DE2013009A1 - Ablenker fur einen monochromatischen Lichtstrahl - Google Patents

Description

International Boelneea Machine» Corporation» Araonfc. M*Y« 10504 Ablenker for einen aonoehXOBatlaehen Lichtstrahl

SLe Erfindang betrifft einen Ablenker fttr einen aonoehxoaetiechen Lichtstrahl.

Aufgabe der Erfindung ist ee_v einen Ablenker der eingang« genannten Art bo euesugeatalten» daß er «Ogllehet einfach keretellbar let und Beglichet einfach und Bit eehr hohen AblenkfavienBen betrieben «erden kann·

Die Erfindung let dadurch gekennzeichnet, da8 ein Halbleiterkörper aue Halbleitermaterial, in welohea Öunneohwingungen anregbar Bind* anntei einander und den Idohetrahl gegenüber liegenden Seitenflächen alt KontaJctelektEOden belegt iet, da8 durch foaa und/oder Itotierang natarllohe Oonneohwlngungen Terhindert alnd, dafi durch eine an die Elektroden gelegte elektrlaehe 8panntng_v die einen IUr den Halbleiterkörper epeslfieohen krltiechen Wert ttbereohreitett ton der einen Elektrode but anderen sunthaende Werte der elektrlechen Ftldetftrke und dee optieohen Breohungsindexee fOr Mcht der Energie etwa in der OrOSe der Bandepalteneaevgie dee Halbleiter· kOrpeBB hervor gerufen werden.

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Die Erfindung macht eich den Umstand zunutze, daß bei Halbleiterkörpern der gekennzeichneten Art durch eine angelegte Spannung ein Gradient dee optischen Brechungsindexes für ein bestimmtes Liohtband erzielbar ist. Im einseinen wird der zugrunde liegende Mechanismus weiter unten anhand der Zeichnung noch näher beschrieben· Die Tatsache, daß der Gradient immer nur für ein begrenztes liohtband erzielt wird, bedeutet zwar eine Einschränkung in der Anwendung, der man aber dadurch Rechnung tragen kann, daS man für einen vorgegebenen abzulenkenden Lichtstrahl von einem solchen Halbleiterkörper ausgeht, bei den der Brechungsindexgradien^J dem Band dieses lichtstrahls entspricht· FQr die praktische Anwendung von Ablenkern kommt es auch nicht so sehr darauf an, daß jede Art von Licht abgelenkt wird, weil man bei vielen Anwendungsfällen den abzulenkenden Strahl hinsichtlich der Frequenz auf die Bedürfnisse des Ablenkers ausrichten kann·

Die für die angestrebte Wirkung einzuhaltende Bedingung, natürliche Gunnschwingungen zu verhindern, kann man einfach einhalten, indem gemäB einerzweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung, der ElektrodenabstandVund/oder die Uberechuetr&gerkonzentratlon n₀ so klein gemacht wird, daß der für natürliche Gunnechwlngungen erforderliche kritische Wert des Produktes 1«iiq nicht erreleht wird. Den Elektrodenabstand hat man durch räumliche Bemessung des Halbleiterkörper in der Hand und die ÜberschuBträgerkonzentration kann man durch Dotierung dee Halbleitermaterial« beeinflussen. Um die Produktbedingung eineuhalten, genügt es eine dieser GröSen Elektrodenabstand oder ÜbersohuSträgerkonsentration nach der anderen auszurichten·

Ist die Lichtenergie dee monochromatischen Lichtstrahls etwas größer als die Bandspaltenenergie, dann let die Erfindung zwar auch zu verwirkliehen, wenn der unterschied nicht zu groß 1st,aber es tritt beträchtliche Liohtabeorption auf. Aus diesem Gründe empfiehlt eich ein· Ausgestaltung der Erfindung, die dadurch ge-

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kennzeichnet ist» ββ8 das HelbXaitärmst espial ein soefees ist »iteiner Bandetmltenergie etwas gröSar wie-als W

üro die Belastung Iclein zu halten empfiehlt es sich, flaß die-Spannungsquelle in Impulsbetrieb anschließbar ist»

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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung seigts

Flg. 1 ein optleohee Diagramm alt einem Ablenker nach der Erfindung,

Flg. 2 eine Graphik Über den Feldetärkererleuf, Pig. 3 eine Graphite über den Brechungelndexrerlauf,

Fig. 4 den Ablenker aue FIg* 1 mit einer Spannungequelle beschältet und

Flg. 5 den Ablenker aue Fig. 1 alt einer anderen Spannungequelle beeehaltet, und alt einem Laser als Lichtquelle.

