WO2012055574A1 - Effizienz-verbessertes fasergekoppeltes terahertzsystem - Google Patents

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WO2012055574A1
WO2012055574A1 PCT/EP2011/005530 EP2011005530W WO2012055574A1 WO 2012055574 A1 WO2012055574 A1 WO 2012055574A1 EP 2011005530 W EP2011005530 W EP 2011005530W WO 2012055574 A1 WO2012055574 A1 WO 2012055574A1
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wavelength
light source
laser light
active layer
layers
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Bernd Sartorius
Helmut Roehle
Dennis Stanze
Roman Dietz
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G01J5/22—Electrical features thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation

Definitions

  • the invention relates to a terahertz system for generating and coherently detecting terahertz radiation according to the preamble of the main claim.
  • terahertz radiation is electromagnetic radiation of a frequency of between 0.05 THz and 20 THz, the frequency typically being between 0.1 THz and 10 THz.
  • these frequencies are very high, compared to the typical photonics frequencies, however, very small, so that a quantum energy of terahertz radiation is still very low.
  • Terahertz radiation measuring systems are therefore difficult to realize, which is why
  • Terahertz radiation forms the last part of the electromagnetic spectrum which is Turns not yet developed to a satisfactory extent.
  • Terahert zsysteme of the type described here use opto-electronic semiconductor chips for generating and detecting terahert radiation.
  • a generic terahert zsystem includes a laser light source and two each coupled via an optical fiber optically coupled to the laser light source and activated by light of this laser light source THz antennas, one of which serves as a transmitting antenna and a second as a receiver antenna.
  • the THz antennas each have a semiconductor chip contacted with antenna conductors, which comprises at least one photosensitive active layer with a band edge wavelength greater than one wavelength of the laser light source and at least one layer adjacent to the active layer with a band edge wavelength which is smaller as the wavelength of the laser light source.
  • the antenna conductors are typically integrated on the respective semiconductor chip.
  • the laser light source can be used to generate short pulses or to generate
  • Bending signals in the THz range can be formed by superimposing two laser waves of slightly different wavelengths.
  • the wavelength of a laser light source is defined in each case as the center of gravity of a wavelength spectrum of the light generated by the laser light source.
  • Light transit time between the laser light source and the receiver antenna or the transmitting antenna can be detected.
  • Terahert zsysteme of this kind are e.g. known from the document DE 10 2007 044 839 AI.
  • these terahert zsysteme can be advantageously compact, robust and flexible realize.
  • the known from the prior art terahert zsysteme of this type have not yet satisfactory performance, both relatively low transmission power of the transmitting antennas and limited sensitivities of the receiver antennas make long integration times in the measurement necessary, resulting in disadvantageously slow measurements. Even highly absorbent materials can no longer be irradiated even at relatively low material thicknesses and small signals can not be detected reliably.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing a comparable, but improved efficiency terahert zsystem with which can be realized at a given power of the laser light source, a higher transmission power and better receiver sensitivity, the
  • Terahertz system should be comparably compact and robust. This object is achieved by a terahert zsystem with the characterizing features of the main claim in conjunction with the features of the preamble of the main claim. Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the features of the subclaims.
  • the band edge wavelength of the active layer of at least one of the THz antennas is at least 200 nm greater than the wavelength of the laser light source.
  • this applies to both the transmit antenna and the receiver antenna, but both may be different in structure and need not have identical band edge wavelengths. Due to the relatively large distance between the band edge wavelength of the active layer and the wavelength of the laser light source is achieved that the active layer has a very high absorption coefficient for light of the laser light source. This has the advantage that the light of the laser light source serving to activate the THz antenna is strongly absorbed there, even with a very thin design of the active layer.
  • the requirement for high light absorption in the very thin layers arises. This can be achieved by the short-wave light required here.
  • a high THz transmission power and, in the case of the receiver antenna a high THz sensitivity can be achieved because the high-frequency characteristic can be optimized by very thin active layers and good light absorption is achieved in that the wavelength the light source is at least 200 nm larger than the band edge wavelength. It can thus circumvent the problem that the THz antennas either - because of too thick active layers - are not fast enough or - because of too low absorption of light - are not powerful or sensitive enough.
  • the described advantage is particularly useful if the band edge wavelength of the active layer of at least one of the THz antennas is at least 250 nm greater than the wavelength of the laser light source. This is because the absorption coefficient of the active layer formed of a photosensitive material at least initially increases very steeply from the band edge wavelength to smaller wavelengths. To have such a large distance between the band edge wavelength of the active layer and the
  • Wavelength of the laser light source possible it is advantageous if the band edge wavelength of the active layer is at least 300 nm shorter than the band edge wavelength of the adjacent layer.
  • the band gap can also depend on a layer thickness of the respective layer. Insofar as the band gap and thus also the band edge wavelength are temperature-dependent, they should always be understood to mean their conventionally defined values at the operating temperature, typically between 10 ° C. and 40 ° C., preferably 20 ° C.
  • Layer adjacent layer ensures that the light of the laser light source is not absorbed in the adjacent layer, which would drastically degrade the efficiency of the THz antenna and would lead to a disadvantageous additional heat generation.
  • a preferably controllable optical delay circuit is also connected between the laser light source and one of the THz antennas, so that a timing of optical control signals for activating vation of the two THz antennas can be moved relative to each other.
  • a damping of the terahert radiation and a delay of a transit time of the same can be precisely determined by a sample arranged between the transmitting antenna and the receiver antenna.
  • the band edge wavelength of a semiconductor material forming the active layer of at least one of the THz antennas is at least 1600 nm.
  • the active layer itself may also have a lower band edge wavelength due to the quantum well effect, but in any case still has a sufficiently large distance from the wavelength of the laser light source.
  • the active layer may be added e.g. of InGaAs having a band edge wavelength of about 1650 nm, or preferably containing predominantly InGaAs.
  • the active layer may be e.g. of InGaAs doped with beryllium, ie of InGaAs: Be.
  • a substrate of the semiconductor chip of the THz antenna can be formed from InP.
  • the active layer and the at least one adjoining layer may be e.g. be grown epitaxially on this substrate.
  • the active layer of at least one of the THz antennas has a thickness which corresponds at most to a penetration depth of the light of the laser light source.
  • the penetration depth is defined as a depth at which a radiation intensity of the incident light of the laser light source amounts to 1 / e of the magnitude of the Radiation intensity has dropped at a surface irradiated with the light ⁇ th surface.
  • the receiver antenna of the THz system will be based on a photoconductor.
  • the semiconductor chip of a photoconductor-based THz antenna can have one or more active layers.
  • the active layer or each of the active layers will in each case be embedded between two adjacent layers.
  • the adjacent layers serve as recombination layers.
  • the semiconductor chip has a periodic layer structure with a plurality of alternately arranged active layers and recombination layers, wherein e.g. 100 or more active layers can be provided. This makes it possible to make the active layers very thin on the one hand in order to realize a sufficiently fast photoconductor, but at the same time one for an efficient
  • the active layers of the photochromic THz antenna should not be thicker than
  • the recombination layers may be e.g. with a thickness of at most
  • a layer structure formed by the active layers and the recombination layers may be contacted to the antenna conductors on a surface or on lateral end faces.
  • InAlAs which has a sufficiently short band edge wavelength, is suitable for a photoconductor.
  • the at least one layer serving as a recombination layer may thus preferably contain predominantly InAlAs and be formed, for example, from InAlAs provided with electron traps or recombination centers.
  • the transmitting antenna may also be based on a photodiode instead of a photoconductor.
  • the active layer is preferably at least substantially formed of InGaAs is then usually not more than 400 nm thick, preferably no thicker than 300 nm. With a view to rapid responsiveness of the photodiode be ⁇ Sonder advantageous embodiments, the active layer of the photodiode is not thicker than 200 nm or 100 nm.
  • Layer adjacent layer which may be referred to herein as a contact layer, may e.g. InGaAsP or InGaAlAs contained and preferably predominantly be formed from one of these materials.
  • a contact layer may e.g. InGaAsP or InGaAlAs contained and preferably predominantly be formed from one of these materials.
  • two adjacent layers are again provided between which the active layer is arranged, in which case one of the adjacent layers is arranged
  • Layers are p-doped and one is n-doped.
  • the band edge wavelength of these quaternary layers can be adjusted by the mixing ratio.
  • the band edge wavelength of these layers must be smaller than that of the active layer, but the discontinuity in conduction and valence band must not be too large either.
  • boundary layers typically, boundary layers with 1200 nm band edge wavelength These layers are well transparent for wavelengths above 1250 nm, which allows a desired large distance of the laser light to the band edge wavelength of the active layer without absorption in the boundary layers.
  • the adjoining layer or at least one of the adjoining layers of at least one of the THz antennas serves as a waveguide into which the light of the laser light source propagates through the optical fiber connecting this THz antenna to the laser light source in a plane defined by the layer is coupled.
  • An embodiment of at least one of the adjoining layers as a waveguide, through which the light of the laser light source is fed, is particularly suitable in the case of the transmitting antenna when it is photodiode-based.
  • the wavelength of the laser light source of the terahertz system may, for example, be between 1260 nm and 1360 nm, in the so-called O-band of fiber telecommunications, preferably between 1260 nm and 1310 nm.
  • the desired distances to the band edge wavelengths of the active layer and the At least one adjacent layer results in the further advantage of a virtually vanishing dispersion in the optical fibers, for which SSMF (Standard Single-Mode Fibers) can be used, for example. This in turn is especially when using a pulse laser of great advantage to avoid a thinning of the function of the THz antennas pulse broadening.
  • a pulsed laser as a laser light source for activating the THz antennas is particularly advantageous if both THz antennas are photoconductor-based, since a pulsed laser can be used to realize a high transmission power and a high receiver sensitivity.
  • a pulsed laser can be used to realize a high transmission power and a high receiver sensitivity.
  • Teen can do this for a terahertz system as a pulse system
  • Femtosecond pulse laser of suitable wavelength can be used.
  • the laser light source may be given by a two-mode laser or a two laser system and configured to generate a beat signal of two laser waves, wherein a beat frequency of this beat signal should be at least 0.05 THz, and typically between 0.05 THz and 20 THz, preferably between 0.1 THz and 10 THz, so that the terahertz radiation can be generated with the appropriate frequency and wavelength.
  • a beat frequency of this beat signal should be at least 0.05 THz, and typically between 0.05 THz and 20 THz, preferably between 0.1 THz and 10 THz, so that the terahertz radiation can be generated with the appropriate frequency and wavelength.
  • photodiode-based is photodiode-based, as can be avoided by the use of a photodiode-based transmitting antenna which is particularly serious problem when activated by a beat signal to low transmission powers.
  • FIGS 1 to 13 Show it a schematic representation of a terahertzsystems for generating and coherently detecting terahertz radiation, a plan view of a receiver antenna of the terahertz system of FIG. 1, a cross section through a semiconductor ⁇ chip of the receiver antenna of FIG. 2, in a representation corresponding to FIG Cross section through a semiconductor chip of a receiver antenna in a modification of the embodiment of FIGS. 2 and 3, a plan view of a transmitting antenna of the terahertz system of Fig. 1, in diagrammatic representation a wavelength dependence of an absorption coefficient of an active layer of a terahertz antenna, a diagram with a course of a
  • FIG. 10 in a representation corresponding to FIG. 1 is a plan view of a terahert zsystem in another embodiment
  • FIG. 11 shows a cross section through a semiconductor chip of a transmitting antenna of this terahertz system
  • FIG. 12 shows a perspective view of a photodiode in this transmitting antenna
  • FIG. 13 is a perspective view of the complete transmitting antenna of the terahertz system of FIG. 10.
