DE1614221C3 - Vorrichtung zum Modulieren eines Bündels optischer Strahlung - Google Patents
Vorrichtung zum Modulieren eines Bündels optischer StrahlungInfo
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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 5r>
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 Halbleiterdio- «>
den 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, b5 die von diesen Lasern ausgesandten Bündel modulieren
zu können.
Zu diesem Zweck sind bereits Vorrichtungen bekannt.
As =
1,237
ausdrückt, wobei As 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 ι ο
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. 3r>
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 ti bzw. 12 versehen. Bei einem n-leitenden
GaAs-Kristall können diese Kontakte in bekannter bo 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 166 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,
welche 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 λ/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)
1. Vorrichtung zum Modulieren eines Bündels optischer Strahlung mit einem Halbleiterkristall mit -3
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
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |