DE1297250B - Optischer Zender mit einem Halbleiterdioden-Medium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender mit das zweite Halbleitermedium nicht parallel verlaueinem Halbleiterdioden-Medium zur Erzeugung ko- fende Oberflächen aufweist, die seinen pn-übergang härenter Strahlung hoher Intensität, mit einem ersten schneiden und so getrennt von dem ersten Haibund einem zweiten davon getrennt angeordneten leitermedium verlaufen, daß die kohärente Strahlung monokristallinen, direkte Übergänge ermöglichenden 5 auf den pn-übergang des zweiten Halbleitermediums Halbleitermedium, von denen jedes einen entartet durch eine der nicht parallelen Oberflächen auftrifft, p-leitenden und einen entartet η-leitenden Bereich ferner die in seinen pn-übergang eintretende kohäsowie einen dünnen pn-übergang dazwischen auf- rente Strahlung kolinear in Abhängigkeit von einer weist, deren erstes bei Polung in Durchlaßrichtung Vorspannung seines Übergangs in Durchlaßrichtung kohärente Strahlung aus seinem pn-übergang in io verstärkt, und daß die eine nicht parallele Oberfläche mindestens einer Richtung bei elektrischer Anregung einen antireflektierenden Überzug mindestens im Beoberhalb eines vorherbestimmten Schwellenwerts reich ihrer Schnittfläche mit dem pn-übergang des aussendet, wobei es mindestens zwei gegenüberlie- zweiten Halbleitermediums hat, so daß eine kohärente gende Oberflächen aufweist, die parallel zueinander Strahlung hoher Intensität aus dem zweiten Haibund senkrecht zu seinem Übergang verlaufen. 15 leitermedium austritt, deren Frequenz der von dem Es ist bereits ein Halbleiterdioden-Laser bekannt ersten Halbleitermedium ausgesandten kohärenten (vgl. »Elektronik«, Nr. 3, März 1963, S. 78), der Strahlung gleich ist.

aus einem leicht trapezförmig geschnittenen GaAs- Unter kolinearer Verstärkung soll hier verstanden

Würfel besteht, wobei die beiden nicht abgeschräg- werden, daß in den pn-übergang des zweiten HaIbten Seitenwände genau planparallel poliert sind und ao leitermediums eintretende Strahlung ihre Richtung das Licht senkrecht zu diesen Wänden austritt. Der bei Ausbreitung in dem pn-übergang unter gleichpn-Übergang in dem mit Tellur gedopten Gallium- zeitiger Intensitätsverstärkung beibehält, bis die arsenid wird durch Eindiffundieren von Zink her- Strahlung aus dem Übergang aus der der Eintrittsgestellt. Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche verstärkt

Es ist auch bereits ein optischer Sender mit einem 25 austritt, ohne daß eine Rückkopplung erfolgt. Anders Halbleiterdioden-Medium vorgeschlagen worden ausgedrückt, bei einer kolinearen Verstärkung wird (vgl. deutsche Patentschrift 1220 054), das in Rieh- einer sich in einer bestimmten Richtung ausbreitentung der Übergangsfläche ausstrahlt, wobei minde- den elektromagnetischen Welle zunehmend Energie stens zwei Ohmsche Kontaktelektroden auf ein und zugeführt. Durch die kolineare Verstärkung wird derselben und parallel zur Übergangsfläche verlau- 30 vorteilhafterweise eine hohe Verstärkung der vom fenden Oberfläche des Halbleiterdioden-Mediums ersten Halbleitermedium empfangenen Strahlung senkrecht aufgesetzt sind, unabhängig voneinander vorgenommen, wobei gleichzeitig die verstärkte geschaltet werden können und, wenn ihr Strom einen Strahlung hinsichtlich Frequenz, Polarisation und vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, das Halb- Spektrum der vom ersten Halbleitermedium empfanleitermedium zur Lichtstrahlung anregen. Bei der 35 genen Strahlung weitgehend gleicht und der Einfluß Lichterzeugiing durch derartige optische Sender soll vieler Parameter des optischen Senders wie der Abjedoch die Intensität unerwünschter Schwingungen messungen des zweiten Halbleitermediums und seines oder von Streustrahlung od. dgl. möglichst klein ge- Abstands vom ersten Halbleitermedium auf dieStrahhalten werden, weshalb die optischen Sender nicht lung des ersten Halbleitermediums unterdrückt wird, wesentlich über ihrem Schwellenwert erregt werden. 40 Die vorteilhafte kolineare Verstärkung wird bei Dadurch wird jedoch die Erzeugung kohärenter dem optischen Sender gemäß der Erfindung dadurch Strahlung hoher Intensität verhindert. erreicht, daß die das zweite Halbleitermedium durch-

Um eine Lichtverstärkung vornehmen zu können, laufende Strahlung die nicht zueinander parallelen ist es bereits bekannt (vgl. »Elektronik«, Nr. 3, Oberflächen durchsetzt und die eine nicht parallele März 1963, S. 78), einem Halbleiterdioden-Laser ein 45 Oberfläche einen antireflektierenden Überzug aufrelativ aufwendiges optisches System mit Linse, Spie- weist. Dadurch wird eine die kolineare Verstärkung gel und Photovervielfacherröhre nachzuschalten. Es beeinträchtigende Strahlungsreflexion und damit ist auch bereits vorgeschlagen worden (vgl. deutsche -rückkopplung in dem zweiten Halbleitermedium Patentschrift 1186148), Licht vom Ausgang eines selbst und von ihm zum ersten Halbleitermedium ersten optischen Diodenlichtverstärkers zur Lichtver- 50 vermieden.

Stärkung über ein verhältnismäßig aufwendiges opti- Zur weiteren Verringerung der Gefahr einer Strah-

sches System mit einer Linse dem Eingang eines zwei- lungsrückkopplung kann der optische Sender so austen optischen Diodenlichtverstärkers zuzuführen. Um gebildet sein, daß auch die andere nicht parallele dabei eine Selbsterregung des Lichtverstärkers zu Oberfläche, die gegenüber der einen Oberfläche liegt, vermeiden, wird der Speisestrom der beiden opti- 55 einen antireflektierenden Überzug mindestens im Besehen Lichtverstärker durch periodische Impulse reich ihrer Schnittfläche mit dem pn-übergang des moduliert, und verschiedene Bedingungen sind von zweiten Halbleitermediums hat. der Laufzeit des Lichts zwischen den beiden opti- Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung

sehen Lichtverstärkern und der Impulsfrequenz zu kann darin bestehen, daß die Halbleitermedien so erfüllen. 60 ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind,

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen opti- daß der Einfallswinkel der Strahlung auf die eine sehen Sender mit einem Halbleitermedium so auszu- nicht parallele Oberfläche praktisch gleich dem Kombilden, daß er in der Nähe seines Schwellenwerts be- plementwinkel des Brechungswinkels der Strahlung trieben wird und trotzdem ohne ein aufwendiges op- (Brewster-Winkel) in den pn-übergang des zweiten tisches System die Erzeugung kohärenter Strahlung 65 Halbleitermediums ist, und daß die kohärente Strahhoher Intensität gestattet. lung aus dem ersten Halbleitermedium in der Ein-

Ein optischer Sender der eingangs genannten Art fallsebene der Strahlung auf die eine nicht parallele ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß Oberfläche polarisiert ist. Das hat den Vorteil, daß

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die gesamte einfallende polarisierte Strahlung gemäß Lötschicht 25, während ein nicht gleichrichtender

dem Brewsterschen Gesetz gebrochen wird, also keine Kontakt zwischen dem η-leitenden Bereich 22 und

Teilreflektion erleidet, was eine unerwünschte Rück- dem Kopfstück 10 durch eine donatorartige oder

kopplung bedeuten würde. elektrisch neutrale Lötschicht 26 besteht. Der Leiter

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher 5 28 ist mit der Elektrode 24 beispielsweise verschweißt

erläutert werden. Es zeigt oder verlötet. Gegenüberliegende Oberflächen 29 und

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten 30 des zweiten Halbleitermediums 2, welche im all-

Ausführungsbeispiels des optischen Senders gemäß gemeinen in der relativen räumlichen Anordnung

der Erfindung, den Oberflächen 19 bzw. 20 des ersten Halbleiter-

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines abge- io mediums 1 entsprechen, sind jedoch aus noch zu

wandelten Ausführungsbeispiels des in Fig. 1 dar- erläuternden Gründen nicht planparallel geschliffen

gestellten zweiten Halbleitermediums des optischen und poliert.

Senders und Die Schnittfläche des pn-Ubergangs 23 und der

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Oberfläche 30 weist in Richtung der Strahlung 3 von

Ausführungsbeispiels des optischen Senders gemäß 15 dem ersten Halbleitermedium 1 einen Abstand auf.

der Erfindung. Vorzugsweise verlaufen die pn-Übergänge 13 und 23

Der in F i g. 1 dargestellte optische Sender mit im wesentlichen koplanar, falls die betreffenden einem Halbleiterdioden-Medium zur Erzeugung ko· pn-Übergänge eben sind, wie in Fig. 1 dargestellt härenter Strahlung hoher Intensität weist ein erstes ist. Damit die Kopplung der Strahlung von dem Halbleitermedium 1 und ein zweites Halbleiter- ao ersten Halbleitermedium 1 zu dem zweiten Halbmedium 2 auf, das so angeordnet ist, daß es Strah- leitermedium 2 begünstigt wird, ist der Abstand zwi-Iung3 des ersten Halbleitermediums und verstärkte sehen den Oberflächen 19 und 30 vorteilhaft sehr kohärente Strahlung 4 abgibt. Eine geeignete An- klein und beträgt vorzugsweise zwischen 10 und regung der Halbleitermedien 1 und 2 erfolgt durch 200 Wellenlängen der vom ersten Halbleitermedium 1 eine schematisch dargestellte Impulsquelle 5 zur Er- »5 ausgesandten Strahlung. Ein Abstand unterhalb des zeugung gleichpoliger elektrischer Impulse. Die Ein- Bereichs könnte den Wirkungsgrad der Oberfläche 19 stellung des Anregungsverhältnisses wird durch die als Fabry-Perot-Reflektor verringern. Ein beträcht-Verbindung eines Ausgangsanschlusses 6 der Im- lieh größerer Abstand als entsprechend 200 Welienpulsquelle 5 mit dem ersten Halbleitermedium 1 und längen würde dagegen in vielen Fällen die Verwendern zweiten Halbleitermedium 2 über einstellbare 30 dung von Fokussierlinsen erforderlich machen, deren Reihenwiderstände 7 und 8 erleichtert. Der Strom- Vorhandensein normalerweise unerwünscht ist. kreis wird von einem Erdanschluß 9 der Impuls- Erfindungsgemäß kann das zweite Halbleiterquelle 5 über ein gemeinsames Kopfstück 10 aus medium 2 die in seinen pn-übergang 23 eintretende Leitermaterial geschlossen, welches die beiden Halb- kohärente Strahlung kohnear verstärken. Unter der leitermedien verbindet und trägt. Ein Leiter 17 ver- 35 Bezeichnung »kolineare Verstärkung« ist zu verbindet den Erdanschluß 9 und das Kopfstück 10. stehen, daß in den pn-übergang des zweiten HaIb-

Das in Fig. 1 dargestellte erste Halbleitermedium 1 leitermediums 2 eintretende Strahlung praktisch in ist ein einkristallines Halbleitermedium mit einem gleicher Richtung wie beim Eintritt sich entlang des entartet dotierten p-leitenden Bereich 11 und einem pn-Ubergangs mit Intensitätszunahme ausbreitet, bis entartet dotierten η-leitenden Bereich 12. Diese bei- 40 die Ausbreitung in dem pn-übergang vollendet ist den Bereiche sind durch einen dünnen pn-übergang und die Strahlung aus dem Übergang aus der der 13 getrennt. Ein nicht gleichrichtender Kontakt be- Eintrittsfläche gegenüberliegenden Oberfläche versteht zwischen dem p-leitenden Bereich 11 und einer stärkt austritt, ohne daß eine Rückkopplung erfolgt, ersten Elektrode 14 mit Hilfe einer akzeptorartigen Die kolineare Verstärkung kann auch so erklärt wer- oder elektrisch neutralen Lötschicht 15, während eine 45 den, daß sie einer sich in einer bestimmten Richtung nicht gleichrichtende Verbindung zwischen dem n-lei- ausbreitenden Welle Energie zuführt. Eine Reflexion tenden Bereich 12 und dem Kopfstück 10 über eine der Strahlung, die zu einer Rückkopplung in dem donatorartige oder elektrisch neutrale Lötschicht 16 zweiten Halbieitermedium 2 führen könnte, wird auf besteht. Die Leiter 17 und 18 sind mit dem Kopf- einem Minimum gehalten, ebenso wie die Reflexion stück 10 bzw. der Elektrode 14 beispielsweise ver- 50 von Strahlung zurück zu dem ersten Halbleiterschweißt oder verlötet. Gegenüberliegende Ober- medium 1, welche in den pn-übergang des zweiten flächen 19 und 20 des ersten Halbleitermediums 1 Halbleitermediums 2 eingetreten ist. Deshalb wird sind vorteilhaft so geschliffen oder poliert, daß sie eine Rückkopplung in dem zweiten Halbleitergenau parallel zueinander verlaufen, damit stehende medium 2 und eine Rückkopplung von dem zweiten Wellen in dem Halbleitermedium in dem Übergang 55 Halbleitermedium 2 zu dem ersten Halbleiter-13 zur Erzeugung einer kohärenten Strahlung mit medium 1 auf einem Minimum gehalten, wenn das hohem Wirkungsgrad ausgebildet werden. Derartige zweite Halbleitermedium 2 eine kolineare Verstärparallele reflektierende Oberflächen 19 und 20 sind kung in dem erwähnten Sinn durchführt, als Fabry-Perot-Platten bekannt. In dem in Fig. 1 dargestellten optischen Sender

Das zweite Halbleitermedium 2 ist ein einkristal- 60 gewährleistet das zweite Halbleitermedium 2 eine ko-

lines Halbleitermedium mit einem entartet dotierten lineare Verstärkung, indem die Oberfläche 29, aus

p-leitenden Bereich 21 und einem entartet dotierten welcher die verstärkte kohärente Strahlung hohei

η-leitenden Bereich 22. Diese beiden Bereiche sind Intensität austritt, nicht parallel zu der Oberfläche 30

in entsprechender Weise durch einen pn-übergang 23 verläuft, auf welche die Strahlung 3 von dem ersten

getrennt. Wie bei dem ersten Halbleitermedium 1 be- 65 Halbleitermedium 1 zuerst auftritt, und indem der

steht ein nicht gleichrichtender Kontakt zwischen dem Widerstände so eingestellt wird, daß eine aus-

p-leitenden Bereich 21 und einer ersten Elektrode 24 reichende elektrische Anregung des Übergangs 23 er-

durch eine akzeptorartige oder elektrisch neutrale folgt, um eine Inversion der Besetzungsverteilung in

dem Übergang 23 auf einem Niveau zu erzeugen, das Das Material zur Herstellung des ersten Halbleiterunter dem Schwellenwert liegt, bei welchem eine mediums 1 und des zweiten Halbleitermediums 2 ist stimulierte Emission in dem Übergang 23 erzeugt normalerweise monokristallin und kann im allgewerden kann. Vorzugsweise ist jede der Oberflächen meinen ein Mehrstoffhalbleiter oder eine Legierung des zweiten Halbleitermediums 2, welche den Über- 5 von Mehrstoffhalbleitern der III. und V. Gruppe des gang 23 schneidet, im wesentlichen nicht parallel zu Periodischen Systems der Elemente sein, welche Mairgendeiner anderen dieser Oberflächen angeordnet, terialien als Halbleiter mit direktem Übergang (also um eine Rückkopplung zu verringern. Halbleiter, die direkte Übergänge von Elektronen

