DE3915429A1

DE3915429A1 - Modulator fuer elektromagnetische wellen mit gekoppelten quantensenken und anwendung eines solchen modulators bei einem detektor fuer elektromagnetische wellen

Info

Publication number: DE3915429A1
Application number: DE3915429A
Authority: DE
Inventors: Nakita Vodjdani; Claude Weisbuch; Borge Vinter; Julien Nagle; Michel Papuchon; Jean-Paul Pocholle; Dominique Delacourt
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1989-05-11
Publication date: 1990-07-05
Also published as: GB2227571A; US5311221A; NL8901141A; CA1314615C; GB8910492D0; IT1235751B; IT8967322A0; SE8901670D0; GB2227571B; SE8901670L; FR2637092B1; FR2637092A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Modulator für elektro magnetische Wellen mit gekoppelten Quantensenken. Die zu modulierende Welle kann sich entweder frei oder geführt aus breiten. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Modulation von Infrarotwellen.

Im Infrarot-Spektralbereich ist es sehr schwierig, Modula toren zu verwirklichen, die gleichzeitig schnell arbeiten und eine große Modulationstiefe haben.

Bei gewissen Modulatoren werden in eine Halbleiterstruktur freie Ladungsträger injiziert. Das Durchlaßband dieser Modu latoren ist jedoch durch die ziemlich große Rekombinations zeit dieser freien Träger begrenzt, wobei diese Rekombina tion in einer Wechselwirkung mit Abstrahlung und/oder ohne Abstrahlung begründet sein kann.

Es sind bereits Modulatoren bekannt, die mit dem Pockels Effekt arbeiten. Sie nutzen die Änderung des Brechungsindex des Halbleitermaterials unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes aus. Es handelt sich dabei also um elektro-optische "Modulatoren". Die Änderung ihres Brechungsindex ist jedoch sehr gering. Daraus folgt, daß für die Erzielung eines merk lichen Effekts Vorrichtungen mit großer Wechselwirkungslän ge, also mit großen Abmessungen verwendet werden müssen. Der elektro-optische Effekt ist zwar sehr schnell, da seine charakteristischen Zeiten in der Größenordnung von einigen Femto-Sekunden liegen, jedoch ist es die Größe der Vorrich tung, die das Durchlaßband des Modulators bedingt, wenn eine gute Modulationstiefe erhalten werden soll. Außerdem ist dies im Infrarotbereich (bezogen auf den sichtbaren oder den nahen Infrarotbereich) noch kritischer, da die Abmessungen des Modulators mit der Wellenlänge ebenfalls zunehmen müs sen.

Weitere bekannte Modulatoren machen vom Prinzip der Elektro- Absorption (vom Franz-Keldysh-Effekt) Gebrauch. In diesem Fall wird ein elektrisches Steuerfeld zur Anwendung gebracht, das dann, wenn es ziemlich hoch ist, die Absorptionsschwelle des Materials (ausgedrückt durch die Frequenz) verschiebt. Bei dieser letzten Art des Modulators müssen Halbleitermate rialien verwendet werden, bei denen die Energie des verbote nen Bandes nahe bei der Energie der zu modulierenden Welle liegt. Im Falle einer Infrarotwelle mit der Wellenlänge von 10 µm werden Legierungen der Materialien II-II des Perioden systems nach Mendeleev verwendet. Jedoch ist die Herstellung dieser Materialien industriell nur schwer zu beherrschen, und außerdem sind sie wegen ihres geringen Energieintervalls des verbotenen Bandes sehr empfindlich für Herstellungmängel.

Aus diesem Grund sind andere Lösungen vorgeschlagen worden, bei denen von der Zwischenbandabsorption beispielsweise zwi schen zwei diskreten Niveaus einer Quantensenke Gebrauch ge macht wird. Die Herstellung von Halbleitermaterialien, die zur Bildung dieser Quantensenken dienen, sind viel besser beherrschbar, insbesondere für den Fall der Verwendung der III-V-Halbleiter des Periodensystems.

In einer solchen Struktur beruht das Steuermittel auf einer Pumpwelle, die amplitudenmoduliert ist und eine über der Frequenz der zu modulierenden Welle liegende Frequenz auf weist. Die Pumpwelle dient dazu, ein diskretes Niveau der Quantensenke zu besetzen. Die Absorption der zu modulieren den Welle findet daher mit Hilfe eines Übergangs von Elek tronen (oder von Löchern) von diesem diskreten Niveau der Quantensenke auf ein anderes diskretes Niveau statt. Auf diese Weise wird die Absorption einer Welle gesteuert, deren Frequenz gleich der Differenz zwischen den Energiewerten der zwei diskreten Niveaus geteilt durch die Planck′sche Kon stante ist.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kann ein solcher Modulator genauer gesagt eine Struktur mit einer Quantensenke (1, 2, 3) aufweisen, deren optische Eigenschaften durch optisches Pum pen modifiziert werden, das durch eine Steuerwelle (h. 1) im mittleren Infrarotbereich verwirklicht wird. Die Steuerwel le h. 1 wird mittels eines herkömmlichen Modulators modu liert. Beim Modulieren der Amplitude der Steuerwelle h. 1 ist es möglich, die Amplitude oder die Phase der zu modulie renden Welle h. 3 zu modulieren.

