DE1789045C3 - Integrierte, optisch-elektronische Festkorper-Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte, optisch-elektronische Festkörper-Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bekannt (»Electronics«. 15. Februar 1963, Seiten 4^r> bis 69). Hei dieser Schaltungsanordnung sind verschiedene elektrische und opto-elektronische Bauelemente in einem Halbleiterkristall vorgesehen. Zwischen den einzelnen opto-elektronischen Bauelementen werden Lichtsignale durch den Halbleiterkristall übertragen, für die abei keine besonderen üchtwege vorgesehen sind. Dadurch können bei der Übertragung der Signale durch Streulicht unerwünschte Verluste auftreten.

Es gibt weiterhin bereits eine integrierte Schaltung, bei der verschiedene elektrische und auch opto-elektronische Bauelemente in verschiedenen Ebenen übereinandergeschichtet sind (FR-PS 14 54 464). Aber auch diese bekannte Schaltung sieht keine besonderen Wege für die Lichtsignale vor.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine integrierte opiisch-elektronische Festkörper-Schaltungsanordnung anzugeben, bei der die optische Signalübertragung möglichst verlustfrei ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die Erfindung sieht also zur Übertragung von Lichtsignalen optische Leitbahnen mit der Wirkung eines Lichtleiters vor. Dadurch können die Lichtsignale nahezu verlustfrei übertragen werden. Dies bedeutet aber auch, daß Signale mit wesentlich höherem Informationsinhalt verarbeitet werden können.

Durch die Einführung auch optischer Schallwege zur Übertragung von nachrichtentechnischen Informationen in ein integriertes Schaltsystem ergeben sich auch eine Reihe elektronischer Vorteile, wie z. B. eine Reduzierung von Relaxations- und Trägheitserscheinungen, bessere Übertragungsverhältnisse im Frequenzbereich nachrichtentechnischer Höchstfrequenzen und im oberhalb hieran angrenzenden Frequenzbereich eine gegenüber gewöhnlichen elektrischen Stromwegen in konventionellen integrierten Schaltungen wesentlich genauere Festlegung und Konstanthaltung der charakteristischen Parameter des Übertragungsweges, eine größere Zuverlässigkeit des Übertragungsweges.

Jedes Ausführungsbeispiel ist schematisch sowohl im Querschnitt in der Längsrichtung als auch in einer Draufsicht von oben dargestellt. Die Bezugszeichen in den Figuren sind für gleiche Teile des erfindungsgemäßen Festkörpersystems im Querschnitt und in der Draufsicht gleich. In der Draufsicht sind die Ziffern durch einen Strich gekennzeichnet.

In den F i g. I und 2 ist eine optische Leitbahn 12 bzw. 12' als Schaltelement in einer integrierten Schaltung dargestellt. Diese Leilbahn dient zur Übertragung eines bestimmten Lichtstromes von begrenztem Querschnitt in vorgegebener horizontaler Richtung zwischen Bau- und/oder Schaltelementen des integrierten Systems parallel zu dessen Oberfläche. Ein solcher Lichtstrom kann grundsätzlich zur Übertragung nachrichtentechnischer Informationen oder im einfachsten Fall zum Energietransport verwendet werden. Das übertragene Licht in einer optischen Leitbahn des Systems kann beispielsweise auch kohärentes Licht aus einer Laserquelle innerhalb des integrierten Systems sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel braucht dies aber nicht der Fall zu sein. Dieser Umstand soll darauf hinweisen, daß eine optische Leitbahn im allgemeinen keine Einschränkungen auf qualitative Eigenschaften des übertragenen Lichtes ausübt und diese Eigenschaften, von besonders zu besprechenden Fällen abgesehen, auch nicht verändert. Die stofflichen Eigenschaften einer optischen Leilbahn können verschieden sein, sie vereinigen das in optischer Hinsicht für den Lichttransport Notwendige mit gegebenen Möglichkeiten der Herstellung integrierter Systeme. Eine optische Leitbahn besteht vorzugsweise aus Glas oder einem glasartigen Körper, und das Spektrum des sich in der

optischen Leitbahn fortpflanzenden Lichtes muß in dem Bereich ihrer optischen Durchlässigkeit liegen.

Eine besonders zweckmäßige Eigenschaft der optischen Leilbahn ist, daß sie einen definierten Eingang und Ausgang für das Licht besitzt. Der in der optischen Leitbahn transportierte Lichtstrom kann sich demzufolge nur in einer bestimmten Richtung innerhalb der Leitbahn vom Eingang zum Ausgang hin fortpflanzen. Ein seitlicher Austritt des Lichtes wird durch innere Totalreflexion verhindert Die innere Totalreflexion kann in besonderen Fällen auch durch einen filmartigen Überzug, beispielsweise Metallüberzug, der Seitenflächen der optischen Leitbahn begünstigt werden.