Es ist aus verschiedenen Gründen wichtig, daß zwischen dem Valenz- und dem Leitfähigkeitsband das zweite Halbleitermedium 2 eine kolineare Ver- io ermöglichen) bezeichnet werden. Dazu gehören beistärkung ermöglicht, insbesondere um den Einfluß spielsweise Galliumarsenid, Indiumantimonid, Indes zweiten Halbleitermediums 2 auf die Eigenart der diumarsenid, Indiumphosphid, Galliumantimonid vom ersten Halbleitermedium 1 ausgesandten Strah- und Legierungen davon sowie einen direkten Überhing mit Ausnahme der gewünschten Erhöhung der gang ermöglichende Legierungen anderer Materia-Intensität klein zu halten und um eine maximale Aus- 15 lien wie Legierungen von Galliumarsenid und GaI-gangsintensität der Strahlung aus dem zweiten Halb- liumphosphid (das selbst keine direkten Übergänge leitermedium 2 zu gewährleisten. Die kolineare Ver- gestattet) in dem Bereich von Null bis 50 Atomprostärkung verbessert die Wiedergabetreue des zweiten zent von Galliumphosphid. Andere geeignete Mate-Halbleitermediums 2 und begünstigt, daß die davon rialien, die direkte Übergänge ermöglichen, sind Bleiaustretende Strahlung mit Ausnahme der Intensität ao sulfid, Bleiselenid und Bleitellurid. In den zuletzt genahezu gleich der empfangenen Strahlung ist. Ferner nannten Materialien ist Indium als Donator und ein wird der Einfluß vieler Parameter des optischen Sen- überschüssiges Anion als Akzeptor geeignet. Die ders wie der Abmessungen des zweiten Halbleiter- Wellenlänge der emittierten Strahlung hängt von der mediums 2 und dessen Abstand von dem ersten Banddifferenz (Energiedifferenz zwischen dem Leit-Halbleitermedium 1 auf die Frequenz, die Polarisa- as fähigkeitsband und dem Valenzband des ausgewähltion und die spektralen Eigenschaften der von dem ten Halbleiters) ab. Die Halbleitermaterialien für das ersten Halbleitermedium 1 ausgesandten kohärenten erste Halbleitermedium 1 und das zweite Halbleiter-Strahlung minimal gehalten. medium 2 sind vorzugsweise solche Materialien, wel-Obwohl eine Rückkopplung in dem zweiten Halb- ehe im wesentlichen dieselbe Banddifferenz aufleitermedium 2 bewirkt werden kann, beispielsweise 30 weisen. Ferner werden das erste Halbleitermedium 1 durch Erhöhung der inneren Reflexion an der Ober- und das zweite Halbleitermedium 2 vorzugsweise aus fläche 29, um den Verstärkungsfaktor des zweiten demselben Halbleitermaterial hergestellt. Halbleitermediums 2 zu erhöhen, ist dies bei dem Sowohl der η-leitende als auch der p-leitende Bezweiten Halbleitermedium des optischen Senders ge- reich des Halbleitermediums 1 sind mit Donatoren maß der Erfindung nicht wünschenswert, weil eine 35 bzw. Akzeptoren als Aktivatoren dotiert, um darin derartige Erhöhung der Verstärkung auf Kosten eine Entartung hervorzurufen. Im Sinne dieser Beeiner Erhöhung des Einflusses der verschiedenen Schreibung kann ein Halbleitermedium als entartet Parameter des zweiten Halbleitermediums auf die η-leitend bezeichnet werden, wenn es eine ausreischließliche Ausgangsstrahlung hoher Intensität er- chende Konzentration überschüssiger Donatorträger folgen würde. 40 oder als Donator dienender Verunreinigungen ent-Eine geeignete Ausbildung des zweiten Halbleiter- hält, um dessen Fermi-Niveau auf einen Energiemediums 2 zur Erzielung der kolinearen Verstärkung betrag anzuheben, der größer als die minimale Enererhöht auch die Ausgangsintensität, die mit dem gie des Leitfähigkeitsbands im Energiebanddiagramm Sender erzielbar ist. Dies läßt sich durch die An- des halbleitenden Materials ist. Bei einem p-leitenden nähme erklären, daß eine vorherbestimmte Anzahl 45 Bereich bedeutet die Entartung, daß eine ausreichende von Elektronen vorhanden ist, die in das Leitfähig- Konzentration von überschüssigen Akzeptorträgern keitsband durch eine gegebene Größe des Anregungs- oder als Akzeptor dienender Verunreinigungen vorstroms gebracht werden. Der Verstärkungsfaktor des handen ist, um das Fermi-Niveau auf eine Energie zweiten Halbleitermediums 2 ändert sich in derselben herabzusetzen, die niedriger als die maximale Ener-Richtung wie Änderungen der Stromdichte in dem 50 gie des Valenzbands im Energiebanddiagramm des Übergang. Wenn reflektierte Strahlung, Streustrah- halbleitenden Materials ist. Eine Entartung kann im lung oder spontane Schwingungen zugelassen werden, allgemeinen erzielt werden, wenn die überschüssige um einen Teil der verfügbaren injizierten Elektronen negative Leitfähigkeitsträgerkonzentration 10¹⁷/cm^s zu verbrauchen, wird die Verstärkung des zweiten überschreitet oder wenn die überschüssige positive Halbleitermediums 2 bei der Frequenz der empfange- 55 Leitfähigkeitsträgerkonzentration 10¹⁸/cm^s übernen Strahlung 3 verringert. schreitet. Das Fermi-Niveau eines derartigen Energie-Der Verstärkungsfaktor des zweiten Halbleiter- banddiagramms entspricht der Energie, bei der die mediums 2 wird in vorteilhafter Weise erhöht, ohne Wahrscheinlichkeit für die Anwesenheit eines Elekdaß unerwünschte Reflexionen oder Rückkopplungen trons in einem speziellen Zustand gleich 1:2 ist. auftreten, indem die Länge des Übergangs in Rieh- 60 Die Materialien zur entarteten Dotierung der ntung der empfangenen Strahlung erhöht wird. All- und p-leitenden Bereiche der verschiedenen Halbgemein betrachtet steigt die Intensität der Strahlung, leiter, aus denen optische Sender gemäß der Erfindie sich durch den pn-übergang des zweiten Halb- dung hergestellt werden können, hängen von dem leitermediums 2 ausbreitet, exponentiell mit dem zu- verwandten halbleitenden Material ab und müssen rückgelegten Abstand, weshalb eine verhältnismäßig 65 nicht in jedem Falle dieselben sein, obwohl diese kleine Erhöhung der Länge des Übergangs in Rieh- Materialien derselben Klasse angehören können. So rung der Wellenausbreitung zu einer beträchtlichen sind für alle Mehrstoffkörper der III. und der Erhöhung der nutzbaren Ausgangsleistung führt. V. Gruppe Schwefel, Selen und Tellur als Donatoren,

