DE2252247A1

DE2252247A1 - Optischer modulator

Info

Publication number: DE2252247A1
Application number: DE2252247A
Authority: DE
Inventors: Franz Karl Reinhart
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-10-28
Filing date: 1972-10-25
Publication date: 1973-05-03
Also published as: CA968880A; SE379101B; FR2158328B1; BE790590A; AU467120B2; FR2158328A1; US3748597A; NL7214587A; GB1406496A; IT975403B; JPS5618925B2; NL180884C; AU4809872A; DE2252247C2; JPS4852250A

Description

Western Electric Company, Inc. Reinhart 2

New York

Optischer Modulator

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Modulieren optischer Strahlung in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld, mit einem mehrschichtigen Halbleiterkörper.

Die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Laser-Technologie führte zu verschiedenen Einrichtungen, einschließlich einem Halbleiter-Injektionslaser, der zum Dauerstrichbetrieb bei Zimmertemperatur geeignet ist und als Doppel-Heterostruktur bekannt' ist. Das Auffinden dieser Einrichtung gab zu weiterer Entwicklung wirksamer Einrichtungen zum Modulieren der Laser-Ausgangsstrahlung Anlaß, um dieser Strahlung eine in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem zu übertragende Information zu überlagern.

Verschiedene Modulationsmethoden, einschließlich beispielsweise der Phasen-, Polarisations- und Intensitäts- bzw. Amplitudenmodulation können verwendet werden, wenn eine Einrichtung zur Verfügung steht, welche diese Modulationsfunktion bei ausreichend niedrigen Leistungspegeln und so hohen Frequenzen erfüllt, daß ein kommerziell praktikables Nachrichtenübertragungssystem reali- »ierbar ist.

ORiGINAL INSPECTED

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Bekannte Phasenmodulatoren basierten entweder auf einem elektrooptischen Effekt in Materialien wie LiNbO₃ oder auf Einrichtungen, wie in Sperrichtung vorgespannten GaP pn-Übergangen· Beide Mo-•idiatoren benötigen in typischer Ausführung 1 bis 1,5 mW/MHz/Rad zur Phasenmodulation der 6.328 Α-Linie eines He-Ne-Lasers. Bei größeren Wellenlängen im infraroten Bereich, z.B.bei der 1,15 pm-Linie des He-Ne-Lasers liegt die erforderliche Leistung angenähert um eine Größenordnung für (z.B. 10 mW) und bei noch größeren Wellenlängen, z.B. bei 10,6 um liegt die erforderliche Leistung um mehr als drei Größenordnungen höher (z.B. 2000 bis 3000 mW).

Bekannte Intensitätsmodulatoren verwenden andererseits in typischer Ausgestaltung Faraday-Rotation («Drehung der Polarisationsebene von linearpolarisiertem Licht als Folge eines angelegten Magnetfeldes) in Materialien wie yttriumeisengranat und liefern eine 70 %ige Modulation für einen Radianten der Polarisationsrotation. Solche Materialien sind jedoch für die Zwecke der Praxis bei größeren Wellenlängen (z.B. 10,6 ^im) aufgrund ihrer hohen Absorptionsverluste nicht brauchbar.

Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß bei einer Einrichtung zum Modulieren optischer Strahlung in Abhängigkeit von einem elektrischen Felde, mit einen mehrschichtigen Halbleiterkörper, dadurch ausgeräumt, daß zwischen einer ersten und einer dritten Halbleiterschicht eine zweite Halbleiterschicht hohen spezifischen Widerstandes angeordnet ist, deren Bandabstand und Konzentration freier Ladungsträger geringer sind als diejenigen der ersten und zweiten Schichten, wobei die zweite Schicht zur Übertragung der

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Strahlung geeignet ausgebildet und von dem an den Häbleiterkörper angelegten elektrischen Feld zum Modulieren der Strahlung derart abhängig gesteuert ist, daß das Feld im wesentlichen in der zweiten Schicht konzentriert ist» Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel' der Erfindung besteht die zweite Halbleiterschicht entweder aus einem im wesentlichen intrinsischen bzw. eigenleitenden Halbleiter oder einem Halbleiter, bei dem die Dotierung kompensiert ist (weniger als

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etwa 10 /cm für GaAs). Unter intrinsis:h wird verstanden daß die Dotier stoff konzentration kleiner als n.. , die i£ermodynamische Gleichgewichts-Trägerkonzentration eines undotierten, idealen Halbleiters ist« Unter kompensiert wird verstanden, daß die Trägerkonzentration größer als n. ist_?und daß die Konzentrationen der Löcher und Elektronen im wesentlichen einander/ gleich sind.

Aufgrund des oben erwähnten Unterschiedes im Bandabstand werden Brechungsindexdiskontinuitäten an den Grenzflächen zwischen der zweiten Schicht und den ersten und dritten Schichten hervorgerufen. Diese Diskontinuitäten begrenzen die zu modulierende Strahlung wirksam auf die zweite Schicht. Ein an den Körper angelegtes elektrisches Feld steuert die Breite einer Verarmungszone, die zur Modulation der durch die zweite Schicht zu übertragenden Strahlung genutzt wird. Die Modulation tritt als Ergebnis entweder eines elektrooptischen Effektes oder eines Franz-Keldysh-Effekts auf. ■

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Um den Modulationswirkungsgrad zu vergrößern und die erforderliche Leistung zu verringern, wird das Wechselwirkungsintegral zwischen dem angelegten Feld und dem optischen Feld so weit als möglich durch eine gegenseitige Anpassung der folgenden Bedingungen vergrößert: (1) Verwendung von Schichten unterschiedlicher Brechungsindexe zur Begrenzung der zu modulierenden Strahlung auf die zweite Schicht, (2) Verwendung eines Halbleiters mit niedriger Konzentration an freien Trägern in der zweiten Schicht zwecks Konzentration des angelegten Feldes in der zweiten Schicht und, was von erheblicher Bedeutung ist, (3) Zusammenlegung der Verarmungsschicht mit der zweiten Schicht.

In dieser Weise aufgebaute Modulatoren erzeugen beträchtliche Modulationsgrößen bei Leistungspegeln, die erheblich unter den bisher möglichen liegen. Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä-ßen Phasenmodulators enthalten die ersten, zweiten bzw. dritten Schichten AlGaAs, GaAs bzw»AlGaAs. Eine so aufgebaute Eindchtung benötigte nur 0,1 mW/MHz/rad , also weniger als 1/100 dessen, was bei bekannten Phasenmodulatoren bei 1,15 ^im erforderlich ist.

Wie nachfolgend noch genauer erläutert werden wird, werden die optischen Modulatoren vorzugsweise in einer Mesa-artigen Struktur und/oder mit einer Streifenkontaktgeometrie sowie aus Materialien hergestellt, die eine Gitteranpassung zwischen allen Zusammensetzungen in deren fester Lösung aufweisen.

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Die Erfindung arbeitet außerdem bei Einbeziehung geeigneter Polarisatoren und Analisatoren als Intensitätsmodulator, dessen Punktionsweise auf Polarisations-Rotationseffekten beruht. Überdies kann auch eine Intensitätsmodulation aufgrund der Strahlungsabsorption nahe der Bandkante der zweiten Schicht wirksam hervorgerufen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Halbleiterkörpers, der bei der Erfindung Verwendung finden kann;

Fig. 2 beispielhafte Brechungsindex- und optische Feldprofile des in Fig. 1 dargestellten Halbleiterkörpers, bei dem die Verarmungsschicht mit der zweiten Schicht zusammenfällt;

Fig. 3 ähnliche Profile wie in Fig. 2, jedoch für den Fall, daß die Verarmungsschicht mit der zweiten Schicht nicht zusammenfällt;

Fig. 4 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 2, jedoch für einen Fall, bei dem die zweite.Schicht V und TT-zonen aufweist;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten Phasenmodulators;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;

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Fig. 7 eine graphische Darstellung der Phasendifferenz über der angelegten Vorspannung bei dem Modulator gemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten Intensitätsmodulators; und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer zusammengesetzten Struktur mit einem Doppel-Heterostruktur-Laser und einem erfindungsgemäß aufgebauten Modulator.

In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung mit einem mehrschichtigen Halbleiterkörper 100 dargestellt, die zur Verwendung in einem optischen Modulator des Phasen-, Polarisations- oder Intensitätstyps geeignet ist. Der Körper 100, der bei dem dargestellten Ausfühfungsbeispiel auf einem metallischen oder metallisierten Kühlkörper 102 angebracht ist, weist ein Substrat 104 auf, auf dem die folgenden epitaktischen Schichten aufeinanderfolgend aufgebaut sind: eine erste Schicht 106 mit großem Bandabstand, eine zweite Schicht 108 mit relativ schmalem Bandabstand, eine dritte Schicht HO mit großem Bandabstand und eine Kontaktierungszwecken dienende vierte Schicht 112. Kontakte 114 und 116 sind auf der Schicht 112 und dem auf dem Kühlkörper 102 angebrachten Substrat 104 niedergeschlagen oder mittels anderer bekannter Methoden aufgebaut. In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung kann ein Kühlkörper mit dem Kontakt 116 verbunden werden. Zu Modulationszwecken sind eine Vorspannungsquelle 118 und eine Informationsquelle 120 zwischen dem Kontakt 116 und dem Kühlkörper 102 eingeschaltet. Diese Quellen rufen in Körper 100 ein

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elektrisches Feld hervor, das die Breite einer Verarmungsschicht in der zweiten Schicht 108 in der nachfolgend erörterten Weise steuert.

Der Unterschied im Bandabstand zwischen der zweiten Schicht

108 und den ersten und dritten Schichten 106 und 110 ruft eine Brechungsindexunstetigkeit Δ an jeder der Grenzflächen 107 und

109 (Fig. 9) hervor. Das elektrische Feld der Quelle 120-ändert die Höhe der Brechungsindexstufe £j um einen Betrag f>, wodurch eine Phasenmodulation (d.h. der Pockelseffekt) des in der z-Richtung durch die Schicht 108 übertragenen Lichts hervorgerufen wird» Zusätzlich definieren die Brechungsindex-Diskontinuitäten einen Wellenleiter in derx-Richtung, der zur Begrenzung des zu modulierenden Lichts dient«, Um solche Grenzflächen, die relativ fehlerfrei sind, hervorzurufen, ist es erwünscht, daß die Materialien der Schichten 106, 108 und 110 Gitter angepät sind. Zu diesem Zweck enthalten die Schichten 106, 108 bzw. 110 vorzugsweise Al Ga,, As, Al Ga_1- As'und Al₂Ga₁ As, da AlGaAs für alle Verhältnisse von AlGa in deren fester Lösung Gitter angepaßt ist. Alternativ können geeignete Zusammensetzungen von Al Ga^ P, Al Ga^ P und Al Ga,- P verwendet

χ ι—χ ' y χ—y ζ χ—ζ

werden, da diese Verbindung ebenfalls eine Gitteranpassu-ng erwarten läßt. In jedem Falle ist es zur Erfüllung der zuvor erwähnten Bandabstandsbeziehung erforderlich, daß ·■ 0 -Sy^ ^x und ζ ist. Für einen symmetrischen VJeIlenleiter gilt χ = z.

Unter dem Gesichtspunkt der Strahlungswellenlänge ist zu beachten, daß bei y = 0 in Al_-Ga_1- As die zweite Schicht GaAs

y ■** γ

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enthält, das einen Bandabstand von etwa 1,43 eV (0,87 ^im) aufweist, und daß aus Gründen nachfolgend erörterter Einfügungsdämpfungen die zu modulierende Strahlungswellenlänge vorzugsweise größer als etwa 0,9 pn ist. Zur Modulation sichtbarer Strahlung kann jedoch die Al-Konzentration in der zweiten Schicht ungleich Null gemacht werden, wobei Licht bei Wellenlängen von etwa 0,7 jam in AlGaAs moduliert werden kann. In AlGaP können Wellenlängen von etwa 0,6jum moduliert werden.

Einige Merkmale der zuvor erläuterten Struktur sind an einander angepaßt, um die Modulationegröße pro Modulatipnsleistungseinhelt zu erhöhen. Insbesondere wird die zweite Schicht 109 mit einer Konzentration an freien Ladungsträgern hergestellt die niedriger als diejeniger jeder der Schichten 106 oder 110 und vorzugsweise so niedrig als möglich ist· Om diese Eigenschaft zu erreichen, wird die zweite Schicht vorzugsweise entweder als intrinsischer Halbleiter oder als kompensierter Halbleiter hergestellt. Das

Fehlen freier Ladungsträger bewirkt einen hohen spezifischen Widerstand, welcher den größten Teil des elektrischen Feldes (von den Quellen 118 und 120) wirksam auf die zweite Schicht konzentriert und dadurch die Störung ihrer optischen Parameter (z.B. der Brechungsindex in einem Phasenmodulator) verstärkt. Zum zweiten Wird die Wechselwirkung zwischen dem angelegten elektrischen Feld und dem optischen Feld des zu modulierenden Lichts dadurch vergrößert, daß die Verarmungsschicht mit der zweiten Schicht 108 in der in Flg. 2. dargestelltenWeise zusammengelegt wird, d.h., daß die Breite w, der Verarmungsschicht 22 (Fig. 2) im wesentlichen gleich der Dicke d_? der zweiten Schicht 108

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. AT

gemacht wird. In diesem FaXIe ist das Wechselwirkungsintegral groß, wobei in einem vereinfachten Sinne dieses Integral auf das Flächenverhältnis A/(A + B) in der unteren Hälfte der Fig. 2 bezogen ist· Demgegenüber ist die Struktur gemäß Fig. 3 so ausgestaltet, daß die Verarmungsschicht 122' die Grenzfläche 107» überlappt und mit der zweiten Schicht 108 nicht zusammenfällt. Eine solche Situation kann bei einem n-p-p oder p-n-n Bauelement erwachsen, bei dem der pn-übergang mit der Grenzfläche 107' zusammenfällt. In dem zuletzt genannten Falle ist das Wechselwirkurgjintegral, bezogen auf das Verhältnis A¹/ (A¹ + B¹) der Fig. 3 beträchtlich kleiner als A/(A + B) der Fig, 2.

An dieser Stelle sollte beachtet werden, daß ein pn-übergang für den Betrieb des Modulators nicht wesentlich ist. Tatsächlich sind die Leitungstypen der Schichten 106, 108 und 110 beispielsweise p-i-p, n-i-n, p-i-n oder n-i-p. Wenn jedoch ein Übergang erwünscht ist, so wird der Übergang 124 in der in Fig. 4 dargestellten Weise vorzugsweise in die zweite Schicht zwischen der Grenzfläche 107" und 109^lr gelegt, so daß das angelegte Feld die Verarmungsschicht 122' so weit verlaufen läßt, bis sie mit der zweiten Schicht zusammenfällt. In diesem Falle ,weist die zweite SchichtV undTT -Zonen 126 und 128 auf, welche den Übergang 124 an der zwischen ihnen gelegenen Grenzfläche definieren, wobei V und TT auf die kompensierten n- und p-leitenden Zonen mit Ladungsträgerkonzentrationen von weniger als

17 3
' etwa 10 /cm bezogen sind.

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- ίο -

Um die Größe der benötigten Modulationsleistung weiter zu verringern, kann die Kapazität der Struktur dadurch reduziert werden, daß der Körper 100 in der in Flg. 1 dargestellten Laserform hergestellt werden· Die Laserform kann dadurch hergestellt werden, daß die Bereiche 130 und 132 weggeätzt werden, oder daß diese Bereiche mit Hochenergieteilchen, z.B. Protonen, beschossen werden.

Bei Betrieb als Phasenmodulator basiert die Erfindung auf einem beträchtlich verstärkten linearen elektrooptischen Effekt, der allgemein als Pockels-Effekt bekannt ist. Wie in Fig. 5 gezeigt 1st, wird die Ausgangsstrahlung 151 eines Lasers 150, der als Ladungsträgerquelle in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem liegen kann, durch ein Linsensystem 152 indie zweite Schicht 108 des Körpers 100 fokussiert. Das Linsensystem 152 umfaßt in typischer Ausführung eine Kombination aus einer sphärischen Linse und einer zylindrischen Linse, welche die Form des Strahlenbündels so astigmatisch machen, daß es mit der langgestreckten rechteckigen Form der Schicht 108 (Fig. 2) übereinstimmt. Informationsquelle 120 ändert die Amplitude des an den Körper 100 angelegten elektrischen Feldes entsprechend der zu übertragenden Information, wodurch der Brechungsindex der zweiten Schicht 108 durch Änderung der Beträge $ (Fig. 2A) ver-

en

ändert wird. Die Änderung des BrechungsIndexes rufen Phasenverschiebungen in der optischen Ausgangsstrahlung 153 hervor, welche von einem Linsensystem 154 auf einen geeigneten Phasendetektor 156 fokussiert wird.

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Bei einem illustrativen Ausführungsbeispiel eines Phasenmodulators, das in Fig. 6 dargestellt ist, wurde/die Aus—

bei
gangsstrahlung eines einer Wellenlänge von 1,15 um, betriebenen Hg-Ne-Lasers 160 durch ein Linsensystem 162 in die zweite Schicht 108 des Modulatorkörpers 100 fokussiert, der in einen ölgefüllten Behälter 163 eingetaucht war. Das Öl (n=l,5) wurde zur Erleichterung der Fokussierung der Strahlung in die zweite Schicht durch Erhöhung des Brechungsindexes in der Zone.zwischen der Linse 162 und dem Modulatorkörper 100 verwendet. Die Reflexionsverluste konnten durch bekannte Antireflexiohsiiberzüge (nicht dargestellt) verringert werden, welche auf den Eintrittsund Austrittsflächen des Körpers 100 ausgebildet %/aren·

Der Körper 100, der bei einem realisierten Ausführungsbeispiel eine iiEnge von 1* mm ti in Fig* 6) und eine Breite Cd in Pig. I)

* ■■■".. ■

von etwa 200 jmm hatte, wies ein n-ieitendes GaAs-Substrat. 104

"18 3 ^;

auf, das mit Si in einer Konzentration von 10 /cm dotiert = war tind auf dem die Schichten 104₁ 106, 108, 110 und Il2 auf-_t einander folgert durch eine Epitaxiemethode aus der Flüssigkeits- ! phase aufgewachsen waren» Die Zusammensetzung der epitaktischen Schichten war wie folgti erste Schicht 106 (etwa. 8 pm dick) - η-Al Ga^ _vAs (χβΟ,Β ? 0,05) dotiert mit Sn in einer Konzen-

17 3
tration von etwa 5 χ 10 /cm ,zweite Schicht 108 (etwa 0,5 wm dick) - kompensiertes GaAs mit einer Konzentration an freien t

' Iß 3 '

Ladungsträgern von etwa 3 χ 10 /cm und in der in Fig. 4 dargestellten Weise inV- und****- Zonen gebildet; dritte Schicht ' 110 (etwa 0,5 um dick) p-Al Ga. As (x=0,3 + 0,05) dotiert mit

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17 3 Zn in einer Konzentration von etwa 5 χ 10 / era ; und Kontaktschicht 112 - pGaAs (etwa 1,0 lira dick) dotiert mit Ge. Eine p⁺-Schicht (nicht dargestellt) wurde in der Schicht 112 durch eine Skin-Diffussion von Zn gebildet, um Kontakt-Probleme zu erleichtern· Bei diesem Ausführungsbeispiel fand kein Kühlkörper Verwendung, da die Modulationsfrequenz genügend niedrig lag, so daß sich keine Übtthifcaungsprobleme ergaben. In ähnlichen Strukturen wurden Verarmungsschicht- " dicken (W.) bis zu 0,6 Jim beobachtet »je nach Größe der angelegten Vorspannung, Dicke der zweiten Schicht und relativeiTrägerkonzentrationen in den ersten, zweiten und dritten Schichten·

Bei Betrieb rief die modulierende Quelle 120 (Fig. 6) ein Wechselstromsignal mit einem Scheitelwert von 3,5V bei 10MHz hervor, welches einer -5 V Vorspannung der Quelle 118 überlagert wurde· Die elektrische Feldstärke beträgt etwa" 10 V/cm und das Wechselfeld hat eine Feldstärke in derselben Größenordnung. Die Ausgangsstrahlung eines He-Ne Lasers 160 bei l_f15 um, welche unter 45° zum elektrischen Feld linear polarisiert war, wurde durch die Linse 162 auf die Eintrittsfläche des Körpers 100 fokussiert, d.h· in die Schicht 108.

Elliptisch polarisiertes Licht, das durch eine Phasendifferenz Δ ψ charakterisiert ist,' trat aus der Austrittstlache des Modulatorkörpers 100 aus, wurde von einer zweiten Linse 164

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kollJjniert und durch eine Ehringhaus oder Senarmont-Kompensator- und Polarisationsfilteranordnung (nicht dargestellt) geleitet. Die Polarisationsmodulation wurde von einem Detektor 166 entweder visuell mit Hilfe eines Infrarotkonverters oder durch einen am realen Bild der Austrittsfläche gelegenen Schlitz mit Hilfe einer photoelektronen-Vervielfacherröhre gemessen. In dem zuletzt genannten Fall war ein Schlitz erwünscht, um gegenüber dem Dauermöden- intergrund zu unterscheiden. Der Hintergrund kann auch, wie bekannt ist, durch geeignete Anregung der Wellenleitermoden verringert werden. Mit Hilfe des Öltaucherts wurde bis zu 90 % des vom Laser 160 übertragenen Lichts als diskrete Wellenleitermoden in der zweiten Schicht 108 des Körpers 100 angeregt· Um einen derart hohen Moden- bzw. Eigenschwingungs-Anregungswirkungsgrad zu erreichen, ist es erwünscht, das einlaufende fokussierte Strahlenbündel sorgfältig bezüglich der Wellenleiterschicht 108 anzupassen und auszurichten. ·

In Fig. 7 sind Messungen der Phasendifferenz (<6 Φ) für die zuvor beschriebene Struktur gezeigt, bei der 1 = 1,04 mm, das angelegte Feld E. parallel zur kristallographischen tjlOOj Richtung und das Licht (% = 1,153 pm) entlang der Tpil) ftichtung lief. Phasendifferenzen von etwa 1000° für Vorspannungen im Bereich von Null bis -10 V wurden beobachtet. Darüber hinaus wurden Änderungen in A ψ von etwa 180 in demselben Vorspannungsbereich beobachtet.. Der großem φ —Wert

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bei E. Ca O geht auf die unterschiedlichen Fortpflanzungs-

der

konstanten TE und TM Moden bzw. Eigenschwingungen im Wellenleiter neben den Effekten dar Doppelbrechung zurück.

