DE2303078C3

DE2303078C3 - Lichtmodulationselement

Info

Publication number: DE2303078C3
Application number: DE2303078A
Authority: DE
Inventors: Masanori Yokohama Honda (Japan)
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1972-02-01
Filing date: 1973-01-23
Publication date: 1980-05-14
Also published as: US3854795A; FR2170128A1; DE2303078B2; FR2170128B1; DE2303078A1

Description

Die Erfindung betrifft ein I.ichtmodulationselement mit zwei parallel zueinander angeordneten Substraten, die auf ihren einander zugewandten Seiten je eine Elektrode und darauf eine Halbleiterschicht aufweisen, wobei die zwei Halbleiterschichten den Fränz-Keldysch-Effekt zeigen und derart einander gegenüberliegend angeordnet sind, daß ihre Grenzflächen einen solchen Abstand voneinander haben, daß eine Interferenz zwischen ihnen auftritt.

Es ist ein Lichlmödulaliönselement bekannt, bei dem zwischen zwei parallel zueinander angeordneten Elektroden zwei Halbleiterschiehten, die den Fran/Keldysch-Effekt zeigen, gegenüberliegend angeordnet sind (US-PS 35 83 788). Abgesehen davon, daß dabei die Elektroden und Halbleiterschichten nicht auf Substraten angeordnet sind, ist zwischen den Halbleiterschichien eine leitfähige Schicht vorgesehen.

Ausgehend von einem Lichtmodulationselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen hohen Modulationsgrad bei niedriger Spannung zu erreichen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zwischen den Halbleiterschiehten ein Spalt vorhanden ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird ein Übergang zwischen den Halbleiterschichten geschaffen, der einen hohen spezifischen Widerstand aufweist, so daß eine Modulation bei geringer Stromdichte ausgeführt werden kann. Dabei kann ein Betrieb mit einer Steuerspannung in der Größenordnung von 10 bis 100 V durchgeführt werden, was insbesondere für integrierte Lichtschaltungen geeignet ist. Das von der einen Seite zugeführte Licht erreicht den Obergang und bewirkt eine optische Kopplung zwischen den Halbleiterschichten für eine mehrmalige Modulation des Lichts, so daß das Licht an der Grenze der Halbleiterschicht und dem Spalt jedesmal moduliert wird, wenn eine optische Kopplung stattfindet.

Dabei kann eine beliebige Wellenlänge des Lichts verwendet werden, irdem der Brechungsindex und die Dicke der Schichten so gewählt werden, daß ein Interferenzeffekt bei der gewünschten Wellenlänge, die größer als die Grund-Grenzwellenlänge der Absorption der Halbleiterschiriiten ist. erzeugt wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen angegeben.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungerläutert

tig I stellt eine Aufsicht auf das Glassubstrat beim Herstellungspro/eß von Lichtmodulationselementen entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung dar.

F ι g. 2 und F ι g 3 sind Aufsicht und Schnittbild eines Glassubstratteiles nach Fig. 1.

F ι g. 4 und 1 ι g. 5 sind Aufsichter und Schnittbilder von Teilen gemäß F i g. 2 in rechtwinkliger Anordnung.

F ι g. 6 zeigt den Transmissionsverlauf eines Lichtmo· dulationselementes nach F i g. 4 und F i g. 5.

F ig 7 und F ι f >i zeigen den spektralen Transmissionsverlauf bei «,m/igen Veränderungen des Druckes bei der Zusammenfügung bei den Lichtmodulationselementen nach F ι g. 4 und F ι g. 5

F ι g. 9 zeigt eine Schmttdarsiellung eines Lichtmodulationselemenies gemäß einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung.

F ι g. 10 zeigt das Schnittbild eines I.ichtmodulationselementes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung

Fig. Il und F ι g 12 sind Schnittbilder und Aufsichten des Substrats beim Herstellungsprozeß von Lichtmodulationselementen nach anderen Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 13 zeigt das Schnittbild eines I.ichtmodulations elementes nach Ausführungsformen der Erfindung mit Abschnitten des Substrats gemäß F ι g. 11 und F ι g. 12 in fertiggestellter Form.

Fig. 14 stellt das Schnittbild eines Lichtmodulationelementes nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar.

Fig. 15 zeigt den spektralen Transmissionsverlauf des Lichtmodulationselementes nach Fig. 14.

