NL8901141A

NL8901141A - Modulator voor elektromagnetische golven met gekoppelde quantumputten en een detector voor elektromagnetische golven.

Info

Publication number: NL8901141A
Application number: NL8901141A
Authority: NL
Original assignee: Thomson Csf
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1989-05-08
Publication date: 1990-04-02
Also published as: US5311221A; SE8901670L; FR2637092A1; IT1235751B; SE8901670D0; CA1314615C; DE3915429A1; GB2227571A; GB8910492D0; GB2227571B; FR2637092B1; IT8967322A0

Description

Modulator voor_elektromagnetische golven met gekoppelde quantumputten_en_een_detector voor elektromagnetische golven^

De onderhavige uitvinding betreft een modulator voor elektromagnetische golven met gekoppelde quantumputten. De te moduleren golf kan een zich vrij of geleid voortplantende golf zijn.Zij is in het bijzonder toepasbaar bij de modulatie van infrarodegolven.

Binnen het spectrale infraroodgebied is het zeer moeilijk om modulatoren te realiseren die tegelijkertijd snel zijn en een grotere modulatiediepte vertonen.

Bepaalde modulatoren passen de injectie van vrije dragers toe in een halfgeleiderstructuur. Evenwel is de doorlaatband van deze modulatoren beperkt doordat hiervan de recombinatie-tijden tamelijk groot zijn, waarbij deze recombinatie een gevolg kan zijn van een stralings- en/of een niet-stralingsinteractie.

Ook zijn modulatoren volgens het Pockels-effect bekend. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de wisseling van de brekingsindex van het halfgeleidermateriaal onder invloed van een elektrisch veld. Dit zijn derhalve "elektro-optische" modulatoren. Echter is hun indexvariatie zeer gering. Dit leidt ertoe dat om een merkbaar effect te verkrijgen, men inrichtingen moet gebruiken met een grote interactielengte, derhalve met een grote afmeting. Ofschoon het elektro-optische effect zeer snel is omdat zijn karakteristieke tijden in de orde van enkele femto-seconden is, zal, indien men een goede modulatiediepte wenst te verkrijgen, de grootte van de inrichting de doorlaatband van de modulator beïnvloeden. Bovendien is dit des te meer kritisch in het infrarode gebied (in vergelijking met het zichtbare en nabij infrarode gebied) omdat de afmetingen van de modulator ook moeten toenemen met de golflengte.

Andere bekende modulatoren gebruiken het principe van de elektro-absorptie (Franz-Keldysh effect). In dit geval doet men een elektrisch besturingsveld tussenkomen dat, wanneer het tamelijk groot is, de absorptiedrempel van het materiaal (in termen van frequentie) verplaatst. Bij dit laatste type modulator is het nodig halfgeleidermaterialen te gebruiken met een verboden bandenergie dat dichtbij de energie van de te moduleren golf ligt. Bijvoorbeeld worden in het geval van een infrarode golf met een golflengte van 10 micrometer, legeringen van materialen II- II van het periodieke systeem van Mendeleev van de elementen gebruikt. Evenwel is de bewerking van deze materialen zeer moeilijk om zich industrieel meester te maken, en gegeven hun kleine verboden bandenergieinterval, zijn zij zeer gevoelig voor fabrikage-imperfecties.

Het is om deze reden dat andere oplossingen zijn voorgesteld waarvoor de absorptie binnen een band tussen bijvoorbeeld twee discrete energieniveau1s van een quantumput wordt gebruikt.

De fabrikage van halfgeleidermaterialen die dienen voor het definiëren van deze quantumputten wordt veel beter beheerst, in het bijzonder in het geval van het gebruik van halfgeleiders III- v uit het periodieke systeem van elementen.

In een dergelijke structuur berust het orgaan voor het besturen van de modulatie op een pompgolf die in amplitude wordt gemoduleerd en die een frequentie bezit die groter is dan die van de te moduleren golf. De pompgolf dient voor het bezetten van een discreet niveau van de quantumput. De absorptie van de te moduleren golf geschiedt dan met behulp van een overgang van elektronen (of van gaten) van het eerste discrete niveau van de quantumput naar een ander discreet niveau. Aldus bestuurt men de absorptie van een golf waarvan de frequentie gelijk is aan het verschil tussen de energieën van de twee discrete niveau's gedeeld door de constante van Planck.

Meer exact, zoals is weergegeven in figuur 1, kan een dergelijke modulator een structuur omvatten die een quantumput (1,2,3) bezit waarvan de optische karakteristieken worden gewijzigd door het optisch pompen dat wordt uitgevoerd door een besturings-golf (hul) die behoort tot het gemiddelde infrarode gebied.

De besturingsgolf hul wordt gemoduleerd door middel van een klassieke modulator. Bij het moduleren van de amplitude van de besturingsgolf hul, is het mogelijk de amplitude of de fase van de te moduleren golf hu3 te moduleren.

