DE1614221B2 - Vorrichtung zum Modulieren eines Bündels optischer Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Modulieren eines Bündels optischer Strahlung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der DE-AS 78 516 bekannt.

Es ist allgemein bekannt, daß Laser monochromatische Lichtbündel aussenden können, die in bestimmten Fällen »kohärent« sind, d. h. aus elektromagnetischen Wellen der gleichen, sehr hohen Frequenz und der gleichen Phase bestehen. Die von solchen Vorrichtungen ausgesandte Strahlung kann in dem sichtbaren Gebiet des Spektrums oder in dem Infrarot oder dem Ultraviolett liegen. Der Ausdruck »Laser« bezieht sich nicht nur auf Vorrichtungen, die als Lichtverstärker durch stimulierte Strahlungsenergie wirksam sind, sondern auch auf Quellen monochromatischen Lichtes, z. B. bestimmte, elektro-lumineszierende Halbleiterdioden aus Galliumarsenid, bei denen stimulierte Strahlungsemission ohne Lichtverstärkung auftritt.

Wegen des sehr niedrigen Rauschpegels dieser Laser, werden sie häufig in Fernfunkverbindungen benutzt. Zur Herstellung solcher Verbindungen ist es vorteilhaft, die von diesen Lasern ausgesandten Bündel modulieren zu können.

Zu diesem Zweck sind bereits Vorrichtungen bekannt, As =

1,237

ausdrückt, wobei Xs die Schwellenwellenlänge in Mikron und ε die Breite des verbotenen Energiebandes in eV bezeichnen.

Es sind weiter Umstände bekannt, unter denen die Gesamtspannung, die den Klemmen eines Körpers aus homogenem Halbleitermaterial konstanten Querschnittes zugeführt wird, nicht gleichmäßig längs dieses Körpers verteilt wird, was auf verschiedentliche Wirkung zurückzuführen ist. Es treten bei gewissen Halbleitermaterialien beim Anlegen elektrischer Felder zunehmender Intensität Abweichungen in der scheinbaren Leitfähigkeit des Materials auf, welche Abweichungen sich z. B. in der Strom-Spannungskurve äußern, indem diese einen Teil aufweist, in dem der dynamische Widerstand des Körpers negativ wird. Infolge dieses negativen dynamischen Widerstands ist es nicht immer möglich, die Form der Kurve mit der negativen Neigung zu messen und/oder sichtbar zu machen; es können insbesondere Stromschwankungen sehr hoher Frequenz auftreten. Eine dieser Erscheinungen von Unstabilität, die sich in Stromschwingungen äußern, ist unter dem Namen des »Gunn Effekts« bekannt (siehe IBM Journal, April 1964,141 -159).

Die beim Gunn Effekt auftretenden Mechanismen in GaAs-Kristallen, denen ein hinreichend starkes elektrisches Feld zugeführt wird, sind in zahlreichen Laboratorien studiert worden. Es hat sich im allgemeinen gezeigt, daß die zu Feldstärken von etwa 1500 V/cm > bei Körpern mit einer Länge von etwa 0,1 cm die Leitfähigkeit des Körpers keine Abweichungen aufweist, während bei höheren Feldstärken von einem bestimmten Grenzwert der angelegten Spannung her eine Zone örtlich höheren spezifischen Widerstandes als im weiteren Körper auftritt und sich im Kristall mit einer Geschwindigkeit verschiebt, die nahezu der Geschwindigkeit der Träger in einem nahezu gleichmäßigen Feld im Körper außerhalb der beweglichen Zone hohen spezifischen Widerstands entspricht. Bei Körpern mit einer Länge von weniger als 0,1 cm ist der zum Hervorrufen dieses Effektes notwendige Minimalwert des Feldes höher.

Die Anwesenheit dieser Zone sehr hohen spezifischen Widerstandes bringt das Auftreten eines sehr starken Potentialgradienten, d. h. eines sehr starken Feldes in dieser Zone und eine Verringerung des elektrischen Feldes in den außerhalb der Zone hoher Feldstärke liegenden Teilen des Körpers mit sich.

