DE1297250C2 - Optischer Zender mit einem Halbleiterdioden-Medium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen 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 jecJcs einen entartet p-ieitenden und einen entartet n-lcitendcn 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.

Es ist bereits ein Halbleiterdioden-Laser bekannt (vgl. »Elektronik«, Nr. 3, März 1963, S. 78), der aus einem leicht trapezförmig geschnittenen GaAs-Würfel besteht, wobei die beiden nicht abgeschrägten Scitfiiwiinde genau planparallel poliert sind und das Licht senkrecht zu diesen Wänden austritt. Der pn-übergang in dem mit Tellur gedopten Galliumarsenid wird durch Eindiffundieren von Zink hergestellt.

Es ist auch bereits ein optischer Sender mit einem Halbleiterdioden-Medium vorgeschlagen worden (vgl. deutsche Patentschrift 12 20 054), das in Richtung der Übcrgangstlächc ausstrahlt, wobei mindestens zwei Ohmsche Kontaktclektroden auf ein und derselben und parallel zur Übergangsfläche verlaufenden Oberfläche des Halbleiterdioden-Mediums senkrecht aufgesetzt sind, unabhängig voneinander geschaltet werden können und, wenn ihr Strom einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, das Halbleitermedium zur Lichtstrahlung anregen. Bei der Lichterzeugung durch derartige optische Sender soll jedoch die Intensität unerwünschter Schwingungen oder von Streustrahlung od. dgl. möglichst klein gehalten werden, weshalb die optischen Sender nicht wesentlich über ihrem Schwellenwert erregt werden. Dadurch wird jedoch die Erzeugung kohärenter Strahlung hoher Intensität verhindert.

Um eine Lichtverstärkung vornehmen zu können, ist es bereits bekannt (vgl. »Elektronik«, Nr. 3, März 1963, S. 78), einem Halbleiterdioden-Laser ein relativ aufwendiges optisches System mit Linse, Spiegel und Photovervielfacherröhre nachzuschalten. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (vgl. deutsche Patentschrift I 1 86 148), Licht vom Ausgang eines ersten optischen Diodenlichtverstärkers zur Lichtverstärkung über ein verhältnismäßig aufwendiges opti-

lungsrückkopplung kann der optische Sender so ausgebildet sein, daß auch die andere nicht parallele Oberfläche, die gegenüber der einen Oberfläche liegt, einen antireflektierenden Überzug mindestens im Be-5 reich ihrer Schnittfläche mit dem pn-übergang des zweiten Halbleitermediums hat

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß die Halbleitermedien so ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind,

bilden, daß ei in der Nähe seines Schwellenwerts betrieben wird und trotzdem ohne ein aufwendiges optisches System die Erzeugung kohärenter Strahlung hoher Intensität gestattet.

Ein optischer Sender der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleitermedium nicht parallel verlaufende Oberflächen aufweist, die seinen pn-übergang

sches System mit einer Linse dem Eingang eines zweiten optischen Diodenlichtverstärkers z-izuführen. Um dabei eine Selbsterregung des Lichtverstärkers zu vermeiden, wird der Speisestrom der beiden optischen Lichtverstärker durch periodische Impulse moduliert, und verschiedene Bedingungen sind von der Laufzeit des Lichts zwischen den beiden optischen Lichtverstärkern und der Impulsfrequenz zu erfüllen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen opti- 10 daß der Einfallswinkel der Strahlung" auf die eine sehen Sender mit einem Halbleltermedium so auszu- nicht parallele Oberfläche praktisch gleich dem Komplementwinkel des Brechungswinkels der Strahlung (Brewster-Winkel) in den pn-übergang des zweiten Halbleitermediums ist, und daß die kohärente Strah-15 lung aus dem ersten Halbleitermedium in der Einfallsebene der Strahlung auf die eine nicht parallele Oberfläche polarisiert ist. Das hat den Vorteil, daß die gesamte einfallende polarisierte Strahlung gemäß dem Brewsterschen Gesetz gebrochen wird, also keine

schneiden und so getrennt von dem ersten Halb- 20 Teilreflektion erleidet, was eine unerwünschte Rückleitermedium verlaufen, daß die kohärente Strahlung kopplung bedeuten würde.

auf den pn-übergang des zweiten Halbleitermediums An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher

durch eine der nicht parallelen Oberflächen auftrifft, erläutert werden. Es zeigt

feiner die in seinen pn-übergang eintretende kohä- F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten

rente Strahlung kolinear in Abhängigkeit von einer 25 Ausführuiigsbeispiels des optischen Senders gemäß Vorspannung seines Übergangs in Durchlaßrichtung der Erfindung.

verstärkt, und daß die eine nicht parallele Oberfläche F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines abge-

einen antireflektierenden Überzug mindestens im Be- wandelten Ausführungsbeispiels des in Fig. 1 darreich ihrer Schnittfläche mit dem pn-übergang des gestellten zweiten Halbleitermediums des optischen zweiten Halbleitermediums hat, so daß eine kohärente 30 Senders und

Strahlung hoher Intensität aus dem zweiten Halb- F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren

lcitcrmedium austritt, deren Frequenz der von dem Ausführungsbeispiels des optischen Senders gemäß eisten Halbleitermedium ausgesandten kohärenten der Erfindung.

