DE69225056T2

DE69225056T2 - Vorrichtung mit Halbleiterkörper und Mitteln zur Modulation der optischen Transparenz desselben

Info

Publication number: DE69225056T2
Application number: DE69225056T
Authority: DE
Inventors: Vera B Gorfinkel; Sergey Luryi
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-12-24
Filing date: 1992-11-23
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2012-11-24
Also published as: JPH0685375A; US5300789A; EP0549132A3; JPH0777277B2; EP0549132A2; EP0549132B1; DE69225056D1

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Mittel zum Modulieren von Strahlung im optischen Bereich. Auch betrifft sie Mittel zum Erzeugen kurzer Lichtimpulse.

Stand der Technik

In vielen Bereichen der Technik (z.B. optische Datenverarbeitung, optische Kommunikation) ist es notwendig, Strahlung im optischen Bereich (einschließlich von Dauer- ("CW" - continuous wave)Strahlung) entsprechend einem gegebenen Signal zu modulieren. Ein herkömmliches Verfahren zum Modulieren der Ausgabe eines Halbleiterlasers ist die Modulation des Laserantriebs(puhxp-)-stroms. Dieses Verfahren kann für Modulationsfrequenzen bis zur sogenannten Elektron-Photon-Resonanz(EPR-)Frequenz, die typischerweise von der Größenordnung von 10 GHz ist, eingesetzt werden. Das obige herkömmliche Verfahren ergibt jedoch aus wesentlichen Gründen keine wirksame Modulation der Laserausgabe für Modulationsfrequenzen, die die EPR-Frequenz wesentlich überschreiten. Es ist jedoch zu erwarten, daß der Trend zu immer höheren Bitraten beispielsweise in optischen Kommunikationssystemen weitergeht und Mittel zum Modulieren von Strahlung im optischen Bereich mit immer höheren Frequenzen und schließlich mit Frequenzen oberhalb der EPR-Frequenz erfordert.
Neulich angefertigte Arbeiten unter anderen in der UdSSR haben erwiesen, daß die optische Leistung eines Halbleiter-Heteroübergangslasers bei Frequenzen oberhalb der EPR-Frequenzen, beispielsweise bis zu 100 GHz oder noch höher durch einen neuartigen Mechanismus moduliert werden kann, zu dem die Erwärmung der freien Elektronen in der aktiven Schicht des Lasers durch ein parallel an die aktive Schicht angelegtes elektrisches Feld gehört, das durch diese Schicht einen elektrischen Lateralstrom treibt. Man siehe V.B. Gorfinkel et al., Soviet Physics Semiconductor, Band 24(4), April 1990, S. 466; S.A. Gurevich et al., Joint Soviet - American Workshop on the Physics of Semiconductor Lasers, 20. Mai - 3. Juni, 1991, S. 67; und V.B. Gorfinkel et al., International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Juni 1991. In den angeführten Veröffentlichungen ist ein AlGaAS-GaAs- Einzelquantenmulden-(QW - quantum well)Streifenlaser (ridge lauer) mit Heterostruktur mit getrennter Begrenzung offenbart, der zusätzlich zu dem herkömmlichen Pumpkontakt zwei Kontakte für Trägererwärmung umfaßt. Es war möglich, die Temperatur der freien Träger mit an die Heizkontakte angelegten Stromimpulsen um rund 100 K über die Umgebungs-(Gitter-) temperatur anzuheben, wodurch eine Modulation der Laserleistung erhalten wurde.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung der Modulation im oben besprochenen Laser. Die Kurve 11 stellt die herkömmliche Situation, nämlich Laserabutrahlung, wenn die Temperatur der freien Träger gleich der Gittertemperatur ist, dar. Anheben der Temperatur der freien Träger iher die Gittertemperatur mit dem Heizutrom ergibt einen stärkeren Verlust im aktiven Gebiet und verschiebt den Laserstart zu einem höheren Ansteuerstrom was die Kurve 12 ergibt. Es ist leicht ersichtlich, daß die Modulation der Temperatur der freien Träger somit die Modulation der Laserleistung zufolge hat. Wenn beispielsweise ein konstanter Ansteuerstrom mit einem Wert 13 angelegt wird, läßt sich die Laserausgangsleistung zwischen 0 und dem Wert 14 umschalten. Da die Temperatur der freien Träger sehr schnell angehoben werden kann und auch äußerst schnell auf die Gittertemperatur absinkt, in einer Zeit von der Größenordnung von 10&supmin;¹²S, sind grundsätzlich hohe Modulationsfrequenzen möglich.
Es wird jedoch häufig unerwünscht sein, freie Träger mit elektrischem Strom zu erwärmen, da die Heizleistung einzig und allein aus der Logikuteuerschaltung stammt. Darüberhinaus wird in der Vorrichtung des Standes der Technik relativ viel Leistung durch die Löcher abgeleitet, da diese eine hohe effektive Dichte von Zuständen aufweisen. Weiterhin wird es in der Praxis häufig schwierig sein, eine gleichförmige Erwärmung der freien Träger zu erreichen, was wiederum eine Leistungsminderung zur Folge hat. So wäre es angesichts der Bedeutung eines wirksamen Modulationsmittels für sehr hohe Frequenzen höchst wünschenswert, ein solches Mittel zur Verfügung zu haben, das im wesentlichen von mindestens einigen der oben besprochenen Nachteile frei ist. In der vorliegenden Anmeldung wird unter anderem ein solches Modulationsmittel offenbart.
Bei S.Noda et al., J. Applied Physics, Band 66 (12), 15. Dezember 1990, S. 6529, ist eine vollständig optische Modulation von Zwischenbandutrahlung durch Zwischenteilbandstrahlung in einer n-dotierten Quantenmuldenstruktur offenbart.

