DE69428187T2 - Optisch gesteuerte Lichtmodulator-Vorrichtung - Google Patents

Optisch gesteuerte Lichtmodulator-Vorrichtung

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Modulatorvorrichtung für elektromagnetische Strahlung, die aus einer Halbleiter-Heterostruktur besteht und entsprechend des Prinzips des Quantum-Confined-Stark-Effektes (QCSE) arbeitet. Die Erfindung betrifft spezifischer einen rein optischen Modulator für elektromagnetische Strahlung, bei dem die Eigenschaften eines ersten Strahls elektromagnetischer Strahlung durch das elektrische Feld kontrolliert werden, das von einem zweiten Strahl elektromagnetischer Strahlung erzeugt wird.
  • Die wirksamsten Lichtmodulatoren, die aktuell vorgeführt werden, basieren auf dem Quantum-Confined-Stark-Effekt (QCSE) in Halbleiter-Heterostrukturen wie z. B. bei D. A. B. Miller et al. in Phys. Rev. B 32, 1043 (1985) beschrieben. Bei diesem Entwurf wird ein Multi-Quantum-Well-(MQW)-Segment der Heterostruktur einem externen elektrischen Feld ausgesetzt. Die optischen Konstanten in der Nachbarschaft der MQW- Exciton-Resonanz wie Brechungsindex und Absorptionskoeffizient werden durch die Anwesenheit des elektrischen Feldes stark beeinflusst. Somit kann ein Laserstrahl, der mit dem Excitonübergang in Resonanz steht wirkungsvoll durch die bloße Einwirkung des externen elektrischen Feldes moduliert werden. Ein wesentliches Merkmal dieser Vorrichtungen ist es, dass die zu modulierende Exciton-Resonanz der Grundzustand der ganzen Heterostruktur ist. Dies verhindert unnötige Verluste bei dem Lesestrahl und erlaubt zukünftig realistische Implementierungen in einem Hohlleiter oder einem Fabry- Perot-Hohlraumresonator, wo große Verluste schädlich sind. Ein anderes wichtiges Merkmal derartiger Vorrichtungen ist es, dass die Materialauswahl so getroffen werden kann, dass die aktive Resonanz sich über den spektralen Bereich von mittlerem Infrarot bis zu blauen Wellenlängen erstreckt, einschließlich der Bedeutung für die Verwendung bei Telekommunikationswellenlängen mit minimalem Faserverlust von etwa 1,55 um. Zur Herstellung von QCSE-Vorrichtungen müssen jedoch elektrische Kontakte bereitgestellt werden, was schwierig und zeitraubend sein kann. Darüber hinaus reduziert die Notwendigkeit von elektrischen Kontakten die Integrierbarkeit der Vorrichtung in ein System und die Möglichkeit zur Miniaturisierung und Pixelumsetzung.
  • Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Modulatorvorrichtung für elektromagnetische Strahlung zu erstellen, die entsprechend des Prinzips des Quantum- Confined-Stark-Effektes (QCSE) ohne Notwendigkeit für elektrische Kontakte arbeitet.
  • Dokument EP-A 0 478 060 beschreibt eine optisch ansteuerbare MQW- Modulatorvorrichtung, die entsprechend dem QCSE-Prinzip arbeitet. Bei dieser Vorrichtung wird die Trennung der durch Licht erzeugten Ladungsträger, unter Verwendung eines optischen Schreibstrahls, durch Variation der Dicke der einzelnen Quantentöpfe innerhalb der MQW-Struktur erreicht. Auf diese Weise baut die Trennung der durch Licht erzeugten Ladungsträger ein elektrisches Feld auf, das die MQW-Exciton-Resonanz moduliert.
