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Die
Erfindung betrifft einen Wanderwellen-Photodetektor, der es ermöglicht,
ein elektrisches Leistungssignal zu liefern, und seine Anwendung
an einen Höchstfrequenzgenerator.
Die Gestaltung des erfindungsgemäßen Systems
basiert auf der Ausbreitung einer optischen Welle, die auf eine
bestimmte Frequenz moduliert ist, und auf die synchrone Ausbreitung
eines elektrischen Frequenzsignals in einem photoleitenden Werkstoff,
wobei dieses elektrische Signal aus der Erfassung der optischen
Welle im Photodetektor resultiert.
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Die
Leistungen der optoelektronischen Bauteile erlauben heute die Herstellung
von optischen Verbindungen für
die Übertragung
von Höchstfrequenzsignalen
bis zu Frequenzen in der Größenordnung
von 40 bis 60 GHz im Labor. Außerdem
kann für
den Einbau in Systeme ein Band in der Größenordnung von 20 GHz ausgehend
von im Handel verfügbaren
Bauteilen realisiert werden.
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Diese
Verbindungen finden ihre Anwendung bei Systemen wie zum Beispiel
den optischen Steuerungen von Antennen mit elektronischer Abtastung, der
MMIC-Synchronisierung (Oszillatoren, Phasenschieber, ...) und den
Verzögerungsleitungen.
Für alle
diese Anwendungen bildet die Umwandlung des optischen Signals in
ein Höchstfrequenzsignal
einen Schlüsselpunkt
der optoelektronischen Kette. Die Verwendung von schnellen Photodioden
zur Erfassung der optischen Trägerwellen
der Mikrowellensignale begrenzt stark die Leistung des erzeugten
Signals. Die reduzierte Größe dieser
Photodioden verbietet es nämlich,
eine optische Leistung von mehr als einigen mW ohne Verschlechterung
des übertragenen
Signals auf sie zu fokussieren. In diesem Fall, und bei einer angepassten
Last R = 50 Ω,
liegt die erhaltene Höchstfrequenzleistung
in der Größenordnung
von –20
dBm, was bei den meisten in Betracht gezogenen Anwendungen eine
elektrische Verstärkung
von etwa 50 dB erfordert, was oft mangelhaft ist.
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Im
Fall einer klassischen PIN-Photodiode (siehe 1) ist der
Transport der photogenerierten Ladungen parallel zum Einfall des
optischen Flusses (siehe 1). Um gemeinsam ein breites
Durchlassband und eine große
Detektivität
aufrechtzuerhalten, ist es dann notwendig, einen Kompromiss zwischen der
Dicke der intrinsischen Absorptionszone, die die Transitzeit der
Ladungen τt bestimmt, und der empfindlichen Fläche herzustellen,
die die äquivalente Kapazität C des
Bauteils festlegt. In diesem Fall wird das Optimum in erster Näherung für τt ≈ RC erhalten.
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Die
Vergrößerung des
Erfassungsdurchlassbands mit gegebener Detektivität oder die
Erhöhung der
Sättigungsleistung
bei festliegendem Durchlassband geht über die Herstellung einer Wellenleiterphotodiode
(2). In diesem Fall sind nämlich der Transport der Ladungen
und die Ausbreitung der optischen Welle orthogonal. So können die
Dicke der intrinsischen Zone und die Absorptionslänge getrennt optimiert
werden. Wie dies in dem Dokument Travelling-wave photodetectors
von K.S. Giboney et al, Photon. Tech. Letters 4, 1363-1365, 1992
beschrieben wird, hat die Aufhebung dieses Kompromisses die Herstellung
von Photodioden ermöglicht,
die eine Empfindlichkeit von 0,5 A/W und ein Durchlassband von 100
GHz haben.
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Die
Erhöhung
der Sättigungsleistung
und somit des Interaktionsvolumens in einer solchen Konfiguration
stößt auf das
Problem der gemeinsamen Herstellung eines Lichtwellenleiters und
eines Höchstfrequenzwellenleiters,
die optimiert sind und die synchrone Ausbreitung dieser zwei Wellen
gewährleisten.
