese Anforderungen nicht vollständig erfüllen.
Um einen großen Verstärkungsfaktor zu erhalten, wie in 9 gezeigt, werden dann mehrere optische Verstärker in Kaskade geschaltet, um einen unidirektionalen Verstärker oder eine mehrstufige Konfiguration zu bilden. In diesem Fall wird als eine Ausbildung des Verstärkerabschnitts 1, des Elektronenemissionsabschnitts 2, und des Elektronenabsorptionsabschnitts 3 angenommen, dass irgendeiner der 2 bis 4 und irgendeiner der 5 bis 8 kombiniert werden können.
Wenn in dem unidirektionalen optischen Verstärker der mehrstufigen Konstruktion der 8 das Licht von dem Lichteingangsanschluss 4 auf der linken Seite eingegeben wird, dann wird dieses Licht von dem Lichtausgangsanschluss 5 auf der rechten Seite ausgegeben. Der gesamte Verstärkungsfaktor A für den Fall einer Kaskadenverbindung der optischen Verstärker mit N Stufen (N ist eine natürliche Zahl) wird mit der folgenden Gleichung ausgedrückt. A = exp(NgL) (7)
Ein Betrieb dieser Ausführungsform wird nachstehend erläutert.
Wenn eine negative Spannung 8 (siehe 2 bis 4) zwischen dem Verstärkerabschnitt 1 des unidirektionalen optischen Verstärkers und dem Elektronenemissionsabschnitt 2, der in 1 gezeigt ist, angelegt wird und das Licht in den Lichteingangsanschluss 4 eintritt, kann das verstärkte Licht von der Lichtausgangsseite 5 erhalten werden. In diesem Fall kann irgendein Licht des kohärenten Lichts und des inkohärenten Lichts verstärkt werden. Ferner wird ein bestimmtes Material aus den oben beschriebenen Materialien gewählt und eine der 2 bis 4 und eine der 5 bis 8 werden kombiniert, um den Verstärkerabschnitt 1, den Elektronenemissionsabschnitt 2 und den Elektronenabsorptionsabschnitt 3 zu bilden, sodass eine unidirektionale Verstärkung von Licht bei verschiedenen Arten von Wellenlänge realisiert werden kann. In diesem Fall wird auch die Wellenlänge von Licht, welches verstärkt werden soll, durch den Bandabstand von Materialien des Elektronenstrahl-Übergangsabschnitts und des Energieniveauaufbaus in dem Leitungsband bestimmt.
Der unidirektionale optische Verstärker in dieser Ausführungsform, der die obige unidirektionale Verstärkung von Licht realisiert, unterscheidet sich von der herkömmlichen Technik in den folgenden Punkten.
Erstens zeigt diese Ausführungsform ein Element oder eine Einrichtung zum Verstärken von Licht nur in eine Richtung und unterscheidet sich wesentlich von „einem Laser", der eine herkömmliche Technik zum Ausführen einer reversiblen Verstärkung in beiden Richtungen ist.
Zweitens ist der optische Verstärkungsbetrieb in dieser Ausführungsform ein Phänomen, welches durch eine neue theoretische Analyse durch den vorliegenden Erfinder vorhergesehen wurde. Durch diese theoretische Analyse schlägt der vorliegende Erfinder eine andere Theorie als die herkömmliche Technik und andere Konstruktionen grundlegend vor.
Drittens verwendet der Verstärkerabschnitt 1 diese Ausführungsform ein Elektron in einem Festkörper und dient dazu das Licht in einer Richtung durch Verwenden eines Energieniveaus, welches sehr viel höher als das Fermi-Niveau bei dem thermischen Gleichgewicht erregt ist, und unterscheidet sich somit von der „Wanderwellenröhre", die eine herkömmliche Technik ist und ein Elektron in einem Vakuum verwendet. Ferner ist er grundlegend anders dahingehend, dass die fortschreitende Wellenverstärkung von Licht durch den „Zwischenband-Übergang", was die herkömmliche Technik ist, welche als grundlegende Forschungsarbeiten versucht wurde, ein Elektron in der Nachbarschaft des Fermi-Niveaus verwendet, und ist der Zwischenband-Übergang von dem Leitungsband zu dem Valenzband.
Viertens führt die vorliegende Erfindung die unidirektionale Verstärkung von Licht durch Verwenden eines Energieniveaus, welches viel höher als das Fermi-Niveau erregt ist, aus, sodass eine Störung durch eine Phasenstreuung des Elektrons kaum stattfindet und somit eine Lichtverstärkung möglich ist. Dieses Phänomen unterscheidet sich stark von der Tatsache, dass die obige „fortschreitende Wellenverstärkung von Licht durch den Zwischenband-Übergang" nicht durch ein Hindernis als Folge einer Phasenstreuung des Elektrons realisiert wurde. Ferner wird gegenwärtig eine Realisation des funktionalen Elements, welches sämtliche Arten einer „elektronischen Wellenstörung" verwendet, wissenschaftlich untersucht, aber diese funktionalen Elemente können leicht durch eine elektronische Phasenstreuung gestört werden, sodass eine Interaktion zwischen Elektronen und einem elektromagnetischen Feld nur innerhalb eines Bereichs erzeugt wird, in dem die elektronische Phasestreuung nicht auftritt. Im Gegensatz dazu ist der unidirektionale Lichtverstärker in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform anders als diese funktionalen Elemente und weist eine Charakteristik auf, die durch eine Energierelaxationszeit bestimmt wird, sodass der Bereich, in dem die Wechselwirkung zwischen Elektronen und dem elektromagnetischen Feld auftritt, erweitert werden kann.