Diese Modulatoren sind zwar für gewisse Anwendungsfälle sehr interessant, doch haben sie einen Nachteil: Es ist unmöglich, sie so zu optimieren, daß sie gleichzeitig ein breites Durch laßband und eine gute Modulationstiefe haben.

Das Durchlaßband dieser Modulatoren ist entweder durch das Durchlaßband der Pumpwelle oder durch die Rekombinationszeit der durch Photoeffekt auf dem ersten diskreten Energieniveau der Quantensenke erzeugten Träger begrenzt. Um nur die auf das Durchlaßband der Pumpwelle zurückzuführende Einschrän kung hinzunehmen, ist es erwünscht, eine geringe Lebensdauer der Ladungsträger zu haben. Bei einer gegebenen Leistung der Pumpwelle ist jedoch die Modulationstiefe um so geringer, je kürzer die Lebensdauer der Ladungsträger ist. Daraus ergibt sich, daß es bis jetzt nicht möglich war, völlig zufrieden stellende optische Modulatoren zu erhalten, insbesondere wenn Infrarotlicht betroffen ist.

Mit Hilfe der Erfindung soll demnach ein optischer Modulator geschaffen werden, bei dem eine räumliche Trennung der Elek tronen und der Löcher in zwei verschiedenen Quantensenken erreicht wird, was eine Vergrößerung der Lebensdauer der Elektron-Loch-Paare ermöglicht. Dadurch kann vor allem die Leistung der Pumpwelle verringert werden, die für eine gege bene Zwischenbandabsorption notwendig ist.

Außerdem soll mit Hilfe der Erfindung ein Modulator geschaf fen werden, der für die zu modulierende elektromagnetische Welle normalerweise transparent oder auch im Gegenteil nor malerweise undurchlässig sein kann.

Ferner soll mit Hilfe der Erfindung ein Modulator geschaffen werden, der mittels eines elektromagnetischen Feldes gesteu ert werden kann.

Schließlich kann der Modulator auch durch die gleichzeitige Anwesenheit einer Pumpwelle und eines magnetischen Feldes gesteuert werden, so daß er wie eine UND-Funktion oder auch in Anwendungen vom Typ der Bilderkennung eingesetzt werden kann.

Nach der Erfindung ist der Modulator für elektromagnetische Wellen mit einer Halbleiterstruktur, die eine erste Folge von Schichten aufweist, die eine erste Quantensenke bildet, Mitteln zum Besetzen des ersten diskreten Energieniveaus der ersten Quantensenke mit Elektronen und Mitteln zum Steuern der Absorption einer zu modulierenden Welle durch die Quan tensenke dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur außerdem eine weitere Folge von Schichten aufweist, die der ersten Folge von Schichten benachbart liegt und eine zweite Quantensenke bildet, die mit der ersten Quantensenke durch für eine starke Kopplung ausreichend dünne Sperrschicht ge koppelt ist, und daß die Steuermittel Mittel aufweisen, die dem befehlsgesteuerten Anlegen eines elektrischen Feldes an die Struktur dienen, das senkrecht zu der Sperrschicht ver läuft, wodurch die Lebensdauer der erzeugten Elektron-Loch- Paare verlängert werden kann.

In einer besonders interessanten ersten Gruppe dieser Vor richtung ist der Modulator unter anderem dadurch bemerkens wert, daß die zu modulierende Welle einer Zwischenbandab sorption unterzogen wird, d. h. einer Modulation zwischen einem ersten und einem zweiten Energieniveau auf der glei chen Seite des verbotenen Bandes einer der Quantensenken.

Bei einer Untergruppe der Modulatoren weist die zweite Quan tensenke ein Energieintervall des verbotenen Bandes auf, das größer als das der ersten Quantensenke ist.

In einer Ausführungsform dieser Untergruppe legen die Anre gungsmittel an die Halbleiterstruktur eine Pumpwelle für das Besetzen eines Energieniveaus der ersten Quantensenke durch Elektron-Loch-Paare an, während das Anlegen des elektrischen Feldes die Elektronen der ersten Quantensenke auf die zweite Quantensenke überträgt, wobei die Zwischenbandabsorption in der zweiten Quantensenke stattfindet.

Ein besonders interessanter Aspekt der Erfindung beruht dar in, daß die Anlegungsmittel gesteuert aktiv gemacht werden können. Dies ermöglicht eine UND-Steuerfunktion sowie Bild erkennungs-Betriebsarten.

In einer weiteren Untergruppe der Modulatoren ist eine der Quantensenken dotiert. Das Anregen erfolgt durch Anlegen eines elektrischen Feldes, das die Elektronen einer der Quan tensenken zur anderen überträgt, in der die vorgenannte Zwi schenbandabsorption erfolgt.

Wenn die dotierte Senke die erste Senke ist, ist der Modula tor normalerweise für die zu modulierende Welle durchlässig. Im gegenteiligen Fall, in dem die dotierte Senke die zweite Senke ist, ist der Modulator für die zu modulierende Welle normalerweise undurchlässig. In einem anderen Fall kann der Modulator unter anderem auf den Schichten, die beiderseits der Quantensenken liegen, ohmsche Kontakte aufweisen. Der auf diese Weise erfaßte Strom ermöglicht seine Funktion als Lichtdetektor für die modulierte Welle.

In einer zweiten Gruppe von Modulatoren wird die zu modulie rende Welle zwischen zwei Energieniveaus, die beiderseits des verbotenen Bandes einer der Quantensenken liegen, einer Zwischenbandabsorption unterzogen. In diesem Fall hat die zweite Quantensenke vorzugsweise ein Energieintervall des verbotenen Bandes, das größer als das der ersten Quantensen ke ist.

Die erfindungsgemäßen Modulatoren können gemäß der Erfindung allgemein eine zu modulierende freie Welle oder auch eine gemäß einer oder gemäß zwei Dimensionen geführte Welle emp fangen. Die Anordnung mit zwei Quantensenken gemäß der obi gen Definition kann mehrere Male wiederholt werden.

Die erfindungsgemäßen Modulatoren können im Infrarotbereich praktisch über das gesamte Band arbeiten, insbesondere bei Wellenlängen von 10 µm oder mehr.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Modulators nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Modulators nach der Erfindung,

Fig. 3 ein schematisches Diagramm von Energieniveaus, das zum besseren Verständnis der Arbeitsweise eines Modulators nach der Erfindung beiträgt,

Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 Energie- und Wellenfunktionsdiagramme, die die Arbeitsweise einer Ausführungsform eines Modula tors nach der Erfindung genauer zeigen,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines Modulators nach der Erfindung,

Fig. 8 eine abgewandelte Ausführungsform des Modulators von Fig. 7,

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel des Modulators nach der Erfindung mit geführter Optik,

Fig. 10 eine abgewandelte Ausführungsform der Modulatoren der Fig. 7 bis 9, und

Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Detektors nach der Erfindung.

In der Zeichnung sind die wesentlichen Merkmale der Erfin dung dargestellt. Sie sollen auch Teil der Offenbarung sein und nicht nur dem besseren Verständnis der Erfindung dienen.

Nach Fig. 2 ist eine Halbleiterstruktur nach der Erfindung von einem Halbleitersubstrat S gebildet, auf dem eine epitak tische Zwischenschicht CI 1 angebracht ist, auf die eine ak tive Schicht CP 1, eine Sperrschicht CB, eine aktive Schicht CP 2 und eine Zwischenschicht CI 2 folgen.

Vorzugsweise basiert das für die Struktur verwendete Halb leitermaterial auf Halbleitern der Spalten III und V des Periodensystems von Mendeleev oder auf deren Legierungen. Es kann sich dabei insbesondere um Legierungen zwischen Aluminium, Gallium, Indium einerseits und Phosphor, Arsen, Antimon andererseits handeln. Die Legierungen können binär, ternär oder quartär sein.

In Fig. 2 sind auch zwei Elektroden E 1 und E 2 zu erkennen, von denen beispielsweise die eine auf der zugänglichen Flä che des Substrats angebracht ist, während die andere auf der gegenüberliegenden letzten Schicht liegt, die hier als die Zwischenschicht CI 2 angenommen wird. Das Anlegen einer Span nung zwischen die Elektroden E 1 und E 2 durch Steuermittel MC ermöglicht die gesteuerte Erzeugung eines elektrischen Fel des senkrecht zu den verschiedenen Schichten und insbesonde re zur Sperrschicht CB.

Allgemein können Strukturen verwirklicht werden, die Quan tensenken enthalten.

Zu diesem Zweck ist das Substrat beispielsweise dotiert oder nicht dotiert. Die erste Zwischenschicht CI 1 hat eine Zusam mensetzung, die ihr ein starkes Energieintervall des verbo tenen Bandes verleiht (was in der angelsächsischen Termino logie häufig kurz als "gap" bezeichnet wird). Die Schicht CP 1, die der Bildung einer ersten Senke dienen wird, weist ein kleines Intervall des verbotenen Bandes auf. Die Sperr schicht CB weist wieder ein starkes Intervall des verbotenen Bandes auf. Die zweite Senkenschicht CP 2 weist ein mittleres oder kleines Intervall des verbotenen Bandes auf, je nach der speziellen Ausführung. Die Isolierschicht CI 2 weist wie der ein starkes Intervall des verbotenen Bandes auf. Die Dicken der Schichten betragen einige Dutzend Angström, typi scherweise etwa 50 A. Die Dicken der Schichten können je nach den gewünschten Eigenschaften der Struktur unterschied lich sein.

Die Sperrschicht CB hat im Vergleich zu den Schichten CI 1 und CI 2 eine geringe Dicke. Es sei bemerkt, daß ihre Ener giewerte der verbotenen Bänder unterschiedlich sein können (für CB, CI 1, CI 2).

Die in Fig. 2 dargestellte Struktur kann auf der Basis einer Grundstruktur betrachtet werden: Die Grundstruktur enthält die Folge einer Zwischenschicht (CI 1), einer Senkenschicht (CP 1), einer Sperrschicht (CB) und einer Senkenschicht (CP 2), und ihre Grundstruktur wird längs der Achse des epitakti schen Wachstums wiederholt.

