DE3135591C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie die Verwendung dieses Verfahrens.

Aus der DE-OS 22 22 920 ist ein Informationsspeicher bekannt, der aus einem Material besteht, in welchem F-Zentren erzeugt werden können, deren Konzentration mit Hilfe einer ersten Bestrahlungseinrichtung veränderbar ist. Ein derartiger Informationsspeicher weist eine Einrichtung zum Lesen von Information in mindestens einem Teil des Materials sowie eine weitere Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung mindestens eines Teiles dieses Materials mit Strahlung im Absorp­ tionsbereich der F-Zentren sowie eine Einrichtung zum Erfassen der Größe der Strahlung von der zweiten Bestrah­ lungseinrichtung auf. Es werden hierbei F-Zentren und F′-Zentren erzeugt, wobei durch Anlegen des elektrischen Feldes lediglich die Konversion von F- in F′-Zentren beein­ flußt wird. Die Dimension des elektrischen Feldes wird hierbei jedoch nicht als Speicherdimension eingeführt.

Aus der US-PS 36 73 578 ist ein optischer Speicher bekannt, bei dem die Anzahl der vorhandenen Störstellen durch Einstel­ lung schmalbandigen Lichtes und Anlegen eines elektrischen Feldes verändert werden kann. Auch hierbei wird das E-Feld zur Umwandlung von F- in F′-Zentren verwendet, wobei die Höhe der angelegten Feldstärke so bemessen werden soll, daß eine maximale Umwandlung von F- in F′-Zentren auftritt. Des weiteren wird dem Fachmann hieraus vermittelt, daß die Anwendung dieser Lehre auf die analoge Computerspeicherung anstatt der digitalen Speicherung zur Erzielung eines quasi-kontinuierlichen Bereiches durch Änderung entweder der Dauer der Einstrahlung des Lichtes, der Stärke des angelegten Gleichfeldes oder der Betriebstemperatur erreicht wird. Der Begriff "quasikontinuierlich" ist dabei lediglich so zu verstehen, daß jeder beliebige Wert einer optischen Eigen­ schaft lediglich nacheinander in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke einstellbar ist, jedoch nicht kontinuierlich, also funktionell abhängig von dieser.

Ferner ist aus der US-PS 41 01 976 eine optische Daten­ speichereinrichtung bekannt, bei der die Frequenzdimension zur Erhöhung der Speicherkapazität verwendet wird. Hierbei wird Laserlicht mit verschiedenen Frequenzen in das Speicher­ material eingestrahlt, und dabei jeweils ein einem Datenbit entsprechendes Loch gebrannt. Dies wird als optisches Lochbrennen bezeichnet. Nach Brennen des Loches mit der ersten Frequenz wird mit Laserlicht einer zweiten Frequenz ein zweites Loch gebrannt, usw. Die Speicherfunktion liegt in der Abstimmung der Laserfrequenz, um eine Reihe von Löchern in eine inhomogene Bandbreite zu brennen. Wenn Löcher gebrannt bzw. Datenbits erzeugt worden sind, stellen die Löcher einen Dauerzustand dar, d. h. sie bleiben vorhanden, wenn das Laserlicht abgeschaltet worden ist.