Bei dem Gunn Effekt wird die Erzeugung der Zone sehr hohen spezifischen Widerstandes dem Übergang von Elektronen von der unteren Grenze des Leitungsbandes auf die sekundären Minima des gleichen Bandes zugeschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die jo Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszugestalten, daß ein moduliertes Strahlungsbündel von mit konstanter Wiederholungsfrequenz wechselnder Intensität unabhängig von einer zeitlichen Variation des angelegten elektrischen Feldes erzeugt wird. 3^r>

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung können auf sehr einfache, wenig aufwendige Weise modulierte Strahlungsbündel von mit konstanter Wiederholungsfrequenz wechselnder Intensität erzeugt werden.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung zum Modulieren eines polarisierten Strahlungsbündels und, nach bestimmten Vereinfachungen, außerdem zum Modulieren eines nicht polarisierten Strahlungsbündels,

F i g. 2 eine Abart der Vorrichtung nach F i g. 1 zum Modulieren nicht polarisierten Lichtes,

F i g. 3 eine Abart der Vorrichtung nach F i g. 1 zum Modulieren polarisierten Lichtes.

Der Halbleiterkristall 10 der F i g. 1 ist z. B. ein η-leitender GaAs-Kristall hohen spezifischen Widerstandes. An beiden Enden ist dieser Kristall mit Kontakten 11 bzw. 12 versehen. Bei einem n-leitenden GaAs-Kristall können diese Kontakte in bekannter &o Weise, z. B. durch Ablagerung von Zinn, erhalten werden, so daß ohmsche Kontakte gebildet werden.

Die Kontakte 11 und 12 sind über Leitungen 14 bzw. 15 mit einer Modulationsquelle 13 verbunden, die durch einen elektrischen Generator gebildet wird. Ein Teil der elektrischen Energie dieses Generators wird in Wärmeenergie innerhalb des Kristalls umgewandelt, so daß, wenn diese Wärme nicht schnell abgeführt werden kann, die Anwendung eines Impulsgenerators vorzuziehen ist. Sonst ist ein Gleichspannungsgenerator anwendbar.

Vorausgesetzt, daß die Kontakte 11 und 12 mit der Minusklemme 16a bzw. der Plusklemme 16i> des Generators 13 verbunden sind, so tritt, wenn die Spannung des Generators einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, in der Nähe des Kontaktes 11 eine Zone 17 hohen spezifischen Widerstands auf, in der die Feldstärke besonders hoch ist und die sich zum Kontakt 12 verschiebt.

Eine Strahlungsquelle 18 sendet ein vorzugsweise paralleleles Bündel 19, vorzugsweise einer monochromatischen Strahlung aus, welches Bündel nach Durchgang durch einen Polarisator 20, z. B, ein Nicol-, Glan- oder Glasebrook-Prisma, das passend ausgerichtet ist, in ein linear polarisiertes Bündel 21 umgewandelt wird, das den Kristall 10 durchläuft und das entsprechende Austrittsbündel 22 liefert.

Das Bündel 22 trifft einen Analysator 23, der das modulierte Austrittsbündel 24 liefert.

Die Bahn des Bündels 21 im Kristall liegt quer zur Verschiebungsrichtung der Zone 17 und ist durch die gestrichelte Linie 25 angedeutet. Wenn die Zone 17 stellen Potentialgradienten die durch die gestrichelten Linien 25 angedeutete Zone 26 eintritt, treten gleichzeitig eine Absorption und eine Drehung der Polarisationsebene des Bündels 21 auf. Der beeinflußte Teil des Bündels 21 nimmt während des Durchgangs durch die Zone 17 zunächst zu und dann ab, worauf es schließlich ungeändert durchgelassen wird.

Wenn zwischen zwei Durchgängen der Zone 17 durch die Zone 26 der Polarisator 20 und der Analysator 23 derart geregelt werden, daß die Intensität des Bündels 24 bei fester Intensität des Bündels 19 maximal ist, treten die erwähnten Erscheinungen der Absorption infolge des Franz-Keldysh-Effektes und der Drehung der Polarisationsebene infolge der elektrischen Doppelbrechung in Wirkverbindung miteinander, um das Bündel 24 zu modulieren.

