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Die
Erfindung betrifft ein Bauelement der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Gattung.
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Für die optische
Tele- und Datenkommunikation werden vielfach optoelektronische Bauelemente benötigt, die
auf eine von mehreren benachbarten Wellenlängen abgestimmt werden können. Ein
sogenanntes Wellenlängenmultiplex-
bzw. WDM-System (WDM = Wavelength Division Multiplex) enthält z. B. eine
auf Halbleiterlasern basierende Sendeeinheit, einen Multiplexer,
eine aus Glasfasern bestehende Übertragungsstrecke,
einen Demultiplexer und eine mit optoelektronischen Detektoren versehene
Empfangseinheit. Auf der Sendeseite eines solchen Systems werden
mehrere Übertragungskanäle für dicht benachbarte
Wellenlängen
angeordnet, während
auf der Empfängerseite
zwischen dem Demultiplexer und der Empfangseinheit eine entsprechende
Mehrzahl von hoch selektiven optischen Filtern vorgesehen wird,
um die Kanäle
wieder voneinander zu trennen. Dabei werden zur Feinabstimmung sowohl
auf der Sende- als auch auf der Empfängerseite vorzugsweise Bauelemente
eingesetzt, die auf die beteiligten Wellenlängen abgestimmt werden können.
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Ein
für diese
Zwecke geeignetes Bauelement der eingangs bezeichneten Gattung (PCT-WO 99/34484)
enthält
zwei sogenannte DBR-Spiegel (DBR = Distributed Bragg Reflector)
oder Bragg-Reflektoren und eine zwischen diesen angeordnete Kavität bzw. eine
sog. Fabry-Perot-Kavität.
DBR-Spiegel dienen dem Zweck, die bei Anwendung üblicher Materialien nicht ausreichende
Reflektivität
der an die Kavität
grenzenden Spiegelflächen
dadurch zu vergrößern, daß ihre aus
ersten und zweiten Schichten bestehenden Schichtenpaare zahlreiche
weitere Reflexionsflächen
bilden.
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Ein
besonderer Vorteil des bekannten Bauelements besteht darin, daß es auf
mehrere, innerhalb eines gegebenen Durchstimmbereiches liegende Wellenlängen abgestimmt
werden kann. Hierzu sind zwei Maßnahmen vorgesehen. Zum einen
wird einer der beiden DBR-Spiegel des bekannten Bauelements mit
Hilfe einer flexiblen Tragkonstruktion als Ganzes relativ zum anderen
DBR-Spiegel verschiebbar gelagert, wobei zumindest der verschiebbare DBR-Spiegel
aus einer Mehrzahl von fest miteinander verbundenen Schichtenpaaren
besteht, die je zwei Festkörperschichten
wie z. B. λ/4-dicke,
dielektrische Filme (Si, Si O2, Al2 O3, Ti O2 od. dgl.) aufweisen.
Zum anderen werden die beiden DBR-Spiegel mit Elektroden versehen,
an die eine elektrische Spannung bzw. ein positives oder negatives
Potential angelegt werden kann, um sie nach Art von Kondensatorplatten
elektrisch aufzuladen. Die dadurch bewirkten elektrischen Anziehungskräfte können eine geringfügige Verschiebung
des verschiebbaren DBR-Spiegels und damit eine Änderung der Länge der
Kavität
mit der Folge herbeiführen,
daß vom
Bauelement auch benachbarte Wellenlängen durchgelassen werden.
Durch Variation der angelegten Spannung kann das Bauelement daher
auf eine von mehreren Wellenlängen λ1,....λn abgestimmt
werden. An die Stelle einer derartigen, kapazitiven Aktuation des
Bauelements kann auch irgendeine andere Aktuation, insbesondere
eine mikrothermische Aktuation treten. Dabei sind verschiedene Ausführungsformen und
Materialsysteme bekannt:
- 1.) Erster DBR-Spiegel:
InP/Luft, Kavität:
Luft, zweiter DBR-Spiegel:
InP/Luft, Aktuation: kapazitiv [H. Hillmer, J. Daleiden, C. Prott,
F. Römer,
S. Irmer, V. Rangelov, A. Tarraf, S. Schüler, M. Strassner in "Potential for micromachined
actuation of ultra-wide continuously tunable optoelectronic devices", (invited) Applied
Physics, B, Vol. 75, 3-13, 2002; J. Daleiden, V. Rangelov, S. Irmer,
F. Römer,
M. Strassner, C. Prott, A. Tarraf and H. Hillmer in "Record tuning range
of InP-based multiple air-gap MOEMS filter", Electron. Lett. Vol. 38, No. 21, p.
1270, 2002; Spisser, A., et al., IEEE Photonics Technol. Lett. 10,
1259 (1998)].
- 2.) Erster DBR-Spiegel: Si3N4/SiO2, Kavität: Luft, zweiter
DBR-Spiegel: Si3N4/SiO2,
Aktuation: mikrothermisch [A. Tarraf, J. Daleiden, F. Römer, C. Prott,
V. Rangelov, S. Irmer, E. Ataro and H. Hillmer in "A novel low-cost
tunable dielectric air-gap filter", Proceedings of the Optical MEMS Conference,
Lugano/CH, 20-23 August, ISBN: 0-7803-7595-5, p. 175, (2002)].
- 3.) Erster DBR-Spiegel: AIAs/GaAs, Kavität: Luft, zweiter DBR-Spiegel: AIAs/GaAs,
Aktuation: kapazitiv [Larson, M.C., Pezeshki, B., and Harris Jr., J.S.,
1995, IEEE Photonics Technology Letters 7, 382; Vail, E. C., Wu,
M.S., Li, G.S., Eng, L., and Chang-Hasnain, C.J., Electron. Lett.,
vol. 31, no. 3, p. 228 (1995); Peerlings J., Riemenschneider R.,
Naveen Kumar V., Strassner M., Pfeiffer J., Scheuer V., Daleiden
J., Mutamba K., Herbst S., Hartnagel H.L., Meissner P., 1999, IEEE
Photonics Technology Letters, Vol. 11, No.2.].
