DE1214783C2

DE1214783C2 - Laseroszillator oder -verstaerker mit einem fabry-perot-resonator

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Publication number: DE1214783C2
Application number: DE19651214783
Authority: DE
Priority date: 1964-05-13
Filing date: 1965-05-11
Publication date: 1973-10-11
Also published as: CH441534A; JPS4225462B1; US3427563A; SE329220B; FR1465389A; GB1071434A; NL6505869A; DE1214783B

Description

■.'.'■ 3 4 .

gibt. Wenn jedoch der Maser durch Anlegen eines niveaus' angehoben werden, wenn die Intensität der starken Signalimpulses zur Strahlung auf höhere einfallenden Welle einen bestimmten Schwellenwert Energieniveaus angeregt wird, so tritt in dem absor- übersteigt. Diese als Streuzentren wirkenden Elekbierenden Kristall eine Sättigung der Absorptions- tronen besitzen in dem Falle einen relativ sehr Zentren ein, und der Schwingungszustand bleibt er- 5 kleinen Wirkungsquerschnitt für die Absorption einhalten, treffender Photonen, wenn sie sich bereits in diesen

Diese bekannte Anordnung unterscheidet sich von angeregten Zuständen befinden, so daß die Photonen

der eingangs beschriebenen dadurch, daß die Wellen- im wesentlichen hindurchgelangen können. Im ur-

länge des induziert emittierenden Übergangs nicht im sprünglichen Zustand hingegen besitzen diese Elek-

sichtbaren Bereich, sondern im Mikrowellenbereich io tronen einen hohen Wirkungsquerschnitt für ein-

des elektromagnetischen Spektrums liegt. Auf die fallende Photonen. Kurz gesagt, die optische Dichte

Möglichkeit ein logisches Element mit Hilfe eines eines Absorbermediums wird herabgesetzt, wenn sich

Lasers herzustellen, ist in diesem Aufsatz bereits die Elektronen in höheren Energiezuständen befin-

hingewiesen. den. Die Durchlässigkeit eines solchen Absorbers

Die vorgenannte neue Aufgabe wird bei einer An- 15 bleibt weiterhin in voller Höhe erhalten, solange die Ordnung der eingangs beschriebenen Art auf tech- Intensität der einfällenden Welle ausreicht, um die nisch fortschrittliche Weise dadurch gelöst, daß zum meisten Elektronen in diesen höheren Energieniveaus multistabilen Laserbetrieb — d. h. zum Austritt zu halten, wobei berücksichtigt werden muß, daß in von Laserstrahlen in jeweils eine von mehreren bestimmtem, wenn auch geringem Maße, Rekombiunterschiedlichen, vorbestimmten, in einer Ebene 20 nation stattfindet. , . liegenden Richtungen — ein parallel zu der durch Der oben beschriebene Laseroszillator oder -verdie Richtungen der Laserstrahlen gegebenen Ebene stärker kann bei entsprechender Vorspannung in liegender Querschnitt des Strahlers die Gestalt eines Vorwärtsrichtung am PN-Übergang der als nichtregelmäßigen Vielecks mit jeweils gegenüberliegenden linearer Absorber dienenden Halbleiterdiode durch parallelen Seitenflächenpaaren aufweist, von denen 25 Lichteinwirkung, oberhalb eines bestimmten Schweljeweils die eine Seitenfläche teilweise reflektierend lenwertes auf eine zur PN-Ubergangsebene senkrecht und die andere durchlässig ausgebildet ist, daß den liegende Seitenfläche aus dem Zustand hohen Abdurchlässig ausgebildeten Seitenflächen als umschalt- Sorptionsvermögens in den Zustand geringen Abb.arer nichtlinearer Absorber jeweils eine Halbleiter- Sorptionsvermögens geschaltet werden. Die Halbdiode zugeordnet ist, deren PN-Übergang in einer 30 leiterdiode ist durch einen Impuls in Sperrrichtung Ebene senkrecht zu den genannten Seitenflächen des PN-Übergangs wieder in den Zustand hohen liegt und in Flußrichtung über gleichzeitig zur Zu- Absorptionsvermögens zurückschaltbar,
führung von ^: elektrischen Umschaltimpulsen zur Der Zusammenbau des oben beschriebenen Laser-Änderung des Absorptionsvermögens dienende Flä- Oszillators oder -Verstärkers kann in einfacher Weise chenelektroden nur so weit vorgespannt ist, daß ein 35 dadurch erfolgen, daß der als Strahler dienende im nichtstrahlenden Zustand vernachlässigbarer In- Kristall aus aktivem Laserwerkstoff und die als Abjektionsstrom fließt und die Halbeiterdiode sich im sorber dienenden Halbleiterdioden miteinander ver-Zustand hoher Absorption befindet, daß des weite- kittet sind. Ein besonders einfacher und vorteilhafter ren die Halbleiterdiode wahlweise durch Anlegen Aufbau ergibt sich dadurch, daß ein als Strahler dievon Lichtenergie und/oder elektrischer Energie ober- 40 nender, in Vorwärtsrichtung vorgespannter Halbhalb eines bestimmten Schwellenwertes in den Zu- leiterlaser und jeweils die als Absorber dienende stand geringen Absorptionsvermögens schaltbar ist Halbleiterdiode aus einem einzigen Halbleiterkörper (strahlender Zustand), daß die den durchlässig aufgebaut sind, dessen eine Zone in einem Oberausgebildeten Seitenflächen des Strahlers abge- flächenbereich entartet dotiert ist. Die Trennung zwiwandten, parallel gegenüberliegenden Seitenflächen 45 sehen Strahlerteil und jeweiligem Absorberteil erfolgt der Halbleiterdioden völlig reflektierend ausgebildet durch einen Einschnitt, dessen Tiefe größer oder sind und daß jeweils ein weiterer stabiler Zustand gleich der Dicke der entartet dotierten Zone ist; durch die Umschaltung einer Halbleiterdiode in den den beiden so gebildeten Oberflächenbereichen ist je Zustand niedrigen Absorptionsvermögens vorhan- eine Flächenelektrode zugeordnet. In vorteilhafter den ist. 50 Weise werden als Halbleitermaterialien dotierte