F i g. 16 zeigt den Verlauf des Modulationsfaktors des Lichtmodulationselementes nach Fig. 14 für einen weiten Bereich von Wellenlängen.

Fig. 17 zeigt bei Lichtmodulationselementen die Beziehung zwischen Modulationsfaktor und vorgegebe- j ner Spannung der Lichtmodulationselemente in F i g. 14.

Fig. 18 zeigt das Verhältnis zwischen Einfallswinkel des Lichtes und übertragener Lichtintensität des Lichtmodulationselementes nach Fig. 14.

In F i g. 1 ist das Glassubstrat 2 mit einem Nesa-Film 1 in von SnOi (Zinndioxyd) bedeckt, so daß transparente Elektroden gebildet werden.

Die Abmessungen betragen beispielsweise 0,8 mm Dicke und 53 mm Kantenlänge des Quadrates. Die Verteilung der Nesa-Filme, welche die Oberfläche auf ι ί einer Seite bedecken, wird durch eine ätzende Lösung aus Zink und Salzsäure erhalten, so daß im 5-mm-Abstand 3 mm breite Abschnitte entstehen. Nach Waschen mittels Isopropylalkohol unter Ultraschallanwendung sowie mit entionisiertem Wasser und Trocknen werden die Teile in einem Besprühungsapparat angeordnet und mit einem CdS-FiIm 3 in einer Stärke von 0,5 —ca. 1 μ beschichtet. Dieses Material stellt den Film mit dem Franz-Keldysch-Effekt (F-K-Effekt) dar. Die Materialschicht zur Lichtmodulation kann unter Verwendung >> einer metallischen Maske, wie in Fig. 1 dargestellt, aufgebracht sein. Hier ist das Substrat 2 durch Linien 4 aufgeteilt und längs der Abschnittlinien 5 geschnitten, wodurch die Teile 6 (F i g. 2) erhalten werden.

Eine vergrößerte Darstellung eines Teiles 6 zeigt die in F i g. 2. Die Darstellung des Schnittes entsprechend der Linie X-X'm F i g. 2 zeigt F i g. 3.

Im folgenden wird auf F i g. 4 Bezug genommen. Dort ist ein Paar der Teile 6 einander überlappend, rechtwinklig zueinander angeordnet, so daß die Jj Materialschichten zur Lichtmodulation einander gegenüberstehen, wie Fig. 4 zeigt. Der Verbindungsdruck braucht nicht besonders hoch zu sein und kann etwa einige Gramm betragen. Ein Schnitt längs der Schnittlinie Y- K'in F i g. 4 ist in F i g. 5 dargestellt.

Um die Elektroden mit Zuleitungsdrähten zu versehen, ist ein organisches leitendes Verbindungsmaterial aus Dotite auf die Nesa-Filme 1 aufgesprüht, die sich auf den Teilen 6 befinden (in der Figur nicht dargestellt). 4i

Aus Fig. 4 und Fig. 5 ist die Fertigstellung der Lichtmodulationselemente vom Tra^smissionstyp ersichtlich. Die Steuerspannung liegt zwischen den Nesa-Filmen 1 der transparenten Elektroden auf jeder einzelnen Tafel. Eine dünne Barriere bildet sich an der vi Grenze des CdS-Films 3 -nit dem Spalt 7. Ein Teil der Spannung, die zwischen den transparenten Elektroden liegt, d. h. den Nesa-Filmen 1, entfällt auf die Barriere, und so wird in der Barriere eine hohe elektrische Feldstärke erzeugt, die den F-K-Effekt beeinflußt Somit ü ändert sich die LicKttransmission auf der langwelligen Seite der fundamentalen Absorptionsgrenzwellenlängt von CdS mit dem elektrischen Feld, welches der Barriere aufgeprägt wird. Das elektrische Feld entspricht der Spannung, welche an die Nesa-Filme 1 fen angelegt wird.

Somit verändert sich die Intensität des Lichtes, das über diese Lichtmodulationselemente übertragen wird, mit der Spannung, welche an die Nesa-Filme 1 angelegt wird. Der spektrale Transmissionsverlauf in der Nähe der fundamentalen Grenzwellenlänge der CdS-Schicht des genannten Lichlrtioduläliohselemehtes ist in Fig.6 dargestellt.

In Fig.6 ist mit E die Spannung, die an den Nesu-Filmen 1 liegt, bezeichnet, wobei die folgende Beziehung besteht: Ei<E2<E3. Dies gilt, wenn der Wert von 5 innerhalb des Spannungsbereiches von IP bis ungefähr 50 V liegt.