Olelche Meßzahlen für die Länge 1 - die dem Elektrodenabetand entspricht - liegen in den Figuren 1,2 und 3 Übereinander.

Bei de« Ablenksystem nach Flg. 1 wird dae abzulenkende Licht aue einer Lichtquelle 10 in einem Linsensystem 12 fokussiert auf einen Brennpunkt, der auf der gegenüber liegenden Seite eines Ablenker« 14 liegt, durch den der Lichtetrahl durchgerichtet let« Der Ablenker 14 besteht aue Halbleitermaterial, dae die VoraueaetBungen für den Ounneffekt aufweist. Da· Halbleitermaterial ist aber so vorbereitet, daß es auf ein elektrisches Feld auch oberhalb des dafür sonst maßgebenden Feldst&rkeschvellwertes keine Qunnschvingungen erzeugt. Der Ablenker 14 besteht aue einem Hauptteil 14A, «na n-tyt>iechee Galliumarsenid und einem Paar ohmaoher Anschlüsse I4B und UC, die auf beiden 8elten dieses Hauptteils angesetzt sind. Für die Anschlüsse I4A und UB sind Anschlußklemmen UD und UE rorgeaehen, über die ein elektrisches Feld mn den Omlliumarsenldkörper UA gelegt werden kann. Sie Concentration r^ der Oberschußelektronen im Körper 14A und die Länge 1 des Körpers sind so gewählt, daß dme Produkt I)₀* 1 unterhalb des kritischen Wertes für die Gunnschwingungen liegt. Bei aalliummrsenld liegt dieser kritische

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Wert bei etwa 10 cm" oder niedriger und kann von Fall zu Fall etwas variieren·

Wenn das Produkt n^· 1 unterhalb den kritischen Wert liegt) dann erzeugt eine konstante Spannung an den Anschlußklemmen 14 D und HE, die größer ist als die SchwelIwerteparmung für das Schwellwertfeld in Körper 14A, ein stabiles Feld, das entlang der Lan« ge 1 des Körpers ungleichförmig verteilt 1st· Die gestrichelte Kurve 20 aus Fig· 2 zeigt die elektrische Feldverteilung für eine elektrische Spannung, die mit einer solchen Polarität an die Anschlußkontkate HB und UE angelegt ist, daß der ohneehe Kontakt HB die Kathode und der ohmsche Kontakt HC die Anode ist und zwar für eine Spannung, die etwas über der Schwellwertspannung liegt· Wie aus dieser .Kurve ersichtlich, ist die elektrische Feldstärke E in unmittelbarer Nähe der Kathode an geringsten und wächst mit zunehmenden Abstand zur Kathode an, bis eie In unmittelbarer Nähe der Anode ihren Höchstwert erreicht. Wenn die Größe der Schvellvertspannung unbekannt ist, findet man sie durch probieren, indem man die angelegte Spannung steigert bis sich der angestrebte Effekt einstellt.

Es ergibt sich mithin ein elektrischer Feldgradient in dem Galliumarsenid körper 14A, der einen nichtlinearen Verlauf hat, wenn die angelegte Spannung nur etwas über den Schwellwert liegt· IHLe höchste Feldstärke ist in diesem Fall auf den Bereich in unmittelbarer Nähe der Anode HC beschränkt· Wenn die angelegte Spannung bei gleicher Polarität zunimmt, dann ergibt sich der Feldstärkenverlauf gemäS der gestrichelten Kurve 22. Sie Feldstärke ist dann größer und der Feldgradient wird fast linear·

Wenn man in dem Oalliumarsenidkörper HA auf diese Weise ein elektrisches Feld erzeugt, dann entsteht ein Gradient des Brechungeindex η . Biese Änderung des Brechungsindex betrifft , aber nur Strahlungen mit einer Energie etwa so groß, wie die dee Bandepaltee des Halbleiters. Bei Galliumarsenid beträgt die Bandspaltenergie bei Raumtemperatur ungefähr 1,4 Elektronen™ It und der Bereich, in dem der Brechungsindex sich wesentlich verändert, liegt zwischen 0,02 und 0,1 Elektronenvolt unter-

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unterhalb der Bandepaltenergie. Diese Änderung des Brechungeindezes Über die Länge 1 dee Halbleiterkörper ist in Pig, 3 durch die gestrichelte Kurve 22Λ, die der Kurve 22 aus Fig. 2 entspricht, aufgezeigt. Die Kurve 22A let ale lineare Kurve idealisiert, öle zeigt aber, daß entsprechend dem Feldanstieg von der Kathode zur Anode auch der Brechungsindex ansteigt.

