DE4211899C2 - Mikrosystem-Laseranordnung und Mikrosystem-Laser - Google Patents

Mikrosystem-Laseranordnung und Mikrosystem-Laser

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrosystem-Laseranordnung, die sich aus einem Verbund miteinander kontaktierter Wafer zusammensetzt, und auf einen Mikrosystem-Laser.
Methoden zur Strukturierung von Halbleitermaterialien - wie Silizium und Galliumarsenid - beispielsweise durch anisotropes Ätzen sind bekannt. Bei allen entsprechenden Verfahren des Standes der Technik werden die einzelnen heterogenen Komponenten eines Mikrosystems jedoch auf einer gemeinsamen Basis integriert, was bedeutet, daß jedes System quasi einzeln gefertigt werden muß. Eine gleichzeitige Bearbeitung von ähnlichen Komponenten unter gleich­ zeitigem Entfallen jeglicher Justage oder Positionierung der Einzelkomponen­ ten ist nach dem Stand der Technik bisher nicht möglich, wie es beispielsweise aus der DE 40 41 130 A1 und der DE 39 25 201 C2 hervorgeht.
Aus der Druckschrift BOWER, R. W. et al. : Aligned Wafer Bonding: "A key to three dimensional Microstructures" in Z. : Journal of Elektronic Materials, Vol. 20, No. 5, 1991, S. 383-387, ist ein Verfahren bekannt, mithilfe dessen eine justierte Kontaktierung von mehreren Wafern vorgenommen wird. Aus der Schrift geht jedoch nicht hervor, in welcher Weise diese dreidimensionalen Strukturen erzeugt werden.
Aus der Druckschrift WO 92/03 862 ist eine zweidimensionale Anordnung von Mikrochip-Lasern bekannt, welche dadurch hergestellt wird, daß man ein zweidimensionales Array von Laserdioden einer zweidimensionalen Anord­ nung von Mikrochip-Lasern zuordnet, so daß insgesamt eine zweidimensionale Anordnung von diodengepumpten Festkörperlasern erhalten wird. Die Funk­ tionalität der flächenhaften Laseranordnung ist nur durch Justage der gesamten Ebenen von Pumplaserdiode und Mikrochip-Laser - auch während des Betrie­ bes - möglich.
Aus der EP 0 366 974 A1 ist eine mehrdimensionale Anordnung von Halblei­ terschaltungen bekannt, die optisch miteinander derart kommunizieren, daß die Informationen der einzelnen Halbleiterschaltungen in optische Signale umge­ setzt und in einen mit den Ebenen dieser Schaltungen kontaktierten Wellen­ leiter eingekoppelt und an gegebener Stelle wieder ausgekoppelt werden. Ähnliches gilt auch für die Wo 87/04566, die sich ebenfalls auf eine optische Kommunikation zwischen Halbleiterschaltungen bezieht, welche auf unterschiedlichen Substratebenen angeordnet sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrosystem- Laseranordnung und einen Mikrosystem-Laser zu schaffen, die mit Hilfe bekannter Halbleiter-Strukturierung im Batchverfahren hergestellt sind und neben den horizontalen auch bevorzugt vertikale Strukturen zur Bildung der Mikrosysteme aufweisen, wobei alle Wafer zueinander justiert und miteinander kontaktiert sind und eine parallele und voneinander unabhängige Ansteuerung der Mikrosysteme ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 angegebenen Merk­ male gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbei­ spiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen
Fig. 1 eine Schemaskizze zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung vertikal strukturierter Microsystem-Laseranordnungen,
Fig. 2 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles zur Bildung einer Mikrosystem-Laseranordnung in einer Explosionsdarstellung mit Bezeichnung der einzelnen Systemfunktionen,
Fig. 3 ein Schemabild des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 mit eingezeichnetem Strahlengang in der Explosionsdarstellung,
Fig. 4 ein Schemabild des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 in Realdarstellung mit der Kontaktierung der einzelnen - spezifische Funktionen bildenden - Wafer.
