-
@@@@@@@@@@@@@@@ll@
| mente mit intensitätsabhän Dispersion und Elektroabsor - |
| tion für die o'ti - a verarbeitun und optische Informa- |
| Xlcffihnil- |
Beschreibung Die Erfindung betrifft optisch bistabile Bauelemente und optisch nichtlineare
Bauelemente, bei denen die optischen Eigenschaften nichtlinear von der Intensität
des einfallenden Lichtes abhängen, für die optische Signalverarbeitung und für die
optische Informationstechnik. Fig. la zeigt die Kennlinie optisch nichtlinearer
und Fig. Ib die Kennlinie optisch bistabiler Bauelemente. IE ist die Intensität
des einfallenden Lichtes und IT die Intensität des durchgelassenen Lichtes. 1A ist
die kritische Intensität - auch Arbeitspunkt - für nichtlineare Bauelemente, 1K1
und IK2 sind die untere und obere kritische Lichtintensität für optisch bistabile
Bauelemente.
-
Solche Elemente können Anwendung finden für - das optische Speichern
von Binärinfornationen - optische logische Binäroperationen - die Herstellung bestimmter
Impulsformen - optische Diskriminatoren und Begrenzer - optisches Gattern - optische
Verstärker Das Arbeitsprinzip von optisch bistabilen Elementen ist in der Literatur
schon seit 1969 bekannt 1) Es liegt auch schon die US-PS 3.610.731 über rein absorptive
optische Bistabilitäten vor. In der US-PS wird von einem sättigbaren Absorber als
nichtlineares Medium ausgegangen, ohne dieses zu konkretisieren. Mittlerweile ist
aber in der Literatur - eine Literaturauswahl zu den theoretischen Arbeiten über
optische Bistabilitäten wird in 2) gegeben - der Vorteil der dispersiven optischen
Bistabilitäten;r$egenüber den absorptiven optischen Bistabilitäten anerkafint. Als
Nachteile absorptiver
optischer Bistabilitäten können u.a. gelten:
- das Fehlen geeigneter sättigbarer Absorber - die notwendigen hohen Schaltintensitäten
und Schaltenergien - die starke Lichtabsorption dieser Bauelemente und die damit
verbundenen Wärmeverluste.
-
Die bisher experimentell realisierten - absorptiVen und dispersiven
- optisch bistabilen Bauelemente 3) sind alle auf einzelne Spektrallinien begrenzt,
sind bezüglich der Schaltintensitäten nicht flexibel, funktionieren teils nur bei
tiefen Temperaturen ( T4t 50K in GaAs 3b), bzw. gS 77K in InSb 3c) oder nur bei
sehr hohen Temperaturen ( Na-Dampf 3d) ), und haben teilweise sehr lange Schaltzeiten
( 1...50sec 3d) oder 3...5msec 3e) ). Einige Bauelemente haben zu große geometrische
Abmessungen ( Resonatorlänge L = 11 cm 3d) und L t 1 cm 3e) ), so daß zum einen
die Verwendung in integrierten optischen Systemen ausgeschlossen ist, zum anderen
das verwendete Licht eine große Kohärenzlänge haben muß. Tatsächlich hat noch keines
dieser Systeme das Experiment al stadium verlassen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde optisch bistabile und optisch
nichtlineare Bauelemente herzustellen, die - in einem breiten Spektralbereich einsetzbar
sind - Schaltzeiten im Nanosekunden- oder Subnanosekundenbereich aufweisen - bei
Zimmertemperatur einsatzfähig sind - geringe räumliche Abmessungen haben, so daß
die Anwendung in d6Xr integrierten Optik möglich ist - in ihrem optischen Verhalten
elektronisch steuerbar sind - die Signal entnahme auch auf elektronischem Weg ermöglichen
Diese
Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß durch Anlegen eines elektrischen
Feldes an einen Festkörper ( der Begriff Festkörper bezeichne Halbleiter, Semiisolatoren
und kristalline Isolatoren ), der sich in einem Interferometer ( Fabry-Perot-Interferometer,
Ringinterferometer o.ä. ) befindet, das optische Absorptionsvermögen und die Brechzahl
des Festkörpers geändert wird. ( Die Änderung der Absorption und der Brechzahl von
Festkörpern durch elektrische Felder wird auch als Elektroabsorption bzw. Franz-Keldysch-Effekt
und Elektrodispersion bezeichnet. ) Durch Absorption von Licht werden in dem Festkörper
freie Ladungsträger erzeugt, die a) sich unter Einfluß des elektrischen Feldes so
bewegen, daß sie das elektrische Feld reduzieren b) zu einer Zunahme der Leitfähigkeit
des Festkörpers führen, die zur Abschwächung des elektrischen Feldes ausgenutzt
wird c) in einer Sperrschicht den Sperrstrom erhöhen, was ebenfalls zu einer Abschwächung
des elektrischen Feldes ausgenutzt wird.