  • Eine Modulatorvorrichtung für elektromagnetische Strahlung entsprechend der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleiter-Heterostruktur, die zumindest eine erste Quantum-Well-Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial und zwei Sperrschichten aus einem zweiten Halbleitermaterial zu beiden Seiten der Quantum-Well-Schicht enthält, die Vorrichtung, die einen ersten Strahl elektromagnetischer Strahlung durch den Einfluss eines elektrischen Feldes E&sub2; senkrecht zu den Schichten entsprechend dem Prinzip des Quantum-Confined-Stark-Effekt (QCSE) moduliert, wobei das elektrische Feld E&sub2; ein Feld ist, das durch Elektronen und Löcher aufgebaut wird, die durch die Absorption eines zweiten Strahls elektromagnetischer Strahlung erzeugt werden und wobei die Heterostruktur eine Vorrichtung zur Trennung von Elektronen und Löchern in entgegengesetzte Richtungen senkrecht zu den Schichten umfasst.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Vorrichtung zum Trennen der optisch erzeugten Elektronen und Löcher ein spannungsinduziertes statisches elektrisches Feld E&sub1; senkrecht zu den Schichten. Dieses statische Feld E&sub1; kann wirksam genutzt werden, um die optisch erzeugten Ladungsträger zu trennen, die dann das elektrische Feld E&sub2; für den QCSE aufbauen. Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung werden zwei weitere Quantum-Well-Schichten symmetrisch auf beiden Seiten der Struktur angebracht, um die optisch erzeugten Ladungsträger zu sammeln.
  • Die vorliegende Erfindung nutzt somit auch den QCSE aus, jedoch mit einem großen Vorteil: Das elektrische Feld, das für den QCSE notwendig ist, ist durch Licht erzeugt. Somit werden keine elektrischen Kontakte benötigt. Dies erspart schwierige und zeitaufwendige Musterfertigung und wertet die Integrierbarkeit der Vorrichtung in ein System und die Möglichkeit zur Miniaturisierung und Pixelumsetzung auf. Zusätzlich ist der Zwei-Strahl-Charakter der Vorrichtung besonders geeignet für bestimmte Anwendungen wie Bildverarbeitung.
  • Es ist bemerkenswert, dass diese Vorrichtung empfindlich und sehr schnell ist. Seine optische Aufladung mit einem CW-Laserstrahl von 1 W/cm² findet innerhalb von us statt, was mit der Antwort einer SEED (self-electrooptic-effect-device)-Vorrichtung der gleichen Leistungsstufe vergleichbar ist. Man beachte, dass es eine Möglichkeit gibt die Antwort der Vorrichtung schneller zu machen, z. B. 1ns, auf Kosten einer Erhöhung des Leistungspegels des Schreibstrahls. Bei gepulster Laseranregung findet die Aufladung auf der ns-Zeitachse statt, während die Lebensdauer des lichterzeugten elektrischen Feldes um 1 us einstellbar ist.
  • Im Folgenden wird eine Beschreibung des Prinzips der Erfindung und ihrer bevorzugten Ausführungen in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen gegeben, wobei
  • Fig. 1 Valenz-(VB) und Leitungsband (CB) einer Heterostruktur-Elementarzelle zeigt;
  • Fig. 2a Valenz-(VB) und Leitungsband (CB) einer Elementarzelle zeigt, die aus einer III-V-Halbleiter-Heterostruktur besteht;
  • Fig. 2b Valenz-(VB) und Leitungsband (CB) einer Elementarzelle zeigt, die aus einer 11-VI-Halbleiter-Heterostruktur besteht.
  • Es ist wohlbekannt, z. B. aus D. L. Smith et al. in Rev. Mod. Phys. 62, 173 (1990), dass bei verspannten Halbleiter-Heterostrukturen, die man entlang einer Polarachse, wie z. B. [111], wachsen, lässt die durch Kristallgitter-Fehlanpassung induzierte Spannung ein großes elektrostatisches Feld E&sub1; entlang der Wachstumsachse erzeugt. Die Größe des piezoelektrischen Feldes kann für ziemlich gemäßigte Kristallgitter-Fehlanpassungsspannungen von ε 0,7% 10&sup5; V/cm übersteigen. Die Anwesenheit von so großen piezoelektrischen Feldern in gespannten Heterostrukturen kann ausgenutzt werden, um eine wirksame rein optische Modulator-Einrichtung zu erzeugen.
  • Die Heterostruktur ist entlang einer Polarachse gewachsen und besteht aus vielen Perioden einer Elementarzelle. Eine Prinzipdarstellung dieser Zelle ist in Fig. 1 dargestellt. Sie besteht aus drei Quantentöpfen (QWs), von denen zwei als Trägersammel-QWs verwendet werden sollen. In Fig. 1 sind QW1 und QW3 jeweils die Elektronen- und Löchersammel-QWs. Der mittlere QW2 ist der aktive QW, z. B. der QW dessen optische Eigenschaften durch die Anwesenheit von gespeicherten Trägern in QW1 und QW3 moduliert werden sollen. Das wesentliche Merkmal dieser Elementarzelle ist die Anwesenheit eines piezoelektrischen Feldes in den Sperrschichten zwischen QW1 und QW2 (Sperre B1) und zwischen QW2 und QW3 (Sperre B2).