Im Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 ist die optische Leitbahn 12 und 12' in den hochohmigen Grundkristall 11 bzw. 11' aus vorzugsweise halbleitendem Material eingebettet Die obere Seitenfläche der optischen Leitbahn stimmt mit der sonstigen Oberfläche des integrierten Systems hinsichtlich Ihrer Höhe praktisch überein. Der Grundkristall hat beispielsweise bei einer relativ großen integrierten Anordnung eine Länge von 10 mm und eine entsprechende Breite von 4,5 mm sowie eine Dicke von I bis 2 mm. Die ein-Jiffundicrten, einlegiertcn oder cpitaktischL-n Schichten für die elektrischen und optischen Bauelemente des integrierten Systems haben eine Tiefe von der Größenordnung 0,1 mm.Diese Tiefe kann je nach dem auch kleiner oder etwas größer sein, der angegebene Wert ist in sinnvoller Weise veränderbar. An der linken Seite enthält der Grundkristall Il bzw. 11' eine Lumineszenz- oder Laserdiode mit dem hochdotierten n-Ieitenden Gebiet 14 bzw. 14' und dem ebenfalls hochdotierten p-leitenden Halbleitergebiet 13 bzw. 13'. Im folgenden kann die Lumineszenzdiode des integrierten Systems auch durch eine Laserdiode ersetzt werden. Die Halbleitergebiete 13 und 14 bzw. 13' und 14' sind jedes einzeln in herkömmlicher Weise mit den Metallkontakten 15 und 16 bzw. 15' und 16 ' versehen. Die Ziffer 121 bezeichnet eine schützende Oberflächenoxidschicht. Die linke Stirnfläche der optischen Leitbahn grenzt zweckmäßig als optischer Eingang derart an die Lumineszenzdiode, daß die in Richtung des pn-Übergangs austretende Lumineszenzstrahlung senkrecht durch diese Stirnfläche in die optische Leitbahn eintritt und in dieser bis zu einer Photodiode geleitet wird. Das Licht tritt in diese Photodiode parallel zu ihrem pn-Übergang zwischen dem n-Gebiet 18 bzw. 18' und dem p-Gebk't 17 bzw. 17' ein. Der photoelektrisch wirkende pn-Übergang dieser Diode kann beispielsweise auch senkrecht zur Oberfläche in unmittelbarer Nähe des Ausgangs der optischen Leitbahn angebracht sein. Eine andere Modifikation ist ein von links nach rechts schräg ansteigender Verlauf des pn-Übergangs mit einem entsprechenden prismenfönnigen Ausgang der optischen Leitbahn. Analoge Abwandlungen können auch für die Lumineszenzdiode auf der linken Seite des integrierten Systems sinngemäß vorgenommen werden. Die Ziffern 19 und 19' sowie 120 bzw. 120' bezeichnen metallische Kontakte, welche die schützende Oxidschicht durchdringen.

Das Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 demonstriert in einfachster Weise die Möglichkeit eines optisch-elektronischen Systems in integrierter Bauweise. Als Schallelement eines solchen Systems ist im vorliegenden Beispiel zunächst nur eine horizontal verlaufende optische Leitbahn im System dargestellt, welche eine optische Übertragung nachrichtentechnischer Informationen von einer Lumineszenzdiode auf eine Photodiode, die beiden dem integrierten System selbst angehören, ermöglicht Die Information kann hierbei als Modulation der Intensität des Lichtstromes übertragen werden. In der Photodiode wird der optisch übertragende Informationsinhalt wieder in elektrische Strom- und/oder Spannungsschwankungen umgewandelt, wobei man im linearen oder auch im nichtlinearen Arbeitsbereich aussteuern kann.
Weitere, auf der Verwendung derartiger optischer

lu Leitbahnen beruhende, neue elektronische Möglichkeiten lassen sich beliebig konstruieren. Beispielsweise kann man zunächst durch eine kleine Erweiterung des Systems gemäß den F i g. 1 und 2 im Rahmen konventioneller integrierter Schaltungen eine elektrisehe Rückkopplung von der Photodiode über ohmsche Strompfade auf die elektrische Steuerung der Lumineszenzdiode vornehmen, oder man kann von der Photodiode eine elektrische Übertragung auch auf andere verschiedene oder untereinander gekoppelte gleichartige Bau- oder Schaltelemente des optisch-elektronischen integrierten Systems realisieren. Diese Rückkopplung oder Übertragung kann aber vorzugsweise auch auf optischem Wege durch optische Leitbahnen erfolgen. In nachrichtentechnischer Hin-

2ϊ sieht kann hierbei der Informationsinhalt auch erweitert oder reduziert und transformiert werden. Eine Erweiterung des Informationsinhaltes kann z. B. dadurch geschehen, daß die Photodiode noch durch eine weitere Lichtquelle beaufschlagt wird, welche direkt eine

JO Information auf die Photodiode überträgt. Diese Lichtquelle kann auch nur eine optische Umleitung der ersten Lichtquelle über eine optische Verzweigung sein, wobei jedoch die Lichtintensität oder andere Parameter bei der optischen Umleitung zusätzlich moduliert

Ji werden. Besondere Bedeutung erlangen diese Möglichkeiten bei Verwendung von kohärentem Licht.