In Fig. 1 sind sieben Wafer 100 bis 700 übereinander und miteinander kontaktiert, wobei die einzelnen Wafer spezifische Funktionen der Mikrosystem-Laseranordnung tragen. So können einzelne Wafer beispielsweise mikromechanische Verstellelemente (Aktuatoren), optische Komponenten (laseraktive Medien, Spiegel, abbildende Systeme), Sensoren, (Photodioden, Temperatur-, Druck- oder Wegsensoren etc. ), elektronische Komponenten (Dioden, Transistoren, integrierte Schaltkreise zur Ansteuerung der Komponenten, zur Auswertung der Sensoren und Ableitung eines Regelsignales), Kühlsysteme (geregelte Mikrokühler) tragen oder eine Kombination davon. Vorzugsweise tragen die Wafer 100 bis 700 solche Strukturen, die einerseits im jeweils verwende­ ten Substrat gut herstellbar sind und andererseits in ähnlichen Prozeß­ verfahren strukturiert werden können.
Auch die elektrischen Kontaktierungen, können im wesentlichen in den Wa­ fern hergestellt werden. Diese unterschiedlichen Wafer, welche aus den bekannten Halbleitermaterialien, aber auch aus anderen in Waferform fer­ tigbaren Substraten wie etwa Glas, Quarz oder Kristall bestehen können, werden nach ihrer Strukturierung als Ganzes zueinander justiert - wobei z. B. optische oder mechanische Positionshilfen hilfreich sein können - nach den üblichen Verfahren (Bonden, optisches Kontaktieren) miteinander kontaktiert und entlang den Ebenen 10, 20, 30 . . . zerschnitten, so daß letztlich sich vorzugsweise vertikale Strukturen 1, 2 etc. ergeben, wel­ che komplette Mikrosysteme mit komplexen Funktionen darstellen.
Verzichtet man auf ein Zerschneiden der Wafer, so können flächenmäßige Anordnungen von Mikrosystemen parallel und unabhängig voneinander, ange­ steuert eingesetzt werden. Fig. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbei­ spiel eines Mikrosystem-Festkörperlasers. Dieser Laser besteht im vor­ liegenden Falle aus einem von Laserdioden gepumpten Festkörperkristall, wobei die Laserdiodenstrahlung über eine Koppeloptik 711, 712 in eine Kristallscheibe fokussiert wird, der Festkörperlaser in seiner Ausgangs­ leistung geregelt und in seiner Frequenz abstimmbar ist und letztlich auf eine Referenzkavität stabilisiert wird. Die durch die Laserdioden 641, 642 induzierte Wärmelast wird durch die Mikrokanalkühler 701, 702 aus dem System herausgeführt. Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus ei­ ner solchen Waferanordnung, typischerweise enthält jedoch ein Wafer eine Vielzahl solcher Elemente, wie sie in der Figur, die nachfolgend detail­ liert beschrieben wird, der Übersicht halber nur zweifach eingezeichnet sind.
Der Wafer 700 enthält in diesem Ausführungsbeispiel den Mikrokühler. Dieser Wafer selbst kann nun seinerseits aus einem Siliziumsubstrat 702 bestehen, in welches Kühlkanäle 701 geätzt sind, die durch einen zweiten planen Wafer 703 flächig verschlossen werden. Der Durchfluß durch einen solchen Mikrokühler ist beispielsweise durch integrierte Mikroventile regelbar.
Auf diesen Wafer 700 schließt sich der Wafer 600 an, der beispielsweise aus einem Gallium-Arsenid-Substrat 631 gefertigt ist. Hierin sind monolithisch die Pumplaserdioden 601, 602 integriert. Durch anisotropes Ätzen und gegebenenfalls durch optische Bedampfung sind Strahlumlenkelemente 611, 612 integriert, welche den horizontal emittierten Laserdiodenstrahl in die Vertikale umlenken. Nahe der Laserdioden 601, 602 sind Standard-Dioden 641, 642 strukturiert, welche als Temperatursensoren für die Laserdiodentemperatur dienen und aus welchen ein Regelsignal für die Kühlung ableitbar ist.
Der daran anschließende Wafer 500 umfaßt eine abbildende Optik 511, 512 zur Fokussierung der Pumplaserstrahlung in den Laserkristall. Die jeweilige Linse 511, 512 wird durch Formung des Siliziumsubstrates 501 für Infrarot- Wellenlängen, bei denen Silizium transparent ist, geformt, kann für andere Wellenlängen aber auch aus integrierten Glaslinsen oder -kugeln bestehen oder aber als holographisches optisches Element ausgebildet sein. Im letztgenannten Fall wird als Substrat 501 vorzugsweise Glas verwendet werden, in welchem durch Ätzprozesse ein Phasengitter eingeschrieben ist und welches die abbildenden Eigenschaften eines Linsensystems aufweist. In bestimmten Fällen kann Wafer 500 auch weggelassen werden.