-
Diese Änderung des elektrischen Feldes bewirkt eine Änderung der optischen
Brechzahl des Festkörpers, also eine Änderung der optischen Wege im Interferometer
und somit eine Verschiebung der Resonanzfrequenzen des Interferometers. Das wiederum
äußert sich in einer Veränderung des Transmissions- und Reflexionsverhaltens des
Interferometers; die optischen Eigenschaften des Interferometers sind von der Intensität
des Lichtes im Interferometers abhängig.
-
Detaillierte Beschreibung Der Festkörper wird in einem Interferometer
eingebracht.
-
Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau am Beispiel eines Fabry-Perot-Interferometers.
-
1 und 2 sind teilreflektierende Spiegel und 3 ist der Festkörper;
die Spiegel können auch durch Verspiegeln der polierten
Festkörperoberflächen
erzeugt werden. IE ist die Intensität des einfllenden Lichtes, 1T die Intensität
des durchgelassenen Lichtes und 1R die Intensität des reflektierten Lichtes. I1
und II' sind die Intensitäten der rechts- und linkslaufenden Lichtwellen im Interferometer
an dieser linken Spiegelfläche ( Spiegel 1), I2 und I'2 sind die entsprechenden
Größen für die rechte Spiegelfläche ( Spiegel 2 ).
-
Das Verhalten des Interferometers wird durch
beschrieben. Dabei sind r1, r2 die Reflexions- und t1 t2 die Transmissionsgrade
der Spiegel 1 und 2. A kennzeichnet die optische Absorption in dem Interferometer
für einen Durchlauf von einem Spiegel zum anderen, d.h. I2 = A II und I; = A I2,
e und t ist die Phasendiffernz für eine monochromatische Welle mit der Wellenlänge
tfür eien Durchlauf.
-
gist der Beersche Absorptionskoeffizient und ist die optische Brechzahl.
-
Das System ist so zu dimensionieren, daß die Spiegel stark reflektieren
( 1-riv 1, i=S,2 ,und das Licht im Interferometer - zumindest im transparenten Zustand
des Interferometers - nur schwach absorbiert wird ( 1-A«1 ), dann gilt F1»1. - Im
Falle schwacher Absorption ist die Reflexion komplementär zur Transmission des Interferometers,
d.h. IT + 1R = IE- - Das Transmissionsverhalten des Interferometers hängt dann empfindlich
von der Phasendifferenz T ab. Gilt Y = 0 ( bzw. = dann wird viel Licht durchgelassen
und wenig Licht reflektiert, für # # 0,# hingegen wird wenig Licht durchgelassen
und viel reflektiert.
-
In dieser Erfindung wird eine Methode gezeit, die Phasenverschiebung
y von der Lichtintensität abhängig zu machen. Dabei wird davon ausgegangen, daß
- in vielen Festkörpern das optische Absorptionsvermögen und die Brechzahl durch
elektrische Felder beeinflußbar sind, - die elektrischen Felder durch technische
Maßnahmen von der Lichtintensität abhängig gemacht werden können.
-
Das elektrische Feld und die optische Achse des Interferometers können
beliebig zueinander orientiert sein, in allen Fällen wurde Elektroabsorption und
Elektrodispersion beobachtet. Das Anlegen des' elektrischen Feldes kann durch (a)
Aufbringen von leitenden Schichten ( Elektroden ) auf einen isolierenden oder semiisilierenden
Festkörper und Anlegen einer externen Spannung erfolgen, (b) Dotierung der Oberflächen
eines eigenleitenden ( intrinsischen ) hochohmigen Halbleiters in p- und n-Zonen
erfolgen ( Prinzip der pin-Diode ), die niederohmigen p- und n-Zonen dienen dann
als elektrische Kontakte, zwischen denen sich nach Anlegen einer externen Spannung
ein elektrisches Feld aufbaut,
(c) Erzeugen einer - pn-Sperrschicht
durch Dotierung eines Halbleiters - Schottky-Sperrschicht durch Metallisierung von
Halbleiterflächen - Sperrschicht durch Zusammenfügen unterschiedlicher Halbleiter
und Anlegen einer externen Spannung in Sperrichtung oder Ausnutzung des Diffusionspotentials
- unter Diffusionspotential versteht man den Abstand der Leitungsbandkanten von
p- und n-Zone 4) - der Sperrschicht, erfolgen.
