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Die
Erfindung betrifft ein Mikrolaser-Bauelement der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Gattung und ein Verfahren zu dessen
Herstellung.
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In
der Kommunikationstechnik werden zunehmend optische, mit Lichtwellenleitern
arbeitende Übertragungssysteme
vorgesehen. Während
geeignete Lichtwellenleiter früher überwiegend
aus Glasfasern bestanden, wird heute immer häufiger die Anwendung von sog.
Polymerfasern vorgeschlagen, die aus polymerisierten Kunststoffen
wie z. B. Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder Polystyrol hergestellt
werden. Ein Vorteil dieser Polymerfasern besteht darin, daß sie für die Massenproduktion
geeignet und kostengünstig
herstellbar sind. Das gilt unabhängig
davon, ob das Licht z. B. für
Telekommunikationszwecke über
vergleichsweise lange Distanzen oder für die reine Datenkommunikation über vergleichsweise
kurze Entfernungen übertragen
werden soll, beispielsweise bei Hausverkabelungen, zur Verbindung
oder Vernetzung von Computern oder zur Kommunikation zwischen den
verschiedenen Baugruppen eines einzelnen Computers. Im Vergleich zur
bisherigen Technik könnte
mit Lichtwellenleitern dieser Art eine beträchtliche Erhöhung der Übertragungskapazität erzielt
werden.
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Zur
Realisierung der Datenkommunikation mit Hilfe von Lichtwellenleitern
werden jedoch auch Sender in Form von entsprechend preisgünstigen und
für die
Massenfabrikation geeigneten Lasern benötigt. Anders als bei der Telekommunikation
sind hier die zukünftig
zu erwartenden Stückzahlen
sehr groß,
da pro Computer z. B. 200 und mehr Laser erforderlich werden.
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Ein
Problem bei der Anwendung von Polymerfasern für die Datenkommunikation besteht
bisher darin, daß sie
ihre geringste Absorption bei Wellenlängen um 550 nm haben und daher
Laser erfordern, deren Emissionsmaximum im wesentlichen im grünen und
grüngelben
Wellenlängenbereich
von ca. 500 nm bis 580 nm liegt. Laser, die in diesem Bereich emittieren,
sind insbesondere in Form von Farbstofflasern bekannt. Derartige
Laser sind jedoch für
die Datenübertragung
in oder an Computern weitgehend unbrauchbar, weil sie zusätzliche
Bauteile wie z. B. Umwälzpumpen
für die
Farbstoffe erfordern und daher einerseits für diesen Anwendungszweck zu
teuer sind und andererseits nur mit Abmessungen hergestellt werden
können,
die im Vergleich zu den in Mikrobauweise hergestellten Bauelementen
moderner Computer zu groß sind.
Dasselbe gilt für
ebenfalls bekannte grüne
Argonionenlaser (ca. 514 nm) und frequenzverdoppelte Neodym-YAG-Laser
(ca. 532 nm). Schließlich
sind für
die Herstellung von grünen Lasern
mit kleinen Baugrößen zwar
auch bereits geeignete Halbleitermaterialien wie z. B. Cadmiumsulfid
oder Zinktellurid bekannt, doch haben über viele Jahre erstreckte
Forschungen mit derarigen Materialien ergeben, daß diese
eine begrenzte Lebensdauer haben und daher nicht sinnvoll eingesetzt
werden können.
Eine weitere Möglichkeit
stellen frequenzverdoppelte Diodenlaser dar, welche jedoch optisch nichtlineare
Kristalle und zusätzliche
Optiken benötigen
und daher relativ große
Abmessungen aufweisen.
