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Verstärker für im Bereich der optischen Frequenzen gelegene Wellen
Die Erfindung betrifft einen Verstärker für im Bereich der optischen Frequenzen
gelegene Wellen, bestehend aus einem kristallinen Halbleiterkörper mit lichtemissionsfähigem
pn-Übergang, der die Form eines Prismas mit einer geraden .Anzahl von Seiten hat,
einer Vorrichtung für die Zufuhr elektrischer Pumpenergie, einem optischen Resonator
und einer Koppelvorrichtung für das Signallicht, sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines hierfür geeigneten Halbleiterkörpers.
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Derartige Verstärker sind auch unter dem Fachausdruck "Diodenlaser"
bekannt und ihre Wirkung beruht auf der Ladungsträgerinjektion eines in Flußrichtung
belasteten pn-Überganges. Bei Belastung des pn-Übergangs in Flußrichtung emittiert
der Übergang eine intensive, z.B. ultrarote Strahlung, wenn als Übergang ein GaAs-pn-Übergang
verwendet wird. Die bei der Rekombination der Elektronen und Löcher freiwerdende
Energie wird nämlich in Form von Lichtquanten abgestrahlt. Bei sehr hoher Dichte
des Pumpstromes kann ein erheblicher Teil der Strahlung als
kohärente
Strahlung ausgesandt werden; die Diode arbeitet dann als optischer Verstärker (Zaser).
Um dieses zu erreichen, müssen aber zwei Bedingungen erfüllt werden. Einerseits
muß die Konzentration der injizierten Ladungsträger so groß sein, daß die Energiedifferenz
der Quasi-Fermi-Niveaus der Elektronen und Löcher größer als die Breite der verbotenen
Zone ist und andererseits muß die Diode in ein geeignetes Resonanzsystem eingeschlossen
sein. Als Resonanzsystem werden hierfür meist zwei planparallele, reflektierende
und zur Ebene des pn-Überganges senkrecht stehende Flächen des kubischen oder quaderförmigen
Diodenkörpers benutzt, die eine Art Fabry-Perot-Resonator bilden. Diese reflektierenden
Flächen werden entweder durch mechanische Politur oder durch Abspaltung von kristallographischen
Flächen erzeugt. Die bei Strombelastung der Diode injizierten Ladungsträger rekombinieren
nach kurzer Zeit unter Ausstrahlung inkohärenter Wellen in alle Richtungen. Einige
Lichtwellen jedoch, die nahezu senkrecht auf die reflektierenden Flächen auftreffen,
werden oftmals zwischen den beiden reflektierenden Wänden hin und her gespiegelt.
Dabei zwingen sie andere angeregte Ladungsträger zu einer phasengleichen Aussendung
weiterer Lichtquanten und werden dadurch verstärkt.
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Eine polierte, an Luft grenzende Fläche eines Halbleiters hat nur
ein etwa 30% betragendes Reflexionsvermögen. Durch diese mangelhafte Reflexion entstehen
große Verluste, die den Stromschwellwert einer solchen Laser-Diode erheblich verschlechtert.
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Diese Schwierigkeit ist auch für die üblicherweise verspiegelten planparallelen
Flächen der schon seit längerer Zeit bekannten anderen Lasertypen, z.B. des Rubinlasers
gegeben. Obwohl sich bei diesen Lasertypen ein Reflexionsvermögen von 99y leicht
erreichen läßt, wurden Versuche zur Herabsetzung der durch mangelnde Reflexion bedingten
Verluste
unternommen.
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Es wurde ein Verstärker beschrieben, bei dem eine Spiegelung zwischen
planparallelen Flächen vermieden wird. Der Zaser wird als Toroid ausgebildet, dessen
Oberfläche so beschaffen ist, daß für eine innerhalb des Toroids umlaufende Dichtwelle
Totalreflexion an der Außenfläche eintritt. Die Herstellung einer toroidförmigen
Struktur ist bei Diodenlasern jedoch nicht möglich, da die Gesamtfläche des pn-Überganges
wegen der erforderlichen hohen Stromdichte etwa 1 mm 2 kaum überschreiten kann.
Ringe derart kleiner Abmessungen lassen sich mit den derzeit zur Verfügung stehenden
Mitteln aus dem relativ spröden Halbleitermaterial nicht mit genügend sauberer Oberfläche
herstellen.
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Weiter ist ein derartiger Verstärker bekannt, dessen optischer Resonator
durch einen Halbleiterkörper gebildet ist, der die Form eines dreieckigen, quadratischen
oder sechseckigen Prismas hat, in dem sich der pn-Übergang in einer Ebene parallel
zur Basis befindet, und in dem die Lichtwellen unter Totalreflexion an den Seitenwänden
des Prismas umlaufen. Derartige Verstärker mit Prismen einer geradzahligen Seitenzahl
weisen den Nachteil auf, daß neben den unter Totalreflexion am Umfang umlaufenden
gewünschten Signalwellen sich zusätzliche störende, stehende Wellen zwischen planparallelen
Seiten ausbilden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Verstärker
zu realisieren, in dem derartige störende Wellen nicht auftreten können.
| Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Verstärker
für im |
| .Bereich der optischen Frequenzen gelegene Wellen, bestehend |
| aus einem kristallinen Halbleiterkörper mit liohtemissions-. |
| fähigem pn-Übergang, der die Form eines Prismas mit einer |
| .geraden Anzahl von Seiten hat, einer Vorrichtung für die |
| Zufuhr elektrischer Pumpenergie, einem öptisehen Resonator |
| und einer Koppelgorrichtung für das Signalltoht, gemäß der |
| Erfindung dadurch gelöst, daß das Prisma eise in seiner |
| Mitte und wenigstens in der Ebene des pn-Überganges ge- |
| legene stehende We17sn zwischen parallel zueinander ver- |
| laufenden Seitenflächen des Prismas unterbindende Aus- |
| nehmung hat. |
| Zwar ist bei einem Halbleiterlaser prismatischer form |
| bereits eine Einkerbung in der Nähe einer Seitenwand be- |
| kannt, jedoch dient diese zur Unterdrückung des im Prisma |
| am weitesten außen umlaufenden Schwingungstype von Signal- |
| frequenz und nicht der Unterdrückung stehender Wellen |
| zwischen planparallelen Seitenflächen. Die bekannte Ein- |
| kerbung muß auf das' Randgebiet des Prismas beschränkt sein, |
| damit die gewünschten, weiter innen umlaufenden Schwin- |
| gungstypen von Signalfrequenz nicht behindert werden. |
| Für die praktische Ausführung des Erfindungsgegenstandes |
| ist es vorteilhaft, wenn das Halbleitermaterial die Form |
| eines secheseitigen Prismas hat und der pn-Übergang eine |
| kristallographische (111)-Fläche ist, und- wenn außerdem |
| die seitlichen- Begrenzungeflächen kristallographische |
| (110)-Plächen des Halbleiterkristalls sind. |
| Von besonderem Vorteil ist es, eenn der Außendurchmesser |
| der.Ausnehmung mindestens gleich der Breite einer seitli- |
| chen Begrenzungsfläche des Prismas ist. |
Zur Verbesserung der Wärmeleitung ist es zweckmäßig, anstelle eines
Loches
eine ringförmig geführte Einsenkung in die Scheibe zu ätzen, deren
Tiefe etwas größer als die Tiefe des pn-Überganges unter der Oberfläche ist. Vorteilhaft
ist es auch, wenn als Halbleitergrundmaterial ein in (111)-Richtung gezogener n-leitender
GaAs-g ristall vorgesehen ist. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung
eines Halbleiterprismas, bei dem die seitlichen Begrenzungsflächen des Prismas durch
Spaltung des kristallinen Halbleitermaterials erzeugt Werden, besteht darin, daß
der durch Abspaltung prismatisch erzeugte Halbleiterkörper mit einer Wachsschicht
überzogen wird, daß auf einer der Endflächen des prismatischen Halbleiterkörpers
die Wachsschicht an der Stelle der Ausnehmung entfernt und die Ausnehmung mittels
einer Ätzflüssigkeit in den Halbleiterkörper in der erforderlichen Tiefe eingebracht
wird und daß nach Entfernung der Wachsschicht der mit der Ausnehmung versehene gereinigte
kristalline Halbleiterkörper mit je einem sperrschichtfreien Anschluß für die beiden
unterschiedlichen Leitfähigkeitsgebiete versehen wird. Nachstehend wird die Erfindung
anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verstärkers. Sein Körper besteht aus einem GaAs-Kristall 1 in Form eines gleichseitigen
sechsseitigen Prismas mit einer p-leitenden Schicht 2, einer n-lei--tenden Schicht
3 und einem pn-Übergang 4. Durch die p-leitende Schicht 2 und den pn-Übergang 4
bis in die
n-leitende Schicht 3 hinein ist eine ringförmige Nut
5 eingelassen. Die p-leitende Schicht 2 ist außerhalb der Nut 5 mit einer Schicht
6 aus einer Zinn-Zink-Legierung und die n-leitende Schicht 3 mit einer Zinnschicht
7 kontaktiert. Die Metallschichten 6 und 7 stehen mit den Polen einer Batterie 8
in galvanischer Verbindung. Die Wirkungsweise des Verstärkers ist folgende. Die
an die Elektroden 6 und 7 angelegte Gleichspannung der Batterie 8 belastet den pn-Übergang
in glußrichtung, wobei während der Rekombination der Elektronen und Löcher Energie
in Form von Lichtquanten als kohärente Strahlung frei wird. Die meisten Wellen verlassen
in irgendeiner Richtung direkt oder nach einigen Reflexionen die Anordnung. Diejenigen
Wellenzüge jedoch, die in der Ebene des pn-Überganges 4 zwischen den Mittelpunkten
der seitlichen Begrenzungsflächen 9 des Prismas verlaufen, werden an diesen reflektiert
und laufen, wenn der Einfallwinkel größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion
ist, unter ständiger Verstärkung im Prisma in beiden Umlaufsrichtungen um. Da auch
die Totalreflexion nicht völlig verlustfrei ist, wird ständig Signallicht fs abgestrahlt,
welches beispielsweise durch Spiegel 10 parallel zur Prismenhauptachse gebündelt
wird. Der Übersichtlichkeit halber sind nur drei Spiegel 10 in der Figur dargestellt.
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Es ist daran gedacht, die Pumpenergie auch in Form von Gleichstromimpulsen
zuzuführen.
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Die Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Verstärker mit dem Halbleiterprisma
1 und der in ihm eingelassenen Nut 5, dem eine Auskoppelvorrichtung 11 für das Signallicht
zugeordnet ist. Wie in der Figur 1 gezeigt, enthält der
Verstärker
weiter eine p-leitende und@eine n-leitende Schicht sowie eine Elektrode
für jede dieser Schichten,
die mit den Anschlüssen einer Batterie in
Verbindung stehen.
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Die Selbsterregung des Signallichts fs erfolgt in
der.
anhand der Figur 1 beschriebenen Weise. Das Signallicht
fs
läuft unter Totalreflexion in beiden Richtungen im
Prisma 1 um. An einer
Seite 9 befindet sieh die Auskoppelvorrichtung 11 im Abstand
von etwa einer Signallicht-Wellenlänge. Dadurch wird die Totalreflexion
aufgehoben
und das Signallicht tritt aus dem Prisma 1 und der Aus-
koppelvorriehtung
11 aus. Mittels eines Hilfsspiegels 12
wird das ausgekoppelte Signallicht
fs beider Umlaufrichtungen in eine Richtung gebündelt.
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Die Figuren 3 bis 12 zeigen das Herstellungsverfahren
für ein Halbleiterpri u,ua 1.
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Die Figur
3 zeigt einen in (111)-Richtung
(Pfeil 13) ge-
zogenen n-leitenden Gaks-Kristall
14, von dem senkrecht
zur
Ziehrichtung
13 Scheiben 15 abgespalten
oder abge-
sägt sind, deren
Trennflächen
somit (111)-Flächen sind.
In der Figur 4 ist eine Scheibe
15 zusammen
mit Zink 16
in eine zugeschmolzene
und evakuierte
Quarzampulle 17
eingebracht.
Bei einer-Temperatur von etwa 900°C wird
das Zink 16 eine Stunde
lang in die GaAs-Scheibe
15 ein-
diffundiert.
Das Zink 16 dringt von allen Seiten gleich-
mäßig in die Scheibe 15 ein und
erzeugt dergestalt in
ihr einen pn-Übergang
4, daß ein innerer
Kern
aus n-leitendem
Material 3 gleichmäßig von einer etwa 100u
dicken
p-leitenden
Schicht 2 umgeben ist (Figur 5).
| .Iunmehr wird eine Fläche dieser Scheibe soweit abgeschlif- |
| fen, da$ die p-leitende Schicht 2 .auf dieser Seite ent- |
| fernt ist (Figur 6). |
| Der'Saheibe nach der Figur 6 wird eine Nadel 18 aufge- |
| setzt, die mittels eines Hammerschlagen eine exakt (110)- |
| orientierte Brüchfläohe erzeugt (Figur ?).- |
| Die Scheibe nach der Figur T wird auf einen Drehtisch |
| mit Winkelskala befestigt und die (1.10)-8ruohfläche |
| parallel zur Schneide eines darüber befestigten lleisels |
| orientiert. Anschließend wird nach einen Drehen des |
| Tisches um jeweils 600 durch leichte Schläge auf den |
| Meisel ein von (110)-Flächen begrenztes Sechseck 1
aus |
| der Seheibe 15 herausgespalten (Figur 8). Der pn-Über- |
| gang 4 ist mit einer (111)-Fläche identisch: |
| Das Abspalten der (110)-Pläohen,kann auch nach anderen |
| Verfahren, wie Aufdrtloken einer Rasierklinge, erfolgen. |
| Anschließend wird das Halbleiterprisma 1 mit einer |
| Wachemaake 19 überzogen (Figur 9). . |
| In die Wachsmaske 19 wird zentrisch ein. ringförmiger |
| Graben 20 eingeritzt, dessen Außendurchmesser größer |
| als die Seitenflächen 9 sind (Figur 10). |
| Das wachsüberzogene Prisma (wird solange in gönigewasser |
| eingetaucht, bis über den Graben 20 eine Nut 5 in das |
| Prisma eingeätzt ist, deren Tiefe über den pn-Übergang 4 |
| hinausreicht (Figur 11). |
Zum Schlug wird in an sieh bekannter
Weise der äußere Teil
der p-leitenden Schicht 2 mit einer Zinn-Zink-Schicht 21 und die n-leitende Schicht
2 mit einer Zinnschicht 22 kontaktiert (Figur 12).