-
Für den Fall (a) hat der Festkörper zunächst die Eigenschaften eines
Photoleiters. Durch Lichtabsorption werden freie Ladungsträgerpaare - freie Elektronen
und freie Löcher - erzeugt, die sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zu
den Elektroden bewegen. Die Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand des Festkörpers
hängt also wesentlich von der Lichtintensität im Festkörper ab. Ist der Festkörper
elektrisch Teil eines Spannungsteilers, so ist der Spannungsabfall an seinen Elektroden
proportional zu seinem Widerstand.
-
Sinkt infolge der Lichtabsorption - natürliche Absorption und Elektroabsorption
- der elektrische Widerstand, so sinkt auch der Spannungsabfall an den Elektroden
und das elektrische Feld im Festkörper. Die dadurch erfolgende Änderung der Brechzahl
bewirkt eine Änderung der optischen Wege durch den Festkörper, also gemäß Gleichung
( 2b ) eine Änderung der Phasenverschiebung t Der physikalische Ablauf ist ein Fall
(b) gleich dem im Fall (a). Hier dienen aber der pi- und der ni-Übergang schon als
Spannungsteiler. Das optische Geschehen wird von der eigenleitenden i-Zone, in der
das elektrische Feld wirkt und die ebenfalls als Photoleiter arbeitet, bestimmt.
-
Für den Fall (c) erfüllt die Sperrschicht zunächst die Funktion einer
Photodiode. Durch optische Absorption - natürliche und Elektroabsorption - nimmt
der Sperrstrom der Diode zu. Ist die Diode Bestandteil eines in Sperrichtung geschalteten
Spannungsteilers, so sinkt der Spannungsabfall an der Photodiode mit steigender
Lichtintensität in der Sperrschicht.
-
Das elektrische Feld in der Sperrschicht sinkt mit Zunahme der Lichtintensität,
die Brechzahl im Bereich der Sperrschicht ist also wieder von der Lichtintensität
abhängig.
-
Für den Fall (c), bei dem an der Sperrschicht nur das Diffusionspotential
anliegt, verhält sie sich elektrisch wie eine Photozelle ( Photovoltaischer Effekt
). Bei Absorption von Licht und hochohmiger Belastung liegt an den Kontakten der
Photozelle eine Photo spannung an:
lo ist der Sättigungsstrom der Photodiode, lgk ist der Kurzschluß-Photostrom, der
proportional zur Lichtintensität ist, und 9 ist die Photo spannung. 5) ( Um die
elektrischen Ströme in den Formeln von den Lichtintensitäten abzusetzen, werden
sie durchgehend mit dem Kleinbuchstaben "i" bezeichnet ) Diese Photospannung ist
dem Diffusionspotential UD zwischen den Zonen der Sperrschicht entgegengerichtet:
Das Potential und damit das elektrische Feld in der Sperrschicht nimmt also ab,
wenn Licht in die Photozelle fällt. Damit ist eine Änderung der Brechzahl verbunden,
die dann zu einer Änderung der Phasenverschiebung führt, und eine Verstimmung des
Interferometers bewirkt.
-
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen darin, daß - die
optischen Eigenschaften der bistabilen und nichtlinearen Bauelemente durch die externe
elektronische Beschaltung steuerbar sind - insbesondere sind bei den optisch bistabilen
Bauelementen die kritischen Lichtintensitäten durch die externe Beschalttung steuerbar
- der Zustand derBauelemente zugleich als elektrisches Signal vorliegt die Bauelemente
in einem weiteren Temperaturbereich und insbesondere auch bei Zimmertemperatur einsatzfähig
sind - die Bauelemente für große Spektralbereiche anwendbar sind kurze Schaltzeiten
möglich sind die Bauelemente miniaturisierbar sind und in integrierten optischen
Systemen Anwendung finden können.
-
Ausführungsbeispiel 1 Die Figuren 3a und 3b zeigen ein Ausführungsbeispiel.
1 stellt den plättchenförmigen Festkörper dar, der aus semiisolierendem GaAs mit
einem spezifischen Widerstand von >#otn- besteht.
-
Die Stirnflächen sind mit optischer Güte planparallel poliert; auf
den Stirnflächen sind durch Dotierung niederohmige Inseln 2 und 3 erzeugt worden,
die als Elektroden dienen. 4 und 5 sind die aufgebrachten Schichten zur partiellen
Verspiegelung, so daß das System in Fig. 3a die Funktion eines Fabry-Perot-Interferometers
erfüllt.
