DE1282211B - Optischer Sender mit einer Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMI

AUSLEGESCHRIFT

im. α.:

HOIs

Deutsche KL: 21g-53/08

Nummer: 1282211

Aktenzeichen: P 12 82 211.6-33 (J 30003)

Anmeldetag: 5. Februar 1966

Auslegetag: 7. November 1968

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender mit einer Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium, das in Richtung der Übergangsfläche und senkrecht zu seinen spiegelnden Stirnflächen ausstrahlt und dessen gemeinsamer Basiselektrode mindestens zwei in Strahlrichtung hintereinanderliegende getrennte Deckelektroden zugeordnet sind.

Obwohl optische Sender der genannten Art seit einiger Zeit bekannt sind, wird es nützlich sein, einige diesbezügliche grundlegende Tatsachen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zu erwähnen. Fällt ein Elektron von einem hohen Energieniveau auf ein niedrigeres, so wird ein Photon erzeugt, dem eine Frequenz zukommt, welche von der Energiedifferenz der beiden Niveaus abhängt. In allen Materialien gibt es zwischen verschiedenen Energieniveaus sich bewegende Elektronen, wobei thermische Energie in Strahlungsenergie umgesetzt wird. In manchen Materialien wird ein Elektron eines entsprechend hohen ao Energieniveaus (hoher potentieller Energie) dazu stimuliert, auf ein niedrigeres Energieniveau zurückzukehren, wenn es mit einem Photon zusammentrifft, dessen Frequenz der Energiedifferenz der beiden gerade vorliegenden Energieniveaus entspricht. Tritt diese Rückkehr ein, so liegen zwei gleichphasige, d. h. kohärente Photonen vor.

Ein optischer Sender der obengenannten Art, der auch Halbleiterinjektionslaser genannt wird, ist so konstruiert, daß eine genügend hohe Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß das Photon innerhalb des stimulierbaren Mediums auf ein anderes Elektron genügend hoher potentieller Energie auftrifft und hierbei weitere kohärente Photonen ausgelöst werden; andererseits ist bei der Auslegung des optischen Senders gleichfalls dafür gesorgt, daß die Wahrscheinlichkeit, daß das Photon aus dem stimulierbaren Medium austritt, ohne auf ein Elektron hoher potentieller Energie aufgetroffen zu sein, bzw. die Wahrscheinlichkeit dafür, daß das Photon lediglich ther- mische Energie innerhalb des Arbeitsmediums hervorruft, gering ist. Einige mehr ins Detail gehende Faktoren, die bezüglich der Stimulation (Resonanzauslösung überbesetzt angeregter Elektronen) von Wichtigkeit sind, werden im folgenden noch genannt werden. Bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung werden diese Parameter gesteuert, so daß die Richtung, in der die stimulierte Strahlung auftritt, innerhalb gewisser Grenzen frei wählbar ist, wodurch eine Abtastung durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird eine Parallelverschiebung oder Richtungsänderung eines kohärenten Strahles Optischer Sender mit einer Halbleiterdiode als
stimulierbarem Medium

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. H. Preisher, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:
Howard Bradbury Williams,
Bankim Ramanlal Shah,
Poughkeepsie, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. Februar 1965
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dadurch erzielt, daß die Deckelektroden in ihrer Längsausdehnung in Richtung der zu steuernden Strahlung paarweise komplementär sind, wobei die an die Deckelektroden angelegte Spannung phasenverschoben zueinander sein muß, damit der Schwellenwert der Anregung für die kohärente Ausstrahlung jeweils nur in einer ausgezeichneten Richtung überschritten wird.

Der das stimulierbare Medium darstellende Halbleiterkörper des optischen Senders, welcher zugleich den optischen Resonator bildet, besitzt polierte bzw. silberverspiegelte Stirnflächen, so daß die Photonen im Innern reflektiert werden. Hierdurch wird bewirkt, daß das Photon sich sehr oft innerhalb des optischen Resonators hin und her bewegt, bevor es in der Lage ist, diesen zu verlassen. Durch diese Maßnahme wird die Wahrscheinlichkeit von Stoßvorgängen zwischen Photonen und Elektronen hoher potentieller Energie wesentlich vergrößert. Manchmal werden die restlichen Oberflächenanteile aufgerauht, so daß eine

