DE2262475A1

DE2262475A1 - Mit einem halbleiter arbeitender lichtverstaerker

Info

Publication number: DE2262475A1
Application number: DE2262475A
Authority: DE
Inventors: Takaya Yamamoto
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1972-12-20
Publication date: 1973-06-28
Also published as: DE2262475C3; DE2262475B2; JPS5242358B2; JPS4868188A; US3828231A

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHN

DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER 2262

PATEtVITANl WALTE
8 MÖNCHEN 22 WiDENMAYERSTRASSE 6 .._ „_r»/-»

Tel. cos,,, 222530-29S₁₉₂ ²⁰ · Dezember 1972

A 357 72 Ml/kb

Firma KOKUSAI DENSHIN DENWA KABUSHIKI KAISHA, 24/25, Kasumigaseki-Bldg., 2-5, 3-Chome, Kasumigaseki, Chiyoda-Ku, Tokyo-To, Japan

Mit einem Halbleiter arbeitender Lichtverstärker

Die Erfindung betrifft einen Lichtverstärker, der einen Halbleiter verwendet, in dem ein Schwellwert in Bezug auf seine Eingangs- Ausgangscharakteristik vorgesehen ist.

Es sind Lichtverstärker bekannt, die in ihrer Eingangs-Ausgangscharakteristik einen Schwellwert aufweisen. Es ist jedoch sehr schwierig, einen bestimmten gewünschten Schwellwert und einen bestimmten gewünschten Sättigungswert zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Lichtverstärker zu schaffen, der einen Halbleiter verwendet und in

309826/0928

dem ein bestimmter gewünschter Schwellwert und ein bestimmter gewünschter Sättigungswqrt erzielbar ist.

Die Eigenschaften, das Prinzip, sowie Aufbau und Wirkungsweise der Erfindung werden nachfolgend nun in Verbindung mit den Figuren der Zeichnung erklärt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild zur Erläuterung herkömmlicher Lichtverstärker mit einem Schwellwert in der Eingangs- Ausgangscharakteristik;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verstärkungsund des Dämpfungskoeffizienten zur Erläuterung der Arbeitsweise des in Fig.1 dargestellten Lichtverstärkersj

Fig. 3 ein graphisches Schaubild, das die Eingangs-Ausgangscharakteristik des in Fig.1 gezeigten Lichtverstärkers wiedergibt;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines AusfUhrungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus der Fig. 4;

Fig. 6a Stirnansicht und Schnitt nach der Linie 6B-6B und 6b in Fig. 6A des Lichtverstärkers aus der Fig.4, aus welchen ein Verstärkungsbereich und ein sättigbarer Absorptionsbereich erkennbar sind;

Fig. 7 ein graphisches Schaubild der Eingangs- Ausgangscharakteristik des Verstärkungsbereiches und des sättigbarem Absorptionsbereichs bezogen auf einen Betrag I, der proportional zu einem Treiberstrom ist, welcher als Parameter verwendet ist;

Fig. 8 ein Diagramm mit charakteristischen Kurven

für 1=30 und 1=0,05 in Fig.6 zur Erläuterung des Auftretens des Schwellwertes;

- 3 -309826/0928

Fig. 9 ein die Schemaschaltung der Erfindung darstellendes Blockschaltbild]

Fig. 10 ein Diagramm der Eingangs- Ausgangscharakteristik eines einstufigen Verstärkers (Kurve a) gemäß Fig. 8 , eines zweistufigen Verstärkers (Kurve b) und eines fünfstufigen Verstärkers (Kurve c) in Kaskadenschaltungj und

Fig. 11 ein Blockschaltbild des LichtVerstärkers mit fünf hintereinander geschalteten Stufen gemäß der Erfindung.