-
Fig. 3b gibt die externe Beschaltung wieder. RV erzeugt einen Spannungsteiler.,
Rp ist der elektrische Widerstand des Festkörpers, der Regelwiderstand Re ermöglicht
die präzise Einstellung des Arbeitspunktes bzw. der kritischen Lichtintensitaten
CFig. 1a und 1b). Es gilt:
Ro stellt den Dunkelwiderstand des Festkörpers dar und i ist p der durch Lichtabsorption
erzeugte Photostrom; G (>0) ist eine bekannte Proportionalitätskonstante, die
in erster Näherung von der Spannung U unabhängig ist, A ist gemäß Gleichung (2a)
definiert (1-A>O) und I1 Fig.2) kennzeichnet die Lichtintensität im Festkörper.
Somit gilt für den Spannungsabfall am Festkörper
Der Spannungsabfall sinkt also mit zunehmender Lichtintensität.
-
Die an den Elektroden 2 und 3 anliegende Spannung verändert die optische
Brechzahl des Festkörpers und damit gemäß
die Phasenverschiebung t Fig. 4 zeigt die auf der Basis experimenteller Daten berechnete
Änderung von f als Funktion der Photonenenergie des Lichts E =4;, für die Spannungen
U = 100V, 200V, 300V und U = 400V für ein System nach Fig. 3a mit L = 0,1 mm bei
T # 300K.
-
Der Fig. 4 kann weiter entnommen werden, daß das beschriebe-C; ne
Bauelement für die angelegten Spannungen - die Berechnungsgrundlage für die maximale
Spannung wird unten skizziert -bis ca. 50 meV unterhalb der Bandkante einsetzbar
sind.
-
GaAs hat eine direkte Bandlücke bei EG = 1,415 eV für T 300 K 6)
Für Licht mit £w<EG ist der natürliche Absorptionskoeffizient von GaAs klein,
typischerweise K = 5...20 cm 1 6a) so daß dünne GaAs-Scheiben weitgehend transparent
sind.
-
Um eine nennenswerte Absorption in dem GaAs-Plättchen für tCEG zu
erreichen, wird die Elektroabsorption verwandt.
-
Fig. 5 zeigt die auf Grund der Elektroabsorption berechneten Werte
für (1-A) als Funktion der Photonenenergie, für die Spannungen U = 100V, 200V, 300V
und 400V als Kurvenparameter, für ein System nach Fig. 3a mit L = 0,1 mm bei T #
300 K.
-
Die maximal an ein GaAs-Plättchen anlegbare Spannung berechnet sich
aus der ohmschen Verlustleistung PV. Es gilt
ist das elektrische Feld im Festkörper, L ist die Dicke des Plättchens (Fig. 3a).
Mit 9 = 1 . 108 #.cm findet man als
Richtwert für die obere Grenze
der Feldstärke 01g.105 V/cm - dieser Wert liegt weit unterhalb der elektrischen
Durchschlagfeldstärke.
-
Ausführungsbeispiel 2 Die Figuren 6a und 6b zeigen ein Ausführungsbeispiel.
-
1 ist ein GaAs-Halbleiter mit schwacher Grunddotierung (hier n-Dotierung).
Durch Diffusion von Akzeptoren erzeugt man eine p-Insel 2 in dem n-Substrat 1. Wesentlich
ist hier, daß man die Dotierungen im Bereich der pn-Grenzfläche lateral auf einem
Gebiet mit dem Durchmesser D - D ist dann der Durchmesser des optisch nutzbaren
Gebietes - konstant hält.
-
Die Stirnflächen des Substrats 1 sind mit optischer Güte planparallel
poliert. 3 und 4 sind partielle Verspiegelungen.
-
Die optische Achse liegt senkrecht zur pn-Grenzfläche,.das elektrische
Feld und die optische Achse sind parallel.
-
Die pn-Grenzfläche erfüllt die Bedingungen für eine "gradedäunction
11-Sperrschicht 7) mit a als Gradient der Akzeptordichte im Gebiet der pn-Grenzfläche.
-
z ist die Raumkoordinate parallel zur optischen Achse mit z = O für
|Nq - N#| #0. Ist UD das Diffusionspotential und U die extern angelegte Sperrspannung,
dann gilt für das elektrische Feld in der Sperrschicht
Es - #0#γ (#γ # 12 in GaAs) ist die Dielektrizitätskonstante,
W ist die Breite der Verarmungszone und ist das Maximum der Feldstärke. Die Sperrspannung
U wird (für aus 1023 cm 4) durch den Avelanche-Effekt begrenzt
Fig. 7a zeigt die Änderung der Phasenverschiebung nach Gleichung (2b') für eine
graded-junction-Sperrschicht als Funktion der Photonenenergie E = ## unterhalb der
Bandlücke in GaAs (EG = 1,415 eV) mit a = 1018 cm 4, 1019 cm 4 und a = 1020 cm 4
als Kurvenparameter und U = 50% U3 bei T 300 K.