Die multistabile Betriebsweise wird dabei so ver- intermetallische Verbindungen der Gruppen Aⁿⁱ-B^v

standen, daß der Laseroszillator oder -verstärker, sei und Aⁿ-B^v verwendet, insbesondere Galliumarsenid,

es durch elektrische Impulse, sei es durch Licht- dessen N-leitende Zone durch Dotieren mit Tellur

impulse, von einem stabilen Aus-Zustand in einen und dessen P-leitende Zone durch Dotieren mit Zink

stabilen Ein-Zustand umschaltbar ist, bei dem ein 55 entstanden ist derart, daß die P-leitende Zone in der

Austritt von Laserstrahlung in jeweils eine von meh- Nähe ihres Oberflächenbereichs eine P+-leitende

reren unterschiedlichen vorbestimmten in einer Zone aufweist.

Ebene liegenden Richtungen erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil des oben beschriebenen Laser-

Bei nichtlinearen Absorptionseinrichtungen der Oszillators oder -Verstärkers wird darin gesehen, daß, oben beschriebenen Art ist die Durchlässigkeit eine 60 gemessen in der Austrittsrichtung des Laserstrahls, Funktion der Energie des einfallenden Lichts oder die Länge des Strahlers gleich der Länge des Aballgemein einer elektromagnetischen Welle. Es ist sorbers öder kleiner ist.

dabei wichtig, daß die Quantenenergie der einfallen- Die reflektierenden Endflächen des oben beschrie-

den Welle etwas größer als der effektive Bandabstand benen Laseroszillators oder -Verstärkers werden in

des Absorbermediums ist. Ganz allgemein läßt sich 65 vorteilhafter Weise durch Abspalten gewonnen. Da

sagen, daß ein nichtlineares Absorbermedium aus dieses Abspalten zwangsweise in bestimmten kristal-

einem solchen Material besteht, bei dem die Streu- lographisehen Ebenen geschieht, kann eine voll-

zentren, nämlich die Elektronen, zu höheren Energie- kommene Parallelität der Flächen erreicht werden.

⁵ 6

Die verschiedenen stabilen Zustände ergeben sich hierauf einfallenden Strahlung. Als Strahler 3 kann

nun wie folgt: ein Laseroszillator oder -verstärker bekannter Art

1. Stabiler Aus-Zustand: Der Halbleiterlaser über- ^diene*; Der nichtlineare Absorber 1 ist eine Halbträgt kohärente Strahlung auf einen oder meh- kiterdiode, deren Bandabstand dem des Strahlers 3 rere Absorber, die aber alle infolge der ange- ^{5 an}8^eP^{aßt sem muß}· ^{Wird fur den} Laseroszillator legten, relativ geringen Vorspannung im Zu- ?^der -verstärker als aktiver Laserwerkstoff em Feststand hohen Absorptionsvermögens sind, so daß ^korPe^r _T verwendet dann laßt sich der Strahler 3 mit keine Ausgangsstrahlung entstehen kann. ^de.^r Halbleiterdiode 1 mit Hilfe eines geeigneten

2. Erster stabiler Ein-Zustand: Der Halbleiterlaser ' ^ttes 4 verbinden. Die Ausdehnung der Halbleiterüberträgt kohärente Ausgangsstrahlung über ^{10 dlod}e ^ah _A nichthnearer Absorber 1 in Richtung der einen Absorber, der in den Zustand hohen einfallenden elektromagnetischen Energie muß größer Durchlaßvermögens umgeschaltet ist, während ^{a s die} Absorptionslange oder zumindest dieser veralle anderen Absorber auf Grund ihrer elektri- gleichbar sein damit die einfallende Strahlung absorschen Vorspannung durch die kohärente Strah- ^{biert werd}fⁿ kann Bei geringer Intensität der Einlung nicht auf »durchsichtig« umgeschaltet wer- ¹⁵ gangsstrahlung wird die einfallende Strahlung absorden können biert und darauf diffus abgestrahlt, so daß der für

3. Zweiter stabiler Ein-Zustand: Der erste Absor- kohärentes Licht wirksame Renexionskoeffizient R ber ist in den Zustand hohen Absorptionsver- ziemlich gering ist. Bei sehr hoher Intensität der einmögens zurückgeschaltet worden, während ein fallenden Strahlung hingegen entstehen genügend anderer Absorber zur Umschaltung vorbereitet ²⁰ ^^ek _A ^tr°^nen und Löcher Defektelektronen), so daß und umgeschaltet ist ^ Absorption der einfallenden Strahlung verringert

4. Weitere stabile Zustände ergeben sich durch ^{und damit der} effektive Reflexionskoeffizient R verentsprechende Maßnahmen nach Punkt 3. 8^{rößert wird}· ^{In diesem Fal1 wird dann} elektromagnetische Energie, dargestellt durch die Pfeile 70,

