Die Erfindung geht aus von einem Halbleiterlaser mit verzweigter Kavität.

Ein solcher Halbleiterlaser ist bekannt aus Electronics Letters, 15th February, 1990, Vol. 26, No. 4, Seiten 243 bis 244. Er ist auf einem n-dotierten Indiumphosphid-Substrat monolithisch integriert. Die untere Seite des Substrats wird als Grundfläche bezeichnet. Oberhalb einer zur Grundfläche koplanaren Ebene erstreckt sich eine Kavität aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP). Sie ist verzweigt und hat in der Draufsicht die Form eines "Y". Die Draufsicht-Fläche der Kavität kann auch eine andere Form, z.B. die Form eines Kreuzes, haben. Wesentlich ist, daß die Kavität zusammenhängend ist. Dies läßt sich im Sinne einer topologischen Definition so beschreiben, daß die Draufsicht-Fläche der Kavität als "einfach zusammenhängendes Gebiet" aufzufassen ist, da sie nicht aus mehreren Stücken, sondern aus einem einzigen Stück mit einem einzigen Rand besteht. Die Kavität liegt auf der ebenen Oberfläche einer n-dotierten Pufferschicht aus Indiu phosphid, die sich oberhalb des Indiumphosphid-Substrats erstreckt.

Oberhalb der Kavität sind weitere Schichten vorhanden. Diese und die Kavität bilden oberhalb der Pufferschicht eine Mesa, die durch Ätzen entstanden ist. Die Mesa hat in der zur Grundfläche koplanaren Ebene ebenso wie die Kavität eine Y-Form.

Ein solcher Laser mit verzweigter Kavität ist gemäß der oben genannten Veröffentlichung vorgesehen als elektrisch steuerbare Lichtquelle für optische Nachrichtenübertragungssysteme. Insbesondere, wenn seine oberhalb der Kavität verlaufende Metallschicht in mehrere Elektroden unterteilt ist, so daß es dadurch Bereiche der Kavität gibt, die durch unterschiedliche Betriebsströme steuerbar sind, zeichnet sich der Laser durch eine über einen sehr weiten Wellenlängenbereich reichende Abstimmbarkeit seiner Emissionswellen ^" länge aus. Diese Eigenschaft steht bei der vorgesehenen Anwendung als elektrisch steuerbare Lichtquelle im Vordergrund.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine optische Einrichtung mit einem solchen Laser zu schaffen, bei der der Laser in einer anderen Funktion als in der einer elektrisch steuerbaren Lichtquelle verwendet ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, Verwendungen der neuen optischen Einrichtung anzugeben. Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 beziehungsweise in den Patentansprüchen 6, 7, 9 und 11 bis 13 angegeben gelöst.

Weiterbildungen der optischen Einrichtung nach Anspruch 1 sind den davon abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung,

Fig. 2 die Wellenlänge des von dem Halbleiterlaser 1 aus Fig. 1 emittierten Lichts als Funktion der optischen Leistung P _F des in ihn eingestrahlten Lichts,

Fig. 3a die optische Leistung P _F eines verrauschten Lichtsignals als Funktion der Zeit, das in den Halbleiterlaser 1 aus Fig. 1 eingestrahlt wird,

Fig. 3b die Wellenlänge des Ausgangs-Lichtsignals des ersten

Halbleiterlasers als Funktion der Zeit bei Einstrahlung eines Lichtsignals nach Fig. 3a,

Fig. 3c den zeitlichen Verlauf der optischen Leistung P. des

Ausgangs-Lichtsignals des Halbleiterlasers nach Durchlaufen eines wellenlängenselektiven optischen Filters bei Einstrahlen eines Lichtsignals nach Fig. 3a,

Fig. 4a die optische Leistung Pp eines Lichtsignals als Funktion der Zeit, das in den Halbleiterlaser eingestrahlt wird und einen Gleichlichtanteil enthält,

Fig. 4b den zeitlichen Verlauf der optischen Leistung P. des Ausgangs-Lichtsignals des ersten Halbleiterlasers nach Durchlaufen eines wellenlängenselektiven optischen Filters bei Einstrahlung eines Lichtsignals nach Fig. 4a,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung,

Fig. 6 die optische Leistung P. (λ _? ) des von dem

Halbleiterlaser 1 aus Fig. 5 ausgestrahlten Lichts als Funktion des Betriebsstroms I für verschiedene optische Leistungen des eingestrahlten Lichts,

Fig. 7A die optische Leistung Pr (λ _? ) eines verrauschten Lichtsignals als Funktion der Zeit, das in den Halbleiterlaser 1 aus Fig. 5 eingestrahlt wird, und

Fig. 7B die optische Leistung P. (λ,) des aus dem ersten

Halbleiterlaser emittierten Lichtsignals als Funktion der Zeit bei Einstrahlung eines Lichtsignals nach Fig. 7A.