Strahlung gleich ist. Der in F i g. 1 dargestellte optische Sender mit

Unter kolincarer Verstärkung soll hier verstanden 35 einem Halbleiterdioden-Medium zur Erzeugung kowcrden, daß in den pn-Übeigang des zweiten Halb- härenter Strahlung hoher Intensität weist ein erstes leitermediums eintretende Strahlung ihre Richtung Halbleitermedium 1 und ein zweites Halbleiterbei Ausbreitung in dem pn-übergang unter gleich- medium 2 auf, das so angeordnet ist, daß es Strahzcitigcr Inlcnsitätsverstärkung beibehält, bis die lung 3 des ersten Halbleitermediums und verstärkte Strahlung aus dem Übergang aus der der Eintritts- 40 kohärente Strahlung 4 abgibt. Eine geeignete Anoberlläche gegenüberliegenden Oberfläche verstärkt regung der Halbleitermedien 1 und 2 erfolgt durch austritt, ohne daß eine Rückkopplung erfolgt. Anders eine schematisch dargestellte Impulsquelle 5 zur Erausgedrückt, bei einer kolinearen Verstärkung wird zeugung gleichpoliger elektrischer Impulse. Die Einciner sich in ;iner bestimmten Richtung ausbreiten- stellung des Anregungsverhältnisses wird durch die den elektromagnetischen Welle zunehmend Energie 45 Verbindung eines Ausgangsanschlusses 6 der Imzugcführt. Durch die kolineare Verstärkung wird pulsquelle 5 mit dem ersten Halbleitermedium 1 und

vorteilhafterweise eine hohe Verstärkung der vom ersten Halbleitcrmedium empfangenen Strahlung vorgenommen, wobei gleichzeitig die verstärkte

dem zweiten Halbleitermedium 2 über einstellbare Reihenwiderstände 7 und 8 erleichtert. Der Stromkreis wird von einem Erdanschluß 9 der Impuls-

Strahlung hinsichtlich Frequenz, Polarisation und 50 quelle 5 über ein gemeinsames Kopfstück 10 aus

Spektrum der vom ersten Halbleitermedium empfangenen Strahlung weitgehend gleicht und der Einfluß vieler Parameter des optischen Senders wie der Abmessungen des zweiten Halbleitermediums und seines

q g p

Leitermaterial geschlossen, welches die beiden Halbleitermedien verbindet und trägt. Ein Leiter 17 verbindet den Erdanschluß 9 und das Kopfstück 10. Das in Fig. 1 dargestellte erste Halbleitermedium 1

Abstands vom ersten Halbleitermedium auf die Strah- 55 ist ein einkristallines Halbleitermedium mit einem lung des ersten Halbleitermcdiums unterdrückt wird. entartet dotierten p-leitenden Bereich 11 und einem

entartet dotierten η-leitenden Bereich 12. Diese beiden Bereiche sind durch einen dünnen pn-übergang 13 getrennt. Ein nicht gleichrichtender Kontakt be-

Die vorteilhafte kolineare Verstärkung wird bei
dem optischen Sender gemäß der Erfindung dadurch
erreicht, daß die das zweite Halbleitcrmedium durchlaufende Strahlung die nicht zueinander parallelen ^6o steht zwischen dem p-leitenden Bereich 11 und einer Oberflächen durchsetzt und die eine nicht parallele ersten Elektrode 14 mit Hilfe einer akzeptorartigen Oberfläche einen antireflektierenden Überzug auf- oder elektrisch neutralen Lötschicht 15, während eine weist. Dadurch wird eine die kolineare Verstärkung nicht gleichrichtende Verbindung zwischen dem n-leibecinträchtigcnde Strahlungsreflexion und damit tenden Bereich 12 und dem Kopfstück 10 über eine -rückkopplung in dem zweiten Halbleitermedium 65 donatorartige oder elektrisch neutrale Lötschicht selbst und von ihm zum ersten Halbleitermedium besteht. Die Leiter 17 und 18 sind mit dem Kopfvermieden. stück 10 bzw. der Elektrode 14 beispielsweise ver-

Zur weiteren Verringerung der Gefahr einer Strah- schweißt oder verlötet. Gegenüberliegende Ober-

flächen 19 und 20 des ersten Halbleitermediums 1 sind so geschliffen oder poliert, daß sie genau parallel zueinander verlaufen, damit stehende Wellen in dem Halbleitermedium in dem Übergang 13 zur Erzeugung einer kohärenten Strahlung mit hohem Wirkungsgrad ausgebildet werden. Derartige parallele reflektierende Oberflächen 19 und 20 sind als Fabry-Perot-Platten bekannt.