Terminologie und Definitionen

Im vorliegenden Text ist eine "Quantenmulde" (QW - quantum well) ein Halbleitergebiet mit einer ersten Zusammensetzung, das zwischen Halbleitergebiete einer zweiten Zusammensetzung zwischengeschichtet und zu diesen epitaxial ist, wobei die ersten und zweiten Zusammensetzungen so ausgewählt sind, daß die mit der ersten Zusammensetzung verbundene Bandabstandenergie geringer als die mit der zweiten Zusammensetzung verbundene Bandabstandenergie ist, und wobei die Stärke der ersten Zusammensetzungsuchicht so ausgewählt ist, daß mit der Schicht mindestens ein Energieniveau im geführten Zustand für mindestens einen Trägertyp (d.h. Elektron oder Loch) verbunden ist, wobei das Energieniveau nicht mit der entsprechenden (klassischen) Bandkante (d.h. je nach dem, ob es sich um Leitungs- oder Valenzbandkante handelt) zusammentrifft.
Die mit einer gegebenen Halbleiterzusammensetzung verbundene "Bandabstandenergie" ist die Energiedifferenz zwischen der Valenzbandkante und der Leitungsbandkante. Herkömmlich erweitert ist die mit einer QW verbundene "Bandabstandenergie" die Energiedifferenz zwischen dem Lochzustand mit der höchsten Energie und dem Elektronenzustand mit der niedrigsten Energie in der QW.
Mit "Zwischenbandstrahlung" (IBR - inter-bandradiation) ist hier elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge gemeint, die der mit einem entsprechenden Halbleitergebiet, typischerweise einer QW (bzw. mehreren QW) im aktiven Gebiet einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, verbundenen Bandabstandenergie entspricht.
Mit "Zwischenteilbandstrahlung" (ISBR - intersubband radiation) ist hier die elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge gemeint, die der Energiedifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Energieniveau im geführten Zustand in einer entsprechenden QW (bzw&sub0; mehreren QW) im aktiven Gebiet einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entspricht oder zu dieser Entsprechung gezwungen werden kann.
Die "Verteilungsfunktion freier Träger" ist eine Funktion von Quasiimpuls, Position und Zeit. An einer gegebenen Position in der Vorrichtung kennzeichnet sie sowohl die Konzentration von Trägern und ihre energiemäßige Verteilung&sub0; Insbesondere trifft die Verteilungsfunktion in Gebieten der Vorrichtung, wo die Trägerkonzentration hoch ist (z.B. 10¹&sup7;/cm³ überschreitet), praktisch mit der Fermi-Verteilungsfunktion zusammen, selbst unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen. In diesem Fall wird die Verteilungsfunktion durch das Quasi- Ferminiveau und die effektive Trägertemperatur parametrisiert, die sich von der Gittertemperatur unterscheiden kann.
Mit "Ändern" der Verteilungsfunktion freier Träger ist allgemein die Veränderung ihrer Form gemeint. Bei der Fermifunktion entspricht dies der Änderung entweder des Quasi-Ferminiveaus oder der Trägertemperatur oder von beiden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung entspricht der Definition in den Ansprüchen. In allgemeiner Hinsicht ist die Erfindung in einer Vorrichtung verkörpert, die neuartige Mittel zum Modulieren der optischen Transparenz eines Halbleiterkörpers umfaßt, und auch in einem Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung, die solche Mittel umfaßt. Das neuartige Mittel umfaßt Mittel zum Ändern der Verteilungsfunktion freier Träger in einem vorbestimmten Gebiet des Halbleiterkörpers (typischerweise einer QW bzw. mehreren QW) durch Absorption von Zwischenteilbandstrahlung
Bedeutsamerweise ist die Wellenlänge der ISBR länger als die der IBR, wobei die Erstere beispielhafterweise CO&sub2;-Laserstrahlung (λ 10 um) ist und die Letztere beispielhafterweise Strahlung von einem III/V-Halbleiterlaser (λ ungefähr in dem Bereich von 0,5-5 um) ist. Der Fachmann weiß, daß optische Modulation und optisches Schalten nach dem Stand der Technik im allgemeinen Pumpstrahlung mit kürzeren Wellenlängen als die der Signalutrahlung bedeutet und erkennt, daß die Verwendung von Strahlung mit langer wellenlänge (der ISBR) zur Bewirkung beispielsweise von Modulation von Strahlung mit kurzer Wellenlänge (der IBR) eine grundsätzliche Abweichung von der vorherigen Praxis ist.
Insbesondere umfaßt die Erfindung in einer Ausführungsform eine Vorrichtung (z.B. ein optisches Kommunikationusystem oder ein optisches Rechensystem) mit einem Halbleiterkörper mit einer Mehruchichtutruktur mit mindestens einer Quantenmulde. Mit der Quantenmulde ist eine Bandabstandenergie und eine Teilbandenergiedifferenz verbunden und mit dem Körper ist eine Gittertemperatur verbunden. Freie Träger eines ersten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise Elektronen) sind entweder aufgrund von Dotierung in der Quantenmulde vorhanden oder können durch IBR-Absorption in der Quantenmulde erzeugt werden. Mit diesen Trägern ist eine Verteilungsfunktion freier Träger verbunden. Die Vorrichtung umfaßt auch Mittel zur Bereitstellung eines Modulationssignals für den Körper. Bedeutsamerweise umfaßt die Vorrichtung weiterhin Mittel zur Bereitstellung elektromagnetischer Strahlung einer ersten Wellenlänge (der IBR) für den Körper, wobei die erste Wellenlänge so ausgewählt ist, daß sie der Bandabstandenergie entspricht. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin Mittel zur Bereitstellung elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Wellenlänge (der ISBR) für den Körper, wobei die zweite Wellenlänge länger als die erste ist und so ausgewählt wird, daß die Verteilungsfunktion freier Träger entsprechend dem Modulationssignal verändert werden kann, so daß die IBR entsprechend dem Modulationssignal moduliert wird. Auch umfaßt die Vorrichtung Verwendungsmittel für modulierte IBR, z.B. eine Länge von Lichtleitfaser oder einen optischen Detektor.