In der folgenden Beschreibung wird für optische Strahlung irgendeiner Wellenlänge aus Gründen der Vereinfachung der Ausdruck "Licht" und für "optisches Signal" der Ausdruck "Lichtsignal" verwendet, auch wenn in den meisten Fällen die Wellenlänge der optischen Strahlung oder des optischen Signals außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt.

Auch wird bisweilen statt des Ausdrucks "Halbleiterlaser" einfach der Ausdruck "Laser" verwendet.

In Fig. 1 ist ein erster Halbleiterlaser 1 dargestellt. Er hat ein Substrat 2 aus n-dotiertem Indiu phosphid. Darüber liegt eine Pufferschicht 3, die ebenfalls aus n-dotiertem Indiumphosphid besteht und von der ein Teil die unterste Schicht einer Mesa 4 bildet, die in der Draufsicht die Form eines Y hat. Die Mesa 4 hat mehrere Schichten. Sie enthält eine Kavität 41 aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid. Diese wird von einer Mantelschicht 42 aus p-dotiertem Indiumphosphid bedeckt. Darüber liegt eine Kontaktschicht 43 aus p -dotiertem Indiu -Gallium-Arsenid. Seitlich der Mesa 4 und oberhalb der nicht durch die Schicht 41 bedeckten Oberfläche der Pufferschicht 3 ist zur elektrischen Isolation und zur optischen Wellenführung in der Mesa 4 eine Schicht aus sem isolierendem Indiumphosphid vorhanden, deren obere Oberfläche mit der oberen Oberfläche der Kontaktschicht 43 eine Ebene bildet. Die Schicht 5 ist mit einer Schutzschicht 6 aus Siliziumdioxid bedeckt, die Kontaktschicht 43 mit einer Metallschicht 7. In die Metallschicht 7 und die Mesa 4 sind drei Gräben 44, 45, 46 hineingeätzt, durch die der Laser in vier Bereiche 8, 9, 10 und 11 eingeteilt ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 können die Gräben 44, 45, 46 entsprechend der optischen Kopplung,

die die Bereiche 8 bis 11 untereinander haben sollen, auch bis in die Mantelschicht 42, jedoch nicht bis in die Kavität 41 hinabreichen. Die Metallschicht 7 bildet in jedem Bereich 8 bis 11 eine erste Elektrode. Eine zweite Elektrode wird für jeden Bereich 8 bis 11 durch eine Metallschicht 12 gebildet, die unterhalb des Substrats 2 aufgebracht ist. Von der Metallschicht 7 jedes der Bereiche 8 bis 11 fließt beim Betrieb des Halbleiterlasers 1 durch den jeweiligen Bereich 8 bis 11 ein jeweils einzeln fest einstellbarer oder veränderbarer Strom zu der Metallschicht 12, die als Massekontakt dient.

Die Kavität 41 kann in ihrem Querschnitt eine

Quantu -Well-Schichtstruktur haben, wie sie z.B. aus Appl. Phys.

Let. 39 (1981), S. 786 bis 788 bekannt ist. Sie kann aber auch eine andere Schichtstruktur haben. Für die Erfindung spielt dies keine

Rolle.

Der Halbleiterlaser 1 emittiert, wenn seine Kavität 41 die Zusammensetzung In _{fi ß2} ^ ^a n 3 ₀ As _{0 g} P _Q 10 hat, Licht im Wellenlängenbereich um 1520 n .

Hat die Kavität 41 eine Zusammensetzung ^s In _Λ 0,5r-7, Ga _π 0,4 _n 3 _> As _n 0,■7,3-,

P _{0 ?7} , so emittiert er Licht im Wellenlängenbereich um 1300 nm. In beiden Fällen ist der Wellenlängenbereich durch Verändern der Betriebsströme um mindestens +.20 nm durchstimmbar.

Der Halbleiterlaser 1 kann auch als GaAlAs/GaAs-Halbleiterlaser aufgebaut sein; ein derartiger Aufbau ist z.B. aus Appl. Phys. Lett., 52 (1988), S. 767 bis 769 bekannt.

Die Mesa 4 und damit die Kavität 41 läßt sich nicht nur, wie in Fig. 1 dargestellt, in Form eines "Y" aufbauen, sondern beispielsweise auch in Kreuzform, wie sie dieser Veröffentlichung ebenfalls zu entnehmen ist.

Zur erfindungsgemäßen optischen Einrichtung gehört neben dem Laser 1 auch eine nicht gezeigte Laser-Steuerschaltung, die den Betriebsstrom für den Laser, oder, falls er mehrere Bereiche hat, die Betriebsströme, liefert. Wird diese Steuerschaltung eingeschaltet, so versorgt sie den Laser derart mit Betriebsstrom (oder mehreren Betriebsströmen), daß er als Laser aktiv wird und kohärentes Licht aussendet.

