DE2029702C3 - Pulsierender optischer Sender - Google Patents
Pulsierender optischer SenderInfo
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- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
- H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
- H01S5/06209—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen pulsierenden optischen Sender mit mindestens einem stimulierbaren
Halbleitermedium, dessen unter Berücksichtigung seiner Temperatur geeignet eingestellter Anregungsgleichstrom sein spontanes Pulsieren bewirkt, insbesondere
GaAs-Injektionslaser mit PN-Übergang.
Im Rahmen der Erfindung wurde beobachtet, daß diese selbstinduzierte, spontane Pulsierwirkung in stetig
arbeitenden Halbleiterinjektionslasern mit PN-Übergang bei geeigneten Temperaturen und Anregungsstromstärken auftritt. Es entsteht dabei eine Folge von
Lichtimpulsen bei Mikrowellenfrequenzen (vgl. Phys. Rev. Letters, Bd. 22, Nr. 21 vom 26. Ma! 1969, S. 1085 bis
1088).
Aufgabe der Erfindung ist es nun, den pulsierenden optischen Sender dahingehend weiterzubilden, daß die
Lage der Impulse in der Ausgangsstrahlung des pulsierenden optischen Senders moduliert werden kann.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe gelöst durch eine Einrichtung für die Zufuhr eines dem Anregungsgleichstrom
überlagerten Mikrowellensignals von geringer Energie zum stimulierbaren Halbleitermedium zur
phasenstarren Kopplung der Wiederholungsfrequenz der Impulse mit der Frequenz des Mikrowellensignals
und eine Einrichtung zum Modulieren des Mikrowellensignals entsprechend einem Informationsträgersignal.
Wenn sich also die Frequenz des Mikrowellensignals verändert, folgt die Impulswiederholungsfrequenz des
optischen Senders nach. Die Impulswiederholungsfrequenz ändert sich daher direkt mit der Frequenz des
zugeführten Signals. Da der optische Sender spontan pulsiert, braucht das Mikrowellensignal nicht die
Impulse zu erzeugen und kann die Modulation mit verhältnismäßig niedriger Leistung bewirken.
Der erfindungsgemäße optische Sender ermöglicht auch einen Multiplexbetrieb, wenn Gruppen von
stimulierbaren Halbleitermedien vorgesehen werden und dabei für jeweils eine Gruppe von Halbleitermedien
mit gleicher Impulswiederholungsfrequenz, deren einzelne, jeweils einem Halbleitermedium zugeordnete
Modulatoren die Mikrowellensignale mit gesonderten
ίο Signalen modulieren, eine Phasensynchronisiervorrichtung
vorgesehen ist, die ausreichende Phasendifferenz zwischen den Impulsen aufrecht erhält, um ein
Überlappen der verschieden modulierten Impulse zu vermeiden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt
Fig.) das Schaltbild eines aus einem Laser mit
pn-übergang aufgebauten Modulators und
F i g. 2 das Schaltbild eines Multiplex-Nachrichten-Übertragungsystems mit mehreren Laser-Modulatoren der in Fig. 1 gezeigten Art.
F i g. 2 das Schaltbild eines Multiplex-Nachrichten-Übertragungsystems mit mehreren Laser-Modulatoren der in Fig. 1 gezeigten Art.
Der in Fig. 1 dargestellte Modulator weist einen Halbleiterinjektionslaser 10 mit PN-Übergang (einschließlich
einer nicht gezeigten Kühleinrichtung) auf.
*5 Der Laser ist sowohl mit einer Gleichspannungsquelle
11 als auch mit einer leistungsschwachen Mikrowellenspannungsquelle
12 verbunden, der ein Modulator 13 zur Frequenzmodulation der Mikrowellenquelle entsprechend
der Eingangsinformation zugeordnet ist. Bei der dargestellten Anordnung befinden sich die Gleichspannungsquelle
11, die in Reihe mit einer Spule 14 geschaltet ist, und die Mikrowellenquelle 12, die in Reihe
mit einem Kondensator 15 geschaltet ist, in Parallelschaltung zueinander und zu dem Laser 10. Die
Induktivität und Kapazität der Bauteile 14 bzw. 15 sind so gewählt, daß die beiden Spannungsquellen voneinander
entkoppelt sind und der Gesamt-Spannungsabfall am Laser 10 im wesentlichen gleich der Summe der
Spannungen beider Quellen ist.