Gemäß Fig. 5 ist der Einfall des Lichtes mit der Wellenlänge Ai, wie in F i g. 6 gezeigt, in Richtung des Pfeiles 8 dargestellt, und das Licht wird in Richtung des Pfeiles 9 aus dem Lichtmodulationselement wieder entnommen. Die Intensität des abgenommenen Lichtes wird durch die Transmissionsfähigkeit des Lichtmodulationselementes bestimmt, die sich mit der an die Nesa-Filme 1 angelegten Spannung ändert. Auf diese Weise wird eine Intensitätsmodulation des Lichtes erreicht.

Bei den Ausführungsfonnen der Lichtmodulationselemente als Transmissionstyp verändert sich der spektrale Transmissionsverlauf entsprechend dem Verbindungsdruck der Teile 6. Der spektrale Transmissionsverlauf für geringe Änderungen des Verbindungsdruckes ist in F i g. 7 und F i g. 8 dargestellt.

Gemäß Fig. 7 und Fig. 8 wird in .--η Lichtmodulationselementen der genannten Ausfüi rungsformen, wenn die Teile 6 miteinander unter unterschiedlichen Drücken verbunden werden, der komplexe spektrale Transmissionsverlauf, der in F i g. 7 gezeigt ist, erhalten, wenn eir !nterferenzeffekt, wie beispielsweise Newton-Ringe beobachtet werden, und der spektrale Transmissionsverlauf, wie er in F i g. 8 dargestellt ist, wird erhalten, wenn ein Interferenzeffekt mit parallelen Linien zu beobachten ist. Dabei beträgt in jedem Falle der Druck einige Gramm. Bei den Lichtmodulationselementen mit einem spektralen Transmissionsverlauf gemäß Fig. 7 erhält man einen maximalen Modulationsfaktor unter Verwendung des Lichtes mit einer Wellenlänge λ_: = 590 ιτιμ, und bei den Lichtmodulationselementen mit einem spektralen Transmissionsverlauf gemäß Fig. 8 erhält man einen maximalen Modulationsfaktor unter Verwendung von Licht der Wellenlänge in der Nähe von λ ι = 560 πιμ.

Gemäß F i g. 17 ist für eine zwischen den transparenten Elektroden angelegte Spannung, wobei die Teile 6 unter solchem Druck miteinander verbunden sind, daß em maximaler Faktor erzielt wird, bei den genannten Lichtmodulationselementen der Modulationsfaktor durch die Kurve a dargestellt. Ist dabei die Transmissionsfäh gkeit lo, wenn die Spannung 0 ist, und die Transmiisionsfähigkeit IE, wenn die Spannung angelegt wird, so ist der Modulationsfaktor als ", 'definiert.

In

Darüber hinaus erhält man den Wert des Modulationsfaktors nach dieser F^;gur durch Messung der Transmissionsfähigkeit von Helium-Neon-Laserlicht mit einer Wellenlänge von 632,8 ιημ.

^ei Jen Lichtmodulationselementen der genannten Ausführiingsformen wird ein maximaler Wert des Modulat:onsfaktors von etwa 15% bei eine) Steuerspannunj; von 50 V oder weniger erreicht, wie in F i g. 17 gezeigt ist. In diesem Falle wird die Transmissionsfähigkeit der Lichtmociulationselemente etwa den Wert 40 bis 70% erreichen, wenn die zugeführte Spannung Null ist, und ein hoher Modulationsfaktor erreicht wird.

Bei den genannten Ausführungsformen können verschiedene Materialien anstelle von CdS und SnO2 verwendet werden. Indiumoxyd, Galliumoxyd·, Bleioxyd usw. außer SnÜ2 könren als Material für die transparent ten Elektroden benützt werden. Wenn CdS als Material zur Lichtmodulation benutzt wird, sind die genannten

'I I

Elektrodenmaterialien zur Herstellung eines Ohmschen Kontaktes geeignet, und jedes andere lcilfähige Material mit genügend großer Transmissionsfähigkeit für das modulierte Licht kann verwendet werden. Jeder Isolatr, der eine genügend große Transmission des modulierten Lichtes zuläßt, kann als transparentes Substrat 2 benutzt werden. Alle Halbleiter mit dem genannten F-K-Effekt lassen sich als Materialien für die Modulation des Lichtes verwenden. Bei den Lichtmodulationselementen der genannten Ausführungsformen kann Metall mit hohem Reflexionsfaktor als Material für eine der Elektroden verwendet werden. Für diesen Fall ist nachstehend eine Ausführungsform eines Lichtmodulationsclcmcntcs vom Rcflcxionstyp beschrieben.