Eine solche Struktur weist interessante Eigenschaften begin nend mit dem Zeitpunkt auf, an dem Elektron-Loch-Paare er zeugt werden, die gewisse Energieniveaus einer der Quanten senken besetzen.

Fig. 3 zeigt schematisch den Fall, bei dem die Schichten CP 1 und CP 2 unterschiedliche Intervalle des verbotenen Bandes aufweisen.

Die Kurven Bv und Bc bezeichnen die obere Grenze des Valenz bandes bzw. die untere Grenze des Leitungsbandes. Zwischen diesen beiden Kurven befindet sich definitionsgemäß das In tervall des verbotenen Bandes.

Unter der Kurve Bv befinden sich die für die Löcher verfüg baren Energieniveaus, unter denen man die schweren Löcher (h) und die leichten Löcher (L) unterscheidet. Über der Grenze des Leitungsbandes Bc befinden sich die Elektronen.

Außerdem können Elektronen und Löcher (einerseits schwere, andererseits leichte) nur gewisse diskrete Energieniveaus annehmen.

Für die Löcher ist in Fig. 3 das erste Niveau h 0 für die leichten Löcher zu erkennen, auf das weitere Niveaus folgen.

Für die Elektronen unterscheidet man für die Gruppe der zwei Senken ein erstes Energieniveau E 0, auf die ein zweites Ener gieniveau E 1 und ein drittes Energieniveau E 2 folgen.

Jedem Energieniveau kann eine Wellenfunktion zugeordnet wer den, die die Wahrscheinlichkeit der räumlichen Anwesenheit eines Elektrons oder eines Lochs für dieses Energieniveau angibt. In Fig. 3 sind beispielsweise schematisch die Wel lenfunktionen W 0, W 1, W 2 dargestellt.

Im Fall von Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Wellenfunktion W 0 in erster Linie in der ersten Senke liegt, während die Wellenfunktionen W 1 und W 2 ein Maximum der Anwesenheitswahr scheinlichkeit in den zweiten Senken haben.

Aus Fig. 3 kann der Fachmann verstehen, daß in der Senke CP 1 ein minimaler Energiesprung G 1 zwischen dem Energieniveau h 0 für die schweren Löcher und dem Energieniveau E 0 für die Elektronen definiert werden kann.

In gleicher Weise ist in der Senke CP 2 ein minimaler Ener giesprung G 2 zwischen dem Energieniveau hl für die schweren Löcher und dem Energieniveau E 1 für die entsprechenden Elek tronen zu erkennen.

Schließlich kann auf eine etwas andere Art und Weise ein dritter Energiesprung G 3 zwischen dem diskreten Niveau E 1 und dem diskreten Niveau E 2 für die Elektronen definiert werden.

Der besondere Fall von Fig. 3 veranschaulicht eine erste Gruppe von Modulatoren, bei denen eine Zwischenbandabsorp tion angewendet wird, genauer gesagt die Untergruppe, bei der die Intervalle G 1 und G 2 für die zwei Quantensenken nicht gleich sind, die nicht absichtlich dotiert sind.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Modulators nach der Erfindung.

Dieser Modulator weist auf einem Substrat S die folgenden aufeinanderfolgenden Schichten auf, deren Wachstum längs der Z-Achse des XYZ-Koordinatensystems realisiert worden ist:

- eine erste Zwischenschicht CI 1
- eine erste Quantensenkenschicht CP 1
- eine Sperrschicht CB
- eine zweite Quantensenkenschicht CP 2
- eine zweite Zwischenschicht CI 2.

Mit Hilfe von zwei Elektroden E 1 und E 2, die an einen Span nungsgenerator MC angeschlossen sind und von denen die eine auf der Unterfläche des Substrats S und die andere auf der Außenfläche der zweiten Zwischenschicht CP 2 angebracht ist, kann an den Modulator ein elektrisches Steuerfeld angelegt werden.

Eine Lichtquelle ME überträgt eine Lichtwelle mit der Fre quenz f 1, die mit der Länge des verbotenen Bandes G 1 der er sten Quantensenke durch die Beziehung G 1 ≦ hf 1 in Beziehung steht, wobei h die Planck′sche Konstante ist.

Die erste Quantensenke CP 1 hat nur ein einziges Elektronen quantenniveau, damit der Modulator in Abwesenheit der Anle gung des elektrischen Feldes durch die Elektroden E 1, E 2 für die zu modulierende Welle durchlässig sein kann.

Der Modulator kann auch mit einer ersten Quantensenke CP 1 mit zwei Energieniveaus arbeiten und für die zu modulierende Welle bei Abwesenheit des elektrischen Feldes durchlässig sein, jedoch darf dabei die Differenz der zwei Energieniveaus nicht gleich der Differenz der Energieniveaus der zweiten Senke sein, die der zu modulierenden Welle entspricht.

Die Zusammensetzung und die Abmessung der Schichten CP 1 und CP 2, die die Quantensenken bilden, sind so gestaltet, daß G 1 kleiner als G 2 ist.

In Abwesenheit des externen elektrischen Feldes und einer Pumpwelle mit der Energie G 1 sind die Elektronenniveaus E 0, E 1 und E 2 unbesetzt. Der Modulator ist inaktiv, was bedeu tet, daß er die zu modulierende Welle OM nicht absorbieren kann.