Mit dem oben beschriebenen Laseroszillator oder 25 von der Endfläche abgestrahlt, auf der sich der teil-Laserverstärker steht somit eine multistabiles Spei- weise reflektierende Überzug 5 befindet. Die graphicherelement zur Verfügung, das eine äußerst wirt- sehe Darstellung in Fig. IB zeigt den effektiven schaftliche Herstellung gestattet und ohne großen Reflexionskoeffizienten R als Funktion der Intensizusätzlichen Aufwand in der beschriebenen Weise tat /₀ der einfallenden Strahlung. Die untere Grenze betrieben werden kann, wobei die äußerst kurzen 30 für den ansteigenden Teil dieser Kurve ist dabei Rekombinationszeiten eine entsprechend kurze Um- durch folgende Beziehung festgelegt:
schaltzeit gestatten, die sich für viele übliche Speicherelemente nur schwer erzielen läßt. _D ^_ h~ h

Die oben beschriebene Anordnung und ihre Funk- ~~ / '

tionsweise werden an Hand der Zeichnungen erläu- 35 °

tert. Die Anordnungen nach den Fig. IA, 2A und worin I_c den bei sehr hoher Intensität der einfallen-

' 4 A dienen lediglich der Verdeutlichung des beim den Strahlung absorbierenden Intensitätsanteil dar-

Gegenstand des Patentbegehrens benutzten Prinzips; stellt. -

sie sind nicht Gegenstand der Erfindung. Es zeigt In Fig. 2A ist eine bistabile Vorrichtung gezeigt,

F i g· 1A eine Prinzipdarstellung der Funktion der 40 die aus einem prismenf örmigen rechtwinkligen GaAs-

oben beschriebenen Anordnung, Kristall 6 als Fabry-Perot-Resonator besteht. Hier

F i g. 1B eine graphische Darstellung des effektiven sind zwei gegenüberliegende Seitenflächen 7 und 8,

Reflexionsvermögens als Funktion der Intensität der die senkrecht zum PN-Übergang liegen, durch Sägen

einfallenden elektromagnetischen Welle für den Ab- aufgerauht, während die beiden anderen senkrecht

sorber, 45 zum PN-Übergang liegenden Seitenflächen 10 und 11

Fig. 2A einen Halbleiterlaser, bestehend aus durch Spalten optisch glatt und beispielsweise mit

Strahler- und Absorberteil, Silberbelag oder einer anderen geeigneten reflektie-

Fig. 2B eine graphische Darstellung zur Erläute- renden Schicht überzogen sind, um ein hohes opti-

rung der Betriebsweise der Anordnung, sches Reflexionsvermögen zu erhalten. Ein wesent-

Fig. 2C eine graphische Darstellung mit einer 50 liches Merkmal dieser Vorrichtung ist die Teilung

Kurvenschar, die die Laserstrahlung R (Photo- des Flächenkontaktes 20 an der P-leitenden Zone in

nen/sek) als Funktion der Photonenanzahl bei einem zwei elektrisch voneinander isolierte Elektroden,

einzigen Wellentyp für verschiedene Parameter (Fre- Der diese Elektroden trennende Einschnitt 14 ver-

quenz) angibt, läuft parallel zu den optisch glatten Seitenflächen 10

Fig. 3A eine Prinzipdarstellung einer multista- 55 und 11 des Kristalls 6, der als Einkristall ausgebil-

bilen Anordnung, ₍ det ist.

Fig. 3B eine multistabile Anordnung als Halb- Der Halbleiterkristall 6 enthält einen PN-Uber-

leitervorrichtung; gang 15, der eine P-Zone 16 von einer N-Zone 17

Fig. 4A zeigt das Prinzip einer Anregung mit trennt. Der PN-Übergang 15 verläuft dabei parallel

Licht an Hand einer bistabilen Anordnung, 60 zur größten Kristall-Oberfläche. Der PN-Übergang

Fig. 4B eine multistabile Anordnung bei Licht- 15 wird durch Eindiffundieren einer den einen Lei-

anregung des aktiven Laserwerkstoffs. tungtyp, in diesem Beispiel den P-Leitungstyp, be-

F i g. 1A zeigt eine bistabil arbeitende Kombina- stimmenden Verunreinigung in den Kristall 6 gebiltion aus einem Strahler 3 und einem nichtlinearen det, der bereits eine den entgegengesetzten Leitungs-Absorber 1. Das effektive Reflexionsvermögen eines 65 typ bestimmende Verunreinigung enthält. In der in als Absorber benutzten Halbleiterplättchens 1 mit Fig. 2 A gezeigten Vorrichtung entstehen die N-Zone einer dahinterliegenden reflektierenden Schicht 2 ist 17 durch Dotieren mit Tellur und die P-Zone 16 gemäß Fig. IB eine Funktion der Intensität der durch Eindiffundieren von Zink in eine (lOO)-Ober-

⁷ ■■■■·■-. · Ζ' 8 ■■ ;