- 4.) Erster DBR-Spiegel: SiO2/TiO2, Kavität:
Luft, zweiter DBR-Spiegel: SiO2/TiO2/Si, Aktuation: kapazitiv [P. Tayebatie
et. al, Electron. Letters, vol. 34, no. 20, p. 1967-86 (1998) und
PCT-WO 99/34484; Kanbara, N, Suzuki, K., Watanabe, T., Iwaoka, H., "Precisely tunable
Fabry-Perot Filter for optical communications", IEEE/LEOS Int. Conf on Optical MEMS,
ThC4, (2002)].
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Ein
noch nicht befriedigend gelöstes
Problem der beschriebenen Bauelemente besteht darin, daß ihre Durchstimmbereiche
nicht groß genug
und die spektralen Linienbreiten, Intensitäten, spektralen Linienformen,
optischen Leistungen od. dgl., die nachfolgend kurz mit dem Sammelbegriff "optische Eigenschaften" bezeichnet werden,
meist nur in der spektralen Nachbarschaft einer sog. Haupt-Wellenlänge akzeptabel
sind, die sich aus den Dicken und/oder Brechungsindizes der ersten
und zweiten Schichten der DBR-Spiegel ergibt. Als Folge davon ist
der effektiv nutzbare Durchstimmungsbereich, d.h. die Zahl der Wellenlängen begrenzt,
auf die ein gegebenes Bauelement abgestimmt werden kann. Ferner werden
die verschiedenen Wellenlängen
auch mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften erzeugt (Laser)
oder durchgelassen (Filter), was für die praktische Anwendung
der Bauelemente z. B. in einem WDM-System unerwünscht ist.
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Ausgehend
davon liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, die Bauelemente
der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, daß ihre optischen
Eigenschaften verbessert und ihre Durchstimmbereiche vergrößert werden
können und/oder
die optischen Eigenschaften bei der spektralen Durchstimmung der
Bauelemente geringeren Schwankungen als bisher unterliegen.
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Zur
Lösung
dieser technischen Problems dienen die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei durchstimmbaren Bauelementen
der hier interessierenden Art die bisher übliche, exakt gleichförmige Ausbildung
aller Schichtenpaare der beteiligten DBR-Spiegel im Hinblick auf
ihre Dicke d und ihren Brechungsindex n nicht immer vorteilhaft
ist. Vielmehr können
durch gezielte Änderungen
der Dicken bzw. Brechungsindizes von Schichtenpaar zu Schichtenpaar
eine Optimierung und Angleichung der optischen Eigenschaften für alle im
Durchstimmbereich liegenden Wellenlängen und/oder eine Vergrößerung des
Durchstimmbereichs herbeigeführt werden.
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Bauelemente
mit Schichtenpaaren, die unterschiedliche, insbesondere monoton
steigende oder monoton fallende optische Dicken oder Produkte n·d aufweisen,
sind grundsätzlich
bekannt (PCT-WO 99/60675). Derartige Bauelemente dienen allerdings
einem anderen Zweck, nämlich
der Erzeugung kurzer Laserimpulse, und weisen nur einen einzigen,
nicht durchstimmbaren DBR-Spiegel auf.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 im oberen Teil schematisch
das Schnittbild eines bekannten, zwei DBR-Spiegel und eine dazwischen
liegende Fabry-Perot-Kavität
aufweisenden Bauelements, wobei die beiden DBR-Spiegel Schichtenperioden
aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien aufweisen, im
unteren Teil dagegen schematisch Aufsichten auf einzelne Schichten
der Schichtenperioden;
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2 schematisch die Wirkungsweise/Aktuation
des Bauelements nach 1;
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3 schematisch den Aufbau
eines als Filter ausgebildeten Bauelements nach 1 (zentraler Bereich);
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4 schematisch ein erstens
Ausführungsbeispiel
für ein
erfindungsgemäß ausgebildetes
Bauelement nach 1 mit
aus zwei Festkörperschichten
bestehenden Schichtenperioden;
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5 schematisch einen ein
zweites Ausführungsbeispiel
für ein
erfindungsgemäß ausgebildetes
Bauelement nach 1 mit
aus Festkörper- und
Luftschichten bestehenden Schichtenperioden;
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6 die Wirkungsweise eines
bekannten Bauelements nach 1 mit
Schichtenperioden Halbleiter/Luft, und zwar a. ohne äußere Spannung und
b. mit angelegter Spannung (Aktuation);
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7 die Wirkungsweise eines
erfindungsgemäßen Bauelements
(ebenfalls Materialmodul Halbleiter/Luft), und zwar a. ohne äußere Spannung, b.
mit etwa mittlerer angelegter Spannung (Aktuation) und c. mit hoher
angelegter Spannung (Aktuation);
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8 einen schematischen Schnitt
durch ein als Laser ausgebildetes Bauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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9 schematisch die Wirkungsweise
des Bauelements nach 10;
und
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10 die spektrale Filtertransmission
eines bekannten Bauelements und eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Bauelements.
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1 und 2 zeigen ein mikromechanisch aktuierbares,
optoelektronisches Bauelement mit einem ersten DBR-Spiegel 1,
einem zweiten DBR-Spiegel 2 und einer zwischen den beiden DBR-Spiegeln 1 und 2 angeordneten
Kavität 3 mit
einer Länge
L. Der erste DBR-Spiegel 1 enthält für die hier betrachteten Wellenlängen transparente
Schichtenperioden bzw. -paare, die hier jeweils durch eine erste
Schicht 4a und eine zweite Schicht 4b gebildet sind,
wobei die Schichten 4a und 4b abwechselnd aufeinander
folgen und, mit ihren Breitseiten aneinander grenzend, übereinander
angeordnet sind. Die Schichtperioden können aus Festkörper- und
Luftschichten bestehen (Variante 1). Dabei sind die Festkörperschichten
einzeln bewegbar gelagert. Bestehen die Schichtpaare aus zwei Festkörperschichten, dann
ist zumindest einer der DBR-Spiegel als Ganzes relativ zum anderen
DBR-Spiegel bewegbar gelagert (Variante 2).