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Außer den
beschriebenen, durchweg kantenemittierenden Lasern sind sogenannte
oberflächenemittierende
Laser (Vertical Cavity Surface Emittung Lasers = VCSEL's) bekannt, deren
Grundbausteine aus Mikrolaser-Bauelementen der eingangs bezeichneten
Gattung bestehen und sich durch eine Vertikal-Resonator-Struktur
auszeichnen. Derartige Bauelemente weisen in der Regel zwei DBR-Spiegel (=
Distributed Bragg Reflektor) und eine zwischen diesen liegende Fabry-Perot-Kavität auf, in
der ein laseraktiver Bereich angeordnet ist, der z. B. aus wenigstens
einem sog. MQW-Element
(Multiple Quantum Wells) bestehen kann (vgl. z. B. PCT-WO 99/34484
A2 US 2002/0034203 A1). Die Verstärkung erfolgt hier nur in dem
mittleren, laseraktiven Bereich, während die DBR-Spiegel dem Zweck
dienen, die Reflektivität
der an den laseraktiven Bereich grenzenden Spiegelflächen dadurch
zu vergrößern, daß sie aus
Schichtenperioden aufgebaut werden, die aus je zwei Schichten mit
unterschiedlichen Brechungsindizes bestehen, daher vielfältige Reflexionen
ermöglichen
und dadurch die Resonatorwirkung verbessern. Die geometrischen Dicken
d und Brechungsindizes n dieser Schichten sind näherungsweise durch diejenige
Wellenlänge λ festgelegt,
die emittiert werden soll, weshalb alle Schichten als λ/4-Schichten
od. dgl. ausgebildet sind (z. B. n·d = λ/4, 3 λ/4 .... usw.). Dadurch, daß in der
Kavität
neben den laseraktiven Materialien auch Luftschichten vorgesehen
werden, kann der Laser in seiner Wellenlänge abgestimmt werden (z. B.
WO 99/34484 A2). Die Auskopplung des Laserstrahls erfolgt an derjenigen Breitseite
der Vertikal-Resonator-Struktur, an der sich die kleinere Reflektivität ergibt.
Die Modenselektion beruht hier auf den Sprüngen des Realteils des Brechungsindex.
Außerdem
sind die laseraktiven Schichten so dünn ausgebildet und so angeordnet, daß sie in
den Bereich eines der Intensitätsmaxima der
stehenden Resonatorwelle fallen. Laser dieser Art sind allerdings
wenig effektiv, da das Licht zwar in den DBR-Spiegeln vielfach reflektiert,
aber jeweils nur einmal in einem vergleichsweise dünnen laseraktiven
Bereich verstärkt
wird. Der Wirkungsgrad ist daher klein. Abgesehen davon ergibt sich
bei solchen Lasern wie bei kantenemittierenden Lasern die Schwierigkeit,
dem emittierten Licht eine beliebige vorgewählte, insbesondere im grünen Wellerilängenbereich
liegende Wellenlänge
zu geben.
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Auf
einem ähnlichen
Wirkungsprinzip beruhen andere bekannte oberflächenemittierende DFB-Laser
(z. B.
US 4 675 876 ),
bei denen die laseraktiven Zonen aus Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen
und unterschiedlichen Brechungsindices bestehen.
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Neben
den oben beschriebenen oberflächenreflektierenden
Lasern, deren Schichten aus anorganischen Halbleitern aufgebaut
sind, sind auch bereits solche bekannt, die bei im wesentlichen
gleichen Aufbau aus organischen Materialien hergestellte, laseraktive
Schichten aufweisen (
US
6 160 828 A ,
EP
1 333 550 A2 ). Schließlich
ist es bei optisch gepumpten Festkörperlasern bekannt, das optische Pumpen
mit in eine Schichtenfolge des Lasers integrierten, Licht emittierenden
Dioden (LEDs) vorzunehmen (
US
5 796 771 A ).
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Außer für die Kommunikationstechnik
werden Mikrolaser-Bauelemente, die Licht mit einer vorgewählten Wellenlänge emittieren,
auch für
zahlreiche andere Anwendungszwecke benötigt. In der Sensorik kann
z. B. die Aufgabe gestellt sein, bestimmte Gase oder Flüssigkeiten
zu detektieren. Hierzu könnten
Laser verwendet werden, die bei einer ganz bestimmten Wellenlänge emittieren,
die z. B. vom jeweiligen Gas bzw. von der jeweiligen Flüssigkeit
bevorzugt absorbiert wird. In diesem Fall besteht daher ein Bedarf
an Lasern, die nicht nur preisgünstig
und in Mikrobauweise herstellbar sind, sondern auch in einfacher
Weise auf eine vorgewählte Emissionswellenlänge eingestellt
werden können. Dabei
könnten
außer
Emissionen im grünen
Bereich auch solche in anderen sichtbaren Bereichen oder z. B. auch
mittleren im Infrarotbereich erwünscht
sein.