fläche des GaAs-Kristalls. Infolge der Eigenart der der Länge des Absorberteils 13 zu der des Strahler-Diffusion von Zink als P-Verunreinigungsmaterial . teils 12 ist ein wichtiger Parameter der Vorrichtung, entstehen zwei verschiedene P-leitende Zonen, näm- und es sollen, Werte von 7, die größer oder etwa lieh P⁺ und P. Dann wird der Halbleiterkörper mit gleich eins sind, angestrebt werden.
Gold, Nickel und wieder mit Gold in der genannten 5 Aus der graphischen Darstellung nach Fig. 2B ist Reihenfolge elektroplattiert oder mit Gold und dann zu entnehmen, daß vor Einschalten des Injektionsmit Zinn überzogen. Die so gebildete Schicht 20 wird. Stroms die Vorrichtung im Auszustand 27 ist. Ein dann erhitzt, so daß ohmsche Kontakte an den ent- durch Rekombination von Elektronen und Löchern sprechenden N-und P-Flächen gebildet werden. Dies im Strahlerteil 12 entstehendes Lichtquaht, das in ist möglich, weil die P-Zone hochdotiert ist. Indium- 10 den Absorberteil 13 wandert,: wird dort absorbiert, kügelchen 18 und 19 werden an die elektroplattierte so daß dabei ein neues Elektronen-Loch-Paar entSchicht 20 angelegt, nachdem der Einschnitt 14 steht. Durch Rekombination dieses Paares wird durch die P+-Zone hindurchgeätzt worden ist. An Licht in zufälliger räumlicher Verteilung ausgedie als Legierungskontäkte zur Schicht 20 dienenden strahlt; das effektive Reflexionsvermögen R des Ab-Indiumkügelchen18, 19 werden die Anschlußleitun- 15 sorberteils 13 ist daher ziemlich gering, und es existiert gen 21 und 22 angebracht. Die Anschlußleitungen 21 ein hoher Schwellenwert für die Anregung einer und 22 werden in geeigneter Weise mit Stromquellen, Laserschwingung. Wenn jedoch eine genügende Andargestellt als Batterien 23, 23', veränderbare zahl von Leitungsbandelektronen im Absorberteil 13 Reihenwiderstände 24, 24' und Schalter 25, 25' ver- gebildet wird, wird das aus dem Strahlerteil 12 ein- ' bunden, die dazu dienen, den PN-Übergang 15 etwas 20 fallende Licht nicht so stark absorbiert, und ein Teil unterhalb des Schwellenwertes in Durchlaßrichtung davon wird dann durch die völlig reflektierende vorzuspannen. Außerdem sind Impulsgeneratoren 26, Seitenfläche 10 reflektiert. Auf diese Weise wird die 26' vorgesehen, die mit dem als Strahler dienenden Güte des optischen Resonators erhöht und der Abschnitt 12 des Halbleiterkörpers und mit dem als Schwellenwert für die Laserschwingung herabgesetzt. Absorber dienenden Abschnitt 13 des Halbleiterkör- 25 Um aber eine solche momentane Vermehrung der pers verbunden sind. Es sei noch darauf hingewiesen, Elektronenanzahl im Absorberteil 13 herbeizuführen, daß auch andere aktive Laserwerkstoffe in der An- kann ein zusätzlicher Stromimpuls 28 durch den Ordnung verwendet werden können. Kontakt 19 oder den Kontakt 18, ein auf den Ab-

Dazu gehören Galliumantimonid, Indiumphosphid, sorberteil 13 gerichteter äußerer Lichtimpuls oder Indiumantimonid, Indiumarsenid sowie Legierungen 3° ein von außen zugeführter Lichtimpuls, der in Längsaus Galliumarsenid und Galliumphosphid, die weni- richtung vom Strahlerteil 12 zum Absorberteil 13 ger als 50 °/o Galliumphosphid enthalten, und aktive wandert, verwendet werden. Der Strahlerteil 12 Halbleiter-Laserwerkstoffe der Gruppen II bis V. strahlt dann kohärentes Licht in den Absörberteil 13, Wichtig ist nur, daß das vorgesehene Halbleiter- so daß kohärente Ausgängsstrahlen 71 von der teilmaterial eine hohe Strahlungs-Rekombinationswahr- 35 weise reflektierenden Seitenfläche 11 abgestrahlt werscheinlichkeit besitzt und somit eine geeignete Sub- den. Dies entspricht dann dem Ein-Zustand 29 stanz darstellt, in dei eine kohärente■. stimulierte (Fig. 2B) der Vorrichtung, der sich also gegenüber Strahlung auftreten kann. dem Aus-Zustand durch Abgabe eines kohärenten

Gemäß Fig. 2A wird der linke. Abschnitt 12 der Ausgangsstrahls 71 unterscheidet. Dieser Ein-Zudurch den Einschnitt 14 getrennten Abschnitte 12 40 stand 29 wird nach Abklingen des obenerwähnten und 13 des Halbleiterkörpers elektrisch vorgespannt, Auslöseimpulses 28 beibehalten, da ein LichtwellenumElektronen in den direkt darunter liegenden Teil typ äußerst starker Intensität entsteht, so daß der der P-Zone 16 zu injizieren, so daß dieser als Strah- ; Absorberteil 13 im Zustand geringer Absorption ler wirksam wird. Der rechte Abschnitt 13 hat eine bleibtundinfolgedessendiestimuliertekohärenteStrahetwas geringere Vorspannung, so daß ein vernach- 45 lung des Strahlerteils 12 von der völlig reflektierenden lässigbarer Injektionsstrom in diesem Teil wirksam . Endfläche 10 reflektiert wird und wieder in den Strahist und dieser Teil als Absorber wirken kann. Die lerteil 12 eintritt. Die Rückstellung der Vorrichtung Potentialdifferenz über dem Halbleiterkörper liegt in den Aus-Zustand 27 erfolgt durch einen negativen für GaAs in der Größenordnung von nur einem Auslöseimpuls 30 entweder über den Flächenkontakt Zehntelvolt, und die erforderliche Wärmeableitung 50 18 oder den Flächenkontakt 19 oder aber durch für die durch den zwischen den beiden positiven einen äußeren Lichtimpuls, der sich transversal durch Kontaktelektroden 18 und 19 fließenden Strom her- den Strahlerteil 12 ausbreitet. Dieser transversale vorgerufene Wärme bestimmt den Mindestwiderstand Lichtimpuls wird verstärkt und absorbiert so Energie zwischen diesen Elektroden. Für die Wirkungsweise aus dem vorherrschenden longitudinalen Wellentyp, der Vorrichtung ist es entscheidend, daß yorherr- 55 der sich im Ein-Zustand 29 ausbildet,
sehende Lichtwellentypen bei höchster Güte sowohl Mathematisch läßt sich die Bedingung für das bidurch den als Strahler wirkenden Abschnitt 12, im stabile Verhalten wie folgt beschreiben:
folgenden Strahlerteil genannt, als auch durch den Es wird von folgenden Beziehungen ausgegangen: als Absorberteil wirkenden Abschnitt 13, im folgen- , . η