Der anschließende Wafer 400 besteht aus einem Laserkristall oder Laserglas. Die polierte, mit Ionen der Lanthanoid-Gruppe dotierte laseraktive Schicht 402 ist beidseitig optisch beschichtet, und zwar so, daß die Schicht 403 einen optischen Kurzpaßfilter abgibt, der hochtransmittierend für die Pumplichtwellenlänge der Laserdiode und hochreflektierend für die Festkörperlaser-Wellenlänge ist. Das Coating 401 ist als Antireflexbeschich­ tung für die Laserwellenlänge und gegebenenfalls reflektierend für die Pumplichtwellenlänge ausgeführt.
Der Wafer 300 beinhaltet im wesentlichen aktiv kontrollierte Laserspiegel 331, 332 für den Festkörperlaser, die im wesentlichen aus einer für die Laserwel­ lenlänge teilreflektierenden Spiegelschicht bestehen, welche auf einem bei­ spielsweise Siliziumsubstrat 351 aufgedampft und als Transmissionsspiegel ausgeführt ist. Weiterhin ist zur aktiven Bewegung des Spiegels 331, 332 jeweils ein mikromechanischer Aktuator 311, 321 und 312, 322 angeordnet. Dieser Wafer 300 kann seinerseits zur geeigneten Ausbildung der Aktuator­ elemente aus zwei miteinander verbundenen Substraten 351 und 352 zusam­ mengesetzt sein, wobei in das obere Substrat noch Photodioden 341, 342 und 301, 302 eingelassen sind. Die beiden ersteren bilden Sensoren zur Messung der Laserausgangsleistung, die beiden letzteren Sensoren zur aktiven Fre­ quenzstabilisierung des Lasers.
Zwischen Wafer 400 und Wafer 300 können nun noch weitere Wafer mit Intra- Cavity-Elementen angeordnet sein, wie beispielsweise nicht lineare optische Kristalle zur Frequenzvervielfachung, Phasenmodulation etc.
Der weitere Wafer 200 in dem Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Strahl­ umlenkung zur Auskopplung eines Teilstrahles geringer Intensität, welcher auf die Photodioden 341, 342 des Wafers 300 gelenkt wird um die Leistung zu messen sowie eine Referenzkavität zur Frequenzstabilisierung des Lasers. Die Strahlumlenkung wird geformt durch einen teilreflektierenden Transmissionsspiegel 251, 252 sowie einer hochreflektierenden Spiegelschicht 261, 262, welche auf schräg geätztem Substrat angebracht ist, so daß eine Reflexion des Teilstrahles in der gewünschten Richtung erfolgt. Eine Strahlumlenkung kann prinzipiell auch auf andere Weise ge­ bildet werden, beispielsweise durch ein holographisches Gitter, welches einen Teilstrahl geringer Intensität in der ersten Ordnung reflektiert, oder durch geeignet geformte integrierte Optik (Wellenleiterstrukturen).
Die Referenzkavität jedes Systems besteht aus zwei Spiegelschichten 211, 201, wobei die letztere über die Aktuatorelemente 231, 221 aktiv bewegt wird und diejenige 211 hingegen starr mit dem Substrat 241 verbunden ist. Durch die mikromechanischen Aktuatoren kann die Transmissionsfre­ quenz des so gebildeten Resonators moduliert werden, woraus ein Fehler­ signal zur Ansteuerung des Laserspiegels 301 des Wafers 300 ableitbar ist. Hier sei vermerkt, daß selbstverständlich auch die Elektronik in die Substrate mit einstrukturiert werden kann, also eine intelligente Sensor-Auswertung und Stellsignalerzeugung "on the chip" mit den Aktua­ toren und Sensoren realisierbar ist.
Abschließend ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel noch der Wafer 100 zu erläutern, der eine Strahlumlenkung, gebildet aus den teilreflektie­ renden Transmissionsspiegeln 711, 712 sowie den hochreflektierenden Re­ flexspiegeln 721, 722 aufweist, die in analoger Weise zu den Strahlum­ lenkelementen des Wafers 200 zur Auskopplung eines Teilstrahles geringer Intensität des Festkörperlasers zum Durchgang durch die Referenzkavität des Wafers 200 und anschließender Detektion in der Photodiode 301 des Wafers 300 ausgebildet ist.