Das Austrittsbündel 24 wird also mit der Frequenz der Durchgänge der Zone 17 durch die Zone moduliert, die durch die Linien 25 angedeutet ist. Die Modulationstiefe, d. h. die Verringerung der Intensität des Strahlungsbündels 24 infolge des Durchganges des Bündels 21 durch den Kristall, ist außerdem eine Funktion der Breite der Zone 17 und der Intensität des hohen elektrischen Feldes in dieser Zone (Franz-Keldysh-Effekt und elektrische Doppelbrechung). Der von dem Generator 13 gelieferte Teil der Spannung über dem Schwellenwert, bei dem die die Zone 17 erzeugende Wirkung auftritt, ist in erster Annäherung proportional zum Produkt der Breite der Zone 17 und des darin auftretenden steilen Potentialgradienten.

Durch Änderung des Pegels des Generators 13 kann die Modulationstiefe des Austrittsbündels 24 geändert werden.

Wie vorstehend gesagt, entspricht die Schwelle für den Gunn Effekt einem Feld von etwa 1500 V/cm.

Die möglichen Werte der Modulationsfrequenz hängen offensichtlich von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Zone 17 ab, die etwa 10⁷ cm/sec beträgt.

Die Vorrichtung nach F i g. 2 besitzt einen Halbleiterkristall 30, von dem eine Fläche einen ohmschen Kontakt 31 und die gegenüber liegende Fläche einen für die angewandte Strahlung durchlässigen ohmschen Kontakt 32 hat. Das Verfahren zum Anbringen durchsichtiger, leitender Schichten z. B. aus Zinnoxyd

ζ. B. auf dem Glas der Kolben von Elektronenröhren, oder auf Halbleitervorrichtungen z. B. Sperrschichtzellen ist schon längst bekannt. Die ohmschen Kontakte 31 und 32 werden mit der Minusklemme 16a bzw. der Plusklemme 16i> des Generators 13 über die Leitungen

14 bzw. 15 verbunden.

Wenn die vom Generator 13 gelieferten Spannungsimpulse oder die von ihm gelieferte Spannung den Anfangsschwellenwert eines der eine Zone 34 hohen spezifischen Widerstands und hoher Feldstärke erzeugenden Effekte überschreiten, tritt diese Zone in der Nähe des Kontaktes 31 auf und verschiebt sich zum Kontakt 32. Eine Quelle 35 sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung sendet ein Strahlungsbündel 36 aus, das vorzugsweise monochromatisch ist und den durchlässigen, ohmschen Kontakt 32 durchläuft und seine Bahn in Form des gebrochenen Bündels 37 fortsetzt, das eine veränderliche Dicke 38 des Halbleiterkristalls 30 durchläuft, bevor es an der Vorderfläche der Zone 34 mit dem steilen Potentialgradienten reflektiert wird. Nach Reflexion verläßt das Bündel 40 den Kristall.

Bei bestimmten, konstanten Werten des Durchlaßkoeffizienten des durchlässigen, ohmschen Kontaktes 32 und des Reflexionskoeffizienten des Bündels 37 an der Vorderfläche 39 der Zone 34 resultiert die Modulation des Austrittsbündels 40 aus der veränderlichen Absorption infolge der veränderlichen Dicke 38 des Halbleiters 30 vor und nach der Reflexion des Bündels 37 an der Vorderfläche 39.

Die Modulationstiefe hängt von dem Abstand zwischen den Kontakten 31 und 32 ab, der der Dicke des Halbleiterkristalls 30 entspricht und das Bündel 40 kann auf einen vernachlässigbaren Bruchteil seiner Maximalintensität herabgemindert werden, wenn die Zone 34 in der unmittelbaren Nähe des Kontaktes 31 liegt.

Eine Vorrichtung nach F i g. 2 eignet sich z. B. zur Regelung und zur Steuerung der Strahlungsemission eines Lasers, wenn der durchsichtige, ohmsche Kontakt 32 eine der Stirnflächen eines Interferenzmeßwerkes, z. B. des Fabry-Perot Typs, bildet, wobei die stimulierte Emission anfängt, wenn die Vorderfläche 39 den durchlässigen Kontakt 32 erreicht.