Der Körper umfaßt Kontaktmittel, die zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die QW (vorzugsweise die mehreren QW) geeignet sind, wodurch die mit der QW (bzw. den mehreren QW) verbundene Teilbandenergiedifferenz mittels des Stark-Effekts "abgestimmt" werden kann. Die Kontaktmittel umfassen entsprechend dotierte (als "Kontakt-QW" zu bezeichnende) QW, die so konstruiert sind, daß ISBR im wesentlichen für keinen Wert des angelegten Feldes innerhalb des normalen Betriebsbereichs der Vorrichtung in den Kontakt-QW absorbiert wird.
In einer Vorrichtung nach der oben beschriebenen Erfindung kann die Veränderung der Transparenz des Körpers durch Veränderung der Verteilungsfunktion freier Träger eine modulatorähnliche Vorrichtung oder eine einer Impulsquelle ähnliche Vorrichtung ergeben, je nach Wahl der Betriebsparameter wie beispielsweise der Intensität von dem Körper zugeführter IBR (und ISBR) und Zeitdauer, während der ISBR in den QW absorbiert wird. Weiterhin wird in Betracht gezogen, daß der Modulator im internen oder externen Hohlraum eines IBR-Lasers enthalten sein kann und dadurch ein Element für gesteuerte Absorption bildet.
Insbesondere ist für relativ niedrige Intensitäten von IBR und/oder ISBR und/oder relativ kurze ISBR-Absorptionszeit die Anzahl von (hinsichtlich der Gleichgewichtszahl bei Gittertemperatur) überschüssigen, im Körper erzeugten Elektronen/Lochpaare relativ gering und von dem Körper wird bei ISBR-Absorptionsende nur eine relativ kleine uspitzen von IBR abgestrahlt. Die maximale Intensität während einer gegebenen "EINSCHALTE-"Zeit der modulierten IBR überschreitet die Gleichgewichtsintensität während der Einschaltedauer um weniger als 10%, typischerweise um weniger als 5% oder sogar 1%. Die Spitze wird durch die schnelle Wiedervereinigung der überschüssigen Elektronen/Lochpaare verursacht, die durch die IBR stimuliert wird. In der beschriebenen Betriebsart funktioniert die Vorrichtung im wesentlichen wie ein Modulator.
Andererseits kann bei relativ hohen Intensitäten der IBR und/oder ISBR und/oder einer relativ langen ISBR- Absorptionszeit die Anzahl überschüssiger Elektronen/Lochpaare relativ groß sein und bei ISBR-Absorptionsende wird ein bedeutsamer IBR-Impuls abgestrahlt. In dieser impuluquellenartigen Betriebsart überschreitet die maximale Intensität die Gleichgewichtsintensität um mehr als 100%, vorzugsweise um mehr als das Zehnfache. Der Impuls kann sehr schmal sein, beispielsweise weniger als 10 ps. Derartige ultrakurze Impulse sind auf verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Gebieten (z.B. der Solitonübertragung) interessant und es wird die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Impulsbildner in Betracht gezogen.
Der Fachmann erkennt, daß der oben beschriebene Halbleiterkörper eine freistehende Vorrichtung sein kann oder monolithisch mit einem entsprechenden Halbleiterlaser integriert sein kann. Auch wird er erkennen, daß QW-Dotierungshöhen entsprechend der in Betracht gezogenen Vorrichtungsfunktion auszuwählen sind. Wenn der Körper beispielsweise als Modulator verwendet werden soll, dann werden häufig QW-Dotierungshöhen von einer Größenordnung von 10¹²/cm² zutreffend sein. Wenn er andererseits als Impulsbildner verwendet werden soll, dann wird zumindest in einigen Fällen eine wesentlich niedrigere QW-Dotierung (oder keine gezielte Dotierung) wünschenswert sein.
Erfindungsgemäße Halbleiterkörper können im wesentlichen auf jedem Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand, z.B. auf III/V-Materialien wie beispielsweise GaAs, InGaAs oder InP basieren. Materialsysteme, bei denen die freien Elektronen der Quantenmulde eine relativ niedrige effektive Masse besitzen, können besonders wirksame erfindungsgemäße Vorrichtungen ergeben. Elektronen haben in einer InGaAs-Quantenmulde eine bedeutend niedrigere effektive Masse als in einer GaAs- Quantenmulde.
Die Erfindung ist auch in einem Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung entsprechend der obigen Beschreibung ausgeführt. Das Verfahren umfaßt die Bereitstellung elektromagnetischer Strahlung einer ersten Wellenlänge und eines Modulationssignals für den Körper. Bedeutsamerweise wird die erste Wellenlänge so ausgewählt, daß sie der Bandabstandenergie entspricht, wodurch die Strahlung IBR ist. Das Verfahren umfaßt weiterhin die Bereitstellung von Strahlung (ISBR) einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge und so ausgewählt ist, daß die Verteilung freier Träger in der Quantenmulde so entsprechend dem Modulationssignal verändert wird, daß die IBR entsprechend dem Modulationssignal moduliert wird. Die modulierte IBR wird von dem Körper abgegeben und Verwendungsmittel für modulierte IBR bereitgestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine schematische Darstellung von Ausgangskennlinien eines Lasers des Standes der Technik;
Figuren 2 und 5 zeigen schematisch beispielhafte Körper entsprechend der Erfindung;
Figuren 3 und 4 zeigen schematisch relevante Aspekte der Bandstruktur, mit bzw. ohne an die Quantenmulde angelegtem elektrischen Feld;
Figur 6 zeigt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung entsprechend der Erfindung;
Figuren 7 und 8 zeigen beispielhafte berechnete Kurven des relativen Absorptionskoeffizienten gegenüber der Übertemperatur freier Träger;
Figur 9 zeigt schematisch Eingaben in einen beispielhaften Impulsbildner entsprechend der Erfindung;
Figur 10 zeigt schematisch die übertragene IBR entsprechend den Eingaben der Figur 9; und
Figur 11 zeigt schematisch eine weitere Vorrichtung entsprechend der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen

Obwohl es möglich ist, die ISBR-Intensität durch entsprechende Mittel zu modulieren und dadurch die Verteilungsfunktion freier Träger (typischerweise von Elektronen) in der Quantenmulde (typischerweise den Quantenmulden) zu ändern und infolgedessen die Transparenz des Halbleiterkörpers zur IBR zu modulieren (wodurch die IBR entsprechend der ISBR-Modulation moduliert wird), ist dies gegenwärtig nicht ein bevorzugter Ansatz. Stattdessen werden gegenwärtig Ausführungsformen bevorzugt, die die Verwendung einer im wesentlichen Dauer-ISBR (einschließlich relativ langer ISBR-Impulse) umfassen, wobei die Modulation durch Verändern der Absorption von ISBR mittels eines an den Körper angelegten elektrischen Modulationssignals erreicht wird.
Eine beispielhafte Ausführungsform eines bevorzugten erfindungsgemäßen Körpers 20 ist schematisch in der Figur 2 dargestellt, wobei die Ziffer 21 auf das Halbleitersubstrat (z.B. GaAs oder InP), 211 auf eine leitfähige Halbleiterschicht, 22 auf das aktive Multi- Quantenmuldengebiet der Struktur bezogen ist und 25 und 26 auf Kontaktmittel bezogen sind, die die Anwendung eines Modulationsfeldes an das aktive Gebiet im wesentlichen, ohne zu absorbieren, Zwischenteilbandstrahlung, erleichtern. Das Gebiet 22 umfaßt Quantenmulden 23 und Sperruchichten 24. Die Halbleiterzusammensetzungen sind so ausgewählt, daß die Mehrschichtstruktur mindestens für IBR 27, die typischerweise auf die Mehruchichtutruktur in der mit dem stegartigen Teil der Struktur verbundenen Längsrichtung einfällt, einen Wellenleiter bildet. Die ISBR 28 fällt auch auf das aktive Gebiet der Struktur ein, typischerweise in einer Richtung, die zur Längsrichtung normal ist. Die ISBR ist vorzugsweise einmodig und TM-polarisiert. Das aktive (Kern-)Gebiet ist beispielhafterweise modulationsdotiert, obwohl eine direkte Dotierung der Quantenmulden ebenfalls in Betracht gezogen ist. Modulationsdotierung ist in der Technik gut bekannt. Gebiete 291 und 292 weisen eine niedrigere effektive Brechzahl als 22 auf und bilden daher die Mantelgebiete einer Wellenleiterstruktur. Im Zusammenhang mit Figur 5 werden einige weitere Aspekte der Struktur beschrieben.
Die Figur 3 zeigt schematisch den entsprechenden Teil eines Energieniveaudiagramms für eine Quantenmulde 23 und die benachbarten Sperrschichtgebiete 24. Ziffern 33 und 34 beziehen sich auf die (klassischen) Leitungsbandkanten der Quantenmulde bzw. Sperrgebiete und 35 und 36 auf die entsprechenden Valenzbandkanten. Ziffern 37 und 38 beziehen sich auf die niedrigsten und nächsthöheren geführten Elektronenenergieniveaus, 39 auf das höchste geführte Lochenergieniveau und 40 auf das mit den Elektronen in der Quantenmulde verbundene Quasi-Fermienergieniveau. Der Fachmann wird erkennen, daß IBR mit Übergängen zwischen 39 und 37 und ISBR mit Übergängen zwischen 37 und 38 verbunden ist.
Analog zu der in Figur 1 gezeigten Situation wird durch Ändern der Absorptionsfunktion freier Träger beispielsweise durch Erwärmung des Elektronengases in den Quantenmulden mittels Absorption von ISBR der Verlust für IBR erhöht (d.h. die Transparenz der Multischichtutruktur für IBR herabgesetzt), woraus sich eine niedrigere optische Ausgangsleistung im Vergleich zu der Ausgabe bei keiner Elektronenerwärmung ergibt.
Bedeutsamerweise ist ISBR so ausgewählt, daß bei Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes am aktiven Gebiet 22 ISBR im wesentlichen nicht im aktiven Gebiet absorbiert wird. Weiterhin ist ISBR so ausgewählt, daß Anlegen eines entsprechenden elektrischen Feldes an das aktive Gebiet die Absorption von ISBR ergibt und infolgedessen eine Änderung der Elektronenverteilungsfunktion, beispielsweise durch Erwärmung der Elektronen in der Quantenmulde, und eine erhöhte Absorption von IBR.
Dem Fachmann ist die Tatsache bekannt, daß Anlegen eines elektrischen Feldes an eine Quantenmulde eine "Neigung" der Energiebänder ergibt, so wie es schematisch in der Figur 4 dargestellt ist. Diese Neigung kann eine Änderung (typischerweise eine Verringerung) der Energiedifferenz zwischen den entsprechenden zwei Teilbändern ergeben (z.B. Elektronenniveaus 37' und 38), wie ebenfalls schematisch in der Figur 4 angezeigt ist. Diese Stark-Effekt-Abstimmung wird in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verwendet.