Da die Struktur mit Hilfe einer Welle mit der Frequenz f 1 so gepumpt wird, daß gilt G 1 ≦ hf 1 < G 2 (mit der Planck′schen Konstanten h), werden das Niveau E 0 für die Elektronen und das Niveau h 0 für die Löcher besetzt.

Die Frequenz der zu modulierenden Welle wird mit f 3 angenom men, so daß gilt G=hf 3, wobei h wieder die Planck′sche Konstante ist.

Auch bei Anwesenheit der Pumpwelle sind in der Senke CP 2 keine Elektronen vorhanden. Es findet somit keine Absorption statt, die bei der der zu modulierenden Welle entsprechenden Energie G 3 möglich ist.

Wenn auf die Steuermittel MC von Fig. 2 so eingewirkt wird, daß an die Struktur ein elektrisches Feld in Längsrichtung (d. h. senkrecht zur Sperrschicht CB) angelegt wird, können die Niveaus E 0 und E 1 der Senken CP 1 und CP 2 in Resonanz ge bracht werden. Anders ausgedrückt heißt dies, daß die dis kreten Energieniveaus der Senke CP 2 bezüglich der der Senke CP 1 erniedrigt werden. Das elektrische Feld kann dabei so eingestellt werden, daß die Wellenfunktion mit dem Niveau E 0 auf die Senke CP 2 lokalisiert wird, wie in Fig. 6 darge stellt ist.

Daraus resultiert die Möglichkeit einer Übertragung von Elek tronen von der Senke CP 1 zur Senke CP 2. Diese Elektronenüber tragung erfolgt mittels des Tunneleffekts quer durch die Sperrschicht, wie dies in der Technik bekannt ist.

Von dem Zeitpunkt an, an dem das Energieniveau E 1 der Senke CP2 besetzt ist, werden die Übergänge zwischen den zwei Niveaus E 1 und E 2 mit der Energie G 3 möglich. Das Licht mit der Frequenz f 3 kann somit jetzt absorbiert werden.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen genauer das Verhalten der zwei Senken.

Es sind darin die Orte der Senke CP 1, der Sperrschicht CB und der Senke CP 2 zu erkennen.

In den Fig. 4, 5 und 6 repräsentieren die Abszissen die Po sitionen jeweils in 100 A. Die Ordinaten repräsentieren die Energie in jeweils 100 meV und die verschiedenen Wellenfunk tionen im Quadrat, damit sich eine Anwesenheitswahrschein lichkeit ergibt.

Die Basislinie E 0 markiert das erste Energieniveau für die Elektronen. Die gestrichelte Linie FL markiert das Fermi- Niveau. Die Basislinie E 1 markiert das zweite Energieniveau für die Elektronen. Die Basislinie E 2 markiert das dritte Energieniveau für die Elektronen.

Der Linie E 0 ist die Wellenfunktion WO für die Elektronen mit dem entsprechenden Niveau überlagert. In Fig. 4 ist zu erkennen, daß diese Wellenfunktion in der Senke CP 1 eine größere Elektronenanwesenheitswahrscheinlichkeit hat, was die Anwesenheit von Elektronen in dieser Senke anzeigt.

Bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes, das geeignet ist, an die Struktur ein W übersteigendes Potential anzulegen, lokalisiert sich die Wellenfunktion mit dem Niveau E 0 jedoch mehr und mehr in die zweite Senke, wie aus den Fig. 5 und 6 zu erkennen ist. Daher sind Übergänge in der Senke CP 2 zwi schen den Energieniveaus E 0 und E 2 mit dem Energiesprung G 3 moglich, dem die Absorption einer Welle mit der vorgenannten Frequenz f 3 entspricht.

Es sei bemerkt, daß bei einem Wert des elektrischen Feldes, bei dem die Elektronen von der Senke CP 1 in die Senke CP 2 wandern, die Löcher in der ersten Senke zurückbleiben. Dar aus resultiert eine räumliche Trennung der Elektronen, die sich in der Senke CP 2 befinden, und der Löcher, die sich in der Senke CP 1 befinden. Dies hat die Wirkung einer Verlänge rung der durch den Photoeffekt erzeugten Elektron-Loch-Paare um mehr als drei Größenordnungen (etwa 1000). Die Folge da von ist, daß es zur Erzielung einer gleichen Elektronenmenge im stationären Bereich auf dem Niveau der Quantensenke CP 2, die eine Absorption bei der Frequenz f 3 ermöglicht, ausrei chend ist, eine Pumpwelle anzuwenden, die wesentlich schwä cher (im wesentlichen tausendmal schwächer) als bei Anwen dung der bekannten Verfahren ist.

Das Umschalten der Modulation erfolgt mit Hilfe einer Steue rung durch das elektrische Feld. Das Durchlaßband dieser Art von Modulatoren ist daher durch die Geschwindigkeit der Er zeugung des elektrischen Feldes begrenzt. Für eine Ladungs trägerdichte in der Größenordnung von 10¹¹ bis 10¹² Elektro nen pro cm² ist die Zwischenbandabsorption ziemlich groß, und die Interaktionsabstände können klein sein. Es handelt sich dabei typischerweise um einige Mikron, die mit einigen Millimetern verglichen werden können, die für Modulatoren notwendig sind, die auf dem Pockels-Effekt beruhen.

