DE3787726T2

DE3787726T2 - Nipi brechungsindex-modulationsvorrichtung und -verfahren.

Info

Publication number: DE3787726T2
Application number: DE88900911T
Authority: DE
Inventors: Uzi Efron; Joel Schulman
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1987-01-27
Filing date: 1987-12-14
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2007-12-15
Also published as: US4784476A; EP0299998A1; EP0299998B1; JPH01502617A; DE3787726D1; WO1988005555A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Brechungsindex-Modulator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei besondere Betonung auf der Anwendung der Brechungsindex-Modulation für eine räumliche Phasenmodulation und andere Übertragungen von Information auf einen optischen Strahl liegt.
Es sind zahlreiche Verfahren verfügbar, bei denen ein optischer Strahl als informationstragendes Medium verwendet wird (der Begriff "optisch" ist in seiner breiten Bedeutung in der Weise zu verstehen, daß er sich sowohl auf sichtbares Licht als auch auf elektromagnetische Strahlung auf beiden Seiten des Spektrums des sichtbaren Lichts bezieht). Beispielsweise wird eine Änderung im Brechungsindex die Geschwindigkeit ändern, mit der Licht ein bestimmtes Medium durchdringt, und kann folglich dazu verwendet werden, eine Phasenverschiebung in der Lichtwellenfront herbeizuführen. Eine spannungsgesteuerte Phasenverschiebung von Licht ist bei vielen optoelektronischen Anwendungen von Bedeutung. Beispielsweise kann bei einem räumlichen Lichtmodulator eine spannungsgesteuerte Modulation des Brechungsindex dazu verwendet werden, eine konstruktive oder destruktive Interferenz in einem reflektierten optischen Strahl hervorzurufen, und zwar in Abhängigkeit von der spannungsgesteuerten Phasenverschiebung.
Eine gebräuchliche Form eines räumlichen Lichtmodulators ist ein Flüssigkristall-Lichtventil. Die der Lichtventil-Technologie zugrundeliegende Entwicklung und Theorie ist in Patentschriften wie der US-A-3,824,002 und der US-A- 4,019,807 erläutert. Die in diesen Vorrichtungen verwendeten Flüssigkristalle weisen jedoch Antwortzeiten in der Größenordnung von Millisekunden auf, wodurch sie für Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit in Verbindung mit Hochgeschwindigkeitsmaterialien wie GaAs ungeeignet sind. Eine eine höhere Geschwindigkeit aufweisende Modulationsvorrichtung wäre sehr wünschenswert für adaptive Optiken, Anwendungen der optischen Verarbeitung sowie für integrierte Optiken. Ein weiterer Typ eines derartigen räumlichen Lichtmodulators ist aus der US-A-4,619,501 bekannt.
Das Wellenleiter-Schalten und die Modulation in integrierten Optiken ist ein weiterer Bereich, bei dem ein Material mit einem variablen Brechungsindex verwendet werden kann, um Information an einen optischen Strahl anzulegen. Die optische Phasenverschiebung für Wellenleiter-Anwendungen wird hauptsächlich mittels LiNbO&sub3; als optisches Medium durchgeführt, jedoch ist dieses nicht leicht mit Hochgeschwindigkeits-GaAs zu integrieren.
Ein Typ einer Struktur, die für verschiedene optische Anwendungen entwickelt und vorgeschlagen wurde, ist ein "nipi"-Dotierungs-Übergitter. Diese Art von Vorrichtung wurde ursprünglich als eine feine Schichtung von n- und pdotierten Halbleiterschichten mit inneren ("intrinsischen") Zonen zwischen den Schichten vorgeschlagen (die Schichtfolge n-Innere-p-Innere wurde allgemein mit "nipi" abgekürzt). Untersuchungen haben ergeben, daß nipi-Strukturen exotische Eigenschaften aufweisen können, die sich dadurch zeigen, daß weder angehäufte Kristalle noch zusammengesetzte Übergitter vorliegen. Obgleich die experimentelle Arbeit und spätere theoretische Studien sich gewöhnlich mit Dotierungs-Strukturen beschäftigt haben, die keine inneren Bereiche enthalten, wird der Begriff "nipi" gewöhnlich so verstanden, daß er sich auf die gesamte Klasse von Dotierungs-Übergittern bezieht, und zwar mit oder ohne innere Regionen.
Die ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften von nipi-Strukturen sind auf die unterschiedliche Natur des Übergitter-Potentials und insbesondere auf das Raumladungspotential der ionisierten Verunreinigungen in den Dotierungsschichten zurückzuführen. Dies ist anders als bei zusammengesetzten Übergittern, die aus abwechselnden Schichten verschiedener Materialien oder Zusammensetzungen bestehen, bei denen das Übergitter-Potential auf die unterschiedlichen Bandabstand-Werte ihrer Komponenten zurückzuführen ist. Das Raumladungs-Potential in dem nipi-Dotierungs-Übergitter moduliert die Bandkanten des Grundmaterials derart, daß Elektronen und Löcher räumlich getrennt werden. Diese Trennung kann durch geeignete Dotierungs-Konzentrationen