den Absorberteil genannt, des PN-Übergangs 15 ge- 60 —i- = -^ — ^ S_mg(a), n_e) , (la)

langen können, und daß das Licht in diesen Wellen- dt α τ _ω ...■''■■

typen auf seinem Wege zwischen den beiden Teilen ,

12 und 13 nicht gestreut oder auch sonstwie unter- —^- = — — ]>) S₁₀ g (ω, n_a), (Ib)

brachen wird. Weiterhin ist es auch erforderlich, daß ^τ ^ω

die Abmessungen und der Massewiderstand der P- 65 ,„ „

und N-Zonenl6 bzw. 17 so beschaffen bzw. gewählt ~~r~ ⁼ V_ES_ag(co,n_e) + yV_ES_mg(w,n_a) — — (Ic)

sind, daß kein größerer Injektionsstrom durch den . . ^τ<α

Absorberteil 13 fließen kann. Das Verhältnis y=!,,,/£<, worin n_e,n_a gleichförmige Elektronendichten in den

aktiven Schichten der lichtemittierenden bzw. a
bierenden Bereiche sind,

S₀₁ = Anzahl der Photonen in den Fabry-Perotsehen Wellentypen der

Frequenz co,

/ == Injektionsstroni pro Flächeneinheit,

d = Stärke der Zonen in der Diode,

τ = Elektronenrekombinationszeit,

g(cQ,ri) = Volumenhäufigkeit der stimulierten Strahlung im ω-Welientyp bei einer Elektroriendiehte n,

V_E = Volumen der aktiven Schicht des lieht-, emittierenden Bereichs,

γ = LJL_e = Längenverhältnis des Absprberteils
zum Strahlerteil,

τ_φ = charakteristische Pämpfungszeit des

ω-Wellentyps.

Zur Auswertung wird die rechte Seite der Gleir phungen (1 a) und (1 b) gleich Null gesetzt und Gleichung (1 c) nach

aufgelöst:

- V_ES,

,n_e)

^a)] =F_£ Μ-^-^-.y-ξΐ

Hierbei wird angenommen, daß überwiegend nur ein Wellentyp im EinrZustand angeregt wird, d.h. daß nur ein 'S^ von Null verschieden ist. Die Quant> tat R₀, (S₀₁) bestimmt dabei das Ausmaß der Laser-r strahlung für die a^Wellentype, wenn eine Anzahl , vpn S^-Phptonen in dieser Wellentype, dagegen keine in anderen Wellentypen auftreten. Jst dieser Betrag gleich S₁₀Jr₁ dann ergibt aμch die Gleichung (1 c) für 4S₀₁/dt den Wert Null und damit eine stationäre Zustandslösung aller Häufigkeitsgleichungen für den Ein-Zustand. .

Die graphische Darstellung nach F i g. 2 C zeigt eine Kürvenschar, wobei auf der Abszisse die Phptonenanzahl S und auf der Ordinate die Laserstrahl lung/? in Photonen pro Sekunde aufgetragen ist, an . Hand deren die obengenannten Lösungen diskutiert werden sollen. Wenn eine Funktion den mit ω₀ be-r zeichneten Verlauf und zwei Sehntapunkte mit der Geraden R = SZr₀₁ hat, dann ist die zugeordnete Betriebsweise der Anordnung bistabil. Wenn nämlich der Augenbliekswert ypn S₉ ₀ zwischen Nu}l und dem Wert Sa des ersten Schnittpunkts liegtj ist die Häufigkeit der Laserstrahlung kleiner als die Häufigkeit des Verlustes, und S₀₁Q fällt auf Null ab; dies entspricht dem AusTZustancL Wenn aber S₀₁₀ zwischen S₉ und S₁, liegt, überschreitet die Häufigkeit der Laserstrahl lung die Verlusthäufigkeit, und die Photonen-Besetzung in der Wellentype ω₀ nimmt den Wert S^ an. Dies ist der Ein-Zustand. Die Laserstrahlung muß natürlich für kleine Werte vpn S entsprephend einer Gleichung höheren Grades anwachsen, d, h., damit die Vorrichtung im Aus-Zustand stabil ist, muß die Funktion für kleine Werte ypn S₀₁ bei allen Wellenr typen unterhalb der Belastungsgeraden R = SJr₀₁ liegen.

Eine Möglichkeit, um festzustellen, ob dies auch tatsächlich der Fall ist, besteht darin, die Umhüllende der ^«(S^-Kurven für alle corWerte zu zeiche nen und zu ermitteln, pb sic]i zwei Schnittpunkte mit der Belastungsgeraden R = S/r_a ergeben.- Diese Analyse ist praktisch im Bereich der Temperatur des 6p flüssigen Heliums und bei 80° K ausgeführt worden, um die bistabile Betriebsweise der hier beschriebenen Vorrichtung zu prüfen.