Die Literaturstelle "IBM Technical Disclosure Bulletin", Volume 21, Nr. 8, Januar 1979, Seite 3333, lehrt ein Verfah­ ren zum magnetischen und elektrischen Feldadressieren von optischen Datenspeichern, die mit spektralem Lochbrennen arbeiten, wobei die gesamte Absorptionsbande und die spektra­ len Löcher durch das angelegte Feld verschoben werden. Dies bedeutet, daß das Loch zu einer anderen Lichtfrequenz verschoben wird. Wenn nach dieser Methode ein spektrales Loch gebrannt wird, bleibt dieses für jede beliebige elektrische Feldstärke vorhanden. Damit wird verhindert, daß diese Methode gleichzeitig bei mehr als einer Lichtfrequenz nutzbar ist. Aus dieser Literaturstelle ergibt sich, daß es bei dieser Methode nicht sinnvoll ist, die Frequenz des die Löcher brennenden Lasers durchzustimmen, weshalb ein Laser mit fester Frequenz anstatt eines in der Frequenz durchstimm­ baren Lasers verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem mehrere exakt unterscheidbare Charakterist­ iken für verschiedene Lichtfrequenzen bei einem elektroopti­ schen Bauelement eingestellt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem Verfahren nach der Erfindung ein Festkörpermaterial verwendet, das nicht nur die Eigenschaft hat, daß spektrales Lochbrennen möglich ist, sondern auch, daß die spektralen Löcher bzw. die Lochstruk­ turen durch Änderungen eines elektrischen Feldes bzw. einer elektrischen Spannung reversibel zum Verschwinden gebracht, und nicht nur in der spektralen Dimension verschoben werden können. Es ist von entscheidender Bedeutung, daß die Löcher nicht mehr im Frequenzbereich bzw. in der Frequenzdimension als scharfe Strukturen vorhanden sind, wenn die Spannungs­ werte (bzw. die elektrische Feldstärke) so weit von den beim Lochbrennen verwendeten Spannungswerten abweichend gewählt werden, daß die Lochstruktur reversibel zum Verschwinden gebracht wird. Die elektrische Felddimension kann somit zusätzlich zu der Frequenzdimension verwendet werden, z. B. für die Datenspeicherung, wodurch die Speicherdichte (Bit­ dichte) erhöht werden kann. Die Verwendung beider Dimensionen ist technisch nicht nur für das Gebiet der optischen Daten­ speicherung interessant, sondern auch auf anderen Gebieten. So kann vorliegende Erfindung allgemein zur Einstellung der optischen Eigenschaften, z. B. Absorption, Transmission und Emission von Licht eines Festkörpers in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung (optische Charakteristiken), und in Verbindung mit abstimmbaren Lasern, z. B. Diodenlasern, für die optische Signalverarbeitung, für die Bildverarbeitung und für die integrierte Optik verwendet werden, wobei ver­ schiedene optische Charakteristiken für verschiedene Licht­ wellenlängen (bzw. Lichtfrequenzen) eingestellt werden können. Hierbei ist es wünschenswert, daß ein und dasselbe Bauelement bei unterschiedlichen Laserfrequenzen für die gleiche oder sogar für verschiedene Betriebsarten bzw. Funktionen, wie z. B. als elektrooptischer Schalter, Modulator oder Koppler eingesetzt werden kann. Dies ist durch Einstel­ lung der gewünschten Spannungsabhängigkeit getrennt für jede Laserfrequenz erreichbar. Bei jeder Laserfrequenz kann diese Spannungsabhängigkeit auf ein anderes Kurvendiagramm (opti­ sche Charakteristik) eingestellt werden, d. h., die optischen Eigenschaften abhängig von der Spannung sind für jede gesonderte Laserfrequenz getrennt einstellbar.

Als optische Zentren können sowohl Störstellen (z. B. Verun­ reinigungen) im Inneren des Festkörpers als auch auf der Oberfläche von Festkörpern (z. B. organische Farbstoffmole­ küle, die auf der Oberfläche von Festkörpern absorbiert sind) verwendet werden, wobei in diesen optischen Zentren optische Übergänge, insbes. durch Absorption bzw. Emission eines Lichtquants, möglich sind.

Der Gegenstand der Erfindung ist auch als schneller, mit niedriger elektrischer Spannung zu betätigender Schalter für Licht sowie als Verbindungs- bzw. Kopplungselement zwischen elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen einer Anlage mit den optischen Elementen der Anlage, und somit insbes. in Verbindung mit digitalen und analogen elektronischen Techni­ ken einsetzbar.

Nachstehend wird die Erfindung mit Hilfe eines Ausführungs­ beispieles in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines spannungsab­ hängigen optischen Bauelementes nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer mit Farbstoff­ molekülen dotierten organischen Polymerschicht (Ausführungsbeispiel),

Fig. 3a eine schematische Darstellung des Energieniveausche­ mas eines Farbstoffmoleküls, und

Fig. 3b die Wirkung des stabilen spektralen Lochbrennens (Loch in der Besetzungsdichte N).