und Schichtdicken optimiert werden. Als eine Folge der starken räumlichen Trennung können die Rekombinations-Lebensdauern der Überschußträger um mehrere Größenordnungen größer als diejenigen im Grundmaterial sein. Große Überschußträger- Konzentrationen können leicht erzielt werden, entweder durch relativ schwache optische Erregung oder durch geringe Injektionsströme. Die räumliche Trennung zwischen ionisierten Donatoren und Akzeptoren führt zu einem alternierenden bzw. Wechsel-Raumladungspotential. Mit zunehmender Trägerkonzentration nimmt sowohl die Anzahl der ionisierten Donatoren und Akzeptoren als auch die Amplitude des Übergitter- Potentials ab, während gleichzeitig der effektive Bandabstand zunimmt. Dieser Abstimmbarkeit des Bandabstands ist eine Abstimmbarkeit der Rekombinations-Lebensdauer zugeordnet, was zu einer Verringerung der Tunnellung oder der thermischen Barrieren für die Rekombination beiträgt.
Die Abstimmbarkeit der Trägerkonzentration, des Bandabstands und der Lebens dauern führt vermutlich zu einer Erhöhung einer Abstimmbarkeit der Elektronen- und Löcher-Leitfähigkeit, der Spektren für die Leuchtdichte, die stimulierte Emission und Absorption und des Brechungsindex.
Eine grundlegende Diskussion der nipi-Struktur findet sich in einem Artikel von Klaus Ploog und Gottfried H. Dohler, "Compositional and Doping Superlattices in III-V Semiconductors", Advances in Physics, Band 32, Nr. 3, 1983, Seiten 285 bis 359. Dieser Artikel enthält eine allgemeine Diskussion von nipi-Strukturen sowie über die räumliche Steuerung der optischen Absorption durch ein an die nipi- Struktur angelegtes Spannungsmuster. Andere Anwendungen, wie zum Beispiel bei Photoleitern, Photodioden, ultraschnellen Photodetektoren, Lichtsendevorrichtungen und optischen Absorptions-Modulatoren, sind in einem Artikel von Dohler, "The Potential of n-i-p-i Doping Superlattices for Novel Semiconductor Devices", Superlattices and Microstructures, Band 1, Nr. 3, 1985, Seiten 279 bis 287 beschrieben. In diesem Artikel ist weiterhin erwähnt, daß es möglich ist, die elektronischen Eigenschaften einer nipi- Struktur durch Erhöhung der Trägerdichte mittels einer externen Spannung zu modulieren; diese externe Spannung wird mittels zweier Elektroden angelegt, die sich durch die nipi-Struktur erstrecken und lediglich einen Typ der Dotierungsschicht kontaktieren. Diese Elektroden werden jedoch nicht als Kontakteinrichtung verwendet, um die nipi-Struktur optisch zu modulieren.
Ein optischer Brechungsindex-Modulator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus einem weiteren Artikel von G.H. Döhler in "Optical Engineering", Band 25, Nr. 2, Seiten 211 bis 218, beschrieben, der mit "Light Generation, Modulation and Amplification by n-i-p-i Doping Superlattices" betitelt ist. Der dort offenbarte optische Brechungsindex-Modulator weist eine nipi-Struktur auf, die aus Halbleiterschichten besteht, die abwechselnd n und p dotiert sind; weiterhin sind eine erste und zweite Kontakteinrichtung (linke und rechte Elektroden in Fig. 3a, obere und untere Elektroden in Fig. 3b dieses Artikels) zum Herbeiführen eines ohm'schen Kontakts mit den vorstehend erwähnten Halbleiterschichten vorgesehen. Aufgrund dieser Konstruktion ist es möglich, eine Einrichtung zum Anlegen einer Differenzspannung zwischen der ersten und zweiten Kontakteinrichtung (Elektroden) vorzusehen, um den Brechungsindex der nipi-Struktur zu modulieren.
Ein Nachteil dieses bekannten Modulators liegt jedoch darin, daß es mit der in Fig. 3b gezeigten Elektrodenstruktur ziemlich schwierig ist, eine Modulation herbeizuführen, die es ermöglicht, bestimmte kleine Bereiche der nipi- Struktur individuell zu steuern. Obgleich die in Fig. 3c gezeigte Struktur in der Weise modifiziert werden könnte, daß sie eine Vielzahl von oberen und unteren Elektroden enthält, wie dies in der WO 86/05598 beschrieben ist, hat es sich herausgestellt, daß die Modulation individueller Bildelemente mittels einer derartigen Elektrodenstruktur nicht genügend effektiv ist; dieser bekannte Modulator hat daher nur verhältnismäßig schwache Fähigkeiten zur Bildelement- Modulation.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen optischen Brechungsindex-Modulator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß individuelle Bildelement-Bereiche von ihm leicht und effektiv moduliert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen vorteilhaften Maßnahmen gelöst.
