DE69212864T2

DE69212864T2 - Vorrichtung mit positiver Rückkopplung zur optischen Signalverarbeitung

Info

Publication number: DE69212864T2
Application number: DE69212864T
Authority: DE
Inventors: Jose Chesnoy; Jean-Michel Gabriagues; Denis Leclerc
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: FR2673342A1; EP0501872B1; EP0501872A1; FR2673342B1; US5265111A; JPH04337684A; DE69212864D1

Description

Die Optoelektronik findet zunehmend Eingang in Nachrichtensysteme mit Lichtleitfasern. Die Formgebung und, ganz allgemein, die Verarbeitung der optischen Signale wurde jedoch bisher auf realistische Weise nur so erreicht, daß das optische Signal zuerst von einem Photodetektor in ein elektrisches Signal verwandelt wird. Dieses elektrische Signal wird dann durch ein elektronisches System bearbeitet und schließlich wieder in ein optisches Signal mit Hilfe eines Halbleiterlasers umgewandelt. Eine solche Verarbeitung erfolgt insbesondere in optischen Regeneratoren. Der Zwang für solche Verarbeitungsvorrichtungen zur Verwendung von optischen Elementen (Laser, Lichtdetektoren) in Verbindung mit elektronischen Elementen (Transistoren) begrenzt die Integrationsmöglichkeiten dieser Elemente auf einem gemeinsamen Substrat, das beispielsweise aus Indiumphosphid besteht.
Andererseits können Beschränkungen des Frequenzbandes aufgrund der verwendeten elektronischen Verstärker auftreten.
Vorrichtungen mit positiver Rückkopplung sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus dem Abstract der Druckschrift JP-A-59 036 223, aber die Merkmale der Schleifenverstärkung sind nicht sehr gut definiert.
Die Erfindung hat insbesondere folgende Ziele im Auge:
- einfache Herstellung einer Vorrichtung mit positiver Rückkopplung für die Verarbeitung eines optischen Signals;
- vereinfachte Integration der Elemente einer solchen Vorrichtung auf einer verringerten Anzahl von Substraten;
- möglichst weitgehende Vermeidung von elektronischen Bauelementen, die bei hohen Frequenzen arbeiten sollen;
- Wegfall der Beschränkungen des Durchlaßbandes aufgrund solcher Bauelemente.
Um diese Ziele zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung mit positiver Rückkopplung für die Verarbeitung eines optischen Signals vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Mit Hilfe der beiliegenden schematischen Zeichnungen wird nun beschrieben, wie die vorliegende Erfindung realisiert werden kann, wobei natürlich die erwähnten und dargestellten Elemente und Maßnahmen die Erfindung nicht einschränken.
Figur 1 zeigt im Längsschnitt eine erste Vorrichtung mit einem Laseroszillator zur Durchführung der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 zeigt ein Halbleiterplättchen dieses Oszillators im Schnitt entlang einer durch eine Lichtführungsschicht des Lasers verlaufenden waagrechten Ebene.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen die Veränderung der von dem Halbleiterplättchen ausgesendeten optischen Leistung abhängig von der Intensität eines Speisestroms, der in einen Verstärker dieses Plättchens injiziert wird, und zwar für vier Werte eines Absorptionssteuerstroms, der in einen Absorber dieser Platte injiziert wird.
Figur 7 zeigt verschiedene Kurven bezüglich der Veränderung eines Ausgangssignals abhängig von einem Eingangssignal dieser Vorrichtung für drei Werte eines mittleren Verstärkungsgrads einer Rückkopplungsschleife, die von dieser Vorrichtung gebildet wird.
Figur 8 zeigt eine zweite Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung.
Die beiden als Beispiel gewählten Vorrichtungen betreffen die Verarbeitung eines optischen Signals. Die erste Vorrichtung enthält einen Halbleiterlaseroszillator mit einem sättigungsfähigen Absorber. Zuerst wird ganz allgemein dieser Oszillator beschrieben, wobei Informationen über einen entsprechenden Oszillator aus dem Aufsatz von G.J. Lasher "Analysis of a proposed bistable injection laser" entnommen werden können, der in Solid State Electronics, Pergamon Press, 1964, Vol 7, Seite 707 veröffentlicht wurde.