Wie oben besprochen können erfindungsgemäße Vorrichtungen nicht nur als Strahlungsmodulatoren, sondern auch als Quellen sehr kurzer Impulse von IBR dienen. Dies wird nunmehr weiter besprochen, der Einfachheit halber in Bezug auf "Erwärmung" der freien Träger.
Es ist bekannt, daß in einem zweistufigen System die Anzahl von Trägern auf dem oberen Niveau eine Funktion der Temperatur der Träger ist, wobei sich die Höchstzahl von Trägern auf dem oberen Niveau mit steigender Trägertemperatur erhöht. Erwärmung der Träger mittels Absorption von ISBR in einer erfindungsgemäßen Struktur ergibt daher eine Erhöhung der Anzahl von Trägern auf dem oberen Niveau. Sobald die Absorption von ISBR aufhört, fällt die Trägertemperatur wieder auf die Gittertemperatur zurück, viel schneller als die überschüssige Anzahl von Elektronen und Löchern auf ihre dem gegebenen Niveau von IBR und der Umgebungstemperatur entsprechenden stationären Werte zurückfällt. Diese nichtstationäre Situation ergibt eine durch die IBR stimulierte verbesserte Elektronen-Lochwiedervereinigung und führt zur Bildung eines sehr kurzen Impulses von IBR. Solche Impulse sind auf verschiedenen wissenschaftlichen Gebieten nützlich, können aber auch beispielsweise in der optischen Kommunikation, z.B. in Solitonsystemen, Anwendung finden. In dieser Situation ändert sich der Modengehalt der IBR nicht, da die Rückkopplung vom Modulator zum IBR-Laser typischerweise gering ist. Dies bedeutet, daß auf diese Weise ultrakurze Impulse einmodiger IBR gebildet werden können.
Dem Fachmann sollte jedoch auch klar sein, daß die Einfügung der gegenwärtig beschriebenen Struktur in den optischen Resonator des IBR-Lasers einen Rückkopplungumechanismus zwischen der Struktur und dem Laser selbst ergeben wird. In dieser Situation wird bei demselben Wert von Pumputrom in dem IBR-Laser eine viel größere Ansammlung von Elektronen und Löchern im aktiven Lasergebiet eintreten, wenn die Struktur ISBR absorbiert, und dadurch einen zusätzlichen Verlustmechanismus bereitstellen. Sobald die ISBR-Absorption aufhört, werden sich die überschüssigen Elektronen und Löcher im Laser in einem Vorgang stimulierter Emission wiedervereinigen und einen sehr starken kurzen Impuls erzeugen. Diese Art der Impulsbildung wird hauptsächlich für diejenigen Anwendungen in Betracht gezogen, wo die Einmodenbeschaffenheit der IBR nicht erforderlich ist.
In Figur 5 ist schematisch eine beispielhafte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die zwei dotierte Quantenmuldengebiete 50 und 51 umfaßt. Die Quantenmulden von 50 und 51 werden als "Kontaktquantenmulden" bezeichnet.
Vorteilhafterweise sind Zusammensetzung und Stärke der Kontaktquantenmulden so gewählt, daß die ISBR unter normalen Betriebubedingungen im wesentlichen nicht in den Gebieten 50 und 51 absorbiert wird. Das heißt, die Kontaktmulden sind so konstruiert, daß die der ISBR entsprechende Energie geringer als die mit den Kontaktmulden verbundene Zwischenteilbandtrennungsenergie ist. Weiterhin wird es typischerweise vortilhaft sein, eine einmoden-TM-polarisierte (d.h. mit magnetischem Vektor in der Ebene der Quantenmulden und elektrischem Vektor normal zur Ebene der Quantenmulden) ISBR bereitzustellen, da TM-Polarisation maximale Absorption von ISBR in den Kernquantenmulden und zur gleichen Zeit minimale Absorption in den Kontaktquantenmulden bereitstellt. So umfassen in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung die Mittel zur Bereitstellung von ISBR Mittel zur ent sprechenden Polarisation der Ausgabe und zum Auswählen eines Einzelmodus von einer entsprechenden Quelle von ISBR, z.B. einem CO&sub2;-Laser.
In der Figur 5 bezeichnen die Ziffern 52 und 53 Kontaktmittel. Solche Mittel können auf bekannte Weise gebildet werden (beispielsweise mit Diffusion oder Ionenimplantation) und 52 weist vorteilhafterweise ein begrenztes Seitenausmaß auf, um Absorption von ISBR im metallischen Kontaktgebiet zu minimieren.