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Zink, Cadmium, Quecksilber und Cäsium als Akzep- gemeinsamen Kopfstück angebracht, das aus einem toren geeignet, während andererseits die Elemente guten elektrischen und Wärmeleiter wie Kupfer, SiI-Zinn, Germanium und Silizium entweder als Donator ber oder Aluminium besteht. Danach werden die be- oder als Akzeptoren dienen können, was von dem treffenden Elektroden an den Halbleitermedien anspeziellen Halbleiter und dem Herstellungsverfahren 5 gelötet. Bei der Verwendung des erwähnten Galliumabhängt. Zum Beispiel sind sie alle Akzeptoren in arsenide ist ein geeignetes Akzeptor-Lötmaterial eine Galliumantimonid, das aus einer stöchiometrischen Legierung von 3 Gewichtsprozent Zink mit dem Rest Schmelze gezogen ist. In Indiumantimonid ist Zinn Indium. Ein geeignetes Donator-Lötmaterial ist beiein Donator, während Germanium und Silizium spielsweise Zinn. Die Halbleitermedien werden auf Akzeptoren sind. In den restlichen Halbleitern mit io dem Kopfstück für einen optischen Sender der in direktem Übergang der Gruppe AIII/B V sind Zinn, F i g. 1 dargestellten Art so angeordnet, daß die Germanium und Silizium alle Donatoren. Irgendein Übergänge in einer Ebene liegen. Zum Betrieb des Donator- und Akzeptorpaar, das eine ausreichend in F i g. 1 dargestellten optischen Senders werden vorhohe Löslichkeit für das zur Herstellung des Halb- teilhafterweise dem ersten Halbleitermedium 1 und leiterkristalls verwandte Material besitzt, kann dazu 15 dem zweiten Halbleitermedium 2 Gleichstromimpulse verwandt werden, die entartet dotierten Bereiche des hoher Stromdichte zugeführt. Um eine Überhitzung ersten Halbleitermediums 1 und des zweiten Halb- zu vermeiden, wird eine Impulsbreite zwischen etwa leitermediums 2 zu bilden. 1 und 10 μβεσ gewählt. Da festgestellt wurde, daß

Obwohl eine Anzahl Verfahren zur Herstellung der Schwellenwert für die stimulierte Emission kodes ersten Halbleitermediums 1 und des zweiten ao härenter Lichtstrahlung beispielsweise für Gallium-Halbleitermediums 2 Verwendung rinden kann, soll arsenid-Dioden von der Temperatur der Diode abim folgenden ein besonders zweckmäßiges Herstel- hängt, kann es zweckmäßig sein, das erste Halbleiterlungsverfahren erläutert werden. Ein optischer Sen- medium 1 und das zweite Halbleitermedium 2 auf der der in F i g. 1 dargestellten Art kann ausgebildet einer niedrigen Temperatur zu halten, um den werden, indem ein längliches Plättchen aus einem 95 Schwellenwert für die stimulierte Emission zu ermonokristallinen Rohling aus η-leitendem Gallium- niedrigen und die Verwendung einer Stromquelle für arsenid verwandt wird, das zu etwa 10¹⁸ Atomen/cm³ hohe Stromstärken zu vermeiden, oder um in gewismit Tellur dotiert wird. Die Dotierung wird in zweck- sen Fällen eine kontinuierliche Betriebsweise zu ermäßiger Weise durch Ziehen aus einer Schmelze aus möglichen.

Galliumarsenid erzielt, die mindestens 5 XlO¹⁸ Atome 30 Wenn die Halbleitermedien aus Galliumarsenid beTellur/cm³ enthält, damit der erhaltene Kristall ent- stehen und in ein Dewar-Gefäß mit flüssiger Luft bei artet η-leitend ist. Ein pn-übergang wird in einem etwa 77 ⁰K eingetaucht werden, tritt der Schwellenhorizontalen, an eine Oberfläche angrenzenden Be- wert der stimulierten Emission für kohärente Strahreich des Kristalls durch Eindiffusion von Zink in lung bei etwa 1000 A/cm² auf und fällt auf weniger alle Oberflächen davon bei einer Temperatur von 35 als 100 A/cm² bei 20⁰K. Wenn der Übergang des etwa 900⁰C während etwa einer halben Stunde her- ersten Halbleitermediums 1 und des zweiten Halbgestellt, wobei ein evakuiertes abgedichtetes Quarz- leitermediums 2 eine Flächengföße von jeweils etwa rohr Verwendung findet, das den Galliumarsenid- 0,001 cm² besitzt, reicht bei 77⁰K eine 2-A-Stromkristall und 10 mg Zink enthält. Der so ausgebildete quelle und bei 20 ⁰K eine 0,2-A-Stromquelle aus. pn-übergang liegt etwa 0,05 mm unter den Ober- 40 Ein zweckmäßiges Verfahren zum Betrieb des in flächen des Kristalls. Das kristalline Plättchen wird F i g. 1 dargestellten optischen Senders besteht darin, dann ausgeschnitten und geschliffen, um den p-leiten- daß die veränderlichen Widerstände? und 8 auf ihren den Bereich mit Ausnahme in dem Bereich in der betreffenden maximalen Widerstand eingestellt wer-Nähe einer horizontalen Oberfläche zu entfernen. den und die Impulsquelle 5 erregt wird. Der Wider-