So gibt es bis heute kein Ausführungsbeispiel
von Photodioden, deren Länge
einige hundert Mikron übersteigt.
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Um
diese Schwierigkeit zu beheben, und um eine große Ausbreitungslänge zu nutzen,
ersetzt man die Lichtleiterausbreitung der zu erfassenden Welle
durch eine Ausbreitung im freien Raum. Der Synchronismus der zwei
Wellen wird durch ein diffraktives Bauteil gewährleistet, das in Übertragung arbeitet.
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Die
Erfindung betrifft also einen Photodetektor gemäß Anspruch 1.
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Der
vorgeschlagene Aufbau erlaubt die Erfassung der optischen Trägerwelle
eines Höchstfrequenzsignals.
Das Betriebsprinzip der Vorrichtung ist schematisch in den 3a bis 3c dargestellt.
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Ein
Laserstrahl F mit der Wellenlänge λ, amplitudenmoduliert
durch ein Höchstfrequenzsignal S(t),
wird von einer Beugungs- oder Reflektionsvorrichtung 5 gebeugt
oder reflektiert, um ihn auf einer Seite einer Vorrichtung 1 aus
photoleitendem Werkstoff auszubreiten. Zum Beispiel ist die Vorrichtung 5 ein
holographisches Element, und der gebeugte Strahl wird von dem photoleitenden
Werkstoff 1 absorbiert. Letzterer ist zum Beispiel ein
Halbleiter vom Typ GaAs, auf den man Elektroden gemäß einer
Geometrie einer umgekehrten koplanaren Leitung (coplanar strip)
aufgebracht hat. Sie bilden so einen Höchstfrequenzwellenleiter und
ermöglichen
außerdem
das Anlegen eines gleichmäßigen und
konstanten elektrischen Felds in den Zwischenelektrodenraum. Das
Halbleitermaterial ist eher vom halbisolierenden Typ, und die Beschaffenheit
der Elektroden wird so gewählt,
dass Aufbauten wie ein verteilter MSM-Photodetektor {Metall-Halbleiter-Metall)
oder eine verteilte PIN-Photodiode
hergestellt werden, die mit Sperrvorspannung verwendet wird. Diese
zwei Typen von Photodetektoren ermöglichen es, jede kontinuierliche
Komponente im Photostrom zu vermeiden, trotz der relativ großen Länge des
Wellenleiters. 3b zeigt eine Draufsicht auf
die Vorrichtung mit ihren Elektroden 2, 3 auf
einer Seite des Halbleiters 1. Zwischen den Elektroden 2, 3 befindet
sich eine Beleuchtungsseite. 3c zeigt
den vom Element 5 auf die Beleuchtungsseite 4 übertragenen Strahl.
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Der
gebeugte absorbierte Bruchteil des Strahls in der Abszisse x entlang
des photoleitenden Werkstoffs 1 (4) erzeugt
Phototräger.
Diese werden unter der Wirkung des elektrischen Felds zwischen den
Elektroden getrennt, die mit den Potentialen V1 bzw.
V2 verbunden sind (3).
Eine dieser Erzeugung zugeordnete Stromveränderung entsteht in der Abszisse
x und breitet sich entlang der koplanaren Höchstfrequenzleitung aus, in
gleicher Weise gemäß den zunehmen
und abnehmenden x.
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Um
einfach das Prinzip der Erfindung zu beschreiben, wird sich zunächst nur
für die
Ausbreitung des Photostroms entlang der Achse der x interessiert (3). Der einfallende Laserstrahl in der
Ebene A ist eine ebene Welle, der eine optische Leistung proportional
zu S(t) zugeordnet ist. Diese optische Welle wird progressiv vom
holographischen Bauteil 5 gebeugt. Der Bruchteil der gebeugten
Welle in der Abszisse X0 auf dem holographischen
Element 5 (4) gemäß dem Winkel α hat mit
der Geschwindigkeit vopt eine derartige
optische Strecke Lopt durchlaufen, dass: Lopt = X0 (cosθ + sinθ/cosα)
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Außerdem hat
der Bruchteil der auf H gebeugten Welle (holographisches Element 5)
in der Abszisse X = 0 zu einer Höchstfrequenzwelle
im Photodetektor geführt,
die sich mit der Geschwindigkeit Vhyp bewegt.