Das zweite Halbleitermedium 2 ist ein einkristallines Halbleitermedium mit einem entartet dotierten p-leitenden Bereich 21 und einem entartet dotierten η-leitenden Bereich 22. Diese beiden Beieiche sind in entsprechender Weise durch einen pn-übergang 23 getrennt. Wie bei dem ersten Halbleitermedium 1 besteht ein nicht gleichrichtender Kontakt zwischen dem p-leitenden Bereich 21 und einer ersten Elektrode 24 durch eine akzeptorartige oder elektrisch neutrale Lötschicht 25, während ein nicht gleichrichtender Kontakt zwischen den η-leitenden Bereich 22 und dem Kopfstück 10 durch eine donatorartige oder elektrisch neutrale Lötschicht 26 besteht. Der Leiter 28 ist mit der Elektrode 24 beispielsweise verschweißt oder verlötet. Gegenüberliegende Oberflächen 29 und 30 des zweiten Halbleitermediums 2, welche im allgemeinen in der relativen räumlichen Anordnung den Oberflächen 19 bzw. 20 des ersten Halbleitermediums 1 entsprechen, sind jedoch aus noch zu erläuternden Gründen nicht planparallel geschliffen und poliert.

Die Schnittfläche des pn-Übergangs 23 und der Oberfläche 30 weist in Richtung der Strahlung 3 von dem ersten Halbleitermedium 1 einen Abstand auf. Vorzugsweise verlaufen die pn-Übergänge 13 und 23 im wesentlichen koplanar, falls die betreffenden pn-Übergänge eben sind, wie in F i g. 1 dargestellt ist. Damit die Kopplung der Strahlung von dem ersten Halbleitermedium 1 zu dem zweiten Halbleitermedium 2 begünstigt wird, ist der Abstand zwischen den Oberflächen 19 und 30 vorteilhaft sehr klein und beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 200 Wellenlängen der vom ersten Halbleitermedium 1 ausgesandten Strahlung. Ein Abstand unterhalb des Bereichs könnte den Wirkungsgrad der Oberfläche 19 als Fabry-Perot-Reflektor verringern. Ein beträchtlich größerer Abstand als entsprechend 200 Wellenlängen würde dagegen in vielen Fällen die Verwendung von Fokussierlinsen erforderlich machen, deren Vorhandensein normalerweise unerwünscht ist.

Erfindungsgemäß kann das zweite Halbleitermedium 2 die in seinen pn-übergang 23 eintretende kohärente Strahlung kolinear verstärken. Unter der Bezeichnung »kolineare Verstärkung« ist zu verstehen, daß in den pn-übergang des zweiten HaIbleitermediums 2 eintretende Strahlung praktisch in gleicher Richtung wie beim Eintritt sich entlang des pn-Übergangs mit Intensitätszunahme ausbreitet, bis die Ausbreitung in dem pn-übergang vollendet ist und die Strahlung aus dem Übergang aus der der Eintrittsfläche gegenüberliegenden Oberfläche verstärkt austritt, ohne daß eine Rückkopplung erfolgt. Die kolineare Verstärkung kann auch so erklärt werden, daß sie einer sich in einer bestimmten Richtung ausbreitenden Welle Energie zuführt. Eine Reflexion der Strahlung, die zu einer Rückkopplung in dem zweiten Halbleitermedium 2 führen könnte, wird auf einem Minimum gehalten, ebenso wi: die Reflexion von Strahlung zurück zu dem ersten Halbleitermedium 1, welche in den pn-übergang des zweiten Halbleitermediums 2 eingetreten ist. Deshalb wird eine Rückkopplung in dem zweiten Halbleitermedium 2 und eine Rückkopplung von dem zweiten Halbleitermedium 2 zu dem ersten Halbleitermedium 1 auf einem Minimum gehalten, wenn das zweite Halbleitermedium 2 eine kolineare Verstärkung in dem erwähnten Sinn durchführt.

In dem in F i g. 1 dargestellten optischen Sender gewährleistet das zweite Halbleitermedium 2 eine kolineare Verstärkung, indem die Oberfläche 29, aus welcher die verstärkte kohärente Strahlung hoher Intensität austritt, nicht parallel zu der Oberfläche 30 verläuft, auf welche die Strahlung 3 von dem ersten Halbleitermedium 1 zuerst auftritt, und indem der Widerstand 8 so eingestellt wird, daß eine ausreichende elektrische Anregung des Übergangs 23 erfolgt, um eine Inversion der Besetzungsverteilung in dem Übergang 23 auf einem Niveau zu erzeugen, das unter dem Schwellenwert liegt, bei welchem eine

*o stimulierte Emission in dem Übergang 23 erzeugt werden kann. Vorzugsweise ist jede der Oberflächen des zweiten Halbleitermediums 2, welche den Übergang 23 schneidet, im wesentlichen nicht parallel zu irgendeiner anderen dieser Oberflächen angeordnet, um eine Rückkopplung zu verringern.

Es ist aus verschiedenen Gründen wichtig, daß das zweite Halbleitermedium 2 eine kolineare Verstärkung ermöglicht, insbesondere um den Einfluß des zweiten Halbleitermediums 2 auf die Eigenart der vom ersten Halbleitermedium ][ ausgesandten Strahlung mit Ausnahme der gewünschten Erhöhung der Intensität klein zu halten, und um eine maximale Ausgangsintensität der Strahlung aus dem zweiten Halbleitermedium 2 zu gewährleisten. Die kolineare Ver-Stärkung verbessert die Wiedergabetreue des zweiten Halbleitermediums 2 und begünstigt, daß die davon austretende Strahlung mit Ausnahme der Intensität nahezu f^Ipich der empfangenen Strahlung ist. Ferner wird der Einfluß vieler Parameter des optischen Scnders wie der Abmessungen des zweiten Halbleitermediums 2 und dessen Abstand von dem ersten Halbleitermedium 1 auf die Frequenz, die Polarisation und die spektralen Eigenschaften der von dem ersten Halbleiterniedium 1 ausgesandten kohärenter Strahlung minimal gehalten.

