DE1282210B - Optischer Nachverstaerker fuer kohaerentes Licht mit mindestens zwei Halbleiterdioden - Google Patents
Optischer Nachverstaerker fuer kohaerentes Licht mit mindestens zwei HalbleiterdiodenInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
Int. Cl.:
HOIs
Deutsche Kl.: 21g-53/08
Nummer:
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P 12 82 210.5-33 (J 27467)
6. Februar 1965
7. November 1968
Die Erfindung betrifft einen optischen Nachverstärker für kohärentes Licht mit mindestens zwei
Halbleiterdioden, deren pn-Ubergänge in einem kurzen Abstand in der gleichen Ebene liegend hintereinander
angeordnet sind und deren Stimulation durch Ströme anregbar ist, die die Halbleiterdioden
in Durchlaßrichtung und senkrecht zur Ebene des pn-Uberganges durchqueren, wobei der Stromwert
für die Anregung der nachgeschalteten nachverstärkenden Halbleiterdiode unter dem Schwellenwert für
die Anregung eines optischen Senders gehalten wird.
Es ist bekannt. Halbleitermaterialien bestimmter ArI als optische Sender zu verwenden, derart, daß
durch die Injektion eines Stromes, der dem Halbleiter senkrecht zur pn-Schicht zugeführt wird, Licht- r5
strahlen einer stimulierten kohärenten Schwingung erzeugt werden. Die Zufuhr des Stromes bewirkt eine
Rekombination der Ladungsträger, d. h., Elektronen und Löcher des Halbleitermaterials werden wieder
vereinigt und erzeugen dadurch Photonen. Es wurde festgestellt, daß Gallium-Arsenid-Halbleiter für diese
Art der Strahlungserzeugung besonders geeignet sind. Durch Einrichtungen dieser Art ist es möglich, einen
kohärenten Lichtstrahl zu erzeugen, dessen Strahlung parallel zur Ebene der pn-Schicht des Halbleiters
gerichtet ist. Die Strahlung beginnt, wenn der steuernde
Injektionsstrom einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Einrichtungen der genannten Art sind jedoch auch dazu geeignet, die Intensität eines bereits vorhandenen,
in der Ebene der pn-Schicht des Halbleiters liegenden Lichtstrahls durch die Steuerung eines Injektionsstromes zu ändern. Solche Einrichtungen dienen zur
Modulation oder zur Verstärkung eines Lichtstrahls.
Es wurde bereits vorgeschlagen, optische Nachverstärker derart auszubilden, daß die pn-Schichten von
mehreren Halbleiterdioden in der Ebene des Lichtstrahls in Kaskade hintereinander angeordnet sind
(deutsches Patent 1 186 148).
Ein Nachverstärker dieser Art ist so ausgebildet, daß den einzelnen Halbleitern Steuerströme zugeführt
werden, die entsprechend der Laufzeit des Lichtstrahls zeitlich nacheinander auftreten. Auf diese Weise wird
das Erreichen einer kritischen Stromstärke und damit eine Selbsterregung des Systems vermieden, durch die
der optische Lichtverstärker in den Zustand eines optischen Senders übergeht.
Ein optischer Nachverstärker dieser Art kann nur als Verstärker dienen, ohne daß die Verstärkereigenschaften
einer Stufe in einer logischen Verknüpfungsschaltung für Zwecke der Steuerung oder der Datenverarbeitung
ausgenutzt werden können.
Optischer Nachverstärker für kohärentes Licht
mit mindestens zwei Halbleiterdioden
mit mindestens zwei Halbleiterdioden
Anmelder:
International Business Machines Corporation,
Armonk, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. R. Busch, Patentanwalt,
7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49
Als Erfinder benannt:
Alan Bicksler Fowler, Yorktown Heights, N. Y.
(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. Februar 1964
(343 588)
V. St. v. Amerika vom 10. Februar 1964
(343 588)
Nachverstärker der vorgeschlagenen Art werden gemäß der Erfindung dadurch ausgewertet, daß der
optische Nachverstärker als optischer Sender mit nachgeschalteter optischer Verstärkerstufe betrieben
wird.
Auf Grund dieser Betriebsart kann ein Nachverstärker so ausgebildet sein, daß eine erste Halbleiterdiode
als Senderstufe und eine zweite Halbleiterdiode als Verstärkerstufe geschaltet ist. Die Anordnung
hat den Vorteil, daß durch kombinierte Steuerung der Injektionsströme große Intensitätsunterschiede
eines ausgesendeten Lichtstrahls erreicht werden. Diese Intensitätsunterschiede werden erreicht durch
Injektionsströme, deren Stromdichten wesentlich kleiner sind als die kritische Stromstärke.