Dieser Laseroszillator enthält eine Stapelung der folgenden Schichten, die in einer vertikalen Richtung Z aufeinanderfolgen, die bezüglich dieses Stapels definiert ist, nämlich:
- eine untere Elektrodenschicht 2 unter einer unteren Seite 3 eines Halbleiterplättchens 4,
- eine untere Einschließungsschicht 6, die zu diesem Halbleiterplättchen gehört und eine Leitfähigkeit eines ersten Typs sowie einen Brechungsindex besitzt,
- eine Lichtführungsschicht 8, die einen Lichtleiter S1, S2, S3 enthält, wobei dieser Lichtleiter zumindest teilweise aus einem Halbleitermaterial in kristalliner Kontinuität mit der unteren Einschließungsschicht ist und einen Brechungsindex besitzt, der größer als der der unteren Einschließungsschicht ist, um eine vertikale optische Einschließung in dieser lichtleitenden Schicht zu erzeugen,
- eine obere Einschließungsschicht 10, die zu dem Halbleiterplättchen gehört und eine kristalline Kontinuität mit dem Lichtleiter bildet sowie eine elektrische Leitfähigkeit eines zweiten Typs entgegengesetzt zu der des ersten Typs sowie einen Brechungsindex besitzt, der kleiner als der des Lichtleiters ist, um die vertikale optische Einschließung zu realisieren,
- und eine obere Elektrodenschicht 12 auf einer Oberseite 14 des Halbleiterplättchens.
Der Lichtleiter S1, S2, S3 erstreckt sich in einer Längsrichtung X in der lichtführenden Schicht zwischen zwei seitlichen Einschließungszonen 16 und 18. Die Brechungsindices dieser beiden Zonen werden niedriger als der des Lichtleiters gewählt, um eine transversale optische Einschließung für ein Licht in diesem Lichtleiter zwischen diesen beiden seitlichen Einschließungszonen zu bewirken. Dieser Lichtleiter enthält eine Folge von Abschnitten in Längsrichtung von hinten nach vorne wie folgt: Ein erster Abschnitt ist ein Lichtverstärker S1. Ein zweiter Abschnitt ist ein sättigungsfähiger Absorber S2 und bildet mit diesem Verstärker eine aktive Einheit S1, S2. Diese aktive Einheit besteht aus einem aktiven Halbleitermaterial, das so ausgewählt ist, daß es auf ein emittiertes Licht wirkt, das sich mit einer bestimmten Sendewellenlänge in der Längsrichtung ausbreitet. Dieses Material kann von elektrischen Strömen durchquert werden, die zwischen der oberen und unteren Einschließungsschicht fließen, wobei die Stärke solcher Ströme algebraisch in einer direkten Richtung bezüglich der Leitfähigkeitstypen dieser beiden Schichten berechnet wird. Dieses Material verstärkt das Licht in diesem Verstärker, wenn ein diesen Verstärker durchquerender elektrischer Strom eine Stromdichte oberhalb einer Verstärkungsschwelle besitzt. Dieser Strom bildet also einen Speisestrom I1. Das Material absorbiert dieses Licht im Absorber, wenn ein diesen Absorber durchquerender elektrischer Strom eine Stromdichte unterhalb der Verstärkungsschwelle besitzt. Dieser Strom bildet also einen Absorptionssteuerstrom S2. Dieser Absorber absorbiert eine weitere Energie dieses Lichts nur, wenn die Energie des Lichts, das bereits absorbiert wurde und während einer Energieerhaltungsperiode akkumuliert wurde, unterhalb der Absorptionsschwelle liegt. Die Energieerhaltungsperiode hat eine begrenzte Dauer vor dem Zeitpunkt, an dem der Absorber diese weitere Energie empfängt, und schließt diesen Zeitpunkt ein. Diese Absorption wird durch den Steuerstrom gesteuert.
Die obere Elektrodenschicht enthält:
- eine Speiseelektrode E1, die so angeordnet ist, daß sie einen Speisestrom I1 zur unteren Elektrodenschicht 2 durch den Verstärker S1 fließen läßt,
- und eine Absorptionssteuerelektrode E2, die so angeordnet ist, daß sie einen Absorptionssteuerstrom I2 zur unteren Elektrode durch den Absorber S2 fließen läßt.
Der Laser enthält weiter:
- eine Speisestromquelle 20, die den Speisestrom an die Speiseelektrode liefert,
- und eine Absorptionssteuerstromquelle 22, 23, 24, 26, die den Absorptionssteuerstrom an die Steuerelektrode E2 liefert.
Lichtreflexionsmittel 27 und 28 sind zu beiden Seiten in Längsrichtung des aktiven Elements S1 und S2 angeordnet, damit das Halbleiterplättchen 4 einen Laseroszillator bildet, der das Licht emittiert. Sie bestehen in der als Beispiel angenommenen Vorrichtung aus der Hinterseite 27 und der Vorderseite 28 des Plättchens 4, die teilweise reflektierend sind, damit sich ein Fabry-Perot-Resonator ergibt. Sie könnten auch aus äußeren Spiegeln oder aus einem Bragg- Reflektor bestehen, der in dem Plättchen verteilt angeordnet ist.