Wie vom Fachmann erkannt werden wird, weist das aktive Gebiet 22 typischerweise eine größere Brechzahl als die der Gebiete 54 und 55 auf. Die Struktur bildet daher wünschenswerterweise einen Wellenleiter für IBR, wobei 22 dem Kern und 54 und 55 dem Mantel entsprechen. Auch ist es wünschenswert, die Mehruchichtutruktur so zu konstruieren, daß ISBR im wesentlichen auf das Kerngebiet begrenzt ist, wobei sich nur ein kleiner Teil des ISBR-Feldes über die Manteluchichten 54 und 55 hinaus in die Gebiete 51 bzw. 50 erstreckt. Die Intensität von ISBR im Kerngebiet läßt sich mittels einer entsprechenden reflektierenden Struktur verbessern. Es sind dielektrische Mehrschichtspiegel bekannt, die als Reflektor dienen können.
Figuren 7 und 8 zeigen beispielhafte berechnete Kurven für den relativen Absorptionskoeffizienten (gT/g&sub3;&sub0;&sub0;) als Funktion der Elektronentemperatur für eine GaAs-Quantenmulde für drei Werte von Elektronenkonzentration in der Quantenmulde. Die Gittertemperatur beträgt in allen Fällen 300 K. Wie aus den Kurven ersichtlich, steigt der relative Absorptionskoeffizient schnell mit steigender Elektronenkonzentration, was die Möglichkeit wirksamer Modulation andeutet.
In Figur 9 sind schematisch beispielhafte "Eingaben" in eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die impulsbildnerartige Eigenschaften aufweist. Nach der Darstellung sind sowohl IBR als auch ISBR Dauer-Strahlungen und das (elektrische) Modulationusignal weist Einärform auf. Figur 10 zeigt die von dem erfindungsgemäßen Impulsbildner abgegebene IBR-Intensität. Es wird angenommen, daß die IBR-Eingangsintensität hoch genug ist, daß aufgrund selbutinduzierter Transparenz im wesentlichen die gesamte IBR durch den Körper übertragen wird. Es besteht daher eine Intensität 100 mit einem Gleichgewicht ungleich Null. Plötzliches Abschalten der Modulationuspannung verursacht einen scharfen Abfall der ISBR-Absorption im Körper. Die sich ergebende Elektronen/Lochverteilung im Nichtgleichgewichtszustand fällt schnell mittels Wiedervereinigung auf den mit der Gittertemperatur verbundenen Wert zu ab und ergibt die Emission des schmalen Impulses 101. Wenn das Modulationsfeld wieder angelegt wird, steigt die ISBR-Absorption wieder schnell an und ergibt zusätzliche IBR-Absorption im Körper, wie durch das utale 102 ersichtlich ist. Sobald die Transparenz des Körpers wieder erreicht ist, ist das System für eine weitere "Entladung" bereit.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen können verschiedene Formen annehmen, einschließlich elektronischer Baugruppen oder Teilbaugruppen, die optische Zwischenverbindungen umfassen, optische Datenverarbeitungseinrichtungen und optische Kommunikationusysteme. Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes optisches Kommunikationssystem ist schematisch in der Figur 6 dargestellt, wobei der Laser 61 IBR 62 abgibt, die am Modulator 63 eintrifft. Der CO&sub2;-Laser 64 gibt ISBR 65 ab, woraus ein Einzelmodus ausgewählt wird, der TM-polarisiert und wahlweise linienfokussiert ist, das Ganze mittels der Aufbereitunguschaltung 67. Es wird bewirkt, daß die aufbereitete ISBR 66 im wesentlichen wie in Figur 5 gezeigt auf das aktive Gebiet von 63 einfällt. An 63 wird das elektrische Modulationssignal 631 angelegt, woraus sich die Modulation von IBR ergibt, derart, daß aus 63 die modulierte IBR 621 austritt. Die modulierte IBR wird wahlweise in die Lichtleitfaser 68 eingekoppelt, durch diese zum Detektor 69 üertragen, wobei die Detektorausgabe 691 zur Bereitstellung zu entsprechenden nicht gezeigten reagierenden Mitteln zur verfügung steht.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform 110 ist schematisch in der Figur 11 dargestellt, wobei die Strahlunguquelle 101 die Dauer-ISBR 102 abgibt, die Strahlung auf den Modulator 103 entsprechend der Erfindung auftrifft und entsprechend dem elektrischen Modulatorsignal 104 moduliert wird. Die modulierte ISBR 1021 wird aus 103 abgegeben und auf das Verwendungsmittel 105 auftreffen gelassen.

