DE2639221A1 - Epitaktische laseraktive schicht aus nd tief 1-x y tief x p tief 5 o tief 14 auf einem substrat aus gd tief 1-z y tief z p tief 5 o tief 14 - Google Patents

Description

SIEI-IENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München ■ VPAB P 7 1 O 9 BRD

Epitaktische laseraktive Schicht aus N^d-i T_xPrO-I λ auf einem Substrat aus ^Gdi_z ^Y _z ^P5°-i4

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer wellenleitenden, laseraktiven Epitaxieschicht auf einem Substrat.

Laser !lassen sich als Lichtquellen oder Lichtverstärker in optischen Schaltungen gut integrieren, wenn der laseraktive

Bereich die Form eines optischen Wellenleiters hat. Bei Festkörperlasern ist es notwendig, daß der laseraktive Stoff als dünne Schicht oder Streifen auf einem schwächer brechenden Substrat hergestellt werden kann.
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Aus der Druckschrift H.G. Danielmeyer, Festkörperprobleme XV (1975) S. 253 - 277 sind stöchiometrische Nd-Lasersubstanzen bekannt, die eine hohe Lichtverstärkung besitzen. Laser aus diesen Materialien lassen sich bis auf Längen von der Größen-Ordnung 1 mm miniaturisieren.

Aus dieser Druckschrift ist als Lasermaterial Neodym-Penta-Ultraphosphat (NdPj-O,./ ) bekannt. Dieses Material hat neben der hohen Verstärkung ausgezeichnete spektrale Lasereigenschaften und eine unbegrenzte Betriebslebensdauer. Jedoch besitzt diese.s Material den Nachteil, leicht ferroelastische Zwillingsdoraänen zu bilden. Diese Domänen v/irken optisch als Streuzentren und können damit einen stabilen Laserbetrieb stören.

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30.8.1976 / Rtd 17 Htr

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Aus der Druckschrift H.G. Danielmeyer, J.P. Jeser, E. Schönherr, W. Stetter, Journal of Crystal Growth (1974) S.*298 - 302 ist es bekannt, die Neodym-Ionen! teilweise durch Yttrium-Ionen zu ersetzen. Damit können die Lasereigenschaften des Neodym-Penta-Ultraphosphat verbessert werden, da die Bildung von Zwillingsdomänen unterbunden wird.

In dieser Druckschrift ist auch angegeben, wie Kristalle aus diesem Material gezüchtet werden können. Bislang war es jedoch nicht möglich, aus diesem Material Wellenleiterlaser herzustellen, da geeignete Substrate unbekannt waren.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung von Wellenleiterlasern aus diesem Material zu ermöglichen. 15

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche erfindungsgemäß die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 aufweisen.

Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt ein Substrat aus Gadolinium- Yttrium-Penta-Ultraphosphat, d.h. aus Gd,. Y PcO.,/., wobei ζ zwischen den Werten 0 und 1 liegt. Die laseraktive Schicht besteht aus Neodym-Yttrium-Penta-Ultraphosphat, d.h. aus Nd^ „Y P₁-O. wobei χ ebenfalls zwischen den Werten 1 und 0 liegt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat χ mindestens den Wert 0,86, ζ mindestens den Wert 0,67, wobei gilt ζ = 2,36 · χ - 1,36.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat χ'den Wert 0,86, ζ den Wert 0,67.

Dabei ist vorteilhaft, daß Zwillingsdomänen nicht auftreten können, wenn χ mindestens den Wert 0,86 annimmt.

Vorteilhaft ist, daß das laseraktive Material durch Epitaxie auf das Substrat gebracht werden kann. Diese Herstellungsweise ist gegenüber anderen Methoden einer Schichtherstellung vorzuziehen, da damit sicher eine einkristalline Abscheidung des laseraktiven Materials erreicht wird. Damit behält die laser-

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aktive Schicht aus NcL Υ_χΡ,-Ο-|Α die gleichen ausgezeichneten Eigenschaften wie das Massivmaterial. In der laseraktiven Schicht ist die Dämpfung für die Laserwellenlänge sehr gering, außerdem wird eine nur geringe Linienverbreiterung erzeugt.