Dann werden die beiden Halbleitermedien aus 45 stand 7 wird danach so eingestellt, daß er einen gedem Halbleiterkristall ausgeschnitten. Das erste Halb- ringen Widerstand bietet, was zu einer Erhöhung der leitermedium kann in vorteilhafter Weise eine Dicke Stromdichte in dem Übergang des ersten Halbleitervon 0,5 mm und eine jeweilige Kantenlänge von mediums 1 führt. Die Intensität des aus dem ersten 0,4 mm besitzen. Das zweite Halbleitermedium 2 Halbleitermedium 1 austretenden Lichts wächst prakkann in vorteilhafter Weise eine Dicke von 0,5 mm 50 tisch linear mit der Stromdichte, und das Licht ist in- und eine Kantenlänge von 0,4 mm für diejenigen kohärent. Bei einer weiteren Erniedrigung des äqui-Kanten besitzen, die quer zu der Richtung verlaufen, valenten Reihenwiderstands des Widerstands 7 steigt in welcher sich der Übergang linear erstreckt und in die Intensität des aus der Oberfläche 19 und der welcher Richtung die Ausbreitung der zu verstär- Oberfläche 20 (falls diese nicht total reflektiert) auskenden Strahlung erfolgt. Jede gewünschte Länge 55 tretenden Lichts nichtlinear, und das Licht wird entlang der anderen Kanten, welche den gewünschten plötzlich kohärent. Die Kohärenz wird durch Beu-Übergangsbereich und die Länge des Ausbreitungs- gungsmuster senkrecht zu der Ebene des Übergangs wegs gewährleistet, um die gewünschte Ausgangs- angezeigt, was eine bestimmte Phasenbeziehung zwileistung des zweiten Halbleitermediums 2 zu erzielen, sehen dem Licht bedeutet, das von verschiedenen kann Verwendung finden. In vorteilhafter Weise be- 60 seitlichen Teilen des pn-Übergangs 13 des ersten trägt die letztere Abmessung zwischen 0,2 und 2 mm. Halbleitermediums 1 emittiert wird. Gemäß der ErZwei gegenüberliegende Oberflächen des ersten Halb- findung wird das erste Halbleitermedium 1 praktisch leitermediums werden dann abgespalten oder auf bei dem Schwellenwert für die kohärente Strahlung^ optische Glätte poliert, so daß sie im wesentlichen d. h. bei einer Stromdichte betrieben, bei welcher die exakt planparallel sind und senkrecht zu dem 65 kohärente Strahlung beginnt. Danach wird der verpn-Übergang verlaufen. änderliche Widerstand 8 kontinuierlich einjustiert,

Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, werden um eine Erniedrigung des Reihenwiderstands zu bedie Halbleitermedien zweckmäßigerweise auf einem wirken, bis die gewünschte Intensität kohärenter

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Strahlung von der Oberfläche 29 des zweiten Halb- winklig zueinander versetzte Abschnitte 42 und 43

leitermediums 2 austritt. Deshalb wird der pn-Über- ergeben. Das zweite Halbleitermedium 44 hat einen

gang des zweiten Halbleitermediums 2 in Durchlaß- entartet p-leitend dotierten Bereich 45, einen ent-

richtung hinreichend vorgespannt, um darin eine artet η-leitend dotierten Bereich 46 sowie einen Inversion der Besetzungsverteilung zu bewirken. Das 5 ebenen pn-übergang 47 zwischen und angrenzend an

zweite Halbleitermedium 2 ist auf Stromdichten die Bereiche 45 und 46.

unterhalb seines Schwellenwertes für kohärente Im Gegensatz zu F i g. 1 sind getrennte Impuls-Strahlung begrenzt, so daß nur eine kolineare Ver- quellen 48 und 49 für das erste Halbleitermedium 1 Stärkung der von dem ersten Halbleitermedium 1 bzw. das zweite Halbleitermedium 44 vorgssehen. empfangenen Strahlung in dem pn-übergang 23 des io Die Impulse von den Impulsquellen 48 und 49 werzweiten Halbleitermediums 2 auftritt. Die empfan- den in Abhängigkeit von elektrischen Signalen ausgene Strahlung wird ohne weiteres in ihrer Intensität gelöst, welche von einer Impuls-Synchronisiereinrichverdoppelt, wenn die Länge des Übergangs 23 in tung 50 empfangen werden, welche zweckmäßiger-Richtung der Wellenausbreitung nur etwa 0,4 mm weise einstellbar ist, um die zeitliche Beziehung zwibeträgt. 15 sehen den Impulsen zu steuern, welche von den Im-F i g. 2 zeigt eine Ansicht eines kolinear verstär- pulsquellen 48 und 49 abgegeben werden. Die Imkenden zweiten Halbleitermediums 35 mit antireflek- pulsquelle 48 ist mit dem ersten Halbleitermedium 1 tierenden Überzügen 36 und 37, das aber sonst wie über den einstellbaren Reihenwiderstand 7 und den das zweite Halbleitermedium in F i g. 1 ausgebildet Leiter 18 verbunden, wobei der Stromkreis durch ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Korn- 20 einen Leiter 51 vervollständigt wird, welcher mit ponenten mit Ausnahme der zu erläuternden Ab- dem Teil 42 des Kopfstücks 40 verbunden ist. In entwandlungen. Die Überzüge 36 und 37 auf den Ober- sprechender Weise ist die Impulsquelle 49 mit dem flächen 30 und 29 machen das zweite Halbleiter- zweiten Halbleitermedium 44 über einen einstellmedium 35 weiter dazu geeignet, eine kolineare Ver- baren Reihenwiderstand 52 und einen Leiter 53 verstärkung zu bewirken. Der Überzug 37 gestattet, daß 25 bunden, wobei der Stromkreis über einen Leiter 54 die Oberfläche 29 parallel zu der Oberfläche 30 ist. geschlossen ist, der mit dem Teil 43 des Kopfstücks Deshalb können die beiden einkristallinen Halbleiter- 40 verbunden ist. Es ist nicht erforderlich, daß das medien in F i g. 1 die gleiche Gestalt haben, wenn der Kopfstück 40 ein kontinuierlich leitendes Glied ist, Überzug 37 vorgesehen wird. Der Überzug dient obwohl es vorzuziehen ist, daß das Kopfstück 40 ein neben der Verringerung innerer Reflexionen auch 30 kontinuierliches Glied ist, um dem optischen Sender dazu, den Wirkungsgrad des zweiten Halbleiter- eine ausreichende mechanische Steifigkeit zu vermediums beim Empfang von Strahlung zu erhöhen, leihen.