  • the terahert zsystem shown in Fig. 1 comprises a laser light source 1, a transmitting antenna 2 and a receiver antenna 3.
  • the transmitting antenna 2 and the receiving antenna 3 are each a THz antenna which can be activated by the light of the laser light source 1.
  • a beam splitter 4 is connected behind an output of the laser light source 1, wherein the transmitting antenna 2 and the receiver antenna 3 are each connected by an optical fiber 5 to one of two outputs of the beam splitter 4.
  • the laser light source 1 is a pulsed laser, with a center of gravity of a mode comb of this pulse laser being in the O band.
  • a wavelength of the laser beam defined as the center of gravity of the mode serlichtario 1 is located at 1310 nm.
  • the optical fibers 5 are SSMF optical fibers, for example of the SMF 28 type, which have a zero dispersion point at this wavelength.
  • a controllable optical delay circuit 6 is arranged, with which a relative timing of optical control signals for activating the two THz antennas can be moved.
  • the delay circuit 6 can have, for example, a delay line that can be acted upon by a variable electric field.
  • a arranged between the transmitting antenna 2 and the receiver antenna 3 sample 7 is shown with the
  • Terahert zsystem can be examined.
  • the laser light source 1 forming pulse laser
  • a fiber pulsed laser e.g. with praseodymium doping
  • a semiconductor pulse laser e.g. based on an InGaAsP / InP material system. Since the optical fibers 5 do not show dispersion at the wavelength of the laser light source 1, dispersion compensation with gratings or special fibers is unnecessary. An elaborate adjustment of a dispersion compensation is therefore eliminated, with fiber lengths of the optical fibers 5 can easily be up to a few meters and can be changed in length.
  • FIG. 2 shows the receiver antenna 3 of the terahertz system from FIG. 1.
  • This receiver antenna 3 is based on a semiconductor chip with a substrate 8 made of InP.
  • This substrate 8 carries two antenna conductors 9, which are connected via a respective electrical contact 10 with a photosensitive region 11.
  • the optical fiber 5, the receiver antenna 3 with the laser light source 1 connects, is guided so that the laser light source 1 can illuminate the photosensitive region 11 through the optical fiber 5 from above.
  • the photosensitive region 11 becomes electrically conductive. Therefore, when the receiver antenna 3 is simultaneously exposed to an electric field due to an electromagnetic wave correlated in time with the light of the laser light source 1, an electric current is induced between the waveguides 9. This current can be measured with a sensor S shown only schematically, which is connected to the antenna conductors 9. So can with the receiver antenna 3 a
  • Terahert radiation which is generated with the activated by the laser light source 1 transmission antenna 2, are detected coherently.
  • FIG. 3 shows a section of the receiver antenna 3 as a cross-section, this detail comprising in particular the light-sensitive area 11.
  • a photoconductor is disposed on the substrate 8 comprising a plurality of between 20 and 100 active layers 12.
  • These active layers 12 are formed of possibly beryllium-doped InGaAs and each have a layer thickness of 12 nm, 10 nm, 8 nm or even 6 nm, depending on the embodiment.
  • Each of the active layers 12 is embedded between two adjacent layers 13, the each have a thickness of about 8 nm and are formed of doped InAlAs provided with electron traps or recombination centers.
  • a band edge wavelength of the adjacent layers 13 is approximately 900 nm and is thus significantly smaller than the wavelength of the laser light source 1.
  • band edge wavelength shifts further to about 1550 nm, 1500 nm and 1450 nm, whereby these band edge wavelengths can also be increased somewhat by suitable mixing ratios of Ga and In in the InGaAs.
  • the conventional terahertz systems for comparable THz are conventional terahertz systems for comparable THz
  • Antennas for excitation used laser sources with wavelengths of 1550 nm would be done so no more absorption.
  • the absorption in a single, 12 nm thin layer is so low that a sufficient photoelectric effect is achieved only with a periodic repetition of the structure. For example, 100 periods have been realized, resulting in a cumulative thickness of the absorbing layers of 1.2 pm. This thickness corresponds to the penetration depth of the light at this wavelength.
  • the production of the layer package takes place in a demanding and lengthy epitaxy process in an expensive molecular beam epitaxy system. Manufacturing is easier and less expensive if the function is achieved with fewer layers.
  • the laser wavelength as proposed here, is shifted to the short wavelength and, as required, a wavelength difference of at least 200 nm, better still at least 250 nm, is set to the effective band edge wavelength of the absorbing material.
  • the depth of penetration of the light is then substantially lower, and since a summed thickness greater than this penetration depth does not bring about an improvement, the number of periods can now be substantially reduced to e.g. only 20 active layers 12.
  • complex mesa structuring and side contacting as in Fig. 3 is no longer necessary, but simpler planar structures with overhead contacts as in Fig. 4 can be used ,
  • Particularly advantageous wavelengths when using fiber connections between the laser light source 1 and THz antennas are in the region around 1310 nm, the so-called O-band of telecommunication. There, the fibers have one
  • 8 nm thickness is the distance of the laser wavelength to the effective band edge wavelength at a suitably selected mixing ratio of the InGaAs, which forms the active layers 12, still about 250 nm and 200 nm, and is therefore still advantageously large for a good light absorption. Even with layer thicknesses of only 6 nm, this distance can possibly still be realized.
  • the advantageous laser wavelength 1310 nm can therefore also be combined with optimized thin layers with a still large wavelength difference to the effective band edge of the active layer 12.
  • FIG. 3 shows a cross section through a part of a similar THz antenna corresponding to the detail from FIG. 3, which instead of the receiver antenna 3 from FIGS. 2 and 3 can be used and differs from this only by a different contact of the photoconductor. Recurring features are again provided with the same reference numerals.
  • the layers 12 and 13 forming the photoconductor can here also be applied to the substrate 8 over a large area and, under certain circumstances, over the whole area. Notwithstanding the embodiment shown in FIG. 3, the photoconductor is contacted here not at end surfaces, but at a surface of the uppermost layer 13.
  • the transmitting antenna 2 is shown, which differs from the receiver antenna 3 only in that the antenna conductor 9 are connected instead of the sensor S with a voltage source shown only schematically.
  • a voltage U is present at the antenna conductors 9, a short current pulse flows between the antenna conductors 9 as soon as it is reached
  • Fig. 6 shows a trailing dependence in a logarithmic representation of an absorption coefficient ⁇ of the active layers 12 incident on a wavelength ⁇ light. It can be clearly seen that a profile of the absorption coefficient shows a kink at the band edge wavelength of the active layers 12 indicated here by ⁇ . For longer wavelengths ⁇ , the active layers 12 are transparent because a photon energy of corresponding light is insufficient to electron an electron from a valence band
  • Fig. 7 shows how light of wavelength ⁇ 2 is absorbed in a layer made of the same material as the active layers 12, but having a relatively large thickness d.
  • FIG. 8 shows, in a representation corresponding to FIG. 7, the course of the radiation intensity I at a smaller layer thickness d, which is to be striven to make the photoconductor sufficiently fast for an efficient generation or detection of terahz radiation with THz antennas of the type described.
  • the light is only absorbed to a very small extent at the wavelength ⁇ 2 lying near the band edge wavelength, which is why only a correspondingly small number of charge carriers are lifted into the conduction band.
  • FIG. 9 shows in a the FIGS.
  • FIGS. 7 and 8 show the course of a radiation intensity I at the same small layer thickness d as in FIG. 8 in the case where the light of the laser light source 1 with the significantly smaller wave thickness Length is used, which is shown in Fig. 6 as ⁇ 3 .
  • ⁇ 3 shows the larger coefficient ⁇ Absorptionskoeffi ⁇ a very large proportion of the light is here in spite of the small layer thickness d absorbed and DEM corresponding to a relatively large number of
  • the terahertz photosensitive layers do not necessarily zantennen with such a band edge that the laser wavelengths can barely be absorbed and thereby the efficiency of the photoeffect is optimized. Rather, the most important goal is the optimization of both a bandwidth of realizable terahertz frequencies and an efficiency of the optoelectronic semiconductor chips in the conversion of light into terahertz radiation or in the coherent detection of the terahert radiation in the foreground. In doing so, more than the efficiency of the photo effect has to be taken into account so that new optimization guidelines result.
  • the terahertz efficiency is thereby improved by the following measures:
  • the photosensitive layers (active layers 12) used in the THz antennas have the smallest possible band edge energy
  • Band gap ie the largest possible band edge Wavelength developed and utilized - preferably based on InGaAs over an InP substrate - and for excitation laser light with photon energies well above the band edge energy is used. Materials with as large a band edge wavelength as possible should therefore be excited with lasers as short as possible.
  • the photosensitive layers are then thinned as thinly as possible, which is the terahertz frequency response.
  • the laser light should be strongly absorbed for high efficiency, which is made possible by the large wavelength difference and a high absorption coefficient. Especially important is the big one
  • wavelengths are in the so-called
  • FIG. 10 shows a further terahertz system which differs from the previously described terahertz system by another laser light source 1 'and another transmitting antenna 2'.
  • the laser light source 1 is given by a system with two individual lasers 14 of slightly different wavelengths and a coupler 15 with two inputs and two outputs for superimposing laser radiation of the two lasers 14 and for feeding a Schwebungssig- so generated signal in the optical fibers 5.
  • the beat signal has a beat frequency of about 1 THz, wherein this beat frequency can also be adjusted if the wavelength of at least one of the two lasers 14 can be controlled.
  • the thus constructed laser light source 1 1 is also a dual mode laser for generating the Schwebungssig- can Nals thereof for feeding are used in the optical fibers. 5
  • the transmitting antenna 2 ' is also realized here by an opto-electronic semiconductor chip, but, unlike the previously described embodiment, is based on a photodiode, of which a cross-section is shown in FIG. 11.
  • a photosensitive active layer 12 ' is disposed over a substrate 8' formed of InP of the semiconductor chip.
  • the active layer 12 ' is made of The active layer 12 'in this case has a band edge wavelength of about 1650 nm, which is significantly greater than a wavelength of the laser light source 1', which is between 1260 nm and 1360 nm, and preferably adjustable in this area.
  • the active layer 12' is separated by an adjacent layer 13 'formed of n-doped InGaAsP. Over the active layer 12 'is another adjacent thereto
  • InGaAsP appropriately doped InGaAlAs could also be used for the layers 13 'and 13 ".
  • Layers 13 'and 13 are designed so that a band edge wavelength of these layers 13' and 13" is about 1200 nm and thus significantly smaller than the wavelength of the laser light source 1 '.
  • the layers 13 'and 13 "adjoining the active layer 12' not only serve to realize a pn junction of the photodiode and its contact layers, but also the layer 13 'transparent to the light of the laser light source 1' serves as a waveguide layer into which This light is illustrated by an arrow in Fig. 11. As can be clearly seen in Fig. 11, the light propagates through the laser light source 1 'passing through one of the two
  • Optical fibers 5 is brought to an end face of the semiconductor chip of the transmitting antenna 2 1 , through the layer 13 'and thus reaches the active layer 12', where it is absorbed and makes the reverse biased photodiode conductive.
  • FIG. 12 shows a section of the transmitting antenna 2 'together with one end of the optical fiber 5 in perspective. This section comprises in particular the described photodiode, whereby recurring features are again provided with the same reference symbols.
  • the various components of the transmitting antenna 2 ' are not reproduced to scale. Visible here are also electrical contacts 10 ', which are arranged on the active layer 12' adjacent layers 13 'and 13 ".
  • Fig. 13 of the transmitting antenna 2 'forming semiconductor chip is completely visible.