Eine optische Rückkopplung von der Photodiode auf die Lumineszenz- bzw. Laserdiode in den F i g. 1 und 2 läßt sich im Prinzip durch eine zweite entsprechende

■»<· optisch-integrierte Schaltanordnung, jedoch in entgegengesetzter Transportrichtung vornehmen. Die Strom- und/oder SDannungsschwankungen der photoinduzierten Photodiode der F i g. 1 und 2 werden direkt auf die elektrische Spannung an einer Lumines-

·»■> zenzdiode der zweiten Anordnung übertragen. Deren Lumineszenzstrahlung fließt in der optischen Leitbahn der zweiten Anordnung zu einer mit der ersten Lumineszenzdiode elektrisch direkt gekoppelten Photodiode, durch welche die primäre Lumineszenzdiode

κι geschaltet wird. Auf diese und ähnliche Weise ergeben sich sinngemäß zahlreiche weitere Möglichkeiten, durch optische Leitbahnen nachrichtentechnisch in Wechselwirkung stehende integrierte Schaltkomnlexe in Hin- und Rückwirkung, auch unter Einbeziehung aktiver

·">'■ Schaltelemente, in elektrischer Hinsicht vollständig zu entkoppeln. Durch Iteration und Kombination solcher optisch-elektronischer Systeme können größere integrierte Schallkomplexe zusammengestellt werden. Hierbei lassen sich z. B. extrem schnelle Schalter,

wi Schaltweichen, Frequenzumwaiidlungen. Filter, Verzweigungen und Vereinigungen von Karralen, Modulationen, Phasenverschiebungen, Rückkopplungen, Verstärkungen, entkoppelte Übertragungen usw. integriert und miniaturisiert herstellen. Bei Verwendung von

tii Laserlicht lassen sich über optische Leitbahnen eine große Anzahl von Fernsehkanälen in integrierter und miniaturisierter Bauweise übertragen und schalten.
Eine Schaltung eemäß den Fie. I und 2 kann nach

einer geringfügigen Abwandlung in elektronischer Hinsicht auch in umgekehrter Richtung arbeitend betrieben werden. Hierbei wird eine Photodiode des integrierten Systems von einer Lichtquelle photoelektrisch mit einer Information beaufschlagt. Die Lichtquelle kann selbst ein Teil des integrierten Systems sein. Die resultierenden Strom- bzw. Spannungsschwankungen werden innerhalb der integrierten Schaltung auf eine Lumineszenzdiode elektrisch direkt übertragen. Diese Lumineszenzdiode steuert über mindestens eine optische Leitbahn eine oder weitere Photodioden, wobei auch ein Teil des Informationsflusses auf die erste Photodiode zurückgelenkt werden kann. Bei dieser Rückkopplung eines Teilflusses von Informationen können diese in verschiedener Hinsicht erweitert und/oder transformiert werden, z. B. können hierbei neue Frequenzkanäle und Verknüpfungen von solchen Kanälen bei bestimmten Schritten des elektronischen Schaltablaufs in diesem einbezogen werden. Derartige erweiterte Möglichkeiten ergeben sich insbesondere bei Verwendung von Laserlicht.

Nach den geschilderten nachrichtentechnischen Anwendungsmöglichkeiten von optischen Leitbahnen sei jetzt der technologische Aufbau betrachtet. Die technologische Herstellung entspricht überwiegend, aber durchaus nicht vollständig, konventionellen Verfahren und richtet sich jeweils nach den verwendeten Materialien. Demzufolge wird man im wesentlichen zwei grundsätzliche technologische Möglichkeiten unterscheiden. Entweder ein integriertes System besteht kompakt vorwiegend aus einem einzigen hochohmigen, vorzugsweise halbleitenden Grundkristall (in F i g. 1 und 2 z. B. 11 und 1Γ), in den die verschiedenen dotierten Schichten der optisch-elektronischen Bauelemente und Schaltungen mit Hilfe der Maskentechnik eindiffundiert — und/oder einlegiert werden, oder das integrierte System basiert auf einem Grundkristall mit einem aus aufgebrachten Fremdschichten bestehenden elektronischen Aufbau, wobei diese Fremdschichten z. B. durch Aufdampfen oder durch Epitaxie oder mechanisch aufgebracht werden. In speziellen Fällen können diese Fremdschichlen auch von gleichem Material, jedoch verschiedener Dotierung sein. Die Fremdschichten können eine kristalline, aber auch eine halbkristalline bis amorphe, glasartige Struktur besitzen. Je nach Art und Weise dieser verschiedenen technologischen Aufbaumöglichkeiten kann eine optische Leitbahn z. B. in den F i g. 1 und 2 im Falle eines kompakten Aufbaues des Systems ein Bestandteil des hochohmigen, vorzugsweise halbleitenden Grundkristalles sein, der sich von den dotierten Bereichen 13,13' und 14,14' sowie 17,17' und 18,18' der Lumineszenz- bzw. der Photodiode nur durch seine Dotierung unterscheidet. Die in den Fig. 1 und 2 gezeichneten Umrisse der optischen Leitbahn 12 bzw. 12' stellen in diesem Falle gewisse Dotierungsgrenzen dar. Ist die optische Leitbahn 12 bzw. 12' jedoch eine Fremdschicht in bezug auf den Grundkristall 11 und 1Γ, so kann diese anstatt aus einem optisch durchlässigen Kristallmaterial auch aus glasartigem Material oder aus Glas, in speziellen Fällen auch aus halbleitendem Glas, bestehen, wie dies bereits oben als Beispiel erwähnt worden ist