Der Fachmann kann erkennen, daß dies ermöglicht, gleichzei tig das Durchlaßband des Modulators sowie seine Modulations tiefe zu verbessern.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann anstelle des Anlegens einer Pumpwelle eine Dotierung einer der Senken vorgesehen werden, und bei Anlegung eines elektrischen Fel des stimmt die Arbeitsweise mit der zuvor beschriebenen Aus führungsform überein.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei dieser abgewandelten Aus führungsform mit dotierter Quantensenke CP 1 der Modulator normalerweise (ohne Anlegen des elektrischen Feldes) durch lässig ist.

Wenn die Senke CP 2 dotiert ist, ist der Modulator für die zu modulierende Frequenz f 3 normalerweise undurchlässig. Die Struktur der Schichten des Modulators in dieser abgewandel ten Ausführungsform stimmt mit der von Fig. 7 überein.

In dieser Hinsicht sei daran erinnert, daß die Ungleichheit der Energieintervalle des verbotenen Bandes der zwei Senken nicht nur auf ihre Zusammensetzung, sondern auch auf ihre Struktur, insbesondere ihre Geometrie zurückgeführt werden kann.

Die obigen Ausführungen betrafen zwei Teilaspekte der ersten Gruppe von Ausführungsformen nach der Erfindung.

In einer zweiten Gruppe sind die beteiligten Frequenzen mit den Zwischenbandübergängen verbunden, d. h. mit den Übergän gen zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband.

Die zu modulierende Welle ist dabei eine Welle mit der Fre quenz f 1 entsprechend dem verbotenen Band G 1 oder geringfü gig daruber.

Bei erneuter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 ist zu erken nen, daß die Absorption einer Welle mit der Frequenz f 1, die auf das Intervall des verbotenen Bandes G 1 bezogen ist und im nahen Infrarotbereich liegt, durch eine Welle mit Fre quenz f 2, die auf das Intervall des verbotenen Bandes G 2 be zogen ist, moduliert werden kann.

Die Doppelsteuerung durch eine Pumpwelle mit Frequenz f 2 und durch das elektrische Feld wird dabei natürlich beibehalten. Der Vorteil der gekoppelten Senke besteht dabei darin, daß die Lebensdauer der Ladungsträger, d. h. der Elektron-Loch- Paare, verlängert wird. Daraus resultiert eine Verringerung der Leistung der Pumpwelle, die zum Realisieren der Sätti gung der Absorption bei der auf G 1 bezogenen Frequenz f 1 notwendig ist.

Wenn die zwei Senken gleich sind, findet die Modulation bei der Frequenz f 1 durch den STARK-Effekt statt, und der Vor teil des Systems der Senken besteht in der Vergrößerung des STARK-Effekts.

Die Richtung, in der die zu modulierende Welle an die Struk tur angelegt werden muß, ist nicht besonders. Man wird je doch diese Welle nicht in irgendeiner beliebigen Richtung anlegen. Für den Zwischenbandübergang muß die Polarisierung der Lichtwelle längs der Z-Achse verlaufen; für einen Zwi schenbandübergang ist diese Polarisation nicht zulässig.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 verläuft die zu mo dulierende Welle h 3 schräg bezüglich der oberen Fläche der Vorrichtung. Damit der Modulator funktioniert, muß eine der Komponenten des elektrischen Feldes der zu modulierenden Welle längs einer zur Z-Achse parallelen Achse polarisiert sein, wobei diese Z-Achse die Achse ist, die die den Modu lator bildenden Schichten CI 1 bis CI 2 durchdringende Achse ist. Es ist somit zweckmäßig, daß eine der Komponenten der zu modulierenden Welle längs einer anderen Achse als der Z-Achse verläuft.

Nach Fig. 8 verlaufen die zwei Wellen h 1 und h 3 parallel zur Ebene der Schichten des Modulators, genauer gesagt par allel zur Y-Achse.

Obwohl es nicht dargestellt ist, können jedoch auch alle anderen Arten der Orientierung der Richtung der Wellen h ν 1 und h ν 3 in bezug zueinander und auch in bezug zur Ebene der Schichten CI 1 bis CI 2 des Modulators gegeben sein.

Für den Fall, daß die zu modulierende Welle oder die Pump welle auf der oberen Fläche des Modulators ankommt, muß zu mindest die Elektrode E 2 für die eine oder die zwei sie durchdringenden Wellen halbdurchlässig sein.

In dieser Hinsicht sei bemerkt, daß die zu modulierende Wel le entweder eine freie Welle sein kann, eine durch Einschrän kung gemäß einer Dimension geführte Welle sein kann oder eine in zwei Dimensionen geführte Welle sein kann.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit geführter Welle. Die Zwischenschicht CI 2 weist in ihrem oberen Abschnitt einen Führungsbereich G auf, der längs der Y-Achse verläuft. Die Verwirklichung dieser Führung ist in der Technik be kannt, und es kann eine Führung bestimmt werden, die Abmes sungen hat, die eine gute Führung ermöglichen.