Gemäß F i g. 9 ist das Teil 6 das gleiche Teil 6 wie bei der ersten Ausführungsform, und die streifenförmigen Schichten 10 von Filmen aus Nickel-Chromlcgierung und Gold werden für das Element 6' anstelle des Nesa-Films aus SnÜ2 als Elektrodenmaterial benutzt. Die Elektrode 10 aus streifenförmigen Schichten eines Films aus einer Nickel-Chromlegierung und Gold werden durch Aufbringen einer Nickel-Chromlegierung in Stärke von 500 A und Gold in Stärke von 3000 Ä auf dem Glassubstrat gebildet, wobei Vakuumverdampfung usw. und entsprechendes Aufbringen eines Musters vorgesehen sind.

Der CdS-FiIm 3' mit einer Stärke von 0.5 bis 1 μ ist durch Besprühen in derselben Weise wie bei der ersten Ausführungsform beschichtet. Die zwei Teile 6 und 6' sind, wie in F i g. 9 gezeigt, miteinander verbunden, und man erhält dann ein Lichtmodulationselement vom Reflexionstyp in derselben Herstellungsweise wie bei der ersten Ausführungsform. Bei den Lichtmodulationselementen des Reflexionstyps wird das Licht, das moduliert werden soll, in Richtung des Pfeiles 11 eingeleitet. Das Licht durchdringt das Glassubstrat, den Nesa-Film 1 und die CdS-Filme 3 und 3'. Es wird an der Oberfläche des Goldfilmes der Elektrode 10 reflektiert, .und demgemäß tritt das modulierte Licht in Richtung des Pfeiles 12 wieder aus. Die Intensitätsmodulation des

gV.IIIClLf V1V.I

zwischen dem Nesa-Film 1 und der streifenförmigen Schicht 10 aus einem Film einer Nickel-Chromlegierung und Gold angelegt ist. Bei diesem Lichtmodulationselement liegt die Transmissionsfähigkeit für Licht (He-Ne-Laserlicht einer Wellenlänge von 632,8 ΐημ) bei etwa 30%. tvenn die angelegte Spannung Null ist und liegt unter denen von Lichtmodulationselementen der ersten Ausführungsformen, da sie einen zweimaligen Lichtdurchgang durch die CdS-Filme 3 und 3' mit verhältnismäßig größerem Übertragungsverlust aufweisen, und auch ein Verlust bei der Reflexion an der Oberfläche des Goldfilmes auftritt. Der Modülationsfaktor ist jedoch l,2fach größer als der Modulationsfaktor des Lichtmodulationselementes der früher genannten Ausführungsformen. Dies rührt daher, daß das Licht die genannte Barriere in der CdS-Schicht zweimal durchdringt so daß der Modulationsfaktor verbessert wird.

Ein größerer Reflexionsfaktor an der Oberfläche der metallischen Elektrode 10 ist erwünscht, um den Transmissionsfaktor für das Lichtelement zu vergrößern. Zum Aufbringen des Metalls auf das Glassubstrat kann Sprühen als Verfahren benutzt werden, jedoch ist der Reflexionsfaktor auf der Oberfläche, der bei sehr schneller Bedampfung im Vakuum erzielt wird, allgemein größer als bei einer Oberfläche, die durch Besprühen erhalten wurde. Der Reflexionsfaktor auf der Oberfläche des Goldfilms bei dieser Ausführungsform beträgt 90% oder mehr für Licht mit der Wellenlänge 632,8 πιμ. Da Metall einen hohen Reflexionsfaktor und ■) eine hohe Leitfähigkeit besitzt, können allgemein viele Arten anderer metallischer Filme anstelle eines Filmes einer Nickel-Chromlegierung sowie Gold in dieser Ausführungsform benutzt werden. Da beispielsweise Silber, Aluminium, Kupfer usw. Reflexionsfaktoren von

ίο 90% oder mehr besitzen, sind diese auch für Filme geeignet. Was die Leitfähigkeit betrifft, so braucht diese nicht besonders hoch zu sein und kann genügend groß im Vergleich zum Material für die Lichtmodulation gemacht werden. Die Substrate für die metallischen

π Elektroden können ebenfalls aus undurchsichtigen isolierenden Substratmaterialien bestehen. Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend erläutert.

