DE1489969A1

DE1489969A1 - Verfahren zur Modulation eines Lichtstrahles mittels einer elektrischen Spannung

Info

Publication number: DE1489969A1
Application number: DE19651489969
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Migitaka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1964-07-29
Filing date: 1965-07-27
Publication date: 1969-05-08
Also published as: US3458703A; NL6509838A; GB1102749A

Description

Patentanwalt· . Oipl-Ing R.B^tzu. 81/1Ο767Ρ-Γ iu, Ojpi-Ing. Umpr«dit

17-9.1968 P IU 89 969. 5

(H 56 7Ο3 VIIIc/21g)

Verfahren mur Modulation ·1η·ο Lichtstrahles Mittels einer elektrisofaen Spannung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren xur Modulation eines Lichtstrahles mittels einer elektrischen Spannung«

Bei eine« bekannten Verfahren dieser Art erfolgt dlo Modulation eines Lichtstrahles in der Weise, daß der durch eine GaAs-Laser-Diode fließende Durchlaßetron verändert . wird· Die Sperrschicht liegt dabei an einer in Durchlaßrichtung gepolten Vorspannung, so daß sie eine relativ kleine Impedanz aufweist, eine Anpassung der Ivpedans an die Modulationaslgnalquelle Schwierigkeiten Macht und «ur Modulation eine erhebliche Leistung erforderlich ist· *

Zur Liohtnodulation finden außerdeM bisher svei Verfahren Anwendung, und zwar ein Mechanisches Verfahren und ein Verfahren unter Ausnutzung des sogenannten Kerr-Effektes bei Verwendung eines Dielektrikums wie oder dergleichen·

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Da· Mechanische Verf«br«η besitzt den Nachteil, daß 41« Modulationefrequens auf den Tonfroquenzbereich oder sogar auf noch darunter liegende Frequenzen begrenzt ist, da dl· Lichtintensität hierbei durch Veränderung einer i« Veg de· Lichtstrahls angeordneten öffnung Moduliert wird. Das ■weite Verfahren weist den Nachteil auf, daß polarisiertes Lioht erforderlich ist, daß weiterhin eine hohe Spannung ▼on beispielsweise 1000 bis 2000 Volt für das dielektrische Bleaent bentttigt wird, daß ferner für die Modulation eine beträchtliche Leistung von über 10 W erforderlich ist and «lsb ein beträchtlicher Lichtverlust (von e'twa 6 db) isj Dielektrikum ergibt.

Der Srfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingang· genannten Art zu schaffen, daß unter Veraeldung der genannten Nachteile eine Anpassung der Impedan· an die Modulationssignalquelle ohne Schwierigkeiten Mttgliob ist und die Modulation nur eine relativ geringe

Leistung erfordert«

Di· Lösung gsMÜB der Erfindung beruht auf der Ire ehe inung, daß sloh bein Durchtritt von Lloht «it einer bestieaotea Wellenlänge durch einen Halbleiter der Absorptionskoeffiaient der einzelnen Bereiche des Halbleiters in Abhängigkeit von der Ladungsträgerverteilung in Halbleiter ändert, wobei diese Ladungsträgerverteilung von einer Vorspannung abhängt.

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Di· genannte Aufgabe wird daher erfindungsgen&0 derart gelQst« OmB durob «in· an einer Gegenvorspannung liegende Haibleiter-Sperrecnioht, deren Stärke von der modulierenden Spannung gesteuert wird, ein von einer gesonderten Lichtquelle ausgesandtor, nicht Modulierter₍ «onochro-■atiseher Lichtstrahl hindurcbgesandt wird, dessen Ehergiewert de· 0,8- bis 1,2fachen Vert des Halbleiter-Knergiespaltes entspricht.

Sinselheiten nur Xrlttuterung der Erfindung gehen aus I der folgettdan Beschreibung einiger in der Zeichnung veranscbauliehter Diagraasae und Yorriohtungen sur Ausfuhrung des erfindungsgevKBen Verfahrens hervor. Bs seigern

· 1 a und 1 b Inergiediagraaae einer Halbleiteranordnung des p-Tjrpa und des n-Typs;

Fig· 2 a eine Aufsioht auf eine Halbleiteranordnungι

Fig· S b eine Seitenansicht der Halbleiteranordnung genttfi Flg. 2 at

Fig· 3 ein weiteres AusfUhrungsbeiepiel der Anordnung ι

Fig. k ein weiteres Ausftthrungsbeiepiel der Anordnung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung, aus der die

Herstellung einer Sperrschicht in eines) Halb leiter hervorgeht.

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Ein nit Störstellen des p-Typs odor η-Typs versehener Halbleiter besitzt bei Umgebungstemperatur in seinen Valenzband oder Leitungsband eine Anzahl von LBchorn oder Elektronen. Die Fig· 1 a und 1 b zeigen dio Energieebenen, die diesen Zustanden entsprechon. Fig. 1 a zeigt die Iteerffieebenen eines Halbleiters des p-Typs und Fig. 1 b die oin-j? Halbleiters des η-Typs. Hierbei stellt E_Q dio Energieebone des Bodens des Leitungsbandes dar, E die der Oberseite dos Valensbandes, S eine Akseptorebene, E ' die Energieebene

. des Elektrons mit der höchsten Energie iin Valenzband, E, eine Donorebene und E " die niedrigste freie Energieebono, die in Leitungsband ein neues Elektron aufnehmen kann. DIo zwischen de« Boden des Leitungsbandes und der Oberseite des Valensbandes vorhandene Bnergiedifferens (E -E), dia Energiespelt genannt wird, wird nit E bezeichnet. Dio Lichtenergie wird durch den Ausdruck h9 gegeben, wobei h das Planck*sehe Virkungsquantutn und^ die Lichtfrequenz ist. Die Fig. 1 a und 1 b seigen, wie ein Eloktron im Valenzband durch Licht mit der Energie h9 ' oder hy" in das Lei-

* tungsband gehoben wird· VIe aus den Fig. 1 a und 1 b hervorgeht, erfolgt diese Erregung eines Flektvons nicht bereits durch Licht, das nur eine etwas größere Energie als der Energiespalt E besitzt. Damit bei oinem Halbleiter des p-Typs (Fig· Ic) ein Elektron erregt wird, muß es eino zusätzliche Energie erhalten die wenigstens dor Differenz (E^-E_n ¹) χύτ Oberseite des Valenzbandes entspricht, da fooi einem Halbleiter des p-Typc an der Obereeite d«e Valenss-

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bandes Löcher sind und sich das su errcgond© Elektron in einer niedrigeren Ebene befindet. Wenn bei oinem Halbleiter des N-Typs (Fig. 1 to) ein Elektron von der Oborceito des Valenzbandes in einen freien Zustand (d. h. in einen Über der Energieebene E_R" gemäß Fig. 1 b liegenden Zustand) gelangen soll, kann «regen des Vorhandenseins von Elektronen im unteren Bereich dee Leitungsbandes nur solches Licht aur Erregung des Elektrons führen, dessen Energie um wenigstens die Energieebenen (E_n ^--E₀)» <**· ^im unteren Bereich des Leitungsbandes von Elektronen besetzt sind, größer als

* der Energiespalt ist. Da es jedoch in einer Sperrschicht

bei einen Halbleiter des η-Type kein Elektron und bei einem

Halbleiter des p-Typs kein Loch gibt, erfolgt hier eine Erregung bereits durch Licht, dessen Energie größer als der Energiespalt E in der Sperrschicht ist. Der Absorptionskoeffizient für Licht, dessen Energie etwa gleich der des Energiespaltee ist, ist daher in der Sperrschicht groß und in anderen Bereichen des Halbleiters klein. Auf der Ausnutzung dieses Prinzips beruht die Erfindung.

Die Stärke der Sperrschicht einer p-n-Schicht läßt sich leicht mittels der an diese p-n-Schicht gelegten Spannung ändern» Wird insbesondere eine umgekehrte Vorspannung an. die Sperrschicht gelegt, so werden die Impedanz der Schicht □ehr groß und demgemäß die für die Modulation erforderliche Leistung sehr gering. Da ferner in diesem Fall die Schichtkapazität der p-n-Schicht klein gemacht werden kann, sind sogar eine Hochfroquenzmodulation möglich und eine Spannung

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Ton wenigen Volt ausreichend. Während ferner bei dem eingang* genannten bekannten Verfahren (unter Vervendung von KH.HJP(K oder KHJPO. ) polarisiertes Licht erforderlich ist, wird die· erfind ungsgeollß nicht benötigt.

Wenngleich es erwünscht ist, daß in einem Halbleiter dl· Störstellenkonsentration gering ist, do die Änderung der Grenssohioht durch die Spannung um ao größer ist, Jo kleiner die Störstellenkonsentration lot, ·ο iet ea andererseits doob günstig, das Leitungsband soweit w£e KOgIIcIx Te« atodea nit Ladungstrftgern oder das Valenzband soweit vi· Mtfglieh von der Oberseite au füllen, um eine große Differens «wischen den Absorptionekoeffizienten der Sperrsohioht und den der anderen Bereiche des Halbleiters für •1a bestimmtes Licht zu-ersielan. Vm dies bei einer niedrigen Stürstellenkonsentration zu erzielen, ist ein Halbleiter erwünscht, dessen Elektronen oder Löcher ein» kleine effektiv« Nasse besitzen. Das Verhältnis der effektiven Maas· «Ines Blektrons (n) oder sines Loches (p) eines Halbleiter« Bü der eines freien Elektrons ist 0^02 (n) und 0,5 (p) fttr InSb, 0,07 (n) und 0,5 (p) *ttr GaAs, 0,55 (n) und Ot35 (p) fttr Gs und 1₍O0 (n) und 0,58 (p) fttr Si_r FOr die erfindongsgsMäßen Zwecke ist daher eine Halbleitersueamraensetsung der Gruppe ZII-V, wie InSb, GaAs od. dgl» geeignet.

Die Flg. 2 a und Z b zeigen eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen GaAo-Olode. Si« wird hergestellt, indem Zn in eine Oberfläche einer Platte 1 von

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n-Typ-OaAs nit einer Stärke von 100 *u bis auf eine Tiefe von etwa 50 M nur Bildung einer p-Typ-Schicht 2 eindIffundiert wird» Die Diode wird »eea-geätzt, so daß eine "Meaa-Diode* entsteht. Aa die Diode werden dann Molybdän-Elektroden 3 und k aagelutet· Das so gebildete Element wird an Flilohen, die senkrecht *ur Schicht liegen, parallel auf eine Stärke von 300 ax geschliffen, woraufhin eine bekannte GaAs-Laser-Diode an einer Oberflache angeordnet wird, so defl die Schiebten der beiden Dioden aufeinander ausgerichtet sind. Fig. 3 selgt eine derartige Anordnung» An die

OaAs-Dlode to wird fiber eine Spannungsquelle 11, einen veränderlichen Widerstand 12 und eine Signalquelle 13 eine uegekehrte Yorspanntmg gelegt. Xn der Nähe der p-n-Sobicht wird durch die Speimong der Spannungequelle 11 eine Sperreehioht gebildet, 4erejn_v Stärke dureh des von der Signelquel-Ie 13 gelieferte Signal geändert wird. Auf der einen Seite der Diode 10 let die QaAs-Laser-Diode 15 engeordnet, wobei daswiaohen eine durchsichtige Isolierschicht Ik₉ beispielsweise eine Mioe-Bchloht, vorgesehen ist· Die Laser-Diode besteht aas einer eigentlichen llohteoittierenden Diode 16 , und den hiermit verbundenen Elektroden 17 und 18· An der der Diode 10 angewandten Seite der p-n-Sohloht der Laser-Diode ist ein Netallreflektor 20 vorgesehen, der durch Aufdaapfen von Alanin!;*« gebildet sein kann, wobei daawlsohen eine durobeichtlge Schicht 19 angeordnet ist. Wenn ein StroM in der OrBC anordnung von 500 A/o· in Torwartsrichtung deren die Laaer-Diode flieflt, eo wird Licht lttng" der p-n-Sohlcht

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emittiert. Durch den Reflektor 20 vird dae emittierte Licht der Laser-Diode auf die Diode 10 geworfen. Ee tritt durch die Diode 10 hindurch und calangt in einen beispielsweise ' durch ein· Fotoselle 21 gebildeten Detektor. Die Durchlas» algkeit der Diode 10 fUr das Licht wird durch die Signalquelle 13 beeinflußt·

Inden eine Wechselspannung von einigen Volt einer der Modulationediode angeführten Gegenvorepannung von 3 V über-

_k lagert wird* kann das von der Laser-Diode emittierte Licht

um «ehr als 10 JC Moduliert werden. Die Modulation läßt sich dabei ttber einen Bereioh von Mehr als 10 MHs durchführen.

Bei de« in Fig. 3 dargestellten Aasführungsbeiepiel betragen die Tiefe der prTyp-Dii'fueiOBieechicht 30 yü und die Breite und Lttnge 0,5 W baw, 10 mm. Durch Anlegen einer Modulationeapannung von 2 V läßt sich eine Modulation des Lichtes von etwa 5 % feststellen· Die Moduletionsfrequens kann 20 MHs betragen. *

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. k_t. bei der die geattA Fig· 3 erläuterte Anordnung auf einer Grundplatte vorgesehen ist. Eine n-Typ-GaAs-Grundplatte 30 besitzt auf einer Seite p-Typ-Diffusionsschichten 31, 32 und 33» die durch selektive Diffusion von Zn gebildet sind. Metallelektroden 35» 36 und 37 sind auf die Schichten aufgedampft. Eine Halbleiteranordnung dieser Ausführung

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läßt sioh nach den heutigen Stand dor Technik ohne voitore» herstellen«

Von den drei auf dor n-Typ~GaAo-Grtmdplatto gebildeten drei Dioden dient die Diode 31 sur Llchtetniosion, clie Diode 32 als Modulationediode und dio Diode 33 als Fotodetektor . Spannungsquellen 38» 39 und kO sur Erzeugung von Vor»
spannungen, eine Signalquelle M, ein veränderlicher Widerstand kZ und ein Ausgangswiderstand k3 sind in der aus Fig. h ersichtlichen Weise angeschlossen. Das duroh die Diode 31 emittierte Lieht wird durch die Diode 32 moduliert und dui'ch die Diode 33 aufgenommen.

Vie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, besitzt das orfindungsgetnäße Verfahren wesentliche praktische Vorteile« insbesondere eine Verbesserung der Frequenzcharakteristik, eine Srmuglichung der Anwendung bis au hohen Frequenzen sowie eine wesentliche Verringerung der für die Modulation erforderlichen Leistung. Ss ist dabei möglioh, die ganze zur Ausübung des Verfahrene dienende Anordnung in
Form eines einzigen Halbleiters auszubilden.

Bei den erläuterten AusfUhrungsbeispiolon ist als Lichtquelle eine Laser-Diode vorgesehen, mit der sich ein sehr
feiner, monocbromatischer lichtstrahl erzielen lädt, der
sogleich moduliert werden kann. Statt der Loeer-Diodo künnen jodooh auch andorο gleichwertige Lichtquellen Verwendung

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tinden» Man kann forner gemäß Fig. 5 eine Sperrschicht 5'* verwenden, die in einem Halbleiter 50 eines bestimmten LeitfKhigkeitatyps vorgesehen ist, indom nan nit diesem eino Elektrode 51 und über eine dünne Isolierschicht 53 eine weitere Elektrode 52 verbindet und zwischen beide Elektroden eine Vorspannung legt, was einen Ersatz der durch οine Gegenvorspannung gebildeten Sperrschicht der erläuterten Ausftihrungsbeiflpiele darstellt. Es wurde festgestellt, daß ron de« durch eine Lichtquelle emittierten Licht das Licht ■lt οinen Energiebereich zwischen den 0,8fachen und den

1,2fachen Wert des Energiespaltes des die Sperrschicht enthaltenden Halbleiters hinreichend Moduliert werden kann.

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Claims

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Patentanspruch

Verfahren ιατ Modulation eines Liohtstrables mittels einer elektrieohen Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine an einer Gegenvorspannuhg liegende Halbleiter-Sperrschicht, deren Stärke von der modulierenden Spannung gesteuert wird, ein von einer gesonderten Lichtquelle ausgesandter* nioht modulierter, monochromatischer Lichtstrahl hindurchgeaandt wird, dessen Inergievert dem 0,8- bis 1_t2-fachen Wart de· Halbleiter-lbergleapaltes entspricht.

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