Der Wert der Gleichspannung wird so gewählt, daß ein selbstinduziertes, spontanes Pulsieren im stimulierten
Ausgangslicht des Lasers 10 erhalten wird. Diese Spannung hängt gewöhnlich vom jeweiligen Laser und
der Temperatur ab. Für Galliumarsenidlaser ist die Spannung bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff
gewöhnlich diejenige, welche zur Erzeugung des 1,1- bis 3fachen der Schwellenwertstromstärke für stimulierte
Emission erforderlich ist. Die Impulswiederholungsfrequenz ist gewöhnlich 0,5 und 3 GHz. Der genaue
Gleichspannungsbereich der ein Pulsieren beim betrachteten Laser erzeugt, kann empirisch durch
Verändern der Spannung, Nachweisen des Laserlichtes mit einer Photodiode und Untersuchen des Diodenausgangssignals
in einem Mikrowellenspektrumanalysator bestimmt werden. Wenn einmal ein spontanes Pulsieren
eingetreten ist, wird die Mikrowellen-Spannungsquelle
12 auf eine Frequenz eingestellt, die annähernd gleich der Impulswiederholungsfrequenz oder einer nahen
Harmonischen hiervon ist. Bei verhältnismäßig geringen Mikrowellenleistungen, gewöhnlich weniger als
einige Milliwatt, ist die Phase der Lichtimpulse starr mit der Mikrowellenquelle gekoppelt.
Wenn die Frequenz der Mikrowellenquelle moduliert wird, wird die Impulswiederholungsfrequenz bis auf
mindestens 50 Mhz auf jeder Seite ihres Kopplungswertes bei Frequenzen höher als 10 MHz mitgezogen. Es ist
zu erwarten, daß Frequenzen bis zur Höhe der Impulswiederholungsfrequenz selber mit einer entspre-
chenden Mikrowelleneinrichtung erzielt werden können. Daher hat ein einzelner modulierter Laser
zumindest die Informationsträgerkapazität eines Koaxialkabels.
Das spontane Pulsieren ist einer Kopplung unter den Longitudinaleigenschwingungen des Lasers und der
hohen Dispersion in den betroffenen Halbleitermaterialien zuzuschreiben. So zeigt die Theorie an, daß ein
ähnliches Pulsierverhalten bei Halbleiterlasern vorhanden ist, die aus anderen Materialien, als Galliumarsenid
hergestellt sind und/oder bei denen andere Anregungsmechanismen als Injektion durch einer. Übergang
verwendet wird. Die Innpulswiederholungsfrequenz in solchen Lasern kann durch eine Analogmodulation der
Anregungsenergiequelle moduliert werden. Beispielsweise wird bei einem von einem Elektronenstrahl
angeregten Halbleiterlaser das modulierte Mikrowellensignal dem Strahl zugeführt und bei einem optisch
angeregten Laser wird die Intensität der optischen Anregungsenergiequelle bei Mikrowellenrrequenzen
moduliert.
Als Beispiel wurde ein Galliumarsenidübergangslaser in der folgenden Weise hergestellt. Ein N-dotiertes
Substrat wurde durch Züchten eines tellurdotierten Galliumarsenidkristalls im Czochralski-Verfahren und
anschließendes Zerschneiden in Plättchen hergestellt. Die Konzentration der freien Elektronen im Substrat
lag zwischen 3 · 10'8 und 4,5 · 1018 Elektronen cm3.
Eine P-dotierte Zone wurde in das Substrat im allgemein bekannten »Box«-Verfahren eindiffundiert.
Bei einer Quelle aus einer 2%igen Lösung von Zink :n
mit Galliumarsenid gesättigtem Gallium betrug die Diffusionszeit 4 Stunden bei 8000C. Die Tiefe des auf
diese Weise gebildeten Übergangs war etwa 1,8 Mikrometer.
Hierauf wurde das Substrat wärmebehandelt. Nach dem Aufbringen einer etwa 95 nm dicken SiC^-Schutzschicht
wurde das Substrat zusammen mit einigen Milligramm reinen Arsens in eine Quarzampulle (eines
Volumens von etwa 7 cm3) verbracht. Die Ampulle wurde auf einen Druck von 107 Torr abgesaugt. Die
Ampulle wurde sodann 4 Stunden lang auf 850°C erhitzt
und dann in Eiswasser auf 0° C abgeschreckt.
Nach der Wärmebehandlung wurden die elektrischen Kontakte zu den N- und P-Zonen der Diode erzeugt.
Durch photolithographische Methoden wurden dann Streifen mit den Abmessungen 25,4 μίτι · 380 μίτι durch
das Oxid an der P-Zone geschnitten. Sodann wurde eine zweite Diffusion durchgeführt, um einen guten Ohmschen
Kontakt zur P-Zone zu erhalten. (Diese Diffusion verändert die ursprüngliche Diffusion nicht und erfolgt
nur durch Herstellung guter Kontakte.)
Diese Maßnahme wurde nach dem »Box«-Verfahren unter Verwendung einer reinen ZinkarsenidquHle und
einer Diffusionszeit von 15 Minuten bei 6500C durchgeführt.
Durch diese Diffusionsbehandlung entsteht in der P-Zone eine stark dotierte Schicht einer Dicke von
weniger als 300 nm. Sodann wurde auf die P-Zone ein Metallkontakt aus 50 nm Titan, 500 nm Silber und
100 nm Gold aufgebracht. Die N-dotierte Seite wurde auf eine Dicke von etwa 105 Mikrometer heruntergeläppt
und es wurde ein Kontakt aus 200 nm Zinn, 400 nm Nickel und 400 nm Gold aufgebracht. Das Substrat
wurde dann angerissen und gespalten, um einzelne Fabry-perot-Resonatoren mit EndLbmessungen von der
Größenanordnung von 100 μπι · 380 μπι · 625 μπι zu
bilden.