In Fig. 10 entspricht der Teil 6 dem Teil der ersten Ausführungsform. Was den Teil 13 betrifft, so ist die Oberfläche des Aluminiumsubstrats 14, das eine Dicke von 1 mm und dieselben Abmessungen wie der Teil 6 besitzt, als polierte optische Oberfläche ausgebildet, ein CdS-FiIm 15 in einer Stärke von 0,5 bis 1 μ wird durch

y> Sprühen aufgebracht, und der Teil 13 ist fertig. Die Teile 6 und 13 überlappen einander, wie in F i g. 10 dargestellt, wodurch Lichtmodulationselemente des Reflexionstyps erhalten werden. Das modulierte Licht wird von der Seite des Teiles 6 in Richtung des Pfeiles 11' eingeleitet

ίο und an der Oberfläche des Aluminiumsubstrates 14 reflektiert und darauf das modulierte Licht abgeführt. Das Aluminiumsubstrat dient gleichzeitig als Elektrode, und die Steueispannung wird zwischen dem Nesa-Film 1 und dem Aluminiumsubstrat 14 angelegt. Der

Ji Modulationsfaktor und die Transmissionsfähigkeit dieses Modulationselementes vom Reflexionstyp entsprechen den Ausführungsformen von Lichtmodulatioriselementen des Reflexionstyps der zweiten Ausführungsform, die in F i g. 9 gezeigt ist.

Bei Modulationselementen nach dieser Ausführungsform besteht die Tendenz, daß ein Kurzschluß zwischen

J-- κ..η η ms:-L- J-. χ ι :_: ι—*—*- 4 λ 1

νινί auuv.iv.ii t\aiiviitauiiv. νιν.ο r-itumiiiiuiitäuL/äit uij ·■* uiiu dem Nesa-Film 1 stattfindet. Dieser Kurzschluß kann jedoch durch eine Isolationsschicht für den äußersten

•f) Teil des Aluminiumsubstrats verhindert werden. Bei den obengenannten drei Lichtmodulationselementen wurde gefunden, daß die Modulation bei einer Wellenlänge oberhalb von 1 μ ausführbar ist. Die modulierbare Wellenlänge ist nicht auf die Nähe der fundamentalen Grenzabsorbtionswellenlänge des Materials zur Lichtmodulation beschränkt, sondern die Modulation ist in einem weiten Wellenlängenbereich möglich. Dies kommt daher, daß ein Zusammenwirken zwischen dem F-K-Effekt und dem Interferenzeffekt durch die Filme und den Spalt eintritt. Dieses Zusammenwirken wird im einzelnen bei der letzten Ausführungsform, die am meisten davon Gebrauch macht beschrieben.

Die Lichtmodulationselemente, bei denen beide Elektroden aus Metall mit hohem Reflexionsfaktor bestehen, werden als Abwandlung der geschilderten Lichtmodulationselemente betrachtet. Bei ihnen wird das zu modulierende Licht in die CdS-Schicht von einem Ende eines verbundenen Teils des Lichtelementes eingestrahlt Es erfolgt eine wiederholte Reflexion zwischen den Elektroden, und das modulierte Licht wird am anderen Ende hinausgeleitet Es ist jedoch schwierig, das Licht in dem sehr dünnen CdS-FiIm von einem Ende des Lichtmodulationselementes her einzuleiten. Aus

diesem Grunde werden Lichtmodulationselemente entsprechend der nachfolgenden Ausführungsform hergestellt.

In Fig. 11 und Fig. 12 sind Schichten einer Nickel-Chromlegierung und Gold auf dem Glassubstrat 16 angebracht (Abmessungen 53 χ 53 χ 0,8 mm), wobei Vakuumbedampfung angewendet wurde. Die streifenförmigen Auflagen aus Nickel-Chromlegierungen und Gokifilmen werden selektiv geätzt, und Elektroden 17 mit Abmessungen Von 2x2 mm angebracht. Der CdS-FiIm 18 mit einer Dicke von etwa 800 Μμ wird durch Hochfrequenzsprühverfahren aufgebracht. Ein Schnittbild dieser Ausführungsart ist in Fig. 11 dargestellt,und eine Aufsicht davon zeigt Fig. 12. Diese Ausführungsformen sind Ausschnitte in der Größe 18 χ 18 mm.