Wie üblich sind die Speiseelektrode E1 und die Absorptionssteuerelektrode E2 Bänder, die in Querrichtung Y länger als die Breite des Lichtleiters S1, S2, S3 sind. Elektrische seitliche Einschließungsmittel sind vorgesehen, um zumindest teilweise die Speise- und Steuerströme I1, I2 daran zu hindern, durch diese seitlichen Einschließungszonen 16, 18 zu verlaufen. Diese elektrischen Einschließungsmittel können insbesondere aus einem geeigneten Aufbau oder einer geeigneten inneren Struktur dieser Einschließungszonen gebildet sein.
Gemäß einer Maßnahme, deren Vorteile nachfolgend erläutert werden, enthält der Lichtleiter S1, S2, S3 innerhalb des Halbleiterplättchens 4 und vor dem Absorber S2 einen dritten Abschnitt bestehend aus einem passiven Material, das das emittierte Licht durchläßt, ohne auf dessen Intensität oder Fortpflanzungsgeschwindigkeit wesentlich einzuwirken. Dieser Abschnitt bildet einen passiven Abschnitt S3.
Der Lichtleiter kann einfach aufgebaut sein, wobei die Abschnitte geometrisch kontinuierlich aneinander anschließen. Die Kopplungen zwischen den Abschnitten erfolgen also in Längsrichtung. Dieser Lichtleiter kann auch zusammengesetzt sein, beispielsweise aus zwei übereinanderliegenden Schichten bestehen. Die Kopplung zwischen dem Absorber und dem passiven Abschnitt kann dann eine vertikale Kopplung sein, die diese beiden Schichten miteinander koppelt.
Außerdem kann der Lichtleiter andere Abschnitte enthalten, beispielsweise einen Phasenverschiebungsabschnitt und einen Frequenzabstimmungsabschnitt, wie sie in einem Aufsatz von K. Kondo, H. Nobuhara und S. Yamakoshi "Giga-bit Operation of wavelength conversion laser" beschrieben sind, der als Paper 13D-9 auf der Konferenz "Photonic Switching 90" vom 12. bis 14. April 1990 in Kobe, Japan veröffentlicht wurde.
Außerdem können manche nicht dargestellte Bauelemente in das Halbleiterplättchen integriert sein. Hier könnte es sich insbesondere um eine Fotodiode, die zur Absorptionssteuerquelle gehört, oder um einen zusätzlichen, außerhalb des Resonanzhohlraums des Laseroszillators befindlichen Lichtverstärker handeln.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Maßnahme, die durch die Existenz des passiven Abschnitts S3 möglich geworden ist, erstreckt sich die Absorptionssteuerelektrode E2 zumindest teilweise über diesen Abschnitt. Diese Maßnahme ermöglicht es, der Elektrode in Längsrichtung eine größere Abmessung als die Länge des Absorbers zu verleihen. Wenn diese Länge, was oft zutrifft, kleiner als die Breite eines Metallbands ist, das man leicht für die Herstellung dieser Elektrode bilden kann, vereinfacht diese Maßnahme die Herstellung dieser Elektrode. Gleichzeitig kann man so einen kürzeren Absorber als die Breite dieser Elektrode herstellen, so daß der Laser schnell auf Änderungen des Absorptionssteuerstroms reagieren kann.
Das Plättchen 4 hat eine vordere Spaltfläche 28, die ein vorderes Ende des passiven Abschnitts S3 bildet. Diese Spaltfläche des Plättchens wird wie die Hinterseite 27 durch eine übliche Spaltoperation erzeugt, von der man weiß, daß sie ungenau hinsichtlich der Lage der so gebildeten Fläche ist. Wegen dieses Abschnitts ist diese Ungenauigkeit aber tolerierbar, da nur die Länge dieses Abschnitts betroffen ist, während ohne diesen passiven Abschnitt diese Ungenauigkeit die Länge des Absorbers beeinflussen würde, so daß die Reproduzierbarkeit der Reaktionsgeschwindigkeit des Lasers auf den Absorptionssteuerstrom in Frage stehen würde.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Maßnahme sind der Verstärker S1 und der Absorber S2 optisch an ein optisches Bauelement 26 über den passiven Abschnitt S3 gekoppelt. Diese Maßnahme erleichtert die Herstellung einer optischen Schaltung, zu der das Plättchen 4 und dieses Bauelement gehören. Dieses Bauelement ist beispielsweise eine Fotodiode 26, die einen Lichtempfänger bildet und Teil der Absorptionssteuerquelle 22, 23, 24, 26 ist.