Fünftens verwendet diese Ausführungsform den dielektrischen Übertragungspfad für eine Übertragung von Licht (elektromagnetische Welle) und unterscheidet sich somit stark von der Tatsache, dass die „Wanderwellenröhre" eine elektromagnetische Wellenausbreitung durch einen Metallübertragungspfad erfordert, und dass eine „elektromagnetische Welle durch einen elektrischen Strom, der in dem Metallübertragungspfad induziert wird, verstärkt wird" theoretisch nachgewiesen werden. Selbst wenn kein Metallübertragungspfad vorhanden ist, wird in dieser Ausführungsform die Tatsache, dass Licht direkt durch einen Elektronenstrahl verstärkt wird, theoretisch auf Grundlage der Quantenmechanik bewiesen, sodass im Grunde genommen ein Metallübertragungspfad nicht benötigt wird.
Wie voranstehend erläutert kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine unidirektionale optische Verstärkung, die gegenwärtig nicht realisiert wird, realisiert werden. Der unidirektionale optische Verstärker in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform entspricht sozusagen äquivalent einem Transistor in der optischen Frequenzdomäne, sodass dann, wenn ein unidirektionaler optischer Verstärker bereitgestellt wird, zusätzlich zu dem kontinuierlichen Fortschritt der gegenwärtigen Telekommunikationstechnik, der optischen Messtechnik und der optischen Speichertechnik, ein sprunghafter Fortschritt eines Gebiets der Optoelektronik, der Elektrotechnik und der elektronischen Informationstechnik erwartet werden kann.
Wenn zum Beispiel der unidirektionale optische Verstärker in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung auf eine Lichtquelle für eine faseroptische Kommunikation angewendet wird und auf verschiedene Lichtmessvorrichtungen angewendet wird, tritt selbst dann, wenn ein optischer Isolator nicht verwendet wird, ein Hindernis des reflektierten zurückkehrenden Lichts nicht auf. Wenn ferner der unidirektionale optische Verstärker in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung auf einen optischen Aufnehmer in einer optischen Platte angewendet wird, verschwindet der Einfluss des reflektierten zurückkehrenden Lichts, und kann das optische Signal mit einer hohen Qualität aufrecht erhalten. Wenn ferner die Verstärkungsbedingungen richtig verändert werden, kann ein optischer Modulator und ein optischer Schalter gebildet werden und somit ist eine Anwendung auf viele optische funktionale Elemente möglich.
Der größte Vorteil durch die Realisierung der unidirektionalen optionalen Verstärkung besteht darin, dass die Schaltungszusammensetzung unter Verwendung eines optischen Signals möglich sein kann, sodass ein optisches funktionales Element von irgendeiner Art, beispielsweise einer optischer Oszillator, ein optischer Verstärker, ein optischer Modulator, ein optischer Schalter, und ein optischer Speicher integral als eine optische integrierte Schaltung gebildet werden können. Es gab die Konstruktion, warum eine optische integrierte Schaltung aus der Vergangenheit realisiert werden sollte, aber diese Konstruktion wurde nicht vorangetrieben. Dieses Problem wird durch Einführen eines unidirektionalen optischen Verstärkers dieser Ausführungsform gelöst und eine Funktionstrennung von jedem Element wird möglich.
Durch Realisation der optischen integrierten Schaltung wird ferner eine echte Lichtinformationsverarbeitung und ein optischer Betrieb zum Behandeln von Information mit einem größeren Volumen als demjenigen einer elektronischen Schaltung möglich und einer Realisation der echten optischen Computers, der die Verarbeitungsgeschwindigkeit aufweist, die eine zehntausend mal so hohe Geschwindigkeit wie ein existierender elektronischer Computer aufweist, kann erwartet werden.
BEISPIEL
Bei der Konstruktion, die in 1 gezeigt ist, sind der Verstärkerabschnitt 1, der Elektronenemissionsabschnitt 2 und der Elektronenabsorptionsabschnitt 3 wie in den 2 und 6 gezeigt, ausgebildet, der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt 16 ist mit ZnSe gebildet und der optische dielektrische Wellenleiter 17 ist mit GaAs gebildet. Wenn eine theoretische Analyse ausgeführt wird, wurde bei dieser Ausbildung angenommen, dass mit Ve = 2,5 V für die Anlegungsspannung (Ve) 8 für das Licht mit der Wellenlänge λ = 1 μm eine Verstärkungskonstante g von Licht g ≥ 540 cm^–1 für die Elementlänge L des Verstärkungsabschnitts 1: L = 2,3 μm wird und der Verstärkungsfaktor A pro 1 Stufe wird 1,13 oder mehr wird, was aus der Gleichung (6) erhalten wird, sodass die optische Verstärkung von 1,13 mal oder mehr realisiert wird.