Ofschoon zeer interessant voor bepaalde toepassingen, bezitten deze modulatoren desalniettemin een overblijvend bezwaar: het is niet mogelijk hen te optimaliseren voor het tegelijkertijd verkrijgen van een brede doorlaatband en een goede modulatiediepte.

Immers wordt de doorgelaten band van deze modulatoren beperkt door hetzij de doorlaatband van de pompgolf , hetzij de recombinatietijden van door licht gecreëerde dragers bij het eerste discrete energieniveau van de quantumput. Teneinde slechts de beperking ten gevolge van de doorlaatband van de pompgolf te ondergaan, is het wenselijk korte levensduren van de dragers te hebben. Maar dan zal, voor een gegeven vermogen van de pompgolf, naarmate deze levenduren van de drager korter zijn, de modulatiediepte des te geringer zijn. Het is derhalve duidelijk dat op dit ogenblik het nog niet mogelijk is geweest geheel bevredigende optische modulatoren te verkrijgen, in het bijzonder wanneer het gaat om infrarood licht.

Een eerste doel van de uitvinding is een optische modulator te verschaffen waarbij een ruimtelijke scheiding van elektronen en van gaten wordt gerealiseerd in twee verschillende quantumputten, hetgeen het mogelijk maakt de levensduur van elektron-gatparen te verlengen. Dit maakt het in het bijzonder mogelijk het vermogen van de golfpomp dat nodig is voor een absorptie binnen een gegeven band te verminderen.

De uitvinding heeft evenzeer als doel het verschaffen van een modulator die onder normale omstandigheden transparant kan zijn of evengoed daarentegen onder normale omstandigheden ondoorlatend, voor de te moduleren elektromagnetische golf.

De uitvinding heeft ook als doel een modulator te verschaffen die kan worden bestuurd door het elektrische veld.

Tenslotte is een modulator, waarbij de modulator ook kan worden bestuurd door het naast elkaar bestaan van een pompgolf en van een elektrisch veld, bruikbaar als EN-poortfunctie of ook in toepassingen van het type "beeldherhaling".

De modulator die wordt voorgesteld is van het type dat omvat: - een halfgeleiderstructuur die een afwisseling van lagen omvat die een eerste quantumput definieert, - organen voor het bezetten door elektronen van het eerste discrete energieniveau van de eerste quantumput en - organen voor het besturen van de absorptie, door de quantumput van een te moduleren golf.

Volgens een algemene omschrijving van de uitvinding, omvat de halfgeleiderstructuur een andere afwisseling van lagen die grenst aan de eerste, die een tweede quantumput definieert die is gekoppeld aan de eerste quantumput door een barrièrelaag heen die voldoende fijn is opdat deze koppeling sterk is en waarbij de besturingsorganen organen omvatten die geschikt zijn om onder besturing een elektrisch veld loodrecht op de berrière aan de structuur aan te leggen, hetgeen het mogelijk maakt de levensduur van gecreëerde elektron-gatparen te verlengen.

Volgens een eerste in het bijzonder van belang zijnde familie van inrichtingen volgens de uitvinding, is de modulator daarenboven gekenmerkt doordat de te moduleren golf wordt onderworpen aan een absorptie binnen een band, dat wil zeggen uitgevoerd tussen een eerste en een tweede energieniveau die aan dezelfde zijde van de verboden band van één van de quantumputten zijn gelegen»

Volgens een verdere familie van modulatoren volgens de uitvinding, bezit de tweede quantumput een verboden bandenergie-interval dat groter is dan dat van de eerste put.

Volgens een uitvoeringswijze die in het bijzonder past bij deze onderfamilie, leggen de organen voor het exciteren aan de halfgeleiderstructuur een pompgolf aan die geschikt is voor het door elektron-gatparen bezetten van een energieniveau van de eerste quantumput, terwijl het aanleggen van het elektrische veld elektronen van de eerste quantumput van de eerste quantumput overdraagt naar de tweede quantumput, waarbij de absorptie binnen een band optreedt in de tweede quantumput.

Een in het bijzonder van belang zijnd aspect van de uitvinding berust derhalve hierin dat de organen voor exciteren actief kunnen worden gemaakt onder besturing. Dit maakt een "EN“-besturingsfunctie mogelijk, alsmede beeldherkinningsoperaties.

Volgens een andere onderfamilie van modulatoren volgens de uitvinding, is één van de quantumputten gedoteerd. De excitatie geschiedt door het aanleggen van een elektrisch veld dat elektronen van één van de quantumputten overdraagt naar de andere quantumput, waarin de voornoemde binnen de band absorptie optreedt.

Indien de gedoteerde put de eerste put is, is de modulator dan onder normale omstandigheden transparant voor de te moduleren golf. In het tegengestelde geval waarbij de gedoteerde put de tweede put is, is de modulator onder normale omstandigheden ondoorlatend voor de te moduleren golf. In het ene of het andere geval kan de modulator bovendien ohmse contacten omvatten op de lagen die zich aan weerszijden van de quantumputten bevinden.