Hat er mehrere Bereiche, so ist dies der Fall, wenn wenigstens durch einen der Bereiche 8 bis 11 ein Strom fließt, der oberhalb des Laser-Schwellenstroms liegt, so daß durch die Verbindung der Bereiche 8 bis 11 untereinander bewirkt wird, daß auch aus den übrigen Bereichen 8 bis 11 Licht aus dem Halbleiterlaser 1 ausgestrahlt wird. Im Falle des hier dargestellten Halbleiterlasers 1 liegt der Laser-Schwellenstrom für jeden einzelnen Bereich 8, 9, 10, 11 beispielsweise bei 30 A.

Die Wellenlänge λ, des ausgesendeten kohärenten Lichts ist dann wie üblich bestimmt durch den Aufbau des Lasers und die Einstellung seines Betriebsstroms (oder seiner Betriebsströme).

Erfindungsgemäß unterliegt der Laser 1 nicht nur einer solchen elektrischen Ansteuerung, sondern auch einer optischen Ansteuerung. Es wird aus einer Lichtquelle Licht einer geeigneten Wellenlänge Xr, in die Kavität des Lasers 1 eingestrahlt.

Die in Fig. 1 gezeigte Lichtquelle ist ein zweiter Halbleiterlaser 14, dessen erzeugtes Licht über einen Lichtwellenleiter 13 in den Halbleiterlaser 1 eingestrahlt wird. Einzelheiten eines geeigneten Lasers 14 werden an späterer Stelle erläutert.

In Abhängigkeit von der optischen Leistung P^ des von der Lichtquelle 14 in den Halbleiterlaser 1 eingestrahlten Lichts emittiert dieser entweder Licht mit einer Wellenlänge λ, oder

Licht mit einer Wellenlänge ^ Dabei ist λ, die durch die Zusammensetzung des Lasers 1 und seine Abstimmung (durch Betriebsströme) vorgegebene Wellenlänge und λr, die Wellenlänge des in den Laser 1 eingestrahlten Lichts.

Welche Wellenlänge das Licht hat, das der Laser in seinem aktiven Zustand aussendet, ist also steuerbar durch die optische Leistung des eingestrahlten Lichts. In anderen Worten: Es handelt sich um eine optische Einrichtung mit einem Laser, der hinsichtlich seiner Emissionswellenlänge durch ein optisches Steuersignal umschaltbar ist.

Eingestrahlt werden kann das den Laser 1 steuernde Lichtsignal in den Bereich 11 des Lasers 1. Dann emittiert er je nach optischer Leistung des eingestrahlten Lichtsignals Licht entweder mit der Wellenlänge λ, oder mit der Wellenlänge λ _? . In gleicher Weise läßt sich das den Laser 1 steuernde Lichtsignal auch in den Bereich 8 oder 9 einstrahlen. Entsprechend emittiert dann der Laser 1 aus den Bereichen 9 und 11 bzw. 8 und 11 Licht mit der ersten oder der zweiten Wellenlänge.

Voraussetzung für die U schaltbarkeit der Emissionswellenlänge ist, daß die Wellenlänge λ _? des eingestrahlten Lichts nicht zu sehr, beispielsweise nicht mehr als 30 nm, von der Wellenlänge λ, abweicht. Genauer gesagt, muß -, innerhalb des

Durchstimmbereichs des Lasers, der z.B. von 1520 bis 1560 nm reicht, liegen.

In Fig. 2 ist die Wellenlänge des aus dem Halbleiterlaser 1 emittierten Lichts in Abhängigkeit von der optischen Leistung P _F des in ihn eingestrahlten Lichts dargestellt. Es lassen sich zwei Leistungsbereiche voneinander unterscheiden. Liegt P _F innerhalb eines bei Null beginnenden Leistungsbereichs L,, so emittiert der Laser 1 Licht mit der (wie oben erläuterten) ersten Wellenlänge

λ,. Liegt P _£ oberhalb des Leistungsbereichs L,, also in einem Leistungsbereich L ₂ , so emittiert der Laser 1 Licht mit der zweiten Wellenlänge λ^, die gleich der des eingestrahlten Lichts ist. Die optische Leistung, bei der der Leistungsbereich L, an den Leistungsbereich L„ grenzt, ist mit P bezeichnet.

Ist, wie in Fig. 2 gezeigt, die erste Wellenlänge λ, die längere, so wird der Wechsel von der zweiten (kürzeren) Wellenlänge zu der ersten (längeren) Wellenlänge wegen der mit der kürzeren Wellenlänge einhergehenden höheren Frequenz und Energie als Abwärts-Konversion bezeichnet. Die erste Wellenlänge ist z.B. 1523 nm, die zweite Wellenlänge 1517 nm. Auch eine Aufwärts-Koversion läßt sich mit dem Laser 1 erreichen. In diesem Falle ist die erste Wellenlänge z.B. 1514 nm und die zweite Wellenlänge (die des eingestrahlten Lichts) wiederum 1517 nm.