Als der unidirektionale optische Verstärker mit der Mehrstufenkonstruktion, die in 9 gezeigt ist, durch Verwenden von zwanzig unidirektionalen optischen Verstärkern, die in 1 gezeigt sind, verwendet wurde, wurde der Verstärkungsfaktor A von zwanzig Stufen der unidirektionalen optischen Verstärker 11 oder mehr, was aus der Gleichung (7) ermittelt wird, sodass die optische Verstärkung von 11 mal oder mehr realisiert wird.

Claims

Unidirektionaler optischer Verstärker, umfassend einen optischen dielektrischen Wellenleiter mit einem Verstärkerabschnitt (1) zum Verstärken von Licht in einer Richtung durch Verwenden eines Energieniveaus von Elektronen höher als das Fermi-Niveau in einem Emissionsabschnitt und mit einem hohen Brechungsindex zum Führen von Licht durch den Verstärkerabschnitt von einem Lichteingangsanschluss (4) an einen Lichtausgangsanschluss (5), und einen geraden Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt, der in der Elektronenstrahl-Übergangsrichtung verlängert ist, und einen Emissionsabschnitt (2) zum Emittieren eines Elektronenstrahls in dem Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt, und einen Elektronen-Absorptionsabschnitt (3) zum Absorbieren des Elektronenstrahls, der durch den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt geht, wobei der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt so ausgebildet ist, dass eine effektive Masse eines Elektrons in dem Verstärkerabschnitt klein wird, und wobei der optische dielektrische Wellenleiter und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt in einer derartigen Weise angeordnet sind, dass die Wellenzahl des Lichts in dem Verstärkerabschnitt groß wird und die elektrische Feldkomponente des Lichts in dem Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt so erzeugt wird, dass die von dem Emissionsabschnitt (2) emittierten Elektronen energetisch auf das Licht einwirken, welches sich in dem Verstärkungsabschnitt ausbreitet.
Unidirektionaler optischer Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Verstärkerabschnitt (1) so konstruiert ist, dass der optische dielektrische Wellenleiter auf und um den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt in einer Spirale gewickelt ist.
Unidirektionaler optischer Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Verstärkerabschnitt (1) so konstruiert ist, dass sich der optische dielektrische Wellenleiter und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt orthogonal zueinander an mehreren Abschnitten schneiden.
Unidirektionaler optischer Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Verstärkerabschnitt (1) so konstruiert ist, dass sich der optische dielektrische Leiter und der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt unter dem gleichen gesetzten Winkel zueinander an mehreren Abschnitten schneiden.
Unidirektionaler optischer Verstärker nach Anspruch 1, wobei der Verstärkerabschnitt (1) so konstruiert ist, dass der optische dielektrische Wellenleiter parallel zu dem Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt angeordnet ist, um so den Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt durch den Mittenabschnitt des optischen dielektrischen Wellenleiters zu verlängern.
Unidirektionaler optischer Verstärker nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Elektronenstrahl-Übergangsabschnitt aus einem Halbleiter der II–VI Gruppe wie ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS und einem gemischten Kristall davon oder einem isolierenden Material wie CaF₂, SrF₂, BaF₂ für den Fall einer Verwendung davon für einen Bereich von sichtbarem Licht von einem Bereich im nahen Infrarot, und aus einem Halbleiter der III–V Gruppe wie InP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs und gemischten Kristallen davon für den Fall einer Verwendung davon für einen Infrarot-Bereich gebildet ist.
Unidirektionaler optischer Verstärker nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der optische dielektrische Wellenleiter aus einem Halbleiter der II–VI Gruppe wie ZnSe, ZnTe, ZnO, ZnS, CdSe, CdTe, CdS und einem gemischten Kristall davon oder einem Halbleiter der III–V Gruppe wie GaN, GaP, AlAs und einen gemischten Kristall davon für den Fall einer Verwendung davon für einen Bereich von sichtbarem Licht von einem Bereich im nahen Infrarot, und aus Halbleitern der III–V Gruppe wie InP, InSb, InAs, GaP, GaSb, GaAs und einem gemischten Kristall davon oder einem Halbleiter der IV Gruppe von Si, Ge oder dergleichen für den Fall einer Verwendung davon für den Infrarot-Bereich gebildet ist.
Unidirektionaler optischer Verstärker, umfassend eine mehrstufige Konstruktion, die dadurch angeordnet wird, dass mehrere unidirektionale optische Verstärker, wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht, in Kaskade geschaltet werden.