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Ausgehend
davon liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, das eingangs
bezeichnete Mikrolaser-Bauelement mit Vertikal-Resonator-Struktur
dahingehend zu verbessern, daß seine
Emissionswellenlänge
weitgehend frei bestimmt werden kann, ein höherer Wirkungsgrad erreicht
wird und dennoch eine preisgünstige
Herstellung in Mikrobauweise möglich
ist.
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Zur
Lösung
dieses Problems dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und
7.
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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 schematisch
das Absorptionsverhalten einer beispielhaften Polymerfaser in Abhängigkeit
von der Wellenlänge λ des durchgehenden Lichts;
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2 mit
durchgezogener Linie schematisch das bevorzugte spektrale Verstärkungsprofil (gain
profile) eines für
die Polymerfasern nach 1 besonders gut geeigneten Lasers,
während
mit gestrichelten Linien in etwa der heutige Stand bezüglich der
Effizienz erhältlicher "blauer" bzw. "roter" Halbleiterlaser
wiedergegeben ist;
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3 einen
schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikrolaser-Bauelement;
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4 und 5 in
verkleinerten Maßstäben Schnitte
durch einzelne Schichten des Bauelements nach 3;
und
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6 schematisch
eine stehende Welle bei Anwendung des Bauelements nach 3.
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1 zeigt
das Absorptionsspektrum einer handelsüblichen, preisgünstigen
Polymer faser. Das Absorptionsminimum liegt z. B. bei 560 nm. Zur Übertragung
von Lichtwellen durch eine solche Polymerfaser würde sich daher bevorzugt ein
Laser eignen, der bei derselben Wellenlänge ein Emissionsmaximum besitzt.
Dieses Emissionsmaximum sollte im Ausführungsbeispiel im grünen Teil
des sichtbaren Spektrums entsprechend einer in 2 durchgezogen
dargestellten Linie liegen. Mit gestrichelten Linien sind in 2 außerdem die
spektralen Emissionskurven von Lasern gezeigt, die im blauen Teil
(links) bzw. im roten Teil (rechts) des Spektrums ihr Maximum haben.
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Zur
Herstellung eines Lasers, der in irgendeinem vorgewählten Wellenlängenbereich
des sichtbaren Spektrums emittiert, wird erfindungsgemäß entsprechend 3 vorgegangen.
Danach enthält
ein Mikrolaser-Bauelement 1 eine Mehrzahl von Schichtenperioden
I bis VII, die jeweils aus dünnen,
im wesentlichen planparallelen, ersten und zweiten Schichten A1
bis A7 bzw. B1 bis B7 aufgebaut sind, wobei alle Schichten Ai, Bi
mit ihren Breitseiten aneinander grenzen und dadurch einen Stapel
von übereinander angeordneten
Schichten bilden. Die Schichten Ai, Bi unterscheiden sich zumindest
in einer wesentlichen Eigenschaft voneinander, nämlich dadurch, daß die ersten
Schichten Ai aus einem laseraktiven Material bestehen, das in einem
vorgewählten
Wellenlängenbereich
Licht emittieren kann, während
die zweiten Schichten Bi aus einem Material bestehen, das nicht laseraktiv,
aber im ausgewählten
Wellenlängenbereich
absorptionsarm ist. Außerdem
unterscheiden sich die Schichten Ai und Bi durch ihre parallel zur z-Achse
eines gedachten Koordinatensystems gemessenen Dicken d und ihre
Brechungsindizes n, wobei vorzugsweise für jede einzelne erste Schicht die
Gleichung dAi = a·λ/(4·nAi) und
für jede
einzelne zweite Schicht B die Gleichung dBi = b·λ/(4·nBi) erfüllt ist. Darin bedeuten dAi,
dBi die jeweiligen geometrischen Schichtdicken, a und b ganze ungerade Zahlen
und nAi, nBi die Brechungsindizes der Schichten Ai bzw. Bi. Dagegen
ist λ eine
im ausgewählten
Wellenlängenbereich
und vorzugsweise in dessen Maximum (2) oder
in dessen Nähe
liegende Wellenlänge
im Vakuum.