Erfindungsgemäß sind demzufolge eine erste Kontakteinrichtung in Form eines leitenden Gitters, das sich durch die nipi-Struktur erstreckt, die nipi-Struktur in eine räumliche Anordnung bzw. Matrix von Bildelement-Abschnitten unterteilt und einen ohm'schen Kontakt ausschließlich mit den Schichten einer Dotierungspolarität herbeiführt, und eine zweite Kontakteinrichtung vorgesehen, die aus diskreten Kontaktelementen besteht, wobei sich jedes Kontaktelement durch die Struktur hindurch innerhalb der Grenzen eines jeweiligen Bildelement-Abschnitts erstreckt und einen ohm'schen Kontakt ausschließlich mit den Schichten entgegengesetzter Dotierungspolarität herbeiführt. Dieser Aufbau der Elektroden ermöglicht eine sehr effektive und leichte Modulation individueller Bildelement-Abschnitte.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert, in denen
Fig. 1 eine geschnittene perspektivische Ansicht einer nipi-Struktur ist, die zur Verwendung in einem optischen Raumphasen-Modulator gemäß der Erfindung geeignet ist;
Fig. 2 eine Teil-Querschnittsansicht einer elektrischen Kontaktanordnung für die Struktur der Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Raumphasen-Modulators ist;
Fig. 4 ein Diagramm ist, das die Bandabstand-Energien der nipi-Struktur erläutert;
Fig. 5 ein Diagramm ist, das das gewünschte Energieverhältnis zwischen der nipi-Struktur und einem Eingangs-Laserstrahl für den Raumphasen-Modulator der Fig. 3 darstellt;
Fig. 6 ein vereinfachtes Diagramm eines phasenmodulierten Wellenleitersystems ist, bei dem die Erfindung angewendet wird;
Fig. 7 ein vereinfachtes Diagramm eines amplitudenmodulierten Wellenleitersystems ist, bei dem die Erfindung angewendet wird; und
Fig. 8 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines amplitudenmodulierten Wellenleitersystems ist, bei dem die Erfindung angewendet wird.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine nipi-Struktur als einen neuartigen Brechungsindex-Modulationsmechanismus sowohl für eine räumliche Lichtmodulation als auch für Wellenleiter-Anwendungen. Ein Gesichtspunkt der Erfindung ist eine elektrische Speiseanordnung, die es ermöglicht, auf abwechselnde Schichten der nipi-Struktur mittels eines externen elektrischen Signals zuzugreifen, wodurch eine gemeinsame Spannungsdifferenz lokal zwischen benachbarten Paaren von n- und p-Schichten jedes Bildelements herbeigeführt werden kann. Obgleich die Erfindung hier in Verbindung mit Ausführungsbeispielen beschrieben wird, in denen die nipi-Strukturen nur n- und p-Schichten aufweisen, ist die Erfindung gleichwohl auch für solche nipi-Strukturen anwendbar, die innere (intrinsische) Schichten zwischen den n- und p-Schichten aufweisen.
In Fig. 1 ist eine vereinfachte perspektivische Schnittansicht einer nipi-Struktur gezeigt, die speziell zur Anwendung in einem räumlichen Lichtmodulator eingerichtet worden ist. Die nipi-Struktur ist mit zwei n-Schichten 2 und 4 dargestellt, die sich mit zwei p-Schichten 6 und 8 abwechseln. In der Praxis wird eine typische nipi-Struktur tatsächlich eine Gesamtzahl von ungefähr 200 Schichten aufweisen, wobei für jede Dotierungspolarität 100 Schichten vorgesehen sind. Die Dicke der individuellen Schichten würde typischerweise im Bereich von ungefähr 30 bis 300 Angström liegen, mit einem Dotierungsgrad im Bereich von 10¹&sup7; bis 10¹&sup9; Ionen/cc. Vorzugsweise haben alle n- und p- Schichten die gleiche Dicke und den gleichen Dotierungsgrad; falls die Schichten in ihrer Dicke nicht gleich sind, sollten ihre Dotierungsgrade umgekehrt zu ihrer jeweiligen Dicke derart eingestellt werden, daß alle Schichten die gleiche Gesamtdotierung aufweisen. Ein Überschuß von Löchern oder Elektronen innerhalb der Gesamt-nipi-Struktur verschlechtert tendentiell ihre Leistung. Vorliegend wird kein Erfindungsanspruch auf die Grund-nipi-Struktur gemacht, obgleich ihre Verwendung zum räumlichen Modulieren des Brechungsindex und die Art und Weise, in der auf sie elektrisch zugegriffen wird, wichtige Teile der Erfindung bilden.
Die nipi-Struktur ist in eine Matrix von Bildelementen 10 aufgeteilt, die sich durch den gesamten Satz von n- und p-Schichten hindurch nach unten erstrecken. Die Bildelemente können gebildet werden, indem die Vielschicht-nipi- Struktur auf einem Substrat hergestellt, ein Gitter von Kanälen 12, die jedes Bildelement umgebende quadratische Ringe definieren und bilden, weggeätzt und indem ein kontaktierendes Metall auf die Kanäle aufgedampft wird, um den Rand jeder Schicht innerhalb jedes Bildelements zu kontaktieren. Obgleich lediglich neun Bildelemente gezeigt sind, würde in der Praxis eine wesentlich höhere Konzentration von Bildelementen ausgebildet werden. Jedes Bildelement würde typischerweise quadratisch sein und auf jeder Seite ungefähr 20 um lang sein.