Wenn man für
ein moduliertes optisches Signal möchte, dass die Gesamtheit der
elementaren Photoströme
den an den Abszissen X0 gebeugten optischen
Wellen entsprechen, sich in Phase summieren, ist es notwendig, die
folgende Bedingung zu beachten: (X0/vopt)·(cosθ + sinθ/cosα) = (X0/vhyp)·(cosθ + sinθ·tanα)
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Aufgrund
der Gleichheit der optischen und der Höchstfrequenz-Ausbreitungszeiten
ist die Länge der
Höchstfrequenz-
und optischen Wellenleiter nicht begrenzt und ermöglicht es,
ein großes
Erfassungsvolumen in Betracht zu ziehen. Letzteres erlaubt so die
Erfassung einer hohen optischen Leistung.
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Man
kann außerdem
anmerken, dass der Winkel α von
der Abszisse X0 abhängen kann, um eine Entwicklung
der Geometrie der koplanaren Leitung (insbesondere Abstand e) entlang
von x zu erlauben. So kann eine Vergrößerung der Breite e der Beleuchtungszone 4,
die das Interaktionsvolumen entlang der Ausbreitung der Höchstfrequenzwelle noch
erhöhen
kann, aber die Geschwindigkeit vhyp(x) ändert, mittels
einer lokalen Veränderung
des Winkels α berücksichtigt
werden (siehe 5).
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Die
Grundidee der Erfindung ist es, über
eine Fläche 4 aus
photoleitendem Werkstoff von länglicher
Form umrahmt von zwei Elektroden 2, 3 und einem
elektrischen Feld ausgesetzt zu verfügen. Ein frequenzmodulierter
Lichtstrahl F beleuchtet diese Fläche 4. Hierzu breitet
eine Vorrichtung EXP räumlich
den frequenzmodulierten Strahl aus und überträgt ihn so auf die Fläche 4,
dass an verschiedenen Punkten der Fläche 4 der Lichtstrahl
phasenverschoben ist. Diese Phasenverschiebung ist progressiv von
einem Ende der Fläche 4 zum
entgegengesetzten Ende.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Das
photoleitende Substrat, zum Beispiel aus halbisolierendem GaAs mit
einer Dicke h = 370 μm,
trägt die
zwei Elektroden 2 und 3 (aus TiAu zum Beispiel),
die die Beleuchtungsseite 4 begrenzen. Ein solcher Aufbau
ist also vom Typ MSM (Metall/Hableiter/Metall). Die Elektroden können Gegenstand
einer elektrolytischen Wiederaufladung sein, die es ermöglicht,
Elektrodendicken von 5 μm
zu erreichen und so die Verlustleistungen durch Skineffekt zu minimieren.
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Der
Abstand e der Elektroden wird in Abhängigkeit vom in Betracht gezogenen
Durchlassband und der Breite der Elektroden gewählt, um eine charakteristische
Impedanzleitung von 50 Ohm zu erhalten. Für einen Betrieb bei 2 GHz beträgt der Abstand e
= 16 μm,
und die Breite der Bahnen beträgt
1 = 244 μm
für eine
Wellenleiterlänge
von etwa 3 cm. Eine Widerstandslast von 50 Ohm, die an einem der
Enden des Wellenleiters angeordnet ist (6), vermeidet
die Reflektionen, die von den Höchstfrequenzwellen
kommen, die in Richtung der abnehmenden x erzeugt werden. Die Polarisation
der Leitungen wird von Abschnitten mit hoher Impedanz, entweder
Drosselspulen oder λ/4-Leitungen gewährleistet,
wie in 6a angezeigt. Das andere Ende des
Wellenleiters ist mit einem Koaxialkabel verbunden. Man wählt, den
Photodetektor mit normalem Einfall zu beleuchten (α = 0). Der
Beugungswinkel θ des
Gitters (siehe 6b) muss dann die folgende Bedingung
beachten: tanθ =
nhyp – 1wobei
nhyp den Höchstfrequenzindex des Halbleiters (θ = 69° und nhyp = 3,6 für das GaAs) darstellt.