Die Fig. 3 veranschaulicht in gleichem Aufbau, wie das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel, nochmals den optischen Strahlengang. Die Laserdio­ denstrahlung (gepunktet gezeichnet) wird über ein abbildendes Element 800 in einen Festkörperkristall 801 fokussiert, welcher einseitig für die Laserwellenlänge reflektierend bedampft ist und so einen laserakti­ ven Resonator bildet, zusammen mit einem diskreten, mikromechanisch be­ wegbaren Laserspiegel 802. Man kann hier von einem halbmonolithischen Laseraufbau sprechen. Ein erster Teilstrahl 803 des Lasers wird ausge­ koppelt und über Umlenkelemente 251, 261 auf die Photodiode 341 zur Mes­ sung der Laserausgangsleistung gelenkt.
Ein weiterer Teilstrahl 804 wird durch eine abstimmbare Referenzkavität gelenkt, deren Transmissionsmaximum durch aktive Spiegelbewegung eines der beiden Resonatorspiegel moduliert wird und aus welchem durch Detek­ tion auf einer zweiten Photodiode 301 ein Fehlersignal zur Frequenzsta­ bilisierung des Festkörperlasers durch aktive Bewegung des Laserspiegels abgeleitet wird.
In der Fig. 4 ist nun der Aufbau analog zur Explositionsdarstellung der Fig. 2 verdeutlicht. Hier sind die Wafer 100 bis 700 in ihrer positio­ nierten und kontaktierten Stellung zueinander dargestellt. Weiterhin sind hier die möglichen Schnittstellen eingezeichnet, entlang welcher die einzelnen Mikrolasersysteme getrennt werden können. Verzichtet man auf eine Trennung, so kann eine flächenmäßige Anordnung voneinander un­ abhängig kontrollierbaren Mikrolasersystemen gebildet werden.

Claims (8)

1. Mikrosystem-Laseranordnung aus einem Verbund miteinander kontaktierter Wafer (300-700), mit:
einem Wafer (700), der einen Mikrokühler enthält;
einem Wafer (600), der an den Wafer (700) anschließt und in dem monolithisch Pumplaserdioden (601, 602) und Strahlumlenkelemente (611, 612) integriert sind, welche die horizontal emittierten Strahlen der Pumplaserdioden (601, 602) in die Vertikale umlenken;
einem Wafer (500), der an den Wafer (600) anschließt und eine abbildende Optik (511, 512) zur Fokussierung der Pumplaserstrahlen umfaßt,
einem Wafer (400) mit einer laseraktiven Schicht (402), die aus einem Laserkristall oder aus Laserglas besteht und mit Ionen aus der Gruppe der Lanthanoide dotiert und beidseitig mit Schichten (401, 403) versehen ist, wobei eine der Schichten (403) hochreflektierend für die Laserwellenlänge ist,
einem Wafer (300), der aktiv kontrollierte Laserspiegel (331, 332) enthält, die aus einer für die Laserwellenlänge teilreflektierenden Spiegelschicht bestehen, und der zur aktiven Bewegung der Laserspiegel (331, 332) jeweils einen mikromechanischen Aktuator (311, 321, 312, 322) enthält.
2. Mikrosystem-Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wafer (400) und dem Wafer (300) ein Wafer angeordnet ist, der aus einem nichtlinearen optischen Kristall besteht.
3. Mikrosystem-Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (300) mit einem darüber angeordneten Wafer (200) kontaktiert ist, welcher teilreflektierende Transmissionsspiegel (251, 252) und hochreflektierende Spiegelschichten (261, 262) enthält.
4. Mikro-System-Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (200) Referenzkavitäten enthält, die jeweils aus zwei Spiegelschichten (211, 201; 212, 202) bestehen, von denen jeweils eine der Spiegelschichten (201; 202) aktiv bewegt werden kann.
5. Mikrosystem-Laseranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (300) Photodioden (301, 302) enthält, die den im Wafer (200) enthaltenen Referenzkavitäten zugeordnet sind.
6. Mikrosystem-Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (300) Photodioden (341, 342) enthält, welche den hochreflektierenden Spiegelschichten (261, 262) zugeordnet sind.
7. Mikrosystem-Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (700) mit dem Mikrokühler aus einem Siliziumsubstrat (702) besteht, in welches Kühlkanäle (701) geätzt sind, welche durch einen planen Wafer (703) flächig verschlossen sind.
8. Mikrosystem-Laser, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Laser durch Vereinzelung der Mikrosystem-Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gewonnen ist.
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