Beispiel.

Ein Halbleiterkörper im wesentlichen wie der in Figur 5 dargestellte wird wie folgt hergestellt. Auf einem herkömmlichen halbisolierenden GaAs-Substratwafer werden nacheinander Folgende ausgebildet: ein modulationsdotiertes unteres Mehrquantenmuldenkontaktgebiet (mit 10 Perioden, wobei jede Periode aus einer undotierten GaAs-Quantenmulde von 6,5 nm, einem undotierten Al0,35Ga0,65As-Abstandhalter von 15 nm, einem Si-dotierten Al0,35Ga0,65As-Abstandhalter von 10 nm besteht, wobei die letzteren drei Schichten die Sperrschicht bilden, die benachbarte Quantenmulden trennt)) eine undotierte untere AlAs-Manteluchicht von 2 um) ein modulationudotiertes Mehrquantenmulden-Kerngebiet (mit 30 Perioden, wobei jede Periode wie oben beschrieben ist, nur daß die Quantenmuldenschicht eine Stärke von 8,2 nm aufweist)) eine undotierte obere AlAs-Mantelschicht von 2 um; und ein mit dem unteren Kontaktgebiet identisches oberes Kontaktgebiet. Die Dotierungsniveaus sind so ausgewählt, daß sie rund 1,5 x 10¹² Elektronen/cm² in den Quantenmulden ergeben. Die Mehruchichtutruktur wird durch MEE gezüchtet. Nach Abschluß des Schichtwachstums werden durch herkömmliche Lithographie und Ätzen 5-um-breite Stege gebildet, schmale n&spplus;-Gebiete werden durch Dotiermitteleindiffusion auf den oberen und unteren Kontaktgebieten gebildet und auf den n&spplus;-Gebieten wird eine herkömmliche Au/Ge-Metallisierung im wesentlichen wie in Figur 5 gezeigt gebildet. Nach Abspalten zur Erzeugung von 100-um-langen Körpern wird in der Längsrichtung eine Dauer-Strahlung von ca. 0,8 um aus einem GaAs-Quantenmuldenlaser auf das Kerngebiet der Struktur eingestrahlt, einmoden-TM-polarisierte Strahlung aus einem CO&sub2;-Laser wird auf das Kerngebiet in der seitlichen Richtung eingestrahlt und an die beiden metallisierten Kontakte wird eine Wechselstrommodulationsspannung angelegt. Die Vorrichtung verhielt sich erwartungsgemäß, die abgegebene Strahlung mit 0,8 um weist eine der Wechselstrommodulationsupannung entsprechende Modulation auf.