De stroom die aldus wordt verzameld geeft de modulator de mogelijkheid te functioneren als een lichtdetector voor de gemoduleerde golf.

Binnen een tweede familie van modulatoren volgens de uitvinding, wordt de te moduleren golf onderworpen aan een absorptie tussen banden, tussen twee energieniveau's die zich aan weerszijden van de verboden band bevinden van één van de quantumputten. In dit geval heeft het ook de voorkeur dat de tweede quantumput een verboden bandenergieinterval bezit dat groter is dan dat van de eerste quantumput.

In het algemeen kunnen de modulatoren volgens de onderhavige uitvinding een vrije of ook een volgens één of twee dimensies geleide te moduleren golf ontvangen.

Het patroon van twee quantumputten zoals hierboven beschreven kan een aantal malen worden herhaald.

Tenslotte kunnen de modulatoren volgens de onderhavige uitvinding werkzaam zijn in het infrarode gebied, nagenoeg over de gehele band, in het bijzonder voor golflengten van 10 micrometer of meer.

Andere kenmerken en voordelen van de uitvinding zullen . duidelijk worden bij het bestuderen van de gedetailleerde beschrijving hierna, en de bijgaande tekeningen, waarin: - figuur 1 een uitvoeringsvoorbeeld is van een modulator volgens de bekende techniek - figuur 2 een principeschema is van een modulator volgens de onderhavige uitvinding; - figuur 3 een schematisch diagram is van energieniveau’s, welk diagram het mogelijk maakt de werking van een inrichting volgens de onderhavige uitvinding beter te begrijpen; - de figuren 4,5 en 6 energiediagrammen en golffunctiediagrammen zijn die meer exact de werking van een uitvoeringswijze van de inrichting volgens de onderhavige uitvinding omschrijven; - figuur 7 een uitvoeringsvoorbeeld weergeeft van de modulator van de uitvinding; - figuur 8 een uitvoeringsvariant is van de modulator van figuur 6; - figuur 9 een uitvoeringsvoorbeeld is van de modulator van de uitvinding die werkzaam is met geleide optiek; - figuur 10 een uitvoeringsvariant is van de modulatoren van de figuren 7 t/m 9; - figuur 11 een uitvoeringsvoorbeeld is van een optische detector volgens de uitvinding.

De bijgaande tekeningen brengen wezenlijk bepaalde kenmerkende elementen met zich mee. Zij zijn derhalve te beschouwen als te zijn opgenomen in de onderhavige beschrijving en zij kunnen niet slechts dienen voor het beter doen begrijpen hiervan, maar ook in het voorkomende geval bijdragen tot de omschrijving van de uitvinding.

In figuur 2 wordt een halfgeleiderstructuur volgens de uitvinding gedefinieerd door een halfgeleidersubstraat S, waarop door epitaxatie een tussenlaag CI1, gevolgd door een actieve laag CP1, een barièrelaag CB, een actieve laag CP2, en een tussenlaag Cl2 worden afgezet.

Bij voorkeur wordt het halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt voor de structuur gebaseerd op halfgeleiders uit de kolommen III en V van het periodieke systeem van Mendeleev, of hun legeringen. Het kan in het bijzonder gaan om legeringen onder aluminium, gallium, indium enerzijds en fosfor, arsenicum, antimoon anderzijds. De legeringen kunnen tweevoudig, drievoudig, of viervoudig zijn.

Figuur 2 laat ook twee elektroden El en E2 zien, waarvan bijvoorbeeld de één op het toegankelijke vlak van het substraat is geplaatst en de andere op de laatste laag die tegenoverliggend zijn is gesitueerd, welke laag hier wordt verondersteld te/de tussenlaag CI2. Het aanleggen van een spanning tussen de elektroden El en E2 door besturingsorganen MC maakt het mogelijk op besturing een elektrisch veld aan te leggen loodrecht op de verschillende lagen en in het bijzonder op de barièrelaag CB.

Op algemene wijze weet men structuren te realiseren die quantumputten omvatten.

Met het oog hierop wordt het substraat bijvoorbeeld gedoteerd of niet. De eerste tussenlaag CI1 bezit een samenstelling die hem een groot energieinterval van de verboden band verleent (vaak in het kort aangeduid als “gap" in Engelse terminologie).

Hier zal de afkorting "verboden bandinterval" worden gebruikt.

De laag CP1 die gaat dienen voor het definiëren van een eerste put bezit een klein verboden bandinterval. De barièrelaag CB bezit opnieuw een groot verboden bandinterval. De tweede putlaag CP2 bezit een klein of gemiddeld verboden bandinterval, alnaar gelang de uitvoeringswijzen. De isolatielaag CI2 bezit opnieuw een groot verboden bandinterval. De dikten van de lagen zijn enige tientallen angströms, op kenmerkende wijze omstreeks 50 angström. De dikte van de lagen kunnen verschillend zijn, alnaar gelang de gewenste eigenschappen van de structuur.