In Fig. 13 sind ein Paar dieser Teile 19 und 19' einander überlappend dargestellt, und auf diese Weise werden Lichtmodulationselemente erhalten. Dabei ist YAG-LääcriiChi (VVcücniängc 1,06 μ) als Strahl 20 in uie CdS-Schicht 18 eines Teiles 19 als zu modulierendes Licht eingeführt. Der Prismenkoppler 21, gemäß Fig. 13 wird als Mittel zum Einführen des Lichtes in die CdS-Schicht verwendet. Neben Prismenkopplern können auch Gitterkoppler und Spitzenkoppler u.dgl. verwendet werden. Beschrieben sind Prismenkoppler in »Theory of Prism-Film and ...« in der US-Zeitschrift »Journal of the Optics Society of America, Vol. 60, No. 10, 1970 Oct.«, Gitterkoppler in »Grating Coupler for ...,«, »Applied Physics Letters, Vol. 16, No. 12, 1970. June« und Spitzenkoppler in »Applied Physics Letters, Vc₁. 18, 1971«, S. 398. Das zugeführte YAG-Laserlicht wird in der CdS-Filmschicht 18 als Lichtleiterfilm fortgeleitet. Im Falle der Leitung in der CdS-Filmschicht wird das verlustarme YAG-Laserlicht benutzt, da das Licht von He-Ne-Lasern mit der Wellenlänge 632,8 ηιμ große Verluste bringt. Wenn das in dem CdS-FiIm 18 sich ausbreitende Licht an der Verbindungsstelle 22 anlangt, findet eine Kopplung zwischen dieser und dem CdS-FiIm 18' des anderen Teiles 19' statt. Das durch diese Kopplung fortgepflanzte Licht geht in die CdS-Filmschicht 18' über, setzt sich dort fort und kommt in den Teil 18 zurück, sowie dann in den Teil 18' und pflanzt sich wieder in der CdS-Filmschicht 18' fort. Die Anzahl der Bewegungen des Lichtes von einem CdS-FiIm zum anderen an der Verbindungsstelle oder an der Kopplung kann wahlweise geändert werden, indem die Länge des Verbindungsteiles verändert wird. Das in dem CdS-FiIm 18' fortgeleitete Licht wird über den Prismenkoppler 23 entnommen. Anstelle des Prismenkopplers 23 können die genannten Gitter- oder Spitzenkoppler verwendet werden.

Wird eine Spannung von 30 V an die Elektroden 17 und 17' angelegt, so unterliegt das durch die Filme fortgeleitete Licht dem F-K-Effekt jedesmal, wenn es die Barriere durchdringt, die zwischen den CdS-Filmen vorhanden ist und die spektrale Übertragungscharakteristik wird geändert

Die Lichtmodulationselemente entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsformen besitzen den Vorteil, daß die zwei Filmschichten dieselbe Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichts besitzen und daher in einfacher Weise eine Lichtkopplung gestatten, durch welche die beiden obengenannten Lichtwege an beliebigen Stellen verbunden werden können. Ein hoher Modulationsgrad läßt sich erreichen, da der F-K-Effekt jedesmal erhalten wird, wenn eine Lichtkopplung erfolgt, sobald die Spannung das elektrische Feld beeinflußt, und diese Modulationselemente sind für Licht-lC-Schaltungen geeignet, da das Licht längs der Innenseite der Filme geleitet wird, und daher die Filme als Lichtleiter direkt mit einer Licht-IC-Anordnung verbunden werden können.

Bei deil oben geschilderten Ausführungsformen bestehen die Filmlichtleiter aus einem Material zum Modulieren des Lichtes. An die Filmlichtleiter angepaßte Lichtköppler werden als Mittel zum Einführen des

ίο Lichtes in die Filmlichtleiter und zum Abnehmen des modulierten Lichtes verwendet. Die Materialien für die Filmlichtleiter sind nicht auf Filmmaterialien zur Lichtmodulation beschränkt. Die Fortleitung des Lichtes im Inneren der Lichtleitfilme auf dem Substrat

η erfordert Filmlichtleiter mit einem Brechungsindex, der größer als der des Substrates ist. Beispielsweise hat der Brechungsindex eines CdS-Films des Filmlichtleiters bei einem Lichtmodulationselement nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen etwa den Wert 2,5

Ä und der des Giascs des Substrats etwa den Wen i,5. An den Verbindungsstellen der Lichtmodulationselemente der obigen Ausführungsformen wird die Reflexion des Lichtes an der Oberfläche der Elektroden nicht verwendet, sondern es wird die Lichtkopplung angewendet. Daher können Leiter, die keinen hohen Reflexionsfaktor besitzen, z. B. der genannte Nesa-Film aus SnOj als Materialien für die Elektroden benutzt werden.

Da, wie oben erwähnt, die Anzahl der Kopplungen an den Verbindungsstellen beliebig gewählt werden kann, können die Filmlichtleiter lediglich an das eine Substrat angepaßt werden. In diesem Falle wird die Länge der Verbindungsstelle so gewählt, daß eine geradzahlige Anzahl von Kopplungen eintritt. Im Falle der Ausbildung der Lichtmodulationselemente entsprechend den obigen Ausführungsformen als Licht-lC-Anordnung kann eine derartige Konstruktion benutzt werden.
In F i g. 14 entspricht das eine Teil 6 dem Teil 6 bei der ersten Ausführungsform. Zur Bildung der transparenten Elektroden 25 ist Indiumoxyd (Ιη2θ3) durch Vakuumbedampfung aufgebracht, so daß die Transmissionsfähigkeit 80% ndpr mphr hpträgt Πργ Flärhpnwirlprstanrkwert ist 50 Ohm pro Flächeneinheit oder weniger auf dem Teil 24 aus Glas. Dieses ist entsprechend einer optischen Oberfläche poliert. Der CdS-FiIm 26 in einer Stärke von etwa 8000 Ä ist darauf mit Hilfe eines Hochfrequenzsprühverfahrens aufgebracht und dient als Materialschicht zur Lichtmodulation. Ferner ist darauf Glas 27 in der Stärke von 1500 Ä durch Hochfrequenzsprühverfahren aufgebracht; dieses wird wiederum mit einem CdS-FiIm 28 in Stärke von etwa 8000 A beschichtet, und das Teil 30 ist fertig.

Die Teile 3 und 30 überlappen einander, wie in Fig. 14 gezeigt ist Somit ist das Lichtmodulationselement gemäß Fig. 14 fertiggestellt. Wird in das oben geschilderte Lichtmodulationselement Licht in Richtung des Pfeiles 31 eingeleitet und in Richtung des Pfeiles 32 ausgeleitet, und nach dem spektralen Verlauf der Lichtübertragung gefragt, so erhält man die in Fig. 15 dargestellte Kurve C Wird die Spannung von 20 V an die Elektroden 1 und 25 angelegt, so entspricht der spektrale Verlauf bei der Übertragung der Kurve d. Wird der Modulationsfaktor dieses Lichtmodulationselementes auf der bezüglich der fundamentalen Absorptionsgrenzwellenlänge längerwelligen Seite des Spektrums gesucht, so sind die Ergebnisse in F i g. 16 zu finden. Der negative Modulationsfaktor in Fig. 16

bedeutet, daß die Transmissionsfähigkeit bei einer vorgegebenen Spannung größer ist als wenn die Spannung Null beträgt.

Der Modulationsfaktor für He-Ne-Laserlicht (Wellenlänge 632,8 Γημ) dieses Lichtmodulationselementes ist durch die Kurve b in Fig. 17 angegeben. Aus Fig. 16 und Fig. 17 ist ersichtlich, daß ein hoher Modulationsfaklor in einei?·. weiten Bereich von Wellenlängen erhältlich ist, wenn Lichtmodulationselemente nach dieser Ausführungsform verwendet werden. Nachstehend ist das genannte Zusammenwirken mehrerer Effekte beschrieben.

Da ein fnterferenzeffekt eintritt, wenn Licht den Film durchdringt, ändert sich die Transmissionsfähigkeit entsprechend der Dicke und dem Brechungsindex des Filmes sowie der Wellenlänge und dem Einfallswinkel des Lichtes. Angenommen die Wellenlänge des Lichtes sei λ, der Brechungswinkel des einfallenden Lichtes in den Film sei Θ. die Dicke des Filmes sei d und der Reflexionsfaktor sei n, so erhält man die folgende Beziehung für die maximale Transmissionsfähigkeit:

' = 2nd

wenn A- = 0.1.2.

Somit gilt die folgende Beziehung für ein Minimum an Transmissionsfähigkeit:

A- /. = 2nd cos H wenn k = 0. I, 2 ...

