DE1278037B - Optischer Sender mit einer Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ^t^SfSS PATENTAMT Int. Cl.:

HOIs

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 21g-53/08

Nummer: 1278 037

Aktenzeichen: P 12 78 037.9-33 (J 24771)

Anmeldetag: 22. November 1963

Auslegetag: 19. September 1968

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender mit Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium, deren PN-Übergang zur unmittelbaren Umwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie mit einem Gleichstrom oberhalb eines Schwellenwertes in Durchlaßrichtung belastet wird und deren optisch ebene, in einem Winkel von 90° zur PN-Übergangsebene verlaufende Stirnflächen so angeordnet sind, daß eine innere Totalreflexion herbeigeführt wird. Unter optisch ebenen Flächen werden dabei Oberflächen verstanden, deren Rauheit mit optischen Mitteln nicht mehr feststellbar ist, wie es z. B. bei Kristallspaltflächen der Fall ist.

Bekanntlich ergibt sich bei einem solchen optischen Sender für einen Gleichstrom, dessen Wert oberhalb des genannten Schwellenwertes liegt, eine scharfe Einengung der Emissionslinienbreite und damit verbunden eine Intensitätssteigerung in der stimulierten Strahlung, da in diesem Fall die Verluste im Halbleiter nahezu vollständig kompensiert werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht unter Herabdrücken des genannten Schwellenwertes zur Anregung stimulierter Strahlung auf einen Minimalwert darin, voneinander unabhängige stimulierte Ausgangsstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge gleichzeitig zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Querschnitt der Halbleiterdiode in der PN-Übergangsebene ein regelmäßiges Sechseck darstellt und daß mindestens einer Stirnfläche Mittel zur Unterdrückung der inneren Totalreflexion und damit zur Auskopplung stimulierter Strahlung zugeordnet ,sind bzw. zugeordnet werden können.

Die Auskopplungsmittel lassen sich auf verschiedene Art und Weise verwirklichen. So können entweder Nuten oder Rippen senkrecht zum PN-Übergang verlaufend auf den entsprechenden Stirnflächen angeordnet sein oder aber auch ein Prisma mit einer Stirnfläche im Abstand von etwa einer Wellenlänge von einer Stirnfläche der Halbleiterdiode angeordnet sein, wobei dessen Formgebung für die Auskopplung der Ausgangsstrahlung in einem vorgegebenen Flächenbereich geeignet ist.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen optischen Sender mit einer Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium im Querschnitt,

F i g. 2 das Muster der Ausbreitungswege bei innerer Totalreflexion bei einer Halbleiterdiode mit einer einfachen Querschnittsform,

Optischer Sender mit einer Halbleiterdiode als
stimulierbarem Medium

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk,N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Busch, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Frederick Hayes Dill, Putnam Valley, N. Y.;
Richard Frederick Rutz, Cold Spring, N. Y.;
Peter Pitirimovich Sorokin, Ossining, N. Y.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. November 1962 (241389)

F i g. 3 eine Halbleiterdiode als stimulierbares Medium, wobei einer Stirnfläche ein Auskopplungsmittel zugeordnet ist,

F i g. 4 mögliche Ausbreitungswege in einer HaIbleiterdiode, die gemäß der Erfindung einen hexagonalen Querschnitt aufweist.

Der optische Sender nach F i g. 1 besteht aus einem Halbleiterkristall 10 mit einem PN-Übergang 12, der eine P-Zone 14 von einer N-Zone 15 trennt, wobei die Zonen 14 und 15 mindestens ähnliche Brechungsindizes besitzen. Eine erste Elektrode oder ein ohmscher Kontakt 18, der aus Indium besteht, befindet sich auf der P-Zone 14, und eine zweite Elektrode oder ein ohmscher Kontakt 20, der aus mit GoIdantimon plattiertem Kovar (54 Fe; 27 Ni; 19 Co) bestehen kann, befindet sich auf der N-Zone 16. Die Elektroden 18 und 20 sind vorzugsweise Metallbleche, die ebene Flächen bilden und parallel zueinander verlaufen. Die Halbleiterdiode ist so aufgebaut, daß die Ebene des PN-Überganges (Fig. 1) parallel zu den Ebenen der Elektroden 18 und 20 liegt und alle anderen Grenzflächen 22, 24, 26, 28 des Halbleiterkristalls 10 (F i g. 2) zur Vereinfachung der Darstellung in Ebenen liegen, die miteinander einen Winkel von 90° bilden und optisch eben sind.