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Im
Falle des Materialmoduls Festkörper/Luft (Variante
1) bestehen die ersten Schichten 4a im Ausführungsbeispiel
aus dünnen
Membranen, die aus einem p-dotierten Halbleitermaterial, z. B. Indiumphosphid
(InP), hergestellt sind, während
die zweiten Schichten 4b aus Luftschichten, d. h. aus zwischen
den ersten Schichten 4a frei bleibenden Luftspalten bestehen.
Die Schichten 4a sind außerdem mittels je einer separaten,
flexiblen Tragkonstruktion an einem ebenfalls transparenten Grundkörper 5 abgestützt, wobei
jede Tragkonstruktion z. B. eine Mehrzahl von dünnen und daher biegbaren, sternförmig angeordneten
und mit den Schichten 4a verbundenen oder mit diesen aus
einem Stück
hergestellten Tragarmen 6 oder entsprechend biegbaren Brücken (Verbindungsbrücken) od.
dgl. enthält.
Die radial innen liegenden Enden der Tragarme 6 oder Brücken sind
dabei mit den ersten Schichten 4a verbunden, während die
radial außen
liegenden Enden der Tragarme 6 bzw. Brücken an mit dem Grundkörper 5 verbundenen
Halteblöcken 7 enden
bzw. mit diesen aus einem Stück
hergestellt sind. Zwischen den einzelnen Halteblöcken 7 sind, wie im
unteren Teil der 1 für die Variante 1 gezeigt
ist, Abstandhalter 8 angeordnet, um die Luftschichten 4b auszubilden.
Das Material der Teile 4a, 6, 7 und 8 kann identisch
sein. Zwischen den beiden DBR-Spiegeln 1 und 2 sind
weitere Abstandhalter 9 vorgesehen, die die Länge L der
Kavität 3 im
nicht aktuierten Zustand bestimmen.
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Der
zweite DBR-Spiegel 2 ist im Ausführungsbeispiel entsprechend
ausgebildet, wobei die Schichtenperioden erste und zweite Schichten 10a und 10b aufweisen,
die aus denselben Materialien wie die Schichten 4a und 4b hergestellt
sind, wobei die Schichten 10a allerdings im Gegensatz zu
den Schichten 4a eine n-Dotierung aufweisen. Die ersten Schichten 4a sind
jeweils elektrisch miteinander verbunden, und dasselbe gilt für die Schichten 10a.
Wie die Schichten 4a des ersten DBR-Spiegels 1 sind auch
die Schichten 10a des zweiten DBR-Spiegels 2 mittels
Tragarmen od. dgl. verschiebbar am Grundkörper 5 montiert.
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Im
Falle des Materialmoduls Festkörper A/Festkörper B (Variante
2) weist der erste DBR-Spiegel 1 Perioden von ersten und
zweiten Schichten 4a und 4b auf, die beide als
Festkörperschichten
ausgebildet und z. B. aus zwei dielektrischen Materialien wie z.
B. Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid (Si3 N4, SiO2, Six OyNz ) hergestellt sind und eine fest zusammenhängende Baueinheit
bilden. Weiterhin ist der zweite DBR-Spiegel 2 aus enstprechenden
Schichtenpaaren bzw. Schichten 10a, 10b aufgebaut
und fest und unbeweglich am Grundkörper 5 befestigt,
während
der erste DBR-Spiegel 1 mittels einer flexiblen Tragkonstruktion
als Ganzes relativ zum zweiten DBR-Spiegel 2 verschiebbar
am Grundkörper 5 montiert
ist. Die bewegliche Lagerung erfolgt analog zur Variante 1 für die Schichten 4a mit
Hilfe einer flexiblen Brücke
oder den biegbaren Tragarmen 6, die mit dem radial außen liegenden
Halteblöcken 7 am
Grundkörper 5 befestigt
sind, und für
die Schichten 4b in entsprechender Weise z. B. mit Hilfe
von biegbaren Tragarmen 11 (1 unten,
rechts), die mit den Abstandhaltern 8 verbunden sind, wobei
die Teile 4b, 8 und 11 zweckmäßig aus
demsel ben Material bestehen.
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Die
Wirkungsweise des Bauelements nach 1 ergibt
sich aus 2. In 2 ist ein Zustand gezeigt,
in dem sich der DBR-Spiegel 1 in einem aktuierten Zustand
befindet. Das Bauelement ist hierbei als sog. Fabry-Perot-Filter
ausgebildet. Es ist angenommen, daß an die beiden DBR-Spiegel 1 und 2 mittels
einer Spannungsquelle 12 eine elektrische Spannung derart
angelegt ist, daß nach
Art eines Kondensators der DBR-Spiegel 1 negativ und der DBR-Spiegel 2 positiv
geladen wird und sich beide DBR-Spiegel 1 und 2 daher
elektrostatisch anziehen. Dadurch hat die Länge der Kavität nur noch
ein Maß L – ΔL1 mit der Folge, daß jetzt für eine andere Wellenlänge die
Transmissionsbedingung erfüllt
ist . Durch weiteres Vergrößern der
angelegten Spannung kann das Filter außerdem so durchgestimmt werden,
daß es
bei entsprechender Einstellung eines Wertes, z.B. L – ΔL2, für
weitere Wellenlängen
durchlässig
wird. Durch Variation der mit der Spannungsquelle 12 angelegten
Potentiale kann die Transmissionswellenlänge innerhalb des Durchstimmbereiches somit
kontinuierlich eingestellt werden. In 2 ist exemplarisch
der Fall gezeigt in dem sich nur der obere DBR-Spiegel 1 bewegt.
In dem Fall ist der untere DBR-Spiegel 2 fest mit dem Substrat
bzw. Grundkörper 5 verbunden.