Vertauscht nan die Polarität der an die Anschlußleontakte 14D und 146 angelegten Spannung, dann ergibt sich eine spiegelbildliche Umkehrung des Kurvenverlaufs entsprechend den Kurven 24» 26 und

Die Kurve 28 aus Flg. 2 und die Kurve 28A aus Fig. 3 zeigen eine konstante elektrische Feldstärke und einen konstanten Brechungeindex in Galliumareenldkörper, «as eich ergibt, wenn die angelegte Spannung unterhalb des Schwellwertes liegt. In einen solchen Fall 1st das elektrische Feld in den Körper konstant und liegt unterhalb der Schwellwertfeldetärke B^ und deshalb ist auch der Brechungsindex konstant. Dies beruht auf der Tatsache, daß die negative Leitfähigkeit, die auch für den Gunneffekt Voraussetzung ist, erst dann auftritt, wenn die erzeugte Feldstärke die Schwellwertfeldstärke Β«, Überschreitet, denn diese negative Leitfähigkeit bedingt den Gradientenverlauf entsprechend den Kurven 20,22,24 und 25. Daa angelegte elektrische Feld erzeugt nicht unmittelbar die Änderung oder den Gradienten dee Brechungeindexes, sondern zunächst nur den Gradienten beziehungsweise die Änderung in der elektrischen Feldstärke. Es sei hier noch einmal darauf hingewiesen, daß der Gradient dee Brechungsindexes, also die Änderung des Brechungsindexes liber die Körperlänge 1, nur für Lichtwellenlängen entsteht, deren Energie in der Nähe der Bnndspaltenergie des betreffenden Halbleiters, hier also des Galliumareenids, liegt.

Flg. 4 zeigt echeaatiech die Beschaltung eines Ablenkers 14, die nötig ist, um einen Lichtstrahl, wie in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet, nach links und rechts abzulenken. In Fig. 4 sind dleje-

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nigen Teile, di· euch in Fig. 1 dargeetellt sind, alt den gleichen Besugeslffern wie in Fig· 1 bezeichnet, Genäß Flg. 4 sind ewei einstellbare Spannungequellen 30 und 32 vorgesehen· Die Spannungequelle 30 k»nn über den ßohalter 3OA an den Ansohluekontakt UD angeschlossen Herden und die 8pannungeattelle 32, die umgekehrt gepolt lat» Über den Schalter 32A. Wenn der Schalter 3OA geschlossen iet, liegt eine negatlre Spannung hinreichender Amplitude aa AneehluBkontakt 14Dt eo daß der Kontakt 14B Kathode und der Kontakt 14C Anode ist und sieh ein Feldgradient und ein Brechunge-Indexgradient entsprechend den Kurven 22 und 22A ergibt* Wenn diese Spannung angelegt 1st, wird der eingestrahlte lichtstrahl aus der Lichtquelle 10, der in der Linse 12 auf den Brennpunkt 260 fokussiert ist» wie durch die gestrichelten Linien 220 angedeutet, nach rechts abgelenkt und auf den Punkt 22D fokussiert« Wenn die beiden Schalter 301 und 32A aus Fig, 4 offen sind» oder nenn einer der Schalter offen iat und der andere geschlossen ist und die angelegte Spannung unterhalb der Schweliwertspennung liegt, dann «ird der aus der lichtquelle 10 etaaaende lichtstrahl nicht abgelenkt, sondern passiert den Gallluaarsenidktfrper, wie in Fig· 1 ■it ausgesogenen Linien 280 elngeseichnet· Wenn der Schalter 32A geschlossen ist und die poeitire Spannung, die dadurch an den AnschluSkontakt 14D gelangt» oberhalb der Sohwellwertepannung liegt, dann entsteht ein Feldgradientverlauf und ein Brechungelndexgradlentrerlauf, geaiB den Kurren 26 und 26A aus Pig, 2 und 3 und der Lichtstrahl wird nach links entsprechend der gestrichelten Linie 260 abgelenkt und auf den Punkt 26D fokussiert·