Elektrische Isolationskanäle sind in dem Halbleiterplättchen 4 ausgehend von der Oberseite 14 ausgebildet. Ein hinterer Isolationskanal C1 liegt in Längsrichtung zwischen der Speiseelektrode E1 und dem Absorber S2. Ein vorderer Isolationskanal C2 liegt in Längsrichtung in der Nähe des vorderen Rands der Steuerelektrode E2 und bildet ein Hindernis für den elektrischen Strom auf Strecken, die von der Absorptionssteuerelektrode E2 zur unteren Elektrode 2 durch den passiven Abschnitt S3 verlaufen. Dieses Hindernis ermöglicht eine wirksame Steuerung unter Verwendung einer Absorptionssteuerquelle, die einen relativ schwachen Strom liefert, und zwar aufgrund der Tatsache, daß ein relativ großer wirksamer Teil dieses Stroms durch den Absorber fließt, während die Bedingung hinsichtlich dieses Stroms und einer wirksamen Steuerung darin besteht, daß dieser Teil ausreichend groß ist.
Der Laseroszillator, von dem verschiedene Maßnahmen oben beschrieben wurden, sendet das Licht in Form eines Strahls P3 aus, wenn ein elektrisches Eingangssignal, wie z.B. der Absorptionssteuerstrom I2, vorliegt. Dagegen sendet die Vorrichtung zur Verarbeitung des optischen Signals, zu der dieser Oszillator gehört, das Licht aufgrund eines Eingangssignals optischer Art aus. Dieses Eingangssignal wird von einem Lichtstrahl P1 gebildet, der auf die Fotodiode 26 gerichtet ist. Diese Fotodiode bildet einen Lichtempfänger, der zur Absorptionssteuerquelle gehört. Dieser Strahl steuert einen Strom, der die Fotodiode durchquert und teilweise den Absorptionssteuerstrom I2 bildet. So steuert dieser Strahl ein Ausgangssignal optischer Art, bestehend aus dem Strahl P3.
Nun werden ganz allgemein gewisse Maßnahmen beschrieben, die in den Verarbeitungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden und die hinsichtlich der angegebenen Funktionen mit einer bekannten Verarbeitungsvorrichtung identisch sind. Diese bekannte Vorrichtung ist in einem Aufsatz von K. Okumara, Y. Ogawa, H. Ito und H. Inaba beschrieben, der in Opt.Letters, 9, Seite 519 (1984) veröffentlicht wurde.
Gemäß diesen gemeinsamen Maßnahmen enthält die erste als Beispiel gewählte Verarbeitungsvorrichtung die folgenden, in Figur 1 gezeigten Elemente:
- einen Lichtempfänger 26, der einerseits ein Eingangssignal P1 optischer Art und andererseits ein internes optisches Signal P2 zugeführt erhält und als Antwort auf diese beiden Signale ein internes elektrisches Signal I2 liefert,
- und einen Lichtemitter 4, der aufgrund dieses internen elektrischen Signals einerseits das interne optische Signal unter Bildung einer Rückkopplungsschleife und andererseits ein Ausgangssignal P3 optischer Art liefert.
Diese Schleife hat eine Schleifenverstärkung, bei der es sich um eine Differentialverstärkung bei offener Schleife handelt und die veränderungen abhängig von den internen optischen und elektrischen Signalen erfährt. Diese Veränderungen ergeben einen Maximalwert der Schleifenverstärkung für zwei Werte ungleich Null dieser beiden Signale.
Ein Mittel zur Erhöhung des Verstärkungsgrads ist in diese Schleife integriert, um mindestens diesen Maximalwert der Schleifenverstärkung zu erhöhen und vorzugsweise auf einen Wert oberhalb 0,9 zu bringen.
Die Rückkopplungsschleife mit einem Verstärkungsgrad, der dem Einheitswert nahekommt oder ihn überschreitet, ermöglicht es, den Differentialverstärkungsgrad der Vorrichtung, d.h. das Verhältnis der Veränderung des Ausgangssignals P3 zu der des Eingangssignals P1 in wesentlich größeren Proportionen zu verändern als denen, mit denen die Schleifenverstärkung variiert. Die Veränderung der Leistung des Ausgangssignals P3 einer solchen Vorrichtung abhängig von den Veränderungen des Eingangssignals P1 ist in Figur 7 durch drei Kennlinien CA, CB und CC dargestellt, die einem Schleifenverstärkungswert G unterhalb des Einheitswerts, gleich dem Einheitswert bzw. oberhalb des Einheitswerts entsprechen.