Um das Wesen und die Vorteile der Erfindung klar herauszustellen, wircl .zunächst der .Stand der Technik beschrieben. In der Fig.1 ist ein aktives Material 1, das Laserwirkung hat^ und ein sättigbares Absorptionsmaterial 2, das Sättigungscharakteristik in seinen Dämpfungskoeffizienten hat, gleichmäßig in einem Trägerkristall enthalten. Beispielsweise sind Neodym (Nd^⁺) und Uranoxyd (uo|⁺) als aktives Material und als Absorptionsmaterial in Glas enthalten. Mit der Ziffer jj ist in Fig.1 ein ankommender Lichtstrahl und mit Ziffer 4 ein abgehender Lichtstrahl bezeichnet. Die Wirkungsweise des Lichtverstärkers ist nun folgendermaßen. Fig. 2 zeigt den Verstärkungskoeffizienten eC des aktiven Materials je Längen-

einheit und den Dämpfungskoeffizienten gC . des sättigbaren Absorptionsmaterials, der einen Dämpfungskoeffizienten <sC hat, welcher dem System eigen ist. Die Schnittpunkte A und B der beiden Kurven- undoL sind ein instabiler Punkt und

g 1 -

ein stabiler Punkt . Wenn nämlich das dem Verstärker zugeführte Licht seiner Intensität nach geringfügig unter dem Wert

_ 4 _ 3 0 9 8 2 6 / 0928

S. (entsprechend Punkt A) ist, so arbeitet der Verstärker als Dämpfungssystem, denn es gilt X. > größer als CC , und das vom Verstärker weitergeleitete Licht wird geschwächt. Die Intensitätsabnahme ist um so stärker, je mehr OC den Wert oC übersteigt, wodurch das Licht verringert wird. Wenn der Verstärker ausreichend lang ist, kann die an seinem Ende vorhandene Lichtintensität bis auf O gedämpft sein. Ist jedoch das Licht seiner Intensität nach geringfügig größer als S^, wenn es auf den Verstärker trifft, dann tritt das umgekehrte Phänomen ein, und das Licht wird bei seinem Durchgang durch den Verstärker in seiner Intensität verstärkt. Wenn ,jedoch die Lichtintensität den Wert S₁-, entsprechend dem Schnittpunkt B Uberschrietet, von welchem ab der Verstärker wieder als dämpfendes System wirkt, tritt erneut die Dämpfungseigenschaft in Wirkung, so daß das übertragene Licht schließlich mit der Intensität S_n am Verstärkerausgang austritt. Die Eingangs-Ausgangscharakteristik dieses Verstärkers ist in der Fig. 3 dargestellt, und die Lichtintensität S. stellt den Schwellwert dar.

Werden die Dichte (density), die Relaxationszeit und die Ubergangswahrscheinlichkeit des aktiven Materials mit N , T und B und die des sättigbaren Absorptionsmaterials

mit N , T und B bezeichnet, dann lassen sich Verstärkun/rsa a a

309826/0928

koeffizeint ei und Dämpfungskoeffize(i.nt ⁰C , die in Pig, 2 als Funktion der Photonendichte dargestellt sind, nach folgenden Gleichungen ausdrücken,;

hV . tr . β e e

2 (1 + B_e . T_e . S)

2 (1 + B_a . T_a . S)

d .(2)

worin h die Planck'sehe Konstante und V die Frequenz des Lichtes ist. Um zwei Schnittpunkte zu erhalten,wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, sind folgende Bedingungen erforderlich:

N "> N. T_Q > T und B_Q < B . Außerdem ist noch die wichtige θ a e a e a

Bedingung zu erfüllen, daß die Wellenlänge des aktiven Materials, bei der dessen Laserwirkung eintritt, mit der Absorptionslinie (Wellenlänge) des sättigbaren Absorptionsmaterials zusammenfällt. In der Praxis ist es äußerst schwierig, ein Material ausfindig zu machen, das diese sämtlichen Bedingungen erfüllt und ausreichendes Durchsetzenpes aktiven Materials mit sättigbarem Absorptionsmaterial zuläßt.

Unter den Bestimmungsgrößen für den Schwellwert, die Relaxationszeit und die Übergangswahrscheinlichkeit befinden

- 6 309826/0928

sich materialbedingte Konstanten, und lediglich die Dichte des Materials gibt eine Möglichkeit, den Schwellwert zu steuern. Aber auch die Beeinflussung des Schwellwertes durch Veränderung der Dichte ist den Einflüssen des Herstellungsprozesses unterworfen, und nach der Herstellung liegt der Schwellwert fest und kann weder gesteuert noch nachjustiert werden.

Es ist deshalb nicht leicht, einen gewünschten Schwellwert S. und einen gewünschten Sättigungswert S« zu erhalten. In der Praxis jedoch wird gefordert, daß der Verstärker Hilfsmittel aufweist, die eine leichte Einstellung des Schwellwertes ermöglichen.