Die einander gegenüberliegenden Flächen 22 und und die gegenüberliegenden Flächen 26 und 28

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können durch bekannte Verfahren, z. B. durch Wird angenommen, daß die Strahlen des in F i g. 2

Schleifen und Polieren, optisch eben und parallel zu- gezeigten Weges 21 einen Einfallswinkel von 45° einander gemacht werden, oder aber vorzugsweise haben und 45° größer als der kritische Winkel für auch durch ein an anderer Stelle vorgeschlagenes das Material der aktiven Schicht 25 ist, dann wird Spaltverfahren. Nach der Spaltung ergeben sich 5 der Strahl im Innern des Halbleiters mit nur geringem kristalline Formen mit optisch ebenen Flächen sehr oder überhaupt keinem Energieverlust reflektiert, hoher Präzision, genauen geometrischen Abmes- Wenn dagegen die Strahlen im Innern auf die Resungen und Abständen. Die Spaltung erfolgt in der flexionsflächen mit einem Winkel auffallen, der Weise, daß der Kristall zunächst auf einer groß- kleiner als der kritische Winkel ist, dann werden sie flächigen kristallographischen Ebene aufgelegt wird, io teilweise aus der aktiven Schicht 25 hinaus abgedie senkrecht zu einer kristallographischen Ebene strahlt. Wenn Strahlen im Innern mit einem Winkel mit minimaler Bindungskraft verläuft, und daß dann auftreffen, der nur wenig größer als der kritische auf den Kristall längs der kristallographischen Ebene Winkel ist, dann gleicht die reflektierte Amplitude minimaler Bindungskraft eine Spaltkraft ausgeübt nahezu der Einfallsamplitude,
wird. Soll ein rechteckiger Quader-Kristallkörper aus 15 Aus F i g. 2 geht hervor, daß die dem Weg 21 Galliumarsenid gebildet werden, dann wird der folgenden Strahlen, die einen Einfallswinkel von 45° Galliumarsenid-Kristallkörper parallel zu seiner (100) haben, der größer als der kritische Winkel für das kristallographischen Ebene aufgelegt und eine Kraft Halbleitermaterial der aktiven Schicht 25 ist, nachsenkrecht zur (lOO)-Ebene entlang der kristallo- einander von jeder der Flächen 22, 24, 26 und 28 graphischen (HO)-Ebene des Kristalls ausgeübt. 20 reflektiert werden. Da nun auf diesem Weg nur ein

Die Elekrtroden 18 und 20 sind in geeigneter geringer oder gar kein Energieverlust stattfindet, Weise über einen veränderbaren Reihenwiderstand bildet die aktive Schicht 25 ein hohes Q für Strahlen 32 und einen Schalter 34 an eine Energiequelle, die längs dieses Weges 21. Schließlich ist aus F i g. 2 erals Batterie 30 dargestellt ist, angeschlossen, um wahl- sichtlich, daß es viele andere gleichwertige Wege, weise eine Vorspannung in Durchlaßrichtung an den 25 z. B. die Wege 21 λ und 21 b, gibt, die parallel zum PN-Übergang 12 anlegen zu können, so daß eine Weg 21 verlaufen und längs denen sich Strahlen aus-Stromdichte erzielt werden kann, die über der Strom- breiten, bei denen der Einfallswinkel der gleiche ist. dichteschwelle der verwendeten Halbleiterdiode liegt. Durch Injizieren einer aureichenden Stromdichte

Im Betriebszustand der in F i g. 1 gezeigten Vor- der Ladungsträger durch die aktive Schicht 25 werden richtung werden beim Schließen des Schalters 34 in- 30 also zunächst stehende Wellen einer Eigenschwingung folge injizierter Ladungsträger Photonen in einer in der aktiven Schicht 25 entsprechend dem in F i g. 2 relativ dünnen aktiven Schicht 25 erzeugt, deren gezeigten Muster gebildet, so daß dann eine stimu-Oberseite 27 allgemein innerhalb des P-Bereichs liegt, lierte Strahlungsemission stattfinden kann. Natürlich deren Unterseite praktisch mit dem PN-Übergang 12 haben auch andere Eigenschwingungen als die in zusammenfällt und deren Seitenflächen mit 22, 24, 26 35 F i g. 2 durch die Wege 21, 21a und 21 b angedeute- und 28 bezeichnet sind. Die in der aktiven Schicht 25 ten das Bestreben, sich in der aktiven Schicht 25 auserzeugten Photonen wandern von ihren Ursprungs- zubreiten, aber keine dieser anderen Wellentypen ist punkten aus in viele verschiedene Richtungen und imstande, eine stimulierte Strahlungsemission bei haben das Bestreben, in den verschiedenen Richtun- einer so niedrigen Stromdichteschwelle der Ladungsgen Eigenschwingungen auszubilden. Vor allen 40 träger hervorzurufen, bei der eine stimulierte Strah-Dingen wird jedoch die Eigenschwingung bevorzugt, lungsemission durch die den Wegen 21, 21a und 21 & die durch einen mit dem höchsten ß-Wert für die nach F i g. 2 entsprechenden Eigenschwingungen beGüte wirkenden Resonator bedingt ist, um eine stimu- wirkt wird.