Im Falle der Ausführung im
Materialmodul Festkörper/Luft
(Variante 1) bewegen sich beide DBR-Spiegel, die Membranen
des oberen DBR-Spiegels 1 wie in 2 nach unten und die Membranen des unteren
DBR-Spiegels 2 entsprechend nach oben. Falls die Schichten 4a, 4b bzw. 5a, 5b aus
dielektrischen bzw. nicht-leitenden Materalien bestehen, sind beide
DBR-Spiegel 1 und 2 mit an ihnen anhaftenden Elektroden
versehen, damit sie mittels der steuerbaren Spannungsquelle 12 (2) in derselben Weise aufgeladen
werden können,
wie oben beschrieben wurde.
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Bauelemente
der beschriebenen Art, ihre Wirkungsweise und ihre Herstellung sind
dem Fachmann aus den weiter oben genannten Dokumenten "H. Hillmer, J. Daleiden,
C. Prott, F. Römer,
S. Irmer, V. Rangelov, A. Tarraf, S. Schüler, M. Strassner in 'Potential for micromachined
actuation of ultra-wide continuously tunable optoelectronic devices', (invited) Applied
Physics, B, Vol. 75, 3-13, 2002" und
den darin genannten weiteren Druckschriften bekannt, die hiermit
sämtlich
durch Referenz zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht
werden.
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Bei
dem in 3 schematisch
dargestellten Bauelement sind analog zu 1 und 2 ein
erster DBR-Spiegel 1, ein zweiter DBR-Spiegel 2 und
eine dazwischen liegende Fabry-Perot-Kavität 3 vorgesehen, die
in einem nicht aktuierten Zustand die Länge L besitzt. Dabei enthält der erste
DBR-Spiegel 1 drei und eine halbe Schichtenperioden I bis
N. Jede Schichtenperiode I bis IV weist zwei Schichten Ai (A1 bis
A4) und Bi (B1 bis B3) auf. Die Schichten Ai sind jeweils der Kavität 3 näher gelegen
und die Schichten Bi liegen jeweils auf der kavitätsfernen
Breitseite, wobei eine Schicht B4 bei der vierten Schichtenperiode IV
fehlt. Dagegen erhält
der zweite DBR-Spiegel 2 vier volle Schichtenperioden I
bis IV, die je eine der Kavität 3 nahe
Schicht Ci (C1 bis C4) und eine der Kavität 3 ferne Schicht
Di (D1 bis D4) aufweisen. An die Schicht D4 schließt sich
der die gesamte Anordnung tragende Grundkörper 5 an.
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Die
verschiedenen Schichten Ai, Bi, Ci und Di weisen ihnen zugeordnete
Dicken dAi, dBi,
dCi und dDi; und
Brechungsindizes nAi, nBi,
nCi und nDi auf,
wie in 3 für die Größen dA1, nA1, dA4, nA4, dB2 und nB2 einerseits
sowie für
dC1, nC1, dD4 und nD4 andererseits schematisch
angegeben ist. Die übrigen
Größen tragen
sinngemäß entsprechende
Bezeichnungen.
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Bei
den bekannten Filtern der beschriebenen Art sind die Dicken und
Brechungsindizes aller vergleichbaren Schichten im wesentlichen
gleich und an eine vorgewählte,
innerhalb des Durchstimmbereichs liegende Haupt-Wellenlänge λ0 angepaßt, d. h.
es gilt z. B. nA1 = nA2 =
nA3 usw. und dA1 =
dA2 = dA3 = dA4. Erfindungsgemäß ist dagegen vorgesehen, daß zumindest
der erste DBR-Spiegel 1 wenigstens eine Schichtenperiode
I, II, III und/oder IV enthält,
die sich durch ihre Dicke und/oder durch ihren Brechungsindex von
den Dicken bzw. Brechungsindizes der entsprechenden anderen Schichten
desselben ersten DBR-Spiegels 1 unterscheidet. Dabei wird
die abweichende Größe dAi, dBi, nAi bzw. nBi; so gewählt, daß sich insbesondere
Vorteile im Hinblick auf die Größe des Durchstimmbereichs
und/oder im Hinblick auf die oben genannten optischen Eigenschaften
bei wenigstens einer Wellenlänge
ergeben, die zwar ebenfalls im gewählten Durchstimmbereich liegt,
aber nicht irgendeiner vorgewählten
Haupt-Wellenlänge entspricht,
für die
die Dicken und Brechungsindizes der übrigen Schichtenperioden berechnet
sind. Mit ganz besonderem Vorteil werden nicht nur die Schichten
einer Schichtenperiode I bis IV, sondern die Schichten Ai, Bi, Ci,
Di aller Schichtenperioden I bis IV so aneinander angepaßt, daß sich möglichst für alle Kanäle bzw Wellenlägen λi im
Durchstimmbereich im wesentlichen dieselben Verhältnisse ergeben, d. h. eine
Vergleichmäßigung der
optischen Eigenschaften in den Kanälen erhalten wird, wie es z. B.
bei WDM-Systemen erwünscht
ist. Insgesamt werden die Bauelemente bzw. deren DBR-Spiegel 1 und/oder 2 daher
durch Anwendung der Erfindung für mehr
als nur eine Haupt-Wellenlänge
optimiert, wobei es auch möglich
ist, die optischen Eigenschaften für eine Haupt-Wellenlänge geringfügig zu verschlechtern
und statt dessen die optischen Eigenschaften für einige oder alle übrigen Wellenlängen zu verbessern.
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Die
Zahl der Perioden ist nach oben im Prinzip unbeschränkt. Lediglich
für die
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
wurde eine Beschränkung
auf die Perioden I bis IV gewählt.