Um die Nachteile und Schwierigkeiten der bisherigen Lichtverstärker zu überwinden,wird ein einen Halbleiter verwendender Lichtverstärker gemäß der Erfindung geschaffen, in welchen ein Halbleiter-PN-Junction-Laser elektrisch in zwei Abschnitte unterteilt wird; die beiden Abschnitte werden gesondert erregt und in einen Verstärkungsabschnitt und in einen sättigbaren Absorptionsabschnitt je nach derJGröße des Treiberstroms untepschieden. Die beiden Abschnitte sind miteinander verbunden und bilden den Lichtverstärker^ durch den Treiberstrom erhält er einen steuerbaren Schwellwert, und eine Vielzahl von Stufen derartiger Lichtverstärker ist in Kaskade geschaltet, wodurch

309826/0928

die Schwellwerteharakteristik verbessert wird. Nachfolgend wird anhand der Zeichnung die Erfindung im einzelnen beschrieben.

Fig.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mit 5 und 6 sind die Eintritts- bzw. Austrittsfläche für das Licht bezeichnet, die mit lichthofverhindernden Filmschichten versehen sind, J ist ein P-Typen-Gallium Arsenid-Halbleiter, 8 ein N-Typen-Gallium Arsenid-Halbleiter und 9 die zwischen ihnen liegende Übergangsfläche. Um einen Verstärker in einem Streifenübertragungssystem zu bilden, wird der Mittelbereich einer Isolierschicht 10 aus SiOp, die auf die P-Typenschicht 7 aufgedampft ist, in Form einer streifenförmigen Nut ausgeätzt, worauf dann leitende Elektroden 11 bis 20 aufgedampft werden, die voneinander jeweils elektrisch isoliert sind, wie dies Fig.5 deutlich erkennen läßt. Anschlußleitungen 21 bis 30 führen zu den Elektroden 11 bis 20. Das eintretende Licht 3 wird dem Mittelbereich der Verbindungsebene 9 an der Eintrittsfläche 5 zugeführt, auf der sich keine Isolierschicht 10 aus SiOp befindet, und das Eintrittslicht wird verstärkt und tritt als Austrittslichtstrahl k an der Austrittsfläche 6 wieder aus. Die PN-Übergangsbereiche, die von den leitenden Elektroden 11 bis 20 aus ausgesteuert werden, werden in der nachfolgenden Beschreibung mit 31 bis ho (siehe Fig.63) bezeichnet. Die Bereiche 31, 33, 35, 37 und 39 sind

- 8 3 09826/0928

Verstärkungsbereiclie, die jeweils dieselben Verstärkungseigenschaften haben, die Bereiche 32, 3^, 36, 38 und 40 sättigbare Absorptionsbereiche mit dense]ben Sättigungseigenschaften. Die Verstärkungscharakteristik und die sättigbare Absorptionscharakteristik der jeweiligen Bereiche wird durch die Aussteuerströme beeinflußt.
1

Funktionell kann der Lichtverstärker der Fig. H so be- trachtet werden, daß jeweils ein Verstärkungsbereich 31 und ein sättigbarer Absorptionsbereich 32 einen Verstärker ausmachen, dessen Eingangs- Ausgangscharakteristik einen Schwellwert hat, wobei mehrere Verstärker dieser Art mit denselben Eingangs-Ausgangscharakteristiken in Kaskade geschaltet sind mit dem Ziel, die Schwellwertcharakteristik zu verbessern.

Dje Wirkungsweise soll nun im einzelnen beschrieben werden. Es werden zunächst die Zonen "⁷^ und 32 betrachtet. Der Einfachheit der Erläuterung wegen wird angenommen, daß die Längen L. und L_? der Bereiche 3"I u¹¹^ 3? einander gleich sind (L₁ = Lp = L entsprechend Fig. 6b) . Der Pereich 3I wird mit einer Stromdichte J₁ über die Zuführungsleitung 21 positiv ausgesteuert, während der Bereich ZP nositiv mit einer Stromdichte J₂ über die Leitung 22 ausgesteuert wird. Im Folgenden wird analytisch erläutert, wie eine entsprechende Aurwahl

309826/0928 —■

BAD ORIOtNAt

der Stromdichten j und J_p zu einem Schwellwert in der Eingangs-Ausgangscharakterlstik des Lichtverstärkers führt, bei welchen die Bereiche 3I und ^² hintereinandergeschaltet sind.