Aus Fig. 3A ist.zu ersehen, wie zum Austritt von Laserstrahlen in unterschiedliche, vorbestimmte, in einer Ebene liegende Richtungen ein zweiter nichtlinearer Absorber 31 verwendet wird. Beide Absorber sind Halbleiterdipden, deren Übergänge und Elektroden nicht besonders ,angegeben sind. Pigse Yprrichtung arbeitet in instabiler Betriebsweise, und zwar sind zwei Ein^Zustäniie und ein Aus-Zustand möglich, per eine Ein-Zustand kann wie in F i g. 1A derart erreicht werden, daß der nichtlineare Absprber 32 in den nichtabsprbierenden Zustand ger bracht und ein kohärenter Laserstrahl (dargestellt durch Pfeile 33) durch dip teilweise reflektierende Schicht 34 austritt. Der nichtlineare Absorber 32 kann andererseits, wie beschrieben, durch geeignete elektrische oder Lichtimpulse in den Zustand starker Absorption gebracht werden. Wenn der nichüineare Absorber 31 mit Hilfe eines elektrischen oder Lichte impulses in einen Zustand geringer Dämpfung ger bracht wird, tritt durch die teilweise reflektierende Schicht 34 ein Laserstrahl aus, der durch die Pfeile

35 dargestellt ist. Dies entspricht dem zweiten stabilen Zustand dieser instabilen Vorrichtung. Sind beide nichtlinearen Absorber 31 und 32 im Zustand starker Dämpfung und ist der aktive Laserwerkstoff

36 unterhalb des Schwellenwertes vorgespannt, dann wird der dritte stabile Zustand eingenommen. Der aktive Laser\yerkstpff 36 kann natürlich aus jedem beliebigen Material bestehen, das imstande ist, eine optische Strahlung vpn ausreichener Intensität auszustrahlen, so daß die Halbleiterdioden 31, 32 entsprechend beeinflußt werden können.

F i g. 3 B zeigt ein Halbleiter-Ausführungsbeispiel dgr tristabijen Vorrichtung gemäß Fig. 3A, wobei der nichüineare Absorber 37 senkrecht zum nicht linearen Absorber 38 liegt. Das Strahlerteil 39 der Anordnung gleicht dem in F i g. 1A, und das vollständige tristabile B auteil 40 kann \ ebenso aus einem Halbieiter-Plättchen herausgeschnitten werden, wie das im Beispiel des bistabilen Bauteils 6, gemäß Fig. 2A im Prinzip gezeigt wurde. In den Halbr leiterkristall 40 wird natürlich ein zusätzlicher Ehl·- schnitt 41 eingeätzt, nachdem das, Herstellen des PN-Übergangs 42 in diesem neuen Halbleiterabsprber 37 vorher in derselben Weise, wie im Zusammenhang mit dem bistabilen Bauteil 6 gemäß Fig. 2A ber schrieben, vorgenommen worden ist. Auf die pla> tierte Fläche 44 des nichtlinearen Absorbers 37 wird außerdem ein Kontakt 43 angebracht und die Änr Schlußleitung 45 daran befestigt. Die Vorspannung an diesem Absorber 37 gleicht der am Absorber 38, Und zwar ist sie ebenfalls so eingestellt, daß nur ein vernachlässigbarer Injektipnsstrpm durch den darunterliegenden PN-Übergang 42 fließt. Die Seiten-

flächen 46 und 47 sind völlig bzw. teilweise reflektierend. Für den Strahler 39 und jeden Absorber 38, 37 sind Impulsgeneratoren 48, 48' bzw. 48" sowie Gleichstromquellen 49, 49' bzw. 49" vorgesehen.

Die tristabile Betriebsweise ergibt sich wie folgt: Der sich unter Einfluß des Absorbers 38 einstellende Ein-Zustand läßt sich in der oben schon beschrie-. benen Weise herbeiführen. Dabei entsteht eine Laserstrahlung 72, die durch die teilweise reflektierende Schicht 50 austritt. Wenn dann über die Leitung 45 ein positiver Impuls dem Absorber 37 und über die Leitung 51 ein negativer Impuls dem Absorber 38 zugeführt werden, kehrt der Absorber 38 in seinen Zustand geringen Reflexionsvermögens zurück, aber an der Seitenfläche 46 des jetzt umgeschalteten Absorbers 37 wird kohärentes Licht reflektiert. Infolgedessen tritt eine Laserstrahlung 73 durch die teilweise reflektierende Seitenfläche 47 aus. Durch einen dem Kontakt 43 zugeführten negativen Impuls wird der Absorber 37 in seinen Zustand niedrigen Reflexions-Vermögens zurückgebracht, so daß weder durch die Fläche 50 noch durch die Fläche 47 ein Laserstrahl austritt. Die drei stabilen Zustände bei gleicher Strahlenanregungsenergie sind also folgende:

1. Aus-Zustand, Betriebsart 1: Der Halbleiterlaser überträgt Laserstrahlung auf die Absorber 38 und 37, die aber beide im Zustand geringen Reflexionsvermögens sind, so daß keine Ausgangsstrahlung entsteht.

2. Ein^Zustand, Betriebsart 2: Laserlichtausgang durch die Seitenfläche 50. Der Absorber 38 befindet sich im Zustand hohen Reflexionsvermögens, während der Absorber 37 im Zustand geringen Reflexionsvermögens ist.

3. Ein-Zustand, Betriebsart 3: Laserlichtausgang durch die Seitenfläche 47. Der Absorber 37 befindet sich jetzt im Zustand hohen Reflexionsvermögens, während der Absorber 38 wieder im Zustand geringen Reflexionsvermögens ist.

Fi g. 4 A zeigt zur Erklärung der Anregung durch Licht eine Kombination aus einem durch Licht angeregten Laseroszillator oder -verstärker mit nichtlinearem Absorber, bestehend aus einer Halbleiterdiode. Diese Anordnung arbeitet nur bistabil. In diesem Falle kann der Strahler ein Kristall, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, wenn nur der Bandabstand des nichtlinearen Absorbers dem des Strahlers eng angepaßt ist. Weil durch Licht angeregte Laseroszillatoren oder -verstärker diskrete Quantenzustände im Valenz- und im Leitungsband haben, müssen für den Strahler und für den nichtlineraren Absorber verschiedene Medien verwendet werden. Es können hier verschiedene feste aktive Laserwerkstoffe benutzt werden, wie z. B. Rubin, mit zweiwertigem Samarium oder dreiwertigem Uran dotiertes Kalziumfluorid, mit sechswertigem Uran dotiertes Lithiumfluorid mit Aktivatorionen dotierte Glasstäbe oder mit Neodym dotiertes Kalziumwolframat.