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Wie
die Werte für
dAi, dBi, nAi, nBi usw. im einzelnen
zu wählen
sind, kann anhand von Versuchen leicht festgestellt werden. Da bekannt
ist, wie die einzelnen Schichten zur Optimierung der Haupt-Wellenlänge einzustellen
sind, ist es dem Fachmann ohne weiteres möglich, ausgewählte Schichten
nicht im Hinblick auf eine einzige ausgewählte Haupt-Wellenlänge, sondern
im Hinblick auf wenigstens zwei oder mehr im Durchstimmbereich liegende
Wellenlängen λ; zu optimieren.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
den Fall, daß analog
zu 1 (Variante 2) alle
Schichten Ai, Bi des ersten DBR-Spiegels 1 aus Festkörperschichten
bestehen. Dabei sind vier Schichtenperioden mit den Schichten Ai
und Bi, ausgehend von einer der Kavität 3 in 3 am nächsten liegenden Schicht A1,
in Richtung einer z-Achse, d. h. senkrecht zu den Breitseiten dieser
Schichten, nacheinander mit A1 bis A4 bzw. B1 bis B4 bezeichnet.
Die Kavität 3 (3) ist dabei schematisch
einem mittleren Teil der z-Achse mit z = 0 zugeordnet, während die
Schichtenperioden Ci und Di dem negativen Ast und die Schichtperioden
Ai und Bi bzw. dem positiven Ast der z-Achse zugeordnet sind. Zur Kenntlichmachung
der relativen Werte für
die Dicken der verschiedenen Schichten ist in 4 längs
der positiven Abszisse die Dicke dAi, dBi, dCi, dDi und längs der
negativen Abszisse der Brechungsindex nAi,
nBi, nCi, nDi jeweils als positive Größe abgetragen.
Daraus ist ersichtlich, daß oberhalb
der d- bzw. n-Achse jeweils dAi + 1 > dAi,
dBi + 1 > dBi und unterhalb der d- bzw. n-Achse dCi > dCi + 1, dDi + 1 > dDi;
gilt und daher die Schichtdicken, ausgehend von der Kavität 3 in 3, längs der +z-Achse und -z-Achse
monoton größer werden.
Entsprechend monotone Veränderungen
ergeben sich für
die Größen nAi, nBi, nCi und nDi. Dabei
ist klar, daß innerhalb
einer jeden Schichtenperiode je nach Fall die Dicken und/oder Brechungsindizes
der Schichten Ai jeweils genau so groß oder größer/kleiner als die Dicken
und/oder Brechungsindizes der Schichten Bi sein können. Insbesondere
kann z. B. auch nAi > nBi und gleichzeitig
dAi < dBi bzw. nAi < nBi und
gleichzeitig dAi > dBi gelten. Im unteren
Teil der 4 sind zur
Vereinfachung des Verständnisses
die aus 3 ersichtlichen
Schichten Ai und Bi angedeutet.
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Dagegen
ist bei einem anderen bevorzugten, in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung angenommen, daß analog
zu 1 (Variante 1) die
Schichten Ai des ersten DBR-Spiegels 1 aus Festkörperschichten
bestehen, die z. B. aus Halbleitermaterialien wie z. B. InP hergestellt
sind, während die
Schichten Bi sämtlich
aus zwischen den Schichten Ai frei bleibenden Luftspalten bestehen.
Im übrigen
ist die Anordnung analog zu 4,
d. h. die Schichten Ai, Bi und die Brechungsindizes nAi weisen,
ausgehend von der Kavität 3 in 5, monoton zunehmende Werte
auf, während
für die
Brechungsindizes der aus Luft bestehenden Schichten Bi sämtlich nBi = nDi = 1 gilt.
Auch hier ist im unteren Teil der 5 noch
einmal die in 3 gezeigte
Schichtenfolge angedeutet.
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Die
aus 4 und 5 ersichtlichen Werte für die Dicken
und die Brechungsindizes der verschiedenen Schichten stellen natürlich nur
Beispiele dar. Alternativ wäre
es z. B.
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möglich, daß in ±z-Richtung
entweder die Dicken dAi, dBi,
dCi, dDi aller Schichten
bei konstanten Brechungsindizes nAi, nBi, nCi, nDi monoton oder in anderer Weise variieren
oder daß umgekehrt
die Dicken dAi, dBi,
dCi, dDi konstant
bleiben und stattdessen die Brechungsindizes nAi,
nBi, nCi, nDi monoton variieren. Auch andere Änderungen
der Dicken und/oder Brechungsindizes sind zur Erreichung der oben
bezeichneten Vergleichmäßigung möglich. Dabei
kann insbesondere auch vorgesehen sein, jeweils zwei Perioden identisch
auszubilden, wobei die jeweils identischen Schichtenperioden auch
jeweils unmittelbar übereinander
liegen können.
Außerdem
ist es gleichgültig,
welche der beiden Schichten einer Periode als A-Schicht und welche
als B-Schicht bezeichnet wird und ob die Dicken und/oder Brechungsindizes
in in ±z-Richtung
steigend oder fallend ausgebildet sind, d. h. die kleinsten Werte
jeweils in einem mittleren Teil oder am unteren bzw. oberen Rand
des jeweiligen DBR-Spiegels 1 bzw. 2 in 3 liegen. Weiter ist klar, daß dieselben
oder andere Variationen der Schichteigenschaften auch beim zweiten
DBR-Spiegel 2 vorgesehen werden können. Schließlich ist
zu beachten, daß bei
Anwendung von ausschließlich aus
Festkörpern
bestehenden Schichten pro Spiegel 1, bzw. 2 jeweils
eine vergleichsweise große
Anzahl von Schichtenperioden benötigt
wird (z. B. bis zu 50), während
bei Anwendung von Schichtenperioden aus Festkörper/Luft-Kombinationen wegen
der großen Unterschiede
der Brechungsindizes nAi und nBi vergleichsweise
wenige Schichtenpaare (z. B. 3 oder 4) ausreichen, um den betreffenden
DBR-Spiegel 1, 2 für den beschriebenen Zweck geeignet
zu machen und zusätzlich
die oben beschriebenen Vorteile zu erzielen.
