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Diese
Erfindung betrifft einen optoelektronischen Koppler. Zwei Anwendungen
für den
Koppler sind ein optischer Modulator oder ein optischer Detektor.
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Jüngste Fortschritte
in der Technologie führten
zu einer stärkeren
Beachtung des Bereichs der Photonen – jenem Bereich, der die Erzeugung,
Manipulation, Modulation und Detektion von Licht und optischen Wellen
betrifft, wobei die Begriffe Licht und optisch so verstanden werden,
dass sie die ultravioletten, sichtbaren, nah-infraroten und mittelinfraroten
Bereiche (bis zu Wellenlänge
von etwa 15 µm)
des elektromagnetischen Spektrums betreffen. Entsprechend ergab
sich ein zunehmendes Interesse in photonischen Geräten.
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Optische
Modulatoren, die die Eigenschaften von auf sie einfallenden optischen
Wellen modulieren und Detektoren, die die Stärke von einfallenden Wellen
erfassen, sind zwei fundamentale Bauelemente für fast alle photonischen Systeme.
Beispielsweise werden optische Fasern mit jedem Tag vorherrschender,
und in einem solchen System wird Information durch Codierung der
Information auf einen Lichtstrahl, Übertragen des Lichtstrahls
zu dem Empfänger
und Decodieren des empfangenen Strahls kommuniziert. Die Codierung
kann erreicht werden, indem eine konstante -Lichtquelle verwendet
wird, die durch einen optischen Modulator moduliert wird, und ein
Detektor ist erforderlich, um den empfangenen Strahl zu decodieren.
Als ein weiteres Beispiel sind Computer, da sie immer leistungsfähiger werden,
eher Nachrichten-begrenzt als Prozessor begrenzt. D.h., der Flaschenhals
der Computergeschwindigkeit tendiert dazu, mehr und mehr in der
Zeit zu liegen, die benötigt
wird, um zwischen verschiedenen Teilen des Com puters Nachrichten
zu übermitteln,
als in jener Zeit, die benötigt
wird, um Berechnungen durchzuführen.
Eine mögliche
Lösung
besteht darin, anstelle von elektronischen Zwischenverbindungen
optische Zwischenverbindungen zu nutzen, da die Photonen-Technologie
potentiell einen großen
Geschwindigkeitsvorteil bietet. Bei einer solchen Vorgehensweise
können
optische Modulatoren und Detektoren verwendet werden, um Bits im
Wesentlichen in derselben Weise wie in Fasersystemen zu codieren
und zu decodieren. Ein letztes Beispiel sind das Auftreten der Massenspeichergeräte und der
Kommunikationskanäle
mit hoher Bandbreite, die unserer Gesellschaft ermöglichen,
zu einer Bild-basierten Nachrichtenübertragung überzugehen, die explosionsartige
Erhöhung
der Anzahl von Faxgeräten
und die Menge der Fernsehprogramme zu nennen, und das Darstellen
und das Einfangen dieser Bilder benötigt sowohl Modulatoren als
auch Detektoren. In einem Faxgerät
können
Detektoren verwendet werden, um das Bild auf der Senderseite einzufangen,
während
Modulatoren verwendet werden können,
um das Bild auf der Empfängerseite
mit Laserdruckern wieder herzustellen. Detektoren und Modulatoren
können ähnliche
Rollen bei der Fernsehübertragung
spielen. Als eine direkte Folge dieser technologischen Fortschritte
besteht eine ständig
wachsende Nachfrage nach diesen Geräten und nach Verbesserungen
dieser Geräte.
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Geräte wie beispielsweise
Detektoren und Modulatoren, die die Lücke zwischen Elektronen und
Photonen überbrücken, müssen auf
fundamentalen physikalischen Phänomenen
beruhen. Im Kontext dieser Erfindung sind die zugrunde liegenden
Phänomene
primär
die Kopplung von optischen Wellen miteinander, das Anlegen oder
Erfassen von elektronischen Effekten durch Elektroden, und die Wechselwirkung
von Photonen und Elektronen in speziellen Materialsystemen, wie
beispielsweise Halbleitern oder elektro-optischen Materialien. Fortschritte
bei diesen Geräten
hängen
daher zum großen
Teil entweder von Entwürfen
ab, die die grundlegenden physikalischen Effekte verstärken, oder
von praktischen Fortschritten, beispielsweise Fort schritten bei
den Gerätekosten,
der Zuverlässigkeit,
der Herstellung, der Bedienfreundlichkeit, usw.
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Beschreibung
der zugrunde liegenden Technik
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Da
die Erfindung im Schnittbereich verschiedener Felder liegt, kann
die zugrunde liegende Technik ebenfalls in unterschiedliche Bereiche
unterteilt werden. Zur Vereinfachung werden vollständige Literaturangaben
in dem letzten Abschnitt der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
gesammelt.
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Ein
Bereich der zugrunde liegenden Technik betrifft den Entwurf von
Gittern zur Kopplung zwischen optischen Wellen. Beispielsweise beschreiben
Maystre et al., "On
a General Theory of Anomalies and Energy Absorption by Diffraction
Gratings and Their Relation with Surface Waves", Optica Acta, 25, 905-915 (1978); Magnusson
R. und Wang S.S., "Optical
Guided-mode Resonance Filter",
U.S.-Patent Nr. 5,216,680 (1. Juni, 1993); Delort T. und Maystre
D., "Finite Element
Method for Gratings",
J. Opt. Soc. Am. A., 10, 2592 (1993); sowie Vincent P., "Integral Equation
Computation of Bump Grating Efficiencies in TE Polarization ", J. Opt. Soc. Am.
A., 10, 444 (1993) Vorgehensweisen, anhand welcher die detaillierten
optischen Eigenschaften der hier beschriebenen Strukturen berechnet
werden können.
Die Beschreibungen sind vollständige
elektromagnetische Behandlungen und enthalten die Anregung von Oberflächen-Plasmonen,
die intern total reflektiert (TIR: total-internal-reflection) geführten Wellen
und abklingende bzw. quer gedämpfte
Oberflächenwellen.
Zur Vereinfachung wird der Begriff lokale Welle verwendet, um diese
drei Typen von Wellen zu bezeichnen. Campbell P., "Enhancement of Light
Absorption from Randomizing and Geometric Textures", J. Opt. Soc. Am.
B., 10, 2410 (1993) beschreibt theoretisch die Verstärkung der
Lichtabsorption in texturierten Oberflächen unter Verwendung eines
geometrischen Ansatzes. Sambles J.R. et al., "Optical Excitation of Surface Plasmons:
An Introduction",
Contemporary Physics, 32, 173-183 (1991) beschreibt die allgemeine
Theorie der optischen Anregungen von Oberflächen-Plasmonen einschließlich der
Verwendung von periodischen Strukturen, Bryan-Brown G.P. et al.,"Coupled Surface Plasmons
on Silver Coated Gratings",
Optis Communications, 82, 1 (1991) beschreibt die Kopplung der Oberflächen-Plasmonen
untereinander. Während
die Lehren dieser Schriften benutzt werden können, um bestimmte Aspekte
der vorliegenden Erfindung zu entwerfen, sind die Schriften ihrerseits
hauptsächlich
auf die reine optische Kopplung von Wellen über statische Strukturen gerichtet. Das
Thema des dynamischen Betriebs dieser Geräte sowie elektrische Aspekte
sind unbefriedigend angesprochen.
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Es
gibt Geräte,
die sowohl auf der Kopplung von optischen Wellen als auch einer
gewissen elektrischen Funktionalität beruhen. Ein Anwendungsbereich
ist der von Wellenleiter-Modulatoren.
Simon H.J. und Lee C.H., "Electro-Optic
Total Internal Reflection Modulation", Optics Letters, 13, 440 (1988) und
Caldwell M.E. und Yeatman E.M, "Recent
Advances in Surface Plasmon Spatial Light Modulators", SPIE Proceedings:
Optics for Computers-Architectures and Technologies, 1505, 50 (1991)
beschreibt die dynamische Kopplung zwischen einer zu dem Gerät externen
Welle und einer TIR geführten
Welle bzw. einem Oberflächen-Plasmon. Die
Kopplung wird jedoch durch Prisma-Kopplung oder eingeschränkte interne
Totalreflektion-Kopplung
erzielt, was verschiedene praktische Nachteile im vergleich zu der
Vorgehensweise der in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Gitterkopplung
hat. Im Bereich der Gittermodulatoren lehren sowohl Evans A.E und
Hall D.G., "Propagation
Loss Measurements in Silicon-on-Insulator Optical Waveguides Formed
by Bond-and-Etchback Process",
Applied Physics Letters, 59, 1677-1669 (1991) als auch Collins R.T.
et al., "Optical
Modulator", U.S.-Patent
Nr. 4,915,482 (10. April 1990) die Verwendung eines Gitters, um
zwischen optischen Wellen zu koppeln, und ferner wird die Kopplungseffizi enz
durch Variieren einer über
einen Teil der Struktur angelegten Spannung moduliert. Das gesamte
Gitter wird jedoch auf einem einzigen Potential gehalten, und die
Spannungsdifferenz wird zwischen dem Gitter und einem anderen Teil
der Struktur, typischerweise der Masse eines Substrats, angelegt.
Dies ist inakzeptabel, da das Bilden der Elektroden auf diese Weise
und das Anlegen einer Spannung über
die Masse des Gerätes
zu einer langsamen Betriebsgeschwindigkeit des Geräts führt. Eine ähnliche
Situation ergibt sich bei Magnusson R. und Wang S.S., "Optical Guided-mode
Resonance Filter",
U.S.-Patent Nr. 5,216,680 (1. Juni 1993); Wang S.S. und Magnusson
R., "Theory and
Applications of Guided Mode Resonance Filters", Applied Optics, 32, 2606 (1993); und
Rosenblatt D., "Distributed Resonant
Cavity Light Beam Modulator",
U.S.-Patent Nr. 5,157,537 (20. Oktober 1992). Diese lehren die Verwendung
eines Gitters als ein Kopplungsgerät und schlagen Verfahren zum
elektrischen Variieren der optischen Eigenschaften des Gitters vor.