In dem in Fig. 4A dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kristall 52 aus aktivem Laserwerkstoff als Prisma mit fechteckigem Querschnitt ausgeführt, dessen Oberfläche geschliffen ist. Die Endflächen sind poliert und liegen völlig parallel zueinander. Die Endfläche 53 ist mit einer teilweise reflektierenden Schicht überzogen, während die andere Stirnfläche mit der Halbleiterdiode 54 mit Hilfe eines optischen Kitts 44 verbunden ist. Diese Halbleiterdiode 54 gleicht der in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 2A beschriebenen, und zwar besteht sie aus einem GaAs-Einkristall, der einen PN-Übergang 55 besitzt. Zur P-Zone führt ein plattierter Kontakt 56, während die N-Zone geerdet ist. Eine durch die Batterie 57 und einen veränderbaren Widerstand 58 dargestellte Gleichstromquelle ist mit ihrer positiven Klemme ebenso wie ein Impulsgenerator 59 zum Anlegen von Kippimpulsen an die P-Zone angeschlossen. Die Stirnfläche 61 des nichtlinearen Absorbers 54 ist durch Abspalten entstanden und völlig reflektierend. Der Strahler 52 wird durch eine Lichtquelle 60, z. B. einer wendelförmig um den Strahler 52 angebrachten Xenon-Blitzlampe, angeregt.

Die Wirkungsweise dieser bistabilen Vorrichtung ist der der Vorrichtung nach Fig. 2A analog mit dem einzigen Unterschied, daß hier eine Lichtquelle zur Anregung der erforderlichen Besetzungsumkehr verwendet wird.

Es sei lediglich noch bemerkt, daß die Rückführung der Vorrichtung in den Aus-Zustand durch einen negativen Kippimpuls über die Kontaktelektrode 56 oder durch einen äußeren Lichtimpuls erfolgen kann, der sich transversal durch den Strahlerteil 52 ausbreitet.

Ein instabiler Betrieb im Sinne der Erfindung ist möglich, wenn ein weiterer nichtlinearer Absorber 63 angrenzend an den Kristall 64 aus aktivem Laserwerkstoff, aber senkrecht zum ersten nichtlinearen Absorber 65 angeordnet wird, wie es Fig. 4B im Prinzip zeigt. Die Endflächen 66, 67 sind durch Abspalten entstanden, während die wirksamen Seitenflächen 68, 69 teilweise reflektierend sind. Für die nichtlinearen. Halbleiterabsorber 63, 65 sind entsprechende Gleichstromquellen 74 und Impulsgeneratoren 75, 75' vorgesehen.

Aus dem oben Gesagten dürfte sich ohne weiteres ergeben, daß die Anordnung dieser tristabilen Vorrichtung der nach F i g. 3 A vollständig entspricht. Weiter versteht sich, daß sich drei stabile Zustände entsprechend der oben in Verbindung mit Fig. 3A und 3 B beschriebenen Art und Weise herbeiführen lassen, wobei das Auftreten einer Laserstrahlung 76 oder 77 je einen Ein-Zustand und die Unterdrückung der Strahlungen den Aus-Zustand darstellt.

Die den oben beschriebenen Vorrichtungen zugrunde liegende Vorstellung läßt sich natürlich auf eine multistabile Vorrichtung mit η + 1 stabilen Zuständen verallgemeinern, wo η die Anzahl der Absorberteile darstellt, indem der Strahlerteil die Form eines regelmäßigen Polygons mit 2 η wirksamen Seitenflächen annimmt. Der nichtlineare Absorber in Form einer Halbleiterdiode ist dabei jeweils auf einer Seite jeden Paars entgegengesetzter· Seitenflächen des Strahlerteils angeordnet, und es ist sowohl die Außenfläche jeden Absorberteils mit einer völlig reflektierenden Schicht, als auch jede keinem Absorberteil zugeordnete Seitenfläche des Strahlerteils mit einer teilweise reflektierenden Schicht überzogen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1. ' ■ . - ■ 2

Halbleitermaterial Galliumarsenid verwendet ist,

Patentansprüche: dessen N-leitende Zone Tellur als Donator und

dessen P-leitende Zone Zink als Akzeptor ent-

1. Laseroszillator oder -verstärker mit einem hält, und daß die P-leitende Zone in der Nähe Fabry-Perot-Resonator, der zwischen seinen 5 ihres Oberflächenbereichs eine P+-leitende Zone reflektierenden Flächen einen Strahler aus akti- aufweist.

vem Laserwerkstoff und oinen nichtlinearen Ab- 5. Laseroszillator oder -verstärker nach einem

sorber einschließt, der durch einen Signalimpuls . der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

in einen Zustand so geringen Absorptionsver- daß, gemessen in der Austrittsrichtung des Laser-

mögens umschaltbar ist, daß ein Laserstrahl aus ίο Strahls, die Länge des Strahlers (39) gleich der

dem Resonator austritt, dadurch gekenn- Länge des Absorbers (37, 38) oder kleiner ist.

zeichnet, daß zum multistabilen Laserbetrieb 6. Laseroszillator oder -verstärker nach An-