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Gemäß 3 bilden
die Schichtenfolgen I bis VII eine einstückige, fest zusammen hängende Baueinheit,
die mit der ersten Schicht A1 an der einen Breitseite eines Substrats 2 befestigt
ist und zusammen mit diesem das Mikrolaser-Bauelement 1 bildet.
Diese Bauweise entspricht der Vertikal-Resonator-Struktur eines üblichen
VCSEL insoweit, als die Lichtemission im angeregten Zustand über die freie,
parallel zur xy-Ebene des gedachten Koordinatensystems liegende
Breitseite 3 des Subtrats 2 oder die dazu parallele
freie Breitseite 4 der in 3 obersten
Schicht B7 erfolgt. Der gesamte Bereich zwischen den Breitseiten 3 und 4 des
Bauelements 1 bildet den Resonator des Mikrolaser-Bauelements 1.
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Zur
Fertigstellung eines betriebsfähigen
Lasers ist das Mikrolaser-Bauelement 1 zumindest noch mit
einer Pumpquelle 5 zu versehen. Diese kann z. B. aus einer
unterhalb des Substrats 2 angeordneten, in 3 schematisch
angedeuteten Lichtquelle bestehen, die Licht 6 mit einer
geeigneten Pumpenergie aussendet. In Abhängigkeit von verwendeten laseraktiven
Material kann die Pumpquelle 5 kontinuierlich oder im Pulsbetrieb
arbeiten. Dabei wird gegebenenfalls mit einer Beschichtung der Breitseite 3 bzw.
des Bragg-Spiegels dafür
gesorgt, daß diese
für das
Licht 6 der Pumpquelle im wesentlichen durchlässig, für das von
den laseraktiven Schichten Ai erzeugte Licht dagegen im wesentlichen
reflektierend ist. Bei einer Lichtemission des Bauelements 1 mit λ ≈ 560 nm kann
das Pumpen z. B. mit einer Halbleiterlaserdiode mit der Lichtwellenlänge von
ca. 400 nm bis 450 nm erfolgen. Alternativ können aber auch andere Pumpquellen
vorgesehen werden. Insbesondere könnte eine elektrische Pumpquelle
vorhanden sein, die von den Seitenkanten der Schichten Ai her Elektronen
und/oder Löcher injiziert.
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Die
Herstellung des Bauelements 1 nach 3 erfolgt
vorzugsweise mit Hilfe der sog. Opferschichttechnologie, die in
der Mikromechanik beispielsweise zur Herstellung von DBR-Spiegeln,
VCSEL's od. dgl.
angewendet wird. Diese Technologie ist grundsätzlich z. B. aus dem Buch "Mikrosystemtechnik
für Ingenieure" von W. Menz, J.
Mohr, 2. Aufl., VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69451 Weinheim, S.
218-220 und 285-287 bekannt, das hiermit durch Referenz zum Gegenstand
der vorliegenden Offenbarung gemacht wird. Für den speziellen Fall der Herstellung
von DBR-Spiegeln, die ähnlich
wie das Bauelement 1 aufgebaut sind, ist es außerdem bekannt,
auf ein z. B. aus Indiumphosphid (InP) bestehendes Substrat übereinander
liegende, ebenfalls aus InP bestehende Halbleiterschichten und aus
Gallium-Indium-Arsenid
(GaInAs) bestehende Opferschichten aufzubringen, diese ggf. durch
Anwendung üblicher
Maskierungs- und vertikaler Ätztechniken
zu strukturieren und anschließend
durch laterales Ätzen Teile
der Opferschicht überall
dort zu entfernen, wo frei stehende Zonen entstehen sollen. Zur
Vermeidung von Wiederholungen wird in diesem Zusammenhang zusätzlich auf
die beiden Veröffentlichungen "Potential for micromachined
actuation of ultra-wide continuously tunable optoelectronic devices" von H. Hillmer,
J. Daleiden, C. Prott, F. Römer,
S. Irmer, V. Rangelov, A. Tarraf, S. Schüler und M. Strassner in (invited)
Applied Physics, B., Vol. 75, 3-13, 2002 und "Record tuning range of InP-based multiple air-gap
MOEMS filter von J. Daleiden, V. Rangelov, S. Irmer, F. Römer, M.