Unter dem Gesichtspunkt der Modulationsleistung benötigt diese

2
Einrichtung nur etwa 0,1 mW/MHz/rad für den transversalen Grundmoden bei 1,15 um. Außerdem kann in dem Falle, bei dem die Wellenleitung nur in der x-Richtung - wie in Fig. 1 - erfolgt gezeigt werden, daß die charakteristische Modulationsleistung P_o ac OT proportional 1 ^x/ ^d ist, mit C cc 1 ' ^c und V cc 1 · Wenn jedoch eine Wellenleitung sowohl in der κ- als auch der y-Richtung vorgesehen ist, sind geringere Leistungen möglich, da t*Q ac 1" , d.h. C cc 1 und V oc 1™ und die Breite in der y-Richtung (d, Fig. 1) auf wenige Mikrometer herabgesetzt werden kann. Demgemäß ist die Lichtbegrenzung der Übergangsebene (y-Richtung) sehr erwünscht.

Ein möglicher Weg zur Begrenzung in der y-Richtung besteht in der Verwendung eines Streifen- bzw. Bandgeometriekontaktes, so daß die Zone unmittelbar unter dem Kontakt auf einer höheren Temperatur als die seitlich entfernten Zonen liegt. Da der Brechungsindex temperaturabhängig und der Temperaturkoeffizient positiv ist, ist der Brechungsindex in der Zone unter dem Kontakt höher als derjenige in den umgebenden Bereichen, wodurch eine Wellenleitung in der y-Richtung hervorgerufen wird. Der Abstand des Kontaktes von der Grenzfläche 109 sollte relativ klein (z.B. wenige Mikrometer) sein, damit sich keine übermäßige Stromstreuung ergibt. Letzteres würde eine unerv/ünschte

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zusätzliche Kapazität einführen und damit Pl vergrößern. Andere Methoden zur Realisierung eines Wellenleiters in der y-Richtung sind ebenfalls möglich.

Wie in Fig.'8 gezeigt ist, kann der. Modulatorkörper.100 in geeigneter Weise in einem Intensitätsmodulator unter Ausnutzimg, des Pockels-Effekts verwendet werden. Nimmt man im besonderen an, daß die x, y und z-Achsen mit den Hauptachsen des Brechungsindexellipsoids der zweiten Schicht 108 zusammenfällt, so breitet sich das Ausgangsstrahlenbündel des Lasers 170 in der z-Richtung durch den Polarisator 172 -aus, welcher das Strahlenbündel in der Xry-Ebene und längs der Achse A unter 45° zu den x-y-Achsen, wie bei 175 gezeigt, linear polarisiert.' Zur BinSrmodulation werden die Länge des Körpers -100 uxiü die angelegte Spannung auf einander abgestimmt, um eiae ßalbwellenlängem-Phasenverzögerung hervorssurufsno Demgemäß ψ&&ά «Sie Polarisation des durch _sdie Schicht 108 durchtrestenfen Singangsstrahlenbündels 171 in der bei 177 gezeigten Weise um 90° gedreht· Ein Analysator 174 überträgt senkrecht zu der A-Ächse ·. polarisiertes Licht, sperrt jedoch Licht in Richtung der A-Achse, woraus sich ein Binärintensitätsmodulation .ergibt, die am Detektor 176 beobachtet wird. Bei dieser Anordnung entspricht ein Radiant der Polarisationsmodulation einer linearisierten Intensitätsmodulation von 88 %« Bei einem realisierten. Intensitätsmodulator, der unter Verwendung des zuvor besch;d£benen Körpers mit 1 = 1,04 mm aufgebaut war_s rief eine Halbwellenspannung von nur 10 Volt ein Löschungsverhältnis von angenähert 20 db hervor. Wenn dieser Modulator ih einer bekannten

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Doppelpaß-Weise verwendet wurde, konnte ebe zusätzliche■Me- ■■ duktion der Leistung um den Faktor 2 erreicht werden· Wo es überdies erwünscht ist, die relativ hohen Werte der von dem Modulator hervorgerufenen Phasendifferenz,(z·B, 1000° in Flg. 7) zu verringern, ohne den Hub in der Phasendifferenz (z.B. 180 in Fig. 7) zu verringern, so kann ein Kompensator 173 am Ausgang des Körpers 100 angeordnet werden, ma eine geeignete Größe der Phasendifferenz (z.B. 720°, so daß die geseilte hervorgerufene Phasendifferenz kleiner als'360° ist).zu unterdrücken. Der Kompensator 173 ist beispielsweise ein' bekannter . Erhlngtais-Kompensator. Ohne den Analysator 174 arbeitet die zuvor beschriebene Ausführungsform als Polarisationsmodulator anstatt als Intensitätsmodulator.