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Bei
der obigen Beschreibung des Ausführungsbeispiels
nach 3 und 5 wurde wie im bekannten
Fall der 1 stillschweigend
vorausgesetzt, daß sich
die Stapel der Schichten Ai bzw. Ci der DBR-Spiegel 1, 2 bei
der elektrostatischen Aktuierung analog zu 2 als Ganzes gleichförmig relativ zum jeweils anderen
Spiegel bewegen. Im Falle nDi = 1 und nBi = 1 ist jedoch beim Ausführungsbeispiel
nach 3 und 5 zu erwarten, daß sich die Festkörperschichten
Ai, Ci des einen und/oder anderen DBR-Spiegels jeweils einzeln,
d. h. jede für
sich in Richtung des jeweils anderen DBR-Spiegels bewegen können und
daher ein weiteres Problem auftreten kann.
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Werden
nämlich
die einzelnen, an den Plus- bzw. Minuspol der Spannungsquelle 12 (2) angeschlossenen Ai- bzw.
Ci- Schichten als die Platten eines Kondensators betrachtet, dann
werden die jeweils weiter innen liegenden, der Kavität 3 näheren Schichten
Ai, Ci (vgl. auch 3)
vermutlich stärker elektrisch
aufgeladen, als dies für
die von der Kavität 3 weiter
entfernt liegenden Schichten gilt (die elektrostatische Abschirmung
hängt von
der Geometrie und Leitfähigkeit
in den Halteblöcken
ab). Als Folge davon ändern
sich, wie in 6b für den DBR-Spiegel 1 übertrieben
deutlich dargestellt ist, bei der elektrostatischen Aktuierung die
Dicken dBi der aus Luftspalten bestehenden
Schichten Bi, ausgehend vom nicht aktuierten Zustand in 6a, derart, daß die Dicke daß mit zunehmender
elektrischer Spannung gegenüber
dB2 und dB3 immer
stärker
zunimmt und bei jeder Aktuierung dB1 > dB2 > dB3 gilt.
Das ist im Hinblick auf die Erzielung gleichförmiger optischer Eigenschaften unabhängig davon
störend,
ob im nicht aktuierten Zustand (6a)
alle Schichten wie bisher für
eine vorgewählte
Haupt-Wellenlänge
oder eine davon abweichende Wellenlänge berechnet und bemessen
sind. In jedem Fall würde
sich gegenüber
dem nicht aktuierten Zustand eine gewisse Verstimmung ergeben, da
sich die Schichten A1 bis A4 aufgrund der unterschiedlichen Ladungsverteilungen
und der daraus resultierenden variierenden elektrostatischen Anziehungskräfte unterschiedlich
stark bewegen bzw. durchbiegen, was z. B. für Filter zu einer Verkleinerung
des möglichen
Durchstimmungsbereichs und einer Vergrößerung der Linienbreiten der
jeweils durchzulassenden Lichtwellen führt.
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Zur
Vermeidung dieses Problems ist erfindungsgemäß vorgesehen (7), die Dicken der Luftspalt-Schichten
(z. B. Bi) so aneinander anzupassen, daß dadurch die durch das unterschiedliche
Verbiegen der Schichten Ai bewirkten Änderungen der optischen Eigenschaften
zumindest teilweise kompensiert werden. Dies ist in 7 für
den beispielhaften Fall schematisch dargestellt, daß ein erster DBR-Spiegel 1 dreieinhalb
Schichtenperioden aufweist. Dabei sind Dicken dB1,
dB2 und dB3 der
Luftschichten B1, B2 und B3 so gewählt, daß im nicht aktuierten, der
langwelligen Grenze eines Durchstimmbereichs entsprechenden Zustand
die Schicht B1 der an die Kavität
grenzenden Schichtenperiode I eine kleinere Dicke dB1 als
die Schicht B2 hat (7a). Entspre chend
weist die Schicht B2 eine kleinere Schichtdicke dB2 als Schicht
B3 auf. Wird dieses Bauelement aktuiert und infolgedessen die dabei stärker geladene
Schicht A1 mehr als die Schicht A2 oder die Schicht A3 in Richtung
der Kavität
bewegt, dann gleichen sich die Schichtdicken dB1,
dB2 und dB3 allmählich aneinander
an, bis sie in einem mittleren Teil des Durchstimmbereichs gleich
groß sind (7b). Bei noch weiterer Durchstimmung
bzw. Vergrößerung der
anliegenden elektrischen Spannung wird dann die Dicke dB1 allmählich größer als
dB2 (7c)
und entsprechend dB2 größer als dB3,
bis die kurzwellige Grenze des Durchstimmbereichs erreicht ist.
Auf diese Weise ist es möglich,
daß die
Verstimmung des Bauelements an der länger- bzw. kürzerwelligen Grenze des Durchstimmbreichs
nur etwa halb so groß ist,
wie sie wäre,
wenn im nicht aktuierten Zustand dB1 = dB2 = dB3 gelten würde.
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Entsprechend
kann vorgegangen werden, wenn mehr als dreieinhalb Schichtenperioden
vorhanden sind, indem die Schichtdicken dBi im
nicht aktuierten Zustand so gewählt
werden, daß sie
von der der Kavität
nahen Seite bis zu der von der Kavität entfernten Seite des DBR-Spiegels 1 und/oder 2 hin monoton
größer werden
und daher dBi < dBi + 1 gilt. Das
Maß der
Dickenunterschiede wird dabei wiederum zweckmäßig so gewählt, daß in einem mittleren Teil des
Durchstimmbereichs im wesentlichen dB1 = dB2 = ... = dBn gilt.
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Im
Falle eines DBR-Spiegels mit einem Vielfach-Luftspalt dient die
Variation der Dicken der Luftspalte bzw. das Chirping u.a. dem Zweck,
die für jede
individuelle Brücke
bzw. jeden individuellen Biegebalken der Festkörperschichten (Membranen) sonst
auftretende unterschiedliche örtliche
Bewegung teilweise auszugleichen. Bei Anwendung der Bauelemente
als Laser ergibt sich außerdem
der Vorteil, daß dessen
Ausgangsleistung über
einen größeren spektralen
Bereich größer und
weniger starken Schwankungen unterworfen ist.
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Zusätzlich können dabei
die anhand der 5 beschriebenen
Maßnahmen
vorgesehen werden.