Strassner, C. Prott, A. Tarraf und H. Hilmer in Electronics Letters,
Oct. 2002, Vol. 38, No. 21, S. 1270 verwiesen. Diese beiden Dokumente
werden hiermit ebenfalls durch Referenz zum Gegenstand der vorliegenden
Offenbarung gemacht.
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Die
Herstellung des Bauelements 1 erfolgt unter Anwendung dieser
Technologie dadurch, daß auf
dem Substrat 2 zunächst
durch bekannte Abscheidungstechniken wie z. B. verschiedene Epitaxieverfahren
(z. B. MOCVD = Metalorganic Chemical Vapor Deposition oder MBE =
Molecular Beam Epitaxy) od. dgl. zunächst abwechselnd erste Opfer-
und zweite Halbleiterschichten aufgebracht werden. Die Opferschichten
sind im unteren Teil der 3 durch ein schraffiert dargestelltes
Opfermaterial 7 im Bereich der Schichten A1, A2 angedeutet,
während
die Schichten B1 bis B7 durchgehend aus einem Halbleitermaterial 8 hergestellt
sind. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Bauelement 1 bei
Bedarf durch Anwendung üblicher
Maskierungs- und vertikaler Ätztechniken
strukturiert. Daran anschließend wird
das Bauelement 1 lateral, d. h. senkrecht zur z-Achse mit
einem geeigneten Ätzmittel
bearbeitet, wobei die Schichten Bi derart unterätzt werden. daß das zwischen
ihnen befindliche Opfermaterial 7 beseitigt wird und mit Ätzflüssigkeit
gefüllte
Hohlräume 9 entstehen,
wie in 3 im Bereich der Schichten A3, A4 angedeutet ist.
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Während dieses
Vorgangs wird das Opfermaterial 7 an den Seitenkanten des
Bauelements 1 zweckmäßig mit
geeigneten Masken abgedeckt, damit beim Ätzvorgang aus dem Opfermaterial 7 bestehende
Abstandhalter 10 stehen bleiben, die die zweiten Schichten
Bi auch nach der Bildung der Hohlräume 9 auf Abstand
halten. Wie 4 im Schnitt durch eine Schicht
Bi zeigt, bildet das Halbleitermaterial 8 durchgehende
Schichten Bi in Form von planparallelen Scheiben mit einer quadratischen
Grundform, während
die Abstandhalter 10 z. B. jeweils in den vier Ecken der
quadratischen Grundform angeordnet sind und die Hohlräume 9 bilden,
wie 5 als Schnitt durch eine der Schichten A3 bzw.
A4 zeigt.
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Abschließend wird
erfindungsgemäß ein laseraktiver
Farbstoff 11 in die Hohlräume 9 eingebracht,
wie in 3 für
die Schichten A5 bis A7 angedeutet ist. Dies kann beispielsweise
dadurch erfolgen, daß das
Bauelement 1 wie beim Wegätzen des Opfermaterials 7 mit
einem ausreichend fließfähigen oder
fließfähig gemachten
Farbstoff 11 in Berührung gebracht
oder in diesem getränkt
wird. Alternativ wäre
es möglich,
die Ätzlösung allmählich durch
den Farbstoff 11 auszutauschen, d. h. die Ätzlösung gegen
Ende des Ätzvorgangs
zunächst
langsam und dann immer mehr mit dem Farbstoff 11 auszuspülen bzw.
zu verdünnen,
bis schließlich
nur noch der Farbstoff 11 in den Hohlräumen 9 vorhanden ist.