Bei einer alternativen Ausführungsform' des Intensitätsmodulators beruht die Betriebsweise nicht' auf dem. zuvor erwähnten Pockels-Effekt, sondern auf dem Franz-Keldysh ,-Effekt. Das heißt,'wenn die Wellenlänge der zu modulierenden Strahlung' nahe oder oberhalb der Bandkante der zweiten Schicht liegt, so ergibt sich, wie zuvor, eine Absorptionsmodulation unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes. Änderungen der optischen Absorption rufen natürlich Intensitätsmodulationen hervor. Beispielsweise wurde mehr als 90 % Intensitätsmodulation mit nur 6 Volt Vorspannung bei einer Strahlungswellenlänge von etwa 0,92 um In einem Modulatorkörper erzielt, bei dem die zweite Schicht aus GaAs (Bandkante bei etwa 0,87 um) bestand. Ähnliche Effekte wurden im Bereich von 0,87 bis 1,0 um beobachtet. Zusätzlich kann

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durch Zugabe von Al zur zweiten Schicht die Bandkante geändert · werden , wodurch die Modulation anderer Wellenlängen, z.B. derjenigen im sichtbaren Bereich des Spektrums möglich werden.

In jedem Falle besteht jedoch eine ungünstige Wechselbeziehung zwischen dem gewünschten Modulationsgrad, der bestimmt, daß die Wellenlänge so nahe als möglich an der Bandkante liegen sollte, und dem Grad der tolerierbaren optischen Einfügungsdämpfung, welche vorschreibt, daß die Wellenlänge oberhalb und so weit als möglich entfernt von der Bandkante liegen sollte.

Es wird beispielsweise geschätzt, daß der Absorptionskoeffizient

—1 —1

kleiner als etwa 20 cm bei 0,90 um und kleiner als etwa 5 cm bei 0,02 um ist, wobei beide Bedingungen für eine GaAs-Schicht 108 des Körpers 100 gelten. Bei einer Vorspannung von 6 Volt waren die entsprechenden Intensitätsmodulationen für beide Wellenlängen größer als etwa 90 %. Wenn die Wellenlänge unterhalb der Bandkante liegen würde, so könnte die Einfügungsdämpfung

—1
zu hoch (etwa 100 cm ) für praktische Anwendungszwecke sein.

Es ist zu beachten, daß die zuvor beschriebenen Anordnungen nur Ausführungsbeispiele vieler möglicher besondererAusführungsformen sind, welche nach den Prinzipien der Erfindung aufgebaut sind. Zahlreiche und verschiedene andere Anordnungen können unter Zuhilfenahme dieser Prinzipien von Fachleuten konzipiert und realisiert werden. Im besonderen kann auch der Modulatorkörper 100, der zuvor als dynamischer Phasenmodulator beschrieben wurde, einfach als statische Phasenplatte verwendet werden.

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ZZÖZZ47

AZ

Überdies ist es in geeigneter Weise möglich, die zuvor beschriebenen Modulatoren mit einem Halbleiterlaser in einer Baueinheit in der in Fig. 9 gezeigten Weise zu vereinigen. In dieser Figur sind schematisch ein GaAs-AlGaAs-Doppelheterostruktur (DH) Injektionslaser 180 und ein erfindungsgemäß aufgebauter Modulator 182 gezeigt, die durch eine teildurchlässige und elektrisch isolierende Schicht 184 voneinander getrennt sind. Die aktive Zone des DH-Lasers verläuft koplanar mit der zweiten Schicht 188 des Modulators, so daß die Ausgangsstrahlung des Lasers, die beispielsweise eine Wellenlänge von 0,91 um hat, direkt lh die zweite Schicht 188 eingekoppelt wird, um dort in der gewünschten V/eise phasen-, polarisations- oder intensitätsmoduliert zu werden. Die modulierte Strahlung,die aus der Austrittsfläche 190 des Modulators 182 austritt, wird in eine Lichtleitung oder optische Faser 192 zur Übertragung zu einem Verbraucher 194 eingekoppelt, wobei letzterer in typischer Ausführung ein Detektor oder ein Verstärker bei einer Relaisstelle ist.

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Claims

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P a t e η t. anspriiche

1. Einrichtung zum Modulieren optischer Strahlung in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld, mit einem: mehrschichtigen Halbleiterkörper,

dadurch gekennzeichnet, daß Zwischen einer ersten (106) und einer dritten (IiO) Halbleiterschicht eine zweite Halbleiterschicht (108) hohen spezifischen Widerstands angeordnet ist» deren Bandabstand und Konzentration freier Ladungsträger geringer sind als diejeni— " gen der ersten und zweiten Schichten, wobei die zweite Schicht zur tibertragung der Strahlung geeignet ausgebildet und von dem an deft Halbleiterkörper (1Ö0) angelegten elektrischen Feld zum Modulieren der Strahlung abhängig gesteuert ist, so daß das Feld im wesentlichen in der zweiten Schicht konzentriert ist. · . ·

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und dritten Schichten den gleichen Leitungstyp haben und die zweite Schicht intrinsich bzw. eigenleitend ist.

3* Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und dritten Schichten entgegengesetzte Leitungstypen haben und die zweite Schicht intrinsisch ist.

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22522*7

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und dritten Schichten den gleichen Leitungstyp haben und die zweite Schicht kompensiert ist«

5. Einrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die', ersten und dritten Schichten entgegengesetzte Leitungstypen haben und die zweite Schicht kompensiert ist·

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und dritten Schichten entgegengesetzte Leitungβ-typen haben und die zweite Schicht aneinander angrenzende S - und 1Γ -Typ-Zonen aufweist, zwischen denen «In übergang gebildet ist, wpbei das elektrische Feld an dl« sweite Schicht in Sperrichtung angelegt ist·

7· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl die ersten, zweiten bzw. dritten Schichten Al„Ga~ Jfc_f Al Ga- R bzw. Al_nGa. R enthalten, wobei - 0. K y ^ x und z, und R

Z A—Z _ ■ *·

ein Element aus der aus As und P bestehenden Gruppe 1st·

β. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration an freien Trägern an der zweiten Schicht ·■

17 3
kleiner oder gleich etwa 10 /cm ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld ein Gleichstrom-Vorspannungsfeld enthält, das in der zweiten Schicht eine Verarmung»zone aufbaut, und dass die Amplitude des Vorspannungsfeldes und die relativen

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Trägerkonzentrationen in den Schichten aufeinander so abgestimmt' sind, daß die Verarmungszone im wesentlichen mit der zweiten Schicht zusammenfällt.

10. Einrichtung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil jeder der Schichten zur Bildung einer mesaförmigen Konfiguration der restlichen Teile der Schichten weggeätzt ist,

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil jeder der Schichten mit Protonen beschossen ist, um eine mesaförmige Struktur der restlichen Teile der Schichten, auszubilden.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, daß zum Anschließen des elektrischen Feldes ein Paar von elektrischen Kontakten vorgesehen ist, von denen wenigstens einer eine Band- bzw. Streifengeometrie hat, so daß die Temperatur einer unmittelbar unterhalb" des Streifenkontakts liegenden ersten Zone der zweiten Schicht höher als diejenige von an die erste Zone seitlich angrenzenden anderen Zonen der zweiten Schicht ist, wodurch in der ersten Zone ein höherer Brechungsindex als in den anderen Zonen hervorgerufen wird.

13. Einrichtun-g nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß optische Strahlung längs einer Übertra'gungsbahn geführt ist, daß ein Polarisator und ein Analysator in gegenseitigem Abstand in der Übertragungsbahn angeordnet sind, daß der Halbleiterkörper in der Übertragungsbahn zwischen dem Analysator und den Polarisator derart angeordnet ist, daß die zweite Schicht dia

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Strahlung zur Übertragung aufnehmen kann, wobei der Polarisator so orientiert ist, daß er die Strahlung unter angenähert 45° in Bezug auf zwei Hauptachsen des Brechungsindexellipsoids der zweiten Schicht linear polarisiert, und daß der Halbleiterkörper zur Erzeugung von Halbwellen-Phasenverzögerung der polarisierten Strahlung geeignet ist*

14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht eine Bandkante bei einer charakteristischen Energie aufweist und die Wellenlänge der Strahlung einer Energie unterhalb "und nahe der Bandkante entspricht, wobei das elektrische Feld eine Verschiebung der Bandkante entsprechend seiner Amplitude bewirkt und dadurch die optische Absorption in der zweiten Schicht ändert und die Strahlungsintensität moduliert.

15· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eire Doppelheteroetruktur-Injektionslaser mit zwei einen breiten Bandabstand aufweisenden Schichten entgegengesetzten Leitungstyps, einer zwischen den beiden Schichten angeordneten aktiven Zone und wenigstens einer teildurchlässigen, normal zur aktiven Zone verlaufenden Oberfläche vorgesehen ist,und daß der Halbleiterkörper wenigstens eine normal zur zweiten Schicht verlaufende, an wenigstens eine der teildurchlässigen Obeflächen des Lasers angrenzende und von dieser elektrisch isolierte Oberfläche aufweist, wobei die zweite Schicht des Halbleiterkörpers mit der aktiven Zone des Lasers koplanar und optisch gekoppelt ist.

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