Wie vorstehend diskutiert sind die Elektroden jedoch nicht für einen schnellen
Betrieb des Gerätes
ausgelegt. Ferner wird häufig
eine zusätzliche
Struktur benötigt,
um die elektrische Funktion zu erreichen, was zu einem komplizierteren
Gerät führt. In
diesem Bereich von Detektoren hat Brueck S.R.J. et al., "Enhanced Quantum
Efficiency Internal Photoemission Detectors by Grating Coupling
to Surface Plasma Waves",
Applied Physics Letters, 46, 915 (1985) die Verwendung von Gittern
zum Koppeln von einfallendem Licht auf das aktive Gebiet des Detektors
untersucht, wodurch die Quanteneffizienz des Detektors erhöht wird.
Wie in den oben diskutierten Geräten
ist die zum Erfassen des erzeugten Fotostroms verwendete Elektrodenstruktur
jedoch nicht ausgelegt, einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Gerätes zuzulassen.
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Ein
anderes Gebiet der zugrunde liegenden Technik ist das allgemeine
Gebiet optischer Modulatoren. Als ein repräsentativer Auszug der allgemeinen
Literatur lehren Lentine A.L. et al., "Symmetric Self-Electro-optic Effect
Device: Optical Set-Reset Latch, Differential Logic Gate, and Differential Modulator
Detector", IEEE J.
Quantum Electronics, 25, 1928 (1989); Pezeshki B. et al., "Optimization of Modulation
Ratio and Insertion Loss in Reflective Electroabsorption Modulators", Applied Physics
Letters, 57, 1491 (1990); Treyz G.V. et al., "GaAs Multiple Quantum Well Waveguide
Modulators on Silicon Substrates",
Applied Physics Letters, 57, 1078 (1990); und Xiao X. et al.,"Fabry-Perot Optical
Intensity Modulator at 1,3 µm
in Silicon", IEEE
Photonics Technology Letters, 3, 230 (1991) sämtlich Typen von optischen
Modulatoren, die nicht direkt mit der vorliegenden Erfindung in
Beziehung stehen. Insbesondere unterscheiden sie sich von der vorliegenden
Erfindung in wenigstens einem der folgenden Gesichtspunkte. Zunächst sind
einige der Geräte
aufgrund der verwendeten Elektrodenstruktur unbefriedigend langsam.
Zweitens beruhen einige nicht auf der Kopplung von optischen Wellen.
Drittens kombiniert keines der Geräte die schnelle Elektrodenstruktur
und das optische Kopplungsgerät
in einer einzigen Struktur. Schließlich basieren viele der Geräte nicht
auf VLSI Fabrikationstechniken und können insofern nicht von der
bestehenden Herstellungsbasis profitieren und können nicht so einfach in andere
VLSI Schaltungen integriert werden.
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Ein
letztes Gebiet der zugrunde liegenden Technik ist die Verwendung
von speziell angepassten Elektroden. Im Modulatorbereich wurden
verschränkte
Elektroden verwendet, um Spannungsmuster über elektro-optischen Materialien
anzulegen. Alferness R.C., "Waveguide
Electro-optic Modulators",
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-30, 1121
(1982) und Hammer J.M. et al., "Fast
Electro-optic Waveguide Deflector Modulator", Applied Physics Letters, 23, 176 (1973)
lehren die Verwendung solcher Elektroden, um die optischen Eigenschaften
eines Wellenleiters zu modulieren, wobei die sich ergebenden Variation
in dem Wellenleiter die Kopplung eines Wellenleitermodus mit einem
anderen steuern. In diesen Fällen koppeln
die Elektroden die zwei Moden jedoch nur indirekt und die Einschränkung, dass
beide Moden interne Moden des Wellenleiters sind, macht diesen Ansatz
ungeeignet für die
Anwendungen der vorliegenden Erfindung. Spezialisierte Elektrodenstrukturen
wurden auch in Detektoren, insbesondere Metall-Halbleiter-Metall (MSM)
Detektoren, verwendet, um die Geschwindigkeit dieser Geräte zu erhöhen. Als
Beispiele siehe Alexandrou S. et al., "A 75 GHz Silicon Metal-Semiconductor-Metal Schottky Photodiode", Applied Physics
Letters, 62, 2507 (1993); Bassous E. et al., "A High-Speed Silicon Metal-Semiconductor-Metal
Photodetector Fully Integrable with (Bi)SMOS Circuits", International Electron
Devices Meeting 1991, Technical Digest, 187-190 (1991);
Chou S.Y. und Liu M.Y., "Nanoscale
Tera-Hertz Metal-Semiconductor-Metal Photodetectors, IEEE J. Quantum
Electronics, 28, 2358 (1992); Klingenstein M. et al., "Ultrafast Metal-Semiconductor-Metal
Photodiodes Fabricated on Low-Temperature GaAs", Appl. Phys. Lett., 60, 627 (1992);
und Soole J.B.D. und Schumacher H., "InGaAs Metal-Semiconductor-Metal Photodetectors
for Long Wavelength Optical Communications", IEEE J. Quantum Electronics, 27, 737
(1991). Ghioni M. et al., "A
High-Speed VLAI-Compatible
Photodetector for Optical Data Link Applications", Private Communication, (1994) verwendet
ebenfalls spezialisierte Elektroden in einer Nano-Detektionsstruktur
basierend auf einer lateralen Reihe von PIN Dioden. In keinem dieser Geräte sind
die Elektroden zur Kopplung der einfallenden optischen Welle mit
einer lokalen Welle in dem aktiven Gebiet des Detektors ausgelegt,
was zu einer signifikanten Erhöhung
der Effizienz führen
würde.
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Ein
optischer Modulator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1 ist aus U.S. 3,804,489 bekannt. Dieses Dokument offenbart ebenfalls
ein Modulationsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 21.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung ist in den unabhängigen
Ansprüchen
definiert. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die Mehrzahl der Elektroden im Wesentlichen planare,
metallische, verschränkte
Elektroden, die erste Finger und zweite Finger enthalten. Die Elektroden
sind ferner dazu ausgelegt, eine Potential-Differenz zwischen den
ersten Fingern und den zweiten Fingern zu ermögliche. Darüber hinaus ist die den Elektroden
zugeordnete Struktur ein im Wesentlichen planares Siliziumsubstrat,
das die Elektroden kontaktiert. Die lokale Welle ist ein Oberflächen-Plasmon,
welches durch die Metallelektroden und das Siliziumsubstrat getragen
wird. Der Brechungsindex des Siliziums kann durch Variieren der Potential-Differenz über den
ersten und zweiten Fingern der Elektroden geändert werden.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
sind die Elektroden, wie in dem vorhergehenden Absatz, Metallelektroden
und die den Elektroden zugeordnete Struktur enthält, wie oben beschrieben, ein
Siliziumsubstrat. Das Substrat kontaktiert jedoch nicht die Elektroden.
Stattdessen bilden p-dotierte Halbleiter-Gebiete den Kontakt zwischen
den ersten Fingern und dem Substrat, während n-dotierte Halbleiter-Gebiete
dieselbe Funktion für
die zweiten Fingern ausüben.
Die lokale Welle ist eine intern total reflektierte, geführte Welle
und der Brechungsindex des Siliziums kann wie vorher beschrieben
geändert
werden.
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Gemäß anderen
Ausführungsbeispielen
kann die Erfindung konfiguriert sein, um einfallendes Licht zu modulieren
oder zu detektieren.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1A ist ein Seitenquerschnitt
eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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1B ist eine Draufsicht auf
das Ausführungsbeispiel
der 1A;
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2A ist eine Darstellung
eines Ausgangs einer Faser als die externe Welle;
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2B ist eine Darstellung
eines geführten
Modus einer Faser als die externe Welle;
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3 ist ein Querschnitt eines
Drei-Schichtdielektrischen Wellenleiters;
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4 ist ein Querschnitt eines
metallisch-dielektrischen Wellenleiters;
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5A-5B sind Schaubilder des
reflektierten Signals über
dem Einfallswinkel zur Darstellung des resonanten Verstimmens;
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6A-6B sind Energiediagramme
für ein
Metall-Halbleiter-Metall
Gerät;
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7A-7C sind Darstellungen
von Plasmon-Mode-Profilen in einem asymmetrischen Gerät;
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7D-7E sind Darstellungen
von Plasmon-Mode-Profilen in einem symmetrischen Gerät;
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8 ist ein Querschnitt eines
anderen Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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9A-9B sind Darstellungen
weiterer Ausführungsbeispiele
der Erfindung;
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10 ist ein Querschnitt eines
weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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11A ist eine Darstellung
der als ein reflektiver Modulator verwendeten Erfindung;
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11B ist eine Darstellung
der als ein transmittiver Modulator verwendeten Erfindung; und
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12 ist eine Darstellung
der als ein Detektor verwendeten Erfindung.
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Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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1. Einleitung
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird mit Hilfe der 1A bis 1B erläutert. In 1A strahlt eine externe Lichtquelle 10 auf
ein Metallgitter 12. Die externe Welle 10 kann
auf verschiedenen Wegen erzeugt werden. Beispielsweise kann die
externe Welle von einer separaten Quelle erzeugt werden und sich
dann durch ein homogenes Medium zu der Erfindung ausbreiten, wie
dies der Fall sein kann, wenn die Erfindung verwendet wird, um die
separate Quelle zu modulieren. In dem Fall von optischen Zwischenverbindungen
kann die Welle in alternativer Weise von optischen Elementen, wie
beispielsweise einer Linse oder einem Linsen-Array, Spiegeln, diffraktiven
optischen Elementen oder einem Computererzeugten Hologram auf die
Erfindung gerichtet werden. Wie in den 2A bis 2B gezeigt,
können
auch Fasern verwendet werden, um die externen Wellen zu erzeugen.
In 2A wird die externe
Welle 10 von einer optischen Faser 13 auf das Gitter 12 gerichtet.