Abschließend
kann der Farbstoff 11 dem Aushärten überlassen oder mit UV-Licht
od. dgl. ausgehärtet
werden. Alternativ ist es aber auch möglich, den Farbstoff 11 in
den Hohlräumen 9 in
seinem fließfähigen Zustand zu
belassen und das gesamte Bauelement 1 einzukapseln bzw.
nach außen
abzudichten. Ferner ist auch ein Einschmelzen des Farbstoffs 11 denkbar,
indem an die Außenseite
des Bauelements 1 ein entsprechender Festkörper angelegt
und erhitzt wird, um die dadurch verflüssigte Masse in die Hohlräume 9 einfließen zu lassen.
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Beim
beschriebenen Bauelement 1 handelt es sich um einen komplex
gekoppelten Laser, bei dem im Gegensatz zu einem herkömmlichen
VCSEL eine Verstärkung
nicht nur in einer einzelnen, mittleren Zone, sondern in jeder ersten
Schicht Ai erfolgt, wodurch sich ein erheblich vergrößerter Wirkungsgrad
ergibt. Insbesondere wird dadurch eine periodische Variation der
Verstärkung über die
ganze in z-Richtung erstreckte Höhe
des Bauelements 1 erhalten, so daß einer theoretischen Betrachtung
der komplexe Brechungsindex n =
n – j·κ zugrunde
zu legen wäre,
in dessen Imaginärteil
die Verstärkung
als negativer Verlust (Absorption) zum Ausdruck kommt. In einem
solchen Bauelement 1 werden sehr bevorzugt nur Wellen verstärkt, die
ihre Bäuche
(Extremwerte) genau dort haben, wo die Verstärkung maximal ist, d. h. im
wesentlichen in den Mitten der Schichten Ai, während die Knoten dort liegen,
wo keine Verstärkung
vorhanden ist, d. h. im wesentlichen in den Mitten der Schichten
Bi. Dieser Zustand ist schematisch in 6 angedeutet,
in der die schraffierten Bereiche 12 die laseraktiven Schichten
Ai von 3 und eine Linie 14 eine im Bauelement 1 gebildete,
stehende Welle andeuten. Daraus ergibt sich gleichzeitig das Auswahlkriterium
für die
vom Mikrolaser-Bauelement 1 emittierte Wellenlänge λ. Im übrigen wird
das Licht einerseits wie in einem DBR-Spiegel vielfach reflektiert,
andererseits in den Schichten Ai zusätzlich vielfach verstärkt. Die
Reflexion erfolgt dabei an allen Grenzflächen, und beim Sprung vom dichteren
zum dünneren
Medium entsteht zusätzlich
ein Phasensprung von 180°,
der bei Schichtdicken von a·λ/4 zur konstruktiven
Interferenz führt.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß in die
Hohlräume 9 (3)
praktisch jeder fließfähige oder
durch ein Lösungsmittel
od. dgl. fließfähig machbarer,
flüssiger
oder viskoser (Polymer-) Farbstoff eingebacht werden kann. Insbesondere
sind auch solche Farbstoffe geeignet, wie sie von den Farbstofflasern
her bekannt sind. Speziell zur Erzeugung eines im grünen Bereich
liegenden Laserstrahls könnte
z. B. der bekannte Farbstoff Rhodamin 6G verwendet werden,
dessen Fluoreszenzmaximum bei 581 nm liegt und bei dem die Wellenlänge entsprechend 1 und 2 mit
Hilfe der Formel dAi = a·λ/4·nAi auf
den gewünschten
Wert abgestimmt wird. Bei Bedarf können auch Farbstoffe in die
Hohlräume 9 eingebracht
werden, die in einem blauen oder roten Wellenlängenbereich liegen. Zur Erzeugung
eines grünen
Laserstrahls wären
solche Farbstoffe jedoch weniger gut geeignet, da sie gemäß 1 und 2 im
grünen
Bereich nur sehr wenig effektiv wären. Durch die Erfindung lassen
sich daher unter Anwendung der heute gut beherrschbaren Opferschichttechnologie
und bei entsprechender Wahl der Schichtdicken bzw. der Peridiozität kostengünstig und
in Mikrobauweise Laser mit weitgehend beliebigen Emissionswellenlängen herstellen.