Diese Maßnahme bietet den Vorteil, daß die kohärente Strahlung eines Halbleiters erzeugbar ist
durch eine geringere Stromdichte und daß der ausgesendete Lichtstrahl eines Halbleiters zusätzlich
beeinflußbar ist durch die kohärente Strahlung benachbarter Halbleiter.
Die F i g. 1 zeigt die Ausführung eines optischen Senders mit Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium
bekannter Art. Dieser besteht aus einer Halbleiterdiode 1 mit der p-Schicht 2 und der n-Schicht 3,
die an den aufeinanderlicgenden Seiten den pn-öbergang4
bilden. Eine solche Halbleiterdiode besteht
109 (30/(49
vorzugsweise aus Gallium-Arsenid. Eine solche Halbleiterdiode
ist geeignet zur Aussendung einer kohärenten Lichtstrahlung, wenn durch ihren pn-übergang
in Durchflußrichtung ein Strom durch den Leiter Z geleitet wird. Wenn dieser Strom einen gewissen
Schwellenwert überschreitet, ergibt sich die kohärente Lichtstrahlung an dem pn-übergang 4 in den Richtungen,
die durch den Doppelpfeil P angedeutet sind. Es wurde festgestellt, daß eine wirksame Strahlung
d flh d lb
so kann aus dieser Halbleiterdiode 11 ein kohärenter Lichtstrahl entnommen werden, wenn der Injektionsstrom J2 den Schwellenwert IT2 überschreitet. Wenn
dagegen den beiden Halbleiterdioden 10 und 11 gleichzeitig ein Injektionsstrom Ic zugeführt wird, der den
Schwellenwert Jn. überschreitet, so kann aus den beiden Halbleiterdioden 10 und 11 ein kohärenter
Lichtstrahl in Richtung des Pfeiles L entnommen werden. Wenn daher jede der beiden Halbleiterdioden
-=f
erzielbar ist, wenn die Stirnflächen der Halbleiter- ,0 10 und 11 einen Injektionsstrom der Größe-f erhält,
diode 1 in der Ebene der pn-Schicht aus Spaltflachen
bestehen und wenn die pn-Schicht an den nicht dem so wird ein kohärenter Lichtstrahl L erzeugt.
Für ein Paar von Halbleiterdioden, die etwa die gleiche Länge aufweisen, ergab sich z. B. der Schwellen
Lichtaustritt dienenden Seiten der Halbleiterdiode 1 Einschnitte aufweisen.
Die Fig. 2 zeigt zwei hintereinander angeordnete 15 wert ITc für den gemeinsamen Injektionsstrom zu 2,6 A.
Halbleiterdioden 10 und 11, die an der ebenen Oberfläche
einer Trägerplatte 12 befestigt sind. Die beiden Halbleiterdioden sind genau in der gleichen Richtung
ausgerichtet und haben einen ganz geringen Abstand von 15 μπι ihrer gegenüberliegenden Stirnflächen
voneinander.
Eine derartige Ausbildung der Einrichtung kann dadurch erzielt werden, daß ein aus einem Stück
bestehender Halbleiterkristall auf der Trägerplatte 12 Jede einzelne Halbleiterdiode erhielt demnach einen
Injektionsstrom von 1,3 A. Der Schwellenwert In für den Betrieb nur der einen Halbleiterdiode hatte
den Wert von 1,7 A, und der Schwellenwert IT2 für
den Betrieb der anderen Halbleiterdiode hatte den Wert von 2,0A. Die bei diesem Versuch erzielte
Herabsetzung der Stromdichte wird an Hand der F i g. 3 veranschaulicht. Die Kennlinie L1 bedeutet
die Emission einer Halbleiterdiode, wenn diese einen
angeordnet und anschließend in die beiden Teile 10 25 über dem Schwellenwert liegenden Injektionsstrom
und 11 aufgetrennt wird. Die beiden Halbleiter- erhält. Entsprechend hierzu bedeutet die Kennlinie L2
dioden 10 und 11 sind bezüglich ihrer Längsachse die Emission der anderen Halbleiterdiode, wenn diese
mit einer Genauigkeit im Bereich von etwa 5° aus- einen über dem Schwellenwert liegenden Injektions-
gerichtet. Bei genauer Ausrichtung der beiden Halb- strom erhält. Die Kennlinie L3 ist die Darstellung
leiterdioden 10 und 11 wird der Schwellenwert für 30 der Emission, die vorhanden ist, wenn beide HaIb-
die Aussendung des kohärenten Lichtstrahls herabgesetzt, und die Zunahme der Intensität des Lichtstrahls
ist ungefähr proportional der Stromdichte des Injektionsstromes. Diese Wirkung der Einrichtung
geht hervor aus der folgenden Beziehung:
G = AJ = ~
-PT + a
In dieser Beziehung bedeutet L die Gesamtlänge der Halbleiterdioden in Ausstrahlungsrichtung. R ist
der Reflexionsfaktor. Es bedeutet α ferner den Verlust je Längeneinheit, der durch Absorptions- und
Beugungsverluste entsteht. A ist eine Konstante, die aus der Beziehung der Dichte des Schwellenwertstromes
J und der Verstärkung G je Längeneinheit abgeleitet wird.