Aufgrund des sprungartigen Wechsels der Emissionswellenlänge des Lasers 1 an der Grenze zwischen den Leistungsbereichen L, und L ₂ läßt sich der Laser 1 z.B. zur Formung von optischen Rechteckimpulsen verwenden, die während der Übertragung über den Lichtwellenleiter 13 infolge der Dispersion verformt worden sind. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Lichtwellenleiter 13 eine große Länge hat. Die Lichtquelle der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung ist dann weit entfernt von deren Halbleiterlaser angeordnet und sendet ein rechteckför ig intensitäts oduliertes optisches Signal, das nach Übertragung über einen langen Lichtwellenleiter regeneriert werden muß.

Der Halbleiterlaser 1 wird z.B., wenn sein optisches Eingangssignal vom Leistungsbereich L, in den Leistungsbereich L ₂ übergeht, gemäß Fig. 2 zur Emission einer kürzeren Wellenlänge wechseln. Damit werden digitale oder analoge Lichtsignale, die in den Halbleiterlaser 1 eingestrahlt werden, entsprechend ihrer optischen Leistung P _E in Lichtsignale einer ersten oder zweiten Wellenlänge umgewandelt.

Wenn in den Halbleiterlaser 1 aus dem Halbleiterlaser 14 ein aus "verschmierten" Rechteckimpulsen bestehendes Lichtsignal eingestrahlt wird, wie es in Fig. 3a als Funktion der Zeit dargestellt ist (optische Leistung P , Wellenlänge: λ _? ), so wechselt die Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers 1 zwischen den Wellenlängen λ, und λ ₂ - Sie ist in Fig. 3b als Funktion der Zeit dargestellt. Wie in Fig. 2 dargestellt, ergibt eine optische Leistung P _F des optischen Eingangssignals (mit der Wellenlänge λ _? ) unterhalb von P die Wellenlänge λ, und eine optische Leistung P _F oberhalb von P die Wellenlänge λ ₂ .

Das von dem Laser 1 ausgestrahlte Lichtsignal mit den wechselnden Wellenlängen λ, und λ ₂ läßt sich entweder zu einer anderen optischen Einrichtung übertragen, oder es wird in einem wellenlängenselektiven Filter, z.B. in einem Fabry-Perot-Fi Her, gefiltert. Ist dieses nur für die Wellenlänge λ _? durchlässig, so werden die ursprünglichen, durch die optische Übertragung verzerrten Rechteckimpulse wieder hergestellt. Dies zeigt Fig. 3c mit dem zeitlichen Verlauf der Leistung P. des optischen Ausgangssignals (Wellenlänge λ _? ) des optischen Filters.

Ist das wellenlängenselektive Filter hingegen für die Wellenlänge λ, durchlässig, so wird das Lichtsignal bei der Rechteckformung aus seiner ursprünglichen Wellenlänge λ, in die Wellenlänge λ, konvertiert und gleichzeitig invertiert.

Der Halbleiterlaser 1 stellt nicht nur die Flanken von Rechteckimpulsen wieder her. Er korrigiert auch Leistungsschwankungen des aus dem Halbleiterlaser 14 kommenden Lichts, soweit sich die Leistungsschwankungen jeweils innerhalb eines der Leistungsbereiche L, und L ₂ bewegen.

Eine weitere Funktion der optischen Einrichtung einschließlich eines optischen Filters besteht darin, den Gleichlichtanteil zu entfernen,

wenn ein solcher, wie in Fig. 4a dargestellt, in dem zu übertragenden Lichtsignal enthalten ist. Wenn sich die optische Leistung P _E der Lichtimpulse beispielsweise in dem Leistungsbereich L ₂ und die des Gleichlichtanteils in dem Leistungsbereich L, bewegt, wird aus dem Lichtsignal, das in den Halbleiterlaser 1 eingestrahlt wird, ein Lichtsignal erzeugt, das in den Zeitabschnitten, die den Lichtimpulsen des eingestrahlten Lichtsignals entsprechen, die Wellenlänge λ, und ansonsten die Wellenlänge λ _? hat.

Wenn das Lichtsignal mit den abwechselnden Wellenlängen λ, , noch ein optisches Filter durchläuft, das nur für die Wellenlänge λ, durchlässig ist, so ist der Gleichlichtanteil des in den Halbleiterlaser 1 eingestrahlten Lichtsignals unterdrückt, was in Fig. 4b durch den zeitlichen Verlauf der optischen Leistung P. des Ausgangs-Lichtsignals mit der Wellenlänge λ, eines solchen optischen Filters gezeigt ist.

Die anhand der Figuren 3 und 4 beschriebenen Anwendungen nutzen die Abwärts-Konversion in dem Halbleiterlaser 1. In entsprechender Weise läßt sich die Aufwärts-Konversion ausnutzen.

Wie schon die wenigen bisher erläuterten Ausführungsbeispiele zeigen, gestattet die hier beschriebene neue optische Einrichtung, insbesondere, wenn sie ein wellenlängenselektives optisches Filter enthält, eine Fülle von Anwendungen für die optische Übertragung.

