DE602004007432T2

DE602004007432T2 - Halbleiterlaser mit externem Resonator enthaltend ein Etalon und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE602004007432T2
Application number: DE602004007432T
Authority: DE
Inventors: David W. Radford Sherrer; Hui Markham Luo
Original assignee: Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Current assignee: Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2024-05-22
Also published as: US20040258107A1; EP1480302A2; JP2004348136A; TWI275222B; TW200509488A; EP1480302A3; US20080285601A1; US7294280B2; JP4916647B2; DE602004007432D1; EP1480302B1

Description

Bezugnahme auf Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität von der provisorischen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 60/472914 , eingereicht am 23. Mai 2003, der provisorischen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 60/472873 , eingereicht am 23. Mai 2003 und der provisorischen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 60/472692 , eingereicht am 23. Mai 2003.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Laser, welche optisch an äußere optische Hohlräume gekoppelt sind, und insbesondere Laserdioden, die abgestimmt werden können durch Auswahl einer bestimmten Emissionswellenlänge aus einem Satz einzelner Emissionswellenlängen, die von dem gekoppelten Laser und dem äußeren optischen Hohlraum charakteristisch sind. Insbesondere betrifft die Erfindung mikrostrukturhergestellte bzw. mikrostrukturierte Fabry-Perot-Etalons, die in äußerer Hohlraum-Lasersystemen eingesetzt werden, zur Auswahl eines gewünschten Laseremissionsmodes, wie sie sich bei Wellenlängen-Divisions-Multiplexing (WDM)-optischen Faserkommunikationssystemen als nützlich erwiesen.
Hintergrund
Faseroptische Kommunikationssysteme wie jene, die bei Telekommunikationssystemen überall verwendet werden, umfassen drei grundlegende Komponenten: eine Transmitter/Lichtquelle, eine optische Faserverknüpfung oder Kanal und einen Detektor/Empfänger. Solche Systeme erlangen ihren größten Vorteil hin sichtlich Datentransmissionsvermögen, Geschwindigkeit und Abstand, wenn ein Laser, im Gegensatz zu einer Lichtemissionsdiode (LED) als Lichtquelle eingesetzt wird, und erlangen weitere Vorteile hinsichtlich Kosten, Kompaktheit, Verlässlichkeit und Energieverbrauch, wenn insbesondere eine Halbleiterlaserdiode als Tranmsitterlichtquelle verwendet wird.
Obwohl ein Laser nominal eine chromatische Lichtquelle darstellt, wird ein Laser tatsächlich im Allgemeinen Licht bei verschiedenen Emissionswellenlängen erzeugen (als Moden bezeichnet), sofern nicht Schritte unternommen werden, um alle bis auf einen Mode zu unterdrücken, in welchem Fall der Laser als Single-Mode-Laser bezeichnet wird. Solche Single-Mode-Laser liefern ausgezeichnete Leistung in optischen Fasersystemen aufgrund verminderten Dispersionsverlusts, was wiederum höhere Datendurchsatzraten und längere Übertragungsstrecken erlaubt.
Das Transmissionsvermögen und die Funktionalität einer faseroptischen Verknüpfung kann durch ein Verfahren des Wellenlängendivisionsmultiplexing (WDM) beträchtlich erhöht werden. Im Allgemeinen betrifft Multiplexing die gleichzeitige Transmission von verschiedenen Signalen oder Messages auf demselben Kreis oder Kanal. Beispielsweise wird in Koaxialkabelsystemen Frequenzdivisionsmultiplexing durch Bereitstellen verschiedener unabhängiger Trägersignale verwirklicht, jedes mit einer bestimmten Frequenzzuordnung und jedes moduliert mit einem unabhängigen Botschafts- bzw. Messagesignal. Am Empfangsende von dem Koaxialkabel trennen selektive Bandbassfilter die verschiedenen Trägerfrequenzen, sodass jeder Träger demoduliert werden kann, um die ursprünglichen Messagesignale zu ergeben. Als weiteres Beispiel wird in Digitaldatentransmissionssystemen Zeitdivisionsmultiplexing durch Verzahnen von Bitströmen von verschiedenen Quellen zur Bildung eines Kompositbitstroms hoher Rate bewirkt. Am Empfangsende können die Bitströme bei geeigneter Berücksichtigung von Zeitrahmen und Synchronisationen entmischt werden.
Eine analoge Multiplexingtechnik, genannt Wellenlängendivisionsmultiplexing (WDM), wird in faseroptischen Kommunikationssystemen eingesetzt. WDM basiert auf gleichzeitiger Transmission von Lichtsignalen, die unterschiedlichen Träger wellenlängen zugeordnet sind. Verschiedene Laser mit einzelnen und gut getrennten Emissionswellenlängen werden durch verschiedene Botschafts- bzw. Messagesignale unabhängig moduliert. Die zugeordneten Trägerwellenlängen von einem WDM-System werden als Kanäle bezeichnet. Signale, die so gemäß ihrer Trägerwellenlänge separiert sind, werden an Detektoren gekoppelt, vorgesehen zu einer bestimmten Kanalwellenlängenzuordnung. Faseroptische Systeme unter Anwendung von WDM sind nun ein gut eingeführter Teil der Telekommunikationsinfrastruktur.