De barièrelaag CB heeft een dikte die klein is ten opzichte van de lagen CI1 en CI2.Opgemerkt kan worden dat hun verboden bandenergieën verschillend kunnen zijn (voor CB, CI1, CI2). De structuur van figuur 2 kan worden beschouwd op basis van een patroon: het elementaire patroon omvat de afwisseling van een tussenlaag (CI1) en van een putlaag(CPl), van een barière laag(CB), van een putlaag (CP2) en dit motief wordt herhaald langs de lengte van de as van de epitaxatiegroei.

Een dergelijke structuur zal interessante eigenschappen bezitten, vanaf het ogenblik waarop men hiervoor elektron-gatparen heeft gecreëerd die zekere energieniveau1s van één van de quantumputten beletten.

Figuur 3 illustreert op schematische wijze het geval waarin de lagen CPl en CP2 verschillende verboden bandintervallen bezitten.

De krommen Bv en Bc duiden respectievelijk de bovengrens van de valentieband aan en de ondergrens van de geleidingsband.

Het is tussen deze twee krommen dat zich het verboden bandinterval bepaald bevindt.

Onder de kromme Bv zullen zich energieniveau's bevinden die beschikbaar zijn Voor de gaten, waaronder men de zware gaten (h) en de lichte gaten (L) onderscheidt. Boven de grens van de geleidingsband Bc zullen zich de elektronen bevinden.

Verder kunnen elektronen en gaten (zware enerzijds, lichte anderzijds) slechts bepaalde discrete energieniveau's innemen.

Voor de gaten ziet men in figuur 3 het eerste niveau hO voor de lichte gaten, gevolgd door andere niveau's.

Voor de elektronen onderscheidt men voor het stelsel van twee putten een eerste energieniveau EO, gevolgd door een tweede El en een derde E2.

Met elk van de energieniveau!s kan een golffunctie worden geassocieerd die de waarschijnlijkheid aanduidt van een ruimtelijke aanwezigheid van een elektron of een gat voor dit energieniveau. In figuur 3 zijn op schematische wijze bijvoorbeeld de golf functies WO, Wl, W2 geïllustreerd.

In het geval van deze figuur 3, ziet men dat WO in hoofdzaak is gelocaliseerd in de eerste put terwijl Wl en W2 een maximale aanwezigheidswaarschijnlijkheid vertonen in de tweede put.

Bij onderzoek van figuur 3 zal hij die ter zakekundig is begrijpen dat in de put CP1 een minimale energiesprong Gl kan worden gedefinieerd tussen het energieniveau hO voor de zware gaten en het energieniveau EO voor de elektronen.

Evenzo kan men in de put (CP2) een minimale energiesprong G2 identificeren tussen het energieniveau hl voor de zware gaten en het energieniveau El voor de overeenkomstige elektronen.

Tenslotte kan een derde energiesprong G.3 worden gedefinieerd op een enigzins afwijkende wijze tussen het discrete niveau El en het discrete niveau E2 voor de elektronen.

Het bijzondere geval van figuur 3 illustreert de eerste familie van modulatoren waarbij men een absorptie binnen een band. zal gebruiken, en meer nauwkeurig de onderfamilie waarbij de intervallen Gl en G2 niet dezelfde zijn voor de twee quantumputten, waarbij deze niet met opzet zijn gedoteerd.

Figuur 7 geeft een uitvoeringsvoorbeeld weer van een modulator volgens de uitvinding.

Deze omvat op een substraat S de volgende opeenvolgende lagen waarvan de groei is gerealiseerd volgens de as OZ van het referentiestelstel OXYZ: - een eerste tussenlaag CI1 - een eerste quantumputlaag CPl

- een barièrelaag CB

- een tweede quantumputlaag CP2 - een tweede tussenlaag CI2

Electroden El en E2 worden verbonden met een spannings-generator MC, waarvan de één op het ondervlak van het substraat S is geplaatst en de andere op het buitenvlak van de tweede tussenlaag CI2, hetgeen het mogelijk maakt een elektrisch besturingsveld aan de modulator aan te leggen.

Daarenboven zendt een lichtbron ME een lichtgolf met een frequentie fl die is verbonden met de lengte van de verboden band Gl van de eerste quantumput door de betrekking waarbij h de constante van Planck is.

De eerste quantumput CPl heeft slechts een enkel elek-tronenquantumniveau opdat in afwezigheid van het aanleggen van een elektrisch veld door de elektroden El, E2 de modulator transparant kan zijn voor de te moduleren golf.

De modulator kan evenzo werken met een eerste quantumput CP1 die twee energieniveau1s heeft en transparant werken voor de te moduleren golf in afwezigheid van een elektrisch veld, maar het is nodig dat het verschil tussen deze twee energieniveau's niet gelijk is aan het verschil tussen de energieniveau1s van de tweede put die correspondeert met de te moduleren golf.

Hier zijn de samenstelling en de afmeting van de lagen CP1 en CP2, die de quantumputten definiëren zodanig dat Gl kleiner is dan G2.