  • Das Funktionsprinzip dieser Einrichtung ist das Folgende: Ein optischer Befehlsstrahl λwrite mit einer Photon-Energie, die größer ist als der Bandabstand der Sperrschichten erzeugt durch Licht Elektron-Loch-Paare in der gesamten Elementarzelle. Die Elektronen und Löcher, die an den Sperrschichten erzeugt werden erfahren jedoch das piezoelektrische Feld E&sub1;, welches sie stark in gegensätzliche Richtungen der Sperrschicht trennt. Die zum Beispiel in der Sperrschicht B1 in Fig. 1 erzeugten Elektronen werden in QW1 relaxieren, die Löcher dagegen in QW2. Auf ähnliche Weise werden Elektronen und Löcher von B2 jeweils in QW2 und QW3 einfließen. Somit finden wir in QW2 zu jeder Zeit gleiche Populationen von Elektronen und Löchern, was es ihnen erlaubt sich schnell durch Strahlungsrekombination, die in einer Zeitskala von τ = 1 ns abläuft abzureichern. Dies ist zum Beispiel für ein überschüssiges Elektron in QW1 nicht der Fall. Die Abwesenheit des entsprechenden Lochs aufgrund des Filterungsvorgangs der Sperrschicht schließt die Möglichkeit einer schnellen Rekombination aus. Das selbe gilt für überschüssige Löcher in QW3. Das Endresultat dieser Dynamik ist eine Anhäufung von Elektron- und Lochpopulationen in den Sammel-QWs. Die gespeicherten Ladungen erzeugen ein elektrostatisches Feld E&sub2;, das die Exciton-Resonanz des aktiven QW2 durch den QCSE moduliert. Ein optischer Strahl λread mit einer Photon-Energie, die auf die Nachbarschaft des QW2-Excitons abgestimmt ist, liest den Effekt des Befehlsstrahls auf die Resonanz über die Veränderungen des Absorptionskoeffizienten und des Brechungsindexes.
  • Bei der Herstellung einer tatsächlichen Vorrichtung sollte das Folgende bedacht werden:
  • (a) Alle gespannten Schichten der Heterostruktur sollten vorzugsweise unterhalb ihrer jeweiligen kritischen Dicke gehalten werden und die Spannung sollte vorzugsweise innerhalb der Periode symmetrisch gestaltet werden. Dies wird die Ausbildung von Gitterfehlstellen vermeiden und eine große Anzahl von Perioden möglich machen.
  • (b) Das piezoelektrische Potential sollte innerhalb einer Periode symmetrisch gestaltet werden, um einen großen Potentialanstieg bei zunehmender Periodenzahl zu vermeiden.
  • (c) Der aktive QW sollte vorzugsweise ungespannt sein und somit ohne ein piezoelektrisches Feld. Die zugrundeliegende Idee hierbei ist, dass eine schnelle Rekombination der Träger im aktiven QW als ein Abfluss der Träger-Population notwendig ist, welches das elektrische Feld, das durch die in den Sammel-QWs gesammelte Ladungsdichten erzeugt wird abschirmen könnte.
  • (d) Die piezoelektrische Sperre, die als ein Quantenfilter agiert, sollte vorzugsweise bei einer Photonenergie absorbieren, die kleiner als das Substrat oder die Abstandsschicht ist, die zwei Perioden trennt. Dies wird die Wirksamkeit durch die Vermeidung von nutzloser Absorption in der Abstandsschicht am größten machen.
  • (e) Der aktive QW sollte vorzugsweise der Grundzustand der ganzen Struktur sein. Dies ist, wie oben ausgeführt wurde, ein Hauptvorteil.
  • Wir geben nun eine genaue Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung, nämlich zwei genaue Halbleiter-Heterostrukturen, die den Anforderungen des vorausgehenden Abschnitts entsprechen und zusätzlich die niedrigste Exciton-Resonanz von 1,55 um besitzen. Eine ist aus III-V-Halbleitermaterial, die andere aus II-VI-Halbleitermaterial. Die beiden Systeme sind auf viele Weise gleich mit der Ausnahme, dass die Höhen der Potentialsperren so beschaffen sind, dass bei der III-V- Heterostruktur die Löcher viel besser gefangen werden als Elektronen, wohingegen bei der II-VI-Vorrichtung das Umgekehrte entritt. Das heißt, dass beim Entwurf der Antwort des Musters für die zwei Systeme verschiedene Strategien verfolgt werden sollten.