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Die
Größen der
Dicken dBi können im Einzelfall durch Modellrechnungen
ermittelt werden. Dabei kann z. B. von einer Schichtdicke dAi = λ/4, 3λ/4 usw. und
allgemein (2n + 1)λ/4
sowie den bekannten Größen der
flexiblen Tragarme 6 (1)
ausgegangen werden. Modellrechnungen dieser Art sind grundsätzlich aus
dem eingangs genannten Dokument "Potential
for micromachined actuation of ultra-wide continuously tunable optoelectronic
devices", (invited)
Applied Physics, B, Vol. 75, 3-13 (2002) bekannt, das hiermit zur
Vermeidung von Wiederholungen durch Referenz zum Gegenstand der
vorliegenden Offenbarung gemacht wird. Insgesamt zeigt die obige Beschreibung
somit, daß auch
in dem aus 7 ersichtlichen
Fall zumindest ein beteiligter DBR-Spiegel wenigstens eine Schichtenperiode
aufweist, dies sich zur Vergrößerung des
Durchstimmbereichs und/oder zur Verbesserung der optischen Eigenschaften
durch die Dicke wenigstens einer beteiligten Schicht B1 einer der
Schichtenperioden I von der Dicke der entsprechenden Schicht B2
einer anderen Schichtenperiode II bzw. der Schicht B3 einer weiteren
Schichtenperiode III desselben DBR-Spiegels unterscheidet.
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Ein
drittes, derzeit für
am besten gehaltenes Ausführungsbeispiel
der Erfindung geht gemäß 8 wie das Ausführungsbeispiel
nach 7 von einem Bauelement
aus, bei dem wenigstens ein DBR-Spiegel 1 aus Schichtenperioden
bzw. -paaren I bis IV gebildet ist, die jeweils eine Festkörper- bzw. Halbleiterschicht
Ai und eine Luftschicht Bi aufweisen. Ein zweiter DBR-Spiegel 2 und
eine Fabry-Perot-Kavität 3 sind
in 8 nur schematisch
angedeutet. Im Gegensatz zu 1 bis 7 ist das Bauelement nach 8 als Laser, insbesondere
als sogenannter VCSEL (tunable Vertical Cavity Surface Emitting
Laser), d. h. als ein Laser ausgebildet, bei dem der Resonator senkrecht
angeordnet ist und die Lichtwellen durch eine der Breitseiten emittiert
werden. Zu diesem Zweck ist in der Kavität 3 zusätzlich ein
auf der oberen Breitseite des zweiten DBR-Spiegels 2 befestigter,
laseraktiver Bereich 34 angeordnet, der z. B. aus einem
sogenannten MQW-Element (Multiple Quantum Wells) besteht (vgl. z.
B. PCT-WO99/34484). Für
die Zwecke der Erfindung ist es allerdings unbedeutend, ob das Bauelement
als Laser wie in 8 oder
als Filter wie in 1 bis 7 ausgebildet ist.
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Im
Gegensatz zu 7 wird
beim Bauelement nach 8 das
anhand der 6 beschriebene
Problem der unterschiedlichen Auslenkung der Festkörperschichten
Ai dadurch umgangen, daß zumindest
beim ersten DBR-Spiegel 1 die unmittelbar an die Kavität 3 grenzende
erste Schicht A1 der ersten Schichtenperiode I wesentlich dünner als
die übrigen
ersten Schichten Ai desselben DBR-Spiegels 1 ausgebildet
wird. Insbesondere ist die Dicke dA1; der Schicht
A1 um so viel kleiner als die Dicken dAi der übrigen ersten
Schichten Ai, daß bei
der elektrostatischen Aktuierung nach 9 im
wesentlichen nur die Schicht A1 zur Kavität 3 hin bewegt wird.
Dagegen sollen bei diesem Ausführungsbeispiel
die übrigen
Schichten Ai sowohl aufgrund ihrer größeren Dicke dAi als
auch aufgrund der bereits oben beschriebenen partiellen Abschirmung
weit weniger und mit besonderem Vorteil gar nicht in Richtung der
Kavität 3 bewegt
werden. Als besonders günstig
haben sich Bauelemente erwiesen, bei denen die Dicke dA1 der Schicht
A1 höchstens
5λ/16, vorzugsweise
3λ/16 bis 5λ/16 und am
besten nur ca. λ/4
beträgt,
während
die übrigen
ersten Schichten Ai Dicken von wenigstens 11λ/ 16, vorzugsweise 11λ/ 16 bis
13λ/16 und
am besten von ca. 3λ/4
aufweisen.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 8 und 9 bringt den wesentlichen
Vorteil mit sich, daß bei
der elektrostatischen Aktuierung im wesentlichen nur die an die
Kavität 3 grenzende,
innerste und mit der größten Ladung
behaftete Membran bzw. Schicht A1 bewegt und zur Änderung
der Länge
L der Kavität 3 verwendet
wird, während
die übrigen
Schichten A2, A3 usw. auch im aktuierten Zustand im wesentlichen ihre
ursprüngliche
Lage bzw. Form beibehalten, selbst wenn sie ebenfalls geringfügig aufgeladen werden.
Mit anderen Worten wird zur Durchstimmung des Bauelements von der
langwelligen bis zur kurzwelligen Grenze nur die innerste Schicht
A1 benötigt, wobei
die Verformung der zweiten Schicht B1 der ersten Schichtenperiode
während
der Aktuierung außer
Betracht gelassen wird. Dagegen können alle übrigen Schichtenperioden Ai,
Bi wahlweise alle identisch ausgebildet und an eine vorgewählte Design-Wellenlänge angepaßt sein
oder unterschiedlich ausgebildet und im Sinne der obigen Bechreibung
so dimensioniert werden, daß sich
innerhalb des Durchstimmbereichs für mehrere durchzulassende Wellenlängen günstige bzw.
gleichförmige
optische Eigenschaften ergeben.