Nach einer Weiterbildung in technologischer Hinsicht kann der Aufbau eines integrierten Systems im Gegensatz zu einer Herstellungsweise aus einem kompakten Einkristall auch aus Teilen von verschiedener stofflicher Beschaffenheit zusammengefügt werden. Als das System zusammenhaltendes Grundgerüst dient eine Matrix, die wenigstens für bestimmte elektrische — und/oder optische Schaltelemente des integrierten Systems auch als Substrat verwendet werden kann. Eine solche Matrix besteht aus einem Halblcilerkristall oder ') aus einem Glaskörper oder einem Dielektrikum oder aus einer Masse aus synthetischem Kunststoff. Die optischen l.eitbahnen sind dann lichtdurchlässige Züge neben gefärbten, lichtundurchlässigen Partien in der glasartigen Matrix bzw. der Kunststoffmatrix, oder sie

ι« sind optische l.eitbahnen aus Glas, welche von der Kunslstoffmatrix eingefaßt werden. Schließlich kann das integrierte optisch-elektronische System auch aus mindestens zwei aufeinander passenden Teilmalrizen bestehen, welche zu einer Gesamtmatrix zusammengesetzt werden, wobei in einer Teilmatrix aus Glas oder einem glasartigen Stoff die optischen Leätbahncn und in einer anderen Teilmatrix die elektrischen Schaltwege und die Bauelemente, wie z. B. Dioden, Kondensatoren. Transistoren, Photodioden, Lumineszenz- oder Laserdioden usw., ausgebildet und zu einem integrierten System vereinigt sind.

Der in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 1 und 2 dargestellte Sachverhalt sowie die über dieses Beispie! hinausgehenden erweiterten Anwendungsmöglichkeiten und Ausbildungsformen gelten analog auch für die hier folgenden Ausführungsbeispiele nach den F i g. 3 und 4 sowie den F i g. 5 und 6.

Die in den F i g. 3 und 4 schematisch dargestellte einfache Ausführungsform enthält eine Weiterbildung

jo des Prinzips eines integrierten optisch-elektronischen Systems. Diese Weiterbildung besteht in der Ausbildung eines optischen Leitpunktes. Der optische Leitpunkt 23 und 23' ist eine angenähert halbkugelförmige Erweiterung am Ende einer optischen Leitbahn, wie sie z. B.

J5 nach den F i g. 3 und 4 gemäß 22 und 22' realisiert ist.

Der Zweck eines optischen Leitpunktes besteht in der Möglichkeit der Übertragung des Lichtes von einer optischen Leitbahn auf ein photoelektrischcs Bauelement der integrierten Schaltung oder umgekehrt von einer innerhalb der integrierten Schaltung befindlichen Lichtquelle, z. B. einer Lumineszenzdiode, in eine optische Leitbahn. Ein optischer Leitpunkt kann aber auch die Funktion der Verteilung und Verzweigung eines Lichtstromes zwischen Leitbahnen übernehmen.

ή Während das Licht in einer optischen Leitbahn infolge der an allen seitlichen Begrenzungsflächen stattfindenden inneren Totalreflexion sich nur längs der optischen Leitbahn fortpflanzt, ermöglicht ein optischer Leitpunkt durch innere Reflexion des Lichtes an der halbkugelförmigen Begrenzungsfläche, welche noch mit einer nach innen reflektierenden metallischen Folie überzogen sein kann, eine Sammlung des Lichtes in dem halbkugelförmigen Medium des optischen Leitpunktes, so daß der Lichtstrom von dort ausgehend nunmehr entweder nach unten aus der kreisförmigen Bodenfläche des Leitpunktes in eine photoelektrisch wirksame Halbleiterschicht des integrierten Systems eintreten oder parallel zur Oberfläche des Grundkristalls in eine optische Leitbahn mit anderer Richtung übergehen kann. Die Umlenkung des Lichtes in einem optischen Leitpunkt aus einer optischen Leitbahn in eine andere oder in ein vom optischen Leitpunkt überdecktes Halbleitergebiet des integrierten Systems erfolgt durch vielfache Reflexion und Streuung des Lichtes innerhalb des nahezu halbkugelförmigen Körpers des optischen Lichtpunktes. Diese innere Reflexion und Streuung des Lichtes geschieht sowohl an der reflektierenden Halbkugeloberfläche als auch im Volumen des optischen