In einem interessanten Ausführungsbeispiel,
in welchem das Gerät
zur Modulation einer reflektierten Welle 18 verwendet wird,
kann dieselbe Faser 13 verwendet werden, um die externe
Welle 10 zu erzeugen und die reflektierte Welle 18 wieder
aufzufangen. In 2B ist
die externe Welle 10 eine geführte Welle der Faser 13 und
die Umhüllung 13A der
Faser 13 kann teilweise entfernt sein, um dem Gitter 12 zu ermöglichen,
die Welle aus dem Kern 13B aus zu koppeln. Die Bedeutung
des Begriffs externe Welle soll Wellen, die von solchen Mitteln
erzeugt werden, beinhalten, aber nicht auf solche Wellen beschränkt sein.
Der Begriff schließt
im Besonderen geführte
Wellen, wie beispielsweise TIR geführte Wellen und Oberflächen-Plasmonen,
die von der erfindungsgemäßen Struktur,
wie sie später
beschrieben wird, geführt
werden, aus. Darüber
hinaus soll 1A die Erfindung
nicht auf eine bestimmte räumliche
Beziehung zwischen der externen Welle 10, dem Gitter 12 und
dem Substrat 14 beschränken,
die in diesem Ausführungsbeispiel
den restlichen Teil des Geräts
darstellen. Beispielsweise ist in 1A die
externe Welle 10 so dargestellt, dass sie auf das Gitter 12 und
dann auf das Substrat 14 trifft. Es ist für die Welle 10 jedoch
genau so gut möglich,
sich von der Substratseite anzunähern
und infolgedessen auf das Substrat 14 und dann auf das
Gitter 12 aufzutreffen. Andere räumlichen Kombinationen, insbesondere
im Hinblick auf die später
beschriebenen komplexeren Ausführungsbeispiele,
sind für
den Fachmann ersichtlich.
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Das
Gitter 12 ist auf der Oberfläche eines Siliziumsubstrats 14 gefertigt
und der Übergang
zwischen dem Gitter 12 und dem Substrat 14 ist
in der Lage, ein Oberflächen-Plasmon 16 zu
unterstützen,
das sich entlang der zwei Strukturen ausbreitet. Die externe Welle
wird durch das Gitter 12 in reflektierte Wellen 18 und transmittierte
Wellen 20 sowie das Oberflächen-Plasmon 16 eingekoppelt.
Obgleich diese Wellen durch einzelne Pfeile angegeben sind, versteht
sich, dass sie eine Anzahl von Wellen, die beispielsweise verschiedenen Brechungsordnungen
entsprechen können,
sein können.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
arbeitet jeder Streifen des metallischen Gitters 12 ebenfalls
als eine Elektrode. Die Elektroden 12 sind in einer verschränkten Weise
elektrisch miteinander verbunden, wobei sie erste und zweite Finger 22, 24 bilden
und die elektrische Funktion des Geräts durch diese Finger erreicht
werden kann. Beispielsweise kann eine Spannung über benachbarte Elektroden 12 angelegt
werden, oder der zwischen benachbarten Elektroden fließende Strom
kann erfasst werden. Diese Elektrodenanordnung ermöglicht einen
schnellen elektrischen Betrieb des Gerätes, während er die optische Kopplungsfunktion
aufrechterhält.
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Dieses
und der Großteil
der folgenden Ausführungsbeispiele
kann mittels dem Fachmann bekannter Techniken hergestellt werden.
Derartige Techniken sind in Standardquellen, wie beispielsweise
Mayer J.W. und Lau S.S., Electronic Materials Science for Integrated
Circuits in Silicon and Gallium Arsenide, New York: McMillan (1990)
und Sze S.M., VLSI Technology, New York: McGraw-Hill Book Co., (1988),
beschrieben. Von den für
die Herstellung der verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele erforderlichen
Schritten wird häufig
die Fotolithographie der anspruchsvollste Schritt sein. Für einige
Anwendungen kann die konventionelle optische Lithographie eingesetzt
werden. In einigen Fällen
werden die kritischen Dimensionen des Gerätes (beispielsweise die Breite
der Elektroden 12) so klein sein, dass andere Lithographietypen,
wie beispielsweise Elektronenstrahl-Lithographie oder X-Strahl-Lithographie, erforderlich
werden. Für
den Rest dieser Offenbarung werden die Verfahren zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele
aus Gründen der
Kürze der
Darstellung weggelassen, außer
in denjenigen Fällen,
in welchen der Fachmann nicht mit der erforderlichen Herstellungsweise
vertraut sein würde.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
des als Modulator betriebenen Gerätes kann die reflektierte Welle 18 als
die Ausgangswelle verwendet werden. Die reflektierte Welle 18 wird
zu Darstellungszwecken gewählt.
Die transmittierte Welle 20 oder die lokale Welle 16 können ebenfalls
als Ausgangswelle gewählt
werden. Die Stärke
der Ausgangswelle kann durch Variieren der Effizienz, mit welcher
die einfallende Welle 10 in die verschiedenen Moden 16, 18, 20 koppelt,
moduliert werden. Eine Spannungsdifferenz 26 wird über die zwei
Sätze von
Fingern 22, 24 angelegt, wodurch ein elektrisches
Feld in dem Substrat 14 erzeugt wird. Durch Variieren der
Spannungsdiffe renz 26 kann das elektrische Feld und infolgedessen
der Brechungsindex des Substrats 14 geändert werden, wodurch sich
die Kopplungseffizienz zwischen der Eingangswelle 10 und
der Ausgangswelle 18 ändert.
Der spezielle Mechanismus, der die Änderung des Brechungsindex
bewirkt, arbeitet folgendermaßen.
In dem Siliziumsubstrat 14 wird Licht absorbiert und erzeugt
Elektron-Loch-Paare, die den Brechungsindex über den Freie-Ladungsträger Plasma-Effekt ändern. Die
angelegte Spannung 26 kann verwendet werden, um die Elektron-Loch-Paare
aus dem Substrat 14 heraus zu reißen, wodurch sowohl die Anzahl
der verbleibenden Elektron-Loch-Paare als auch der sich ergebende
Indexwechsel variiert werden. Für eine
detaillierte Diskussion von Verfahren, bei welchen ein angelegtes
Feld eine Änderung
des Brechungsindexes in Silizium bewirkt, wird auf Soref R.A. und
Bennett B.R., "Electro-opticel
Effects in Silicon",
IEEE J. Quantum Electronics, QE-23, 123 (1987), verwiesen.
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Die
Erfindung kann auch zur Detektion von Licht verwendet werden. In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Spannung 26 verwendet, um ein elektrisches Feld
in dem Substrat 14 aufzubauen. Das einfallende Licht 10 erzeugt
dann Elektron-Loch-Paare und dieser Effekt wird aufgrund der Kopplung
mit dem Oberflächen-Plasmon 16 verstärkt. Als
ein Ergebnis des elektrischen Feldes werden die erzeugten Elektron-Loch-Paare von dem
Substrat 14 zu dem Gitter/der Elektrode 12 mitgerissen,
und die Stärke
des einfallenden Lichtes kann durch eine Messung des zwischen den
Fingern 22, 24 fließenden Stroms bestimmt werden.
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Während die
obige Diskussion ein bestimmtes Ausführungsbeispiel offenbart, versteht
sich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
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Die
folgenden Kapitel diskutieren die Erfindung detaillierter. Insbesondere
diskutiert das nächste
Kapitel verschiedene Aspekte betreffend lokalen Wellen, von denen
das Oberflächen-Plasmon 16 einen
Typ darstellt. Es werden verschiedene Typen von lokalen Wellen,
die erforderlichen Bedingungen um lokale Wellen zu unterstützen bzw.
zu tragen, Erfordernisse für
die Kopplung zwischen einer externen Welle und einer lokalen Welle
und nicht-lineare Effekte betrachtet. Das folgende Kapitel diskutiert
verschiedene Verfahren betreffend die Verwendung der Erfindung als
ein Modulator. Grundlegende physikalische Phänomene werden zuerst beschrieben,
gefolgt von bestimmten Ausführungsbeispielen
basierend auf Metall-Halbleiter-Metall (MSM) Strukturen und lateralen
p-i-n (LPIN) Strukturen. Andere potentiell signifikante Effekte,
wie beispielsweise ein Erwärmung
und mögliche
Betriebswellenlängen,
werden ebenfalls betrachtet. Dann folgt das Kapitel über die
Verwendung der Erfindung als ein Detektor. Die beiden letzten Kapitel
sind allgemeine Darstellungen einiger Anwendungen der Erfindung
und eine Liste der Literaturangaben.
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2. Lokale Wellen
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In
diesem Kapitel werden zunächst
verschiedene Typen von lokalen Wellen und die für das Tragen derselben erforderlichen
Strukturen diskutiert, gefolgt von Erfordernissen von Gitterkopplern,
die verwendet werden, um zwischen einer externen Welle und einer
lokalen Welle zu koppeln. Schließlich werden nicht-lineare
Effekte der lokalen Welle betrachtet.
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2.1 Typen von lokalen Wellen
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In
einem optischen Wellenleiter kann sich Licht aufgrund der internen
Totalreflektion (TIR) oder der Erzeugung einer Oberflächen-Plasmon-Mode,
wie in Tamir T., ed., Integrated Optics, Berlin: Springer-Verlag (1993)
beschrieben, über
weite Bereiche innerhalb eines begrenzten Gebietes ausbreiten. In 3 ist ein dreischichtiges
Dielektrikum dargestellt, das eine TIR Mode prägt bzw. unterstützt. Die
lokale Welle breitet sich, wie durch den Pfeil angedeutet, primär in dem
Film 28 aus, und der Brechungsindex des Films 28 muss
höher als
jener der beiden Abdeckungen 30A, 30B sein, damit
die lokale Welle in dem Film eingeschränkt bzw. begrenzt ist. Der
Begriff TIR betrifft das Strahlverfolgungsmodell (ray trace model)
für in
dem Film sich ausbreitende lokale Wellen. In diesem Modell fallen
Strahlen, die geführten
Moden entsprechen, sowohl auf den Film 28 – Abdeckung 30A, 30B Übergang
unter einem Winkel größer als
der kritische Winkel auf und werden intern in den Film 28 total
zurückreflektiert.