Claims

1. Vorrichtung mit einem Halbleiterkörper (20) mit einer Mehruchichtutruktur (22) mit mindestens einer Quantenmulde (23), wobei mit der besagten Quantenmulde eine Eandabstandenergie und eine Teilbandenergiedifferenz verbunden sind, mit freien Trägern eines ersten Leitfähigkeitstyps in der Quantenmulde eine Verteilungsfunktion freier Träger verbunden ist und mit dem Körper eine Gittertemperatur verbunden ist; wobei die Vorrichtung weiterhin folgendes umfaßt:

a) Mittel zur Zuführung elektromagnetischer Strahlung (27) einer ersten Wellenlänge zu dem Körper, wobei die erste Wellenlänge so ausgewählt ist, daß sie der besagten Eandabstandenergie entspricht, wobei die Strahlung der ersten Wellenlänge als "Zwischenband"- Strahlung zu bezeichnen ist;

b) Mittel zur Zuführung von elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Wellenlänge (28) zu dem Körper, wobei die Strahlung der zweiten Wellenlänge als die "Zwischenteilband-"Strahlung zu bezeichnen ist, wobei die zweite Wellenlänge länger als die erste Wellenlänge ist und so ausgewählt wird, daß die Verteilungsfunktion freier Träger mittels der Zwischenteilbandstrahlung moduliert werden kann, wobei die modulierte Zwischenbandstrahlung von dem Körper abgegeben wird; und

c) Mittel zur Verwendung modulierter Zwischenbandstrahlung (z.B. 69);

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Vorrichtung weiterhin Kontaktmittel (25, 26) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Quantenmulde umfaßt, so daß die Teilbandenergiedifferenz mittels des Stark-Effekts geändert werden kann, wobei die Kontaktmittel mindestens eine Kontaktquantenmulde (50, 51) umfassen, wobei die Zusammensetzung und Stärke der besagten Kontaktquantenmulde so ausgewählt wird, daß Zwischenteilbandstrahlung im wesentlichen nicht in der Kontaktquantenmulde absorbiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Wellenlänge so ausgewählt wird, daß Zwischenteilband strahlung für einen ersten gegebenen Wert des angelegten elektrischen Feldes im wesentlichen nicht in der Quantenmulde absorbiert wird und daß Zwischenteilbandstrahlung für einen zweiten gegebenen Wert des angelegten elektrischen Feldes in der Quantenmulde absorbiert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Zuführung von Zwischenteilbandstrahlung solche Polarisier- und Modenauswahlmittel (z.B. 67) umfassen, daß die dem Körper zugeführte Zwischenteilbandstrahlung im wesentlichen einmodig und linear polarisiert ist, wobei der elektrische Vektor im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Quantenmulde liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel von b) Mittel zum Modulieren der Zwischenteilbandstrahlung umfassen, wobei die Verteilungsfunktion der freien Träger im wesentlichen die Fermi-Dirac-Form annimmt, gekennzeichnet durch eine Temperatur der freien Träger und daß das Verändern der Verteilungsfunktion das Anheben der Temperatur der freien Träger über die Gittertemperatur umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Körper eine Mehrzahl von Quantenmulden umfaßt, wobei die freien Träger Elektronen sind, wobei der Körper Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand umfaßt und wobei das Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand III/V-Halbleitermaterial ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Körper so dotiert ist, daß die freien Träger des ersten Leitfähigkeitstyps in der Quantenmulde vorhanden sind.