Es wird angenommen, daß die Punktion η der Dichte der Zustände sich bere chnet aus γ exp (E/E ) entsprechend einem Modell eines oft verwendeten Halbleiterlasers, worin E die Photomenenergie und f und E Konstanten sind. Die Dichte der Zustände-Funktion wird als γ -Funktion bezeichnet» und der quasi-Fermipegel ist F. Wenn die Temperatur T in ⁰K eingesetzt und der Bereich (Verstärkungsbereich oder sättig-*· barer Absorptionsbereich) mit einer Stromdichte j ausgesteuert wird, lassen sich der Verstärkungskoeffizient (oder Absorptionskoeffizient) g und die Elektronendichte η des Bereichs je Volumeneinheit und Zeiteinheit folgendermaßen ausdrücken:

F-E E

KT ¹^o

E
n^By_oexp ( —) (if)

^Eo -

worin A und B Konstante sind, die von der Temperatur und der BoItzmann¹sehen Konstante k abhängen.

- 10 -

Andererseits ist der Grad der Veränderung in der Elektronendichte η durch folgende Gleichung gegeben:

worin d die Dicke der Übergangsebene Qo₁ eine Elektronenladung, -t die Lebensdauer eines Elektrons bei natürlicher Emission und s die Photonendichte sind.

Wenn der Bereich durch einen Vorwärtsstrom j ausgesteuert und dem Verstärker kein Licht zugeführt wird, dann ist der quasi-Fermipegel F gegeben durch folgende Gleichung:

^BYo ^qd

unter Verwendung der Gleichung

-11-

309826/0928

-ti -

Dabei ist die Energie E der Photonen ausgedrückt durch E=IiV worin y die Lichtfrequenz und h die Planck¹ sehe Konstante sind. Bei Berücksichtigung der Gleichung (3) ist aus dieser Beziehung der Verstärkungs - (Absorptions-) Koeffizient g abhängig von der Frequenz des zugeführten Lichtes. Die Frequenz des zugeführten Lichtes ist dann auf den vollen Wert festgelegt:

worin V das Volumen des Bereichs 3I oder 32 darstellt, das von Lichtwellen besetzt ist, und *T die Lebensdauer der Photonen bedeutet, die von Verlusten wie Streuung, Brechung und dergleichen in Folge freier Elektronen und nicht der induktiven Absorption abhängt. Die durch die Gleichung 8 bestimmte Freqiienz des Lichtes hat folgende physikalische Bedeutung. Der Verstärkungskoeffizient g enthält E (folglich die Frequenz des Lichtes) als Variable und hat einen Maximalwert bei folgendem Wert von E:

E = F -

(9)

- 12 -

309826/092 8

was sich ergibt aus

dg A f_o r E

exp (—) (10)

dE 4KT L E. E₀J E_o

Da der quasi-Fermipegel F des Leitungsbandes den Vorwärtsstrom j als Variable enthält ändert sich der Maximalwert des Verstärkungskoeffizienten g auch mit dem Aussteuerstrom j wie auj h mit der Frequenz des Lichtes. Wenn der anliegende Vorwärtsstrom j so gewählt ist, daß der Maximalwert des Verstärkungskoeffizienten g im Bezug auf die Lichtfrequi%z erreicht wird, so ergibt sich:

F-E E 1

V.g = VAy exp ( ) = — (11)

° 4KT E T

ο ο

Die Lichtfrequenz ist durch Gleichung(8)vorgegeben. Wenn der Aussteuerstrom j in diesem Fall als JA angenommen wird, ist der Wert JA durch folgende Gleichung festgelegt:

4KTB. qde

JA= (12)

VA. E₀. ΐ. ΐ_ρ

309 8 267Ϊ928

Dieses jA entspricht einem Oszillationsstart-Schwellwertstrom j,, eines Laseroszillators. Der Wert "£ ' des Oszillators entspricht einem Wert X des Verstärkers nach folgender Gleichung

ν 1

— 4, η (13)

L R

worin L die Bereichslänge (Abstand zwischen Resonatoren), R der Reflektionsfaktor des Resonators und ν die Geschwindigkeit des Lichtes in dem Bereich bedeuten. Das heißt, folgende Beziehung ist bei dem Wert j., erfüllt:

"V

Die Werte jA und j,, werden nun miteinander ihrer Größe nach verglichen. Wenn ein Bezugswert ρ für den Verstärkungsfaktor steht, dann gilt für das Produkt V.g und die Aussteuerstromdichte j etwa folgende Beziehung :

Vg = ν p j (15)

- 14 -

3 0 9826/0928

so daß der Wert jA um den Wert, der den zweiten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung^13/entspricht, kleiner ist als j_th· Eine oft verwendete Dämpf ungskonstante o( (^cm hat zum Wert -i , folgende Beziehung :

= 1 / ν f , (16)

Da die dem System eigene Dämpfungskonstante <*■ sich ausdrücken läßt durch <^ = 1/_V -f , kann die Gleichung (13)auch folgendermaßen geschrieben werden:

cL= ck + /n (17)

⁰L R

-1

Ist beispielsweise Ά = 50cm~ , der Reflektionsfaktor R =

und die Länge L = 300 yum, dann wird der zweite Ausdruck der rechten Seite dei
ergibt sich dann

rechten Seite der Gleichung C\ J) im wesentlichen 40cm ~ . Es

5 JA ~ J.. ...(1B)

309826/0928

Als nächstes wird eine Untersuchung angestellt über die Verstärkung (Absorption) des Lichtes in dem Bereich, wenn
Licht einer Frequenz gemäß Gleichung (8) in den Verstärker
eingestrahlt wird. Im stationären Zustand läßt sich die Verstärkung des Lichtes durch folgende Gleichung ausdrucken:

ο S Vg 1 ■ . .

a z - ν v_fp

worin Z der Abstand in der Richtung der Lichtstrahlung ist.

aus

Da -n = 0 (stationärer Zustand) ist, läßt sich Folgendes/Gleichung (5) ableiten:

n = ■ - /s.g . (20)

qd

Aus den Gleichungen (4) und (20) wird die Gleichung erhalten:

^B-f

Durch Umordnen der Gleichung (5) wobei E durch Gleichung("8) ersetzt und die Gleichung(21) eingeführt wird, läßt sich Gleichung

- 16 - ^v

309826/0928

folgendermaßen vereinfachen:

=/n (I - P.G.) (22)

V. f_p .g = G (23)

A.E . γ

2 \ _{S = P} (24)

4 kT. B

J / J₀ = I (25)

JA 4ktBqd

= (26)

e VAE . -ί .

in denen e die Basis des natürlichen Logarithmus e ^2,72.. ist. Wenn die Gleichung (I9) durch Verwendung der Gleichung (23) für G und der Gleichung(2k) für P umgeschrieben wird, erhält man folgende Beziehung:

- 17 -

309826/0928

dp 1

= (G - 1") P , (27)

dZ V^p

Wenn kein Licht eintrifft (P=O), gilt für G>1, d.h. I/>e (j>e. ) Verstärkungswirkung gemäß Gleichung(27/1 Im Falle G>1, d.h. I> e (j>e.) stellt Gleichung^) den sättigbaren Absorptionszustand dar.

Fig. 7 zeigt die Lichteingangs-Ausgangscharakteristik des verstärkenden und des sättigbaren Absorptionsbereichs, welche jeweils eine Länge von 3OO pm haben, in denen die inneren Verluste^' = 1/_V -^ = 50cm~ sind und in denen I der Parameter ist. An der Ordinate ist die Ausgangslichtintensität angetragen für den Verstärkungsbereich, wo Oe ist, und die Eingangslichtintensität für den.sättigbaren Absorptionsbereich bei I ^e, während an der Abszisse die Eingangslichtintensität für den .Verstärkungsbereich und die Ausgangslichtintensität für den sättigbaren Absorptionsbereich angegeben sind.