Nach Fig. 9 bedeckt die Elektrode E 2 nur den Führungsteil G, jedoch kann sie bei anderen Ausführungsformen auch die ge samte Schicht CI 2 bedecken.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 9 ist die zu modulie rende Welle längs der Y-Achse orientiert, jedoch kann sie auch eine andere Orientierung haben. Die Polarisationsrich tung dieser Welle sollte längs der Z-Achse verlaufen.

In der vorangehenden Beschreibung ist ein Substrat gewählt worden, dessen Brechungsindex vorzugsweise größer als der Brechungsindex der Führung ist.

Bei einer Funktionsweise mit Durchlässigkeit quer zum Modu lator, d. h. bei einer Funktionsweise, bei der die zu modu lierende Welle durch die obere Fläche des Modulators in die sen eindringt, kann das Substrat eine gewisse Absorption aufweisen, was für das Arbeiten der Vorrichtung nachteilig sein kann.

Zur Begrenzung dieses Nachteils kann für eine dünnere Aus gestaltung des Substrats gesorgt werden. Wie beispielsweise in Fig. 10 dargestellt ist, verringert eine in der Dicke des Substrats gebildete Ausnehmung den optischen Weg im Material des Sustrats.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 7 bis 10 sind Modula toren dargestellt worden, bei denen eine Pumpwelle ein Be setzen des Energieniveaus der ersten Quantensenke CP 1 mit Elektronen ermöglicht. Dieses Besetzen mit Elektronen kann jedoch auch durch Dotieren realisiert werden. In diesem Fall wird die Quelle ME der Pumpwelle nicht benötigt, und das System gleicht weiterhin den in diesen Figuren dargestellten Systemen.

Für den Fachmann ist auch zu erkennen, daß die Wirksamkeit der Modulation verbessert werden kann, indem eine Struktur verwendet wird, bei der die Grundstruktur der zwei Quanten senken mehrere Male wiederholt wird. Mit Bezugnahme auf Fig. 2 spielt in diesem Fall die Schicht CI 2 die Rolle der Schicht CI 1, wobei auf sie eine weitere Anordnung mit den Schichten CP 1, CB, CP 2, CI 2 usw. je nach Fall folgt.

Gemäß der Erfindung kann die erfindungsgemäße Struktur auch zur Verwirklichung eines Detektors für elektromagnetische Wellen angewendet werden.

In diesem Fall werden an den äußeren Schichten der Vorrich tung ohmsche Kontakte R 1, R 2 angebracht, wie in Fig. 11 dar gestellt ist.

An die ohmschen Kontakte wird dann ein Stromdetektor DE an geschlossen, was der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermög licht, als Detektor für elektromagnetische Wellen zu arbei ten.

Diese Vorrichtung kann auch als Bilderkennungsvorrichtung eingesetzt werden, indem sie die Realisierung der UND-Funk tion der Pumpwelle und der zu modulierenden Welle ermöglicht. Bei geführter Optik kann auch die Integration eines Modula tors und eines Infrarotdetektors auf der gleichen Halbleiter struktur in Erwägung gezogen werden, was für gewisse Anwen dungsfälle von Interesse sein kann.

Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Detek tors. Beispielsweise ist dabei ein Detektor dargestellt, der im geführten Modus arbeitet. Die Elektrode E 2 bedeckt nur einen Teil des Führungsbereichs.

Auf einem anderen Abschnitt des Führungsbereichs ist ein ohmscher Kontakt R 1 angebracht. Auf der freien Fläche des Substrats S ist ebenfalls ein ohmscher Kontakt R 2 gebildet. An die zwei ohmschen Kontakte R 1 und R 2 ist ein Detektor DE angeschlossen, der es ermöglicht, einen Strom festzustellen, der den Durchgang einer Welle h 3 zum Ausdruck bringt.

Bei dem Detektor von Fig. 11 ist es möglich, die Elektrode E 1 und den ohmschen Kontakt R 2 aus einem Stück zu verwirk lichen, wobei eine Anschlußklemme des Detektors DE und eine Anschlußklemme des Detektors MC elektrisch miteinander ver bunden sind.

Der Detektor von Fig. 11 arbeitet mit geführter Optik. Er kann aber auch mit nicht geführter Optik arbeiten, indem der Modulator von Fig. 7 durch Anbringen von wenigstens einem ohmschen Kontakt R 1 auf der Oberfläche der Schicht CI 2 an gepaßt wird. Dieser Detektor kann auch als Bilddetektor ar beiten, indem die obere Fläche der Schicht CI 2 mit einer Pumpwelle (h ν 1) und einer zu modulierenden Welle belichtet wird. Jede Welle überträgt ein Bild, und der Detektor ermög licht es, sie zu identifizieren.