  • Die III-V-Vorrichtung ist auf (111)- oder (211)-orientierten InP-Substraten gewachsen. Das Heterostruktursegment enthält viele Wiederholungen der Periode, die in Fig. 2a gezeigt ist. Der aktive QW besteht aus In0,53Ga0,47As mit der gleichen Kristallgitterstruktur wie InP. Seine Dicke ist so eingestellt, dass er die Lesewellenlänge von 1,55 um erzeugt und beträgt typischerweise ≤ 80 Å. Die piezoelektrischen Sperren bestehen aus InAs0,22P0,78 und die Sammel-QWs aus In0,43Ga0,57As. Ihre Kristallgitter-Fehlanpassung zu InP beträgt jeweils + 0,77% und - 0,77% und ihr Bandabstand bei T = 300K jeweils 1,07 und 0,82 eV. Ihre genaue Dicke und ihre genauen Zusammensetzungen sind so gewählt, dass der Anstieg von mechanischer und elektrischer Spannung in einer Periode gleich Null ist. Die kritische Dicke jeder einzelnen Schicht und für ε 0,8% sollte größer als 700 Å sein und das piezoelektrische Feld in einer Größenordnung von 10&sup5; V/cm. Die Diskontinuitätenhöhen des Leitungsbandes betragen von links nach rechts 213, 78 und 123 meV. Für Löcher sind die entsprechenden Werte 307, 172 und 237 mey. Diese Werte sind unter Vernachlässigung der Spannung geschätzt. Der Spannungseffekt in den verbreiterten QWs besteht aus einer Absenkung des Niveaus der Elektronen und schweren Löchern und einer Anhebung des Niveaus der leichten Löcher um etwa 20 mey. Man beachte, dass das Niveau der leichten Löcher der Loch-Grundzustand in den Sammel-QWs ist. Bei den zusammengedrückten piezoelektrischen Sperren geschieht das Umgekehrte. Die Austrittszeiten der Träger aus den Sammel-QWs liefern eine Größenordnung für die Ansprechzeit der Vorrichtung. Wenn man Tunneleffekte für genügend dicke piezoelektrische Sperren vernachlässigt, ist der einzig wirksame Austrittsprozess bei Raumtemperatur thermoionische Emission. Eine Schätzung der Größenordnung der Zeiten für die thermoionische Emission kann wie folgt abgegeben werden: Für eine Dicke des Sammel-QWs von 200 Å und bei kleinen lichterzeugten elektrischen Feldern schätzen wir die Austrittszeit des Elektrons auf 6 ns für das leichte Loch dagegen auf 220 ns. Man beachte jedoch, dass die Austrittszeiten der thermoionischen Emission stark von dem QW und der Sperrendicke abhängen. Zum Beispiel, wenn wir einen QW und eine Sperre von 400 Å annehmen, werden die Austrittszeiten um den Faktor 2000 vergrößert. Damit gibt es eine Möglichkeit, das Zeitverhalten der Vorrichtung entsprechend unserer Anforderungen durch Entwurf abzustimmen.