Der Halbleiterkristall 30 ist ein GaAs-Kristall.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 3 ist der Halbleiterkristall 30 dünner als der nach Fig.2, während der Kontakte 31 und 32 über Verbindungsleitungen 14 bzw.

15 mit den Klemmen 16a bzw. 166 eines Generators 13 verbunden sind. Eine monochromatische Strahlungsquelle 41 liefert ein vorzugsweise paralleles Strahlungsbündel 42, das nach Durchgang durch einen Polarisator 43, z. B. ein Nicol-, Glan- oder Glasebrook-Prisma, das passend ausgerichtet ist, in ein linear polarisiertes Bündel 44 umgewandelt wird, das den durchlässigen ohmschen Kontakt 32 durchläuft und seine Bahn durch die Zone 46 des Kristalls 30 in Form eines gebrochenen Bündels 45 fortsetzt.

Das Bündel 45 wird an der Vorderfläche 39 der Zone 34 mit hohem Potentialgradienten reflektiert, die auf vorstehend beschriebene Weise erhalten wird; es entsteht ein Austrittsbündel 47, das nach Durchgang durch einen Analysator 48 in ein linear polarisiertes Austrittsbündel 49 umgewandelt wird.

Der zwischen dem durchlässigen ohmschen Kontakt 32 und der Vorderfläche 39 der Zone 34 liegende Teil des Kristalls 30 erfüllt die Funktion einer dünnen Schicht veränderlicher Dicke 38, und veranlaßt die durch dünne Schichten in bezug auf ein linear polarisiertes einfallendes Strahlungsbündel erzeugten Erscheinungen, welches Bündel in ein elliptisch polarisiertes Bündel umgewandelt wird, bei dem die Ausrichtung der Längsachse veränderlich ist, so daß ein reflektiertes Bündel 47 mit den gleichen Eigenschaften erhalten wird. Das Maß der Elliptizität ändert sich periodisch mit der veränderlichen Dicke der Zone 38, weiche Dicke von der Verschiebung der Zone 34 zu dem durchlässigen, ohmschen Kontakt 32 abhängt, wobei eine Periode der Eigenschaftänderungen des reflektierten Bündels 46 einer Verschiebung von A/2 der Vorderfläche 39 in Abhängigkeit von der Richtung des Bündels 45 entspricht, wobei λ die Wellenlänge der monochromatischen Strahlung der Quelle 41 bezeichnet. Auf diese Weise ergibt sich somit eine Modulation der Intensität des Bündels 49, das den Analysator 48 verläßt. Diese Modulation kann leicht mit sehr hoher Frequenz erzielt werden: vorausgesetzt, daß λ/2 gleich etwa 0,7 μ ist und daß das Bündel 45 unter einem Winkel von 45° einfällt, so entspricht λ/2 für das Bündel 45 einer seitlichen Verschiebung von 0,5 μ der Vorderfläche 39 und bei einer Verschiebungsgeschwindigkeit von lOVsec der Zone 34 beträgt die resultierende Modulationsfrequenz 200 Ghz.

In Abhängigkeit von der Art und dem Brechungsindex des Halbleitermaterials des Kristalls 30 kann die günstigste Orientierung für die Schwingungsebene des linear polarisierten Bündels 44 entweder die der Einfallsebene oder die dazu senkrechte Richtung, oder auch eine der möglichen Zwischenrichtungen sein. Vorteilhafterweise entspricht die Einfallsrichtung des Bündels 44 annähernd dem Brewster-Einfallswinkel;der Analysator 48 ist derart gerichtet, daß der Maximalwert des Produktes der Maximalintensität des Bündels und der Modulationstiefe erzielt wird.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 3 ist es vorteilhaft, den Kristall 30 sehr dünn zu gestalten, da die Modulation des Strahlungsbündels sich auf das Verhalten der Zone 46 beim Durchgang des Bündels 45 gründet, wenn diese Zone die Form einer dünnen Schicht veränderlicher Dicke hat. Es ist auch möglich, diese physikalische Wirkung in einem Kristall anzuwenden, der dicker ist als für den vorerwähnten Mechanismus erforderlich ist, so daß eine Modulation verschiedener Eigenschaften erzielt wird, wobei

1. die Absorptionswirkung durch Reflexion bei veränderlicher Tiefe nach der Vorrichtung in F i g. 2, wobei die Modulationsfrequenz der Wiederholungsfrequenz der Durchgänge der Zone 34 durch den Kristall 30 gleich ist, und

2. der Effekt einer Modulation sehr hoher Frequenz in der Vorrichtung nach F i g. 3,

kombiniert sind.