Leitpunkles. Somit wird im Gegensatz zur Reflexion an einem definierten Spiegel der aus einer richtungsbehaftcten optischen l.citbahn austretende l.ichlstrom in einem optischen l.eilpunkt durch vielfache Reflexion und Streuung gleichmäßig verteilt, so daß von dort gleichzeitig in verschiedenen, beliebig wählbaren Richtungen Lichttcilströmc in andere optische Kanäle des integrierten Systems übertragen werden können. Natürlich ist in solchen Fällen, wo eine Verteilung des Lichtstromes aus einer optischen Leitbahn durch vielfache Reflexion und Streuung nicht erwünscht und statt dessen nur eine Reflexion in einer definierten Vorzugsrichtung vorzunehmen ist. der optische Leitpunkt beispielsweise durch eine reflektierende ebene Prismenfläche innerhalb der optisch-elektrischen Schaltung des integrierten Systems zu ersetzen. Ein optischer Leitpunkt bietet jedoch den grollen Vorteil, daß sich an diesen gleichzeitig mehrere verschiedene optisch-elektronische Funktionen und sogar in beliebigen Richtungen der integrierten Schaltung anschließen lassen.

Hinsichtlich des Materials und der technologischen Realisierung eines optischen Leitpunktes gelten die gleichen Eigenschaften, Merkmale und Verfahrensweisen wie bei einer optischen Leiibahn. Soweit diese Gesichtspunkte ausführlich oben beim Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 dargelegt wurden, brauchen sie nicht mehr beschrieben zu werden. Demzufolge besteht ein optischer Leitpunkt eines optisch-elektronischen Systems vorzugsweise aus Glas oder einem glasartigen Material. Der optische Leitpunkt kann entweder mit einer oder mehreren optischen Leitbahnen einen zusammenhängenden glasartigen Körper bilden,oder er kann an die Stirnfläche einer l.citbahn als optischer Hin- und Ausgang angrenzend ein an sich selbständiges Gebilde innerhalb des optisch-elektronischen Systems darstellen. In bestimmten Fällen kann ein optischer Leitpunkt auch Bestandteil einer Kristallschicht des integrierten Systems oder selbst ein eigener zusätzlicher Kristallkörper in der integrierten Schaltung sein. Um die Fähigkeit der vielfachen Reflexion und Streuung des Lichtes innerhalb eines optischen Leitpunktes zu erhöhen, kann dieser aus glasartigem oder kristallinem Material bestehen, welches zusätzlich sehr viele innere reflektierende Inhomogenitäten oder Grenzflächen aufweist. Bei entsprechend guter Transparenz des Materials für den Lichtstrom kann deshalb ein optischer Leitpunkt z. B. auch aus polykristallinen! Material bestehen. Diese zusätzlichen Eigenschaften können jedoch nur zur Anwendung kommen, wenn der operierende Lichtstrom innerhalb der in einem optischen Leitpunkt einmündenden und von diesem ausgehenden optischen Leitbahnen eine entsprechend hohe Intensität besitzt. Als ein von den optischen Ixitbahncn in materieller Hinsicht unabhängiges Gebilde kann ein optischer Leitpunkt auch technologisch selbständig hergestellt werden, z. B. durch punktförmiges Auftropfenlassen aus einer Glas- oder Kristall· schmelze längs einer sehr feinen, hausförmigen Zuführung.

Bei einer Weiterbildung besteht ein optischer Leitpunkt aus einem fluoreszierenden Material, welches durch den aus der optischen Leitbahn oder einer Lichtquelle des integrierten Systems in den Körper des optischen Leitpunktes eingestrahlten Lichtstrom zu eigener Strahlung angeregt wird. In diesem Falle wird ein optischer Leitpunkt selbst zur Strahlungsquelle innerhalb des optisch-integrierten Systems. Der optische Leitpunkt ist dabei zweckmäßig ein fluoreszierender Kristall oder ein mit einem fluoreszierenden Farbstoff versehener Glaskörper, wobei der Farbstoff entweder im Volumen oder an der näherungsweisc halbkugelförmigcn Oberfläche des optischen Lcitptinktes vorhanden ist.