Schießlich kann der Detektor dadurch verwirklicht werden, daß die abgewandelte Ausführungsform der Erfindung angewen det wird, bei der das Besetzen des Energieniveaus außerhalb der ersten Quantensenke mit Elektronen durch Dotieren er zielt wird. Die Quelle ME ist dabei nicht erforderlich. Der Detektor arbeitet dabei durch Feststellen eines festen Niveaus der zu modulierenden Welle.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die beschriebenen Aus führungsformen beschränkt, sondern sie erstreckt sich auf alle Varianten, die im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Modulator für elektromagnetische Wellen mit einer Halb leiterstruktur, die eine erste Folge von Schichten (CI 1, CP 1, CB) aufweist, die eine erste Quantensenke (CP 1) bildet, Mit teln zum Besetzen des ersten diskreten Energieniveaus der ersten Quantensenke mit Elektronen und Mitteln (MC) zum Steuern der Absorption einer zu modulierenden Welle (OM) durch die Quantensenke, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur außerdem eine weitere Folge von Schichten (CB, CP 2, CI 2) aufweist, die der ersten Folge von Schichten benachbart liegt und eine zweite Quantensenke (CP 2) bildet, die mit der ersten Quantensenke durch eine Sperrschicht (CB) gekoppelt ist, und daß die Steuermittel (MC) Mittel (E 1, E 2) aufweisen, die dem befehlsgesteuerten Anlegen eines elektri schen Feldes an die Struktur dienen, das senkrecht zu der Sperrschicht verläuft, wodurch die Lebensdauer der erzeugten Elektron-Loch-Paare verlängert werden kann.

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu modulierende Welle (OM) eine Welle mit der Frequenz fr 3=G 3/h ist, wobei G 3 eine Energieniveaudifferenz einer der Quantensenken ist, während h die Planck′sche Konstante ist, und wobei die zu modulierende Welle zwischen einem er sten und einem zweiten Energieniveau auf der gleichen Seite des verbotenen Bandes der Quantensenke einer Zwischenband absorption unterzogen wird.

3. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiesenken so aufgebaut sind, daß die erste Senke ein einziges diskretes Energieniveau zuläßt, während die zweite Senke zwei Energieniveaus zuläßt, deren Differenz (G 3) der zu modulierenden Frequenz (f 3) multipliziert mit der Planck′schen Konstanten entspricht.

4. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiesenken so aufgebaut sind, daß die erste Senke zwei Energieniveaus (E 1, E 0) zuläßt, deren Differenz (E 1, E 0) größer oder gleich dem Produkt (G 3=f 3 h) der zu modu lierenden Frequenz und der Planck′schen Konstanten (h) ist, während die zweite Senke zwei Energieniveaus (E′1, E′0) zu laßt, deren Differenz (E′1, E′0) größer oder gleich dem Pro dukt (G 3=f 3.h) der zu modulierenden Frequenz und der Planck′schen Konstanten (h) ist.

5. Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und die Zusammensetzung der Schichten so sind, daß die zweite Quantensenke (CP 2) ein Energieintervall des ver botenen Bandes hat, das größer als das der ersten Senke (CP 1) ist.

6. Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (ME) zum Besetzen mit Elektronen an die Halblei terstruktur eine Pumpwelle (OP) anlegen, die dem Besetzen eines Energieniveaus einer der Quantensenken (CP 1) beispiels weise mit Elektron-Loch-Paaren dient, während das Anlegen des elektromagnetischen Feldes Elektronen dieser Quanten senke (CP 1) zur anderen Quantensenke (CP 2) überträgt, wobei die Zwischenbandabsorption in der zweiten Quantensenke stattfindet.

7. Modulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (ME) zum Besetzen mit Elektronen befehlsgesteuert aktiv sind und mit den Steuermitteln (MC) kombiniert sind, damit eine UND-Funktion ermöglicht wird.

8. Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Besetzen mit Elektronen einer der Quantensen ken aus einer Dotierung der aktiven Schicht dieser Senke be stehen.

9. Modulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Senke die erste Senke (CP 1) ist, wobei der Mo dulator normalerweise für die zu modulierende Welle durch lässig ist.

10. Modulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte Senke die zweite Senke (CP 2) ist, wobei der Mo dulator normalerweise für die zu modulierende Welle undurch lässig ist.

11. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu modulierende Welle (OM) eine Welle mit der Frequenz f 1=G 1/h ist und einer Zwischenbandabsorption zwischen zwei Energieniveaus zu beiden Seiten des verbotenen Bandes einer der Quantensenken ausgesetzt ist.

12. Modulator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Quantensenke (CP 2) ein Energieintervall des ver botenen Bandes aufweist, das gleich dem der ersten Senke (CP 1) ist oder verschieden davon ist.

13. Modulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß er im nahen Infrarotbereich arbeitet.

14. Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß er eine zu modulierende Welle emp fängt, die in einer oder in zwei Dimensionen geführt ist.

15. Modulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Grundstruktur der zwei Quan tensenken (CP 1, CB, CP 2, CI 2) mehrere Male wiederholt wird.

16. Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der an den Modulator angelegten, zu modu lierenden Welle einen Wert hat, der zumindest gleich der Planck′schen Konstanten (h) geteilt durch die Energieniveau differenz (G 3) ist.

17. Modulator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der an den Modulator angelegten, zu modu lierenden Welle einen Wert hat, der wenigstens gleich der Planck′schen Konstanten (h) geteilt durch die Breite des verbotenen Bandes der zweiten Senke ist.

18. Detektor für elektromagnetische Wellen mit Anwendung des Modulators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß er ohmsche Kontakte (R 1, R 2) auf den Außenflächen der Vorrichtung beiderseits der Quantensen ken sowie einen an diese ohmschen Kontakte angeschlossenen Stromdetektor (DE) aufweist.