Ein großer Vorteil, der sich ergibt, wenn man mit der neuen optischen Einrichtung ein Eingangs-Lichtsignal in ein Ausgangs-Lichtsignal umsetzt, besteht darin, daß das vom Laser 1 ausgestrahlte Lichtsignal gegenüber dem eingestrahlten Lichtsignal eine erheblich höhere Intensität haben kann. Unter dem Gesichtspunkt der optischen SignalÜbertragung hat der Laser 1 also die Funktion einer erheblichen SignalVerstärkung, di in der Größenordnung von 20 dB liegt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines als Lichtquelle 14 verwendbaren Halbleiterlasers anhand von Fig. 1 erläutert. Wie Fig. 1 zeigt, ist eine Lichtquelle 14, ein Halbleiterlaser, über einen Lichtwellenleiter 13 mit dem Lichtwellenleiter 13 mit dem Halbleiterlaser 1 verbunden, so daß Licht aus dem Laser 14 in den Laser 1 einstrahlbar ist. Um zu verhindern, daß Licht aus dem Laser 1 in den Laser 14 gelangt, ist ein hier nicht dargestellter optischer Isolator vorgesehen. Der Halbleiterlaser 14 ist beispielsweise ein Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Halbleiterlaser) .

Er ist auf einem Substrat 15 aus Indiumphosphid aufgebaut. Oberhalb des Substrats 15 ist eine Pufferschicht 16 aus Indiumphosphid. aufgebracht, die die Basis einer Mesa 17 bildet. Die Mesa 17 enthält eine Wellenleiterschicht 171 aus n-dotiertem

Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid, eine nicht-dotierte Kavität 172 aus Indiu -Gallium-Arsenid-Phosphid und eine Mantelschicht 173 aus p-dotiertem Indiumphosphid. Darüber liegt eine p -dotierte Indiu -Gallium-Arsenid-Schicht 174. Die Wellenleiterschicht 171 bildet in Längsrichtung mit der Pufferschicht 16 ein optisches Gitter. Seitlich der Mesa 17 und oberhalb der oberen Oberfläche der Pufferschicht 16, soweit sie nicht von der Mesa 17 bedeckt wird, ist eine Schicht 18 aus semiisolierendem Indiumphosphid vorhanden, deren obere Oberfläche mit der oberen Oberfläche der Mantelschicht 173 eine Ebene bildet. Darüber sowie unterhalb des Substrats 15 ist jeweils eine metallische Schicht 19 bzw. 20 vorhanden; die metallischen Schichten 19 und 20 dienen als Elektroden. Aus der Wellenleiterschicht 171 wird, wenn durch den Halbleiterlaser 14 ein Strom fließt, der größer als der Laser-Schwellenstrom ist, Laserlicht in den den Lichtwellenleiter 13 eingespeist, das in die Kavität 41 des Halbleiterlasers 1 eingespeist wird. In Abhängigkeit von der Stärke des Stroms, der durch den Halbleiterlaser 14 fließt, wird Licht unterschiedlicher optischer Leistung P in den Halbleiterlaser 1 eingestrahlt.

Anstelle des hier beschriebenen Halbleiterlasers 14 kann jede andere Lichtquelle vorgesehen werden, die Licht mit der geeigneten Wellenlänge, wie sie oben erläutert ist, aussendet und deren optische Leistung P veränderbar ist. Auch andere Halbleiterlaser kommen hierfür in Frage. Anstelle des die Halbleiterlaser 1 und 14 verbindenden Lichtwellenleiters 13 sind auch andere Mittel zur optischen Übertragung zwischen der Lichtquelle und dem Halbleiterlaser 1 einsetzbar. Die Übertragung kann auch über eine Luftstrecke geschehen.

Zur Fokussierung des aus der Lichtquelle kommenden Lichts auf den Halbleiterlaser 1 sind Linsen einsetzbar; insbesondere eignet sich bei Einsatz des Lichtwellenleiters 13 Schmelzlinsen an den Enden des Lichtwellenleiters 13.

Ein Halbleiterlaser, der wie der Halbleiterlaser 14 auf dem gleichen Substratmaterial aufgebaut ist wie der Halbleiterlaser 1 - in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel: Indiumphosphid - läßt sich mit diesem auf einem einzigen Substrat monolithisch integrieren. In einem solchen Fall erübrigt sich ein Lichtwellenleiter. Es genügt eine einzige, in einem die Halbleiterlaser voneinander trennenden Graben aufgeklebte Linse, um die Fokussierung des Lichts aus dem Halbleiterlaser, der dem Halbleiterlaser 14 entspricht, in den anderen Halbleiterlaser zu bewirken, der dem Halbleiterlaser 1 entspricht.