Obwohl eine Rückkopplung in dem zweiten HaIbleiterrnedium 2 bewirkt werden kann, beispielsweise durch Erhöhung der inneren Reflexion an der Oberfläche 29, um den Verstärkungsfaktor des zweiter Halbleitermediums 2 zu erhöhen, ist dies bei den· zweiten Halbleitermedium des optischen Senders ge maß der Erfindung nicht wünschenswert, weil eine derartige Erhöhung der Verstärkung auf Koster einer Erhöhung des Einflusses der verschiedener Parameter des zweiten Halbleitermediums auf di< schließliche Ausgangsstrahlung hoher Intensität er folgen würde.

Eine geeignete Ausbildung des zweiten Halbleiter mediums 2 zur Erzielung der kolinearen Verstärkung erhöht auch die Ausgangsintensität, die mit den Sender erzielbar ist. Dies läßt sich durch die An nähme erklären, daß eine vorherbestimmte Anzah von Elektronen vorhanden ist, die in das Leitfähig keitsband durch jeine gegebene Größe des Anregung*

Stroms gebracht werden. Der Verstärkungsfaktor de zweiten Halbleitermediums 2 ändert sich in derselbei Richtung wie Änderungen der Stromdichte in den Übergang. Wenn reflektierte Strahlung, Streustrah

lung oder spontane Schwingungen zugelassen werden, um einen Teil der verfügbaren injizierten Elektronen zu verbrauchen, wird die Verstärkung des zweiten Halbleitermediums 2 bei der Frequenz der empfangenen Strahlung 3 verringert.

Der Verstärkungsfaktor des zweiten Halbleitermediums 2 wird in vorteilhafter Weise erhöht, ohne daß unerwünschte Reflexionen oder Rückkopplungen auftreten, indem die Länge des Übergangs in Richtung der empfangenen Strahlung erhöht wird. Allgemein betrachtet steigt die Intensität der Strahlung, die sich durch den pn-übergang des zweiten Halbleitermediums 2 ausbreitet, exponentiell mit dem zurückgelegten Abstand, weshalb eine verhältnismäßig kleine Erhöhung der Lange des Übergangs in Richtung der Wellenausbreitung zu einer beträchtlichen Erhöhung der nutzbaren Ausgangsleistung fuhrt.

Das Material zur Herstellung des ersten Halbleitermediums 1 und des zweiten Halbleitermediums 2 ist normalerweise monokristallin und kann im allgemeinen ein Mehrstoffhalbleiter oder eine Legierung von Mehrstoffhalbleitern der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente sein, welche Materialien als Halbleiter mit direktem Übergang (also Halbleiter, die direkte Übergänge von Elektronen zwischen dem Valenz- und dem Leitfähigkeitsband ermöglichen) bezeichnet werden. Dazu gehören beispielsweise Galliumarsenid, Indiumantimonid, Indiumarsenid, Indiumphosphid, Galliumantimonid und Legierungen ,davon sowie einen direkten Übergang ermöglichende Legierungen anderer Materialien wie Legierungen von Galliumarsenid und Galliumphosphid (das selbst keine direkten Übergänge gestattet) in dem Bereich von Null bis 50 Atomprozent von Galliumphosphid. Andere geeignete Materialien, die direkte Übergänge ermöglichen, sind Bleisulfid, Bleiselenid und Bleitellurid. In den zuletzt genannten Materialien ist Indium als Donator und ein überschüssiges Anion als Akzeptor geeignet. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung hängt von der Banddifferenz (Energiedifferenz zwischen dem Leitfähigkeitsband und dem Valenzband des ausgewählten Halbleiters) ab. Die Halbleitermaterialien für das erste Halbleitermedium 1 und das zweite Halbleitermedium 2 sind vorzugsweise solche Materialien, welche im wesentlichen dieselbe Banddifferenz aufweisen. Ferner werden das erste Halbleitermedium 1 und das zweite Halbleitermedium 2 voraugsweise aus demselben Halbleitermaterial hergestellt.

Sowohl der η-leitende als auch der p-Ieitende Bereich des Halbleitermediums 1 sind mit Donatoren bzw. Akzeptoren als Aktivatoren dotiert, um darin eine Entartung hervorzurufen. Im Sinne dieser Beschreibung kann ein Halbleitcrmedium als entartet η-leitend bezeichnet werden, wenn es eine ausreichende Konzentration überschüssiger Donatorträger oder als Donator dienender Verunreinigungen enthält, um dessen Fermi-Niveau auf einen Energiebetrag anzuheben, der größer als die minimale Energie des Leitfähigkeitsbands im Energie'banddiagramm des halbleitenden Materials ist. Bei einem p-leitenden Bereich bedeutet die Entartung, daß eine ausreichende Konzentration von überschüssigen Akzeptorträgern oder als Akzeptor dienender Verunreinigungen vorhanden ist, um das Fermi-Niveau auf eine Energie herabzusetzen, die niedriger als die maximale Energie des Valenzbands im Energiebanddiagramm des halbleitenden Materials ist. Eine Entartung kann im allgemeinen erzielt werden, wenn die überschüssige negative Leitfähigkeitsträgerkonzentration 10^l7/cm³ überschreitet oder wenn die überschüssige positive Leitfähigkeitsträgerkonzentration 10¹⁸/cm³ überschreitet. Das Fermi-Niveau eines derartigen Energiebanddiagramms entspricht der Energie, bei der die Wahrscheinlichkeit für die Anwesenheit eines Elektrons in einem speziellen Zustand gleich 1: 2 ist.
Die Materialien zur entarteten Dotierung der n- und p-leitenden Bereiche der verschiedenen Halbleiter, aus denen optische Sender gemäß der Erfindung hergestellt werden können, hängen von dem verwandten halbleitenden Material ab und müssen nicht in jedem Falle dieselben sein, obwohl diese Materialien derselben Klasse angehören können. So sind für alle Mehrstoffkörper der III. und der V. Gruppe Schwefel, Selen und Tellur als Donatoren, Zink, Cadmium, Quecksilber und Cäsium als Akzeptoren geeignet, während andererseits die Elemente Zinn, Germanium und Silizium entweder als Donator oder als Akzeptoren dienen können, was von dem speziellen Halbleiter und dem Herstellungsverfahren abhängt. Zum Beispiel sind sie alle Akzeptoren in Galliumantimonid, das aus einer stöchiometrischen Schmelze gezogen ist. In Indiumantimonid ist Zinn ein Donator, während Germanium und Silizium Akzeptoren sind. In den restlichen Halbleitern mit direktem Übergang der Gruppe A HI/B V sind Zinn, Germanium und Silizium alle Donatoren. Irgendein Donator- und Akzeptorpaar, das eine ausreichend hohe Löslichkeit für das zur Herstellung des HaIbleiterkristaüs verwandte Material besitzt, kann dazu verwandt werden, die entartet dotierten Bereiche des ersten Halbleitermediums 1 und des zweiten HaIbleitermediums 2 zu bilden.

Obwohl eine Anzahl Verfahren zur Herstellung des ersten Halbleitermediums 1 und des zweiten Halbleitermediums 2 Verwendung finden kann, soll im folgenden ein besonders zweckmäßiges Herstellungsverfahren erläutert werden. Ein optischer Sender der in F i g. 1 dargestellten Art kann ausgebildet werden, indem ein längliches Plättchen aus einem monokristallinen Rohling aus η-leitendem Galliumarsenid verwandt wird, das zu etwa 10¹⁸ Atomen/cm³ mit Tellur dotiert wird. Die Dotierung wird in zweckmäßiger Weise durch Ziehen aus einer Schmelze aus Galliumarsenid erzielt, die mindestens 5χ10¹⁸ Atome Tellur/cm³ enthält, damit der erhaltene Kristall entartet η-leitend ist. Ein pn-übergang wird in einem horizontalen, an eine Oberfläche angrenzenden Bereich des Kristalls durch Eindiffusion von Zink ir alle Oberflächen davon bei einer Temperatur vor etwa 900° C während etwa einer halben Stunde her gestellt, wobei ein evakuiertes abgedichtetes Quarz· rohr Verwendung findet, das den Galliumarsenidkristall und 10 mg Zink enthält. Der so ausgebildet« pn-übergang liegt etwa 0,05 mm unter den Ober flächen des Kristalls. Das kristalline Plättchen wire dann ausgeschnitten und geschliffen, um den p-Ieiten den Bereich mit Ausnahme in dem Bereich in de Nähe einer horizontalen Oberfläche zu entfernen.

Dann werden die beiden Halbleitermedien au dem Halbleiterkristall ausgeschnitten. Das erste Halb leitermedium kann in vorteilhafter Weise eine Dieb von 0,5 mm und eine jeweilige Kantenlänge voi 0,4 mm besitzen. Das zweite Halbleitermedium ', kann in vorteilhafter Weise eine Dicke von 0,5 mr und eine Kantenlänge von 0,4 mm für diejenige

Kanten besitzen, die quer zu der Richtung verlaufen, in welcher sich der Übergang linear erstreckt und in welcher Richtung die Ausbreitung der zu verstärkenden Strahlung erfolgt. Jede gewünschte Länge entlang der anderen Kanten, welche den gewünschten Übergangsbereich und die Länge des Ausbreitungswegs gewährleistet, um die gewünschte Ausgangsleistung des zweiten Halbleitermediums 2 zu erzielen, kann Verwendung finden. In vorteilhafter Weise beträgt die letztere Abmessung zwischen 0,2 und 2 mm. Zwei gegenüberliegende Oberflächen des ersten Halbleitermediums werden dann abgespalten oder auf optische Glätte poliert, so daß sie im wesentlichen exakt planparallel sind und senkrecht zu dem pn-übergang verlaufen.

Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, werden die Halbleitermedien zweckmäßigerweise auf einem gemeinsamen Kopfstück angebracht, das aus einem guten elektrischen und Wärmeleiter wie Kupfer, Silber oder Aluminium besteht. Danach werden die betreffenden Elektroden an den Halbleitermedien angelötet. Bei der Verwendung des erwähnten Galliumarsenids ist ein geeignetes Akzeptor-Lötmaterial eine Legierung von 3 Gewichtsprozent Zink mit dem Rest Indium. Ein geeignetes Donator-Lötmaterial ist beispielsweise Zinn. Die Halbleitermedien werden auf dem Kopfstück für einen optischen Sender der in Fig. 1 dargestellten Art so angeordnet, daß die Übergänge in einer Ebene liegen. Zum Betrieb des in F i g. 1 dargestellten optischen Senders werden vorteilhafterweise dem ersten Halbleitermedium 1 und dem zweiten Halbleitermedium 2 Gleichstromimpulse hoher Stromdichte zugeführt. Um eine Überhitzung zu vermeiden, wird eine Impulsbreite zwischen etwa 1 und lOjisec gewählt. Da festgestellt wurde, daß der Schwellenwert für die stimulierte Emission kohärenter Lichtstrahlung beispielsweise für Galliumarsenid-Dioden von der Temperatur der Diode abhängt, kann es zweckmäßig sein, das erste Halbleitermedium 1 und das zweite Halbleitermedium 2 auf einer niedrigen Temperatur zu halten, um den Schwellenwert für die stimulierte Emission zu erniedrigen und die Verwendung einer Stromquelle für hohe Stromstärken zu vermeiden, oder um in gewissen Fällen eine kontinuierliche Betriebsweise zu ermöglichen.

Wenn die Halbleitermedien aus Galliumarsenid bestehen und in ein Dewar-Gefäß mit flüssiger Luft bei etwa 77° K eingetaucht werden, tritt der Schwellenwert der stimulierten Emission für kohärente Strahlung bei etwa 1000 A/cm² auf und fällt auf weniger als 100 A/cm² bei 20° K. Wenn der Übergang des ersten Halbleitermediums 1 und des zweiten Halbleitermediums 2 eine Flächen größe von jeweils etwa 0,001 cm² besitzt, reicht bei 77° K eine 2-A-Stromquelle und bei 20° K eine 0,2-A-StromquelIe aus.

Ein zweckmäßiges Verfahren zum Betrieb des in F i g. 1 dargestellten optischen Senders besteht darin, daß die veränderlichen Widerstände 7 und 8 auf ihren betreffenden maximalen Widerstand eingestellt werden und die Impulsquelle 5 erregt wird. Der Widerstand 7 wird danach so eingestellt, daß er einen geringen Widerstand bietet, was zu einer Erhöhung der Stromdichte in dem Übergang des ersten Halbleitermediums 1 führt. Die Intensität des aus dem ersten Halbleitermedium 1 austretenden Lichts wächst praktisch linear mit der Stromdichte, und das Licht ist inkohärent. Bei einer weiteren Erniedrigung des äquivalenten Reihenwiderstands des Widerstands 7 steigt die Intensität des aus der Oberfläche 19 und der Oberfläche 20 (falls diese nicht total reflektiert) austretenden Lichts nichtlinear, und das Licht wird plötzlich kohärent. Die Kohärenz wird durch Beugungsmuster senkrecht zu der Ebene des Übergangs angezeigt, was eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen dem Licht bedeutet, das von verschiedenen seitlichen Teilen des pn-Übcrgangs 13 des ersten

ίο Halbleitermediums 1 emittiert wird. Gemäß der Erfindung wird das erste Halbleitermedium 1 praktisch bei dem Schwellenwert für die kohärente Strahlung, d. h. bei einer Stromdichte betrieben, bei welcher die kohärente Strahlung beginnt. Danach wird der veränderliche Widerstand 8 kontinuierlich einjustiert, um eine Erniedrigung des Reihenwiderstands zu bewirken, bis die gewünschte Intensität kohärenter Strahlung von der Oberfläche 29 des zweiten Halbleitermediums 2 austritt. Deshalb wird der pn-Übergang des zweiten Halbleitermediums 2 in Durchlaßrichtung hinreichend vorgespannt, um darin eine Inversion der Besetzungsverteilung zu bewirken. Das zweite Halbleitermedium 2 ist auf Stromdichten unterhalb seines Schwellenwertes für kohärente Strahlung begrenzt, so daß nur eine kolineare Verstärkung der von dem ersten Halbleitermedium 1 empfangenen Strahlung in dem pn-übergang 23 des zweiten Halbleitermediums 2 auftritt. Die empfangene Strahlung wird ohne weiteres in ihrer Intensität verdoppelt, wenn die Länge des Übergangs 23 in Richtung der Wellenausbreitung nur etwa 0,4 mm beträgt.

F i g. 2 zeigt eine Ansicht eines kolinear verstärkenden zweiten Halbleilermediums 35 mit antireflektierenden Überzügen 36 und 37, das aber sonst wie das zweite Halblcitermedium in F i g. 1 ausgebildet ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten mit Ausnahme der zu erläuternden Abwandlungen. Die Überzüge 36 und 37 auf den Ober-

flächen 30 und 29 machen das zweite Halbleitermedium 35 weiter dazu geeignet, eine kolineare Verstärkung zu bewirken. Der Überzug dient neben der Verringerung innerer Reflexionen auch dazu, den Wirkungsgrad des zweiten Halbleitermediums beim Empfang von Strahlung zu erhöhen, die von dem ersten Halbleitermedium 1 auf dessen pn-übergang fa It. Wenn die Querabmessung des Übergangs 23 relativ zu der Richtung der gewünschten Wellenausbreitung mit der Länge des Übergangs 23 in

Richtung der Ausbreitung vergleichbar ist, sind derartige Überzüge an den Seitenflächen von Vorteil, um Schwingungen in Querrichtung zu verhindern.