Bei der Schnittdarstellung des Bauelementes nach den Fig. 1 und 2 ist der Festkörper mit Licht absorbierender Spezies (optischen Zentren) mit FZ bezeichnet und in Fig. 2 als mit Farbstoffmolekülen dotierte organische Polymerschicht dargestellt. Auf dem Festkörper FZ befinden sich die Elektro­ den E₁ und E₂, die lichtdurchlässig hergestellt sein können. Das einfallende schmalbandige Licht L, insbes. monochromati­ sches Laserlicht, wird entweder seitlich oder durch eine durchsichtige Elektrodenfläche, z. B. E₁ hindurch einge­ strahlt. Die Fluoreszenzemission F1 der optischen Zentren wird entweder seitlich oder durch eine transparente Elektrode E₂ hindurch abgestrahlt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 besteht die Elektrode E₁ aus einer auf ein Substrat S (z. B. in Form einer Glasscheibe) aufgedampften leitenden Schicht, insbes. einem Metallfilm, der z. B. aus Aluminium, Indium oder Gold besteht. Ist die Elektrode E₁ als durchsichtige bzw. lichtdurchlässige Elektrode ausgebildet, wird entweder ein sehr dünner Metall­ film, insbes. aus Aluminium oder Gold, mit einer Dicke kleiner als 20,0 nm aufgedampft, oder es wird aus einem anderen Material eine den elektrischen Strom leitende und lichtdurchlässige Schicht hergestellt, z. B. in einer Sputter­ anlage das leitende Indiumzinnoxyd.

Der mit Farbstoff dotierte Polymerfilm wird z. B. aus dem amorphen, lichtbeständigen Polymer Polyvinylbutyral (PVB) hergestellt. Als fluoreszierender Farbstoff wird z. B. der aromatische, lichtbeständige Kohlenwasserstoff Perylen in geringer Konzentration (kleiner 1^-4 mol) eingebaut. Zu diesem Zweck wird Perylen zusammen mit dem als Pulver im Handel befindlichen Kunststoff in Äthylalkohol gelöst; durch Verdunsten des Alkohols entsteht auf der Elektrode E₁ die Schicht FZ mit einer typischen Schichtdicke von 1-5 Mikron. Ultradünne Schichten können in Form von sogenannten Langmuir­ filmen hergestellt werden. Mit Langmuirfilmen aus Cadmium­ arachidat lassen sich mit Perylen dotierte Schichten von 2,8 nm Dicke (bzw. n × 2,8 nm, wobei n = 1 bis ca. 200) her­ stellen. Bei diesen ultradünnen Schichten kann die Reabsorp­ tion des Perylens vernachlässigt werden, so daß höhere Konzentrationen (bis 10^-2 mol) des Perylens verwendet werden können. Auf der Oberfläche der Schicht FZ wird die Elektrode E₂ in gleicher Weise wie die Elektrode E₁ hergestellt. Die Probe wird in einen Kryostaten eingebaut und auf tiefe Temperaturen gebracht. Im Fall von Perylen in Polyvinylbuty­ ral muß bis auf Heliumtemperaturen oder wenigstens bis auf Temperaturen kleiner als 30 K abgekühlt werden. Mit einer intensiven, schmalbandigen Lichtquelle, z. B. einem Farbstoff­ laser, werden die Farbstoffmoleküle zur Fluoreszenz angeregt.

Die Anregung erfolgt selektiv im rein elektronischen Niveau 0′ oder z. B. im ersten Molekülschwingungsniveau 1′ (erster vibronischer Übergang) des ersten angeregten Singulettzu­ standes S₁ (siehe Fig. 3). Mit der Einstrahlungsdauer der auf die Probe fokussierten intensiven Laserstrahlung nimmt die Intensität der Fluoreszenz ab, insbes. die Emission in den sog. vibronischen Nullphononlinien. Bei diesen Nullphononli­ nien handelt es sich um optische Übergänge aus dem Zustand 0′ des ersten angeregten Singulettzustandes S₁ in die Molekül­ schwingungsniveaus 1, 2 usw. des Singulettgrundzustandes S_o (Fig. 3). Nach Beendigung der intensiven Lasereinstrahlung ist in der Kurve nach Fig. 3b, die die Besetzungsdichte (Bevölkerung) N der optischen Zentren in Abhängigkeit von der Energie E angibt, ein scharfes Minimum, d. h. ein Loch bei der Energie E_o festzustellen (spektrales Loch). Die zum ersten vibronischen Übergang (0′ → 1) gehörende Nullphononlinie ist bei 448,6 nm um ca. 7 nm gegen den anregenden Laser (441,56 nm) verschoben, und alle anderen vibronischen Nullphonon­ linien sind langwelliger, so daß durch Filter, z. B. Inter­ ferenzfilter, eine Trennung von Laserstreulicht und Fluores­ zenzlicht, z. B. in einem Detektorsystem, erfolgen kann. Es kann also Licht verschiedener Frequenz aus dem Festkörper ausgekoppelt werden.