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Stimulation in anderen Richtungen, als dies durch Gestalt der Elektroden so gewählt, daß die Elekdie Verspiegelung vorgesehen ist, innerhalb des trodenlängen und die Stromwerte einen Stimulationsoptischen Resonators nicht wesentlich erfolgen kann. weg lediglich entlang einer eindeutigen, der Geraden-Bei der vorliegenden Erfindung wird von dieser schar angehörenden Geraden ermöglicht. Maßnahme Gebrauch gemacht, um eine Geraden- 5 Die Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der schar festzulegen, innerhalb derer eine stimulierte vorliegenden Erfindung gibt an Hand der Zeich-Strahlung auftreten kann. Durch Steuerung des nungen Aufschluß über weitere Eigenschaften dieser optischen Senders wird die spezielle Gerade festgelegt, optischen Sender sowie über Fragen, die bei deren entlang der ein stimulierter Strahl erzeugt werden Betrieb auftreten. In den Zeichnungen bedeutet soll. Bei einer speziellen Ausführungsform besitzt der io Fig. 1 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels optische Resonator zwei ebene parallele Stirnflächen, eines optischen Senders der vorliegenden Erfindung; welche poliert sind, so daß die Stimulation lediglich die Übergangsfläche liegt parallel zur Zeichenebene, entlang einer Schar von Geraden eintreten kann, F i g. 2 eine Seitenansicht des optischen Senders welche untereinander parallel sind und auf die beiden von F i g. 1, wobei die Übergangsfläche senkrecht zur polierten Oberflächen senkrecht stehen. In einer wei- 15 Zeichenebene angeordnet ist, teren Ausführungsform wird der optische Resonator Fig. 3 eine Draufsicht des optischen Senders eines von der Mantelfläche eines Zylinders begrenzt, die zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, teilweise poliert sind, so daß die Stimulation lediglich F i g. 4 zeigt Ströme verschiedener Zeitabhängigentlang gewisser Radien des Zylinders erfolgen kann. keit, welche zum Betrieb beider Formen des optischen

Wie bereits erwähnt wurde, kann eine stimulierte 20 Senders geeignet sind.

Strahlung nur dann erfolgen, wenn eine genügende Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte optische Sender Anzahl von Elektronen sich in einem hohen poten- . mit einer Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium tiellen Energiezustand befindet, so daß mindestens weist einen Körper aus Halbleitermaterial auf mit genau so viele Photonen erzeugt werden, wie z. B. einer P-leitenden Zone 10 und einer N-leitenden durch Rekombination usw. verlorengehen. In einem 25 Zone 11 sowie einem Übergang 12, an dem die Stioptischen Sender mit Halbleiterdiode werden mittels mulation erfolgt. Zwei Deckelektroden 13 und 14 Stromfluß in Durchlaßrichtung durch die Dioden- sind in beliebiger Weise auf der P-leitenden Zone 10 Sperrschicht bzw. den Diodenübergang Elektronen befestigt, und gegenüberstehend auf der anderen auf ein hohes Energieniveau gebracht, wobei dieser Zone 11 ist eine einzige Basis-Flächenelektrode 15 Strom moduliert werden kann, so daß entweder eine 30 angebracht. Wie die mit Pfeilen versehenen Geraden Stimulation, je nach der Größe des Stromflusses in der Zeichnung andeuten, sind die Elektroden 13 gegenüber dem Schwellenwert, zustande kommt oder und 14 zur Zuführung der verschiedenen Ströme mit nicht. Die Wirkung des Stromes besteht im einzelnen geeigneten Zuführungen ausgerüstet. Erreichen die darin, eine Zone zu schaffen, in der eine hohe Wahr- Ströme I₁ und I₂ einen Schwellenwert, so findet, wie scheinlichkeit der Erzeugung zusätzlicher Photonen 35 später noch erklärt wird, Stimulation zwischen den besteht. Bei einem definierten Schwellenwert des Ebenen des Überganges 12 statt. Die einander gegen-Stromes werden mehr Photonen erzeugt als verloren- . überliegenden Stirnseiten 18 und 19 sind poliert, so gehen, und die erzeugte Lichtintensität wächst abrupt daß ein Photon, welches sich entlang der Geraden 20 an. Erstreckt sich die Deckelektrode nicht über die in Fig. 1 bzw. entlang einer zu dieser Geraden pargesamte Länge des stimulierbaren Mediums, so er- 40 allelen Geraden bewegt, im Inneren reflektiert wird,, folgt die Stimulation dann, wenn die Photonenver- wobei mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Stimulation Stärkung innerhalb des Gebietes unterhalb der Elek- entlang dieser Geradenschar stattfinden kann. Die als trode hoch genug ist, die Verluste innerhalb dieses Licht erzeugte Äusgangsenergie steht an der teil-Gebietes und gleichfalls diejenigen Verluste auszu- durchlässigen Stirnfläche 19 zur Verfügung, die der gleichen, die im Gebiet außerhalb der Elektrode 45 vorzugsweise silberverspiegelten Stirnfläche 18 gegenstattfinden. In dem optischen Sender nach der vor- übersteht.

liegenden Erfindung wird eine Ablenkbewegung des Wie die F i g. 1 weiter zeigt, besitzen die Deck-Strahles dadurch hervorgerufen, daß die effektive elektroden 13 und 14 annäherungsweise, aber nicht Lage der Elektrodenbereiche bezüglich der Zeit ent- exakt, komplementäre Längenverteilung in Richtung lang der Geradenschar variiert wird, entlang deren 50 senkrecht zur Geraden 20, wobei als unabhängige eine Stimulation möglich ist. Variable die Elektrodenlänge längs der Geraden 20 Die effektive Länge des Elektrodenbereiches wird . anzunehmen ist. Die Längen der Elektroden sind auf gesteuert durch Anbringung zweier Deckelektroden, die Zeitfunktionen der Ströme abgestimmt, so daß welche in einem gegebenen Abstand voneinander an- die Bedingung des Schwellenwertes entlang einer gebracht sind, wobei dieser in Richtung des mög- 55 einzelnen Geraden erreicht wird. Die genaue Gestalt liehen Stimulationsweges verläuft, so daß die Ströme der Elektroden wird am besten im Zusammenhang beider Elektroden zur Stimulation beitragen. Jede mit der Wirkungsweise des optischen Senders er-Deckelektrode ist so gestaltet, daß die in Richtung läutert.

des Stimulationsweges gemessene Elektrodenlänge F i g. 4 zeigt die zeitliche Abhängigkeit zweier eine stetige Funktion einer senkrecht zur Richtung 60 Ströme I₁ und I₂, welche an die Deckelektroden 13

des Stimulationsweges verlaufenden Abszisse ist. Die und 14 angelegt werden. Die Zeitfunktion des

Funktionsverläufe der Längen beider Elektroden sind Stromes I₁ entspricht derjenigen eines sinusförmigen

zueinander komplementär, so daß, wenn der eine an Stromes nach dessen Doppelweggleichrichtung, die-

einer bestimmten Stelle lediglich eine kurze Länge jenige von I₂ einer gegenüber der genannten Kurve aufweist, der andere dagegen an der gleichen Stelle 65 um 90° phasenverschobenen Kurve. Diese Zeitab-

entsprechend länger ist. Verschiedene zeitabhängige hängigkeiten wurden gewählt wegen der Einfachheit

Ströme werden an beide Elektroden angelegt und ihrer Erzeugung, die mit wohlbekannten Schaltungen

diese Zeitfunktionen sind mit Rücksicht auf die durchgeführt werden kann, und wegen ihrer eindeu-

tigen Beziehungen zu der Elektrodenform. Wie bereits erklärt wurde, ist der Schwellenwert für die Stimulation eine Funktion des die Elektrode durchfließenden Stromes sowie der Elektrodenlänge in derjenigen Richtung, entlang der die Stimulation auftritt. Für optische Sender mit Mehrfach-Elektroden ist dieser Schwellenwert, bei dem die Stimulation eintritt, eine Funktion der Summe der Produkte aus Strom und der Länge einer jeden Elektrode. Dreht man die F i g. 1 so, daß die linker Hand liegende Stirnfläche 18 nach oben weist, so sieht man, daß die Länge der Elektrode 13 als eine im ersten Quadranten verlaufende Sinuslinie betrachtet werden kann. Die Zahlen 0° und 90° sind in F i g. 1 eingetragen, um die Zeitkoordinate zu charakterisieren. Bei der gleichen Betrachtungsweise kann die Länge der Elektrode 14 in ähnlicher Weise durch den Funktionsverlauf einer Kosinuslinie bezüglich der Zeitachse dargestellt werden. Infolgedessen ergibt sich als Produkt aus Strom und Länge der Elektrode 13:

I₂-L_c· sin² 1,

und das Produkt aus Strom und Länge der Elektrode 14 ist in entsprechender Weise eine cos²-Funktion der Zeit. Auf Grund der trigonometrischen Identität

sin² 1 + cos² 1 = 1

ist die Summe der Produkte aus Strom und Elektrodenlänge für beide Elektroden stets eine Konstante. Die maximale Länge entlang der Kante 22 und die Strommaxima I₁ und Z₂ sind so gewählt, daß der Schwellenwert für die Senderwirkung entlang einer eindeutigen Geraden auftritt, welche zwischen den Kanten 22 als Zeitfunktion wechselt.