  • Die II-VI-Einrichtung, wie sie in Fig. 2b gezeigt ist, ist auf (111)- oder (211)-orientierten Cd&sub0;&sub9;&sub6;Zn0,04Te-Substraten aufgewachsen. Das MQW-Segment ist kohärent auf eine 2u dicke Pufferschicht aus Cd0,90Zn0,10Te aufgewachsen. Der aktive QW besteht aus Cd0,50Hg0,50Te mit dem gleichen Kristallgitter wie Cd0,90Zn0,10Te und einem verbotenen Band um 0,75 eV. Die piezoelektrischen Sperren sind aus einigen Hundert A von CdTe und die Sammel-QWs aus einer quarternären Verbindung Gd0,63Zn0,07Hg0,30Te. Die Gitterkonstante von CdTe beträgt 6,48 A und seine Kristallgitter-Fehlanpassung gegenüber Cd0,90Zn0,10Te +0,62%. Die Anwesenheit des Zn Anteils in der quartemären Legierung ist notwendig, um die Gitterkonstante unter die von Cd0,90Zn0,10Te abzusenken und um eine Kristallgitter-Fehlanpassung von -0,62% zu besitzen. Das verbotene Band von CdTe beträgt bei Raumtemperatur 1,51 eV und das der quartemären Verbindung 1,11 eV. Bei Vernachlässigung des Spannungseffektes betragen die Höhen der Diskontinuitäten des Leitungsbandes von links nach rechts 380, 316 und 600 meV. Die entsprechenden Werte für Löcher betragen 100, 84 und 160 meV. Im Vergleich zu dem III-V- Beispiel wurde die Situation umgekehrt: bei II-VI sind die Elektronen besser eingesperrt als die Löcher, das bedeutet größere Träger-Austrittszeiten und größere Ansprechzeiten der Vorrichtung. Wir sollten jedoch nachdrücklich betonen, dass größere Ansprechzeiten auch größere Empfindlichkeit bedeuten, z. B. geringere Laserbetriebsleistungen und sie sollten nicht notwendigerweise als ein Nachteil angesehen werden. Zuletzt beachte man in Fig. 2 das gegensätzliche Vorzeichen des piezoelektrischen Feldes bei gleichem Spannungsvorzeichen bei der III-V-Vorrichtung im Gegensatz zu der II-VI-Vorrichtung. Dies rührt von den unterschiedlichen Vorzeichen der piezoelektrischen Koeffizienten der II-VI-Materialien im Vergleich zu den III-V-Materialien her.
  • Das System von gekoppelten Geschwindigkeitsgleichungen, das unsere Heterostruktur in einem Photoanregungsexperiment im Gleichgewichtszustand beschreibt, lautet wie folgt
  • dn&sub1;/dt = G&sub1; + GB - Cn&sub1;p&sub1; - n&sub1;/τ&sub0; + N&sub1;/τ0h
  • dp&sub1;/dt = G&sub1; -Cn&sub1;p&sub1; - p&sub1;/τ0h + N&sub1;/τ&sub0;
  • dN&sub1;/dt = Cn&sub1;p&sub1; - N&sub1;(1/τR + 1/τ&sub0; + 1/τ0h
  • dn&sub2;/dt = G&sub2; + GB - Cn&sub2;p&sub2; - n&sub2;/τe + N&sub2;/τh
  • dp&sub2;/di = G&sub2; + GB - Cn&sub2;p&sub2; - p&sub2;/τh + N&sub2;/τe
  • dN&sub2;/dt = Cn&sub2;p&sub2; - N&sub2;(1/τR + 1/τe + 1/τh)
  • dn&sub3;/dt = G&sub3; - Cn&sub3;p&sub3; - n&sub3;/τ0 + N&sub3;/τ0h
  • dp&sub3;/dt = G&sub3; + GB - Cn&sub3;p&sub3; - p&sub3;/τ0h + N&sub3;/τ&sub0;
  • dN&sub3;/dt = Cn&sub3;p&sub3; - N&sub3;(1/τR +1/τ&sub0; + 1/τ0h)
  • wobei ni, pi , Ni (i=1, 2, 3) jeweils die Elektron-, Loch- und Excitondichten im i-ten QW darstellen. Die Lichterzeugungs-Trägerdichteraten im i-ten QW sind mit Gi bezeichnet, die in den piezoelektrischen Sperren dagegen mit GB. C ist die bimolekulare Excitonbildungsrate. Die Elektronenaustrittszeit aus einem Sammel-QW ist τ&sub0;, wohingegen die Austrittszeit für leichte Löcher mit τ0h bezeichnet ist. Die Austrittszeiten für Elektronen und schwere Löcher im aktiven QW sind τe und τh. Die Excitonrekombinationszeitkonstante zuletzt ist τR = 1 ns. Man beachte die bevorzugte Anwesenheit des Gs-Terms für Elektronen in QW1 und für Löcher in QW3. Dies ist die Ursache der großen Ladungsdichten, die in den Sammel-QWs gespeichert werden können. Die Austrittszeiten können wie bei dem III-V-Beispiel erklärt grob geschätzt werden. Die numerische Integration der obigen Gleichungen für einen gegebenen Satz von Zeitkonstanten ist eine einfache Aufgabe. Eine ernste Schwierigkeit entsteht jedoch aus der Tatsache, dass diese Austrittszeiten feldabhängig sind.
  • Für die Zwecke des vorliegenden Berichtes ist es lehrreich einen einfachen Fall anzunehmen bei dem τ&sub0; = τ0h und τe = τh ist. Es wird auch angenommen, dass diese Austrittszeiten unabhängig vom elektrischen Feld sind. Dann vereinfachen sich die obigen Gleichungen zu
  • dQ&sub1;/dt = GB - Q&sub1;/τ&sub0;
  • dQ&sub2;/dt = -Q&sub2;/τe
  • dQ&sub3;/dt = GB - Q&sub3;/τ&sub0;
  • wobei Qi = abs(ni - pi ) die Ladungsdichte im i-ten QW darstellt. Es folgt, dass im aktiven QW die Ladungsdichte immer Null ist und dass in den Sammel-QWs innerhalb mehrerer Zeitkonstanten τ&sub0; nach Anschalten des Laserfeldes die Ladungsdichte die Werte Q, = Q&sub2; = GBτ&sub0; erreicht. Unter der Annahme einer einfallenden Laser-Leistungsdichte von 4 W/cm² eines Argonionenlasers schätzen wir die lichterzeugte Trägerladungsdichte in einer 400 A dicken piezoelektrischen Sperrschicht mit einem Absorptionskoeffizienten von 5000 cm&supmin;¹ auf GB = 4 · 10¹&sup7;/scm². Für τ&sub0; = 1 us, Q&sub1; = 4 · 10¹¹/cm². Diese Ladungsdichte induziert ein elektrisches Feld über den aktiven QW von 66 kV/cm.
  • In einem einzelnen piezoelektrischen QW tendieren die lichterzeugten Träger dazu, einen gegenwirkenden Dipol zu bilden, der ein entgegengesetztes abschirmendes elektrisches Feld erzeugt. Dies wurde als eine wirksame Nichtlinearität für Modulationszwecke vorgeschlagen. Es werden jedoch viel größere Leistungsdichten benötigt. Man kann zum Beispiel schließen, dass, um 20% des piezoelektrischen Feldes mit 141 kV/cm abzuschirmen, z. B. um ein elektrisches Abschirmfeld von 25 kV/cm durch Licht zu erzeugen; eine einfallende Leistungsdichte von 3 kW/cm² notwendig ist. Dieser Wert liegt um drei Größenordnungen höher als die, welche wir für die vorliegende Vorrichtung (wenn auch grob) geschätzt hatten. Dies ist sehr wahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass im Falle eines piezoelektrischen QW die abschirmenden Elektron-Loch-Paare pausenlos durch Rekombination in der ns-Zeitachse abgereichert werden. Als eine Konsequenz sind die Anforderungen an Laserleistungsdichten zur Erzeugung genügend hoher Trägerdichten dramatisch gestiegen.

Claims (17)

1. Modulatorvorrichtung für elektromagnetische Strahlung mit einer Halbleiter- Heterostruktur, die ein Substrat und mindestens eine erste Quantum-Well- Schicht (QW2) aus einem ersten Halbleitermaterial und zwei Sperrschichten (B1, B2) aus einem zweiten Halbleitermaterial enthält, von denen sich jeweils eine auf jeder Seite der ersten Quantum-Well-Schicht befindet, wobei die Vorrichtung in der Lage ist, einen ersten Strahl elektromagnetischer Strahlung durch den Einfluss eines elektrischen Feldes E&sub2; senkrecht zu den Schichten (QW2, B1, B2) entsprechend dem Prinzip des Quantum-Confined-Stark-Effekt (QCSE) zu modulieren, wobei die Halbleiter-Heterostruktur so angeordnet ist, dass sie einen zweiten Strahl elektromagnetischer Strahlung absorbieren kann, wodurch Elektronen und Löcher entstehen, die das elektrische Feld E&sub2; bilden, und wobei die Halbleiter-Heterostruktur eine Vorrichtung zum Trennen der Elektronen und der Löcher in entgegengesetzte Richtungen senkrecht zu den Schichten umfasst, wodurch das elektrische Feld E&sub2; entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Trennen der Elektronen und der Löcher ein internes statisches elektrisches Feld E&sub1; senkrecht zu den Halbleiterschichten erzeugt, wobei das interne statische elektrische Feld E&sub1; ein spannungsinduziertes piezoelektrisches Feld in den Sperrschichten ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung aus einer Kristallgitter-Fehlanpassung zwischen dem Material der Sperrschichten und dem Substratmaterial resultiert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin Vorrichtungen (QW1, QW3) zum Sammeln der optisch erzeugten Elektronen und Löcher auf beiden Seiten der Heterostruktur umfasst.