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Die
Struktur mit Schichtdicken- und Brechungsindexvariation ("chirp") wenigstens eines
der beiden DBR-Spiegel 1, 2 kann in den bisherigen
Ausführungsbeispielen
daher folgenden Zwecken dienen. Zum einen ermöglicht die innerste, sehr dünne Schicht
A1 die Herstellung eines vergleichsweise breiten spektralen Durchstimmbereichs
bei vergleichsweise kleiner maximaler elektrischer Aktuationsspannung.
Zum anderen können
völlig
unabhängig
davon die übrigen
Schichten im Sinne der 1, 2, 3 und 5 so
ausgebildet und bemessen werden, wie es für gute und gleichmäßige optische
Eigenschaften innerhalb des gesamten Durchstimmbereichs sowie für einen
stabileren mechanischen Aufbau erforderlich ist. Beide Funktionen
werden in diesem Beispiel erfindungsgemäß einfach dadurch erreicht,
daß die Dicke
wenigstens einer ersten Schicht A1 einer ersten Schichtenperiode
I dünner
als die ersten Schichten der anderen Schichtenperioden II bis IV
gewählt wird.
Dadurch weist das Bauelement wie im Fall der 3 bis 7 im
nicht aktuierten Zustand eine derart optimierte Variation der Schichtdicken
und/oder Brechungsindizes in ±z-Richtung
(4 und 5) auf, daß das unterschiedliche Verhalten
der verschiedenen Schichten, das sowohl durch das mikromechanische Verbiegen
bzw. Bewegen der beteiligten Membranen bzw. Tragarme usw. als auch
durch spektrale Schwankungen der optischen Eigenschaften bedingt sein
kann, berücksichtigt
bzw. kompensiert wird.
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Im übrigen ist
klar, daß beim
Ausführungsbeispiel
nach 8 und 9 wie bei allen anderen Ausführungsbeispielen
die Summe aus den Dicken dAi + dBi der beiden Schichten einer jeden Schichtenperiode
im wesentlichen gleich λ/2
(bzw. 3λ/2,
5λ/2), bezogen
auf eine ausgewählte
Wellenlänge
innerhalb des Durchstimmbereichs, betragen sollte.
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Desweiteren
kann die Schichtvariation ("Chirping") bei Anwendung der
Erfindung mit besonderem Vorteil derart ausgeführt werden, daß sich eine
Filtercharakteristik 41 gemäß 10 ergibt. Die bekannte Filtercharakteristik
(gepunktete Linie 40) eines "unchirped" Fabry-Perot-Filters erweist sich derzeit
als problematisch, da die zum selektierten Übertragungskanal benachbarten
Kanäle
nur begrenzt abgeschwächt
werden können.
Eine rechteckförmige oder
rechteckähnlichere
Filtercharakteristik wäre wünschenswert,
da in diesem Fall die Filtertransmission der benachbarten Kanäle maximal
abgeschwächt
würde.
Die erfindungsgemäße Lösung führt zu einer
deutlichen Verbesserung der bekannten Filtercharakteristik 40.
In 10 ist zu erkennen, daß die Seitenflanken
der Filtercharakteristik 41 deutlich steiler als bei der
bekannten Filtercharakteristik 40 vom Transmissionsmaximum
nach beiden Seiten abfallen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Beispielsweise kann bei
den Ausführungsbeispielen,
bei denen die Schichtenperiode aus je einer Luftschicht und einer Festkörperschicht
bestehen, die Luft durch ein beliebiges Fluid ersetzt werden, das
sowohl ein Gas als auch eine Flüssigkeit
oder ein flüssigkristallines
Material sein könnte.
Je nach Fall wird das Bauelement dann mit einem gas- oder flüssigkeitsdichten
Gehäuse
umgeben. Weiter können
für die
Festkörperschichten
anstelle der angegebenen Materialien auch andere dielektrische,
p- bzw. n-leitend gemachte halbleitende oder auch metallähnliche
Materialien verwendet werden. Möglich
ist es natürlich
auch, jeweils den ersten anstatt des zweiten DBR-Spiegels mit einem
Grundkörper
zu verbinden, wobei es für den
Fall, daß das
Bauelement ein Laser ist (z. B. 8 und 9), besonders zweckmäßig wäre, den Grundkörper aus
einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit herzustellen, um die
beim Laserbetrieb entstehende Wärme
ableiten zu können.
Weiter können
die erfindungsgemäßen Bauelemente auch
in Detektoren und anderen Geräten
Anwendung finden, und die Aktuierung kann auf andere, z. B. mikrothermische
Weise vorgenommen werden, indem z. B. eine gezielte Erwärmung des
Bauelements vorgesehen wird. Ferner ist es möglich, das Bauelement mit mehr
als zwei DBR-Spiegeln und entsprechend mit weiteren, zwischen diesen
liegenden Kavitäten
irgendeiner vorgewählten
Länge zu
versehen, um dadurch eine noch größere Variation des Durchstimmbereichs
zu ermöglichen,
wobei jeweils einer, mehrere oder alle DBR-Spiegel im Sinne der
obigen Beschreibung ausgebildet sein können. Außerdem können die Schichtenperioden
abweichend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen natürlich auch jeweils
mehr als zwei Schichten aufweisen, wenn auch die Anwendung von Schichtenpaaren
einfacher und kostengünstiger
ist. Weiter können
in den beschriebenen Bauelementen jeweils unterschiedliche DBR- Spiegel verwendet
werden, d. h. die Schichtenperioden eines der DBR-Spiegel können aus
je zwei Festkörperschichten,
die Schichtenperioden eines anderen DBR-Spiegels desselben Bauelements
dagegen aus je einer Festkörper-
und einer Fluidschicht bestehen. Die Zahl der im Einzelfall vorgesehenen Schichtenperioden
bzw. -paare kann dabei in Abhängigkeit
von den Bedürfnissen
des Einzelfalls ganz unterschiedlich gewählt werden. Schließlich versteht sich,
daß die
verschiedenen Merkmale auch in anderen als den dargestellten und
beschriebenen Kombinationen angewendet werden können.