Der fertige Laser wurde dann auf einer Kupfer-Wärmesenke
innerhalb einer Mikrowellenbaueinheit mit einem Fenster so angeordnet, daß Licht aus dem Laser
austreten kann. Die Baueinheit wurde als Abschluß einer 50 Ohm-Übertragungsleitung eingesetzt, die nach
bekannten Mikrowellen-Methoden ausgebildet war, um ein gutes Einkoppeln äußerer Mikrowellensignale in
den Laser zu erzielen.
Über bestimmte Bereiche des Injektionsstroms (zwischen dem Ein- und Zweifachen des Schwellwertes)
bei Wärmesenketemperaturen zwischen 77 K und 110 K bestand das aus dem obigen Laser emittierte
Licht aus spontan erzeugten Impulsen bei Wiederholungsfrequenzen zwischen 500MHz und 1200MHz.
Beispielsweise wurden bei einem Strom von 67OmA und einer Wärmesenketemperatur von 96 K Impulse,
deren Halbwertsbreite etwa 400 ps betrug, mit 620 MHz erzeugt. Bei phasenstarrer Kopplung durch etwa
0,5 mW äußerer Mikrowellenenergie mit der Impulswiederholungsfrequenz wurde die Impulsbreite auf
weniger als 200 ps herabgesetzt (die Messung war durch die Auflösung des Detektorsystems begrenzt.) Unter
diesen Bedingungen war die hierdurch erzielte Höchstfrequenz der Impulslagenmodulation weit größer als
10 MHz und nur durch die verfügbare Mikrowelleneinrichtung begrenzt.
F i g. 2 ist ein Schaltbild eines Zeitmultiplex-Nachrichtenübertragungssystems
unter Verwendung mehrerer Laser-Modulatoren. Bei dieser Anordnung ist eine Anzahl Laser 10 mit einer gemeinsamen Wiederholungsfrequenz
phasenstarr gekoppelt. Jeder Laser ist jedoch je mit einer gegenüber jeder anderen Phase
geringfügig abweichenden Phase über Phasendifferenz-Synchronisiervorrichtungen
20 gekoppelt, die an die Mikrowellenquelle 12 angeschaltet sind. Die Phasenunterschiede
sind so gewählt, daß die modulierten Impulse einander nicht überlappen. Bei einer Impulswiederholungsfrequenz
von 1 GHz und bei maximalen Impulsbreiten von etwa 200 ps können hierbei mindestens
fünf Kanäle im Multiplexbetrieb ausgenützt werden.
Der Empfänger 21 ist vorteilhaft eine sehr schnell ansprechende Photodiode oder eine Anordnung von
solchen Dioden. Vorteilhaft sind die Dioden PIN-Photodioden oder Schottky-Sperrschicht-Photodioden.
In den beschriebenen Multiplexbetrieb kann noch eine zweite Multiplex-Dimension dadurch hereingebracht
werden, daß Laser mit verschiedenen Lichtfrequenzen verwendet werden. Am Empfänger können die
verschiedenen Frequenzen spektrographisch getrennt und die Impulse durch Photodioden nachgewiesen
werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Pulsierender optischer Sender mit mindestens einem stimulierbaren Halbleitermedium, dessen
unter Berücksichtigung seiner Temperatur geeignet eingestellter Anregungsgleichstrom sein spontanes
Pulsieren bewirkt, insbesondere GaAs-Injektionslaser
mit PN-Übergang, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12) für die Zufuhr eines
dem Anregungsgleichstrom überlagerten Mikrowellensignals von geringer Energie zum stirnulierbaren
Halbleitermedium (10) zur phasenstarren Kopplung der Wiederholungsfrequenz der Impulse mit der
Frequenz des Mikrowellensignals und eine Einrichtung (13) zum Modulieren des Mikrowellensignals
entsprechend einem Informationsträgersignal.
2. Optischer Sender mit Gruppen von stimulierbaren Halbleiiermedien nach Anspruch 1, dadurch
gekonnzeichnet, daß für jeweils eine Gruppe von Halbleitermedien (10) mit gleicher Impulswiederholungsfrequenz,
deren einzelne, jeweils einem Halbleitermedium (10) zugeordnete Modulatoren (13) die
Mikrowellensignale mit gesonderten Signalen modulieren, eine Phasen-Synchronisiervorrichtung (20)
vorgesehen ist, die ausreichende Phasendifferenzen zwischen den Impulsen aufrecht erhält, um ein
Überlappen der verschieden modulierten Impulse zu vermeiden.
3. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von
Halbleitermedien (10) Licht von auflösbar unterschiedlichen Frequenzen ausstrahlt.
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