— d.h. zum Austritt von Laserstrahlen in je- Spruch2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß

weils eine von mehreren unterschiedlichen, vor- die reflektierenden Endflächen des Halbleiterkör-

bestimmten, in einer Ebene liegenden Richtun- 15 pers durch Abspalten gewonnen sind,
gen ■— ein parallel zu der durch die Richtungen

der Laserstrahlen gegebenen Ebene liegender

Querschnitt des Strahlers (36, 39, 64) die Gestalt eines regelmäßigen Vielecks mit jeweils

gegenüberliegenden parallelen Seitenflächenpaaren 20 Die Erfindung betrifft einen Laseroszillator oder aufweist, von denen jeweils die eine Seitenfläche -verstärker mit einem Fabry-Perot-Resonator, der teilweise reflektierend und die andere durchlässig zwischen seinen reflektierenden Flächen einen Strahausgebildet ist, daß den durchlässig ausgebildeten ler aus aktivem Laserwerkstoff und einen nichtSeitenflächen als umschaltbarer nichtlinearer Ab- linearen Absorber einschließt, der durch einen Sisorber jeweils eine Halbleiterdiode (31, 32; 37, 25 gnalimpuls in einen Zustand so geringen Absorp-38; 63, 65) zugeordnet ist, deren PN-Übergang in tionsvermögens umschaltbar ist, daß ein Laserstrahl einer Ebene senkrecht zu den genannten Seiten- aus dem Resonator austritt.

flächen liegt und in Flußrichtung über gleich- Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen zeitig zur Zuführung von elektrischen Umschalt- einfachen, für multistabilen Betrieb geeigneten Laserimpulsen zur Änderung des Absorptionsver- 30 oszillator oder -verstärker anzugeben, der als multimögens dienende Flächenelektroden nur so weit stabiles Speicherelement mit extrem kurzen Umvorgespannt ist, daß ein im nichtstrahlenden Zu- schaltzeiten verwendbar ist. Ein derartiges Speicherstand vernachlässigbarer Injektionsstrom fließt element soll z.B. ebenfalls bei Raumtemperatur beund'die Halbleiterdiode sich im Zustand hoher trieben werden können und keine komplizierte AnAbsorption befindet, daß des weiteren die Halb- 35 Steuerungsanordnung benötigen,
leiterdiode wahlweise durch Anlegen von Licht- Zum Zwecke der digitalen Informationsverarbeienergie und/oder elektrischer Energie oberhalb tung werden in immer steigendem Maße Bauteile, eines bestimmten Schwellenwertes in den Zustand insbesondere Speicherbauteile, benötigt, die sich in geringen Absorptionsvermögens schaltbar ist äußerst kurzen Schaltzeiten von einem Speicherzu-(strahlender Zustand), daß die den durchlässig 40 stand in einen anderen umschalten lassen. Bei Halbausgebildeten Seitenflächen des Strahlers abge- leiterbauteilen, die in letzter Zeit eine immer größere wandten, parallel gegenüberliegenden Seiten- Anwendung finden, wird allerdings die Umschaltzeit flächen der Halbleiterdioden völlig, reflektierend durch die nicht zu umgehende Rekombinationszeit ausgebildet sind und daß jeweils ein weiterer der Ladungsträger nach unten begrenzt, die ohne stabiler Zustand durch die Umschaltung einer 45 weitere Maßnahmen wesentlich bestimmend ist.
Halbleiterdiode in den Zustand niedrigen Ab- Kurze Ümschaltzeiten, die in der Größenordnung Sorptionsvermögens vorhanden ist. von einer Nahosekunde liegen, lassen sich da-

2. Laseroszillator oder -verstärker nach' An- gegen durch geeignete Wahl beim Betrieb von spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Laserwerkstoffen zur Erzeugung von Laserstrahlen Strahler dienender, in Vorwärtsrichtung vorge- 50 erzielen, da hier die Rekombinationszeit der Laspannter Halbleiterlaser und jeweils die als Ab- dungsträger äußerst gering ist.

sorber dienende Halbleiterdiode aus einem ein- Durch den in der Zeitschrift »Proceedings of die zigen Halbleiterkörper aufgebaut sind, dessen IEEE«, Bd. 51, 1963, Nr. 6, auf den Seiten 934 bis eine Zone in einem Oberflächenbereich entartet 935 veröffentlichten Aufsatz mit dem Titel »Operadotiert ist; daß die Trennung zwischen Strahler- 55 tion of a Memory Element Based on the Maser Printeil und jeweiligem Absorberteil durch einen ciple« ist bereits eine auf dem Molekularverstärker-Einschnitt (41) erfolgt, dessen Tiefe größer oder prinzip beruhende bistabile Speichereinheit bekannt, gleich der Dicke des entartet dotierten Zonen- die aus zwei mit Cr³⁺ bzw. Cu²⁺ dotierten TiO₂-bereichs ist, und daß den beiden so gebildeten ν Kristallen besteht, von denen der erste unter dem Oberflächenbereichen je eine Flächenelektrode 60 Einfluß einer Pumpenergie elektromagnetische Strahzugeordnet ist. lung emittiert und der zweite, der mit dem

3. Laseroszillator oder -verstärker nach An- ersten stirnseitig zusammengeklebt ist, hinsichtlich spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halb- der emittierten Strahlung des ersten Kristalls absorleitermaterialien dotierte intermetallische Verbin- bierende Eigenschaften hat. Die Wirkungsweise diedungen der Gruppen A^m-B^v und Aⁿ-B^v verwen- 65 ser Anordnung besteht darin, daß im Aus-Zustand det werden. die Anregung der Maserstrahlung unterbleibt, da der

4. Laseroszillator oder -verstärker nach An- absorbierende Kristall mehr Energie verbraucht als spxuch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als der emittierende bei niedrigen Energieniveaus ab-