  • one of the antenna conductors 9' is connected to the n-doped layer 13 'and the other antenna conductor 9' is connected to the p-type layer 13 '', which is orders of magnitude smaller than the photodiode shown in Figs antenna conductors
  • a coupling surface 16 can be seen, which is optically coupled to an output of the optical fiber 5.
  • the speed and frequency response of photodiodes are substantially determined by the transit time of the photoresist carriers produced from the absorbing layer to the p- or n-doped, larger bandgap layers. The transit time is usually improved by a reverse voltage applied. Technologically, the transit time can be further minimized by reducing the distance traveled by the charge carriers, ie thinner absorbing layers. But also absorb light absorption and
  • the photosensitive layer 12 ' is sandwiched between a pn junction of the larger bandgap layers 13' and 13 ", ie, a smaller band edge wavelength, and light absorption in these layers 13 'and 13" would interfere with the function and efficiency of the photodiode and is therefore avoided in that the wavelength of the laser light source 1 'is chosen to be greater than the band edge wavelength of the layers 13' and 13 ", a good compromise between the function and transparency of the adjacent ones
  • the terahertz system shown in FIG. 10 is a fiber-coupled continuous wave terahertz system (CW system) in which the
  • This parameter is the wavelength or energy difference between the exciting light and the band edge of the absorbent material. Hitherto, a wavelength of the light which was as large as possible, but still absorbing, was considered to be advantageous, because it was a given wavelength
  • Hole pairs is implemented, ie, the efficiency of the implementation of optical power in the photocoad is optimal. With shorter wavelengths and higher photon energies, however, fewer charge carriers are generated, and the excess energy leads to an increase in charge. rate heating, which was not considered unfavorable for no reason.
  • Layers is an important key parameter for optimizing the speed of both the photoconductors and the photodiodes.
  • the thin layers must sufficiently absorb the stimulating light, otherwise the efficiency will be lost.
  • Thin layers (speed) and high light absorption (efficiency) can be achieved at the same time by using wavelengths that are as short as possible, ie, as far as possible above the band edge.
  • the band edge is - unlike the name might suggest - no step function that jumps from transparency to a high, fixed absorption coefficient. Rather, in the band edge region, a steep increase in the absorption coefficient begins, which continues far beyond the band edge region and into the high-energy, short-wavelength region. This is clearly visible in FIG. It is therefore to be noted that with ever shorter wavelengths of the
  • the InGaAs is 12 nm thick.
  • the structures are repeated periodically, e.g. 100 times, so that a total InGaAs thickness of 1.2] i
  • the InAlAs effect and the component property.
  • reducing the InGaAs thickness leads to an ever-increasing quantum-well effect (quantum well effect). That is, the sub-band energy levels of the InGaAs of 1650 nm are shifted to about 1600 nm by the quantum well effect.
  • the layer thickness is further reduced, the material eventually becomes transparent for 1550 nm, so optimization by thinner layers is not possible with 1550 nm light.
  • optimization of the InGaAs / InAlAs photoconductors is possible.
  • the band edge wavelength eg 1550 nm
  • the band edge wavelength is still sufficiently removed from the laser wavelength, so that a good absorption at 1310 nm is present (especially at even shorter wavelengths).
  • O-band For the O-band exist fiber amplifiers based on praseodymium doping.
  • mode-locked semiconductor lasers are also conceivable.
  • Corresponding pulsed lasers with wavelengths of 1310 nm are also possible in particular on an InP basis.
  • photodiodes with integrated THz antennas are preferably used as powerful transmitters, while the photoconductors described above serve as coherent receivers.
  • Photodiodes are transit time limited. That is, in an undoped absorber layer, photocarrier carriers are generated which then have to move to the overlying p-well and n-type doped layers (which have a larger band gap).
  • the thickness of the absorber layer is again an important optimization parameter. But even here, the absorption and the effectiveness decrease with thin layers.
  • a first step towards improvement is the lateral irradiation into thin layers.
  • the absorber layer is then typically integrated above a waveguide layer. The light from a glass fiber is - supported by an integrated so-called "taper" - at the facet in the waveguide irradiated and then coupled after a certain distance in the overlying absorber layer. Even with typical 0.3 ⁇ m thin absorber layers, sufficient absorption can be achieved by longer lengths (7 ⁇ m to 20 ⁇ m).
  • Terahertz use requires higher frequencies than telecommunication applications. Even thinner absorbent layers are therefore desirable. However, the length can not be increased further, since the absorber length must be significantly shorter than the Wavelength of the exciting optical beat signal in order to avoid a smoothing of the modulations.
  • the shortest possible wavelengths of the optical control signal should also be aimed at here. Also limiting here are the boundary layers of the absorber. Waveguides in the InP material system typically require a band edge at 1150 nm to 1200 nm (or longer wavelength). Light of wavelengths below about 1250 nm is absorbed in the waveguide and thus does not reach or only greatly weakened the absorber. Also for CW systems there is such a short-wave size . Optimal here is the control by

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Terahertzsystem zum Erzeugen und kohärenten Detektieren von Terahertzstrahlung, umfassend eine Laserlichtquelle (1) und zwei jeweils über eine Lichtleitfaser (5) optisch mit der Laserlichtquelle (1) gekoppelte und durch Licht dieser Laserlichtquelle (1) aktivierbare THz- Antennen, von denen eine erste als Sendeantenne (2) und eine zweite als Empfängerantenne (3) dient, wobei die THz-Antennen jeweils einen mit Antennenleitern (9) kontaktierten Halbleiterchip aufweisen, der mindestens eine photoempfindliche aktive Schicht (12) mit einer Bandkantenwellenlänge, die größer ist als eine Wellenlänge der Laserlichtquelle (1), und mindestens eine an die aktive Schicht (12) angrenzende Schicht (13) mit einer Bandkantenwellenlänge, die kleiner ist als die Wellenlänge der Laserlichtquelle (1), umfasst, wobei die Bandkantenwellenlänge der aktiven Schicht (12) mindestens einer der THz-Antennen mindestens 200 nm größer ist als die Wellenlänge der Laserlichtquelle (1).

Description

Effizienz-verbessertes fasergekoppeltes
Terahert system
Die Erfindung betrifft ein Terahertzsystem zum Erzeugen und kohärenten Detektieren von Terahertz- strahlung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Als Terahertzstrahlung sei dabei elektromagnetische Strahlung einer Frequenz von zwischen 0,05 THz und 20 THz bezeichnet, wobei die Frequenz typischerweise zwischen 0,1 THz und 10 THz liegen wird. Für eine elektronische Signalverarbeitung sind diese Frequenzen sehr hoch, verglichen mit den für Photonik typischen Frequenzen dagegen sehr klein, so dass eine Quantenenergie von Terahertzstrahlung noch sehr gering ist. Mit Terahertzstrahlung arbeitende Messsysteme sind daher schwer zu realisieren, weshalb
Terahertzstrahlung den letzten Bereich des elektromagnetischen Spektrums bildet, der für praktische An- Wendungen noch nicht in befriedigendem Maß erschlossen ist.
Terahert zsysteme der hier beschriebenen Art nutzen opto-elektronische Halbleiterchips zum Erzeugen und Detektieren von Terahert zstrahlung . Ein gattungsgemäßes Terahert zsystem umfasst dabei eine Laserlichtquelle und zwei jeweils über einer Lichtleitfaser optisch mit der Laserlichtquelle gekoppelte und durch Licht dieser Laserlichtquelle aktivierbare THz- Antennen, von denen eine erste als Sendeantenne und eine zweite als Empfängerantenne dient. Dabei weisen die THz-Antennen jeweils einen mit Antennenleitern kontaktierten Halbleiterchip auf, der mindestens eine photoempfindliche aktive Schicht mit einer Bandkantenwellenlänge, die größer ist als eine Wellenlänge der Laserlichtquelle, umfasst sowie mindestens eine an die aktive Schicht angrenzende Schicht mit einer Bandkantenwellenlänge, die kleiner ist als die Wellenlänge der Laserlichtquelle. Die Antennenleiter sind dabei typischerweise auf dem jeweiligen Halbleiterchip integriert. Die Laserlichtquelle kann dabei zum Erzeugen kurzer Pulse oder zum Erzeugen von
Schwebungssignalen im THz-Bereich durch Überlagern zweier Laserwellen geringfügig unterschiedlicher Wellenlängen ausgebildet sein. Die Wellenlänge einer Laserlichtquelle sei in der vorliegenden Schrift jeweils definiert als Schwerpunkt eines Wellenlängenspektrums des von der Laserlichtquelle erzeugten Lichts. Mit solchen Terahertzsystemen kann nun Terahertzstrahlung erzeugt und kohärent detektiert werden, indem an die Antennenleiter der Sendeantenne eine Spannung angelegt wird, während die Sendeantenne und die Empfängerantenne gleichzeitig mit kohärenter Strahlung der Laserlichtquelle aktiviert werden und ein in der Empfängerantenne erzeugter Strom gemessen wird mittels eines mit den Antennenleitern der Emp¬ fängerantenne verbundenen Sensors. Um eine zwischen der Sendeantenne und der Empfängerantenne angeordnete Probe zu untersuchen, kann auf diese Weise ein Emp- fangssignal für verschiedene Verzögerungen einer
Lichtlaufzeit zwischen der Laserlichtquelle und der Empfängerantenne oder der Sendeantenne detektiert werden .
Terahert zsysteme dieser Art sind z.B. aus der Druckschrift DE 10 2007 044 839 AI bekannt. Durch die Verwendung von Lichtleitfasern zur Verbindung der Laserlichtquelle mit den THz-Antennen lassen sich diese Terahert zsysteme vorteilhaft kompakt, robust und flexibel realisieren. Die aus dem Stand der Technik bekannten Terahert zsysteme dieser Art haben jedoch noch nicht befriedigende Leistungen, wobei sowohl verhältnismäßig geringe Sendeleistungen der Sendeantennen als auch begrenzte Empfindlichkeiten der Empfängerantennen lange Integrationszeiten beim Messen notwendig machen, was zu nachteilig langsamen Messungen führt. Auch können stark absorbierende Materialien schon bei verhältnismäßig geringen Materialstärken nicht mehr durchstrahlt und kleine Signale nicht zuverlässig erfasst werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vergleichbares, aber Effizienzverbessertes Terahert zsystem vorzuschlagen, mit dem sich bei gegebener Leistung der Laserlichtquelle eine höhere Sendeleistung und eine bessere Empfänger- Empfindlichkeit realisieren lassen, wobei das
Terahertzsystem vergleichbar kompakt und robust sein soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Terahert zsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Aus- gestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
Die Erfindung sieht also vor, dass die Bandkantenwellenlänge der aktiven Schicht mindestens ei- ner der THz-Antennen mindestens 200 nm größer ist als die Wellenlänge der Laserlichtquelle. Vorzugsweise trifft das sowohl für die Sendeantenne als auch für die Empfängerantenne zu, wobei jedoch beide unterschiedlich aufgebaut sein können und nicht identische Bandkantenwellenlängen haben müssen. Durch den verhältnismäßig großen Abstand zwischen der Bandkantenwellenlänge der aktiven Schicht und der Wellenlänge der Laserlichtquelle wird erreicht, dass die aktive Schicht einen sehr hohen Absorptionskoeffizienten für Licht der Laserlichtquelle hat. Das bringt den Vorteil mit sich, dass das zum Aktivieren der THz- Antenne dienende Licht der Laserlichtquelle, auch bei einer sehr dünnen Ausführung der aktiven Schicht, dort stark absorbiert wird.
Wenn pro absorbiertes Photon genau ein Elektron-Loch- Paar erzeugt wird und die eingestrahlte optische Leistung konstant gehalten wird, dann werden bei kurzwelligem Licht mit hoher Photonenenergie weniger frei bewegliche Ladungsträger erzeugt als bei Nutzung von langwelligerem, aber noch absorbiertem Licht mit kleiner Photonenenergie. Kurzwelliges Licht ist deshalb an sich ungünstig für einen auf die eingestrahlte Leistung bezogenen möglichst effektiven Photoef- fekt. Darüber hinaus wird die Überschussenergie der hochenergetischen Photonen auch noch in Erwärmung um- gesetzt, was typischerweise die Funktion von Halbeiterkomponenten beeinträchtigt. Der Photoeffekt ist nun aber nur ein Teilschritt bei der Erzeugung und Detektion von Terahert zstrahlung . Wenn die Hochfre- quenz-Charakteristik bei der Umwandlung von Photoeffekt in Terahertzstrahlung sehr dünne absorbierende Schichten als besonders vorteilhaft erscheinen lässt, dann kann sich eine neue Gesamtbewertung ergeben. Es entsteht dann jedenfalls die Anforderung an eine hohe Lichtabsorption in den sehr dünnen Schichten. Das kann durch das hier geforderte kurzwellige Licht erreicht werden. Insgesamt kann so im Fall der Sendeantenne eine große THz-Sendeleistung und im Fall der Empfängerantenne eine hohe THz-Empfindlichkeit er- reicht werden, weil die Hochfrequenz-Charakteristik durch sehr dünne aktive Schichten optimierbar ist und eine gute Lichtabsorption dadurch erreicht wird, dass die Wellenlänge der Lichtquelle mindestens 200 nm größer ist als die Bandkantenwellenlänge. Es lässt sich so das Problem umgehen, dass die THz-Antennen entweder - wegen zu dicker aktiver Schichten - nicht schnell genug sind oder - wegen zu geringer Lichtabsorption - nicht leistungsstark bzw. empfindlich genug sind.
Der beschriebene Vorteil kommt besonders zum Tragen, wenn die Bandkantenwellenlänge der aktiven Schicht mindestens einer der THz-Antennen mindestens 250 nm größer ist als die Wellenlänge der Laserlichtquelle. Das liegt daran, dass der Absorptionskoeffizient der aus einem photoempfindlichen Material gebildeten aktiven Schicht von der Bandkantenwellenlänge zu kleineren Wellenlängen hin zumindest zunächst sehr steil ansteigt . Um einen so großen Abstand zwischen der Bandkantenwellenlänge der aktiven Schicht und der
Wellenlänge der Laserlichtquelle möglich zu machen, ist es vorteilhaft, wenn die Bandkantenwellenlänge der aktiven Schicht mindestens 300 nm kürzer ist als die Bandkantenwellenlänge der angrenzenden Schicht.
Als Bandkantenwellenlänge sei hier jeweils eine Wellenlänge λ bezeichnet, die gemäß λ = hc/ΔΕ mit einer Bandlücke ΔΕ, also einem Abstand zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband, zusammenhängt, wobei h das plancksche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Die Bandlücke kann dabei auch von einer Schichtdicke der jeweiligen Schicht abhängen. Sofern die Bandlücke und damit auch die Bandkantenwellenlänge temperaturabhängig sind, seien hier stets ihre in üblicher Weise definierten Werte bei Betriebstemperatur gemeint, typischerweise bei zwischen 10 °C und 40 °C, vorzugsweise bei 20 °C.
Durch einen nicht zu kleinen Abstand zwischen der Wellenlänge der Laserlichtquelle und der Bandkantenwellenlänge der mindestens einen an die aktive
Schicht angrenzenden Schicht wird sichergestellt, dass das Licht der Laserlichtquelle nicht in der angrenzenden Schicht absorbiert wird, was die Effizienz der THz-Antenne drastisch verschlechtern und zu einer nachteiligen zusätzlichen Wärmeentwicklung führen würde .
Auch wenn die hier genannten besonderen Eigenschaften unter Umständen auch nur für die Sendeantenne oder nur für die Empfängerantenne zutreffen können, ist es selbstverständlich besonders vorteilhaft, wenn das für beide THz-Antennen der Fall ist. Bei zweckmäßigen Ausführungen ist ferner eine vorzugsweise steuerbare optische Verzögerungsschaltung zwischen die Laser- lichtquelle und eine der THz-Antennen geschaltet, damit eine Zeitlage optischer Steuersignale zur Akti- vierung der beiden THz-Antennen relativ zueinander verschoben werden kann. Dadurch lassen sich sowohl eine Dämpfung der Terahert zstrahlung als auch eine Verzögerung einer Laufzeit derselben durch eine zwischen der Sendeantenne und der Empfängerantenne angeordnete Probe präzise bestimmen.
Damit die genannten Bedingungen eingehalten werden können, ist es vorteilhaft, wenn die Bandkantenwellenlänge eines die aktive Schicht bildenden Halbleitermaterials mindestens einer der THz-Antennen mindestens 1600 nm beträgt. Die aktive Schicht selbst kann dabei aufgrund des Quantenbrunneneffekts auch eine geringere Bandkantenwellenlänge haben, die aber jedenfalls noch einen hinreichend großen Abstand zur Wellenlänge der Laserlichtquelle hat. Die aktive Schicht kann dazu z.B. aus InGaAs gebildet sein, das eine Bandkantenwellenlänge von etwa 1650 nm hat, oder vorzugsweise überwiegend InGaAs enthalten. So kann die aktive Schicht z.B. aus mit Beryllium dotiertem InGaAs, also aus InGaAs:Be, gebildet sein. Ein Substrat des Halbleiterchips der THz-Antenne kann dabei aus InP gebildet sein. Die aktive Schicht und die mindestens eine daran angrenzende Schicht kann z.B. epitaktisch auf dieses Substrat aufgewachsen werden.
Um eine für die Erzeugung oder Detektion von Terahert zstrahlung wichtige schnelle Ansprechbarkeit zu erreichen, kann es vorgesehen sein, dass die aktive Schicht mindestens einer der THz-Antennen eine Dicke hat, die höchstens einer Eindringtiefe des Lichts der Laserlichtquelle entspricht. Die Eindringtiefe sei dabei definiert als eine Tiefe, in der eine Strahlungsintensität des einfallenden Lichts der Laserlichtquelle auf einen Anteil von 1/e des Betrags der Strahlungsintensität an einer mit dem Licht bestrahl¬ ten Oberfläche abgefallen ist.
Typischerweise wird zumindest die Empfängerantenne des THz-Systems auf einem Photoleiter basieren. Das gleiche kann auch bei der Sendeantenne der Fall sein. Der Halbleiterchip einer photoleiterbasierten THz- Antenne kann eine oder auch mehrere aktive Schichten aufweisen. In der Regel wird dabei die aktive Schicht oder jede der aktiven Schichten jeweils zwischen zwei angrenzenden Schichten eingebettet sein. Die angrenzenden Schichten dienen dabei als Rekombinationsschichten. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Halbleiterchip eine periodische Schichtstruktur hat mit einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten aktiven Schichten und Rekombinationsschichten, wobei z.B. 100 oder mehr aktive Schichten vorgesehen sein können. Dadurch wird es möglich, die aktiven Schichten einerseits sehr dünn auszuführen, um einen hinrei- chend schnellen Photoleiter zu realisieren, gleichzeitig jedoch einen für ein effizientes
Terahertzsystem unerlässlichen hohen Photostrom bei einfallendem Licht der Laserlichtquelle zu erreichen. Dazu sollten die aktiven Schichten der auf einem Pho- toleiter basierenden THz-Antenne nicht dicker als
12 nm sein, vorzugsweise 10 nm oder dünner, wobei besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die aktiven Schichten jeweils nicht dicker als 8 nm, besser noch höchstens 6 nm dick sind. Die Rekombinations- schichten können z.B. mit einer Dicke von höchstens
10 nm ausgeführt werden, typischerweise mit einer Dicke von etwa 8 nm. Eine durch die aktiven Schichten und die Rekombinationsschichten gebildete Schichtstruktur kann dabei an einer Oberfläche oder an seit- liehen Stirnflächen mit den Antennenleitern kontaktiert sein. Als Material für die mindestens eine an die aktive Schicht angrenzende Schicht bietet sich bei einem Photoleiter InAlAs an, das eine hinreichend kurze Bandkantenwellenlänge aufweist. Die mindestens eine als Rekombinationsschicht dienende Schicht kann also vorzugsweise überwiegend InAlAs enthalten und z.B. aus mit Elektronenfallen oder Rekombinationszentren versehenem InAlAs gebildet sein.
Die Sendeantenne kann auch auf einer Photodiode anstelle eines Photoleiters basieren. Die vorzugsweise zumindest weitgehend aus InGaAs gebildete aktive Schicht ist dann in der Regel höchstens 400 nm dick, vorzugsweise nicht dicker als 300 nm. Bei im Hinblick auf eine schnelle Ansprechbarkeit der Photodiode be¬ sonders vorteilhaften Ausführungen ist die aktive Schicht der Photodiode dabei nicht dicker als 200 nm oder 100 nm. Die mindestens eine an die aktive
Schicht angrenzende Schicht, die hier als Kontaktschicht bezeichnet werden kann, kann z.B. InGaAsP oder InGaAlAs enthalten und vorzugsweise überwiegend aus einem dieser Materialien gebildet sein. Typischerweise sind dabei wieder zwei angrenzende Schich- ten vorgesehen, zwischen denen die aktive Schicht angeordnet ist, wobei hier eine der angrenzenden
Schichten p-dotiert und eine n-dotiert ist. Die Bandkantenwellenlänge dieser quaternären Schichten kann durch das Mischverhältnis eingestellt werden. Für ei- ne gute Funktion der Photodioden muss die Bandkantenwellenlänge dieser Schichten kleiner sein als die der aktiven Schicht, aber die Diskontinuität in Leitungsund Valenzband darf auch nicht zu groß werden. Für eine aktive Schicht aus InGaAs auf InP mit einer Bandkantenwellenlänge von 1650 nm stellen typischerweise Grenzschichten mit 1200 nm Bandkantenwellenlän- ge eine untere Grenze dar. Diese Schichten sind für Wellenlängen oberhalb 1250 nm gut transparent, was einen erwünschten großen Abstand des Laserlichtes zur Bandkantenwellenlänge der aktiven Schicht erlaubt oh- ne Absorption in den Grenzschichten. Durch die Verwendung einer Photodiode lässt sich eine besonders hohe Effizienz der Sendeantenne erreichen.
Es kann vorgesehen sein, dass die angrenzende Schicht oder mindestens eine der angrenzenden Schichten mindestens einer der THz-Antennen als Wellenleiter dient, in die das Licht der Laserlichtquelle durch die diese THz-Antenne mit der Laserlichtquelle verbindende Lichtleitfaser in einer durch die Schicht definierten Ebene propagierend eingekoppelt wird. So lässt sich ein vorteilhaft kompakter Aufbau realisieren und erreichen, dass die Photonenenergien des Lichts der Laserlichtquelle sehr effektiv in der aktiven Schicht absorbiert werden können. Eine Aus- führung mindestens einer der angrenzenden Schichten als Wellenleiter, durch den das Licht der Laserlichtquelle eingespeist wird, bietet sich dabei insbesondere im Fall der Sendeantenne an, wenn diese photodiodenbasiert ist.
Die Wellenlänge der Laserlichtquelle des Terahertz- systems kann z.B. zwischen 1260 nm und 1360 nm liegen, im sog. O-Band der Faser-Telekommunikation, vorzugsweise zwischen 1260 nm und 1310 nm. Zusätzlich zu den gewünschten Abständen zu den Bandkantenwellenlängen der aktiven Schicht und der mindestens einen angrenzenden Schicht ergibt sich dadurch der weitere Vorteil einer nahezu verschwindenden Dispersion in den Lichtleitfasern, für die z.B. SSMF (Standard Sin- gle Mode Fibres) verwendet werden können. Das wiederum ist insbesondere bei Verwendung eines Pulslasers von großem Vorteil, um eine die Funktion der THz- Antennen vereitelnde Pulsverbreiterung zu vermeiden.