Die Kurve 34 zeigt ein typisches elektrisches Feld für eine TIR-Mode
niedriger Ordnung. Die TIR-Mode ist diejenige Mode, die Wellenleitern
wie beispielsweise optischen Fasern, in welchen der Kern der Faser
dem in 3 dargestellten
Film 28 entspricht und die Umhüllung den Abdeckungen 30A, 30B entspricht,
zugeordnet ist.
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Ein
anderer Typ lokaler Wellen verwendet eine Oberflächen-Plasmon-Mode (oder TM Oberflächenwelle),
um elektrische Energie, wie in 4 dargestellt,
auszubreiten. In dieser Mode bereitet sich das Feld entlang eines
einzelnen Übergangs
zwischen einem Metall 36 und einem Dielektrikum 38 aus,
wie dies durch den Pfeil dargestellt ist. Die Kurve 40 zeigt
ein typisches Magnetfeldprofil für
ein Oberflächen-Plasmon.
Eigenschaften von Oberflächen-Plasmonen
umfassen eine hohe Feldlokalisierung und große Ausbreitungsverluste hauptsächlich aufgrund
von Absorptionsprozessen in dem Metallgebiet. Bevorzugte Metalle
umfassen Aluminium, Gold und Silber. Damit die Oberflächen-Plasmon-Mode
existiert, muss das Metall und das Dielektrikum die folgende Bedingung
erfüllen Re{ [EM ES/(EM + Es]½}> Re {ES ½} (1)wobei EM die komplexe dielektrische Konstante des
Metalls und ES jene des Dielektrikums ist.
Die Oberflächen-Plasmon-Oszillationen, die
durch eine Elektrode des in 1A dargestellten
Typs unterstützt
werden, haben etwas andere Anregungsbedingungen, da die Elektrode
keine durchgängige
Lage wie das Metall 36 der 4 ist.
Dennoch ist die Anregungsbedingung in beiden Fällen ähnlich.
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Licht
kann auch in abklingende Oberflächen-Moden
gekoppelt werden, und TIR Oberflächen-Plasmonen,
abklingende Oberflächen-Moden
oder jede Kombination dieser Typen ist zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung geeignet. In den nachstehend offenbarten bevorzugten Ausführungsbeispielen
wird die lokale Welle entweder eine TIR oder eine Oberlächen-Plasmon-Mode sein.
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Da
es wünschenswert
ist, den elektronischen Schaltkreis auf demselben Substrat wie die
Erfindung zu integrieren, umfassen Kanditaten-Materialien Gruppe
IV Systeme, III-V Systeme und II-VI Systeme im Allgemeinen und Silizium,
Silizium-Karbid, AlGaAs und InGaAsP Verbindungen im Besonderen.
Der Großteil
der Ausführungsbeispiele
wird im Zusammenhang mit Silizium diskutiert. Die Erfindung ist
jedoch nicht auf diese Materialien beschränkt, und Ausführungsbeispiele
basierend auf Materialien wie beispielsweise elektro-optische Materialien,
elektro-optische Polymere und damit zusammenhängende organische Materialien
oder Fotorefraktive liegen im Umfang dieser Erfindung.
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2.2 Wellenleiterkopplung
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Gemäß der Erfindung
wird die externe Welle mit einer lokalen Welle gekoppelt. Um dies
zu erreichen, muss der Wellenvektor des einfallenden Lichts, k,
phasenangepasst zu β,
dem Realteil des Ausbreitungswellenvektors der lokalen Welle, sein.
Dies wird durch das Gitter und die Phasenanpassungsbedingung
erreicht, wobei Θ der resonante
Eingangskopplungswinkel ist, T die Gitterperiode ist und m eine
ganze Zahl ist, die die zu der lokalen Welle gekoppelte Beugungsordnung
repräsentiert.
Beispielsweise wird die Beugung erster Ordnung des Gitters mit dem
Wellenleiter koppeln, sofern |m| = 1 und die zweite Ordnung wird
koppeln wenn |m| = 2. In manchen Anwendungen kann das Licht vorzugsweise
senkrecht mit Θ =
0 auf die Elektroden einfallen. Bei der vorliegenden Erfindung wird
das benötigte
Gitter durch die Anordnung der Elektroden gebildet. Da die Gitterperiode
typischerweise der Größenordnung
einer Wellenlänge
entspricht, wird die Breite der Elektroden ebenfalls typischerweise
von der Größenordnung
einer Wellenlänge
sein. Beispielsweise wird im Nah-Infrarotgebiet die Elektrodenbreite
typischerweise von der Größenordnung
von einigen 10fachen eines Mikrometers sein.
-
Während die
Gleichung 2 von einem Gitter einer konstanten Periode ausgeht, kann
das Kopplungsgerät
in der Realität
a-periodisch sein. Wenn die externe Welle beispielsweise in ihrer
Intensität
oder in ihrem Phasenprofil irregulär bzw. ungleichmäßig ist,
die Elektroden auf einem nicht-planaren Substrat liegen oder die benötigte Kopplungseffizienz
mit dem Ort variiert, können
die Elektroden in einem regulären
Muster angeordnet sein, das nicht vollständig periodisch ist.
-
Es
besteht eine symmetrische Beziehung zwischen der Kopplung in einen
Wellenleiter hinein und aus ihm heraus. Genauer koppelt ein Gitter
Energie sowohl aus einem Wellenleiter heraus als auch in einen Wellenleiter
hinein, und diese Kopplung ist nicht 100% effizient. D.h., dass
es typischerweise mehrerer Wechselwirkungen zwischen einer Welle
und einem Gitter bedarf, bevor eine signifikante Lichtmenge entweder
in oder aus dem Wellenleiter gekoppelt ist. Die Kopplungseffizienz
des Gitters hängt.
ferner von einer Anzahl anderer Faktoren ab: Der Geometrie des Gitters
und des Wellenleiters, dem Profil des einfallenden Strahls und den Brechungsindizes
der verwendeten Materialien, um einige der Faktoren zu nennen. Durch Ändern jedes
dieser Faktoren kann die Kopplungseffizienz variiert werden.
-
2.3 Nicht-lineare Effekte
-
Mit
dem Thema der Gitterkopplung stehen Effekte, die dem Verhalten des
Systems aufgrund von nicht-linearen Prozessen auferlegt werden,
in Beziehung. In dem Zusammenhang mit dieser Erfindung betrifft der
primäre
nicht-lineare Prozess Änderungen
in dem Brechungsindex aufgrund der freien Ladungsträgerdichte
und/oder Temperaturänderungen
in einer Halbleiterbasierten Materialstruktur. Diese Effekte sind
in Prelewitz D.F. und Brown T.G., "Optical Limiting and Free-Carrier Dynamics
in a Periodic Semiconductor Waveguide", J. Opt. Soc. Am. B., 11(2), 304-312
(1994) beschrieben. Der nicht-lineare Brechungsindex kann in der Form
dargestellt werden, wobei
nO der lineare Brechungsindex ist, N
c die
Dichte der freien Ladungsträger
ist, T die Temperatur ist und Δ der
nicht-linear Beitrag zu dem Brechungsindex ist. Änderungen in N
c und
T treten hauptsächlich
durch optische Absorption oder durch Ladungsträger-Injektion auf.
-
Der
Ausbreitungsindex β sowohl
der Drei-Schicht- als auch der Zwei-Schicht-Wellenleiterstrukturen der
3 und
4 hängt
stark von dem Brechungsindex des Films
28 bzw. des Dielektrikums
38 ab.
Unter Berücksichtigung
der nicht-linearen Natur der Kopplungsstruktur würde eine genauere Darstellung
der Phasenanpassungsbedingung der Gleichung (2) lauten
Änderungen in 0 aufgrund nicht-linearer Änderungen
des Brechungsindexes beeinflussen daher direkt die Phasenanpassungsbedingung.
5A bis
5B zeigen dies, indem die Stärke einer
reflektierten Welle über
dem Einfallswinkel Θ graphisch
dargestellt ist.
5A zeigt
ein Gerät,
dass für
eine maximale Reflexivität
bei Resonanz entworfen ist, während
5B ein Gerät ist, welches
für eine
minimale Reflexivität entworfen
ist. Unter dem Resonanzwinkel Θ
res koppelt Energie von der externen Welle
in die lokale Welle, was zu einer Neuverteilung der Energie unter
den verschiedenen Wellen und einer Änderung der Stärke der
reflektierten Welle führt. Die
nicht-lineare Verschiebung in Θ ist
näherungsweise
proportional zu der Änderung
des Indexes Δn.
-
Zusätzlich zu
den der Resonanz auferlegten nicht-linearen Verstimmungseffekten
kann ein nicht-linearer Brechungsindex ebenfalls zu Interferenzeffekten
in dem Kopplungsgebiet des Wellenleiters führen. Typischerweise koppelt
das externe Feld nicht an nur einem einzigen Punkt in die lokale
Welle. Stattdessen erfolgt die Kopplung über ein relativ breites Gebiet
(verglichen mit der Gitterperiode) des Gitters in der Ausbreitungsrichtung
der lokalen Welle. Unter der Voraussetzung der räumlichen Natur des Kopplungsprozesses
besteht daher auch eine räumliche
Abhängigkeit
bei der Berücksichtigung
von nicht-linearen Effekten. Unter dieser Annahme kann der nichtlineare
Ausbreitungswellenvektor als β(z)
= β[ΔnNL(z)] geschrieben werden, wobei z die Ausbreitungsrichtung
der lokalen Welle angibt. Somit hat das gekoppelte Licht an jedem
Punkt in der z-Richtung entlang dem Gitter eine unterschiedliche
Phasenbeziehung, die abhängig
von dem nicht-linearen Term des Brechungsindexes ist. Zusätzlich zu
dem anfänglichen
Kopplungs-Phasenterm akkumuliert jede räumliche Komponente der lokalen
Welle einen Ausbreitungs-Phasenterm relativ zu dem gekoppelten einfallenden
Feld. Als Ergebnis davon kann es für jeden gegebenen Punkt entlang
dem Ausbreitungspfad zu Interferenzeffekten zwischen der sich ausbreitenden
lokalen Welle und dem gekoppelten einfallenden Feld kommen, falls
die Phasendifferenz ausreichend groß ist. Jegliches aus dem Wellenleiter
ausgekoppeltes Licht kann entweder eine konstruktive oder eine destruktive
Interferenz über
dem Kopplungsgebiet erfahren, welche entweder einer hohen oder einer
niedrigen gemessenen Reflexivität
entlang dem Ausbreitungspfad entspricht.