-
Fig. 7a kann auch entnommen werden, daß die Bauelemente bis ca. 125
meV unterhalb der Bandlücke einsetzbar sind. Das liegt an den sehr hohen mit Sperrschichten
erreichbaren Feldstärken, für die Sn = 5 104 ... 5 105 V/cm typisch ist, ohne daß
mit nennenswerten Wärmeverlusten zu rechnen ist.
-
Fig. 7b zeigt die Änderung der Phasenverschiebung AF nach Gleichung
(2b') als Funktion der Spannung (in % UB) mit der Photonenenergie E = 1,35 eV, 1,37
eV und E = 1,39 eV als Kurvenparameter für a = 1019 cm 4 bei T c 300 K.
-
Die Bauelemente nach Fig. 6a sollen vorzugsweise unterhalb der Bandlücke
eingesetzt werden. Das natürliche schwache Absorptionsvermögen der Halbleiter muß
dort durch die Elektroabsorption verstärkt werden.
-
Fig. 8a gibt die auf Grund der Elektroabsorption berechneten Werte
von (1-A) für eine graded-junction-Sperrschicht als Funktion der Photonenenergie
E = ## für a = 1018, 1019, 1020, 1021 cm-4 und U = 50% UB bei # 300 K wieder, und
Fig. 8b zeigt die Elektroabsorption (1-A) als Funktion der angelegten Spannung (in
ß UB) mit a = 1019 cm 4 und a = 1020 cm 4 und der Photonenenergie E = 1,35 eV, 1,37
eV und E = 1,39 eV als Kurvenparameter, ebenfalls bei T # 300 K.
-
Fig. 6b gibt die externe Beschaltung des Bauelementes wieder.
-
Die Diode D1 symbolisiere das optisch bistabile bzw. nichtlineare
Bauelement, mit dem Widerstand RV wird der Spannungsteiler erzeugt, der widerstand
Re ermöglicht die präzise Einstellung des Arbeitspunktes.
-
Der Sperrstrom der Diode beträgt
U ist die Sperrspannung an der Diode, io ist der Dunkel-Sperrstrom, i5 ist der Sättigungs-Sperrstrom
(im Dunkeln) und mit 1# ß # 2 ist ein empirischer Parameter. Da ## » h3 T . ß gilt,
ist io w i5 beinahe unabhängig von der angelegten Sperrspannung.
-
ip ist der durch Lichtabsorption erzeugte Photostrom, G' (>0)
p ist eine in erster Nährung von U unabhängige Proportionalitätskonstante, A ist
gemäß Gleichung (2a) definiert (Absorption und Elektroabsorption) und I1 kennzeichnet
die Lichtintensität im Halbleiter. Für die Sperrspannung U gilt dann
Man findet also,.daß die Sperrspannung und damit das elektrische Feld im Halbleiter
von der Lichtintensität im Halbleiter abhängt.
-
Literaturverzeichnis 1 ) A. Szöke, V. Daneu, J. Goldhar und N.A. Kurnit,
Appl. Phys. Lett. 15, 376 (1969) 2a ) R.Bonifacio und L A. Lugialo, Phys. Rev. A
18, 1129 (1978) 2b ) G.P. Agrawal und H.J. Carmichael, Phys. Rev. A 19, 2074 (1979)
3a ) siehe Zitat 1 3b ) H.M. Gibbs, S.L. McCall, T . N.C. Venkatssan, A.C.
-
Gossard, A. Passner und 12. Wiegmann, Appl. Phys. Lett. 35, 451 (1979)
3c ) D.A.B. Miller, S. des Smith und C.T. Seaton I:EEE QE17, 312 (1981) 3d ) H.M.
Gibbs, 5. L. Fall und D.N.C. Venkatesan, Phys. Rev. Lett. 36, 1135 (1976) 3e ) T.N.C.
Venkatesan und S.L. McCall, Appl. Phys. Lett. 30, 282 (1977) 4 ) Bermann, Schaefer,
Lehrbuch der Experimentalphysik IV, 1 (Walter de Gruyter, 1981) 5 ) J.I. Pankove,
Optical Processes in Semiconductors (Dover Publ. 1971) 6a ) M.D. Sturge, Phys. Rev.
127, 768 (1962) 6b ) B.O. Seraphin und N. Bottka, Phys. Rev. 139, A560 (1965) 7
) S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (John Wileg & Sons 1969)
Leerseite