Die Fig. 8 zeigt die Kurven für I = 30 und I = 0,05, die zum Nachweis des Schwellwertes im Lichtverstärker (Fig.9) benutzt werden, der einen Verstärkungsbereich (1=30, d.h. J₁= 3Oj ) und einen sättigbaren Absorptionsbereich (I=O,°5»d.h. jp = 0,0.5j ) in Hintereinanderschaltung hat. Die Schnittpunkte der beiden Kurven 1=30 und I = 0,05 sind mit A¹ und B' be-

- 18 309 826/09 2 8

zeichnet, und die Vierte auf der Abszisse entsprechen P ' und P„' . Dem Lichtverstärker gemäß Fig. 9 wird zunächst ein Eingangslichtstrahl 3 der Intensität Pb zugeleitet, welche der Bedingung P' < P <C P_n' genügt. Die Intensität P₁ des aus dem Verstarkungsbereich 31 austretenden Lichtstrahls 41 kann bei Verwendung der Kurve für I = 30 (siehe Fig.8) an der Ordinate abgenommen werden. Der austretende Lichtstrahl der Intensität P₁ tritt dann in den sättigbaren Absorptionsbereich 32 ein, und die Intensität des austretenden Lichtstrahls 42 aus dem Bereich 32 kann als Intensität Pp an der Abszisse bei Verwendung der Kurve für I = 0,05 abgelesen werden. Da P₂ ^ P„ ist, hat der Lichtverstärker mit dem Aufbau gemäß Fig. 9 eine verstärkende Wirkung gegenüber dem eintretenden Licht von der Intensität P_Q so daß P · <C P_Q <^ P_ß' ist. Wenn P = P.' (oder P = P_n^) » dann folgt daraus , daß P₀ =

O Pi O ti c.

P .wie sich aus Fig. 8 ablesen läßt, was mit anderen Worten bedeutet, daß das einfallende Licht 3 weder verstärkt noch abgeschwächt wird. Wenn P P.ι ist (oder P = P ') folgt

OA O ti

daraus, daß Pp = P ist, so daß der Verstärker aus Fig.9 eine dämpfende Wirkung h*. Folglich ist der Wert P_A' der Schwellwert der Verstärkung für das einfallende Licht 3» während der Wert P_R' den Sättigungswert darstellt. Damit der Verstärker den Schwellwert hat, ist es erforderlich, eine derartige Kombination des Aussteuerstromes auszuwählen, daß die charakteristischen Kurven des Verstärkungsbereichs und des sättigbaren Absorptionsbereichs einander schneiden wie in Fi&7.

- 19 309826/0928

Im Falle der Kombination von I= 100 im Verstärlcungsbereich mit dem sättigbaren Absorptionsbereich tritt kein Schnittpunkt auf, so daß der Verstärker nach Fig.9 als Dämpfungselement wirken würde. Bei einer Kombination von I = 50 und I = 0,5 schneiden die Charakteristiken einander, so daß Verstärkung vorhanden ist. Wenn jedoch der Schwellwert sehr niedrig ist, dann ist die Kombination in der Praxis im Hinblick auf Störrausehen unbedeutend. Der Schwellwert P_ft' und der Sättigungspunkt"P_B ³ für die Verstärkung können durch ausgewählte Kombination der Aussteuerströme_% des Verstärkungsbereichs und des sättigbaren Absorptionsbereichs nach Wahl gesteuert werden.

Der Lichtverstärker, der gemäß Fig.9 aufgebaut ist und ein einstufiger Verstärker ist, ist mit seiner Eingangs-Ausgangscharakteristik durch die Kurve A in Fig.10 wiedergegeben. Die Schwellwertcharakteristik und die Sättigungscharakteristik kann durch Kaskadenschaltung mehrerer Lichtverstärker gleicher Eingangs- Au.sgangscharakteristiken ver-r bessert werden. In Fig.10 ist mit der Kurve b die Eingangs-Ausgangscharakteristik einer zweistufigen Kaskade des Lichtverstärkers und mit Kurve c die Kaskade von 5 Stufen gleicher Lichtverstärker"wiedergegeben, wie sie in Fig.11 schematisch dargestellt ist. Die Verbesserung der Schwellwertcharakteristik

- 20 309826/0928

und der Sättigungscharakteristik stdlt sich aus der Fig.8. Die Intensitäten der austretenden Lichtstrahlen 42, 4j5, 44, 45 und 4 der einzel/nen Stufen im Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl 3 von der Intensität O sind durch die Werte P_ P^, Pg, Pn und P₁₀ auf der Abszisse in Fig.8 angetragen. Bei einem 5-stufigen Verstärker liegt der Wert P₁₀ bereits nahe dem Wert P ' . Mit einem Anstieg der Stufenzahl nähert sich der Ausgangswert P_1n dem Wert P ', wenn der Wert P₀ nur geringfügig höher ist als der Wert P.¹ . Gleichzeitig wird der Ausgang P₁-,¹ , wenn der Eingang größer als P₀* ist.