Bs wurde euror festgestellt» da8 nur Licht, dessen Energie etwa so groß 1st» wie die Bandspaltenergie des Oalllumarsenides, abgelenkt «ird· Das heißt, daß fUr den angestrebten Effekt die Lichtenergie nicht genau alt der Bandspaltenergie übereinetienen nuS· Wann die Lichtenergie jedoch etwas größer let als die Bandepaltenergie, dann wird swar das Licht abgelenkt» aber la Galliumarsenid stark absorbiert. Au· dieses) Grunde ist es praktischer, wenn

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das eingestrahlte Liebt eint Energie hat, die etwaβ kleiner ist ale die Bandepalt energie und zweckmäßig liegt die Lichtenergie In den Bereicht in dem die Änderung dee Brechungslndexee am höchsten 1st.

Fig. 5 zeigt echeraatiech ein Ablenksystem mit dem Ablenker aus Pig. 1, nobel wiederum die Teile, die auch in Fig. 1 dargestellt aind, mit der gleichen Bezugeziffer bezeichnet sind. Nach Fig. 5 wird der abzulenkende Lichtstrahl von einem Galliumarsenid! n.-jek tor Laser 40 erzeugt. Dieser Laser 40 wird von einer Spannungequelle 42 vorgespannt, die Über einen Schalter 42A impulsgetastet werden kann« Der abgestrahlte Lichtstrahl liegt hinsichtlich seiner Energie etwas unter der BandsDaltenergie des Galliumarsenids und gelangt fokussiert über die Linse 12 In den Gnlliumarsenidkörper 14· An den AnschluQkontakt 14D liegt eine Wechselspannungsquelle 44, während der andere Anschlußkontakt 14E an Massenpotential liegt. Durch diese Wechselspannung wird der Lichtstrahl abwechselnd nach links und rechte abgelenkt, wie in Flg. 1 gestrichelt eingezeichnet.

Da der Maximalwert des Gradienten des Brechungsind exes JTUr verschiedene Halbleitermaterialien unterschiedlich sein kann und es in manchen Fällen wünschenswert ist, die Energie des eingestrahlten Lichtes andere zu wählen, 1st es zweckmäßig, die Abstrahlung des strahlenden Lasers durch Dotierung oder durch Verwendung von Legierungen auf den gewünschten Energiewert einzustellen. Ss ist vorteilhaft, ein Laser als Lichtquelle su verwenden, aber die Erfindung 1st darauf nicht beschränkt» so kann man statt des Lasers beispielsweise auch ein· elektrolumlneezente Diode ale Lichtquelle verwenden. Das Material dee Ablenkers 14 braucht nicht Galliumarsenid zu eein, ee eind grundsätzlich eile Materlallen geeignet, bei denen ein Ounntffekt ausgelöst werden kann, wenn nur das Produkt B₀^l unterhalb dee kritischen Wertes liegt. Auch Halbleitermaterialien, bei denen die negativen Leitfähigfceitseigenechaften nur In so geringem MaSe vorhanden elnd, daB ee eehr schwierig ist,

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Gunnoszillatlonen auszulösen, sind ale Halbleitermaterialien in Verbindung mit der Erfindung geeignet.

Ein Beispiel eines Halbleiterkörpers für einen Ablenker nach !er Erfindung» das sich in der Praxis bewährt hat, besteht aus n-typischen Galliumarsenid mit einer Überschußelektronenkonzentriition n_Q von ungefähr 5-10 * Trägern pro cm · Die länge 1 des Halbleiterkörpers zwischen den Kontakten entsprechend den Kontakten 14B und 14C beträgt bei diesem Beispiel 10 cn und das Produkt _Λ

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n_Q· 1 hat den Wert 5^%10 · cm . In diesem Körper kann man sehr ^ hohe Feldstärken in der Nähe der Anode erzeugen - Feldstärken, die vielfach so groQ sind, wie die kritische Feldstärke für Galliumarsenid, die 3500 Volt pro cm beträgt. Der Körper hatte eine Lichtweglänge L von ungefähr 2 mm. Der Ablenker spricht sehr schnell an und konnte mit Ablenkfrequenzen im Gigahertzbereich bis zu ungefähr 5 Gigahertz betrieben werden.