Innerhalb jedes Bildelements wird mittels eines Metalldrahts 14, der sich durch die verschiedenen nipi-Schichten hindurch nach unten erstreckt, ein separater Kontakt zu jeder der darunterliegenden nipi-Schichten herbeigeführt. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist der Draht 14 ungefähr 5 um breit und macht einen physikalischen Kontakt mit jeder der Schichten.
Die für das Gitter 12 und die Drähte 14 verwendeten Materialien werden derart gewählt, daß, obgleich diese Elemente jede der n- und p-Schichten physikalisch kontaktieren, das Gitter einen ohm'schen (leitenden) elektrischen Kontakt ausschließlich mit den Schichten einer Polarität aufbaut und einen elektrisch blockierenden bzw. nicht leitenden Kontakt mit den Schichten der entgegengesetzten Polarität aufweist. Andererseits führen die Drähte 14 ohm'sche Kontakte mit denjenigen Schichten, die blockierende Kontakte mit dem Gitter aufweisen, und blockierende Kontakte mit denjenigen Schichten herbei, die ohm'sche Kontakte mit dem Gitter aufweisen. Auf diese Weise wird ein elektrisches Signal auf den Drähten 14 ausschließlich an die Schichten einer Polarität angelegt, während ein elektrisches Signal auf dem Gitter 12 nur an die Schichten der entgegengesetzten Polarität angelegt wird. Ein Beispiel eines leitenden Materials, das einen ohm'schen Kontakt mit den n-dotierten Schichten und einen blockierenden Kontakt mit den p-dotierten Schichten herbeiführt, ist Zinn. Diese Eigenschaft von Zinn ist in dem vorstehend erwähnten, 1983 in der Zeitschrift Advances in Physics erschienenen Artikel von Ploog und Dohler erwähnt. Ein Beispiel eines Materials, das einen ohm'schen Kontakt mit den p-dotierten Schichten und einen blockierenden Kontakt mit den n-dotierten Schichten herbeiführt, ist eine Zink/Zinn-Legierung, wie sie in dem mit "Simultaneous Modulation of Electron and Hole Conductivity in a New Periodic GaAs Doping Multilayer Structure" betitelten, in Applied Physics Letter, Band 38, 1981, Seite 870 erschienenen Artikel von Ploog et al. beschrieben ist.
Während das Gitter 12 und die Drähte 14 jede der n- und p-Schichten physikalisch kontaktieren, ist das Gitter lediglich mit den Schichten einer Polarität in einem wirksamen elektrischen Kontakt und die Drähte sind lediglich mit den Schichten der entgegengesetzten Polarität in einem wirksamen elektrischen Kontakt. Dies ermöglicht es, zwischen jedem aufeinanderfolgenden Paar von n- und p-Schichten in jedem Bildelement eine gemeinsame Spannungsdifferenz herbeizuführen. Es wurde gefunden, daß ein derartiges Spannungsmuster Ladung injiziert, die den Brechungsindex der nipi-Struktur für optische Übertragungen sowohl parallel als auch transversal zu den nipi-Schichten ändert. Die Änderung im Brechungsindex erfolgt in Übereinstimmung mit dem Ausmaß der Spannungsdifferenz, wodurch die räumliche Modulation eines optischen Strahls im Ansprechen auf Änderungen des Brechungsindex in der nipi-Struktur ermöglicht wird; diese Änderungen werden wiederum durch das Muster eines angelegten Spannungssignals gesteuert. Die innerhalb des Spannungssignals enthaltene Information wird dadurch in eine optische Modulation des ausgelesenen Strahls umgesetzt.
Die nipi-Struktur kann daher dazu verwendet werden, eine effiziente, sehr schnelle Modulation mit Spannungspegeln herbeizuführen, die mit Hochgeschwindigkeits-Halbleitervorrichtungen kompatibel sind.
Fig. 3 zeigt in vereinfachter Form einen optischen Raumphasen-Modulator bzw. räumlichen Phasenmodulator, der die Phase eines Auslesestrahls 16 in Übereinstimmung mit dem räumlichen Intensitätsmuster eines optischen Eingangsstrahls 18 moduliert. Der Eingangsstrahl 18 wird auf eine transparente Elektrode 20 gerichtet, die vorzugsweise aus Indium-Zinn-Oxid gebildet ist. Die Elektrode 20 ist auf der einen Fläche einer Schicht eines Photoleitermaterials 22 wie zum Beispiel GaAs oder Silizium ausgebildet. In ausgewählten Bereichen des Photoleiters wird eine starke Dotierung verwendet, um ein Avanlanchegebiet 24 zu schaffen, das ein Verstärkerelement hinzufügt; andernfalls könnte für einen sicheren Betrieb ein sehr hoher Pegel der Eingangsstrahlung erforderlich sein. Die Avalanche-Verstärkung ist in "Physics of Semiconductor Devices", Wiley Interscience, Ausgabe 1981, Seiten 766 bis 783 von S.M. Sze beschrieben.
Auf der bezogen auf die Elektrode 20 gegenüberliegenden Seite des Photoleiters ist eine Matrix aus Metall-Anschlußflächen 26 ausgebildet. Die Anschlußflächen 26 haben das gleiche Muster und sind mit entsprechenden Bildelementen einer nipi-Struktur 28 ausgerichtet, die den in Fig. 1 gezeigten Aufbau hat. Entsprechende leitende Anschlußflächen 30 sind über dem Großteil des Oberflächenbereichs für jedes Bildelement auf der nipi-Struktur 28 vorgesehen und sind in Kontakt mit jeweiligen Bildelement-Drähten 14, jedoch getrennt vom Gitter 12. Metallische Kontakte 30 sind auf die nipi-Struktur aufgedampft und sind wesentlich größer in ihrer Fläche als ihre entsprechenden Drähte 14.