rs ' rs

Der Sättigungswert wird konstant P · unabhängig von der Intensität des einfallenden Lichtes. Fig.4 zeigt ein Beispeil einer wirklichen Ausführungsform bei einem 5-stufigen Lichtverstärker. I = J)O ist in die praktische Aussteuerstromdichte J₁ umgewandelt, wobei die nachfolgende Gleichung durch Verwendung der Gleichungen ("18J und (26) erhalten wird.

Bei einer Temperatur von 77°K liegt -etes» die Schwellwertstromdichte j.. , bei der die Oszillation einsetzt, gewöhn-

2 P

lieh um lOOOA/cm , so daß J₁ den Wert von etwa 6000A/cm hat.

Wenn der Aussteuerstrom einen derartigen Wert annimmt, dann kann der einen Halbleiter verwendende Lichtverstärker der Aussteuerung gut wiederstehen.

- 21 -309826/0928

Die voranstehende Beschreibung läßt erkennen, daß mit der Erfindung die Schwierigkeiten, die mit der Arbeitswellenlänge zusammenhängen, wenn unterschiedliche aktive und sättigbare absorbierende Materialien verwendet werden,ausgeschaltet werden können, wenn der Verstärkungsbereich und der sättigbare Absorptionsbereich aus demselben .Halbleiter-PN-:Junction-Laser aufgebaut sind.Außerdem wird der Schwellwert nicht mehr durch die Dichte, die Relaxationszeit und die Übergangswahrscheinlichkeit des verwendeten Materials bestimmt, sondern Schwellwert und Sättigungswert für die Verstärkung können auf einfache Weise durch die Intensität des Aussteuerstroms im Verstärkungsbereich und im sättigbaren Absorptionsbereich gesteuert werden. Ein Lichtverstärker von äußerst kleinen Abmessungen mit einem Schwellwert, der durch den Halbleiter-PN-Übergang beeinflußbar ist, ist für den Einsatz in Licht-PCM-Kommunikationssystemen, Lichtregenerationssystemen (light regenerative repeater) und optischen Faserübertragungsleitungen und dergleichen von hohen Nutzen.

- 22 30982 6/0928

Claims

PATENTANSPRUCH

Lichtverstärker dadurch gekennzeichnet daß ein langgestreckter einziger Halbleiter-PN-Ubergang (7,8,9) zur Durchführung der Lichtverstärkung eines einfallenden Lichtstrahls (3) verwendet wird, der bei einer Eintrittsfläche (5) an einem Ende des PN-Ubergangs entlang der Übergangsfläche (9) des PN-Ubergangs eintritt, daß der Halbleiter-PN-Ubergang (7,8,9) durch eine gemeinsame leitende Elektrode (CE)und eine Vielzahl von leitenden Elektroden (11,12,13 ... 20), die an> beiden Seiten des PN-Ubergangs bezüglich der Ubergangsflache (9) angebracht sind, ausgesteuert wird, daß eine Vielzahl von leitenden Elektroden (11,12,13 ··· 20) in Aufeinanderfolge auf dem PN-Übergang in Längsrichtung angebracht und diese Elektroden voneinander elektrisch isoliert sind, so daß eine Vielzahl diskreter Bereiche (31,32 ...40) im PN-Übergang entsprechend den Elektroden (11,12 ...20) entsteht, daß zwei benachbarte Elektroden, die zusammen einen einheitlichen Bereich bilden, durch vorbestimmte unterschiedliche positive Aussteuerströme (J₁, J₂) ausgesteuert werden, wodurch einer der beiden Bereiche ein Verstärkungsbereich und derjandere ein sättigbarer Absorptionsbereich darstellen, und daß der Verstärkungsbereich

- 23 -

309826/0928

der Eintrittsfläche (5), der sättigbare Absorptionsbereich der Austrittsfläche (6) am anderen Ende des PN-Übergangs zufeelegen ist, wobei mehrere einheitliche Bereiche zueinander in Kaskade geschaltet sind.

9826/0928

Lee rife i t e