Die beiden Halbleiterdioden 10 und 11 werden gesteuert durch die beiden Injektionsströme J1 und J2.
Diese beiden Ströme werden an einer gemeinsamen Leitung zugeführt, in welcher der Gesamtstrom Ic auftritt.
Wenn in der Halbleiterdiode 10 der Schwellenwert des Injektionsstromes Jn und in der Halbleiter
gleichzeitig Injektionsströme erhalten, die über den Schwellenwerten von 1,3 A des Gemeinsambetriebes
liegen.
Durch einen geeigneten Versuch sollen die Spektrallinien des optischen Senders festgestellt werden. Der
Versuch erfaßt das Spektrum der Halbleiterdioden, wenn
a) nur die Halbleiterdiode 10 einen Injektionsstrom erhält,
b) wenn beide Halbleiterdioden 10 und 11 Injektionsströme erhalten.
40 Der Versuch erfaßt ferner das Spektrum der Halbleiterdiode
11, wenn
a) nur die Halbleiterdiode 11 einen Injektionsstrom erhält,
b) die beiden Halbleiter 10 und 11 Injektionsströme erhalten.
Um die Spektrallinien der beiden Halbleiterdioden zu trennen, wurden zwei Halbleiterdioden verschiedener
Länge gewählt. Bei der Durchführung eines Versuchs erhielt die Halbleiterdiode 10 die Länge
von 155 μπι und die Halbleiterdiode 12 die Länge 68 b d d l
leiterdiode 11 der Schwellenwert des Injektionsstro- 55 von 368 μΐη. Der Abstand der beiden Halbleiter
dioden betrug 15 μηι. Bei diesem Abstand ergab
sich, daß die Hälfte der Lichtstrahlung der Halbleiterdiode 10 den Halbleitern beeinflußt.
Der Schwellenwert des Stromes für die Lichtaus-
Der Schwellenwert des Stromes für die Lichtaus-
mes Jr2 überschritten wird, entsteht in Richtung
des Pfeiles L ein kohärenter Lichtstrahl. Der für
beide Halbleiterdioden gemeinsam gültige Schwellenwert des Injektionsstromes hat dagegen den Wert ITc.
Der Schwellenwert In für den Gesamtinjektionsstrom 60 Sendung der Halbleiterdiode 10 betrug 0,75 A. Der
des Pfeiles L ein kohärenter Lichtstrahl. Der für
beide Halbleiterdioden gemeinsam gültige Schwellenwert des Injektionsstromes hat dagegen den Wert ITc.
Der Schwellenwert In für den Gesamtinjektionsstrom 60 Sendung der Halbleiterdiode 10 betrug 0,75 A. Der
ist kleiner als die Schwellenwerte Jn und Jr2 der Schwellenwert des Stromes für die Lichtaussendung
Einzelinjektionsströme. Wenn aus der Stromquelle 13 der Halbleiterdiode 11 betrug 1,45 A. Diese Strom-
der Halbleiterdiode 10 ein Injektionsstrom J1 zu- werte entsprechen Stromdichten von 48 bzw.
geführt wird, so kann aus der Halbleiterdiode 10 40 A/cm ~2. Die Stromdichte der kürzeren Halbein
kohärenter Lichtstrahl entnommen werden, wenn 65 leiterdiode war daher um den Faktor 1,2 höher als
der Injektionsstrom J1 den Schwellenwert Jn über- die Stromdichte der längeren Halbleiterdiode. Wenn
schreitet. Wenn aus der Stromquelle 14 der Halb- beide Halbleiterdioden gleichzeitig Injektionsströme
leiterdiode 11 ein Injektionsstrom J2 zugeführt wird, erhalten, betragen die Schwellenwerte für die Licht-
aussendung in jedem der beiden Halbleiterdioden 0,67 A.