Die Verwendung eines Pulslasers als Laserlichtquelle zum Aktivieren der THz-Antennen ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beide THz-Antennen photoleiterba- siert sind, da sich mit einem Pulslaser besonders gut eine hohe Sendeleistung und eine hohe Empfängerempfindlichkeit verwirklichen lassen. Für eine Ausfüh- rung des Terahertzsystems als Puls-System kann jeder
Femtosekunden-Pulslaser geeigneter Wellenlänge verwendet werden.
Bei anderen Ausführungen kann die Laserlichtquelle durch einen Zweimodenlaser oder ein System zweier Laser gegeben sein und eingerichtet sein zur Erzeugung eines Schwebungssignals zweier Laserwellen, wobei eine Schwebungsfrequenz dieses Schwebungssignals mindestens 0,05 THz betragen sollte und typischerweise zwischen 0,05 THz und 20 THz, vorzugsweise zwischen 0,1 THz und 10 THz liegt, damit die Terahert zstrah- lung mit entsprechender Frequenz und Wellenlänge erzeugt werden kann. Die Ausführung mit einem Zweimodenlaser oder einem System zweier Laser und die Aktivierung der THz-Antennen mit einem entsprechenden Schwebungssignal führt insbesondere dann zu befriedigenden Ergebnissen, wenn die Sendeantenne
photodiodenbasiert ist, da sich durch die Verwendung einer photodiodenbasierten Sendeantenne das bei einer Aktivierung durch ein Schwebungssignal besonders gravierende Problem zu geringer Sendeleistungen vermeiden lässt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 13 erläutert. Es zeigen eine schematische Darstellung eines Tera- hertzsystems zum Erzeugen und kohärenten Detektieren von Terahertzstrahlung, eine Aufsicht auf eine Empfängerantenne des Terahertzsystems aus Fig. 1, einen Querschnitt durch einen Halbleiter¬ chip der Empfängerantenne aus Fig. 2, in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellung einen Querschnitt durch einen Halbleiterchip einer Empfängerantenne in einer Abwandlung der Ausführung aus den Fign. 2 und 3, eine Aufsicht auf eine Sendeantenne des Terahertzsystems aus Fig. 1, in diagrammatischer Darstellung eine Wellenlängenabhängigkeit eines Absorptionskoeffizienten einer aktiven Schicht einer Terahertzantenne, ein Diagramm mit einem Verlauf einer
Strahlungsintensität in Abhängigkeit von einer Eindringtiefe in eine photoempfindliche aktive Schicht verhältnismäßig großer Dicke, in einer der Fig. 7 entsprechenden Darstellung einen Verlauf der Strahlungsintensität bei gleicher Wellenlänge, aber wesentlich geringerer Dicke der aktiven Schicht, Fig. 9 in einer den Fign. 7 und 8 entsprechenden Darstellung einen Verlauf der Strahlungsintensität bei der aktiven Schicht geringer Dicke aus Fig. 8 für Licht kürzerer Wellen- länge,
Fig. 10 in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung eine Aufsicht auf ein Terahert zsystem in einer anderen Ausführung,
Fig. 11 einen Querschnitt durch einen Halbleiterchip einer Sendeantenne dieses Terahertz- systems , Fig. 12 eine perspektivische Darstellung einer Photodiode in dieser Sendeantenne und
Fig. 13 eine perspektivische Darstellung der vollständigen Sendeantenne des Terahertzsystems aus Fig. 10.
Das in Fig. 1 gezeigte Terahert zsystem weist eine Laserlichtquelle 1, eine Sendeantenne 2 und eine Empfängerantenne 3 auf. Bei der Sendeantenne 2 und der Empfängerantenne 3 handelt es sich jeweils um eine durch Licht der Laserlichtquelle 1 aktivierbare THz- Antenne . Dazu ist ein Strahlteiler 4 hinter einen Ausgang der Laserlichtquelle 1 geschaltet, wobei die Sendeantenne 2 und die Empfängerantenne 3 jeweils durch eine Lichtleitfaser 5 mit einem von zwei Ausgängen des Strahlteilers 4 verbunden sind.
Bei der Laserlichtquelle 1 handelt es sich um einen Pulslaser, wobei ein Schwerpunkt eines Modenkamms dieses Pulslasers im O-Band liegt. Eine als Schwerpunkt des Modenkamms definierte Wellenlänge der La- serlichtquelle 1 liegt dabei bei 1310 nm . Bei den Lichtleitfasern 5 handelt es sich um SSMF-Licht- leiter, beispielsweise vom Typ SMF 28, die bei dieser Wellenlänge einen Dispersionsnullpunkt haben. An einem Eingang oder in einem Verlauf einer der Lichtleitfasern 5 ist eine steuerbare optische Verzögerungsschaltung 6 angeordnet, mit der eine relative Zeitlage optischer Steuersignale zur Aktivierung der beiden THz-Antennen verschoben werden kann. Dazu kann die Verzögerungsschaltung 6 z.B. eine mit einem variablen elektrischen Feld beaufschlagbare Verzögerungsleitung aufweisen. Schließlich ist auch eine zwischen der Sendeantenne 2 und der Empfängerantenne 3 angeordnete Probe 7 dargestellt, die mit dem
Terahert zsystem untersucht werden kann.
Der die Laserlichtquelle 1 bildende Pulslaser
kann ein Faser-Pulslaser, z.B. mit Praseodymium- Dotierung, oder ein Halbleiter-Pulslaser, z.B. auf einem Materialsystem InGaAsP/InP basierend, sein. Da die Lichtleitfasern 5 bei der Wellenlänge der Laserlichtquelle 1 keine Dispersion zeigen, erübrigt sich eine Dispersionskompensation mit Gittern oder mit speziellen Fasern. Ein aufwendiger Abgleich einer Dispersionskompensation entfällt also, wobei Faserlängen der Lichtleitfasern 5 problemlos bis zu einigen Metern betragen und in der Länge verändert werden können .
Fig. 2 zeigt die Empfängerantenne 3 des Terahert z- systems aus Fig. 1. Diese Empfängerantenne 3 basiert auf einem Halbleiterchip mit einem Substrat 8 aus InP. Dieses Substrat 8 trägt zwei Antennenleiter 9, die über jeweils einen elektrischen Kontakt 10 mit einem lichtempfindlichen Bereich 11 verbunden sind. Die Lichtleitfaser 5, die die Empfängerantenne 3 mit der Laserlichtquelle 1 verbindet, ist so geführt, dass die Laserlichtquelle 1 den lichtempfindlichen Bereich 11 durch die Lichtleitfaser 5 von oben beleuchten kann. Wenn dort Licht der Laserlichtquelle 1 einfällt, wird der lichtempfindliche Bereich 11 elektrisch leitend. Wenn die Empfängerantenne 3 gleichzeitig einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, das auf eine zeitlich mit dem Licht der Laserlichtquelle 1 korrelierte elektromagnetische Welle zurückzuführen ist, wird daher ein elektrischer Strom zwischen den Wellenleitern 9 induziert. Dieser Strom ist mit einem nur schematisch dargestellten Sensor S messbar, der mit den Antennenleitern 9 verbunden ist. So kann mit der Empfängerantenne 3 eine
Terahert zstrahlung, die mit der durch die Laserlichtquelle 1 aktivierten Sendeantenne 2 erzeugt wird, kohärent detektiert werden.
In Fig. 3 ist ein Ausschnitt der Empfängerantenne 3 als Querschnitt dargestellt, wobei dieser Ausschnitt insbesondere den lichtempfindlichen Bereich 11 um- fasst . In diesem lichtempfindlichen Bereich 11 ist ein Photoleiter auf dem Substrat 8 angeordnet, der eine Vielzahl von zwischen 20 und 100 aktiven Schichten 12 umfasst. Diese aktiven Schichten 12 sind aus unter Umständen mit Beryllium dotiertem InGaAs gebildet und haben jeweils eine Schichtdicke von je nach Ausführung 12 nm, 10 nm, 8 nm oder auch nur 6 nm. Jede der aktiven Schichten 12 ist zwischen zwei angrenzenden Schichten 13 eingebettet, die eine Dicke von jeweils etwa 8 nm haben und aus dotiertem, mit Elektronenfallen oder Rekombinationszentren versehenem InAlAs gebildet sind. Die aktiven Schichten 12 und die daran angrenzenden Schichten 13, die epitaktisch auf das Substrat 8 aufgewachsen sind, bilden also eine periodische Schichtstruktur über dem Substrat 8 des Halbleiterchips. Eine Bandkantenwellenlänge der angrenzenden Schichten 13 beträgt ungefähr 900 nm und ist damit deutlich kleiner als die Wellenlänge der Laserlichtquelle 1. Die angrenzenden Schichten 13, die sich mit den aktiven Schichten 12 abwechseln, dienen hier als Rekombinationsschichten, die durch Lichteinfall frei gewordene Ladungsträger in den ak¬ tiven Schichten 12 aufgrund deren geringer Dicke sehr schnell wieder einfangen.
Diese entscheidende Wirkung der Rekombinationsschichten auf die Ladungsträger in den aktiven Schichten 12 ist umso besser, je dünner die aktiven Schichten 12 sind. Bei dünnen Schichten tritt nun aber der sog. Quantenbrunnen-Effekt auf, der zur Folge hat, dass die effektive Bandkantenwellenlänge sich mit dünner werdenden eingebetteten Schichten zu kleineren Wellenlängen hin verschiebt. Während dickes InGaAs auf einem InP-Substrat eine Bandkantenwellenlänge von 1650 nm hat, führen Dicken von 12 nm für die Schichten 12 in Fig. 3 zu einer effektiven Bandkantenwellenlänge von 1600 nm. Vorteilhaft für die Optimierung der Funktion der Rekombinationsschichten sind noch dünnere aktive Schichten von 10 nm, 8 nm oder 6 nm Dicke. Dabei verschiebt sich die Bandkantenwellenlänge aber weiter zu etwa 1550 nm, 1500 nm und 1450 nm, wobei sich diese Bandkantenwellenlängen durch geeignete Mischungsverhältnisse von Ga und In im InGaAs auch noch etwas vergrößern lassen. Bei den in her- kömmlichen Terahert zsystemen für vergleichbare THz-
Antennen zur Anregung eingesetzten Laserquellen mit Wellenlängen von 1550 nm würde damit keine Absorption mehr erfolgen. Für die bisherig genutzten Schichte mit- 12 nm Dicke und einer Bandkante bei 1600 nm dage- gen ist Lichtabsorption auch schon bei Wellenlängen von 1550 nm vorhanden, wobei die in Wärme umgesetzte Überschuss-Photonenenergie dann gering ist. Nach kon¬ ventioneller Betrachtung stellt dies also eine sehr günstige Wellenlängen-Korrelation dar. Allerdings ist die Absorption in einer einzelnen, nur 12 nm dünnen, Schicht so gering, dass ein ausreichender Photoeffekt nur mit einer periodischen Wiederholung der Struktur erzielt wird. Realisiert worden sind z.B. 100 Perioden, was zu einer summierten Dicke der absorbierenden Schichten von 1,2 pm führt. Diese Dicke entspricht der Eindringtiefe des Lichtes bei dieser Wellenlänge.