Das Ausführungsbeispiel mit dem Farbstoff Perylen in dem amorphen Polymer Polyvinylbutyral hat nicht nur den Vorteil, daß die Herstellung eines Bauelementes sehr einfach ist, sondern es beinhaltet z. B. für die optische Datenspeicherung eine Steigerung der Anzahl der Speicherplätze (Bit-Dichte), da bei diesem Festkörpermaterial durch Anlegen einer Span­ nung, die genügend stark von den beim Lochbrennen angelegten Spannungen abweicht, die spektrale Lochstruktur zum Ver­ schwinden gebracht wird, so daß die Dimension der elektri­ schen Spannung bzw. elektrischen Feldstärke als zusätzliche Speicherdimension (zusätzlich zur Frequenzdimension) zur Verfügung steht. Dies bedeutet, daß bei einer schrittweisen Änderung der anliegenden elektrischen Spannung in genügend großen Schritten die Datenspeicherung in der Frequenzdimen­ sion nach jeder Spannungsänderung erneut durchgeführt werden kann.

Für die Anwendung zur Modulation von optischen Signalen ist wichtig, daß die theoretische Grenze der Anstiegszeit durch die Verschiebungen der Ladungsschwerpunkte im Festkörper gegeben ist; sie liegt im Subnanosekundenbereich.

Durch Temperaturerhöhung oder nach Einstrahlung von Phononen, z. B. mit einem Heizerpuls (vgl. Literaturstelle U. Bogner "Selectively Laser-Exited Perylene, Matrix-Isolated in Langmuir Films, providing a Phonon Memory", Physical Review Letters, Volume 37, Nr. 14 (Oktober 1976, Seite 909-912), kann die beim Loch­ brennen eingeschriebene Charakteristik gelöscht werden, da nach einer entsprechend großen Temperaturerhöhung alle spektralen Löcher irreversibel aufgefüllt sind.

Claims (4)

1. Verfahren für eine nach Wellenlängen getrennte Einstel­ lung der Charakteristiken eines elektrooptischen Bau­ elements, in das bei verschiedenen Lichtfrequenzen stabile spektrale Löcher gebrannt werden, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß jeweils bei den verschiedenen Lichtfrequenzen während eines vorgegebenen zeitlichen elektrischen Feldstärke- bzw. Spannungsverlaufs spektrales Loch­ brennen durchgeführt wird,
• b) daß ein Festkörpermaterial mit der Eigenschaft gewählt wird, daß die spektrale Lochstruktur reversibel zum Verschwinden gebracht werden kann, wenn eine Spannung angelegt wird, die ausreichend stark von den beim Lochbrennen angelegten Spannungswerten verschieden ist, so daß die Spannung als zusätzliche Dimension zur Frequenzdimension einsetzbar ist, und
• c) daß verschiedene Charakteristiken für die verschie­ denen Lichtfrequenzen voneinander getrennt eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eingekoppeltes schmalbandiges Licht abhängig von der angelegten Spannung in Licht verschiedener Frequenz und Richtung aus dem elektrooptischen Bauelement ausgekoppelt wird.

3. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 in der opti­ schen Datenspeicherung, wobei der vorgegebene zeitliche Spannungsverlauf durch mehrere stufenweise Gleichspan­ nungsänderungen erfolgt.

4. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für spannungs­ aktive optische Schalter bzw. für spannungsgesteuerte Lichtmodulatoren.