Die eine Reflexion verhindernden Überzüge werden vorteilhaft so ausgebildet, daß deren Dicke etwa

gleich ungeradzahligen Vielfachen von ein Viertel Wellenlänge m Richtung der Wellenausbreitung ist. . ⁿ «^sonders geeignetes Material für diese Überzüge ist Silrziummonoxyd, das ohne weiteres auf die Oberflächen des zweiten Halblcitermediums aufge-

γΓΪ ^{Werden kann}· S'l'ziummonoxyd ergibt eine Oberflächenpassivierung, beispielsweise von Galliumarsenid, und hat ferner einen Brechungsindex, der zwischen demjenigen von Luft und Galliumarsenid liegt. Die letztere Eigenschaft ist sehr wünschenswert, u^miu,^{inCn glatten} °P^tiscfien Übergang in und aus dem Halbleitermedium zu gewährleisten. Im Idealfall ist der Brechungsindex des Materials für die reflektierenden Überzüge gleich der Wurzel aus dem Bre-

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chungsindex des Halbleitermediums, wenn die WeI- wird. Bei diesen Bedingungen senden Halbleiterlenausbreitung in oder aus Vakuum, Luft oder an- medien oft eine Strahlung aus, die nicht nur köderen Gasen erfolgt, deren Brechungsindex etwa härent, sondern auch polarisiert ist. Normalerweise gleich 1 ist. Der Überzug wird auch vorteilhaft so verläuft die Richtung der Polarisation senkrecht zu ausgewählt, daß er in an sich bekannter Weise 5 der Ebene des pn-Übergangs, aus dem die Abstrahmenrere Schichten aufweist. lung erfolgt.

F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Das in F i g. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel Heoptischen Senders gemäß der Erfindung. Der op- fert eine kohärente Strahlung 60 hoher Intensität, die tische Sender enthält ein erstes Halbleitermedium 1, außerdem polarisiert ist. Die Richtung der Polarisadas im wesentlichen genau wie in Fig. 1 ausgebil- io tion oder des dargestellten elektrischen Feldvektors £ det ist und auf einem Kopfstück 40 aus Leitermate- verläuft senkrecht zu der Ebene des Übergangs 47. rial angeordnet ist. Das Kopfstück 40 ist entlang Die Polarisation der Strahlung 60 wird durch die einer Querlinie 41 abgebogen, so daß sich zwei Strahlung 3 von dem ersten Halbleitermedium 1 bewinklig zueinander versetzte Abschnitte 42 und 43 wirkt, auch wenn diese nicht polarisiert ist. Ein beergeben. Das zweite Halbleitermedium 44 hat einen i₅ sonders vorteilhafter optischer Sender ergibt sich entartet p-leitend dotierten Bereich 45, einen ent- jedoch, wenn die Strahlung 3 in der dargestellten artet η-leitend dotierten Bereich 46 sowie einen Weise in der Einfallebene auf die Oberfläche SS des ebenen pn-übergang 47 zwischen und angrenzend an zweiten Halbleitermediums 44 polarisiert ist.
die Bereiche 45 und 46. Nach dem Gesetz von Brewster wird praktisch

Im Gegensatz zu F i g. 1 sind getrennte Impuls- 20 die gesamte Strahlung gebrochen und kein Anteil quellen 48 und 49 für das erste Halbleitermedium 1 reflektiert, wenn in der Einfallebene polarisierte bzw. das zweite Halbleitermedium 44 vorgesehen. Strahlung auf eine Oberfläche unter einem Einfall-Die Impulse von den Impulsquellen 48 und 49 wer- winkel auffällt, bei welchem die reflektierten Strahlen den in Abhängigkeit von elektrischen Signalen aus- senkrecht zu den gebrochenen Strahlen liegen. Desgelöst, welche von einer Impuls-Synchronisiereinrich- 25 halb werden die beiden Halbleitermedien vorteilhaft tung 50 empfangen werden, welche zweckmäßiger- so zueinander angeordnet, daß der Einfallwinkel 56 weise einstellbar ist, um die zeitliche Beziehung zwi- der Strahlung 3 auf die Oberfläche 55 etwa gleich sehen den Impulsen zu steuern, welche von den Im- dem Komplement des Brechungswinkels 57 der pulsquellen 48 und 49 abgegeben werden. Die Im- Strahlung (Brewster-Winkel) in dem zweiten Halbpulsquelle 48 ist mit dem ersten Halbleitermedium 1 3° leitermedium 44 ist, d. h. also, die Summe der Winkel über den einstellbaren Reihenwiderstand 7 und den 56 und 57 angenähert 90° beträgt. Die Oberfläche 55 Leiter 18 verbunden, wobei der Stromkreis durch ist so abgespalten oder geschnitten, daß sie den Übereinen Leiter 51 vervollständigt wird, welcher mit gang 47 unter einem Winkel schneidet, der etwa dem Teil 42 des Kopfstücks 40 verbunden ist. In ent- gleich dem Einfallwinkel 57 ist.
sprechender Weise ist die Impulsquelle 49 mit dem 35 In dem üblichen Fall, bei dem der Brechungszweiten Halbleitermedium 44 über einen einstell- index des Mediums zwischen den beiden Halbleiterbaren Reihenwiderstand 52 und einen Leiter 53 ver- medien praktisch gleich 1 ist, beispielsweise in Vabunden, wobei der Stromkreis über einen Leiter 54 kuum, Gas, flüssigem Stickstof! oder Sauerstoff, geschlossen ist, der mit dem Teil 43 des Kopfstücks wird der Einfallwinkel 56 vorteilhaft so ausgewählt, 40 verbunden ist. Es ist nicht erforderlich, daß das 40 daß er im wesentlichen gleich dem Winkel ist, dessen Kopfstück 40 ein kontinuierlich leitendes Glied ist, Anstieg gleich dem Brechungsindex des Halbleiterobwohl es vorzuziehen ist, daß das Kopfstück 40 ein materials ist, aus dem das zweite Halbleitermedium kontinuierliches Glied ist, um dem optischen Sender 44 hergestellt ist. Wenn das Halbleitermaterial beieine ausreichende mechanische Steifigkeit zu ver- spielsweise Galliumarsenid ist, das einen Brechungsleihen. 45 index von 3,5 hat, werden die Halbleitermedien so