Im Fall eines Verstärkungsgrads, der knapp unterhalb des Einheitswerts liegt oder diesem gleicht, hat die Kennlinie der Vorrichtung eine S-Form. Ist die Schleifenverstärkung größer als 1, liegt ein Hysteresezyklus vor, d.h. eine Bistabilität.
Solche Kennlinien können insbesondere dazu verwendet werden, die Form eines ursprünglich rechteckigen Impulses wiederherzustellen, der auf dem Übertragungsweg verformt wurde. Natürlich kann ein Gesamtverstärkungsgrad der Verarbeitungsvorrichtung deutlich größer als die Schleifenverstärkung gewählt werden, wenn man ein Ausgangssignal mit einer deutlich größeren Leistung als der des Eingangssignals erhalten möchte.
Zusätzlich zu diesen Maßnahmen kann man erfindungsgemäß verschiedene vorteilhafte Maßnahmen anwenden, die nun ganz allgemein beschrieben werden.
Gemäß einer solchen günstigen Maßnahme, die in den beiden als Beispiel angenommenen Vorrichtungen angewendet und nun anhand von Figur 1 beschrieben wird, liegt das interne elektrische Signal I2 ohne Verstärkung am Lichtemitter 4 an, und das Mittel zur Erhöhung des Verstärkungsgrads ist diesem Emitter zumindest zugeordnet, um das interne optische Signal P2, das vom Lichtempfänger 26 empfangen wird, zu steuern.
Gemäß einer anderen günstigen Maßnahme, die in der ersten als Beispiel gewählten Vorrichtung verwendet wird, enthält das Mittel zur Erhöhung des Verstärkungsgrads einen sättigungsfähigen Absorber S2, dessen Absorptionswirkung durch das interne elektrische Signal I2 gesteuert wird und abnimmt, wenn dieses Signal zunimmt, wobei die Veränderung der Absorption abhängig von diesem Signal zu einer Erhöhung des Schleifenverstärkungsgrads führt, wenn dieses Signal bis zu einer nichtlinearen Zone der Vorrichtung ansteigt.
Gemäß einer anderen günstigen Maßnahme befinden sich der Absorber S2 und ein Lichtverstärker S1 in einem optischen Resonanzhohlraum 27, 28 und stellen einen Laseroszillator dar, der den Lichtemitter 4 bildet. Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß die Stärke des vom Lichtempfänger gelieferten internen elektrischen Signals sehr gering sein kann. Diese geringe Signalstärke erleichtert die Herstellung der Vorrichtung. Andererseits kann man so einen besonders schnellen Empfänger 26 verwenden, wie z.B. eine schnelle Fotodiode vom Typ PIN, die in Sperrichtung vorgespannt ist. Die Verwendung einer solchen Vorspannung für diese Fotodiode wird möglich, ohne daß das Plättchen 4 beeinträchtigt würde, da der Strom I2 in Durchlaßrichtung fließt. Diese Vorspannung wird beispielsweise durch eine Potentialquelle 24 erzeugt. Der Strom I2 ergibt sich aus der Summe des diese Fotodiode durchfließenden Stroms und eines Vorspannungsstroms, der von einer anderen Potentialquelle 22 über einen Widerstand 23 geliefert wird. Diese beiden Potentialquellen und die Fotodiode bilden gemeinsam die Absorptionssteuerquelle.
Der Absorber ist beispielsweise der Absorber S2 des oben beschriebenen Laseroszillators.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Maßnahme, die bereits oben hinsichtlich dieses Oszillators erwähnt wurde, bilden der Absorber S2 und der Lichtverstärker S1 zwei aufeinanderfolgende Längsabschnitte eines Lichtleiters S1, S2, S3, der in dem den Lichtemitter bildenden Halbleiterplättchen 4 ausgebildet ist, wobei der Verstärker über dieses Plättchen einen Speisestrom I1 empfängt, der von einer zumindest teilweise vom internen optischen Signal P2 unabhängigen Speisequelle 20 geliefert wird.
Es ist weiter günstig, wenn die Sendewellenlänge, d.h. die des Ausgangssignals P3, gesteuert wird. Dies könnte beispielsweise mit Hilfe eines verteilten Bragg-Reflektors geschehen, der in einem Frequenzsteuerabschnitt des Lichtleiters ausgebildet wäre und durch einen Phasenabstimmabschnitt ergänzt würde, wobei die Brechungsindices dieser beiden Abschnitte wie bekannt durch elektrische Ströme gesteuert werden, die Ladungsträger in diese Abschnitte injizieren.
Die Sendewellenlänge kann im übrigen vorteilhafterweise eine andere als die des Eingangssignals P1 sein. Diese Maßnahme ergibt eine optische Entkopplung zwischen dem von dem Plättchen 4 gebildeten Laser und einer nicht dargestellten optischen, eingangsseitigen Quelle, die das Eingangssignal, d.h. den Strahl P1, liefert. Diese Entkopplung beseitigt jede störende optische Rückkopplung auf diese eingangsseitige Quelle.
Nun werden im einzelnen verschiedene Angaben hinsichtlich der erwähnten Elemente gemacht.
Das Plättchen 4 ergibt sich durch epitaxiales Wachstum in der flüssigen Phase ausgehend von einem Indiumphosphidsubstrat InP mit n-Dotierung. Die aktiven Materialien (Abschnitte S1 und S2) und die passiven Materialien (Abschnitt S3) werden nachfolgend als Typ 1 und Typ 2 bezeichnet. Hier handelt es sich um quaternäre Legierungen ohne gezielte Dotierung. Sie bestehen aus Indium, Galhum, Arsen und Phosphor gemäß der Formel In1-xGaxAsyP1-y und sind an das Gitter des Substrats angepaßt. Diese Materialien besitzen verbotene Bänder bei den Wellenlängen 1530 nm und 1300 nm. Die erste dieser beiden Wellenlängen bildet die Sendewellenlänge. Die Einschließungsmaterialien, d.h. die Materialien der Einschließungsschichten, sind das Substrat aus InP mit n-Dotierung, was die untere Einschließungsschicht 6 angeht, und eine epitaxial aufgewachsene Schicht aus InP mit p-Dotierung, was die obere Einschließungsschicht 10 angeht. Eine epitaxial erzeugte Kontaktschicht ist nicht dargestellt. Ihre Dicke beträgt 200 nm und sie besteht aus einem quaternären Kontaktmaterial vom Typ 2 mit starker p-Dotierung. Sie befindet sich unter den Elektroden E1 und E2.
Das Plättchen 4 wurde in der sogenannten Indiumphosphid-Technologie hergestellt, aber sein Herstellungsprinzip kann auch auf jedes andere System von Halbleitermaterialien übertragen werden, wie z.B. die Galliumarsenid- Technologie GaAs. Die Materialien des Typs 1 und 2 können auch durch komplexere Strukturen ersetzt werden, wie z.B. Strukturen mit Mehrfachquantensenken, mit Supernetzen oder mit einer beliebigen Stapelung unterschiedlicher Materialien mit oder ohne Dotierung. Die verwendete Struktur des Materials 1 braucht nur einen optischen Verstärkungsgrad bei der gewünschten Sendewellenlänge zu besitzen, und die Struktur des Materials vom Typ 2 muß für diese Wellenlänge transparent sein.
Die aktiven und passiven Materialien müssen allseitig durch ebenfalls bei der Sendewellenlänge transparente Einschließungsmaterialien umgeben sein, damit sich ein Monomode-Lichtleiter ergibt. Ein Material wird transparent genannt, wenn seine Absorption je Längeneinheit typisch unter 50 cm&supmin;¹ liegt. Die verschiedenen Elemente des hergestellten Plättchens 4 werden nun erläutert:
- Der Verstärker S1 und der Absorber S2 bestehen aus Material des Typs 1, auch aktives Material genannt, das einen maximalen optischen Verstärkungsgrad bei der Sendewel lenlänge besitzt und ohne gezielte n-Dotierung eine Verunreinigung von 10¹&sup7; cm&supmin;³ besitzt.
- Der passive Abschnitt S3 besteht aus Material des Typs 2, auch passives Material genannt, das bei der Sendewellenlänge transparent ist und einen maximalen optischen Verstärkungsgrad bei der Wellenlänge 1300 nm besitzt, wobei dieses Material eine n-Dotierung von 5 10¹&sup7; cm&supmin;³ besitzt.
- Die obere Einschließungsschicht 10 aus InP mit p- Dotierung einer Konzentration zwischen 10¹&sup7; und 2 10¹&sup8; cm&supmin;³ hat eine Dicke, die typisch größer als 1000 nm ist.
- Die untere Einschließungsschicht 6 vom Typ InP mit n-Dotierung einer Konzentration zwischen 10¹&sup7; und 5 10¹&sup8; cm&supmin;³ hat eine Dicke größer als 1000 nm.
- Der Absorber S2 ist nicht direkt durch die Elektrode E1 gespeist und besitzt eine sättigungsfähige Absorption bei der Sendewellenlänge, wobei die typische Länge des Absorbers zwischen 0,005 und 0,025 variiert und beispielsweise bei 0,01 mm liegt.
- Die Abmessung der Elektrode E1 in Längsrichtung kann typisch zwischen 0,1 und 0,6 mm variieren und liegt beispielsweise bei 0,4 mm.
- Die Absorptionssteuerelektrode E2 liegt typisch in der Nähe des Übergangs zwischen den aktiven und passiven Materialien und damit in der Nähe des sättigungsfähigen Absorbers (in einem Abstand von höchstens 0,01 mm); die Elektrodenabmessung in X-Richtung kann zwischen 0,001 und 0,1 mm variieren. Diese Abmessung bestimmt direkt den Wert des Steuerstroms I2. Es ist günstig, diese Elektrode so schmal wie möglich zu machen, wobei ein realisierter Wert dieser Dimension 0,085 mm beträgt.
- Die Isolationskanäle C1 und C2 sind aus dem Kontaktmaterial (nicht dargestellt) und dem Material der oberen Einschließungsschicht ausgeschnitten, um die Widerstandswerte zwischen den Abschnitten oder zwischen den Elektroden zu bestimmen. Diese Kanäle können typisch eine Breite von 0,005 mm und eine Tiefe von 3/4 der Gesamttiefe des Kontaktmaterials und des oberen Einschließungsmaterials besitzen.
- Der elektrische Widerstand zwischen der Speiseelektrode E1 und dem sättigungsfähigen Absorber S2 kann zwischen 100 und 10.000 Ω variieren. Es wurden Werte von 200 Ω und 1400 Ω untersucht.
- Der elektrische Widerstand zwischen der Absorptionssteuerelektrode E2 und dem sättigungsfähigen Absorber S2 wurde mit einem Wert von 20 Ω getestet.
Die Figuren 3, 4, 5 und 6 beschreiben das Verhalten des oben beschriebenen Lasers für vier Werte des Steuerstroms 12, nämlich 0 mA, 0,1 mA, 0,5 mA und 1 mA. Sie zeigen den Hysteresezyklus der emittierten optischen Leistung an der Ordinate abhängig von der Stärke des in den Laser über die Speiseelektrode E1 injizierten Stroms (an der Abszisse).
Es sei bemerkt, daß bereits mit einem Strom I2 von 0,1 mA die Absorptionswirkung des sättigungsfähigen Absorbers gesteuert werden kann. Ein vollständig geschlossener Hysteresezyklus ergibt sich für eine Veränderung von I2 unterhalb von 1 mA. Eine Erhöhung von I2 verringert grundsätzlich den Wert des die Lichtaussendung hervorrufenden Stroms I1, aber es ist wichtig festzustellen, daß der Wert des Stroms I1, der zur Löschung der Lichtemission führt, ebenfalls verringert ist.
Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung beruht auf der Tatsache, daß man die Breite des Hysteresezyklus in einem Laser in Form eines bistabilen Halbleiters durch sehr geringe Steuerströme, die typisch unterhalb von 1 mA liegen, steuern kann, und daß außerdem diese Steuerung mit einer Vorspannung des diesen Strom im Laser empfangenden Halbleiterübergangs in Leitrichtung erfolgt. Dadurch kann einfacher eine Signalverarbeitungsvorrichtung realisiert werden, in der das interne elektrische Signal I2 von einer in Sperrichtung vorgespannten Fotodiode, wie z.B. der Fotodiode 26, geliefert wird.
Nun wird eine vorteilhafte alternative Vorrichtung beschrieben, die in der zweiten als Beispiel angegebenen Vorrichtung verwendet wird und in Figur 8 dargestellt ist.
Gemäß dieser Maßnahme wird der Lichtemitter von einem Laseroszillator 50 gebildet, der von dem internen elektrischen Signal, hier einem Signal J1, gespeist wird und das interne optische Signal, hier ein Signal Q2, mit einem Quantenwirkungsgrad liefert, der stets kleiner als der maximale Wert der Schleifenverstärkung ist. Das Mittel zur Erhöhung des Verstärkungsgrads besteht dann aus einem Lichtverstärker. Er bildet einen Schleifenverstärker 52 außerhalb des Laseroszillators 50 und empfängt das interne optische Signal vom Ausgang dieses Laseroszillators, verstärkt es und überträgt dann ein internes verstärktes optisches Signal Q3 an den Lichtempfänger, hier an einen Empfänger 54.
Das Eingangssignal und das Ausgangssignal dieser Vorrichtung tragen die Bezugszeichen Q1 und Q4.