Mittels metallischer Vorsprünge 32, die vorzugsweise aus Indium bestehen, auf den Photoleiter-Anschlußflächen 16 ausgebildet sind und die nipi-Anschlußflächen 30 kontaktieren, um in die Drähte 14 Strom zu schicken, wird zwischen dem Photoleiter und der nipi-Struktur ein elektrischer Kontakt herbeigeführt. Die metallischen Photoleiter-Anschlußflächen 26 bilden Schottky-Kontakte mit den Halbleiter-Vorsprüngen 32.
Über die transparente Elektrode 20 und die gegenüberliegende Seite des Gitters 12 wird mittels einer Spannungsquelle 34, die auf der einen Seite an die Elektrode angeschlossen und auf ihrer anderen Seite mit einer Gitter-Kontaktplatte 36 verbunden ist, eine Spannung angelegt. Die Spannungsquelle 34 darf eine Gleichspannung von bis zu 5 Volt liefern. Am oberen Ende der Gleichspannung kann eine Wechselstrom-Welligkeit wünschenswert sein, um eine Verschlechterung der Materialien zu vermeiden. Der Photoleiter 22 arbeitet als Belichtungs-Intensitäts/Spannungs-Wandler, um ein räumliches Spannungsmuster für die nipi-Struktur zu liefern. Die Leitfähigkeit des Photoleiters 22 an irgendeinem Bildelement-Ort ändert sich proportional zur Intensität des optischen Eingangsstrahls für dieses Bildelement. Für Bildelemente mit einer geringen Eingangsintensität wird der Hauptteil der Spannungsdifferenz zwischen der Elektrode 20 und der Gitter-Kontaktplatte 36 für dieses Bildelement über dem Photoleiter aufgebaut, wobei über der nipi-Struktur des gleichen Bildelements eine wesentlich kleinere Spannung vorliegt. Mit zunehmender optischer Eingangsintensität nimmt die Leitfähigkeit des Photoleiters ebenfalls zu und überträgt einen Teil der Spannungsdifferenz vom Photoleiter zur nipi-Struktur. Der Photoleiter und die nipi-Struktur bilden daher für jedes Bildelement einen Spannungsteiler, der die Gesamt-Spannungsdifferenz in Übereinstimmung mit der Eingangsbelichtung zuordnet.
Während der Brechungsindex eines homogenen Halbleiters gewöhnlich gleich ist, und zwar unabhängig davon, ob der Halbleiter dotiert ist oder nicht, ist der Brechungsindex einer nipi-Struktur, wie dies bereits vorstehend erwähnt wurde, deutlich unterschiedlich zu dem des gleichen Materials in homogener Form. Siehe hierzu den Artikel "Low Power Non-Linear Optical Phenomena in Doping Superlattices", 17th International Conference on the Physics of Semiconductors, Springer-Verlag 1984, Seite 535 von P.P. Ruden und G.H. Dohler. In Übereinstimmung mit der Lehre der Erfindung wird der Brechungsindex der nipi-Struktur Bildelement für Bildelement räumlich moduliert, indem eine Vorwärts-Vorspannung über den p-n-nipi-Schichtübergängen moduliert wird. Der Brechungsindex der nipi-Struktur ändert sich mit zunehmender Vorwärts-Vorspannung und nähert sich demjenigen eines gleichförmigen Materials, wenn der Vorspannungspegel zunimmt. Daher wird der Brechungsindex jedes Bildelements innerhalb der nipi-Struktur in Übereinstimmung mit der Vorspannung über diesem Bildelement moduliert, welche wiederum eine Funktion der optischen Eingangsintensität am entsprechenden Bildelement im Photoleiter ist.
Dem Auslesestrahl 16, der durch die nipi-Struktur gewöhnlich quer zu den nipi-Schichten geschickt und dann durch die Struktur zurückreflektiert wird, wird daher eine räumliche Phasenmodulation eingeprägt. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Auslesestrahl gewöhnlich den gesamten Querschnitt der nipi-Struktur umfaßt. Ladung wird durch die Halbleiter-Vorsprünge 32 und die nipi-Anschlußflächen 30 hindurch zu den Drähten 14 injiziert, was bewirkt, daß zwischen den nipi-Schichten, die durch die Drähte ohmisch kontaktiert sind, und den durch die Gitter-Struktur elektrisch kontaktierten Schichten eine Vorspannung auftritt. Das Gitter wird vorzugsweise auf einem festen Bezugspotential gehalten, das Massepotential sein kann. Änderungen im Vorspannungspotential modulieren die Raumladung und den effektiven Bandabstand der einzelnen Bildelemente, wodurch die gewünschte räumliche Änderung im Brechungsindex des nipi- Arrays hervorgerufen wird.
Zusätzlich dazu, daß sie eine Schnittstelle zwischen der nipi-Struktur und der Photoleiter-Anordnung schaffen, reflektieren die nipi-Kontaktflächen 30 den Auslesestrahl zurück durch die nipi-Struktur. Der Strahl wird von denjenigen Oberflächen der Anschlußflächen reflektiert, die zum nipi-Array hin gerichtet sind. Aufgrund dessen besteht kein Bedarf nach einem separaten Spiegel auf der Oberfläche der nipi-Struktur. Falls es sich bei dem Photoleitermaterial um GaAs handelt und die Wellenlänge des Auslesestrahls größer als die charakteristische Photoleiter-Wellenlänge ist, wird das GaAs durch den Streuverlust des Auslesestrahls zwischen den nipi-Kontaktflächen nicht erregt.
Während der räumliche Phasenmodulator der Fig. 3 im Ansprechen auf das Intensitätsprofil eines optischen Eingangsstrahls arbeitet, könnten andere informationstragende Medien verwendet und zum gewünschten räumlichen Spannungsmuster zum Anlegen an die nipi-Vorrichtung umgesetzt werden. Daher ist dieser Gesichtspunkt der Erfindung nicht auf ein optisches Eingangssignal beschränkt, sondern kann vielmehr mit anderen Eingangsanordnungen zum Erzeugen eines räumlichen Spannungsmusters funktionieren. Dies würde Elektronenstrahlvorrichtungen und Ladungskopplungsvorrichtungs- (CCD-) Arrays umfassen.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf Fig. 4 die Energiepegel der jeweiligen nipi-Schichten 2, 4, 6 und 8 erläutert. Die Energiepegel der Leitungs- und Valenz-Bänder für das nipi-Material sind durch Linien 40 bzw. 42 angegeben. Die charakteristische Bandabstand-Energie für das Material ist als Eg angegeben. Die Wirkung der abwechselnden nipi- Struktur auf die Leitungs- und Valenz-Energien ist durch schwingende Linien 44 bzw. 46 angedeutet. Es ist ersichtlich, daß der Energiepegel in den n-Typ-Schichten zunimmt und in den p-Typ-Schichten abnimmt. Als Folge davon ist der effektive Bandabstand der nipi-Struktur (Egeff), der gleich der Differenz zwischen den minimalen Leitungs- und maximalen Valenz-Energiepegeln ist, kleiner als Eg. Für GaAs ist Eg ungefähr 1.42 eV, während Egeff von 0 bis 1.42 eV schwanken kann. Das Anlegen einer Vorwärts-Vorspannung an die p/n-Schichten gemäß vorstehender Beschreibung verringert die Änderungen in den Leitungs- und Valenz-Energiepegeln und erhöht dadurch Egeff.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die gewünschten, jedoch nicht wesentlichen Energie-Beziehungen zwischen einem Auslese-Laserstrahl, Egeff ohne Vorwärts-Vorspannung, der nipi-Bandabstand-Energie mit Vorwärts-Vorspannung (Egfb) und der Bandabstand-Energie Eg des homogenen nipi-Materials darstellt. Wenn die Laser-Energie kleiner als Egeff und Egfb ist, wird der Auslese-Laserstrahl in der nipi-Struktur weder während der Vorwärts- noch während der Null-Vorspannungszustände absorbiert. Für eine GaAs-nipi-Struktur mit Egeff = 1.40eV ist eine geeignete Laser-Energie 1.39 eV.
Anwendungen der Erfindung liegen auch auf dem Gebiet des Wellenleiter-Schaltens und -Modulierens. Ein phasenmoduliertes Wellenleiter- bzw. Hohlleiter-System ist in Fig. 6 dargestellt. Bei diesem System wird eine dem vorangehenden Ausführungsbeispiel ähnliche nipi-Struktur 48 verwendet, jedoch erstrecken sich, anstelle sie in Bildelemente zu unterteilen, zwei oder mehr beabstandete Drähte 50 und 52 hinab durch die nipi-Schichten. Der Draht 50 stellt ohm'sche Kontakte zu den n-dotierten Schichten und blockierende Kontakte zu den p-dotierten Schichten her, während der Draht 52 ohm'sche Kontakte zu den p-dotierten Schichten und blockierende Kontakte zu den n-dotierten Schichten herstellt. Eine Spannungsquelle 54 legt eine Spannung über die zwei Drähte an, wobei sich die Spannung in Übereinstimmung mit der zu übertragenden Information ändert. Während die Eingangs-Information im vorangehenden Ausführungsbeispiel in dem räumlichen Intensitätsmuster des Eingangsstrahls enthalten war, ist die Eingangs-Information im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 daher in der Modulation durch die Spannungsquelle 54 enthalten.
Ein optischer Eingangsstrahl 56 wird durch ein Polarisationselement 58 gelenkt, das parallel zu einer Symmetrieachse für die nipi-Struktur polarisiert ist. Diese Polarisations-Orientierung verhindert, daß sich die Polarisation des Strahls trotz der Differenz im Brechungsindex dreht, während dieser durch die nipi-Struktur verläuft. Da Laserstrahlen gewöhnlich von Anfang an polarisiert sind, repräsentiert der Polarisator 58 die vorhandene Strahl-Polarisation. Der polarisierte Strahl wird in die Kante der nipi- Struktur gerichtet, und zwar gewöhnlich parallel zu den nipi-Schichten. Änderungen in der durch die Quelle 54 angelegten Spannung erzeugen entsprechende Änderungen im Brechungsindex der nipi-Struktur. Dies wiederum ändert die Geschwindigkeit, mit der der eingegebene Strahl durch die nipi-Struktur fortschreitet, und wird daher auf den Strahl als eine Phasenmodulation übertragen. Der aus der nipi- Struktur ausgegebene Strahl 60 weist daher eine Phasenmodulation auf, die der Spannungsmodulation aus der Quelle 54 entspricht. Diese Modulation wird mittels eines polarisationsabhängigen bzw. -empfindlichen Phasendetektors 52 erfaßt. Obgleich dies nicht gezeigt ist, sei darauf hingewiesen, daß die nipi-Struktur 48 und die Leitungskanäle für den Strahl innerhalb einer Wellenleiter-Umhüllung enthalten sein könnten.
Eine weitere Form eines Wellenleiter-Systems ist in Fig. 7 gezeigt. Dieses System prägt einem Eingangsstrahl 64 im Ansprechen auf ein modulierendes Signal aus einer Spannungsquelle 54 anstelle einer Phasenmodulation eine Amplitudenmodulation ein. Es wird die gleiche nipi-Struktur 48 wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel verwendet, wobei die gleichen Anschlüsse an die Quelle 54 vorgesehen sind. Der Eingangsstrahl wird durch einen Polarisator 66 geschickt, der unter einem Winkel zur Symmetrieachse der nipi-Struktur ausgerichtet ist. Aufgrund des anisotropischen Brechungsindex in der nipi-Struktur wird die Polarisation des Ausgangsstrahls gegenüber der des Eingangsstrahls gedreht. Der Ausgangsstrahl wird durch einen zweiten Polarisator 68 geschickt, der gegenüber dem Eingangspolarisator gekreuzt ist.
Der Ausgangsstrahl weist gewöhnlich Polarisationskomponenten auf, die parallel sowohl zum Eingangspolarisator 66 als auch zum Ausgangspolarisator 68 verlaufen. Die relative Größe der parallel zum Ausgangspolarisator 68 verlaufenden Polarisationskomponente ändert sich um den Winkel, um den die Polarisation des Eingangsstrahls gedreht wurde, was eine Funktion des anisotropischen Brechungsindex der nipi- Struktur ist, was wiederum eine Funktion der modulierenden Spannung aus der Quelle 54 ist. Die durch den Ausgangspolarisator hindurchgelassene Lichtmenge im Ausgangsstrahl 70 gibt daher die an die nipi-Struktur angelegte Spannungsmodulation wieder. Dies kann mittels eines optischen Intensitätsdetektors 72 erfaßt werden.
Eine dritte Wellenleiter-Anwendung ist in Fig. 8 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel modifiziert eine herkömmliche optische Übertragungstechnik, bei der ein Übertragungsmedium von einem Material umgeben ist, das einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweist und dadurch verhindert, daß Licht aus dem Übertragungsmedium austritt. Als Übertragungsmedium kann GaAs und für das umgebende Material kann AlGaAs verwendet werden. In Übereinstimmung mit der Erfindung werden entlang gegenüberliegenden Seiten des Übertragungsmediums 78 nipi-Strukturen 74 und 76 ausgebildet. Die nipi-Strukturen können auf ihren anderen Seiten durch Schichten 80 und 82 eines Materials begrenzt sein, dessen Brechungsindex sich von dem des optischen Übertragungsmediums 78 unterscheidet. Eine modulierende Spannungsquelle 54 ist gemeinsam an n- und p-verbundene Drähte der beiden nipi-Strukturen angeschlossen, so daß sich ihre Brechungsindices in gleicher Weise mit der Spannungsmodulation ändern.
Ein Eingangsstrahl 84 wird zwischen den beiden nipi- Strukturen durch das Medium 78 übertragen. Wenn die über die Quelle 54 angelegte Spannung geändert wird, werden sich die Brechungsindices der beiden nipi-Strukturen in Abhängigkeit von der Richtung der Spannungsänderung entweder dem Brechungsindex des Übertragungsmediums 78 annähern oder von diesem fortbewegen. Wenn sich der Brechungsindex der nipi- Strukturen demjenigen des Übertragungsmediums 78 annähert, wird aufgrund des geringen Unterschieds im Brechungsindex nur solches Licht in das Übertragungsmedium zurückreflektiert, das die Schnittstelle zwischen dem Übertragungsmedium und den nipi-Strukturen unter einem sehr flachen Winkel streift. Bei diesem geringen Unterschied bewegt sich dasjenige Licht aus dem Übertragungsmedium, das die Schnittstelle unter einem größeren Winkel streift, weiterhin in die nipi-Strukturen hinein und geht aus dem Strahl innerhalb des Übertragungsmediums verloren. Wenn sich die Spannung aus der Quelle 54 ändert, um die Brechungsindices der nipi-Struktur weiter von dem des Übertragungsmediums 78 wegzubewegen, wird der kritische Winkel für das Zurückreflektieren in das Übertragungsmedium vergrößert und es wird mehr Licht im Originalstrahl innerhalb des Übertragungsmediums zurückgehalten. Die im Signal aus der Spannungsquelle 54 enthaltene Information wird daher auf den Strahl als eine Intensitätsmodulation übertragen. Der Ausgangsstrahl 86, der das Übertragungsmedium verläßt, wird einem optischen Intensitätsdetektor 88 zugeführt, der die Intensitätsmodulation erfaßt.
Verschiedene Anwendungen für die Modulation des Brechungsindex einer nipi-Struktur wurden vorstehend gezeigt und beschrieben. Da zahlreiche Änderungen und zusätzliche Anwendungen für Fachleute ersichtlich sind, ist beabsichtigt, daß die Erfindung nur im Umfang der Ansprüche beschränkt ist.

Claims

1. Optischer Brechungsindex-Modulator, mit:

[a] einer nipi-Struktur (28), die aus Halbleiterschichten (2,6,4,8) besteht, die abwechselnd n und p dotiert sind;

[b] einer ersten Kontakteinrichtung (12) zum Herbeiführen eines ohm'schen Kontakts ausschließlich mit den Schichten der einen Dotierungspolarität (n oder p) und einer zweiten Kontakteinrichtung (14) zum Herbeiführen eines ohm'schen Kontakts ausschließlich mit den Schichten der entgegengesetzten Dotierungspolarität (p oder n);

[c] und einer Einrichtung (20,22,24,26,34) zum Anlegen einer Differenzspannung zwischen die erste und zweite Kontakteinrichtung (12,14) zum Modulieren des Brechungsindex der Nipi- Struktur (28); dadurch gekennzeichnet, daß

[b1] die erste Kontakteinrichtung ein leitendes Gitter (12) ist, das sich durch die nipi-Struktur (28) erstreckt und die nipi-Struktur (28) in eine räumliche Matrix von Bildelement- Abschnitten (10) unterteilt; und daß

[b2] die zweite Kontakteinrichtung aus diskreten Kontaktelementen (14) besteht, wobei sich jedes Kontaktelement (14) innerhalb der Grenzen eines jeweiligen Bildelement-Abschnitts (10) durch die nipi-Struktur (26) hindurch erstreckt.

2. Optischer Brechungsindex-Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungszufuhreinrichtung (20,22,24,26,34) dazu eingerichtet ist, an das leitende Gitter (12) ein gemeinsames Potential und an jedes der diskreten Kontaktelemente (14) unterschiedliche Potentiale anzulegen, um ein räumlich moduliertes Spannungsmuster zu erzeugen.

3. Optischer Brechungsindex-Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Potential ein Massepotential ist.

4. Optischer Brechungsindex-Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die diskreten Kontaktelemente (14) aus Drähten gebildet sind.

5. Optischer Brechungsindex-Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Gitter (12) und die diskreten Kontaktelemente (14) Zinn enthalten.

6. Optischer Raumphasen-Modulator, mit:

[a] einem optischen Brechungsindex-Modulator (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; und

[b] einer Einrichtung (20,22,24,26) zum Erzeugen eines räumlichen Spannungsmusters; wobei

[c] die Spannungszufuhreinrichtung (34) des optischen Brechungsindex-Modulators (28) das räumliche Spannungsmuster an die Bildelementabschnitte (10) anlegt.

7. Optischer Raumphasen-Modulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20,22,24,26) zum Erzeugen eines räumlichen Spannungsmusters eine Schicht (22) aus photoleitfähigem Material aufweist, die zu der nipi-Struktur des optischen Brechungsindex-Modulators (28) ausgerichtet ist und zum Empfang eines auftreffenden optischen Strahls mit einem räumlichen Muster eingerichtet ist.

8. Optischer Raumphasen-Modulator nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (26,30,32) zum elektrischen Verbinden räumlich getrennter Abschnitte der Schicht (22) aus photoleitfähigem Material mit ausgerichteten Kontaktelementen (14) der nipi-Struktur.

9. Optischer Raumphasen-Modulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch verbindende Einrichtung (26,30,32) für jedes Kontaktelement (14) eine Kontakt-Anschlußfläche (30) enthält, die in der Lage ist, ein Spannungssignal aus einem jeweiligen Abschnitt der Schicht (22) aus photoleitfähigem Material auf der einen Oberfläche zu empfangen und einen an die nipi-Struktur angelegten Auslesestrahl mittels ihrer anderen Oberfläche zu reflektieren.

10. Optischer Raumphasen-Modulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch verbindende Einrichtung (26,30,32) weiterhin für jede Kontakt-Anschlußfläche (30) eine ausgerichtete metallische Anschlußfläche (26) an der der Schicht (22) aus photoleitfähigem Material benachbarten Seite und einen metallischen Vorsprung (32) aus der ausgerichteten metallischen Anschlußfläche (26) aufweist, der eine entsprechende Kontakt-Anschlußfläche (30) kontaktiert, wodurch ein Schottky-Kontakt gebildet wird.

11. Optischer Raumphasen-Modulator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (22) aus photoleitfähigem Material eine Avalanche-Schicht (24) zum Verstärken des räumlichen Spannungsmusters enthält.