Auf das erfindungsgemäße Substratmaterial sind insbesondere die folgenden Vorteile zurückzuführen:

1) Das Gitter des Substratmaterials ist auf das Gitter des laseraktiven Materials bis auf einen maximalen Fehler von 1 % angepaßt, so daß Gitterfehlordnungen beider Epitaxie und Spannungen zwischen den beiden Schichten vermieden werden.

2) Das Substratmaterial ist gegenüber dem-=Phosphorsäurebad, wie es bei der Epitaxie zur Herstellung der laseraktiven Schicht benutzt wird, chemisch stabil.

3) Das Substratmaterial hat nahezu den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das laseraktive Material. Zwischen

.500⁰C und Raumtemperatur gilt:
IcX - Oi₁. ( = 20 . 10~⁶K~¹,

S Li

dabei ist <*: der Ausdehiungskoeffizient des Substrates, H

S Jj

der Ausdehnungskoeffizient der laseraktiven Schicht.

4) Der Brechungsindex des Substratmaterials ist geringer als· der Brechungsindex der laseraktiven Schicht.

5) Das Substratmaterial enthält keine fluoreszenzlöschende Ionen. Dies ist besonders bei sehr dünnen laseraktiven Schichten wichtig.

6) Das Substratmaterial weist bei der Laserwellenlänge 1,05 /um keine Absorption auf.

Alle diese Vorteile werden in. optimaler Weise erreicht, wenn die laseraktive Schicht aus Nd_Q -j^Yq 86^P5°14 Gesteht und als Substrat Gd_Q «^Y _o g^O benutzt wird. Dies ist gleichbedeutend damit, daß χ den Wert 0,86 hat und ζ den Wert 0,67.

. B 0 9 8 1 0 / 0 1 5 1

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Ira allgemeinen, d.h. für beliebige Yttrium-Anteile im Material der laseraktiven Schicht ergibt sich das optimale Verhältnis der Gadolinium-Anteile zu den Yttrium-Anteilen im Substratmaterial., wenn gilt:
z= 2,36 χ - 1,36.

Dabei ist ζ der Mol-Anteil Yttrium im Kationengitter des Substrates (Gd., Y P 0.-), χ ist der Mol-Anteil Yttrium im

ι —Z Z K Tt

Kationengitter des Materials der laseraktiven Schicht (Nd.. Y P O₁^). Diese Beziehung gilt für die Ionenradien; R_Gd = 1,016 &, R = 1.077 S, Κ_γ = 0,971 Ä.

Die Herstellung der Substrate kann in der folgenden Weise erfolgen: In der bereits genannten Druckschrift von H.G. Danielmeyer et al. ist eine geeignete Apparatur beschrieben. Die Züchtung der Substratkristalle erfolgt in einem Phosphorsäurebad. Als Badbehälter dient wegen der aggressiven Phosphorsäure ein Goldbehälter.

Um möglichst große Substratkristalle zu erhalten, wird das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren tälweise abgewandelt. Die Phosphorsäure wird mit hochreinen Yttrium- und Gadoliniumr oxiden (YpO* ^xm^ GdpO·^) gemischt, dabei kommen 0,2 g dieser Oxide auf 10 g Phosphorsäure. Der Reinheitsgrad der Oxide beträgt mindestens 99,999 %. Das Mischungsverhältnis der Oxide zueinander ergibt sich aus den gewünschten Mol-Anteilen des Yttriums und des Gadoliniums im Substratmaterial, dh. bei der Herstellung von Gd.. .,Y-PcO_-1 λ beträgt das Mengenverhältnis Gadoliniumoxid:Yttrium-

• oxid demenlsprechend (1-2 Mol GdpO·*) : (z Mol Y_?0 ).

Diese Mischung der Oxide in der Phosphorsäure wird auf ca. 180⁰C erhitzt, diese Temperatur wird für ca. 2 Stunden gehalten. Damit wird die Phosphorsäure von Wasser befreit.

■ ο Nun wird die Mischung weiter erhitzt auf ca. 370 C, diese Temperatur wird für ca. 20 Stunden gehalten. Damit lösen sich die Oxide vollständig in der Phosphorsäure.

Diese Verfahrensschritte sind verhältnismäßig unkritisch, die

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jeweils angegebenen Temperaturen können auch für eine längere Zeit gehalten werden, jedoch' sind die genannten kurzen Haltezeiten vorteilhaft, da damit das Herstellungsverfahren beschleunigt wird.