Im folgenden werden anhand der Figuren 5 bis 7 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung und Beispiele für deren Verwendungen erläutert. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 nur dadurch, daß der die Lichtquelle 14 mit dem Halbleiterlaser 1 verbindende Lichtwellenleiter 13 nicht wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 das Licht in den Bereich 11 des Halbleiterlasers, sondern in einen der Bereiche 8 und 9 einstrahlt. Dies ist für das Prinzip der

Erfindung jedoch nicht wesentlich, sondern nur für einige von nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die bevorzugte Ausführungsform.

Wesentlich für die folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung ist, daß die zur optischen Einrichtung gehörende nicht gezeigte Laser-Steuerschaltung den Laser 1 derart mit Betriebsstrom (oder mit mehreren Betriebsströmen) versorgt, daß er dadurch noch nicht im laseraktiven Zustand ist, bei dem er kohärentes Licht aussenden würde. Falls der Laser wie gezeigt und oben erläutert mehrere Bereiche hat, die getrennt durch Betriebsströme ansteuerbar sind, so kann dieser Zustand durch eine geeignete Kombination von Betriebsströmen eingestellt werden. Falls der Laser nicht in mehrere Bereiche unterteilt ist, so kann dieser Zustand durch den einzigen Betriebsstrom eingestellt werden.

Erfindungsgemäß unterliegt der Laser 1 nicht nur einer solchen elektrischen Ansteuerung, sondern auch einer optischen Ansteuerung durch Licht aus der Lichtquelle 14. Was eine solche optische Ansteuerung bewirkt, wird nun anhand von Fig. 2 erläutert. Diese zeigt die optische Leistung P. des aus dem Laser 1 ausgestrahlten Lichts in Abhängigkeit von dem Betriebsstrom des Lasers für verschiedene optische Leistungen des in den Laser 1 eingestrahlten Lichts. Ohne Einstrahlung von Licht in einen der Bereiche 8 und 9 verläuft P. über I gemäß der Kurve I. Derjenige Betriebsstrom, bei dem die Kurve beginnt, steil anzusteigen, ist beträchtlich hoch. Es ist der sogenannte Laser-Schwellenstrom. Solange der Betriebsstrom darunter liegt, wird Licht, das im Bereich 11 erzeugt ist, absorbiert, und es kommt nicht zum Aussenden von kohärentem Licht. Erst oberhalb des Laser-Schwellenstroms beginnt die Laseraktivität, d.h. die Aussendung von kohärentem Licht. Mit zunehmender Einstrahlung von Licht in die Bereiche 8 und 9 wird die Absorption mehr und mehr kompensiert, so daß der Laserbetrieb bereits bei einem niedrigeren Betriebsstrom einsetzt. Liegt der Betriebsstrom I bei

I _v , so ist der Laser im Falle der fehlenden Einstrahlung von Licht (Kurve I) nicht im laseraktiven Zustand. Wird allerdings Licht mit einer ausreichend hohen optischen Leistung in ihn eingestrahlt, so verläuft P. über den Betriebsstrom I gemäß Kurve III, so daß bei dem gewählten Betriebsstrom I bereits der Laserbetrieb stattfindet.

In anderen Worten: Durch Licht geeigneter Wellenlänge und ausreichend hoher optischer Leistung ist der Laser in den Laserzustand schaltbar. Es handelt sich also hierbei um einen durch optische Steuerung ein- und ausschaltbaren Laser. Ist der Laser als Laser aktiv, d.h. durch eingestrahltes Licht in diesen Zustand geschaltet, so emittiert er Licht mit einer Wellenlänge λ,, die wie üblich bestimmt ist durch den Aufbau des Lasers und die Einstellung seines Betriebsstroms (oder seiner Betriebsströme).

Die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, die mit λ _? bezeichnet sei, muß kleiner sein als eine maximale Wellenlänge, die der Energie des Bandabstandes im Lasermaterial entspricht. Darunter kann sie beliebige Werte annehmen, so daß die Wellenlänge λ _? des eingestrahlten Lichts jedenfalls kürzer ist als die Wellenlänge λ-, des emittierten Lichts.

Die Anregung des Lasers 1 zur Emission von Licht einer Wellenlänge λ, durch Einstrahlen von Licht einer Wellenlänge λ _? , wobei λp kürzer als λ, ist, ist vergleichbar mit der

Photolumineszenz, die für Halbleiterkristalle an sich bekannt ist

(S.M.Sze, Physics of Semiconductor Devices; New York, Chichester,

Brisbane, Toronto 1981). Dort tritt als Folge einer

Photoneninjektion Photolumineszenz auf.

Was die Steuerung des Lasers 1 durch das eingestrahlte Licht betrifft, so lassen sich zwei Bereiche der optischen Eingangsleistung des eingestrahlten Lichts unterscheiden: ein erster

Leistungsbereich A, und ein zweiter Leistungsbereich B, der oberhalb des ersten Leistungsbereichs liegt. Liegt die optische Leistung des eingestrahlten Lichts im ersten Leistungsbereich, so wird kein kohärentes Licht aus dem Laser emittiert, liegt sie im zweiten Leistungsbereich, so wird kohärentes Licht der Wellenlänge λ, aus dem Laser emittiert.