-
Beide
oben beschriebenen nicht-linearen Kopplungseffekte (resonante Verstimmung
und Interferenz-Wechselwirkungen der sich ausbreitenden Welle) können in
der Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann ein nicht beanspruchtes
Ausführungsbeispiel
elektro-optische Materialien verwenden, die die Räume zwischen
den Elektroden füllen.
Wenn die Spannung zwischen den Elektroden variiert wird, wird auch
der Brechungsindex des elektro-optischen Materials und die Kopplungseffizienz
des durch die Elektroden und das Material gebildeten Gitters variiert.
Ferner können
die Elektroden ihrerseits transparent sein (beispielsweise Indium-Zinn-Oxid),
und insofern kann der Gitterkoppler ein Phasengitter statt eines
Metallgitters sein. Die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele
beruhen auf der resonanten Verstimmung.
-
3. Modulation
-
Dieses
Kapitel betrifft den Betrieb der Erfindung als optischer Modulator.
Der grundlegende Betrieb wird näher
diskutiert und dann werden zwei spezielle Ausführungsbeispiele, eines basierend
auf Metall-Halbleiter-Metall-Strukturen und das andere basierend
auf laterale pin-Dioden, offenbart. Obgleich die Diskussion im Zusammenhang
mit Modulatoren erfolgt, wird der Fachmann erkennen, dass die Lehren
nicht auf Modulatoren beschränkt
sind. Beispielsweise können
sie ebenfalls auf die als ein Detektor eingesetzte Erfindung angewendet
werden.
-
3.1 Grundlegende physikalische
Mechanismen
-
In
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die als Modulatoren eingesetzt werden, wird die Modulation
der Ausgangswelle durch das Variieren einer über benachbarte Elektroden
angelegten Spannung bewirkt, was seinerseits eine Änderung
des Brechungsindexes in der Wellenleiterstruktur bewirkt. Dies bewirkt dann
eine Änderung
in der Kopplung zwischen der externen Welle und der lokalen Welle über die
in
-
2.3 beschriebenen Prozesse
und eine nachfolgende Modulation der Ausgangswelle.
-
Im
Allgemeinen muss der der Modulation zugrunde liegende physikalische
Mechanismus nicht auf einer Änderung
des Brechungsindexes beruhen. Der Absorptions-Koeffizient oder die
Doppelbrechung des Geräts
sind zwei bekannte alternative optische Parameter, die verwendet
werden können.
Ferner ändert
die angelegte Spannung in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel den Brechungsindex
hauptsächlich über den Freie-Ladungsträger-Plasmaeffekt.
Die Erfindung ist nicht auf diesen Effekt beschränkt, und ein elektrisches Feld
kann verwendet werden, um die optischen Eigenschaften eines Materials
durch jede der folgenden Mechanismen, um einige zu nennen, zu ändern: den
Pockels-Effekt, den Kerr-Effekt, den Franz-Keldysh-Effekt, den quantenbeschränkten (bzw.
quantalen) Stark-Effekt und die Bandauffüllung.
-
Für das bevorzugte
Ausführungsbeispiel
mit einem Siliziumsubstrat wird der Freie-Ladungsträger-Plasmaeffekt
verwendet. Dies ist ein elektro-refraktiver Prozess, bei welchem
der Brechungsindex durch das Hinzufügen von freien Ladungsträgern modifiziert
wird. Die Ladungsträger
werden normalerweise entweder durch eine direkte Strominjektion über die
Elektroden oder durch eine Fotoerzeugung von Ladungsträgern in
einem Halbleiter-Material eingebracht. Die Indexänderung wird dann aufgrund
von Plasma-Wechselwirkungen zwischen den Ladungsträgern und
dem optischen Feld induziert. Dieser Mechanismus ist sowohl für Materialien
mit direkter oder indirekter Bandlükke, einschließlich Silizium,
anwendbar.
-
3.2 MSM Geräte
-
Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beruht auf Metall-Halbleiter-Metall (MSM) Strukturen.
Bezugnehmend auf 1,
wenn die Elektroden 12 aus Metall sind und das Substrat 14 ein
Halbleiter ist, dann zeigt 1 ein
solches Gerät.
Nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Substrat 14 Silizium. Wenn die transmittierte Welle 20 die
gewünschte
Ausgangswelle ist, dann kann das Substrat 14 durch eine Silizium-Membrane
ersetzt werden, um die Abschwächung
der transmittierten Welle 20 zu reduzieren. Wie in Kapitel
2 beschrieben, sind die Elektroden 12 so beabstandet, um
die externe Welle 10 mit der lokalen Welle 16 zu
koppeln, welche in dieser speziellen Konfiguration ein Oberflächen-Plasmon
ist, und die Kopplungseffizienz wird durch Ändern des Brechungsindexes
gemäß den in
dem Kapitel 2.3 beschriebenen nicht-linearen Effekten variiert.
-
Genauer
gesagt ist die Änderung
des nicht-linearen Brechungsindexes für einen Halbleiter wie in Gleichung
(3) angegeben eine Funktion sowohl der Ladungsträgerdichte als auch der Temperatur.
Diese beiden Beiträge
können
gemäß ΔnNL (
Nc , T) = Δnc + ΔnT (4)getrennt
werden, wobei Δnc die Änderung
des Brechungsindexes aufgrund der Ladungskonzentration ist und ΔnT die Änderung
aufgrund der Temperatur ist. Bei Verwendung der Drude-Theorie zur
Modelierung der Ladungsträgerdynamik
kann der elektronische Beitrag zu dem Brechungsindex über das
Drude-Modell modelliert werden, wie dies in Blakemore J.S., Solid
State Physics, 2nd ed., Cambridge: Cambridge
University Press, 157-169 (1985), beschrieben ist. Der Brechungsindex
ist dann von der Form Δnc = Nc (–8 . 9 × 10–22 cm³) (5)Experimentell
wurde gezeigt, dass der thermische Beitrag durch ΔnT =
(T – 300K)
(2 × 10–4 K–1) (6) in Näherung angegeben
werden kann, siehe Sauer H. et al., "Optimization of a Silicon-on Sapphire
Waveguide Device for Optical Bistable Operation", J. Opt. Soc. Am. B., 5(2), 443-451 (1988). In den
bevorzugten Ausführungsbeispielen
ist es jedoch wünschenswert,
thermische Effekte wegen verschiedener Gründe zu minimieren. Erstens
sind die thermischen Prozesse typischerweise in ihren Antwortzeiten
sehr viel langsamer als die elektronischen Effekte. Zweitens weisen
die Gleichungen (5) und (6) entgegengesetzte Vorzeichen auf und tendieren
dazu, einander aufzuheben, wenn beide vorhanden sind. Um ein schnelles
und effizientes optisches Schaltsystem zu entwerfen, sollten deshalb
Temperatureffekte minimiert werden.
-
Bei
Konzentration auf die durch die Drude-Theorie vorhergesagten elektronischen
Effekte bestehen zwei Möglichkeiten,
mit welchen die Ladungsträgerdichte
in der MSM Struktur modifiziert werden kann. Sie umfassen entweder
die Ladungsträgerinjektion
oder die Ladungsträgererzeugung über optische
Absorption.
-
Wenn
angenommen wird, dass das Innere des Halbleiter-Gebietes ein Ohmsches
Verhalten zeigt, dann kann das Ergebnis der Ladungsträgerinjektion
(oder des injizierten Stroms) durch das Ohmsche Gesetz modelliert
werden, welches angibt J
= σE (7)wobei J die
interne Stromdichte ist, E das interne elektrische Feld ist und σ die Leitfähigkeit
ist, die proportional zu der Ladungsträgerkonzentration Nc ist.
Zu jedem gegebenen Zeitpunkt werden Ladungsträger in das Halbleiter-Gebiet
zwischen den Elektroden injiziert, was zu einer Änderung des Brechungsindexes
nach der Vorhersage der Drude-Theorie führt.
-
Das
andere Verfahren verwendet die Absorptionseigenschaften des Halbleiters
zur Erzeugung von Ladungsträgern.
Wenn die einfallende optische Energie gleich oder größer als
die Band lücke
des Halbleiters ist, können
Elektronen in dem Valenzband ausreichend Energie absorbieren, um
in das Leitungsband transportiert zu werden. Die freie Ladungsträgerkonzentration
kann entweder durch Ändern
der Stärke
des einfallenden Lichts oder, wie im Fall des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
durch ein Ändern
der über
den Elektroden angelegten Spannung, um Ladungsträger aus dem Halbleiter-Gebiet
mitzureißen,
geändert
werden. Ein absorbiertes Photon bildet ein freies Elektron-Loch-Paar. Der Absorptionsprozess
für Halbleiter
mit direkter Bandlücke,
wie beispielsweise GaAs, ist ein Einzelschrittprozess, während der
Prozess für
Halbleiter mit indirekter Bandlücke,
wie beispielsweise Si, zwei Schritte benötigt. In Materialien mit indirekter
Bandlücke
liefern die absorbierten Photonen keine Impulsänderung, und es wird ein zweiter
Prozess benötigt,
um angeregte Elektronen in das Leitungsband zu transferieren. Dies
bedingt üblicherweise
die Emission eines Gitter-Phonons. Aufgrund des zweiten Absorptionsschrittes
ist die resonante Absorption in Halbleitern mit indirekter Bandlücke typischerweise
wesentlich geringer als in Halbleitern mit direkten Bandlücken.
-
Ein
Vorteil der Fotoabsorptions-Vorgehensweise gegenüber der Vorgehensweise der
Strominjektion besteht darin, dass Fotoabsorptions-Geräte potentiell
weniger Leistung benötigen,
da die Energie zum Bilden der freien Ladungsträger aus dem einfallenden Licht
und nicht von einem durch das Gerät selbst erzeugten Strom kommt.