Der Grund für die Verwendung getrennter Im- angeordnet, daß der Einfallwinkel etwa 74° beträgt,

pulsquellen ist darin zu sehen, daß die Halbleiter- Der Brechungswinkel in den Übergang 47 beträgt

medien besser elektrisch isoliert werden können. dann etwa 16°.

Getrennte Impulsquellen ergeben ferner einen be- Wenn die obenerwähnten Bedingungen durch eine sonders zweckmäßigen optischen Sender mit ge- 5° geeignete Anordnung des zweiten Halbleitermediums wünschtenfalls sehr schmalen Impulsbreiten, indem 44 relativ zu dem ersten Halbleitermedium 1 erfüllt die Synchronisiereinrichtung 50 so einjustiert wird, sind und wenn die Strahlung 3 in der dargestellten daß nur eine verhältnismäßig kleine steuerbare Zeit Weise in der Einfallebene polarisiert ist, tritt prakder Überlappung von Impulsen bewirkt wird, welche tisch die gesamte Strahlung in den Übergang 47 ein, von den beiden Quellen geliefert werden (Impuls- 55 ohne daß eine Reflexion von der Oberfläche 55 ercodemodulation). Getrennte Quellen können auch folgt. Kein antireflektierender Überzug wird dann im Falle des optischen Senders in F i g. 1 Verwendung auf der Oberfläche 55 benötigt, und die Halbleiterfinden. Vorzugsweise ist die Synchronisiereinrich- medien können so nahe zueinander angeordnet wertung 50 so ausgebildet, daß sie ein Signal liefert, den, wie es mechanische Begrenzungen ermöglichen welches gewünschtenfalls eine stetige Anregung der 60 Die empfangene Strahlung breitet sich durch der Übergänge 13 und 47 durch die Impulsquellen 48 Übergang 47 mit exponentiell ansteigender Intensität bzw. 49 bewirkt. aus und tritt durch die Oberfläche 58 aus, welch«

Wie bereits beschrieben wurde, ermöglicht die Er- zweckmäßigerweise mit einem antireflektierendei findung die Erzeugung kohärenter Strahlung hoher Überzug 59 versehen ist. Die austretende Strahluni

Intensität, wenn das erste Halbleitermedium 1 ledig- 65 16 hoher Intensität ist weiterhin in einer Richtunj

lieh in der Nähe seines Schwellenwerts für eine polarisiert, weil das zweite Halbleitermedium 44 ein«

stimulierte Emission kohärenter Strahlung angeregt kolineare Verstärkung bewirkt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

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 St.ahlung aus seinem pn-Cbergang in mindestens einer Richtung bei elektrischer Anregung oberhalb eines vorherbestimmten Schwellenwerts aussende!, 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-Ubergang (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 koiinear in Abhängigkeit von einer Vorspannung seines Übergangs in Durchlaßrichtung verstärkt, und daß die eine nicht parallele Oberfläche (29, 30) einen antireflektierenden Überzug (37, 36) mindestes im Beieich ihrer Schnittfläche mit dem pn-übergang des zweiten Halbleitermediunis 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 (Fig. 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 Halbleitermcdiums (2) hat (Fig. 2).

4. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleitermedium (1) einen Schwellenstrom (/_ri) zur Strahlungserzeugung durch stimulierte Emission in dem durch seinen pn-übergang (13) gebildeten Resonator hat, daß das zweite Halbleitermedium (2) einen Schwellenstrom (/·/-.,) 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 (Z₇-,.) zur Slrahlungserzeugung durch stimulierte Emission in dem Sender niedriger als die Summe der einzelnen Schwellenströme (/_7l) und (I₇-,,) 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 (F i g. 3).