lierte Strahlungsemission hervorzurufen. Der Wert Q Weiterhin ergibt sich, daß sich z. B. auch eine

ist ja proportional dem Verhältnis des Energie- 45 Eigenschwingung zwischen den Flächen 22 und 24 inhalts der Lichtstrahlen zum Energieverlust pro auszubreiten versucht, wie es durch die horizontale Volumeinheit des Halbleiters. Strahlen, die im Halb- Linie 23 angedeutet ist. Da jedoch die Flächen 22 leiter nur eine kurze Strecke zurücklegen, bevor sie und 24 in diesem Falle nur etwa 30 bis 40°/o des in das die aktive Schicht 25 umgebende Medium ein- einfallenden Lichtes reflektieren, treten zwangläufig treten, lösen nicht sofort eine stimulierte Strahlungs- 50 so hohe Verluste auf, daß hierfür nur ein Resonator emission aus, so daß sich für diese Strahlen ein nied- mit sehr niedrigem Q zur Verfügung steht. Aus ähnriges Q ergibt. In einem Halbleiter des in F i g. 1 ge- liehen Gründen bilden auch die Flächen 26 und 28 zeigten Typs treffen sehr viele Strahlen auf die im entsprechenden Zusammenwirken nur einen Reso-Flächen 12, 22, 24, 26, 27 und 28 der aktiven Schicht nator mit sehr niedrigem Q. Es ist dabei zu beachten, 25 mit Winkeln auf, die größer oder kleiner sind als 55 daß, nachdem einmal bei einer ersten Eigenschwinder durch die relativen Brechungsindizes der aktiven gung eine stimulierte Strahlungsemission hervor-Schicht25 und des diese Schicht 25 umgebenden gerufen ist, ein großer Teil der dem stimulierbaren Materials definierte kritische Winkel für die Total- Medium zugeführten Anregungsenergie nun dazu reflxion. Aus F i g. 2 geht hervor, daß, wenn der verwendet wird, diese Eigenschwingung aufrechtzu-Strahl einem durch die dicke Linie 21 dargestellten 60 erhalten, so daß sich dann für andere mögliche Eigen-Weg folgt und der Einfallswinkel des Strahls größer schwingungen nur unter äußerst schwierigen Bedinals der kritische Winkel ist, die aktive Schicht 25 ein gungen stimulierte Strahlungsemission anregen läßt, hohes Q für die dem Weg 21 folgenden Strahlen Da, wie schon erwähnt, die P-Zone und die

bildet, da die Strahlen an jeder der vier Flächen der N-Zone aus Materialien nahezu gleichen Brechungsaktiven Schicht 25 total reflektiert werden, wenn die 65 indexes bestehen, können Eigenschwingungen, die Flächen 22, 24, 26 und 28 optisch eben sind und den sich auf den Wegen 21, 21« und 21 & ausbreitenjede mit der an sie angrenzenden Fläche einen Winkel den gleichen, aber sich in einer hierzu senkrechten von 90° einschließt. Ebene ausbilden, ebenfalls nur unter äußerst ungün-

stigen Bedingungen aufrechterhalten werden, da ihre Energie in inaktive Bereiche des Halbleiters 10 abwandert, nämlich in die P-Zone 14 oberhalb der Fläche 27 und in die N-Zone 15 unterhalb des PN-Übergangs 12, wo sie alsbald absorbiert wird.