Die F i g. 4 und 5 zeigen die Ergebnisse der erwähnten Versuchsanordnung. Das Spektrum des
Lichtstrahls, der an der kurzen Halbleiterdiode 10 austritt, wurde beobachtet für den Injektionsstrom
von 1,0 A. Bei der Beobachtung des Serienspektrums der beiden Halbleiterdioden wurde der Strom in der
langen Halbleiterdiode gleichmäßig vergrößert, jedoch ohne daß der Schwellenwert von 1,45 A überschritten
wurde. Die Spektralünien des Halbleiters 10 lagen im Bereich zwischen 8400 und 8435 Ä und hatten
einen Unterschied der Wellenlängen von 4,53 Ä. Das Spektrum der Halbleiterdiode 11 lag im Bereich
zwischen 8445 und 8465 Ä und hatte einen Unterschied der Wellenlängen von 1,94 A.
Diese Feststellung stimmt überein mit der Beobachtung, daß sich die Spitzen der Spektralünien nach
kürzeren Wellenlängen bewegen, wenn die Stromdichte des Injektionsstrornes erhöht wird. Die Erhöhung
der Stromdichte durch eine Verkürzung der Halbleiterdiode ergibt daher eine Strahlung
kürzerer Wellenlänge. Das auffallendste Ergebnis dieser Versuche bestand darin, daß das Spektrum
der Halbleiterdiode 10 verschwindet, wenn der Injektionsstrom der Halbleiterdiode 11 eingeschaltet wird.
In dieser Wreise wird das Spektrum der Halbleiterdiode 10 ersetzt durch das Spektrum der Halbleiterdiode
11. Bei der Beeinflussung beider Halbleiterdioden durch Injektionsströme ergab sich lediglich
eine Spektrallinie von 8455,5 Ä, die auch auftrat, wenn nur die eine Halbleiterdiode durch einen Injektionsstroni
beeinflußt wurde. Aus den Versuchen geht hervor, daß die Frequenzselektivität der Lichtaussendung
durch beide Halbleiterdioden nicht so groß ist, als wenn nur einer der Halbleiter Licht aussendet.
Der Versuch ergab lediglich, daß bei 8450,8 A eine besonders ausgeprägte Spektrallinie besteht. Es erscheint
daher so, daß die beiden Halbleiterdioden nicht so sehr als ein Paar gekoppelter Oszillatoren
wirken, sondern eher, daß die Emission der Halbleiterdiode 11 durch die Emission der Halbleiterdiode
10 verstärkt wird. Die Halbleiterdiode 11 wird dadurch von der Halbleiterdiode 10 beeinflußt, jedoch
lediglich derart, daß der Schwellenwert ihres Injektionsstromes herabgesetzt wird.
Claims (6)
1. Optischer Nachverstärker für kohärentes-Licht mit mindestens zwei Halbleiterdioden, deren
pn-Ubergänge in einem kurzen Abstand in der gleichen Ebene liegend hintereinander angeordnet
sind, und deren Stimulation durch Ströme anregbar ist, die die Halbleiterdioden in Durchlaßrichtung
und senkrecht zur Ebene des pn-Uberganges durchqueren, wobei der Stromwert für die Anregung
der nachgeschalteten nachverstärkenden Halbleiterdiode unter dem Schwellenwert für die
Anregung eines optischen Senders gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der
optische Nachverstärker als optischer Sender mit nachgeschalteter optischer Verstärkerstufe betrieben
wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gallium-Arsenid-Halbleiter als
Halbleiterdioden vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einer Trägerplatte
angeordneter Halbleiterkristall in zwei hintereinander angeordnete Teile getrennt ist.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei hintereinander
angeordnete Halbleiterkristalle verschiedene Längen aufweisen.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter Längen
von einigen hundert Mikrometer aufweisen.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiterkristalle
in einem Abstand von annähernd 15 Mikrometer hinteieinander angeordnet sind.
In Betracht gezogene Druckschriften: Internationale Elektronische Rundschau, Bd. 17,
Nr. 8, August 1963, S. 389 bis 392.
In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsche Patente Nr. 1 186 148, 1220 054.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
»09 630/64» 10. U · Bundesdruckerei Berlin
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E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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