die von dem ersten Halbleitermedium 1 auf dessen Der Grund für die Verwendung getrennter Impn-Übergang fällt. Wenn die Querabmessung des pulsquellen ist darin zu sehen, daß die Halbleiter-Übergangs 23 relativ zu der Richtung der gewünsch- 35 medien besser elektrisch isoliert werden können, ten Wellenausbreitung mit der Länge des Übergangs Getrennte Impulsquellen ergeben ferner einen be-23 in Richtung der Ausbreitung vergleichbar ist, sind sonders zweckmäßigen optischen Sender mit gederartigs Überzüge an den Seitenflächen von Vorteil, wünschtenfalls sehr schmalen Impulsbreiten, indem um Schwingungen in Querrichtung zu verhindern. die Synchronisiereinrichtung 50 so einjustiert wird, Die eine Reflexion verhindernden Überzüge wer- 40 daß nur eine verhältnismäßig kleine steuerbare Zeit den vorteilhaft so ausgebildet, daß deren Dicke etwa der Überlappung von Impulsen bewirkt wird, welche gleich ungeradzahligen Vielfachen von ein Viertel von den beiden Quellen geliefert werden (Impuls-Wellenlänge in Richtung der Wellenausbreitung ist. codemodulation). Getrennte Quellen können auch Ein besonders geeignetes Material für diese Überzüge im Falle des optischen Senders in F i g. 1 Verwendung ist Siliziummonoxyd, das ohne weiteres auf die 45 finden. Vorzugsweise ist die Synchronisiereinrich-Oberflächen des zweiten Halbleitermediums aufge- tung 50 so ausgebildet, daß sie ein Signal liefert, dampft werden kann. Siliziummonoxyd ergibt eine welches gewünschtenfalls eine stetige Anregung der Oberflächenpassivierung, beispielsweise von Gallium- Übergänge 13 und 47 durch die Impulsquellen 48 arsenid, und hat ferner einen Brechungsindex, der bzw. 49 bewirkt.

zwischen demjenigen von Luft und Galliumarsenid 50 Wie bereits beschrieben wurde, ermöglicht die Erliegt. Die letztere Eigenschaft ist sehr wünschenswert, findung die Erzeugung kohärenter Strahlung hoher um einen glatten optischen Übergang in und aus dem Intensität, wenn das erste Halbleitermedium 1 ledig-Halbleitermedium zu gewährleisten. Im Idealfall ist lieh in der Nähe seines Schwellenwerts für eine der Brechungsindex des Materials für die reflektie- stimulierte Emission kohärenter Strahlung angeregt renden Überzüge gleich der Wurzel aus dem Bre- 55 wird. Bei diesen Bedingungen senden Halbleiterchungsindex des Halbleitermediums, wenn die WeI- medien oft eine Strahlung aus, die nicht nur kolenausbreitung in oder aus Vakuum, Luft oder ande- härent, sondern auch polarisiert ist. Normalerweise ren Gasen erfolgt, deren Brechungsindex etwa verläuft die Richtung der Polarisation senkrecht zu gleich 1 ist. Der Überzug wird auch vorteilhaft so der Ebene des pn-Übergangs, aus dem die Abstrahausgewählt, daß er in an sich bekannter Weise 60 lung erfolgt.

mehrere Schichten aufweist. Das in F i g. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel lie-

F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines fert eine kohärente Strahlung 60 hoher Intensität, die

optischen Senders gemäß der Erfindung. Der op- außerdem polarisiert ist. Die Richtung der Polari-

tische Sender enthält ein erstes Halbleitermedium 1, sation oder des dargestellten elektrischen Feldvektors

das im wesentlichen genau wie in F i g. 1 ausgebil- 65 verläuft senkrecht zu der Ebene des Übergangs 47.

det ist und auf einem Kopfstück 40 aus Leitermate- Die Polarisation der Strahlung 60 wird durch die

rial angeordnet ist. Das Kopfstück 40 ist entlang Strahlung 3 von dem ersten Halbleitermedium 1 be-

einer Querlinie 41 abgebogen, so daß sich zwei wirkt, auch wenn diese nicht polarisiert ist. Ein be-

sonders vorteilhafter optischer Sender ergibt sich jedoch, wenn die Strahlung 3 in der dargestellten Weise in der Einfallebene auf die Oberfläche 55 des zweiten Halbleitermediums 44 polarisiert ist.