Im Rahmen dieser Maßnahme kann der Laseroszillator auch ein DFB-Oszillator sein (DFB - Distributed Feedback - verteilte Rückkopplung) und kann in ein Halbleiterplättchen mit dem Schleifenverstärker und ggf. dem Lichtempfänger integriert sein.

Claims

1. Vorrichtung mit positiver Rückkopplung für die Verarbeitung eines optischen Signals,

- mit einem Lichtempfänger (26), der einerseits ein optisches Eingangssignal (P1) und andererseits ein internes optisches Signal (P2) empfängt und als Antwort auf diese beiden Signale ein internes elektrisches Signal (I2) liefert,

- und mit einem Lichtemitter (4), der als Antwort auf das interne elektrische Signal einerseits das interne optische Signal unter Bildung einer Rückkopplungsschleife und andererseits ein optisches Ausgangssignal (P3) liefert, wobei das interne optische Signal (P2) und das optische Ausgangssignal (P3) von Lichtstrahlen gebildet werden, die eine für diesen Lichtemitter typische Emissionswellenlänge besitzen und wobei die Schleife einen Schleifenverstärkungsgrad aufweist, der ein differentialer Verstärkungsgrad bei offener Schleife ist und Veränderungen abhängig von den beiden internen Signalen, dem optischen und dem elektrischen, aufweist, die einen Maximalwert des Schleifenverstärkungsgrads für eine Kombination von Werten dieser beiden Signale ungleich Null ergeben,

- wobei ein Mittel zur Erhöhung des Verstärkungsgrads in der Schleife enthalten ist, um zumindest den Maximalwert des Schleifenverstärkungsgrads zu erhöhen,

dadurch gekennzeichnet, daß das interne elektrische Signal (I2) ohne Verstärkung an den Lichtemitter (4) angelegt ist und daß das Mittel zur Erhöhung des Schleifenverstärkungsgrads (S1, S2) zumindest dem Lichtemitter (4) zugeordnet ist, um ein von dem internen optischen Signal gebildetes verstärktes Signal (P2) zu liefern, das vom Lichtempfänger (26) empfangen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der der Maximalwert der Schleifenverstärkung größer als 0,9 ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Erhöhung des Verstärkungsgrads (S1, S2) einen sättigungsfähigen Absorber (S2) enthält, der eine Lichtenergie in dem Augenblick absorbieren kann, in dem er diese Energie empfängt, wobei dieser Absorber die Energie nur dann absorbiert, wenn die Lichtenergie, die er während einer Energieerhaltungsperiode absorbiert und akkumuliert hatte, unter einem Absorptionsschwellwert liegt, wobei die Energieerhaltungsperiode vor diesem Zeitpunkt liegt und diesen einschließt und eine beschränkte Dauer besitzt, wobei die Absorptionsfähigkeit durch das interne elektrische Signal (I2) gesteuert wird und abnimmt, wenn dieses Signal zunimmt, und wobei die Veränderung dieser Absorptionsfähigkeit abhängig von diesem Signal einen Anstieg des Schleifenverstärkungsgrads hervorruft, wenn dieses Signal bis zu einer Nichtlinearitätszone dieser Vorrichtung ansteigt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der sättigungsfähige Absorber (S2) und ein Lichtverstärker (S1) in einem optischen Resonanzhohlraum (27, 28) enthalten sind, um einen Laseroszillator zu bilden, der den Lichtemitter (4) darstellt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (S2) und der Lichtverstärker (S1) zwei aufeinanderfolgende Längsabschnitte eines Lichtleiters (S1, S2, S3) darstellen, der in einem Halbleiterplättchen (4) ausgebildet ist, das den Lichtemitter bildet und in dem dieser Verstärker einen Speisestrom (I1) von einer Speisestromquelle (20) empfängt, die zumindest teilweise von dem internen optischen Signal (P2) unabhängig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtemitter aus einem Laseroszillator (50) besteht, der von dem internen elektrischen Signal (J1) gespeist ist und das interne optische Signal (Q2) mit einem Quantenwirkungs grad stets unterhalb des maximalen Schleifenverstärkungsgrads liefert, wobei das Mittel zur Erhöhung des Verstärkungsgrads von einem Lichtverstärker gebildet wird, der einen Schleifenverstärker (52) bildet und außerhalb dieses Laseroszillators liegt sowie das interne optische Signal am Ausgang des Laseroszillators empfängt und daraus ein internes verstärktes optisches Signal (Q3) ableitet, das er an den Lichtempfänger liefert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger (26) eine schnelle Fotodiode vom Typ PIN ist, die in Sperrichtung vorgespannt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendewellenlänge gesteuert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Sendewellenlänge von der wellenlänge des Eingangssignals (P1) unterscheidet.