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Für eine Emission
im grünen
Spektralbereich wird bei einem bevorzugten und bisher für am besten gehaltenen
Ausführungsbespiel
der Erfindung für das
Substrat 2 nach 3 GaAs (Galliumarsenid) und
die Halbleiterschichten Bi jeweils AlAs (Aluminium-Arsenid), AlAsP
(Aluminium-Arsen-Phosphid) oder AlAsN (Aluminium-Arsen-Nitrid) verwendet.
Als Opfermaterial 7 in den ersten Schichten Ai kommt GaAs
zum Einsatz, wobei das Substrat beim selektiven Entfernen der Opferschichten
geschützt
werden muß.
Alternativ sind aber auch andere Kombinationen möglich, z. B. GaN (Gallium-Nitrid)
für das
Substrat 2 und die Schichten Bi sowie InAlN (Indium-Aluminium-Nitrid)
für das
Opfermaterial 7. Eine dritte Möglichkeit besteht in der Verwendung
von Substraten aus ZuS (Zinksulfid), auf denen eine Bufferschicht
aus ZuSSe aufgebracht wird, die eine Schichtdicke aufweist, die
größer als
die kritische Schichtdicke ist, so daß die vom Substrat abgewandte
Seite der Bufferschicht relaxiert ist. Darauf werden dann alternierend
wie beschrieben die Opferschichten, die später durch den Farbstoff ersetzt
werden, und ZuS-Halbleiterschichten abgeschieden. Eine vierte Variante
geht von GaAs-Substraten und auf diese aufgebrachten GaInAs-Bufferschichten
aus, die eine Schichtdicke aufweisen, die größer als die kritische Schichtdicke
ist, so daß die
vom Substrat abgewandte Seite der Bufferschicht relaxiert ist. Darauf
werden dann alternierend GaAs-Opferschichten, die später durch
den Farbstoff ersetzt werden, und AlAs-Halbleiterschichten abgeschieden.
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Ein
vielversprechendes Ausführungsbeispiel für die Emission
im mittleren Infrarot mit einer Emissionswellenlänge von z. B. 2 μm–4 μm oder höher kann
dadurch erhalten werden, daß InP
zur Herstellung der periodischen Struktur dient, während in
die Hohlräume 9 ein
im Infrarot emittierender, zur Herstellung der periodischen Verstärkung bestimmter Farbstoff
eingebracht wird.
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Die
Opferschichten bzw. -materialien werden auf die beschriebene Weise
z. B. mit Eisenchlorid (FeCl3/H2O)
als Ätzmittel
teilweise wieder entfernt um die Hohlräume 9 auszubilden.
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Die
Berechnung der Schichtdicken dAi und dBi erfolgt beim gegebenen
Ausführungsbeispiel
dadurch, daß nach
der Wahl eines geeigneten Farbstoffs (z. B. 1 und 2)
zunächst
der Brechungsindex nAi in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
ermittelt wird. Das kann experimentell oder anhand von Tabellen
erfolgen, wie sie z. B. von der Fa. Lambda Physik AG, Göttingen,
für zahlreiche
laseraktive Farbstoffe herausgegeben werden. Soll z. B. λ = 560 nm
sein und der gewählte
Farbstoff Rhodamin 6G einen Brechungsindex nAi = 1,6 haben,
dann folgt daraus für
eine λ/4-Schicht diA = λ/(4·nAi) oder dAi = 560·10–9/(4·1,6) =
87,5 nmoder auch z. B. dAi = 3·560·10–9/(4·1,6) =
262,5 nm,wenn es sich um eine 3λ/4-Schicht anstatt um eine λ/4-Schicht
handeln soll. Analog wird nach Wahl eines Materials für die Schichten
Bi mit der Formel dBi = b·λ/(4·nBi)vorgegangen. Dabei
wird das Halbleitermaterial für die
Schichten Bi danach bestimmt, daß sich im ausgewählten Wellenlängenbereich
und insbesondere bei der gewählten
Wellenlänge
(z. B. λ =
560 nm) ein ausreichend kleiner Absorptionskoeffizient ergibt. Beispielsweise
kann vorgegeben werden, daß der Absorptionskoeffizient
gegenüber
der Wellenlänge λ nicht größer als α =
50 cm–1 oder
die Intensität
in den Schichten Bi auf Strecken von z = 1/50 cm auf höchstens
1/e ihres Werts abgefallen sein soll.