Nachdem nun die Oxide vollständig in der Phosphorsäure gelöst sind, wird diese Lösung auf die Züchtungstemperatur gebracht, dabei hat sich 500 C als optimaler Temperaturwert herausgestellt. Nachdem diese Temperatur für ca. 12 bis 15 Stunden gehalten worden ist, werden in die Lösung Keimlinge aus Gd,, Y Pj-Oi mit der gewünschten Zusammensetzung eingebracht.

Die Temperatur von 50O⁰C wird für weitere 65 bis 68 Stunden gehalten, dann sind die Keimlinge auf ihre Endgröße von ca. 1 cm Kantenlänge mit guter optischer Qualität gewachsen.

Diese Kristalle werden nunmehr der Lösung entnommen. Dazu kann man die Lösung abkühlen lassen. Dann wird die Phosphorsäure mit heißem Wasser weggespült, so daß die Kristalle im Goldbehälter zurückbleiben.

Die Züchtungstemperatur wird also insgesamt für ca. 80 Stunden gehalten. Es ist nicht zweckmäßig, diese Haltezeit langer auszudehnen, da nach dieser Zeit das Kristallwach'stum praktisch abgeschlossen ist.

Die gezüchteten Substratkristalletesitzen eine ausgezeichnete Spaltbarkeit in der (OOi)-Ebene, damit lassen sich aus einem Kristall mit einer Basisfläche von 1 cm . 0,5 cm und einer Höhe von 0,4 cm, diese Kristallgröße ist typisch für das angegebene

2 Verfahren, leicht und schnell jeweils etwa 5 Substrate mit 0,5cm Basisfläche herstellen. Die Spaltbarkeit dieser Substratkristalle ist so gut, daß die Rauhigkeit der gesamten Spaltebene unterhalb von 10 nm liegt. Damit ist vorteilhaft ein aufwendiges Polieren der Substratoberflächen nicht mehr notwendige

Auf diesen Substraten lassen sich die laseraktiven Schichten epitaktisch aufbringen, dazu dient wiederum ein PhosphorSäurebad,

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in dem Neodym- und Yttriumoxide gelöst sind. Dieses Epitaxie-Verfahren entspricht der Herstellung der Kristalle für die Substrate. Entsprechend der gev/ünschten Zusammensetzung Nd_-1 „Υ_νΡςΟ^/ der laseraktiyen Schicht beträgt das Mengenverhältnis Neod3rmoxid : Yttriumoxid dementsprechend (1-x Mol Nd„O^ (x Mol Y₂O,). Als Keimlinge dienen die,...Substrate aus Gd,.Y Pk

4 Patentansprüche

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ORIGINAL INSPECTED

Claims (4)

1. 7δ P 7 1 O 9 BRD

   Patentansprüche

   . Anordnung mit einer laseraktiveriJ|Tjfi_#llehleitenden ScÜcht auf einem Substrat, dadurch g e k e !TTlT-^e- i -α h. net , daß das Substrat aus Gd,, Y Pf-O₁I besteht, wobei ζ zwischen 0 und 1 liegt, und daß die laseraktive Schicht aus Nd₁ Y P₁-O.. besteht, wobei χ zwischen den Werten O und 1 liegt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß χ mindestens den Wert 0,86 hat, und daß für ζ gilt: ζ = 2,36 χ -136.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß ζ - 0,67 und χ = 0,86 gilt.
4. 4. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß zur Herstellung des Substrates Phosphorsäure mit Oxiden der Elemente Y und Gd gemischt wird, wobei auf 10g Phorsphorsäure insgesamt 0,2 g der Oxide kommen, daß diese Mischung auf ca. 180⁰C erhitzt wird, daß diese Temperatur für mindestens 2 Stunden gehalten wird, daß dann die Mischung auf ca. 370 C erhitzt wird, daß diese Temperatur für mindestens 20 Stunden gehalten wird, daß dann die Mischung auf ca. 500°C erhitzt wird, daß diese Temperatur für ca. 80 Stunden gehalten wird, und daß ca. 12 bis 15 Stunden nach Erreichen dieser Temperatur in die erhitzte Mischung ein Keimling aus dem gewünschten Substratmaterial eingegeben wird.

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