Da das Verhalten des Lasers 1 an der Grenze zwischen den Leistungsbereichen A und B sich sprungartig verändert, läßt sich der Halbleiterlaser 1 zur Formung von optischen Rechteckimpulsen verwenden, die während der Übertragung durch den Lichtwellenleiter 13 infolge der Dispersion verformt worden sind. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Lichtwellenleiter 13 eine große Länge hat. Die Lichtquelle der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung ist dann weit entfernt von deren Halbleiterlaser 1 angeordnet und sendet ein rechteckförmig Intensitätsmoduliertes Lichtsignal, das nach Übertragen über einen langen Lichtwellenleiter regeneriert werden muß. Die erfindungsgemäße optische Einrichtung, bestehend aus Lichtquelle, Übertragungs-Lichtwellenleiter 13, Laser 1 und dazugehöriger Steuerschaltung ist dann also ein optisches Nachrichtenübertragungssystem.

Wenn das Lichtsignal, das in den Halbleiterlaser 1 eingestrahlt wird, digital moduliert ist und seine Maxima eine optische Leistung P _E haben, die oberhalb der Grenze zwischen den Leistungsbereichen A und B, also im Leistungsbereich B, liegt, so wird es durch den Laser 1 in seiner Wellenlänge umgewandelt. Außerdem läßt sich seine ursprüngliche Form wiedergewinnen, wie anschließend erläutert wird. Durch das eingestrahlte Lichtsignal mit der Wellenlänge λ ₂ wird der Laser 1 im Rhythmus seiner ansteigenden und abfallenden Flanken ein- bzw. ausgeschaltet, wobei er im eingeschalteten Zustand Licht mit der Wellenlänge λ, emittiert. Wie oben erläutert, kann die Wellenlänge λ _? weit unterhalb der Emissionswellenlänge λ, des Lasers 1 liegen. Somit ist also eine Wellenlängenkonversion über einen Wellenlängenbereich von mehreren 100 Nanometern möglich.

Insbesondere die Konversion von digital intensitätsmoduliertem Licht mit einer Wellenlänge aus dem Wellenlängenbereich um 850 nm in Licht mit einer Wellenlänge aus dem Wellenlängenbereich um 1550 nm ist vorteilhaft für die optische Nachrichtenübertragung: Mehrere kostengünstige GaAlAs/GaAs-Halbleiterlaser erzeugen als Sendelaser Lichtsignale mit der Wellenlänge 850 nm. Diese werden über kurze Reichweiten zu einem optischen Multiplexer übertragen und dort zu einem optischen Multiplexsignal gebündelt. Der Halbleiterlaser 1 der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung konvertiert es dann in ein Multiplexsignal mit der Wellenlänge 1550 nm, die für die Übertragung über Lichtwellenleiter mit großer Länge geeigneter ist als die Wellenlänge von 850 nm, weil die Dämpfung in ihnen wesentlich weniger stark ist. Die Sendelaser können auch InGaAsP/InP-Halbleiterlaser sein, die Licht im Wellenlängenbereich um 1300 nm emittieren, das dann im Laser 1 in Licht mit einer Wellenlänge um 1550 nm umgesetzt wird.

Die Veränderung eines digital intensitäts odulierten optischen Signals hinsichtlich der Form und Wellenlänge seiner Impulse wird nun anhand der Figuren 7A und 7B erläutert. Wenn in den Laser 1 aus dem Laser 14 ein aus "verschmierten" Rechteckimpulsen bestehendes Lichtsignal mit einer Wellenlänge λ _? und mit einem zeitlichen Verlauf seiner optischen Leistung, wie er in Fig. 7A dargestellt ist, eingestrahlt wird, so emittiert der Halbleiterlaser 1 wie folgt: Liegt die optische Eingangsleistung P oberhalb des Übergangs zwischen den Bereichen A und B, d.h. im Bereich B, so emittiert er kohärentes Licht mit der Wellenlänge λ,, und er emittiert praktisch kein Licht, wenn P _E unterhalb des genannten Übergangs liegt. Die Grenze zwischen dem Leistungsbereich A und dem Leistungsbereich B der optischen Eingangsleistung P _£ ist in Fig. 7A durch eine gestrichelte Linie angedeutet.

Fig. 7B zeigt den Verlauf der optischen Leistung P. des bei Einstrahlung eines Lichtsignals nach Fig. 7A vom Laser 1 emittierten

Lichtsignals mit der Wellenlänge λ, . Wie man sieht, sind darin die ursprünglichen, durch die optische Übertragung verzerrten Rechteckimpulse wiederhergestellt. Außerdem ist das Lichtsignal aus seiner ursprünglichen Wellenlänge λ ₂ in die Wellenlänge λ, konvertiert.

Auch bei den vorstehend beschriebenen Beispielen einer Verwendung der neuen optischen Einrichtung besteht der oben erwähnte Vorteil einer erheblichen Signalverstärkung.

Eine Anwendung der vorstehend beschriebenen optischen Einrichtung mit dem durch ein optisches Steuersignal einschaltbaren Laser als ODER- oder als UND-Schaltung wird im folgenden erläutert. Da der Halbleiterlaser 1 mindestens drei Enden seiner Kavität hat, in die Licht einstrahlbar oder aus denen Licht ausstrahlbar ist, ist es auch möglich, die optische Einrichtung derart zu gestalten, daß nicht nur eines, sondern zwei Steuersignale, jeweils eines aus einer eigenen Lichtquelle, in ihn eingestrahlt werden und an einem anderen Ende das vom Laser 1 erzeugte Licht emittiert wird.

Wenn sowohl über den Bereich 8 als auch über den Bereich 9 ein Lichtsignal in den Laser 1 eingestrahlt werden kann, z.B. aus weit entfernten Lichtquellen, und der Halbleiterlaser durch seinen Betriebsstrom oder seine Betriebsströme so betrieben ist, daß bereits die optische Leistung eines einzigen der beiden in ihn eingestrahlten Lichtsignale, das entweder über den Bereich 8 oder den Bereich 9 in den Laser 1 gelangt, ausreicht, um im Bereich 11 kohärentes Licht mit der Wellenlänge λ, zu erzeugen, so wirkt der Laser 1 als logische ODER-Schaltung. Dann erzeugt er immer ein Lichtsignal, wenn über den Bereich 8 oder ober den Bereich 9 oder gleichzeitig über die Bereich 8 und 9 ein Lichtsignal mit ausreichender Intensität in ihn hineingelangt. Auch hierbei ist vorausgesetzt, daß die Betriebsströme so gewählt sind, daß durch sie der Laserbetrieb und damit die Emission von kohärentem Licht noch nicht bewirkt wird.

Sind die Betriebsströme so bemessen, daß mit einem einzigen Lichtsignal mit vorgegebener Intensität, das in den Bereich 8 oder in den Bereich 9 eingestrahlt wird, sich der Laserbetrieb noch nicht ergibt, sondern erst durch Einstrahlung von zwei Lichtsignalen, eines in den Bereich 8 und eines in den Bereich 9, so wirkt der Laser 1 als logische UND-Schaltung. Die beiden Eingangslichtsignale müssen im Falle des Betriebs als ODER-Schaltung oder des Betriebs als UND-Schaltung nicht dieselbe Wellenlänge haben. Ihre Wellenlänge muß allerdings, wie oben erläutert, unterhalb einer maximalen Wellenlänge liegen. Auch muß der Halbleiterlaser in diesen Fällen nicht unbedingt so betrieben werden, daß an den Bereichen 8 und 9 die steuernden Lichtsignale eingestrahlt und am Bereich 11 das erzeugte Licht emittiert wird. Es können prinzipiell auch zwei andere der drei Enden der Kavität als Eingänge und das dann verbleibende dritte Ende der Kavität als optischer Ausgang verwendet werden.

Wird die vorstehend beschriebene neue optische Einrichtung mit zwei Eingangs-Lichtsignalen betrieben, so können auch andere Funktionen als die von logischen Schaltungen realisiert werden. Beispielsweise ist es möglich, zwei digital modulierte Eingangs-Lichtsignale zu einem Multiplex-Lichtsignal zusammenzufassen. Dies macht dann Sinn, wenn sich die Signale ausreichend voneinander unterscheiden, so daß ihre Informationen dem Multiplexsignal wieder entnehmbar sind.

In einem weiteren, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen den Bereichen 8 und 9 einerseits sowie dem Verzweigungsbereich 10 andererseits je ein weiterer Bereich vorhanden, der als sättigbarer Absorber dient. In diesem Falle läßt sich der Halbleiterlaser 1 auch als optischer Speicher nutzen.

Durch Injektion von Photonen in die sättigbaren Absorber aus den Bereichen 8 und 9 werden in den Absorbern Ladungsträger erzeugt.

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Dadurch wird in den Absorbern die Absorption reduziert, bis sie transparent geworden sind. Wenn aufgrund dessen Licht aus den Bereichen 8 und 9 in den Bereich 11 gelangt, wird dieser laseraktiv und erzeugt kohärentes Licht. Auch wenn die optische Leistung von in die Bereiche 8 und 9 eingestrahlten Lichtsignalen nun zurückgeht, bleibt die Transparenz der sättigbaren Absorber aufrechterhalten und somit die Erzeugung von kohärentem Licht in dem Bereich 11.

Die als sättigbare Absorber dienenden Bereiche können auch an anderen Stellen als zwischen den Bereichen 8 und 9 einerseits und dem Verzweigungsbereich andererseits angeordnet sein, z.B. zwischen anderen, aneinander angrenzenden Bereichen der Kavität oder an ihren Enden.