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Die Übertragung
des Lichtstrahls an die photoleitende Vorrichtung kann jedes Mittel
verwenden, das seine Ausbreitung auf der Seite 4 erlaubt,
um eine kontinuierliche Phasenverschiebung entlang der Seite 4 zu
haben.
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Insbesondere
durch klassische Holographieverfahren an photopolymeren Werkstoffen
erhält man
Beugungsgitter, deren Leistung höher
als 90 % ist. Gitter mit gleichwertiger Beugungsleistung, vom Typ
in Übertragung
vorgespanntes Gitter zum Beispiel, sind ebenfalls im Handel verfügbar und
können verwendet
werden. Diese Vorrichtung kann mit verschiedenen Wellenlängen hergestellt
werden, insbesondere 1,5, 1,3, 0,85 und 0,65 μm.
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Der
vorgeschlagene Aufbau ermöglicht
es, unabhängig
die Dicke der aktiven photoleitenden Zone, die Transitzeit der Phototräger (Breite
e) und die Geometrie des Höchstfrequenzwellenleiters
zu optimieren. Der Kompromiss zwischen der Breite der aktiven Zone
und der den von der Fläche
beleuchteten Photodioden eigenen Transitzeit wird aufgehoben. Gleiches
gilt für
den Kompromiss zwischen der Geometrie des optischen Wellenleiters
und derjenigen des den Wellenleiterphotodioden eigenen Höchstfrequenzwellenleiters.
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Die
Kompensation der Höchstfrequenzstrecken
durch die optischen Strecken ermöglicht
die Herstellung eines Photodetektors mit sehr breitem Durchlassband
und potentiell auf hohem Sättigungsniveau
aufgrund eines großen
empfindlichen Volumens.
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Für eine Frequenz
von 25 GHz weist eine klassische Photodiode nämlich eine Dicke von 1 μm und einen
Durchmesser von 25 μm
auf. Dieses begrenzte Volumen erlaubt eine maximale einfallende optische
Leistung von 10 mW und liefert dann eine auf einige Milliwatt begrenzte
elektrische Leistung. Der erfindungsgemäße Wanderwellen-Photodetektor besitzt
für die
gleiche Nutzungsfrequenz einen Abstand von 1 μm, eine Absorptionstiefe von
typischerweise 5 μm
und eine Länge
L von einigen cm, was (für
L > 1 cm) einfallende
optische Leistungen höher als
ein Watt erlaubt. Mit einer Empfindlichkeit in der Größenordnung
von 0,5 A/W, gleichwertig derjenigen der klassischen Photodioden,
ermöglicht
es das erfindungsgemäße System,
Höchstfrequenzleistungen in
der Größenordnung
von einem Watt zu haben.
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Die
Begrenzung des Durchlassbands aufgrund der Frequenzstreuung des
Höchstfrequenzwellenleiters
(v
hyp(f)) kann zum Teil durch die Verwendung
einer Mehrwellenlängen-Laserquelle und
eines streuenden optischen Werkstoffs kompensiert werden (
7).
In diesem Fall wird die Beugungsvorrichtung
5 zum Beispiel
auf einem Prisma derart hergestellt, dass:
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In
dieser Ausführungsform
kann man jeder Frequenz fi eine derartige
Wellenlänge λi zuordnen, dass
ihr Beugungswinkel αi durch die Vorrichtung 5 die Abstimmung
der optischen und Höchstfrequenz-Strecken
durchführt.
Es ist ebenfalls möglich, dass
jede Wellenlänge λi die
Gesamtheit der Frequenzen trägt.
In diesem Fall wird nur die Frequenz fi entsprechend λi wirksam
erfasst.
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Der
erfindungsgemäße Photodetektor
kann bei einem Generator von Höchstfrequenzsignalen angewendet
werden. In 6a kann also ein Höchstfrequenzsignal
relativ hoher Leistung aufgefangen und auf das Koaxialkabel übertragen
werden.
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Gemäß einer
in den 9a und 9b dargestellten
Ausführungsvariante
hat das Element aus photoleitendem Werkstoff 1 die Form
einer PIN-Diode, die in Form von p-, i- und n-dotierten Halbleiterschichten
hergestellt ist.
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Der
Aufbau der 9a weist auf einem n+-dotierten Substrat 10 eine Stapelung 11, 12, 13, die
die PIN-Diode bildet,
eine p+-dotierte Kontaktaufnahmeschicht
und eine transparente Elektrode 15 auf. Das Substrat weist
außerdem
eine Elektrode 16 auf. Der Strahl F fällt auf die Oberseite der Photodiode
ein, d.h. auf die transparente Elektrode 15 (siehe 9b).
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Der
Aufbau ist zum Beispiel ein Heteroübergang des Typs InP/GaInAsP/GaInAs,
der mit der optischen Wellenlänge
von 1,3 μm
arbeitet.
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Es
ist offensichtlich, dass nach der obigen Beschreibung die Elektrode 15 eine
längliche
Form hat. Zwischen einem Ende von 15 und der Elektrode 16 ist
eine Anpassungsimpedanz angeschlossen, und zwischen dem anderen
Ende von 15 und der Elektrode 16 ist der Ausgang der Vorrichtung
(Koaxialkabel) angeschlossen.
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Die
Verwendung eines epitaxierten Aufbaus erlaubt einen Hochfrequenzbetrieb
(> 20 GHz), ohne die
Nicht-Linearitäten zu erfahren,
auf die man in den MSM-Aufbauten
trifft. Diese Nicht-Linearitäten
kommen von der Ungleichmäßigkeit
des angelegten elektrischen Felds, das aus der Entfaltung in koplanarer Geometrie
der Elektroden entsteht.
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In
dieser Variante kann man den Aufbau einer epitaxierten PIN-Photodiode
beibehalten, und man kann die Beleuchtung nicht mehr von oben, sondern
von der Schmalseite vorsehen (10).
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In
dieser Konfiguration kumuliert man den Vorteil, einen epitaxierten
Aufbau, der das Anlegen eines gleichmäßigen elektrischen Felds erlaubt,
sowie einen Transport der zum optischen Fluss lotrechten Ladungen
zu haben. Letzterer erlaubt es, getrennt die Absorptionslänge und
die Dicke der intrinsischen Zone zu optimieren.
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Eine
solche Vorrichtung kann in integrierter Form hergestellt werden
(siehe 11), die dann aus der epitaxierten
PIN-Photodiode und aus dem diffraktiven Bauteil 5 besteht,
das in das Substrat in der gleichen Ebene eingeätzt ist wie die empfindliche Zone
der Photodiode. Eine Lichtschicht mit rechteckigem Querschnitt wird
zu 5 geleitet, um dort progressiv zur Photodiode gebeugt zu werden.
Die Phasensummierungsbedingungen entlang des Wellenleiters sind
gleich denjenigen, die in freier Ausbreitung erhalten werden. Die
Ausbreitung des Lichts wird aber um den optischen Index des Wellenleiters
verringert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann zur Verarbeitung von Impulsen und insbesondere zur Komprimierung
und zeitlichen Ausdehnung von Impulsen verwendet werden.
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Die
Impulse werden von dem Lichtstrahl F getragen.
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In
der Konfiguration der Vorrichtung der 3a zum
Beispiel, wenn die optische Welle sich mit normalen Einfallwinkel
zum Detektor richtet (8a), wird die Abstimmung der
optischen und Höchstfrequenz-Strecken
als durchgeführt
betrachtet, wobei der Winkel θ entsprechend
gewählt
wurde. In diesem Fall wird der Impuls der optischen Welle identisch
zum Höchstfrequenzsignal übertragen.
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Durch
Neigen des Photodetektors bezüglich der
Richtung des einfallenden Strahls verändert man die optische Strecke
der verschiedenen Abschnitte des optischen Strahls bezüglich der
Höchstfrequenz-Strecke.
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Zum
Beispiel für β < 0 wird der Impuls
komprimiert (8b), und für β > 0 wird die Ausdehnung des Impulses durchgeführt (8c).