In de afwezigheid van een extern elektrisch veld en een pompgolf komt met energie Gl, zijn de elektronenniveau's E0>

El en E2 leeg. De modulator is niet actief, dat wil zeggen dat deze de te moduleren golf OM niet kan absorberen.

Wanneer de structuur wordt gepompt met behulp van een golf met frequentie fl, zodanig dat Gl£hflz;G2 (met h=constante van Planck), worden het niveau Ξ0 voor de elektronen en het niveau hO voor de gaten bezet.

De frequentie van de te moduleren golf wordt verondersteld gelijk te zijn aan f3, zodanig dat G3 = hf3 waarbij h gelijk is aan de constante van Planck.

Zelfs in aanwezigheid van de golfpomp zijn er geen elektronen in de put CP2. Er is derhalve geen absorptie mogelijk met de energie G3 die overeenkomt met de te moduleren golf.

Indien nu de besturingsorganen MC van figuur 2 worden aangewend om een elektrisch veld aan te leggen in de lengterichting van de structuur (dat wil zeggen loodrecht op de barièrelaag CB), kan men de niveau's EO en El van de putten CPl en CP2 "in resonantie brengen". De discrete energieniveau1s van de put CP2 worden ten opzichte van die van de put CPl verlaagd.

Het elektrische veld kan derhalve op een zodanige wijze worden ingesteld dat de golffunctie van het niveau EO in de put CP2 wordt gelocaliseerd, zoals dat is weergegeven in figuur 6.

Hieruit vloeit de mogelijkheid voort van een elektronen- overdracht van de put CP1 naar de put CP2. Deze elektronenoverdracht vindt plaats door een tunneleffect dwars door de barrièrelaag heen, zoals wel bekend is in de techniek.

Vanaf het ogenblik waarop het energieniveau El van de put CP2 is bezet, worden overgangen tussen deze twee niveau's El en E2 met de energie G3 mogelijk. Het licht met de frequentie f3 kan nu derhalve worden geabsorbeerd. De figuren 4,5 en 6 illustreren meer exact het gedrag van de twee putten.

Men herkent hier de plaatsen van de putten CP1, van de barrière CB en van de put CP2.

In deze figuren 4,5 en 6 geven de abscissen de plaatsen in honderden angstroms weer. De ordinaten geven de energie in honderden millielektronvolt weer en de verschillende golffuncties die zijn gekwadrateerd'csmte worden gebracht . op een aanwezigheids-waarschi jnli jkheid.

De laagste lijn EO geeft het eerste energieniveau aan voor de elektronen. De gestippeld getrokken lijn FL markeert het Ferminiveau. De onderste lijn El markeert het tweede energieniveau voor de elektronen. En de onderste lijn E2 markeert het derde energieniveau voor de elektronen.

Op de lijn EO is de golffunctie WO gesuperponeerd voor de elektronen van het overeenkomstige niveau. Men ziet dat in figuur 4 deze golffunctie een grotere waarschijnlijkheid van de aanwezigheid van elektronen markeert in de put CP1,hetgeen de aanwezigheid van elektronen in deze put aangeeft.

Maar in de aanwezigheid van het elektrische veld dat geschikt is om een groeiende potentiaal W op de structuur aan te leggen, bevindt de golffunctie van het niveau EO zich meer en meer in de tweede put, zoals men kan zien in de figuren 5 vervolgens 6. En overgangen zijn dan mogelijk in de put CP2 tussen de energieën EO en E2, met de energiesprong G3 die correspondeert met de absorptie van een golf met de eerder genoemde frequentie f3.

Opgemerkt zij dat voor de waarde van het elektrische veld waarbij de elektronen van de put CP1 naar de put CP2 passeren, de gaten gelokaliseerd blijven in de eerste put. Er resulteert een ruimtelijke scheiding van elektronen die in de put CP2 zijn en van gaten die in de put CP1 zijn. Dit heeft tot gevolg dat de levensduur van de door licht gecreëerde elektron-gatparen is verlengd en dit met een grootte-orde van drie meer (ongeveer 1000). De consequentie hiervan is dat voor het verkrijgen van eenzelfde hoeveelheid elektronen in de stationaire toestand, op het niveau van de quantumput CP2, hetgeen een absorptie met de frequentie f3 mogelijk maakt, een pompgolf met een veel geringer vermogen (ongeveer 1000 maal minder vermogen) dan in de bekende technieken voldoende is.

De omschakeling van de modulatie geschiedt met behulp van een besturing door het elektrische veld. De doorlaatband van dit type modulatoren wordt derhalve beperkt door de snelheid waarmee het elektrische veld zich vestigd. Voor een dragers- 11 12 dichtheid van de orde van 10 a 10 elektronen per cm2, waarbij de absorptie binnen een band tamelijk groot is, kunnen de interactieafstanden klein zijn. Op kenmerkende wijze gaat het om enige microns, hetgeen men kan vergelijken met enige millimeters die nodig zijn voor de modulatoren gebaseerd op het Pockels-effect.

De vakman zal begrijpen dat dit tegelijkertijd het mogelijk maakt de doorlaatband van de modulator en zijn modulatie-diepte te verbeteren.

Volgens een uitvoeringsvariant, wordt, in plaats van het aanleggen van een pompgolf, voorzien in een dotering van één van de putten en onder het aanleggen van een elektrisch veld is de werking identiek aan die welke hiervoor is beschreven.

Het past om nader aan te duiden dat bij deze uitvoeringsvariant, indien de quantumput CPl is gedoteerd, de modulator onder normale omstandigheden (zonder het aanleggen van een elektrisch veld) transparant zal zijn.

Indien het de put CP2 is die is gedoteerd, zal de modulator onder normale omstandigheden ondoorschijnend zijn voor de te moduleren frequentie f3.De structuur van de lagen van de modulator volgens deze variant zal identiek zijn aan die van figuur 7.

Naar aanleiding hiervan zij herinnerd dat de ongelijkheid van de verboden bandènergieintervallen van de twee putten gevolg kan zijn van niet slechts een samenstelling maar ook van een structuur, in het bijzonder een geometrie.

In het voorafgaande zijn twee onderaspecten van de eerste familie van uitvoeringen volgens de uitvinding beschouwd.

In een tweede familie worden de frequenties die optreden verbonden met de overgangen tussen banden,dat wil zeggen tussen de geleidingsband en tussen de valentieband.

De te moduleren golf zal een golf zijn met frequentie fl die overeenkomt met de verboden band G1 of enigzins groter.

Opnieuw onder verwijzing naar de figuren 3 en 4, is het duidelijk dat de absorptie vna een golf met een frequentie fl die is verbonden met het verboden bandinterval Gl, die is gelegen in het nabij infrarood, kan worden gemoduleerd door een golf met frequentie f2 die is verbonden met het verboden bandinterval G2.

Men behoudt evenwel de dubbele besturing door een pompgolf met frequentie f2 en door het elektrische veld. Het voordeel van de gekoppelde putten blijft dus in de verlenging van de levensduren van de dragers, dat wil zeggen van de elektron-gatparen. Hieruit resulteert een vermindering van het vermogen van de pompgolf dat vereist is voor het realiseren van de verzadiging van de absorptie met de frequentie fl die is verbonden met Gl.

Indien de twee putten identiek zijn, is er een modulatie met de frequentie fl door het Stark-effecten het voordeel van het stelsel bestaat dan uit het versterken van het Stark-effect.

De richting waarin de te moduleren golf moet worden aangelegd aan de structuur in niet uniek. Evenwel kan men deze golf niet meer aanleggen in een willekeurige richting. Voor de overgang binnen een band is het immers nodig dat de polarisatie van de lichtgolf volgens de as OZ is, terwijl voor een overgang tussen de banden deze polarisatie verboden is.

Volgens het uitvoeringsvoorbeeld van figuur 7, is de te moduleren golf hv3 onder een hoek ten opzichte van het bovenvlak van de inrichting. Opdat de modulator functioneert, is het nodig dat één vna de componenten van het elektrische veld van de te moduleren golf is gepolariseerd volgens een as evenwijdig aan de as OZ, waarbij deze as OZ de groeias van de lagen CU t/m CI2 is die de modulator vormen. Het past derhalve dat één van de componenten van de te moduleren golf is georiënteerd volgens een andere as dan de as OZ.

Volgens figuur 8, zijn de twee golven hvl en hv3 evenwijdig aan het vlak van de lagen van de modulator en meer in het bijzonder evenwijdig aan de as OY.

Evenwel zou men, ofschoon dit niet is weergegeven, elk ander type oriëntatie van de richtingen van de golven hvl en hv3 kunnen hebben, hetzij onderling, hetzij ten opzichte van het vlak van de lagen CI1 t/m Cl2 van de modulator.

In het geval waarbij de te moduleren golf of de pompgolf moet aankomen volgens het bovenvlak van de modulator/, tenminste de elektrode E2 half-doorlatend zijn voor de golf of de golven die de elektrode passeren. In dit opzicht zal men opmerken dat de te moduleren golf vrij kan zijn, hetzij geleid door een opsluiting volgens één dimensie, hetzij geleid volgens twee dimensies.

Figuuur 9 geeft een uitvoeringsvoorbeeld weer die werkzaam is in een geleidewijze. De tussenlaag CI2 bezit op zijn bovendeel een geleidingsgedeelte G dat, bijvoorbeeld, volgens de as OY is georiënteerd. De realisatie van deze geleiding is bekend in de techniek en men weet een geleiding vast te stellen die afmetingen heeft die geschikt zijn om een goede geleiding te verkrijgen.

Volgens figuur 9 bedekt de elektrode E2 slechts het geleidingsgedeelte G, maar volgens andere uitvoeringswijzen kan zij eveneens het geheel van de laag CI2 bedekken.

Volgens het uitvoeringsvoorbeeld van figuur 9,is de te moduleren golf georiënteerd volgens de as OY, maar zij zou een andere oriëntatie kunnen hebben. De polarisatierichting van deze golf moet worden georiënteerd volgens de groeias OZ.

In hetgeen is voorafgegaan, kiest men een substraat waarvan de brekingsindex bij voorkeur kleiner is dan de index van de geleiding.

In het geval van een werking door een transmissie dwars door de modulator heen, dat wil zeggen een werking waarbij de te moduleren golf in de modulator binnendringt door het bovenvlak hiervan, kan het substraat een zekere absorptie vertonen, hetgeen voor de werking van de inrichting nadelig kan zijn.

Teneinde dit bezwaar te beperken, voorziet men derhalve in het dunner maken van het substraat. Zoals hier is weergegeven, bijvoorbeeld in figuur 10, verkort een holte die is aangelegd in de dikte van het substraat het optische traject in het materiaal van het substraat.

In de uitvoeringsvoorbeelden van de figuren 7 t/m 10, zijn modulatoren weergegeven waarbij een pompgolf een bezetting mogelijJc maakt van elektronen van het energieniveau van de eerste quantumput CPi. Evenzo kan men deze bezetting door elektronen realiseren door een dotering. In dat geval wordt de golfbron ME voor het pompen niet gebruikt en blijft het stelsel gelijk aan die welke in de figuren zijn weergegeven.

De vakman zal evenzeer begrijpen dat het rendement van de modulatie kan worden vergroot, door een structuur te nemen waarbij het patroon van twee quantumputten meermalen wordt herhaald. In dat geval speelt, onder verwijzing naar figuur 2, de laag CI2 de rol van de laag CI1, en zal derhalve een ander ensemble CP1,CB,CP2,CI2 dienen, enzovoorts, in het voorkomende geval.

Volgens de uitvinding kan de structuur van de uitvinding worden toegepast bij de realisatie van een elektromagnetische golfdetector.

In dat geval brengt men ohmse contacten Rl, R2 aan op de buitenlagen van de inrichting, zoals is weergegeven in figuur 11.

Een stroomdetector DE wordt dan verbonden met de ohmse contacten en maakt het mogelijk dat de inrichting volgens de uitvinding werkzaam is als een elektromagnetische golfdetector.

Deze inrichting kan dan worden gebruikt in een beeld-herkenningsinrichting, waarbij het realiseren van de functie "EN" van de pompgolf en de te moduleren golf mogelijk wordt gemaakt. Bij geleide optiek zal men dus de integratie voor ogen kunnen hebben van een modulator en een infrarooddetector op dezelfde halfgeleiderstructuur, hetgeen voor bepaalde toepassing interessant kan zijn.

Figuur 11 geeft een uitvoeringsvoorbeeld weer van een dergelijke detector. Bij wijze van voorbeeld is een detector weergegeven die werkzaam is volgens een geleidewijze. De elektrode E2 bedekt slechts een gedeelte van de geleiding.

Op een ander gedeelte van de geleiding is een ohms contact Rl aangebracht. Op het vrije vlak van het substraat S is evenzo een ander ohms contact R2 aangebracht. Een detector DE wordt verbonden tussen de twee ohmse contacten Rl en R2 en maakt het detecteren mogelijk van een stroom die de doorgang van een golf hv3 vertaalt.

Volgens de detector van figuur 11, is het mogpl i/ik·,.— de electrode El en hét ohmse contact R2 uit een enkel stuk te vervaardigen, waarbij derhalve één van de aansluitklemmen van de detector DE en de generator MC elektrisch zijn verbonden.

De detector van figuur 11 werkt met geleide optiek.

Hij kan eveneens functioneren met niet-geleide optiek door de modulator van figuur 7 aan te passen voor het aanbrengen van tenminste één ohms contact Rl op het oppervlak van de CI2. Deze detector kan dan functioneren als een beelddetector, waarbij het bovenvlak van de laag CI2 met behulp van een pompgolf (hvl) en van een te moduleren golf wordt belicht. Elke golf zendt een beeld en de detector maakt het dus mogelijk hen te identificeren.

Tenslotte kan de detector worden gerealiseerd door de uitvoeringsvariant van de uitvinding toe te passen waarbij de elektronenbezetting van het energieniveau buiten de eerste guantumput wordt verkregen door een dotering. De bron ME wordt dan niet meer gebruikt. De detector functioneert bij een detectie van een vast niveau van de te moduleren golf.

Het is duidelijk dat de onderhavige uitvinding niet wordt beperkt door de beschreven uitvoeringswijzen, maar zich uitstrekt over alle varianten die vallen binnen het kader van de navolgende conclusies.

Claims

1. Modulator voor elektromagnetische golven, van het type dat omvat : - een halfgeleiderstructuur die een eerste afwisseling van lagen (CIl, CPl,CB} omvat die een eerste guantumput (CP1) definieert, - organen voor het bezetten door elektronen van het eerste discrete energieniveau van de eerste quantumput, en - organen (MC) voor het besturen van de absorptie door de quantumput van een te moduleren golf (OM), met het kenmerk, dat de halfgeleiderstructuur een andere afwisseling van lagen (CB,CP2,CI2) omvat die grenst aan de eerste afwisseling van lagen en die een tweede quantumput(CP2) definieert die is gekoppeld aan de eerste quantumput door een barrièrelaag (CB)heen, en dat de organen (MC) voor het besturen organen (E1,E2) omvatten die geschikt 21jn om onder besturing een elektrisch veld loodrecht op de barrière aan de structuur aan te leggen, hetgeen het mogelijk maakt de levensduur van de gecreëerde elektron-gatparen te verlengen.

2. Modulator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de te moduleren golf (OM) een golf is met frequentie f3 = G3/h, waarbij G3 een verschil is van energieniveau's van één van de quantumputten en h de constante van Planck is, waarbij de te moduleren golf wordt onderworpen aan een absorptie binnen een band, tussen een eerste en tweede energieniveau die zijn gesitueerd aan dezelfde zijde van de verboden band van de quantumput.

3. Modulator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de samenstellingen van de energieputten zodanig is dat de eerste put een enkel discreet energieniveau toelaat, terwijl de tweede put twee energieniveau's toelaat waarvan het verschil (G3) correspondeert met de te moduleren frequentie (f3) vermenigvuldigd met de constante van Planck.

4. Modulator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de samenstellingen van de energieputten zodanig zijn, dat de eerste put twee energieniveau's(El, EO) toelaat waarvan het verschil(El,EO) groter is dan of gelijk is aan het produkt (G3 =f3h)van de te moduleren frequentie met de constante van Planck (h), terwijl de tweede put twee energieniveau's (Ε'Ι,Ε'Ο) toelaat waarvan het verschil (Ε'Ι,Ε'Ο) groter is dan of gelijk is aan het produkt (G3 = f3h) van de te moduleren frequentie met de constante van Planck (h).

5. Modulator volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de dikte en de samenstelling van de lagen zodanig zijn dat de tweede quantumput (CP2) een verboden bandenergieinterval bezit dat groter is dan dat van de eerste put (CPl).

6. Modulator volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de organen voor het bezetten door elektronen (ME) aan de halfgeleiderstructuur een pompgolf (OP) aanleggen die geschikt is voor het bijvoorbeeld door elektron-gatparen bezetten van een energieniveau van één van de quantumputten (CPl), terwijl het aanleggen van het elektrische veld elektronen overbrengt van de genoemde quantumput (CPl) naar de andere quantumput (CP2), waarbij de absorptie binnen de band optreedt in deze tweede quantumput.

7. Modulator volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de organen voor een energiebezetting (ME) actief zijn onder besturing en worden gecombineerd met de besturingsorganen (MC) voor het mogelijk maken van een "EN"-functie.

8. Modulator volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de organen voor het bezetten door elektronen van één van de quantumputten een dotering omvatten van de actieve laag van deze put.

9. Modulator volgens conclusie 8, met het kenmerk ,dat de gedoteerde put de eerste put (CPl) is, waarbij de modulator onder normale omstandigheden transparant is voor de te moduleren golf.

10. Modulator volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de gedoteerde put de tweede put (CP2) is, waarbij de modulator onder normale omstandigheden ondoorlatend is voor de te moduleren golf.

11. Modulator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de te moduleren golf (OM) een golf is met frequentie fl=Gl/h en wordt onderworpen aan een absorptie tussen banden, tussen twee energieniveau's die aan weerszijden van de verboden band zijn gesitueerd van één van de quantumputten.

12. Modulator volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de tweede quantumput (CP2)een verboden bandenergieinterval bezit dat verschillend is of gelijk is aan dat van de eerste put (CPl).

13. Modulator volgens één der conclusies 12, met het kenmerk, dat de modulator werkzaam is in het nabij infrarood.

14. Modulator volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de modulator een volgens één of twee dimensies geleide te moduleren golf ontvangt.

15. Modulator volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het patroon van twee guantumputten (CP1,CB, CP2,CI2) een aantal malen wordt herhaald.

16. Modulator volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de golflengte van de te moduleren golf die is aangelegd aan de modulator een waarde heeft die tenminste gelijk is aan de constante van Planck (h) gedeeld door het energieniveauverschil (G3).

17. Modulator volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de golflengte van de te moduleren golf die is aangelegd aan de modulator een waarde heeft die tenminste gelijk is aan de constante van Planck (h) gedeeld door de breedte van de verboden band van de tweede put.

18. Detector voor elektromagnetische golven onder toepassing van de modulator volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de detector ohmse contacten (Rl, R2) omvat op de buitenvlakken van de inrichting aan weerszijden van de quantumputten, alsmede een stroomdetector (DE)die is verbonden met deze ohmse contacten.