Bei Modulation durch Absorption kann das Strahlungsbündel z. B. auch den Kristall in der Richtung der Verschiebung der Zone an Stelle der quer zu dieser stehenden Richtung durchlaufen, in welchem Falle zwei durchlässige Kontakte benutzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Modulieren eines Bündels optischer Strahlung mit einem Halbleiterkristall mit Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Feldes über dem Kristall, wobei in dem Kristall unter der Wirkung des angelegten Feldes eine sich in bezug auf die Elektroden verschiebende Zone mit anderen optischen Eigenschaften als der weiteren Teile der Kristalls bildet, auf die ein auf den Kristall einfallendes Strahlungsbündel trifft, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall aus N-leitendem Galliumarsenid besteht und daß eine Modulation des Strahlungsbündels mit konstanter Wiederholungsfrequenz an den durch den Gunn-Effekt erzeugten, Strahlung stark absorbierenden Hochfeldzonen (Gunn-Domänen) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende Strahlungsbündel die Zone durchläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsbündel die Zone quer zur Verschiebungsrichtung der Zone durchläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende Strahlungsbündel an der Zone reflektiert wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden für die einfallende Strahlung durchlässig ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsbündel den Kristall in der Richtung der Verschiebung der Zone durchläuft.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein linear polarisiertes Bündel elektromagnetischer Strahlung auf den Kristall einfällt.

40 durch welche die Intensität eines Strahlungsbündels mittels eines elektrischen Signals moduliert werden kann und deren Wirkungsweise sich auf bestimmte Eigenschaften von Halbleiterkörpern, insbesondere auf die Änderungen der Reflexion der Strahlung an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers oder auf die Änderungen der Übertragungseigenschaften beim Durchgang eines solchen Bündels in der Längsrichtung durch einen Halbleiterkörper mit durchsichtigen Elektroden beim Anlegen eines intensiven elektrischen Feldes zwischen diesen Elektroden gegründet ist.

Es ist bekannt, daß der optische Absorptionskoeffizient einer dünnen Halbleiterplatte sich in hohem Maße mit der Wellenlänge der durchgehenden Strahlung ändert. Die Kurve des Absorptionskoeffizienten des Materials als Funktion der Energie der einfallenden Photonen weist eine schroffe Absorptionsänderung auf, wenn die Energie dieser Photonen gleich der Breite des verbotenen Energiebandes zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband des betreffenden Halbleiters wird. Bei Strahlung, deren Wellenlänge höher ist als die, welche dieser schroffen Absorptionsänderung entspricht, also mit einer niedrigeren Photonenergie, ist die (beschränkte) Absorption den wenig zahlreichen freien Ladungsträgern und den Elektronenübergängen zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband einerseits und den zusätzlichen Pegeln infolge Verunreinigungen oder Kristallfehler andererseits zuzuschreiben. Wenn bei einer geringeren Wellenlänge die Photonenenergie gleich dem Energieunterschied zwischen der oberen Grenze des Valenzbandes und der unteren Grenze des Leitungsbandes oder höher als dieser wird, führt die Wechselwirkung dieser Photonen mit den Elektronen des Valenzbandes direkte Übergänge der angeregten Elektronen des Valenzbandes zum Leitungsband herbei, was von einer hohen Absorption der anregenden Strahlung begleitet wird. Die Stelle der Schwelle, bei der diese hohe Absorption bei geringerer Wellenlänge auftritt, ist abhängig von der Breite des verbotenen Energiebandes des Halbleiterkörpers, welche Abhängigkeit sich durch