Die Herstellung des Schichtpaketes erfolgt in einem anspruchsvollen und langwierigen Epitaxie-Prozess in einer teuren Molekular-Strahl-Epitaxie-Anlage . Die Herstellung ist einfacher und kostengünstiger, wenn die Funktion mit weniger Schichten erreicht wird.
Dies ist möglich, wenn die Laserwellenlänge, wie hier vorgeschlagen, ins Kurzwellige verschoben wird und so wie gefordert eine Wellenlängendifferenz von mindestens 200 nm, besser noch mindestens 250 nm, zur ef- fektiven Bandkantenwellenlänge des absorbierenden Materials eingestellt wird. Die Eindringtiefe des Lichtes ist dann wesentlich geringer, und da eine summierte Dicke größer als diese Eindringtiefe keine Verbesserung bringt, kann die Zahl der Perioden nun wesentlichen reduziert werden auf z.B. nur noch 20 aktive Schichten 12. Bei kleinerer Periodenzahl und geringere Dicke des Gesamtpaketes ist auch eine aufwendige Mesa-Strukturierung und Seiten-Kontaktierung wie in Bild 3 nicht mehr notwendig, sondern es können einfachere planare Strukturen mit oben liegenden Kontakten wie in Bild 4 genutzt werden. Besonders vorteilhafte Wellenlängen bei Nutzung von Faserverbindungen zwischen Laserlichtquelle 1 und THz-Antennen liegen im Bereich um 1310 nm, dem sog. O-Band der Te- lekommunikation . Dort haben die Fasern nämlich eine
Null-Dispersion, so dass die insbesondere bei Über- tragung kurzer Pulse sonst notwendige und schwierige Dispersions-Kompensation entfällt. Bei Nutzung einer Wellenlänge von 1310 nm und einer aktiven Schichtdicke von 12 nm mit effektiver Bandkantenwellenlänge bei 1600 nm ist der Wellenlängenanstand mit 290 nm sehr groß. Dies bedeutet, dass die Vorteile der sehr guten und einfachen Übertragung der Pulse über die Faser kombiniert werden können mit den Vorteilen von Antennen mit sehr geringer Periodenzahl. Die vorteil- hafte Laserwellenlänge um 1310 nm - natürlich können auch noch geringfügig kleinere Wellenlängen aus dem O-Band verwendet werden - eröffnet aber auch Spiel¬ raum, um den Effekt der Rekombinationsschichten durch noch dünnere aktive Schichten 12 zu optimieren. Auch bei Schichten mit 10 nm, 8 nm Dicke beträgt der Abstand der Laserwellenlänge zur effektiven Bandkantenwellenlänge bei geeignet gewähltem Mischungsverhältnis des InGaAs, das die aktiven Schichten 12 bildet, noch etwa 250 nm bzw. 200 nm und ist damit noch vor- teilhaft groß für eine gute Lichtabsorption. Sogar bei Schichtdicken von nur 6 nm lässt sich dieser Abstand unter Umständen noch realisieren. Die vorteilhafte Laserwellenlänge 1310 nm kann also auch kombiniert werden mit optimierten dünnen Schichten bei nach wie vor großer Wellenlängendifferenz zur effektiven Bandkante der aktiven Schicht 12.
In Fig. 3 sind nur jeweils einige der Schichten 12 und 13 wiedergegeben, während ein innenliegender größerer Teil dieser Schichten 12 und 13 ausgelassen ist. Gut zu erkennen sind in Fig. 3 die elektrischen Kontakte 10, die mit den Antennenleitern 9 verbunden sind und den Photoleiter hier seitlich an Stirnflächen kontaktieren. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen dem Ausschnitt aus Fig. 3 entsprechenden Teil einer ähnlichen THz-Antenne, die anstelle der Empfängerantenne 3 aus den Fign. 2 und 3 verwendet werden kann und sich von dieser nur durch eine andere Kontaktierung des Photoleiters unterscheidet. Wiederkehrende Merkmale sind dabei wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die den Photoleiter bildenden Schichten 12 und 13 können hier auch großflächiger und unter Umständen vollflächig auf das Substrat 8 aufgebracht sein. Abweichend von der in Fig. 3 gezeigten Ausführung wird der Photoleiter hier nicht an Stirnflächen, sondern an einer Oberfläche der obersten Schicht 13 kontaktiert .
In Fig. 5 ist die Sendeantenne 2 dargestellt, die sich von der Empfängerantenne 3 nur dadurch unterscheidet, dass die Antennenleiter 9 anstelle des Sensors S mit einer nur schematisch dargestellten Spannungsquelle verbunden sind. Merkmale, die den schon beschriebenen Merkmalen der Empfängerantenne 3 entsprechen, sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Dadurch, dass hier eine Spannung U an den Antennenleitern 9 anliegt, fließt ein kurzer Strompuls zwischen den Antennenleitern 9, sobald ein
Lichtpuls von der Laserlichtquelle 1 auf den lichtempfindlichen Bereich 11 der Sendeantenne 2 trifft, was wiederum dazu führt, dass die Sendeantenne 2 eine elektromagnetische Welle aussendet, die entsprechend einer im Femtosekundenbereich liegenden Pulslänge (typischerweise im Bereich wenige 100 fs und darunter) des Lichtpulses eine im Terahert zbereich liegende Frequenz hat und die mit der zuvor beschriebenen Empfängerantenne 3 kohärent detektiert werden kann. Fig. 6 zeigt in logarithmischer Darstellung eine Ab¬ hängigkeit eines Absorptionskoeffizienten α der aktiven Schichten 12 von einer Wellenlänge λ einfallenden Lichts. Gut zu erkennen ist, dass ein Verlauf des Ab- Sorptionskoeffizienten bei der hier mit λι gekennzeichneten Bandkantenwellenlänge der aktiven Schichten 12 einen Knick zeigt. Für größere Wellenlängen λ sind die aktiven Schichten 12 transparent, weil eine Photonenenergie entsprechenden Lichts nicht aus- reicht, um ein Elektron aus einem Valenzband in ein
Leitungsband zu heben. Zu geringeren Wellenlängen λ hin ist dagegen, ausgehend von der Bandkantenwellenlänge, ein steiler Anstieg des Absorptionskoeffizienten α zu erkennen. Bei herkömmlichen Tera- hert zsystemen werden zum Aktivieren der THz-Antennen
Lichtquellen mit Wellenlängen verwendet, die nur ge¬ ringfügig kleiner sind als die Bandkantenwellenlänge eines photoempfindlichen Materials der THz-Antennen, und zwar ganz bewusst, um eine Wärmeentwicklung in dem photoempfindlichen Material weitestmöglich zu verhindern. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein durch eine Differenz zwischen einer Photonenenergie des zum Aktivieren verwendeten Lichts und einem Bandabstand zwischen Valenzband und Leitungsband ge- gebener Energieüberschuss in Wärme umgewandelt wird.
Eine für herkömmliche Terahertzsysteme typische Anregungswellenlänge ist in Fig. 6 als λ2 gekennzeichnet. Für Licht dieser Wellenlänge ist der Absorptionskoeffizient α noch verhältnismäßig klein.
In Fig. 7 ist gezeigt, wie Licht der Wellenlänge λ2 in einer Schicht absorbiert wird, die aus dem gleichen Material besteht wie die aktiven Schichten 12, dabei jedoch eine verhältnismäßig große Dicke d aufweist. Dabei ist eine Strahlungsintensität I in
Abhängigkeit von einer Ortskoordinate x gezeigt, wo- bei eine x-Achse des entsprechenden Koordinatensystems auf der genannten Schicht senkrecht steht. Durch die verhältnismäßig große Dicke d wird, trotz des für diese Wellenlänge λ2 kleinen Absorptions- koeffizienten a, ein Großteil des Lichts in der
Schicht absorbiert. Die in Fig. 7 dargestellten Verhältnisse entsprechen denen bei einer Verwendung herkömmlicher Photoleiter zur Realisierung einer THz- Antenne. Da die Photonenenergie hier nur gerade zum Auslösen eines Photoeffekts hinreichend ist, wird dabei eine Effizienz des Photoeffekts optimiert.
Fig. 8 zeigt in einer der Fig. 7 entsprechenden Darstellung den Verlauf der Strahlungsintensität I bei einer geringeren Schichtdicke d, die anzustreben ist, um den Photoleiter hinreichend schnell für eine effiziente Erzeugung oder Detektion von Terahzstrahlung mit THz-Antennen beschriebener Art zu machen. Wie sich aus dem Verlauf der Strahlungsintensität I in Fig. 8 ergibt, wird das Licht bei der nahe der Bandkantenwellenlänge liegenden Wellenlänge λ2 nur noch zu einem sehr geringen Anteil absorbiert, weshalb eine nur entsprechend geringe Anzahl von Ladungsträgern ins Leitungsband gehoben wird. Trotz des bei dieser Wellenlänge λ2 prinzipiell in der Energiebilanz sehr effektiven Photoeffekts werden wegen der sehr dünnen Schichten nur wenige Photoladungsträger erzeugt, und es ergibt sich damit nur eine sehr geringe Effizienz der entsprechenden auf einem opto-elektronischen Halbleiterchip basierenden THz-Antenne.
Fig. 9 schließlich zeigt in einer den Fign. 7 und 8 entsprechenden Darstellung den Verlauf einer Strahlungsintensität I bei der gleichen geringen Schicht- dicke d wie in Fig. 8 für den Fall, das Licht der Laserlichtquelle 1 mit der deutlich kleineren Wellen- länge verwendet wird, die in Fig. 6 als λ3 eingezeichnet ist. Wegen des größeren Absorptionskoeffi¬ zienten α wird hier trotz der geringen Schichtdicke d ein sehr großer Anteil des Lichts absorbiert und dem- entsprechend eine verhältnismäßig große Anzahl von
Ladungsträgern ins Leitungsband gehoben. Das veranschaulicht, warum die THz-Antennen des Terahertz- systems aus Fig. 1 durch die Aktivierung mit der Laserlichtquelle 1 sehr effizient arbeiten, auch wenn der Photoeffekt hier in der Energiebilanz weniger effizient ist, da er von einer größeren Wärmeerzeugung begleitet ist.
Ausgangspunkt der hier vorgeschlagenen Lösung ist es also, sich von der Verwendung von Femtosekunden-
Lasern, deren Wellenlängen nur geringfügig über der Bandkantenwellenlänge der verwendeten photoempfindlichen Materialien liegen, zu lösen und die photoempfindlichen Schichten der Terahert zantennen nicht unbedingt mit einer solchen Bandkante zu gestalten, dass die Laserwellenlängen gerade noch absorbiert werden können und dadurch die Effizienz des Photoeffekts optimiert wird. Als wichtigstes Ziel wird vielmehr eine Optimierung sowohl einer Bandbreite re- alisierbarer Terahert zfrequenzen als auch eine Effizienz der opto-elektronischen Halbleiterchips bei der Wandlung von Licht in Terahert zstrahlung bzw. bei der kohärenten Detektion der Terahert zstrahlung in den Vordergrund gestellt. Dabei ist mehr als die Effizi- enz des Photoeffektes zu berücksichtigen, so dass sich neue Optimierungsrichtlinien ergeben.
Die Terahertzeffizienz wird dabei durch folgende Maßnahmen verbessert: Die in den THz-Antennen verwendeten photoempfindlichen Schichten (aktive Schichten 12) werden mit möglichst kleiner Bandkantenenergie
(Bandlücke) , also möglichst großer Bandkanten- Wellenlänge, entwickelt und genutzt - bevorzugt basierend auf InGaAs über einem InP-Substrat -, und zur Anregung wird Laserlicht mit Photonenenergien weit oberhalb der Bandkantenenergie eingesetzt. Materia- lien mit möglichst großer Bandkantenwellenlänge sollen also mit möglichst kurzwelligen Lasern angeregt werden .