An einem einfachen Ausführungsbeispiel nach den F i g. J und 4 wird eine Realisierungsmöglichkeit für einen optischen Leitpunkl 23 bzw. 23' demonstriert, der im vorliegenden Fall z. B. mit der optischen Leitbahn 22 und 22' einen zusammenhängenden glasartigen oder kristallinen Körper bildet mit einer dem verwendeten Spektralbereich entsprechenden optischen Durchlässigkeit. Die in den hochohmigen, vorzugsweise halbleitendcn Grundkristall 2t bzw. 21' einlegicrte stark p-lcitende Schicht 24 bzw. 24' bildet zusammen mit der angrenzenden n-leilentien Schicht 25 und 25' eine Lumineszenz- oder Laserdiode, die über die Kontakte 26, 26' und 27, 27' elektrisch gesteuert wird. Der in der Lumineszenz- bzw. Laserdiode 24/25 bzw. 24725' erzeugte Lichlstrom gelangt in der optischen Leitbahn 22 bzw. 22' in den näherungsweise halbkugelförmigen optischen Leitpunkt 23 bzw. 23'. Das in dem Leitpunkt 23, 23' vorhandene Licht steuert photoelektrisch eine Photodiode, welche zum integrierten System gehört und sowohl aus der p-leitenden Schicht 28 bzw. 28' als auch aus der n-lcitenden Schicht 29 bzw. 29' besteht. Die metallischen Kontakte der Photodiode sind 210 und 220 bzw. 210' und 220'. Die etwa halbkugelförmige Kalotte des optischen Leitpunktes ist in speziellen Fällen mit einer nach innen reflektierenden dünnen Schicht 230 bedeckt. Diese kann zweckmäßig ein metallischer Niederschlag sein. Wie bereits erwähnt, ist der optische Leitpunkt 23 bzw. 23' ein fluoreszierender Körper oder wird durch einen zugesetzten Farbstoff (an der Oberfläche oder im Inneren) durch Einwirkung der aus der optischen Leitbahn 22, 22' in die Halbkugel 23, 23' eintretenden Strahlung zu einer eigenen zusätzlichen Strahlung angeregt. Durch diesen Effekt wird die Photodiode intensiver ausgesteuert und es können auf diese Weise allgemein Eigenschaften der Übertragung im integrierten optisch-elektronischen System in nachrichtentechnischer Hinsicht verbessert werden.

Für das Auslührungsbeispicl nach den F i g. 5 und 6 gelten entsprechend die in den beiden vorausgegangenen Ausführungsbeispiclen gegebenen Erklärungen. Das in den Fig. 5 und 6 schematisch dargestellte integrierte System soll insbesondere zur Demonstration der Möglichkeit einer wechsclwirkungsfreien Überkreuzung eines elektrischen ohmsehen Strompfades 37

so bzw. 37' durch eine optische Leitbahn 32 bzw. 32' herangezogen werden. Ferner soll in diesem System ein optischer Leitpunkt 36 bzw. 36' mit einmündender und mit ausgehender optischer l.citbahn 32, 32' bzw. 320 dargestellt und ein entsprechender informationsbehafteter Transport eines optischen Stromflusses parallel zur Kristallobjrfläche des integrierten Systems gezeigt werden. Beide Zweige 32' und 320' der optischen Leitbahn sind im vorliegenden Beispiel Fremdschichten geeigneter optischer Durchlässigkeit, die auf den

wi hochohmigen. vorzugsweise halbleitenden Grundkristall 31 bzw. 3Γ z.B. epitaktisch aufgetragen werden, nachdem vorher in den Grundkristall 31, 31' der ohmsche elektrische Strompfad 37, 37' und 370' η-leitend und die niederohmige p-Zone 372' einlegiert

frs oder eindiffundiert worden sind. In analoger Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 3 und 4 die Schichten 28' und 29' stellen in Fig.6 die in den Grundkristall 31' einlegierte p-leitende Schicht 372' und

die darüber liegende η-leitende Schicht 371', die in den η-leitenden ohmschen Strompfad 370' und 37' übergeht, cine Photodiode dar. Diese Photodiode mit den metallischen Anschlußkontakten 373' und 3730' wird mit einem optischen Stromfluß durch den optischen L.eitpunkt 360' versehen. Dieser optische Stromfluß wird in der Lumineszenzdiode mit dem pn-Übergang 33 — 34 bzw. 33' —34' erzeugt, in dem optischen Leitpunkt 38, 38' mit einer nach innen reflektierenden Kappe 380 gesammelt und gelangt schließlich über die optische Leitbahn 32, 32' bzw. 320' und den optischen Leitpunkt 36 bzw. 36' in den optischen Leitpunkt 360' mit der darunter liegenden Photodiode 371'—372'. An der Lumineszenz- bzw. Laserdiode befinden sich die metallischen Anschlußkontakte 39, 39' und 390'. Die beispielsweise epitaktisch auf den Grundkristall aufgebrachten optischen Leitbahnen 32,32' bzw. 320' sind mit einer Oxidschicht 35 oder mit einer anderen Schutzschicht überzogen. Außerhalb dieser optischen Leitbahnen 32, 32' und 320' ist der Grundkristall 31, 31' des integrierten Systems sowie die einlegierten ohmschen Slrompfade 37, 37' und 370' und ferner die einlegierten Schichten der Photodiode und der Lumineszenz- bzw. Laserdiode mit einer gegenüber der Oxidschicht 35 etwas tiefer liegenden Oxidschicht 310' überdeckt. Die optischen Leitpunkte 36, 36' und 360' sind aus fluoreszierendem Material hergestellt, oder sie sind wenigstens teilweise mit einem fluoreszierenden Überzug versehen. Der vorzugsweise halbleitende hochohmipe Grundkristall 31 des optisch-elektronischen Systems hat eine Grundfläche von beispielsweise 1,5 cm χ 1,5 cm und eine Dicke von etwa 3 mm. Die Dicke der optischen Leitbahn 32 betrag! ungefähr 0,3 mm. Die Dimensionen der übrigen Teile des integrierten Systems sind diesen Abmessungen entsprechend zugeordnet.