Zur Erläuterung ist oben eine Halbleiterdiode als stimulierbares Medium mit quadratischem, horizontalem Querschnitt beschrieben worden. Es versteht sich aber, daß auch andere derartige Querschnittsformen verwendet werden können, um durch innere Totalreflexion gebildete Wellentypen auszunutzen. Um jedoch die Zahl der sich bildenden möglichen Wellentypen in jedem Falle so klein wie möglich zu halten, muß sich der Brechungsindex Ti₁ des Halbleiters stets nach folgender Beziehung richten:

H₁ =

sin

worin iV gleich der Anzahl der Seiten des Vielecks ist. Wenn die aktive Schicht 25 des Halbleiters mit dem Brechungsindex Ti₁ von einem Medium umgeben ist, das den Brechungsindex n₂ hat, ergibt sich dann

für das Verhältnis — die Beziehung:

sin

1 —

Die aktive Schicht 25 des in F i g. 1 und 2 gezeigten optischen Halbleitersenders ist für die in Betracht kommenden Eigenschwingungen als Resonator mit hohem Q angenommen worden. Durch geeignete Maßnahmen kann die in der aktiven Schicht 25 (Fig. 1 und 2) erzeugte kohärente Strahlung aus einer Oberfläche der Schicht 25 ausgekoppelt werden. Dies läßt sich durch eine »Störung« herbeiführen, die z. B. in Form einer Rippe auf der Stirnfläche der aktiven Schicht oder einer Nut bzw. Kerbung hierin vorgesehen werden kann, um die Strahlung in das umgebende Medium in an sich bekannter Art und Weise leiten zu können. Die kohärente Strahlung kann aber auch aus einer aktiven Schicht 38 eines optischen Halbleitersenders (s. F i g. 3) ausgekoppelt werden, indem im Abstand von etwa einer Wellenlänge von deren einer Stirnfläche ein Prisma 40 aus optischem Material angebracht wird, dessen Brechungsindex etwa dem der aktiven Schicht 38, z. B. Galliumarsenid, entspricht und dessen geometrische Gestalt so beschaffen ist, daß die hier durch gerichtete Strahlung ein kohärentes Strahlenbündel 42 der stimulierten Ausgangsstrahlung an dem hierfür vorgesehenen Stirnflächenteil bereitstellt.

In F i g. 4 schließlich ist der erfindungsgemäß ausgebildete optische Halbleitersender mit einer aktiven Schicht 44 regelmäßigen sechseckigen Querschnitts dargestellt, wo sich gleichzeitig drei besondere, total reflektierte Eigenschwingungen ausbilden können. Die erste durch eine gestrichelte Linie 46 angedeutete Eigenschwingung wird an jeder Stirnfläche der aktiven Schicht 44 total reflektiert, die zweite durch die gestrichelte Linie 48 angedeutete Eigenschwingung wird an nur drei eine über die andere folgenden Stirnflächen der aktiven Schicht 44 total reflektiert, und die dritte, durch die strichpunktierte Linie 50 angedeutete Eigenschwingung wird an den restlichen

ίο drei eine über die andere folgenden Stirnflächen der aktiven Schicht 44 total reflektiert. Die Eigenschwingung 46 kann durch eine jeweilige Einkerbung an entsprechenden Ecken des Hexagons, die die Bahn 46 unterbrechen, unterdrückt werden, so daß dann die Eigenschwingungen 48 und 50 begünstigt werden. Weiterhin hat sich gezeigt, daß die zweite und die dritte Eigenschwingung 48 und 50 optisch voneinander unabhängig sind und daher jede dieser Eigenschwingungen für sich aus dem in F i g. 4 gezeigten

ao optischen Halbleitersender ausgekoppelt werden kann, indem z. B. zwei optische Auskopplungsteile der in F i g. 3 gezeigten Art benutzt werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender mit einer Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium, deren PN-Übergang zur unmittelbaren Umwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie mit einem Gleichstrom oberhalb eines Schwellenwertes in Durchlaßrichtung belastet wird und deren optisch ebene, in einem Winkel von 90° zur PN-Übergangsebene verlaufende Stirnflächen so angeordnet sind, daß eine innere Totalreflexion herbeigeführt wird, dadurchgekennzeichnet, daß der Querschnitt der Halbleiterdiode in der PN-Übergangsebene ein regelmäßiges Sechseck darstellt und daß mindestens einer Stirnfläche Mittel zur Unterdrückung der inneren Totalreflexion und damit zur Auskopplung der stimulierten Strahlung zugeordnet sind bzw. zugeordnet werden können.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der P-Zone eine ohmsche Elektrode aus Indium an der N-Zone eine mit Goldantimon plattierte ohmsche Elektrode aus Kovar (54 Fe; 27 Ni; 19 Co) angeschlossen ist.

3. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode aus zinkdotiertem Galliumarsenid besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1 298 106,
1301101;

USA.-Patentschrift Nr. 3 059 117;
Electronics vom 10. 8.1962, S. 7;

Journal of Applied Physics, Bd. 34, Nr. 1, 1963, S. 235 bis 236;

Physical Review Letters, Bd. 9, Nr. 9, vom 1.11. 1962, S. 366 bis 368.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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