Nach dem Gesetz von Brewster wird praktisch die gesamte Strahlung gebrochen und kein Anteil reflektiert, wenn in der Einfallebene polarisierte Strahlung auf eine Oberfläche unter einem Einfallwinkel auffällt, bei welchem die reflektierten Strahlen senkrecht zu den gebrochenen Strahlen liegen. Deshalb werden die beiden Halbleitermedien vorteilhaft so zueinander angeordnet, daß der Einfallwinkel 56 der Strahlung 3 auf die Oberfläche 55 etwa gleich dem Komplement des Brechungswinkels 57 der Strahlung (Brewster-Winkel) in dem zweiten Halbleitermedium 44 ist, d. h. also, die Summe der Winkel 56 und 57 angenähert 90° beträgt. Die Oberfläche 55 ist so abgespalten oder geschnitten, daß sie den Übergang 47 unter einem Winkel schneidet, der etwa gleich dem Einfallwinkel 57 ist. so

In dem üblichen Fall, bei dem der Brechungsindex des Mediums zwischen den beiden Halbleitermedien praktisch gleich 1 ist, beispielsweise in Vakuum, Gas, flüssigem Stickstoff oder Sauerstoff, wird der Einfallwinkel 46 vorteilhaft so ausgewählt, daß er im wesentlichen gleich dem Winkel ist, dessen Anstieg gleich dem Brechungsindex des Halbleitermaterials ist, aus dem das zweite Halbleitermedium 44 hergestellt ist. Wenn das Halbleitermaterial beispielsweise Galliumarsenid ist, das einen Brechungsindex von 3,5 hat, werden die Halbleitermedien so angeordnet, daß der Einfallwinkel etwa 74° beträgt. Der Brechungswinkel in den Übergang 47 beträgt dann etwa 16°.

Wenn die obenerwähnten Bedingungen durch eine geeignete Anordnung des zweiten Halbleitermediums 44 relativ zu dem ersten Halbleitermedium 1 erfüllt sind und wenn die Strahlung 3 in der dargestellten Weise in der Einfallebene polarisiert ist, tritt praktisch die gesamte Strahlung in den Übergang 47 ein, ohne daß eine Reflexion von der Oberfläche 55 erfolgt. Kein antireflektierender Überzug wird dann auf der Oberfläche 55 benötigt, und die Halbleitermedien können so nahe zueinander angeordnet werden, wie es mechanische Begrenzungen ermöglichen. Die empfangene Strahlung breitet sich durch den Übergang 47 mit exponentiell ansteigender Intensität aus und tritt durch die Oberfläche 58 aus, welche zweckmäßigerweise mit einem antireflektierenden Überzug 59 versehen ist. Die austretende Strahlung 16 hoher Intensität ist weiterhin in einer Richtung polarisiert, weil das zweite Halbleitermedium 44 eine kolineare Verstärkung bewirkt.

Claims (5)

Patentansprüche: 55

1. Optischer Sender mit einem Halbleiterdioden-Medium zur Erzeugung kohärenter Strahlung hoher Intensität, mit einem ersten und einem zweiten davon getrennt angeordneten monokristallinen, direkte Übergänge ermöglichenden Halbleitermedium, von denen jedes einen entartet p-leitenden und einen entartet n-leitenden Bereich sowie einen dünnen pn-übergang dazwischen aufweist, deren erstes bei Polung in Durchlaßrichtung kohärente Strahlung aus seinem pn-übergang in mindestens einer Richtung bei elektrischer Anregung oberhalb eines vorherbestimmten Schwellenwerts aussendet, wobei es mindestens zwei gegenüberliegende Oberflächen aufweist, die parallel zueinander und senkrecht zu seinem Übergang verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleitermedium (2) nicht parallel verlaufende Oberflächen (29, 30) aufweist, die seinen pn-übergang (23) schneiden und so getrennt von dem ersten Halbleitermedium verlaufen, daß die kohärente Strahlung auf den pn-übergang des zweiten Halbleitermediums durch eine der nicht parallelen Oberflächen auftrifft, ferner die in seinen pn-übergang eintretende kohärente Strahlung kolinear in Abhängigkeit von einer Vorspannung seines Übergangs in Durchlaßrichtung verstärkt, und daß die eine nicht parallele Oberfläche (29, 30) einen antireflektierenden Überzug (37, 36) mindestens im Bereich ihrer Schnittfläche mit dem pn-übergang des zweiten Halbleitermediums hat, so daß eine kohärente Strahlung (4) hoher Intensität aus dem zweiten Halbleitermedium austritt, deren Frequenz der von dem ersten Halbleitermedium ausgesandten kohärenten Strahlung gleich ist (F i g. 1, 2).

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Übergänge (13, 23) der beiden Halbleitermedien (1, 2) in einer gemeinsamen Ebene liegen.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch die andere nicht parallele Oberfläche [30 (29)], die gegenüber der einen Oberfläche [29 (30)] liegt, einen antireflektierenden Überzug (36, 37) mindestens im Bereich ihrer Schnittfläche mit dem pn-übergang (23) des zweiten Halbleitermediums (2) hat (Fig. 2).

4. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleitermedium (1) einen Schwellenstrom (Zy₁) zur Strahlungserzeugung durch stimulierte Emission in dem durch seinen pn-Ubergang (13) gebildeten Resonator hat, daß das zweite Halbleitermedium (2) einen Schwellenstrom (/_r2) zur Strahlungserzeugung durch stimulierte Emission in dem durch seinen pn-übergang (23) gebildeten Resonator hat und daß der Abstand zwischen den beiden Halbleitermedien klein genug ist, damit der ihnen gleichzeitig zuzuführende Gesamtstrom (I_Tc) zur Strahlungserzeugung durch stimulierte Emission in dem Sender niedriger als die Summe der einzelnen Schwellenströme (7_Tl) und (/_r2) ist.

5. Optischer Sender nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermedien (1, 44) so ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, daß der Einfallwinkel (56) der Strahlung (3) auf die eine nicht parallele Oberfläche (55) praktisch gleich dem Komplementwinkel des Brechungswinkels (57) der Strahlung (Brewster-Winkel) in den pn-übergang (47) des zweiten Halbleitermediums (44) ist, und daß die kohärente Strahlung (3) aus dem ersten Halbleitermedium (1) in der Einfallebene der Strahlung auf die eine nicht parallele Oberfläche (55) polarisiert ist (Fig. 3).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen