DE1539548A1

DE1539548A1 - Einrichtung zur Erzeugung und Weiterleitung optischer Signale

Info

Publication number: DE1539548A1
Application number: DE19661539548
Authority: DE
Inventors: Rittmayer Dipl-Phys Dr Gerhard
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-02-23
Filing date: 1966-02-23
Publication date: 1969-09-18
Also published as: FR1513128A; GB1164377A; US3473067A

Description

SIEIiElTS AKTIEIiGESELLS CiEAPT Akt. S. : P 15 39 54Ö.9

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Einrichtungzur Erzeugung -und \7eiterleitung optischer Signale

Die Erfindung "betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung und Weiterleitung optischer Signale, insbesondere zur Signalübertragung, mit einer Lumineszenzdiode mit pn-übergang, wobei im. Strahlengang ein optisches Abbildungssystem vorgesehen ist.

Zur Erzeugung und Weiterleitung optischer Signale, insbesondere zur optischen .Übertragung elektrischer Größen, sind Einrichtungen bekannt, bei denen als Sendeelement zur Erzeugung des Lichtsignals eine Lumineszenzdiode dient. Die Strahlung der Lumineszenzdiode wird dabei durch im Strahlengang vorgesehene optische Abbildungssysteme,

beispielsweise

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Spiegel- oder Linsensysteme oder Glasfaserliciitleiter, auf ein geeignetes Empfangselement übertragen. Lumineszenzdioden sind Halbleiterdioden mit pn-übergang, die bei Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung am pn-übergang und in dessen unmittelbarer Umgebung ungerichtete inkohärente elektromagnetische' Strahlung insbesondere im infraroten oder sichtbaren Spektralbereich .aussenden. Als Halbleitermaterial für diese Lumineszenzdioden sind insbesondere Ill-V-Verbindungen geeignet. Beispielsweise emittieren Lumineszenzdioden aus Galliumarsenid Strahlung im infraroten und Lumineszenzdioden aus Galliumphosphid Strahlung im sichtbaren Spektralbereich. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung ist abhängig von der Breite der verbotenen Energiezone des Halbleitermaterials. Die Lumindeszenzdioden sind für optoelektronische Anwendungen der verschiedensten Art geeignet., insbesondere können mit ihrer Hilfe elektrische Signale praktisch verzögerungsfrei in Lichtsignale umgewandelt und somit auf optischem Y/eg übertragen werden. Insbesondere bei der Übertragung elektrischer Größen, beispielsweise von Meßwerten,über Potentialdifferenzen bieten die Lumineszenzdioden Vorteile. Ferner können in zahlreichen Fällen anstelle von Funk- oder Kabelverbindungen optische Übertragungssysteme mit Lumineszenzdioden Anwendung finden.

Für zahlreiche Anwendungen ist es wünschenswert, am Empfangsort des optischen Signals eine möglichst große Lichtleistung zu erhalten. Einer beliebigen Vergrößerung der Lichtintensität de3 strahlenden pn-Überganges der Lumineszenzdiode: selbst

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sind -jedoch durch die begrenzte ßtrombelastbarkeit der Lumineszenzdiode Grenzen gesetzt. Bs bestellt daher die Aufgabe., die ■vorhandene Lichtintensität der Lumineszenzdiode durch möglichst ■vollständige;-Ausnutzung der vom pn-übergang ausgesandten Strahlung und durch "Verminderung der mit dem 'Abbildungssysten vei-b.undenen-' Yerlusts-.weitestgehend für die Signaltübertragung nutzbar zu machen.

Dies wird erfinduiigsgeiiäß dadurch erreicht, daß der Halbleiterkörper der Lumineszenzdiode einen ein reelles Bild der strahlenden !■"'lache des pn-'ü b ergang es erzeugenden, das erste Element des Abbildungssystems bildenden !Teil aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung des Halbleiterkorpers der Lumineszenzdiode selbst als erstes Element des Abbildungssystems wird, gegenüber bekannten Abbildungssystemen eine Linse oder ein abbildender Spiegel eingespart. Dadurch werden die im Abbildungssystem durch Reflexion bzw. Absorption auftretenden Lichtverluste vermindert. Ferner wird die vom pn-übergang der Lumineszenzdiode ausgehende !angerichtete Strahlung durch den Halbleiterkörper selbst gebündelt und dadurch ein größerer Öffnungswinkel als bei bekannten Abbildungssystemen für die Signalübertragung nutzbar gemacht. . '

Die erfindungsgemäße IDinrichtung ist vorteilhaft so ausgebildet, daß der Halbleiterkörper derLumineszenzdiode einen Lin— senteil und einen den pn-übergang enthaltenden, vorzugsweise stielförmigen Fortsatz besitzt und daß Form und G-röße des

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Linsenteils und die Lage des pn-Übergangs im Fortsatz so aufeinander abgestimmt sind, daß die strahlende Fläche des pn-Überganges an einem innerhalb des Abbildungssystems vorge-

gebenen Ort abgebildet wird. Beispielsweise kann die Abbildung auf einer Linse oder einem Spiegel des Abbildungssystems oder auf der Endfläche eines Lichtleiters erfolgen. Der Halbleiterkörper der Lumineszenzdiode kann aber auch das einzige Element des optischen Abbildungssystems sein und die strahlende Fläche des pn-Überganges der Lumineszenzdiode direkt auf der lichtempfindlichen Fläche eines Strahlungsdetektors, beispielsweise einer Photodiode, abbilden. Unter Abbildung ist dabei jeweils die Erzeugung eines reellen Bildes der strahlenden Fläche des pn-Überganges außerhalb des Halbleiterkörpers der Lumineszenzdiode zu veratehen.

Bei vorgegebener Form des LinsentexIs der Lumineszenzdiode wird der Ort des reellen Bildes .im wesentlichen durch die Lage des ph-Überganges im insbesondere stielförmigen Fortsatz des Halbleiterkörpers, d.h. durOh den Abstand des pn-Überganges vom Scheitelpunkt des Linsenteils, bestimmt. Bei der Herstellung der Lumineszenzdiode wird daher die Lage des pn-Übergangs im'Fortsatz des Halbleiterkörpers bereits so gewählt, daß eine Abbildung in einer durch den..Verwendungszweck der Lumineszenzdiode vorgegebenen Entfernung vom Scheitelpunkt des Linsenteiles erfolgt.

Durch geeignete Wahl der Lage des pn-Übergangs im Fortsatz des Halbleiterkörpers der Lumineszenzdiode, deren Linsenteil

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zur Erzeugung der Abbildung der strahlenden Fläche des pn-Überganges dient, kann der Abstand des pn-Ubergangs vom Scheitelpunkt des Linsenteils bei der Herstellung der lumineszenzdiode beliebig variiert werden. Beispielsweine kann zunächst in einem Halbleiterplättchen durch Eindiffundieren von Dotierstoff der pn-Tibergang hergestellt werden, dann durch Abtragen des überschüssigen Halbleitermateriais der insbesondere stielfÖrmiire Portsatz gebildet und anschließend der Linsenteil geschliffen werden. Wegen seiner verhältnismäßig kleinen Fläche bildet der im stielförmigen Fortsatz liegende pn-übergang eine nahezu punktförmige Lichtquelle hoher Leuchtdichte.

Der Linsenteil der bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten Lumineszenzdiode besitzt vorzugsweise die Form eines Kugelsegmentes, insbesondere Halbkugelform. Er kann aber auch eine andere zur Erzeugung eines Bildes der strahlenden Fläche des pn-Überganges geeignete Form, beispielsweise eine parabolische Form, besitzen. Luiiineszenzdioden mit halbkuge.lf örmigen· und halbkugelähnlichen Halbleiterkörpern sind zwar bereits bekannt» Jedoch dient bei den bekannten Lumineszenzdioden die Halbkugelfonn des Halbleiterkörpers nicht zur Erzeugung einer Abbildung der strahlenden Fläche des pn-Überganga sondern zur "Veraeidung einer Totalreflexion des vom pn-übergang ausgestrahlttn Lichtes an der Grenzfläche zwischen Halbleiterkörper und dem umgebenden Medium, beispielsweise der Luft. Insbesondere sind bei den bekannten Lumineszenzdioden Form und Größe des haibkugelfarmigen Halb-

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leiterkörpers und die Lage des pn-Übergangs nicht im; Sinne ■■ .-;.-. dor Erzeugung eines reellen Bildes der strahlenden Fläche des pn-Übergang-es. aufeinander abgestimmt·. .'-.-;.■

Bei der wegen ihrer Einfachheit bevorzugten Ausführungsform der bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten Lumineszenzdiode, bei welcher der Linsenteil des Halbleiterkörpers •lie Form eines Ku^elsepmentes, insbesondere Hal.bkugelform,. besitzt, ist der. Abstand des pn-übergangα vom Scheitelpunkt wenigstens um den Faktor n«/^""¹¹-]) größer als der Kugelradius, wobei rip die Brechzahl des Halbleiterkörpers und η ^ die Brechzahl des Mediums bedeutet, in dem die Lumineszenzdiode eingesetzt wird» Bei einem kleineren Abstand des pn-Übergangs vom Scheitelpunkt des Linsenteiles des Halbleiterkörper wäre die Erzeugung eines reellen Bildes nicht mehr möglich.

An Hand dreier Figuren und zweier Beispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden. ·

Fig. 1 zeigt schematigch eine Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 leigt schematiach eine spezielle Ausführungs'form einer bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten LuminesEenzdiode»

Fig. 3 dient zur Erläuterung der Abbildungsverhältnisse bei einer Lumineszenzdiode, deren Linsenteil die Form eines Kugelsegments» insbesondere einer Halbkugel, besitzt. . .

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Die in Pig. !dargestellte Einrichtung besteht im wesentlichen aus einer Lumineszenzdiode 11 mit einem Linsenteil 12 und einem pn-übergang 13» aus zwei Linsen '14 und 15 und aus einem Strahlungsdetektor 16, Das Abbildungssystem wird durch den Linsenteil. 12 der Lumineszenzdiode und die beiden Linsen und 15 gebildet. Die strahlende Fläche des pn-Übergangs 13 wird dabei durch den Linsenteil 12 der Lumineszenzdiode auf die Linse 14 und diese mittels der Linse 15 auf die strahlungempfindliche Fläche des Photode^tektors 16 abgebildet. Zur Erzeugung der Lichtsirnale dient eine mit der Lumineszenzdiode verbundene veränderliche Stromquelle 17. Die durch den Strahlungsdetektor 1b wiederum in elektrische Signale umgesetzten Lichtsignale werden beinpielsweise einem Meß- oder Steuergerät 1ίί zugeführt. An Stelle der Linsen 14 und 15 kann beispielsweise auch, ein aus einem "lasfaserbürräcl bestehender Lichtleiter treten, der mit seiner Austrittsoffnung direkt auf den-Strahlungsdetektor 16 aufgesetzt ist. Durch den Linsenteil 12 der Lumineszenzdiode wird dann die strahlende Fläche des pn-bbervanges 13 auf die am Ort der Linse 14 befindliche E.intrittsöffnung des Lichtleiters abgebildet. Falls der optische Übertragungsweg nicht besonders groß sein muß, können ferner die Linsen H und 15 entfallen und der Strahlungsdetektor 16 am Ort der Linse 14 angcjordnet sein. Die strahlende Fläche des pn-Übergangs 13"der Lumineszenzdiode wird dann durch den Linsenteil 12 unmittelbar auf die strahlungsempfindliche Fläche des Photodetektors 16 abgebildet.