In den Fig. 7 und 8 ist ein etwas komplizierteres integriertes optisch-elektronisches System dargestellt, welches ebenfalls die Möglichkeiten in bezug auf den Aufbau sowie in nachrichtentechnischer elektronischer Hinsicht als ein aus vielen anderen herausgegriffenes Beispiel demonstrieren soll. Herstellungs- und Funktionsweise der einzelnen optisch-elektronischen Teile des integrierten Systems sind in den vorausgehenden Ausführungsbeispielen bereits erläutert worden, so daß hier lediglich das in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellte System beschrieben werden kann.

Das integrierte optisch-elektronische System gemäß den Fig. 7 und 8 zeigt als Ausführungsbeispiel die Möglichkeit einer sich verzweigenden optischen Übertragung einer Information von einer elektronisch gesteuerten Lumineszenz- oder Laserdiode 44. 45 bzw. 44', 45' über die optischen Leitbahnen 42,420, (421) bzw. 42', 420', 42Γ mit dem optischen Leitpunkt 43 bzw. 43' auf die beiden elektronisch unabhängig steuerbaren Photodioden 47, 48 bzw. 47', 48' und 470', 480'. Hierbei ist außerdem eine steuerbare kapazitive elektronische Rückkopplung von der Photodiode 47, 48 bzw. 47', 48' über die in den Grundkristall 41 bzw. 41' einlegierten ohmschen, η-leitenden Strompfad 461', 46', 460' und den pn-Übergang 46, 4501 bzw. 46', 450Γ sowie den nsn-Übergang 440', 4601' auf die Lumineszenzdiode 44, 45 bzw. 44', 45' vorgesehen. Die p-leitende Schicht 45 bzw. 45' der Lumineszenzdiode ist über den ohmschen p-leitenden Strompfad 450' mit der p-Zone 4501 bzw. 4501' des pn-Übergangs 4501-46 bzw. 450Γ-46' verbunden, welcher den einen Zweig der elektronischen Kopplung von der Photodiode 47—48 bzw. 47'—48' mit der Lumineszenzdiode 44 — 45 bzw. 44'—45' bewerkstelligt. Der andere Zweig einer rein kapazitiven Brücke erfolgt von der n-Schicht 44 bzw. 44' der Lumineszenzdiode über den legierten nsn- bzw. nin-Kondensator 440'—460Γ, der durch ohmschc Slrompfade 46 bzw. 46' und 461' mit der n-Schicht 47 bzw. 47' der einen Photodiode verbunden ist. Auf diese Weise können sowohl die n- als auch die p-Schicht der Lumineszenzdiode unabhängig gesteuert werden, was insbesondere

to bei Laserdioden im integrierten Betrieb des Systems eine zusätzliche Steuerung des Inversicnszustandes neben der Modulation ermöglicht. Die Gleichspannungseinstellung des pn-Überganges 4501—46 bzw. 450Γ—46' kann an der metallischen Anschlußelektrode 4610' oder 48' geschehen. An einem dieser Kontakte kann außerdem noch eine zusätzliche zeitlich veränderliche, insbesondere periodische äußere Spannung zur parametrischen Steuerung der Übertragungseigenschaften des pn-Übergangs 4501-46 bzw. 4501— 46' angelegt werden. Desweiteren dienen zur Einstellung der Vorspannung der Lumineszenz- bzw. Laserdiode die metallischen Anschlußkontakte 4500' für die p-Zone und 49' für die η-Zone. Die beiden Photodioden werden gleichspannungsmäßig über den Kontakt 480Γ der gemeinsamen p-Schicht 48 bzw. 48'(48O) und die Kontakte 48' bzw. 4620' (auf den η-leitenden ohmschen Zuführungen 46' und 46Γ bzw. 462' zur n-Schicht 47 bzw. 47' der einen bzw. zur n-Schicht 470' der anderen Photodiode) versorgt und eingestellt.