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen zum Sammeln der optisch erzeugten Elektronen und Löcher Quantum-Well- Schichten (QW1, QW3) auf beiden Seiten der Heterostruktur sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantum-Well- Schichten (QW1, QW3) verspannt sind, wobei die Spannung aus einer Kristallgitter-Fehlanpassung zwischen den Halbleitermaterial der Quantum-Well- Schichten (QW1, QW3) und dem Substratmaterial resultiert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photonenenergie des zweiten Strahls größer als die Bandabstandsenergie der Sperrschichten ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrigste Exciton-Resonanz der ersten Quantum-Well-Schicht (QW) der Grundzustand der gesamten Heterostruktur ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material jeder Schicht ein zusammengesetzter Halbleiter mit mindestens einem Element aus der Gruppe III der Periodentabelle und mindestens einem Element aus der Gruppe V der Periodentabelle ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahl eine Wellenlänge von 1,55 um hat und das erste Halbleitermaterial InGaAs ist, das zweite Halbleitermaterial InAsP und das Material der Quantum-Well- Schichten (QW1, QW3) InGaAs ist und das Substratmaterial InP ist, wobei die Legierungskonzentrationen und die Schichtdicken der Quantum-Well-, der Sammel- und der Sperrschichten so eingestellt werden, dass das Kristallgitter des ersten Halbleitermaterials zu jenem des Subtratmaterials passt, die niedrigste Exciton-Resonanz der ersten Quantum-Well-Schicht (QW2) 1,55 um beträgt, die Durchschnittsspannung und die piezoelektrische Spannung innerhalb der Elementarperiode Null beträgt und die Dicken aller verspannten Schichten unterhalb ihrer kritischen Werte gehalten werden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleitermaterial GaAs ist, das zweite Halbleitermaterial AlGalnAs (quarternär) ist, das Substratmaterial AlGaAs und das Material der Quantum-Well-Schichten (QW1, QW3) GaAsP ist, wobei die Legierungskonzentrationen und die Schichtdicken der Sammel- und Sperrschichten so eingestellt werden, daß die Durchschnittsspannung und die piezoelektrische Spannung innerhalb der Elementarperiode Null beträgt und die Dicken aller verspannten Schichten unterhalb ihrer kritischen Werte gehalten werden.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material jeder Schicht ein zusammengesetzter Halbleiter mit mindestens einem Element aus der Gruppe II der Periodentabelle und mit mindestens einem Element aus der Gruppe VI der Periodentabelle ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahl eine Wellenlänge von 1,55 um hat und das erste Halbleitermaterial CdHgTe ist, das zweite Halbleitermaterial CdTe und das Material der Quantum-Well- Schichten (QW1, QW3) CdHgZnTe ist und das Substrat aus CdZnTe besteht, wobei die Legierungskonzentrationen und die Schichtdicken der Quantum-Wellder Sammel- und der Sperrschichten so eingestellt werden, dass das Kristallgitter des ersten Halbleitermaterials an das des Subtratmaterials angepasst ist, die niedrigste Exciton-Resonanz der ersten Quantum-Well-Schicht (QW2) 1,55 um beträgt, die Durchschnittsspannung und die piezoelektrische Spannung innerhalb der Elementarperiode Null beträgt und die Dicken aller verspannten Schichten unterhalb ihrer kritischen Werte gehalten werden.
13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heterostruktur in Gestalt eines Wellenleiters implementiert ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Heterostruktur in einem Fabry-Perot-Hohlraumresonator implementiert ist.
15. Verwendung de Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche als ein räumlicher Lichtmodulator mit optischer Steuerung, wobei der zweite Strahl ein Befehlsstrahl ist, der zweidimensionale Bildinformationen enthält oder einzelne Pixel der Vorrichtung adressiert.
16. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14 als eine rein optische lichtbrechende Quantum-Well-Vorrichtung, wobei der zweite Strahl ein Befehlsstrahl ist, der aus Interferenzstreifen besteht und wobei der erste Strahl an den Streifen gebeugt wird.
17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Strahl durch kontinuierliche Wellen- bzw. Impulslaser erzeugt werden.
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