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Der Halbleiterkörper der in Pig. 2 dargestellten Lumineszenzdiode besteht aus einem halbkugelförmigen Linsenteil 21 und einem stielförmigen Portsatz 22« Der pn-übergang 23 liegt im stielförmigen Fortsatz des Halbleiterkörpers. Die verschieden dotierten Teile der Lumineszenzdiode sind mit Kontakten 24 und 25 versehen. Bei einer Galliumarsenid-Lumineszenzdiode kann der Kontakt 25 auf dem größeren, η-leitenden Teil des Halbleiterkörpers beispielsweise aus einer gelochten Scheibe aus verzinntem Kovarblech bestehen, die auf den Halbleiterkörper auflegiert ist und gleichzeitig als Kühlblech dient. Der Kontakt 24- auf dem p-leitend dotierten Teil des HaUb- . leiterkörpers kann beispielsweise aus Indium bestehen,, das · in~ den Halbleiterkörper einlegiert ist. Der Radius des halbku^elförmigen Linsenteils 21 ist mit r, der Abstand des· pntiberran.rs 23 vom Scheitelpunkt des halbkugel förmin;en Linsenteils mit Sp bezeichnet.

Bei einer Lumineszenzdiode, deren Linsenteil die Form eines Kugelsegmentes, insbesondere Halbkugelform besitzt, gilt für den Zusammenhang zwischen dem Kugelradius, dem Abstand des

Bildes vom Scheitelpunkt des Linsenteils und dem Abstand des pn-Übergangs vom Scheitelpunkt des Linsenteils eine einfache Beziehung, die an Hand von Fig. 3 näher erläutert werden soll. Der pn-übergang befindet sich an .der Stelle A und hat vom Scheitelpunkt des Linsenteils den Abstand 3p. Der Linsenteil besitzt den Radius r. Das Bild der strahlenden Fläche des pn-Übergangs soll.an der Stelle B erzeugt werden, die vom Scheitelpunkt des Linsenteils den Abstand s^ hat. Der Brechungeindex des Halbleiterkörpers der Lumineszenzdiode ist mit n₂ bezeichnet. Der Brechungs- 909 8 3 8/067 0

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index des an die Halbkugel angrenzenden Mediums, beispielsweise

der Luft, mit η*. ■

Pur die Abbildung der am Ort A befindlichen str-ihlenden Fläche des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode nach B gilt dann die Beziehung

r.

Bei vorgegebenem Bildabstand s. können aus diener Formel die für die Herstellung der Lumineszenzdiode wichtigen Daten r und s^ leicht ermittelt werden. Beispielsweise kann bei festgehaltenem r durch geeignete Wahl des Abstandes So ''^or durch den Verwendungszweck der Lumineszenzdiode vorgegebene-. Abstand eingestellt werden. Für s... gegen unendlich erhält man als kleinstmöglichen Wert" für s^:

- r ⁿ?

Um ein reelles Bild der strahlenden Fläche des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode zu erhalten, muß daher s_o wenigstens gleich diesem Wert sein.

Die vorstehenden Formeln gelten streng nur für achsennahe Strahlen* Da bei der für die erfindung'sgeraäße Einrichtung verwendeten Lumineszenzdiode im .Normalfall aber kein besonderer Wert auf die Bildqualität, sondern nur auf die Lichtstärke gelegt wird, können die auftretenden Öffnungsfehler in Kauf

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genommen werden. Sollten in einem speziellen Anwendungsfall die Abbildungsfehler stören, so kann die kugelförmige Ober- ' fläche des Linsenteils durch eine geeignete kompliziertere Fläche ersetzt werden. Die bestimmenden Größen für Lumineszenzdioden,- deren Linsenteil von der Kugelform abweicht, können mit Hilfe der geometrischen Optik ebenfalls errechnet werden. ■ .

Zur Abbildung der strahlenden Fläche des pn-Übergangs auf die ■ erste Linse des Abbildungssystems der erfindungsgemäßen Einrichtung eignet sich beispielsweise eine Galliumarsenid-Lumineszenzdiode, deren halbkugelförmiger Linsenteil einen Radius r von 1 mm besitzt und bei der der Abstand Sp des pn-Übergangs vom Scheitelpunkt der Halbkugel 1,41 mm beträgt. Das reelle Bild der strahlenden Fläche des pn-Übergangs entsteht bei dieser Lumineszenzdiode in einem Abstand von 14, 5 mm vom Scheitelpunkt der Halbkugel. Die Vergrößerung ist 38-fach. Bei einem Durchmesser der strahlenden Fläche des pn-Übergängs von 0,4 mm erhält man am Ort der ersten· Linse, die vom Scheitel-.punkt der Halbkugel 14, 5 mm entfernt ist, ein Bild von 18 mm Durchmesser, ·

Zur Abbildung der strahlenden Fläche des pn-Übergangs auf die Endfläche eines Glasfaserlichtleiters ist beispielsweise eine Galliumarsenid-Lumineszenzdiode mit einem halbkugelformigen Linsenteil vom Radius r = 1 mm und einem Abstand des pn-Übergangs vom Scheitelpunkt der Halbkugel s₂ = 1,64 nun geeignet. Das reelle Bild des pn-Übergangs entsteht bei dieser .Lumineszenz-

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diode im Abstand von 2,2 mm vom Scheitel der Halbkugel. Die Vergrößerung ist fünffach. Bei einem Durchmesser des pn-Übergangs von 0,7 mm erhält man auf der 2,2 mm entfernten Endfläche des Lichtleiters ein Bild von 3,5 mm Durchmesser.

Die Abmessungen der beiden als Beispiele genannten Galliumarseniä-Lumineszenzdioden erhält man aus den obenstehenden Formeln, wenn man den Brechungsindex von Galliumarsenid n₂ = 3,7 und den Brechungsindex von Luft ηγ = 1 einsetzt.

Für die bei der Abbildung c,zielte Vergrößerung gilt die Beziehung

Für die erfindungsgemäße Einrichtung bestehen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. .Sie eignet sich beispielsweise zur Signalübertragung für Steuer- und Meßzwecke oder zur Übertragung von Fernsehsignalen über kurze Strecken, die für Kabelverbindungen unzugänglich sind.

3 Patentansprüche
3Figuren

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Claims

AKx1IElTGSSaLLSCEAFx1 : Akt.Z..: P 15 39 548.9 . , Uns.Z.: PLA 66/1179 Patentansprüche

1. Einrichtung zur Erzeugung und Weiterleitung optischer Signale, insbesondere zur Signalübertragung, mit einer Lumineszenzdiode mit pn-übergang, wobei im Strahlengang ein optisches Abbildungssystem vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper der Lumineszenzdiode einen ein reelles Bild der strahlenden Fläche des pn-Übergangsjerzeugenden, das erste Element des Abbildungssystems bildenden Teil aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper der Lumineszenzdiode einen Linsenteil (12) und einen den pn-übergang (13)" enthaltenden'Fortsatz besitzt und daß Form und Größe des Linsenteils und die Lage des pn-Uberganges im Fortsatz so aufeinander abgestimmt sind, daß die strahlende fläche des pn-Überganges an einem innerhalb des Abbildungssystems vorgegebenen Ort (H) abgebildet wird. .

3. Lumineszenzdiode für eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Linsenteil (21) des EaIbleiterkörpers die Form eines Kugelsegmentes, insbaamdere HaIb-Ijugelforu, besitzt und daß der Abstand des pn-Überganges (23) vom Scheitelpunkt wenigstens um den Faktor n₂/(n„ - 1I₁) größer als der Kugelradius ist, wobei n₂ die Brechzahl des Ealbleiterkörpers und H₁ die Brechzahl des i.Iediums bedeutet, in dem die Diode eingesetzt _wird. 909838/0670

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