In dem in F i g. 1 dargestellten optischen Sender sind die maximalen Elektrodenlängen festgelegt durch die Abgrenzung durch die Eckpunkte 23, bei denen die Länge verschwindet. Daher sind die Maximalwerte der Ströme I₁ und I₂, die eine Stimulation entlang der Kante 22 herbeiführen, wenn lediglich einer der Elektroden 13 oder 14 mit Energie versorgt wird.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in F i g. 3 dargestellt. Diese zeigt einen zylindrischen Körper 35 aus einem Halbleitermaterial mit zwei Zonen verschiedener Leitfähigkeit (P, N) sowie einen von diesen Zonen gebildeten Übergang, wie er bereits in Verbindung mit F i g. 2 für den optischen Sender des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben wurde. Ein Teil der Oberfläche des Zylindermantels 36 ist versilbert, so daß sich ein spiegelnder Bereich ergibt derart, daß innere Reflexionen entlang von Radien des Zylinders stattfinden und daß Lichtenergie entlang einer in radialer Richtung verlaufenden Geradenschar nach rechts geliefert wird, was durch die Gerade 37 versinnbildlicht ist. Der optische Sender der F i g. 3 besitzt auf der oberen Oberfläche seiner Halbleiterdiode zwei Deckelektroden 39 und 40. Diese besitzen die Gestalt einer Sinus- bzw. einer Kosinuslinie bezüglich ihrer Länge in Abhängigkeit vom Winkel. Die Gemeinsamkeit zwischen F i g. 3 und F i g. 1 ist am besten einzusehen, in dem man die Längskanten 43 der Elektroden 39 und 40 mit den entsprechenden Kanten 22 der F i g. 1 sowie die Punkte 44, welche die Nulllänge in Richtung der Stimulation festlegen, mit den entsprechenden Punkten 23 in der F i g. 1 vergleicht. Hier besteht eine direkte Äquivalenz der Länge der Elektroden 39 und 40 entlang den Radien zu der Länge der Elektroden 13 und 14 entlang der horizontalen Linie20 in Fig. 1. Werden Spannungen mit Zeitfunktionen der Fig. 4 an die Elektroden 39 und 40 angelegt, so wird ein Lichtstrahl erzeugt, welcher in radialer Richtung hin und her schwingt zwischen dem Radius der Kante 43, der Elektrode 40 und dem Radius 46 gegenüber der Ecke 43 der Elektrode 39. Zur Verallgemeinerung der Erfordernisse einer Stimulation entlang einer eindeutigen Geraden der hierfür in Frage kommenden Geradenschar wird die Summe der Produkte aus Strom und Elektrodenlänge einem Schwellenwert gleichgemacht, und die Elektroden werden nach Maßgabe einer bestimmten Wellenfunktion ausgestaltet. In Spezialfällen können entweder die Summe der Ströme oder die Summen der Kantenlängen konstant gehalten werden. Die Elektrodengestalt und die Zeitabhängigkeit der hier beschriebenen Ströme wurden so ausgewählt, daß eine hin- und hergehende Abtastbewegung hervorgerufen wird, auf Grund derer entweder die Lage oder der Winkel des Strahles eine lineare Funktion der Zeit ist. Die Zeitfunktion von F i g. 4 oder die Elektrodenformen können gestreckt werden (so lange, wie die Stromamplituden in der geeigneten Weise verknüpft sind), oder die Ströme können unstetig gemacht werden, um abweichende Abtastkonfigurationen zu erhalten. Es ist infolgedessen für den Fachmann eine Reihe von verallgemeinerten Konfigurationen der Anordnung möglich, ohne daß über den allgemeinen Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung hinausgegangen würde.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender mit einer Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium, das in Richtung der Übergangsfläche und senkrecht zu seinen spiegelnden Stirnflächen ausstrahlt und dessen gemeinsamer Basiselektrode mindestens zwei in Strahlrichtung hintereinanderliegende getrennte Deckelektroden zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Parallelverschiebung oder Richtungsänderung eines kohärenten Strahles dadurch erzielbar ist, daß die Deckelektroden (13, 14 oder 39, 40) in ihrer Längsausdehnung in Richtung der zu steuernden Strahlung paarweise komplementär sind, wobei die an die Deckelektroden angelegte Spannung phasenverschoben zueinander sein muß, damit der Schwellenwert der Anregung für die kohärente Ausstrahlung jeweils nur in einer ausgezeichneten Richtung überschritten wird.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen prismatischen Halbleiterkörper mit teilverspiegelten Stirnflächen sowie einem entlang der Mittellinie (20) verlaufenden PN-Übergang.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Halbleiterkörper mit teilverspiegeltem Zylindermantel.

4. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsverlauf der Deckelektroden dem Verlauf der Sinus- bzw. der Kosinusfunktion im ersten Quadranten entspricht.

5. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Deckelektroden Ströme angelegt werden, deren Verlauf einem durch Vollweggleichrichtung modifizierten sinusförmigen Strom bzw. einem Stromverlauf entsprechen, der hieraus durch Phasenverschiebung um 9Q^Q hervorgeht.

6. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Benutzung als optische Abtastvorrichtung.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1389 534.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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