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Von
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
kann dadurch abgewichen werden, daß nicht in jeder Schicht Ai
derselbe Farbstoff, sondern in wenigstens einer der Schichten Ai
ein Farbstoff verwendet wird, der sich in wenigstens einer Eigenschaft
von dem Farbstoff wenigstens einer anderen Schicht Ai unterscheidet.
Je nach Brechungsindex müßte dann bei
gleicher Wellenlänge λ die Dicke
dAi jeder Schicht entsprechend unterschiedlich festgelegt werden.
Auch das Einbringen von Farbstoffmischungen in wenigstens einer
der Schichten Ai ist möglich.
Damit können
auf einfache und kostengünstige
Weise Laser mit ganz unterschiedlichen Farben bzw. Emissionswellenlängen erzeugt
werden.
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Weiter
können
bei dem beschriebenen Mikrolaser-Bauelement 1 zwei Fallgestaltungen
mit insgesamt vier unterschiedlichen Varianten betrachtet werden.
Bei dem derzeit für
am besten gehaltenen Fall, der oben beschrieben wurde, ist das Halbleitermaterial
in den zweiten Schichten Bi laseroptisch passiv, d. h. die Verstärkung nahezu
Null, während der
Farbstoff in den Schichten Ai aktiv und daher die Verstärkung hoch
ist. Dabei sind zwei Varianten möglich,
die sich aus den unterschiedlichen Brechungsindizes ergeben. Am
besten erscheint die Variante mit nBi > nAi, doch könnte zumindest theoretisch
auch nAi > nBi gewählt werden.
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Ein
besonderer und von der bisherigen Beschreibung abweichender Fall
liegt vor, wenn die ersten Schichten Ai aus einem laseraktiven Halbleiter- oder
Festkörpermaterial
und die zweiten Schichten Bi aus einem nicht laseraktiven Polymer
od. dgl. hergestellt werden. Dabei können die Polymerschichten Bi
z. B. dem Zweck dienen, einen hohen Brechungsindexkontrast herzustellen.
Alternativ könnten
die zweiten Schichten Bi aber auch aus einem dielektrischen Material
oder einem Halbleitermaterial hergestellt werden, in welchem Fall
die Anwendung von Opfermaterialien entfallen kann. Auch hierbei
sind zwei Varianten möglich,
nämlich
nAi > nBi oder nBi > nAi.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Dies gilt insbesondere
für die
nur beispielhaft angegebenen Mittel für die Energiezufuhr (Pumpquelle 5)
und für
die aus 4 und 5 ersichtliche
Querschnittsform sowohl des gesamten Bauteils 1 als auch
z. B. der Abstandhalter 10 (5). Weiter
kann die Zahl der verwendeten Schichtenperioden größer oder
kleiner als sieben (3) sein und z. B. in Abhängigkeit
von der verwendeten Materialkombination und der optischen Verstärkung auch
z. B. 5 bis 100 betragen. Dabei muß die Zahl der Schichten Ai,
Bi pro Periode auch nicht immer zwei sein. Insbesondere laserinaktive Schichten
Bi könnten
aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein. Auch die angegebenen
Materialien sind nur als bevorzugte, aber nicht ausschließlich verwendbare
Beispiele zu verstehen. Schließlich versteht
sich, daß die
verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und
dargestellten Kombinationen angewendet werden können.