Die photoempfindlichen Schichten werden dann mög- liehst dünn gestaltet, was die Terahert z-Frequenz-
Charakteristik verbessern kann. Gleichzeitig soll das Laserlicht jedoch für eine hohe Effizienz stark absorbiert werden, was durch die große Wellenlängendifferenz und einen hohen Absorptionskoeffizienten ermöglicht wird. Besonders wichtig ist der große
Bandkantenabstand insbesondere bei dünnen Schichten im Nanometerbereich, z.B. in InGaAs/InAlAs- Multischicht-Photoleitern der in den Fign. 3 und 4 gezeigten Art, die durch den Quantenbrunneneffekt sonst sogar transparent werden könnten. Die Kurzwelligkeit des Laserlichts muss aber so begrenzt werden, dass bei der oft vorteilhaften Einbettung der photoempfindlichen Schichten zwischen Grenzschichten mit größerem Bandabstand keine wesentlichen Absorptionen auftreten, damit Lichtverluste an falscher Stelle vermieden werden.
Eine weitere Begrenzung der Laserwellenlänge ist durch die Forderung nach faserverbundenen Systemen begründet. Damit die Übertragung von Pulsen hier ohne aufwendige Zusatzmaßnahmen wie Freistrahl-Gitter- Anordnungen möglich ist, sollen für die Laserwellenlängen entweder DCFs (dispersion compensating fibers) verfügbar sein oder Fasern mit einer verschwindenden Dispersion. Daher sind Wellenlängen im sogenannten
O-Band bei 1310 nm optimal, weil hier eine Null- Dispersion der SSMF vorliegt, ein hinreichend großer Wellenlängenabstand zur Bandkantenwellenlänge des bevorzugten Materials InGaAs auf InP gegeben ist und die üblichen Grenzflächen hier transparent gestaltet werden können.
In Fig. 10 ist ein weiteres Terahert zsystem gezeigt, das sich von dem zuvor beschriebenen Terahertzsystem durch eine andere Laserlichtquelle 1' sowie eine an- dere Sendeantenne 2' unterscheidet. Wiederkehrende
Merkmale sind hier wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Insbesondere wird die gleiche Empfängerantenne 3 verwendet. Hier ist die Laserlichtquelle 1 ' durch ein System mit zwei einzelnen Lasern 14 geringfügig unterschiedlicher Wellenlängen und einem Koppler 15 mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen zum Überlagern von Laserstrahlung der beiden Laser 14 und zum Einspeisen eines so erzeugten Schwebungssig- nals in die Lichtleitfasern 5 gegeben. Das Schwe- bungssignal hat dabei eine Schwebungsfrequenz von etwa 1 THz, wobei diese Schwebungsfrequenz auch verstellt werden kann, wenn sich die Wellenlänge mindestens eines der beiden Laser 14 steuern lässt. Anstelle der so aufgebauten Laserlichtquelle 11 kann auch ein Zweimodenlaser zum Erzeugung des Schwebungssig- nals und zum Einspeisen desselben in die Lichtleitfasern 5 verwendet werden.
Die Sendeantenne 2 ' ist auch hier durch einen opto- elektronischen Halbleiterchip realisiert, basiert jedoch abweichend von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel auf einer Photodiode, von der in Fig. 11 ein Querschnitt gezeigt ist. Auch hier ist eine photoempfindliche aktive Schicht 12' über einem aus InP gebildeten Substrat 8 ' des Halbleiterchips angeordnet. Die aktive Schicht 12' ist aus undotiertem InGaAs gebildet und hat eine Schichtdicke von etwas weniger als 100 nm. Die aktive Schicht 12' hat dabei eine Bandkantenwellenlänge von etwa 1650 nm, die deutlich größer ist als eine Wellenlänge der Laserlichtquelle 1', die zwischen 1260 nm und 1360 nm beträgt und vorzugsweise in diesem Bereich verstellbar ist.
Von dem Substrat 8' ist die aktive Schicht 12' durch eine daran angrenzende Schicht 13' getrennt, die aus n-dotiertem InGaAsP gebildet ist. Über der aktiven Schicht 12 ' ist eine weitere daran angrenzende
Schicht 13" aus p-dotiertem InGaAsP angeordnet. Statt InGaAsP könnte auch entsprechend dotiertes InGaAlAs für die Schichten 13' und 13" verwendet werden. Die
Schichten 13' und 13" sind dabei so ausgeführt, dass eine Bandkantenwellenlänge dieser Schichten 13' und 13" etwa 1200 nm beträgt und damit deutlich kleiner ist als die Wellenlänge der Laserlichtquelle 1'.
Die an die aktive Schicht 12 ' angrenzenden Schichten 13' und 13" dienen nicht nur zur Realisierung eines p-n-Übergangs der Photodiode und als deren Kontaktschichten. Darüber hinaus dient die für das Licht der Laserlichtquelle 1' transparente Schicht 13' als Wellenleiterschicht, in die das Licht der Laserlichtquelle 1' horizontal eingespeist wird. Dieses Licht ist in Fig. 11 durch einen Pfeil veranschaulicht. Wie in Fig. 11 gut erkennbar ist, propagiert das Licht der Laserlichtquelle 1 ' , das durch eine der beiden
Lichtleitfasern 5 an eine Stirnfläche des Halbleiterchips der Sendeantenne 21 herangeführt wird, durch die Schicht 13' und gelangt so an die aktive Schicht 12', wo es absorbiert wird und die in Sperrrichtung unter Vorspannung stehende Photodiode leitend macht.
Das wiederum führt bei der gewählten Schwebungs- frequenz des Lichts der Laserlichtquelle 1' zur Er¬ zeugung von Terahert zstrahlung, die von der Sendeantenne 21 ausgeht . In Fig. 12 ist ein Ausschnitt der Sendeantenne 2' zusammen mit einem Ende der Lichtleitfaser 5 perspektivisch dargestellt. Dieser Ausschnitt umfasst insbesondere die beschriebene Photodiode, wobei wiederkehrende Merkmale wieder mit den gleichen Bezugs- zeichen versehen sind. Die verschiedenen Komponenten der Sendeantenne 2' sind dabei nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. Erkennbar sind hier auch elektrische Kontakte 10', die auf den an die aktive Schicht 12' angrenzenden Schichten 13' und 13" angeordnet sind.
In Fig. 13 ist der die Sendeantenne 2' bildende Halbleiterchip vollständig zu sehen. Zu erkennen sind hier auch zwei Antennenleiter 9 ' , die auf dem Substrat 8 ' angeordnet und von diesem durch eine dünne Isolationsschicht getrennt sind. Über die Kontakte
10' ist einer der Antennenleiter 9' mit der n- dotierten Schicht 13' und der andere Antennenleiter 9' mit der p-dotierten Schicht 13" verbunden. Die in den Fign. 11 und 12 dargestellte Photodiode, die um Größenordnungen kleiner ist als die Antennenleiter
9', befindet sich zwischen diesen Antennenleitern 9' und bildet einen lichtempfindlichen Bereich 11' der Sendeantenne 2'. Nur schematisch dargestellt ist in Fig. 13 auch eine Verbindung der Sendeantenne 2' mit einer Spannungsquelle, die über zwei Leiterbahnen mit den Antennenleitern 9' verbunden ist und durch die die Photodiode unter Spannung gesetzt wird. An einer Stirnfläche des Substrats 8' ist eine Einkoppelfläche 16 zu erkennen, die optisch mit einem Ausgang der Lichtleitfaser 5 gekoppelt wird. Geschwindigkeit und Frequenzverhalten von Photodioden sind wesentlich bestimmt von der Transitzeit der erzeugten Photoladungsträger aus der absorbierenden Schicht zu den p- bzw. n-dotierten Grenzschichten mit größerem Bandabstand. Die Transitzeit wird üblicherweise verbessert durch eine in Sperrrichtung angelegte Spannung. Technologisch lässt sich die Transitzeit weiter minimieren durch Reduzieren der Wegstrecke für die Ladungsträger, d.h. durch dünnere absorbierende Schichten. Damit nehmen aber auch Lichtabsorption und
Effizienz drastisch ab. Eine erste Maßnahme dagegen ist es, die Schicht nicht senkrecht, sondern wie hier beschrieben seitlich zu beleuchten. Eine längere Aus¬ führung der Schichten würde die Absorption erhöhen, jedoch zu einer Mittlung über die Lichtmodulation führen, was das Frequenzverhalten verschlechtern würde. Eine bessere Maßnahme ist deshalb auch hier die Nutzung kürzerer Wellenlängen zum Anregen der aktiven Schicht 12', die bei kürzeren Wellenlängen einen hö- heren Absorptionskoeffizienten hat. Die in den Fign.
6-9 gezeigten Zusammenhänge gelten also auch für die Sendeantenne 2'. Die photoempfindliche Schicht 12' ist eingebettet zwischen einem p-n-Übergang aus den Schichten 13' und 13" mit größerem Bandabstand, also einer kleineren Bandkantenwellenlänge. Lichtabsorption in diesen Schichten 13' und 13" würde die Funktion und Effizienz der Photodiode stören und wird deshalb vermieden, indem die Wellenlänge der Laserlichtquelle 1' größer gewählt wird als die Bandkantenwellenlänge der Schichten 13' und 13". Ein guter Kompromiss zwischen Funktion und Transparenz der angrenzenden
Schichten 13' und 13" wird durch Bandkantenwellenlängen dieser Grenzschichten im Bereich von 1150 nm bis 1200 nm erreicht. Dadurch lässt sich die Sendeantenne 2' bei einer Ansteuerung im O-Band effizient betreiben . Bei dem in Fig. 10 gezeigten Terahert zsystem handelt es sich um ein fasergekoppeltes Continuous-Wave- Terahert zsystem (CW-System) , bei dem die
Terahert zantennen durch Laserlicht im Bereich 1310 nm
± 50 nm angesteuert werden und das dabei sehr effizient arbeitet. Das von den Lasern 14, von denen mindestens einer in der Wellenlänge abstimmbar ist, in die Lichtleitfasern 5 eingekoppelte Licht wird zuvor in dem Koppler 15 unter gleicher Polarisation überlagert, um das Schwebungssignal zu erzeugen. Durch die Verzögerungsschaltung 6, die durch eine Verzögerungsleitung oder durch eine Phasenmodulations-Einrichtung für eine der beiden Wellenlängen der beiden Laser 14 gegeben sein kann, ist ein Zeit- bzw. Phasenversatz zwischen den beiden Ausgangssignalen, die zum Aktivieren der Terahert zantennen verwendet werden, kontrolliert einstellbar und modulierbar. Eine für die Realisierung der vorgeschlagenen
Terahert zsysteme zentrale Erkenntnis ist, dass die Bedeutung eines trivial erscheinenden Parameters zur Optimierung der Chips bisher nicht erkannt oder sogar falsch interpretiert wurde. Dieser Parameter ist die Wellenlängen- oder Energiedifferenz zwischen dem anregenden Licht und der Bandkante des absorbierenden Materials. Hier wurde bisher eine möglichst große, aber noch absorbierende Wellenlänge des Lichts als vorteilhaft angesehen, weil damit eine gegebene
Lichtleistung in eine größtmögliche Zahl Elektron-
Loch-Paare umgesetzt wird, d.h. die Effizienz der Umsetzung optischer Leistung in Photoladungsträger optimal ist. Bei kürzeren Wellenlängen und höheren Photonenenergien dagegen werden weniger Ladungsträger erzeugt, und die Überschussenergie führt zu einer Zu- satzerwärmung, was nicht ohne Grund als ungünstig angesehen wurde.