Eine wichtige Beurteilungsgröße für die Qualität des Ablenkers ist auch die Anzahl der Lichtflecke, die gegeneinander aufgelöst werden können und auf die der eingestrahlte Lichtstrahl abgelenkt werden kann. Bei dem eben angegebenen Zahlenbeispiel eines Ablen kers ergaben sich 14 gegeneinander auflösbare Lichtpunkte» auf die der Strahl an jeder 8eite abgelenkt werden konnte. Beim Betrieb | fließt erheblicher Strom durch den kleinen Ablenkkörper und um die dadurch entstandene Wärme abzuleiten» empfiehlt es eich, die Anschlüsse, die den Anschlüssen 14B und 140 entsprechen, als Wärmeableiter mit Kühlrippen oder dergleichen auszugestalten. Auch mit solchen Wärmeableitmitteln ist es besser, einen Ablenker nach der Erfindung im Impulsbetrieb statt kontinuierlich . zu betreiben« Ba der Ablenker sehr klein ist, werden - allein durch die Größe * die Sohwierigtoiten, die sich sonst aufgrund piezoelektrischer Effekte ergeben, weltgehend vermieden· Bedenkt man, daß man ä\e Lichtquelle die im Laufe der Entwicklung sich ausweitende Anzahl verschiedenartiger optisch gepumpter Laser, elektroluminee-

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senter Dioden und Injektionslaser verwenden kann und daß man als Ablenker eine große Anzahl νerechiedenartiger Halbleiter mit untere chi edll eben Bandepaltenerglen verwenden kann, dann erkenrt man, wie vielfältig die Möglichkelten der Ausgestaltung der Erfindung und der daraus resultierenden Anwendungen sind.

Ablenker nach der Erfindung sind auch als Schalter für einen Lichtstrahl verwendbar, indem nan beispielsweise in die Bahn des abgelenkten Lichtstrahls eine Blende stellt.

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   A »SPRÜCHE

   Ablenker für einen monochromatischen Lichtstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper (14A)aus Halbleitermaterial, in welchem Gunnschwingungen anregbar sind, an zwei einander und dem Lichtstrahl gegenüber liegenden Seitenflächen mit Kontaktelektroden (UB, 14 C) belegt 1st, daß durch Form und/oder Dotierung natürliche Gunnschwingungen verhindert Bind, daS durch eine an die Elektroden gelegte elektrische Spannung,die einen für den Halbleiterkörper spezifischen kritischen Wert überschreitet» von der einen Elektrode zur anderen _M zunehmende Werte der elektrischen Feldstärke und des optischen " Brechungsindexes für Licht der Energie etwa in der Größe der Bandepaltenergie des Halbleiterkörpers hervorgerufen werden.

   2, Ablenker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand (1) und/oder die Überschußträgerkonzentration Ot₀) so klein gemacht wird, daß der für natürliche Gunnschwingungen erforderliche kritische Wert des Produktes 1· n_Q nicht erreicht wird.

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   3. Ablenker nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, da!3 das Halbleitermaterial ein solches ist mit einer Bandsppltr energie etwas größer wie die Wellenenergie des Lichtstrahls.

   4. Ablenker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Galliumarsenid ist.

   5. Ablenker nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, c;aG oer Lichtstrahl von einem Galliumarsenid - Injektion*- Laser essev.g!; wird.

   6. Ablenker nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anßprtine, gekennzeichnet durch eine lichteintrittseitig angeordnete Optik (12) zur Fokussierung des Lichtstrahls auf einen lic Ktaus trittsei tig außerhalb des Halbleiterkörpers (HA) gelegenen Brennpunkt (28D).

   7. Ablenker nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsquelle (.30,32,44) an die Elektroden (14B, 14C) ansehließbar ist und mit der eine veränderliche Elektrodenspannung erzeugt werden kann.

   8. Ablenker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die

   Spannungsquelle (30,32) mit Bezug auf die Elektrodenspannung umschaltbar ist (3OA, 32A).

   9. Ablenker nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Spannungsquelle im Impulsbetrieb ansehließbar iet.(Fig„4 Fig. 5)

   10. Ablenker nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (14A) quaderförmig ist und aus η-typischem Galliumarsenid mit einer Überschußelektronenkonzentration von ungefähr 5»10 Trägern pro Quadratzentimeter besteht, daß der Elektrodenabstand 1 ungefähr 0,1 ram beträgt und daß die Lichtweglänge des Halbleiterkörpsrs ungefähr 2 mm beträgt.

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