-
3.2.1 Elektronische Eigenschaften
-
Zum
Verständnis
des bevorzugten Verfahrens zum Variieren der Ladungsträgerkonzentration
werden die elektronischen Eigenschaften des Halbleiter-Metall-Übergangs
betrachtet. 6A ist ein
vereinfachtes eindimensionales Modell des elektronischen Zustandes
des in 1 dargestellten
MSM-Gerätes.
Die Finger 22, 24 und der Halbleiter 14 bilden
zwei Übergänge 42A, 42B.
An jedem Übergang 42A, 42B bildet
sich ein Verar mungsgebiet, das als Schottky-Barriere bekannt ist. 6A zeigt dies in dem Energiediagramm 44 der MSM-Struktur
mit einer Vorspannung von Null. Hier ist Ec das
Leitungsband-Energieniveau
des Halbleiters, Ec ist das Valenzband-Energieniveau des
Halbleiters und Ef ist das Fermi-Energieniveau sowohl
für das
Metall 22, 24 als auch für den Halbleiter 14 bei
einer Vorspannung von Null. Bei n-dotierten Halbleitern migrieren Überschuss-Ladungsträger aufgrund
niedrigerer Energiezustände
in dem Metall in das Metallgebiet. Mit dem Verschinden der Ladungsträger erzeugt
das Ladungsungleichgewicht zwischen den Gebieten ein elektronisches
Feld, das schließlich
jeglichen Stromfluss unterbindet. Dies bildet die Basis der Schottky-Barriere.
Wenn die Barriere groß genug
ist, und wenn kein einfallendes Licht vorhanden ist, wird ein Stromfluss
sogar dann unterdrückt,
wenn eine angelegte Vorspannung vorhanden ist. Eine Schottky-Barriere
verhält
sich somit elektrisch wie eine Diode. Es ist diese Eigenschaft,
die es ermöglicht,
sie als einen optischen Detektor oder Modulator zu verwenden.
-
Wie
vorstehend diskutiert erzeugen in Halbleitern absorbierte energiereiche
Photonen freie Ladungsträger.
In einer MSM Struktur mit einer Vorspannung von Null neigen die
erzeugten freien Elektronen 46 dazu, sich in dem Halbleiter-Gebiet
zwischen den Metallelektroden 22, 24 anzusammeln.
Dies tritt aufgrund der symmetrischen Biegung des Leitungsbands
an dem Halbleiter-Metall-Übergang
auf. Andererseits neigen erzeugte Löcher 48 dazu, aufgrund
der Biegung des Valenzbandes zu dem Übergang 42A, 42B hin
zu migrieren. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die angesammelten
freien Ladungsträger
aus dem Halbleiter-Gebiet mitgerissen, wodurch sie die Ladungsdichte ändern und
zu einer entsprechenden Änderung
des Brechungsindexes führen.
Das Mitreißen
wird durch das Anlegen einer Vorspannung 26 über den
Metallelektroden 22, 24 der in 6B gezeigten MSM Struktur erreicht. Hier
sind Efc bzw. Efm die
Fermi-Energieniveaus für
die Halbleiter- bzw. Metall-Gebiete.
Wie dargestellt, wird ein Übergang
der Struktur in Sperr-Richtung betrieben, während der andere Übergang
in Durchlassrichtung betrieben wird. Die Vorspannung verschiebt
die jeweiligen Fermi-Energieniveaus an jedem Übergang. Dies führt zu einer
Verkippung des Leitungsenergiebands, welche es den Elektronen 46 ermöglicht,
durch das in Durchlassrichtung betriebene Gebiet auszufließen, wodurch
die Ladungsträgerkonzentration
geändert
wird.
-
Der
oben beschriebene Prozess wird für
die Modulation von Licht unter Verwendung optischer Absorption zur
Induzierung von Änderungen
des Brechungsindexes verwendet. Er umfasst keine Ladungsträgerinjektion.
Die Ladungsträgerinjektions-Modulation ist konzeptionell
jedoch ein einfacher zu beschreibender Prozess. Um mit injizierten
Ladungsträgern
zu modulieren, wird die Vorspannung 26 hoch genug eingestellt,
um das Potential der Schottky-Barriere zu überwinden. Dies führt zu einem
vermehrten Stromfluss durch das Halbleiter-Gebiet 14, welcher entsprechend
die instantane Ladungsträgerdichte
und Kopplungseigenschaften verändert.
Dieses Modulationsverfahren bleibt jedoch typischerweise MSM Strukturen
mit kleinen Kontaktpotentialen der Schottky-Barriere vorbehalten.
D.h., die Metall-Halbleiter-Übergange 42A, 42B sollten
ohmsche Kontakte sein.
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Als
letzte Beobachtung wird darauf hingewiesen, dass die Metallelektroden 12 zwei
Zwecken dienen. Erstens dienen sie einer optischen Funktion, indem
sie die externe Welle 10 mit der lokalen Welle 16 koppeln und
auch eine Struktur bilden, die die lokale Welle 16 trägt bzw.
unterstützt.
Zweitens dienen sie einer. elektrischen Funktion bei der Bildung
der Schottky-Barriere 42A, 42B und dem Anlegen
einer Vorspannung an die Barriere. Ein einzelnes Metall kann für diese
beiden Funktionen nicht ideal sein, weshalb die Elektroden 12 eine
zusammengesetzte Struktur haben können. Beispielsweise ist Gold
für die
Unterstützung
von Oberflächen-Plasmonen
ein bevorzugtes Metall. Es bildet jedoch keine gute Schottky-Barriere, während Wolfram
dies tut. Deshalb können
die Elek troden 12 aus einer Wolfram-Schicht in Kontakt
mit dem Silizium 14 bestehen, um die Barriere zu bilden,
gefolgt von einer Goldschicht in Kontakt mit dem Wolfram, um das
Oberflächen-Plasmon 16 zu
tragen. Im Allgemeinen können
die Elektroden und die darunter liegende Struktur noch komplexer
sein und beispielsweise die Verwendung von dotierten Halbleiter-Gebieten, Quantenwannen-Strukturen, Übergitter-Strukturen
und transparente Leiter, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid, umfassen.
Beispielsweise können
in dem Halbleiter-Gebiet 14 Quantenwannen und Quantendrähte verwendet
werden, um die effektive Ladungsdichte zu erhöhen und die Feld-induzierte Änderung
des Brechungsindexes zu verstärken.
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3.2.2 Abdeckungsmaterial
-
Die
MSM Struktur in 1 ist
hoch asymmetrisch. Im Wesentlichen besteht ein großer Brechungsindex-Gradient
zwischen der Luft, die im Allgemeinen als eine Abdeckungsschicht
betrachtet werden, und den Metall- und Halbleiter-Schichten 12 bzw. 14.
Folglich kann die Abdeckungs-Kopplungseffizienz in die Struktur schwach
sein, wie dies in den 7A bis 7C dargestellt ist, welche
die Profile von drei möglichen
Oberflächen-Plasmon-Moden 49A, 49B, 49C zeigen.
In der MSM Struktur sind zwei Übergänge vorhanden,
an denen Plasmonen erzeugt werden können. Der eine ist an dem Halbleiter 14 – Metall 12 Übergang
und der andere ist an dem Luft – Metall 12 Übergang.
Für die
asymmetrische Struktur besteht ein sehr geringer Überlapp
zwischen den Plasmon-Moden der zwei Übergänge. Dies führt zu einem geringen Energieaustausch
zwischen den beiden Moden und einer schwachen Abdeckungs-Kopplung
in die Halbleiter 14 – Metall 12 Plasmonen. Da
die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
verwendeten Schaltprozesse in dem Halbleiter-Gebiet 14 auftreten,
wird eine Verbesserung in dem Überlapp
zwischen den Plasmon-Moden zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit
des Gerätes
führen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird dies dadurch erreicht, dass die Struktur durch eine Ablagerung
einer Schicht 50 als Abdeckung sym metrisiert wird. Die
Abdeckung 50 wird so gewählt, dass sie einen Brechungsindex
aufweist, der näherungsweise
gleich demjenigen der Halbleiter-Schicht 14 ist. Bevorzugte
Materialien umfassen amorphes und polykristallines Silizium, obgleich
die Materialien nicht auf diese Auswahl beschränkt sind. Andere Dielektrika,
dünne Filme
und sogar organische Materialien können ebenfalls verwendet werden.
Dies schafft eine vergrabene Elektroden-gekoppelte Struktur, wie
sie in den 7D – 7E gezeigt ist. Die zusätzliche
Schicht verbessert den Überlapp
der Plasmon-Moden, wie dies durch die Moden-Profile 51A, 51B dargestellt
ist, und führt
zu einer besseren Abdekkungs-Kopplung in Plasmonen, die an dem Halbleiter 14 – Metall 12 Übergang
erzeugt werden. Obgleich die Verwendung eines Abdeckungsmaterials
im Zusammenhang mit dem MSM Ausführungsbeispiel
dargestellt ist, versteht sich, dass dieses allgemeine Prinzip auch
auf andere Ausführungsbeispiele
angewendet werden kann.
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3.2.3 Mehrschicht-Geräte
-
Obgleich
die Erfindung im Zusammenhang mit einer Metallelektrode auf einem
Halbleiter-Substrat diskutiert wurde, ist sie nicht auf diese Konfiguration
beschränkt.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel
umfasst die Verwendung einer dielekrischen Drei-Schicht-Wellenleiterstruktur,
wie sie in 8 dargestellt
ist. Die Struktur ist ähnlich
zu der in 3 gezeigten
Struktur, und es können
viele Materialsysteme verwendet werden, um die Struktur herzustellen.