Ein völlig anderes Bild ergibt sich, wenn man die Op- timierung der Photomischer, also der THz-Antennen als ganzer, in den Vordergrund stellt. Im Folgenden wird ausgeführt, warum möglichst dünne absorbierende
Schichten ein wichtiger Schlüsselparameter zur Optimierung der Geschwindigkeit sowohl der Photoleiter als auch der Photodioden ist. Die dünnen Schichten müssen aber das anregende Licht ausreichend stark absorbieren, sonst geht die Effizienz verloren. Dünne Schichten (Geschwindigkeit) und hohe Lichtabsorption (Effizienz) kann man gleichzeitig erreichen, wenn man Wellenlängen nutzt, die möglichst kurzwellig sind, also energetisch möglichst weit oberhalb der Bandkante liegen. Die Bandkante ist - anders als der Name vielleicht vermuten lässt - keine Stufenfunktion, die von Transparenz auf einen hohen, festen Absorptions- koeffizienten springt. Vielmehr beginnt im Bandkantenbereich ein steiler Anstieg des Absorptionskoeffizienten, der sich weit über den Bandkantenbereich hinaus ins Hochenergetische, Kurzwellige fortsetzt. Das ist in Fig. 6 gut zu erkennen. Es ist also fest- zustellen, dass bei immer kürzeren Wellenlängen des
Lichtes der Absorptionskoeffizient immer größer wird und so auch bei für hohe Geschwindigkeit optimierten sub-pm-dünnen Schichten eine starke Lichtabsorption und damit eine hohe Effizienz erreicht werden kann.
Bei der technologischen Realisierung der Komponenten oder dem Aufbau des Terahertzsystems können nun aber auch Begrenzungen auftreten, die einer beliebig weiten Verschiebung der Lichtwellenlänge Grenzen setzen. Für fasergekoppelte Puls- und CW-System und bei Nutzung von photoempfindlichen Schichten aus InGaAs auf InP liegt der optimale Wellenlängenbereich bei 1310 nm ± 50 nra im sogenannten O-Band der Telekommunikation . Photoleiter für herkömmliche Fasersysteme bei 1550 nm basieren auf LT-InGaAs-Nanoschichten, die zwischen InAlAs-Schichten mit tiefen Haftstellen eingebettet sind, gewachsen mit einer BE auf InP-Substrat . Der benötigte Effekt der InAlAs-Grenzschichten wirkt umso stärker, je dünner die InGaAs-Photoleiterschicht ist.
In bereits etablierten Strukturen ist das InGaAs 12 nm dick. Um bei diesen dünnen Schichten eine ausreichend hohe Absorption zu erreichen, werden die Strukturen periodisch wiederholt, z.B. 100-mal, so dass sich eine Gesamtdicke des InGaAs von 1,2 ]i
ergibt .
Eine weitere Reduzierung der InGaAs-Schichtdicke würde prinzipiell zu einer weiteren Optimierung
des InAlAs-Effektes und der Komponenteneigenschaft führen. Eine Reduzierung der InGaAs-Dicke führt aber zu einem immer stärkeren "Quantum-Well"-Effekt (Quantenbrunneneffekt) . Das heißt, dass sich die Subband- Energieniveaus des dünnen InGaAs von 1650 nm durch den Quantum-Well-Effekt auf ca. 1600 nm verschieben.
Bei weiterer Reduzierung der Schichtdicke wird das Material schließlich transparent für 1550 nm, die Optimierung durch dünnere Schichten ist bei 1550-nm- Licht daher nicht möglich. Nutzt man allerdings kür- zere Wellenlängen, wie hier vorgeschlagen, dann ist eine Optimierung der InGaAs/InAlAs-Photoleiter möglich. So ist auch bei dünneren Schichten und größerem "Quantum-Well"-Effekt die Bandkantenwellenlänge (z.B. 1550 nm) noch ausreichend entfernt von der Laserwel- lenlänge, so dass eine gute Absorption bei 1310 nm vorhanden ist (erst recht bei noch kürzeren Wellenlängen) .
Zu bemerken ist, dass kürzere Wellenlängen und dünne absorbierende Schichten auch bei konventionellen Photoleiterschichten ohne "Quantum-Well"-Effekt sinnvoll sind. Die Photoladungsträger werden dann oberflächennah erzeugt, und elektrische Felder durch Oberflächenkontakte wirken effektiv. Besonders vorteilhaft ist dies bei sogenannten Fingerkontakten, bei denen der Abstand der elektrischen Kontakte nur ca. 1 pm ist. Für die Photoladungsträger, die erst in 1 oder 2 μπι Tiefe erzeugt werden, ist der Weg zu den Kontakten weiter, und die elektrischen Felder wirken wesentlich geringer in der Tiefe des Materials. Es kann gezeigt werden, dass Mesa-Strukturierungen und Seitenkontakte der in Fig. 3 gezeigten Art hier ganz erhebliche wesentliche Verbesserung bewirken können. Diese Mesa- Strukturierungen sind aber technologisch sehr aufwen- dig und bei den schmalen Fingerkontakten schwierig zu realisierem. Oberflächennahe Erzeugung der Photoladungsträger durch kurzwellige Anregung ist deshalb eine sinnvolle Maßnahme zur Verbesserung der Funktion und Effektivität der schnellen Photoleiter.
Bei Mehrschichtstrukturen gibt es Grenzen für eine sinnvolle kurzwellige Wellenlängenverschiebung, bedingt durch die einsetzende Absorption der umgebenden Schichten. Für das InAlAs wäre das allerdings erst bei Wellenlängen von weniger als 1000 nm der Fall.
Für das O-Band existieren Faserverstärker auf Basis von Praseodymium-Dotierung . Als Alternative sind auch modengekoppelte Halbleiterlaser denkbar. Entsprechen- de Pulslaser mit Wellenlängen von 1310 nm sind insbesondere auch auf InP-Basis möglich. In faserbasierten CW-Systemen werden vorzugsweise Photodioden mit integrierten THz-Antennen als leistungsstarke Sender eingesetzt, während die oben be- schriebenen Photoleiter als kohärente Empfänger dienen .
Auch für Photodioden sind möglichst dünne absorbierende Schichten zur Optimierung der Funktionsge- schwindigkeit anzustreben. Die Geschwindigkeit von
Photodioden ist transit zeitbegrenzt . Das heißt, in einer undotierten Absorberschicht werden Photoladungsträger erzeugt, die sich dann zu den darüber bzw. darunter liegenden p- bzw. n-dotierten Schichten (die einen größeren Bandabstand haben) bewegen müssen. Die Dicke der Absorberschicht ist wieder ein wichtiger Optimierungsparameter. Aber auch hier gilt, dass bei dünnen Schichten die Absorption und die Effektivität abnehmen. Ein erster Schritt zur Verbesse- rung ist die seitliche Einstrahlung in dünne Schichten. Die Absorberschicht ist dann typischerweise oberhalb einer Wellenleiterschicht integriert. Das Licht aus einer Glasfaser wird - unterstützt von einem integrierten sogenannten "Taper" - an der Facette in den Wellenleiter eingestrahlt und koppelt dann nach einer bestimmten Wegstrecke in die darüber liegende Absorberschicht. Auch bei typischen 0,3 μιη dünnen Absorberschichten kann durch größere Längen (7 μηι bis 20 μτη) ausreichende Absorption erreicht wer- den.
Der Terahert z-Einsatz erfordert höhere Frequenzen als Telekommunikationsanwendungen. Noch dünnere absorbierende Schichten sind deshalb erwünscht. Die Länge kann dabei aber nicht weiter vergrößert werden, da die Absorberlänge deutlich kürzer sein muss als die Wellenlänge des anregenden optischen Schwebungssig- nals, um eine Glättung der Modulationen zu vermeiden.
Auf dem Weg zu schnellen Photodioden mit dünnen, aber effektiven Absorberschichten sind auch hier möglichst kurze Wellenlängen des optischen Steuersignals anzustreben. Limitierend sind auch hier die Grenzschichten des Absorbers. Die Wellenleiter im InP-Material- System erfordern typisch eine Bandkante bei 1150 nm bis 1200 nm (oder langwelliger) . Licht von Wellenlängen unterhalb von ca. 1250 nm wird im Wellenleiter absorbiert und erreicht so nicht oder nur stark geschwächt den Absorber. Auch für CW-Systeme gibt es so eine kurzwellige Gren¬ ze. Optimal ist auch hier die Ansteuerung durch
Schwebungssignale mit Schwerpunkt im O-Band 1310 nm ± 50 nm und die Optimierung von Photodiode und Photoleitern für diesen Wellenlängenbereich unter Einsatz möglichst dünner absorbierender Schichten.

Claims

Patentansprüche
Terahert zsystem zum Erzeugen und kohärenten De- tektieren von Terahertzstrahlung, umfassend eine Laserlichtquelle (1; 1') und zwei jeweils über eine Lichtleitfaser (5) optisch mit der La serlichtquelle (1; 1') gekoppelte und durch Licht dieser Laserlichtquelle (1; 1')
aktivierbare THz-Antennen, von denen eine erste als Sendeantenne (2; 2') und eine zweite als Empfängerantenne (3) dient, wobei die THz- Antennen jeweils einen mit Antennenleitern (9; 9') kontaktierten Halbleiterchip aufweisen, der mindestens eine aktive Schicht (12; 12') mit ei ner Bandkantenwellenlänge, die größer ist als eine Wellenlänge der Laserlichtquelle (1; 1'), und mindestens eine an die aktive Schicht (12; 12') angrenzende Schicht (13; 13', 13") mit einer Bandkantenwellenlänge, die kleiner ist als die Wellenlänge der Laserlichtquelle (1; 1'), umfasst ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bandkantenwellenlänge der aktiven Schicht (12; 12') mindestens einer der THz- Antennen mindestens 200 nm größer ist als die Wellenlänge der Laserlichtquelle (1; 1')·
Terahertzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Bandkantenwellenlänge der ak tiven Schicht (12; 12') mindestens einer der THz-Antennen mindestens 250 nm größer ist als die Wellenlänge der Laserlichtquelle (1; 1').
Terahertzsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein die aktive Schicht (12; 12') mindestens einer der THz- Antennen bildendes Halbleitermaterial eine Band kantenwellenlänge von mindestens 1600 nm hat und/oder InGaAs enthält.
Terahertzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (12; 12') mindestens einer der THz- Antennen eine Dicke hat, die höchstens einer Eindringtiefe des Lichts der Laserlichtquelle (1; 1') entspricht, wobei die Eindringtiefe durch einen Intensitätsabfall auf einen Anteil von 1/e einer einfallenden Strahlungsintensität
(1) definiert ist.
Terahertzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der THz-Antennen auf einem Photoleiter basiert.
Terahertzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantenne
(2) auf einer Photodiode basiert.
Terahertzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine an die aktive Schicht (12; 12') angrenzende Schicht (13; 13', 13") InGaAsP oder InAlAs oder InGaAlAs enthält.
Terahertzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass die angrenzende Schicht (13') oder mindestens eine der angrenzenden Schichten (13', 13") mindestens einer der THz-Antennen als Wellenleiter dient, in den das Licht der Laserlichtquelle (1') in einer durch die Schicht (13') definierten Ebene propagierend eingekoppelt wird.
9. Terahertzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Laserlichtquelle (1; 1') zwischen 1260 nm und 1360 nm liegt.
Terahert zsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (1; 1') durch einen Pulslaser gegeben ist oder durch einen Zweimodenlaser oder ein System zweier Laser (14) zur Erzeugung eines Schwe- bungssignals zweier Laserwellen einer Schwe- bungsfrequenz von mindestens 0,1 THz.
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