Die Lumineszenz- bzw. Laserdiode ist ersichtlich mit einem optischen Leiipunkt 430 bzw. 4 JO¹. der mit einem nach innen reflektierenden Film überzogen ist. bedeckt Hierdurch wird auch die nach oben aus der nleitenden Halbleiterschicht 44 austretende Strahlung der i.umineszenzdiode für den in der optischen Leitbahn 42 bzw. 42' ausgesendeten l.ichtlluli bewahrt und zur Verfügung gestellt. Der optische Leitpunkt 430 bzw. 430' gibt ein Beispiel für stoffliche Unabhängigkeit von Lumineszenz- bzw. l.aserdioden und optischer l.eitbahn: d. h, der optische Leitpunkt 430 bzw. 430' ist ein technologisch selbständiger Körper des integrierten Systems. Hingegen stellt der zur Verzweigung des Lichtstromes dienende optische Leitpunkt 43 bzw. 43' ein Beispiel dafür dar, daß der optische Leitpunkt 43, 43' mit den optischen Leitbahnen 42, 42', 420, 420' und 421, 42Γ sowie mit den beiden optischen Leitpunkten 431, 43Γ und 432' über den Photodioden 47, 48 bzw. 47'. 48' und 470', 480' einen auch in stofflicher Hinsicht zusammenhängenden Glas- oder Kristallkörper bilden kann.— Hinsichtlich der geometrischen Abmessungen des integrierten Systems gemäß den F i g. 7 und 8 gelten in analoger Weise die bereits bei den vorausgehenden Ausführungsbeispielen gemachten Angaben.

3ei den vorstehend angegebenen vier Ausführungsbeispielen bilden die in den hochohmigen vorzugsweise halbierenden Grundkristall eingebetteten oder auf diesen aufgebrachten elektrischen Strompfade und verschiedenartigen pn-Übergänge in elektrostatischer Hinsicht selbständige Systeme, die durch jeweils einen eigenen elektrischen Eingang und einen Ausgang als passive oder aktive Elemente bestimmt sind. Der das integrierte System tragende, hochohmige, vorzugsweise halbleitende Grundkristall repräsentiert hierbei ein elektrostatisches Grund- bzw. Bezugspotential, welches

in den angeführten Beispielen jedoch nicht in die Funktion einer Schaltung einbezogen ist. Aus diesem Grunde ist in den dargestellten Figuren der Grundkristall ohne eigene Kontaktierung zur Festlegung des

stillschweigend angenommenen Bezugspotentials gezeichnet worden, lis sei deshalb ausdrücklich bemerk;, daß /ur Realisierung eines elektrostatischen Grund- oder Bezugspotentials auch bei integrierten Systemen, die den angegebenen Ausführungsbeispielcn ungefähr entsprechen, der hochohmige, vorzugsweise halbleitende Grundkristall praktisch mit einem vorzugsweise ohmschen Anschlußkontakt zu versehen ist. Hin solcher Kontakt kann auch als niederohmige halbleitende oder

als metallisch leitende Trägerschicht unter dem (irundkristall ausgebildet sein. Andererseits kann jedoch bei integrierten optisch-elektronischen Systemen mindestens ein Anschlußkontakt des vorzugsweise halbleitenden Grundkristalls in die elektrischen Funktionen der Schaltung als wenigstens ein Pol eines der integrierten Zwei- und/oder Vierpole des Systems einbezogen sein.

I lier/u Λ Ul;ill Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Integrierte, optisch-elektronische Fesikörper-Schaltungsanordnung aus vereinigten, zusammenwirkenden, optisch-elektronischen, elektrischen, optischen und/oder photoelektrischen Bauelementen, die in einem alle optischen und elektronischen Funktionselemente integrierenden Grundkristall in mindestens zwei Schichten angeordnet sind, gekennzeichnet durch wenigstens eine als optischer Weg dienende optische Leitbahn mit der Wirkung eines Lichtleiters.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Weg aus einem Glas oder aus vorzugsweise einkristallinem, für den verwendeten Spektralbereich optisch durchlässigem Material besteht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine optische Leitbahn in den Grundkristall eingelassen ist und daß die eine als optischer Eingang dienende Stirnfläche der optischen Leitbahn an ein in den Grundkristall eingebettetes lumineszierendes oder laseraktives Element derart angrenzt, daß die austretende Lumineszenz- oder Laserstrahlung senkrecht durch diese Stirnfläche in die optische Leitbahn eintritt und in dieser ohne seitliche Strahlungsverluste bis in ein an die andere Stirnfläche angrenzendes optisch-elektronisches Funktionselement gelangt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Rückkopplung zwischen zwei optisch-elektronischen Funtionselementen mindestens eine weitere optische Leitbahn mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung des optischen Signals vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Verbindung zwischen mindestens zwei optischen Leitbahnen mit verschiedenen optischen Wegen ein optischer Leitpunkt in Gestalt einer angenähert halbkugelförmigen Erweiterung vorgesehen ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Leitpunkt an seinen nahezu halbkugelförmigen Begrenzungsflächen mit einer nach innen reflektierenden Folie überzogen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nach innen reflektierende Folie aus einem Metall besteht.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Leitpunkt aus einem fluoreszierenden Material besteht.