Silizium-auf-Isolator-Strukturen
(SOI: silicon-on-insulator) sind jedoch aufgrund ihrer einfachen
Fabrikation und der engen Einschränkung der lokalen Welle, die
sich aus ihrer Verwendung ergibt, bevorzugt. Die SOI Struktur weist
eine Anzahl verschiedener Variationen auf, welche Silizium-auf-Saphir,
Trennung durch implantierten Sauerstoff, gebondetes und rückgeätztes SOI
(BEP-SOI) und polykristallines SOI umfassen. Es hat sich erwiesen,
dass BEB-SOI gute Wellenleiter-Eigenschaften aufweist, Evans A.E.
und Hall D.G., "Measurement
of the Electri cally Induced Refractive Index Change in Silicon for
Wavelenght λ =1,3 µm Using
a Schottky Diode",
Applied Physics Leiters, 56, 212 (1990). In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der 8 wird die TIR-Welle von
einer amorphen Silizium-Abdeckung 30A, einem kristallinen
Siliziumfilm 28 und einer Siliziumdioxid-Isolationsschicht 30B getragen.
Es werden Metallelektroden 12 für die Kopplung und die elektrischen
Funktionen verwendet. Die gesamte Struktur befindet sich auf einem
Silizium-Substrat 52.
-
Die
Drei-Schicht Struktur der 8 weist
einige Vorteile über
eine Substratstruktur, wie sie in 1 gezeigt
ist, auf. Sie bietet schnellere Schaltvorgänge, da erzeugte oder injizierte
Ladungsträger
auf ein engeres Gebiet des Halbleiters 28 beschränkt sind.
In dem Fall eines Substrats können
sich Ladungsträger
weit von ihrem Ursprungspunkt entfernen, was zu einem Nacheilen
bzw. einer Verzögerung
des Schwanzendes der Schaltantwort führt. Zweitens können sowohl
Plasmon- und TIR
Wellenleiter-Moden in der Struktur existieren. Die gleichzeitige
Anregung beider Moden kann zu einer effizienteren Modulation führen. Verglichen
mit Oberflächen-Plasmonen
treten TIR-Moden tiefer innerhalb der Halbleiter-Schicht auf. Als
Folge davon werden mehr freie Ladungsträger befreit, um den Brechungsindex
zu beeinflussen. Wenn die Struktur während ihres Niedrig-Reflexions-Zustands
(Aus-Zustands) in Resonanz gebracht wird, kann darüber hinaus
aufgrund des addierten Effekts der beiden Moden mehr Energie in
die Struktur eingekoppelt werden. Es gibt auch einige Nachteile der
Drei-Schicht-MSM-Wellenleiterstruktur.
Die Struktur ist offensichtlich sowohl hinsichtlich ihres Entwurfs
als auch hinsichtlich ihrer Herstellung komplexer. Zusätzlicher
Leckstrom aufgrund eines nicht perfekten Isolators 30B kann
zu einer erhöhten
Erwärmung
der Struktur führen.
-
In
den alternativen Mehrschicht-Strukturen der 9A-9B können Quantenwannen-Geometrien
verwendet werden, um die effektive Ladungsträgerdichte zu erhöhen und
die Feld induzierte Änderung
des Brechungsindexes zu verstärken.
In 9A ist die Isolationsschicht 30B der 8 durch eine Quantenwannenstruktur 53A ersetzt.
In 98 werden stattdessen Quantendrähte 53B verwendet.
Eine normale Elektro-Absorption
erfordert, dass das angelegte Feld über die Quantenwanne gerichtet
ist, was für
die Ausführungsbeispiele
der 9A-9B unmöglich bzw.
unpraktisch ist. Es ist jedoch möglich,
Gebrauch von der Leitung entlang der Quantenwanne zu machen, um
die mit der Ladungsträgerinjektion
zusammenhängende
effektive Stromdichte zu erhöhen.
Dies würde
zu wesentlich kleineren Injektionsströmen führen. III-V Systeme, wie beispielsweise
AlGaAs, und Gruppe IV Systeme, wie beispielsweise SiGe oder SiC,
sind bevorzugte Materialsysteme für ein solches Ausführungsbeispiel.
-
Es
sind für
den Fachmann viele andere Variationen von Mehrschicht-Strukturen
ersichtlich.
-
3.3 LPIN Gerät
-
Ein
alternatives bevorzugtes Ausführungsbeispiel
ist in 10 dargestellt.
Der kristalline Siliziumfilm 28 und die vergrabene Oxidschicht 30B auf
dem Silizium-Substrat 52 sind ähnlich zu der SOI-Struktur
in der 8. Der Rest der
Struktur ist jedoch komplexer. Die Metallelektroden 12 sind
durch eine obere Oxidschicht 30A separiert und kontaktieren
alternierend p+ und n+ dotierte Gebiete 54, 56,
wodurch eine laterale periodische Abfolge von PIN Dioden (auch als
eine LPIN-Struktur bekannt) auf der Silizium-auf-Isolator (SOI)
Struktur gebildet ist. Die dotierten Gebiete können durch Ablagerung, Diffusion
oder eine Kombination derselben geformt werden. Mit einer moderaten
Vorspannung in Sperr-Richtung erstreckt sich das Verarmungsgebiet
vollständig
zwischen den p+ und n+ Diffusionsgebieten 54, 56.
Ein Merkmal des Entwurfs ist das vergrabene Oxidgebiet 30B.
Diese Eigenschaft verhindert die Erzeugung von tiefen Ladungsträgern während des
Ab sorptionsprozesses, die andernfalls die Bandbreite des Geräts begrenzen
würde.
-
Ein
Vorteil dieses Entwurfs über
MSM ist die hohe Qualität
der Kontakte, die an den n+-n und p+-n Diffusionsübergängen existieren.
Da die Basismaterialien sämtlich
Silizium sind, ergeben sich an den Grenzen weniger Defekte und Gitterfehlstellen.
Dies führt
zu einer niedrigeren Leckrate und zu längeren Lebensdauern der freien
Ladungsträger.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden die PIN-Dioden in Durchlassrichtung betrieben und die Modulation
des Brechungsindexes wird durch Strominjektion erreicht.
-
Genauso
wie das MSM Gerät
können
die Elektroden 12 der LPIN als ein Wellenleiter-Koppler
wirken. Für
die LPIN-Struktur ist es jedoch schwierig, aufgrund des Fehlens
von Metalloberflächen
innerhalb dem Verarmungsgebiet Optik-Plasmon-Wechselwirkungen zu nutzen. Da die Struktur
jedoch in der Form eines Drei-Schicht-Dielektrikums (SOI) vorliegt,
können
stattdessen TIR Wellenleiter-Moden verwendet werden. Um die Abdeckungs-Kopplungseffizienz
der Struktur zu erhöhen,
kann wie vorstehend diskutiert, eine Abdeckungsschicht mit einem
hohen Index hinzugefügt
werden.
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3.4 Verschiedene Betrachtungen
-
Zusätzlich zu
der optischen Kopplung und dem elektronischen Betrieb des Geräts sind
einige andere Betrachtungen erwähnenswert.
-
3.4.1 Thermische Charakteristiken
-
Wie
in 4 gezeigt, ist die
Gesamtänderung
des Indexes die Summe sowohl von elektronischen als auch thermischen
Prozessen. Ein hauptsächlicher
Aspekt bei dem Entwurf einer jeden optoelektronischen Struktur ist
der Einfluss der Erwärmung
des Geräts.
Wie vorstehend ausgeführt,
weisen thermische Ef fekte eine sehr viel langsamere Antwortzeit
verglichen mit elektronischen Prozessen auf. Als Folge davon kann,
sofern der dominierende physikalische Effekt thermisch ist, die
Modulations-Schaltgeschwindigkeit gravierend beeinträchtigt werden.
Ein anderes Problem ergibt sich aus den entgegengesetzten Vorzeichen
der thermischen und elektronischen Effekte. Da die Gesamt-Indexänderung
die Summe dieser zwei Größen ist,
neigen thermische Indexänderungen
dazu, die elektronischen Indexänderungen
aufzuheben. Typischerweise sollten die thermischen Änderungen
minimiert werden. Standardverfahren umfassen die Verwendung einer
Wärmesenke
oder einer aktiven Kühlung
mit Rückkoppelschleifen
zur Aufrechterhaltung der thermischen Stabilität eines Geräts.
-
Eine
Quelle der Erwärmung
ist die nicht strahlende Rekombination von in dem Halbleiter-Gebiet
erzeugten Elektron-Loch-Paaren.
Wenn unter Bildung von Elektron- und Loch-Paaren optische Energie
absorbiert wird, migrieren die individuellen Partikel in Richtungen
entsprechend der lokalen Feldverteilung. Die erzeugten Partikel
können
verwendet werden, um entweder den Brechungsindex für die Modulation
zu modifizieren oder um einen Fotostrom für die Detektion zu erzeugen.
Wenn jedoch die Elektron-Loch-Paare nicht strahlend rekombinieren,
bevor ihre Eigenschaften ausgenutzt werden können, wird die gespeicherte
Energie in Form von Wärme
an das Gitter des Halbleiters abgegeben. Es wird darauf hingewiesen,
dass Halbleiter mit indirekter Bandlücke keine strahlenden Übergänge zulassen,
was bedeutet, dass sämtliche
freien Ladungsträger
nicht-strahlend zerfallen bzw. abklingen müssen. Die Ladungsträger können jedoch
mit einem angelegten Feld aus dem Wechselwirkungsgebiet herausgerissen
werden, bevor Rekombination stattfindet, wodurch der Erwärmungseffekt
reduziert wird.
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Eine
zweite Wärmequelle
ist die Joule'sche
Erwärmung,
die sich aus dem Widerstand des Halbleiters gegenüber einem
Stromfluss ergibt. Wenn Strom durch ein Material hindurchläuft, treten
inelastische Kollisionen zwischen den fließen den Elektronen und dem Gitter
auf. Dies erzeugt überall
in dem Material Wärme. Joule'sche Erwärmung tritt
sowohl in den Fällen
der Strominjektion als auch der Fotoerzeugung auf. Unter der Annahme äquivalenter
elektronischer Effekte ist die Joule'sche Erwärmung durch Strominjektion
unter diesen zwei jedoch vorherrschend. Wenn freie Ladungsträger Foto-erzeugt
werden, werden sie in einer Potentialwanne gefangen, wobei kein
Nettostrom fließt
und daher keine Joule'sche
Erwärmung
entsteht. Nur wenn ein Feld über
dem Erzeugungsgebiet angelegt wird, fließt ein Strom. Daher erfahren
Foto-erzeugte Ladungsträger
einen kürzen
Widerstandspfad während
des Mitreißprozesses,
was zu einer geringeren Wärmeerzeugung
führt.