Bei dem zuletzt genannten Lichtmodulationselemenl findet die oben geschilderte Interferenz in dem Filmmaterial zur Lichtmodulation im Spalt und in dem Glasfilm statt.

Ist die Spannung zwischen den Elektroden angelegt, so ändert sich auch der Brechungsindex des GdS-Films wegen des F-K-£,ifekts. Aus diesen Ausführungen ist ersichtlich, daß die Transmissionsfähigkeit vom Brechungsindex η und der Dicke d abhängt. Daher ändert sich, wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, die Transmissionsfähigkeit in einem weiten Wellenlängenbereich, und der Modulationsfaktor, wie in Fig. 16 gezeigt, wird erhalten.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist das geschilderte Zusammenwirken intensiv, da der Glasfilm angepaßt ist, um einen Film zur Erzeugung des Interferenzeffekts zu bilden, und man erhält so einen großen Modulationsfaktor. Ferner kann Licht einer gewünschten Wellenlänge mit einem hohen Modulationsfaklor moduliert werden, indem die Dicke und der Brechungsindex des Glases entsprechend gewählt werden. Wird ferner in der obigen Gleichung der Wert des cos Θ geändert, so ändert sich die Transmissionsfähigkeit. und damit ist ersichtlich, daß die Transmissionsfähigkeit der obigen Modulationselemente sich mit der Änderung des Einfallswinkels des Lichtes ändert. Für die obigen Lichtmodulationselemente ist die Änderung der Intensität der Lichtübertragung in Abhängigkeit von der Änderung des Einfallswinkels des Lichtes in einem Bereich von 0° bis 3° in Fig. 18 dargestellt. In Fig. 18 zeigt die Kurve e die Intensität der Lichtübertragung bei He-Ne-Laserlicht (Wellenlänge 632,8 ηιμ), wenn die angelegte Spannung Null ist, und die Kurve f, wenn die¹ Spannung von 30 V angelegt ist. Aus Fig. 18

jo ist ferner ersichtlich, daß große Änderungen der Transmissionsfähigkeit und des Modulationsfaktors durch geringfügige Änderungen im Einfallswinkel des Lichtes erreicht werden können. Daher kann Licht beliebiger Wellenlänge ebenfalls mit einem hohen

ja Modulationsfaktor moduliert werden, wenn der geeignete Einfallswinkel des Lichtes festgelegt wird.

Hiereu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtmodulationselement mit zwei parallel zueinander angeordneten Substraten, die auf ihren einander zugewandten Seiten je eine Elektrode und darauf eine Halbleiterschicht aufweisen, wobei die zwei Halbleiterschiehten den Franz-Keldysch-Effekt zeigen und derart einander gegenüberliegend angeordnet sind, daß ihre Grenzflächen einen n solchen Abstand voneinander haben, daß eine Interferenz zwischen ihnen auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Halbleiterschiehten ein Spalt vorhanden ist.

2. Lichtmodulationselement mit Lichtdurchlaß n nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Substrate aus transparenten Isolierstoffen bestehen und daß beide Elektroden transparent ausgebildet sind.

3. Lichtmodulationselement nach Anspruch 2, -'* dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate aus Glas bestehen.

4. Lichtrnodulationselemeni nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Zinnoxyd, Bleioxyd, Indiumoxyd oder Galliumoxyd -·> bestehen.

5. Lichtmodulationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschiehten aus Kadmiumsulfid bestehen.

6. Lichtmodulationselement mit Lichtreflexion »< nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß eines der Substrate aus einem transparenten Isolierstoff besteht, daß transparente Elektroden auf dem Substrat angebracht sir.d und uaß auf dem anderen Substrat metallische Elektroden mit hohem Reffe- > xionsfaktor angeordnet sind.

7. Lichtmodulationselement mit Lichtreflexion nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet.daß eines der Substrate aus einem transparenten Isolierstoff besteht, daß transparente Elektroden auf diesem " Substrat angebracht sind und daß das andere Substrat aus Metall mit hohem Reflexionsfaktor besteht und als Elektrode dient.

8. Lichtmodulationsclement nach einem der Ansprüche I bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die ' Halbleiterschicht aus einem Lichtleitfilm besteht.

9. Lichtmodulationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8. gekennzeichnet durch die Verwendung von Prismenkoppler. Gitterkoppler oder Spitzenkoppler /um Einführen des Lichts und >· Herausführen des modulierten Lichts.