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Ein
Verfahren, das zum Bekämpfen
der Temperatureffekte eingesetzt werden kann, ist das Ausgleichen
der thermischen Erzeugungsprozesse während der Ein- und Aus-Zustände (oder
Hochund Niedrig-Reflektivitäts-Zustände) des
Modulators. Im Wesentlichen sollte es möglich sein, einen thermischen
Pseudo-Gleichgewichtszustand
zu erreichen, wodurch zeitabhängige
Temperatureffekte eliminiert werden.
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Dieser
Prozess des Ausgleichens der Temperatur während der Ein/Aus-Zustände ist
für das
MSM-Modulatorkonzept bei Verwendung von Foto-erzeugten Ladungsträgern anwendbar.
Anders als der Modulator mit Strominjektion existiert während des
Ein-Zustandes innerhalb
der Struktur eine große
Dichte von Fotoerzeugten Ladungsträgern. Wie wir früher ausgeführt haben,
rekombinieren die erzeugten freien Ladungsträger nichtstrahlend aufgrund
eines Leckstroms und erwärmen
daher das Gitter. Während
des Aus-Zustandes des Modulator fließt Strom durch die Struktur
und bewirkt eine Joule'sche
Erwärmung.
Wenn daher die durch Rekombination und Stromfluss erzeugten Wärmemengen
gleich sind, dann werden die zeitabhängigen thermischen Effekte
minimiert.
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3.4.2 Wellenlänge in Betrieb
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Der
Wellenlängenbereich, über welchen
der Modulator arbeitet, ist ein weiterer wesentlicher Aspekt. Für das bevorzugte
Ausführungsbeispiel
basierend auf Silizium liegt die optische Absorption näherungsweise bei
11 cm–1 bei
einer Wellenlänge
von 1,06 µm.
Bei dieser Wellenlänge
bei Raumtemperatur ist die Photon-Energie näherungsweise gleich der Bandlückenenergie
von Silizium (1,12 eV). Wenn die Wellenlänge länger als diese Wellenlänge wird,
dann vermindert sich die Absorption rasch. Bei kürzeren Wellenlängen nimmt
die Absorption schnell zu. Die Absorptionskurven sind für kristallines,
polykristallines und amorphes Silizium unterschiedlich. Amorphes
und polykristallines Silizium werden erwähnt, da sie als Abdekkungsmaterialien
verwendet werden können,
um die Struktur zu symmetrisieren. Da die Absorption mit kürzeren Wellenlängen zunimmt, nimmt
die Erzeugungsrate von freien Ladungsträgern in Silizium ebenfalls
zu. In Ausführungsbeispielen,
die auf der Fotoerzeugung von Ladungsträgern beruhen, kann der Betrieb
des Gerätes
bei kürzen
Wellenlängen daher
die Modulationsstärke
des Geräts
verbessern.
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4. Detektoren
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Ausführungsbeispiele,
die als Detektoren eingesetzt werden, beruhen zum großen Teil
auf ähnlichen Phänomenen
wie jene, die als Modulatoren verwendet werden. Ein Modulator kann
beispielsweise als ein Gerät
betrachtet werden, das die Kopplung zwischen der externen Welle
und der lokalen Welle durch Ändern
der Spannung über
den Elektroden steuert. Dies wird erreicht, da ein Ändern der
Spannung die Anzahl der in dem Halbleiter-Wellenleiter erzeugten
freien Ladungsträger
beeinflusst. Kurz gesagt, beeinflusst der elektrische Zustand der
Elektroden die Anzahl der Ladungsträger, welche die Lichtkopplung
beeinflusst. Eine Umkehrung dieser Kette – Licht beeinflusst die Anzahl
der Ladungsträger,
die den Zustand der Elektroden beeinflusst – beschreibt grob den Detektionsprozess.
Das Gerät
ist so konfiguriert, dass es die Kopplung der externen Welle mit
der lokalen Welle maximiert. Die lokale Welle mit maximaler Stärke erzeugt
dann in dem Halbleiter-Material Ladungsträger, die
durch die Elektroden erfasst werden. Insofern sind viele der Lehren
für die
Modulatoren direkt auch auf Detektoren anwendbar und die Ausführungsbeispiele,
einschließlich
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
basierend auf den MSM und LPIN-Strukturen, können als Detektoren verwendet
werden. Die folgenden Kapitel beleuchten lediglich die Unterschiede
zwischen Ausführungsbeispielen,
die vorgesehen sind, als Detektoren benutzt zu werden und jenen
Ausführungsbeispielen,
die vorgesehen sind, als Modulatoren verwendet zu werden.
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4.1 Betriebs-Wellenlänge
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In
dem Modulator bestimmt die Absorptions-Charakteristik des Geräts die Anzahl
der durch Fotoabsorption erzeugten freien Ladungsträger. In
Fällen
einer schwachen Absorption können
die freien Ladungsträger
jedoch durch den alternativen Prozess der direkten Injektion erzeugt
werden. Im Fall der Detektion ist dies nicht so. Das Gerät ist auf
Wellenlängen
beschränkt,
für welche
das Gerät
die einfallende Strahlung absorbiert, und stärkere Absorption setzt sich
direkt in einen empfindlicheren Detektor um. Es wird darauf hingewiesen, dass
der Absorptionsprozess nicht auf Übergänge aus dem Valenzband in das
Leitungsband des Halbleiters beschränkt ist. Beispielsweise kann
Absorption über
einen Übergang
von dem Metall-Fermi-Niveau zu dem Leitungsband des Halbleiters
erfolgen.
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4.2 Detektionsmechanismen
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Die
Erfindung des vorliegenden Geräts
liegt in der zweifachen Verwendung der Elektrodenstruktur. Die Elektroden
koppeln optisch Licht von der externen Welle in die lokale Welle
und die Stärke
dieser lokalen Welle wird dann elektrisch über die Elektroden erfasst.
Die elektrische Kopplung führt
zu einem Feld, das in Hinblick auf konventionelle, ungekoppelte
Detek toren verstärkt
ist, und das darauffolgende Erfassen dieses Feldes kann durch jede
der üblicherweise
verwendeten Fotodetektionsmethoden, einschließlich Ansätzen basierend auf Fotodioden,
fotoleitfähigen
Geräten,
fotovoltaischen Geräten,
erreicht werden.
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Wie
vorstehend erläutert,
bildet die doppelte Schottky-Barriere
bei der MSM-Vorgehensweise eine Ansammlung oder ein Bassin von Ladungsträgern und
die Anwendung einer Vorspannung kippt dann dieses Bassin und erzeugt
einen Stromfluss. In der Detektoranwendung kann die Vorspannung
angelegt werden und der sich ergebende Stromfluss, der die Stärke der
externen Welle angibt, kann erfasst werden, wodurch die Stärke des
optischen Feldes detektiert wird. Wenn in alternativer Weise die
Schottky-Barriere niedrig ist (d.h. die Metall-Halbleiter-Kontakte im Wesentlichen
ein ohmsches Verhalten aufweisen), dann wird der Widerstand des Halbleiters
durch die Stärke
des optischen Feldes bestimmt und das Gerät kann als ein Fotoleiter betrieben werden.
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Im
Fall der LPIN-Struktur kann das Gerät als eine konventionelle Fotodiode
entweder in dem Foto-leitenden oder dem Fotovoltaischen Modus betrieben
werden. In dem Foto-leitenden Modus kann der pin-Kontakt in Sperr-Richtung
betrieben und die Stärke
des externen Feldes durch ein Erfassen des durch benachbarte Elektroden
fließenden
Stroms bestimmt werden. In dem Foto-voltaischen Modus wird keine
Spannung über den
Elektroden angelegt. Stattdessen wird die aus den von der externen
Welle erzeugten Ladungsträgern
generierte Spannung gemessen, was die Stärke der externen Welle angibt.
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5. Allgemeine
Darstellungen
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Eine
allgemeine Darstellung der Erfindung als ein Modulator ist in den 11A-11B gezeigt, während 12 die Erfindung in der
Verwendung eines Detektors zeigt. In 11A wird
die Erfindung in einem reflektiven Modus eingesetzt. Die externe
Welle 10 fällt
auf das Gitter/Elektroden 12 ein und die Stärke der
reflektierten Welle kann, wie vorstehend offenbart, variiert werden.
In vielen der diskutierten Ausführungsbeispiele liegen
die Elektroden 12 auf einem Silizium-Substrat 14 auf, so dass konventionelle
Schaltkreise 58 auf demselben Substrat 14 integriert
werden können.
Diese Schaltkreise 58 können
verwendet werden, um die Elektroden 12 zu treiben und damit
die Stärke
der reflektierten Welle 18 zu variieren. Aufgrund der Verwendung von
Standardtechniken für
die Herstellung sowohl des Modulators als auch des Schaltkreises
können
viele Modulatoren oder Arrays von Modulatoren auf einem einzelnen
Substrat hergestellt werden. 11B zeigt
ein in Transmission eingesetztes Gerät. In diesem Fall ist die transmittierte
Welle 20 die interessierende Welle, die moduliert wird.
Falls das Licht in einem Teil des Spektrums liegt, für welchen
Silizium hoch absorbierend ist, kann es notwendig sein, das Silizium 14 zu
verdünnen
oder eine Silizium-Membrane für
das Gerät
und den Schaltkreis 58 einzusetzen. Strukturelle Unterstützung kann
durch Verwendung eines Glases oder eines transparenten Substrats 60 erreicht
werden.
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In 12 wird das Gerät verwendet,
um die Stärke
der externen Welle 10 zu erfassen. In diesem Fall werden
keine Wellen aktiv moduliert. Vielmehr erzeugt das optische Feld
der Welle 10 einen elektrischen Effekt, der über die
Elektroden 12 von dem Schaltkreis 58 erfasst wird.
Der Schaltkreis kann auch kompliziertere bzw. anspruchsvollere Funktionen,
wie beispielsweise eine lokale Mittelung, eine Kantendetektion und
Hintergrund-Korrekturen, beinhalten.