Ein Wellenlängendivisionsmultiplexingsystem erfordert zumindest einige, manchmal viele, so viel wie 50 bis 100 Lasertransmitter, wobei jeder bei einer bestimmten Emissionswellenlänge arbeitet. Da die Emissionswellenlänge zu einem großen Ausmaß eine intrinsische Eigenschaft eines üblichen Lasers ist, würde ein WDM-System anscheinend verschiedene oder mehrere verschiedene Typen von Laserdioden erfordern, jede mit einer speziellen Emissionswellenlänge. Im Gegensatz dazu soll die bevorzugte Ausführung von WDM-Systemen stattdessen nur einen Lasertyp einsetzen, aber einen, der leicht eingestellt werden kann und eingestellt werden kann vom Benutzer zum Betrieb bei beliebigen oder verschiedenen vorgeschriebenen verfügbaren Emissionswellenlängen. Solche Laser werden als abstimmbar bezeichnet, indem die Emissionswellenlänge gemäß speziellen Anwendungs- und Systemerfordernissen auf dem Gebiet eingestellt werden kann. In faseroptischen WDM-Systemen mit vielen Kanälen würde jeder Kanaltransmitter denselben Lasertyp verwenden, aber mit seiner singulären Emissionswellenlänge abgestimmt und eingestellt für die Wellenlänge, die für diesen bestimmten Kanal zugeordnet ist. Dieser Ansatz, nämlich Verwendung nur einer Art von abstimmbarem Laser anstatt vieler verschiedener Arten von Ein-Mode-Lasern mit einzigartigen Emissionswellenlängen, spricht an, was im Allgemeinen als das einstweilige Problem angesehen wird, da er das Inventar, Belegschaft und Montage und Wartung von WDM-Systemen stark vereinfacht. Beispielsweise wird anstelle von Lagerung, Installation und Wartung vieler unterschiedlicher Lasertypen ein generischer abstimmbarer Laser für alle Transmitterlichtquellen verwendet und seine Emissionswellenlänge wird gemäß dem ausgewählt, wo er in das WDM-System eingesetzt wird. Die Verwendung von abstimmbaren Laserdioden erleichtert auch die Rekonfiguration von WDM-Systemen, da Transmitter leicht neuen Kanälen durch Auswahl einer neuen Emissionswellenlänge wieder zugeordnet werden können.
US-5 408 319A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswahl einer optischen Wellenlänge unter Einbau einer Siliziumschicht mit zwei nebeneinander angeordneten teilweise reflektierenden Spiegeln zur Bereitstellung eines Fabry-Perot-Hohlraums und Ohm'schen Kontakten der Siliziumschicht zum Erhitzen der Siliziumschicht zur Bereitstellung einer Temperaturänderung für die Änderung ihres Brechungsindex.
US 6 324 19281 beschreibt mikrostrukturierte GaAlAs/Luftspiegeltechnologie für optoelektronische Anwendungen. Die Verfahren beziehen epitaxialen Aufwuchs von mehrschichtiger GaAs/GaAlAs-Struktur gefolgt von selektivem seitlichem Ätzen der stark aluminiumhaltigen GaAlAs-Schichten ein.
US 2002/012172A1 offenbart Verfahren zur Herstellung von optischen Fasern, die in Etalonanwendungen verwendet werden können. Das Verfahren schließt Bereitstellen des Substrats und selektives Ätzen des Substrats zur Bildung einer Vielzahl von freistehenden Schichten ein. Eine Vielzahl von dielektrischen Schichten wird über einer äußeren Oberfläche von jeder der freistehenden Schichten angeordnet.
EP 0 668 490 offenbart ein elektrostatisch abstimmbares Fabry-Perot-Interferometer, erzeugt durch Oberflächen-mikromechanische Techniken. Das Interferometer enthält einen Körperblock und zwei im Wesentlichen parallele Spiegel angeklebt an den Körperblock, von denen zumindest einer teilweise durchlässig ist und relativ zum Körperblock beweglich ist. Beide Spiegelstrukturen bzw. Aufbauten umfassen integrale Elektrodenstrukturen zum Bewirken einer elektrostatischen Kraft zwischen den Spiegelstrukturen. Die bewegliche Spiegelstruktur wird mit strukturellen Schwächebereichen versehen, die den optischen Bereich umgeben, um den optischen Bereich bei einem maximalen Ebenheitsgrad besser halten zu können.
US 6 381 02281 offenbart ein optisches Miniaturspektrometer. Das Mikrospektrometer besteht aus einer mechanischen Brückenstruktur, die auf einem Substrat gefertigt ist. Die Brücke enthält einen Abschnitt nahe ihrer Mitte, worin ein optischer Spiegel angeordnet ist. Der Spiegel wird unter Verwendung von üblichen optischen Dünnfilmabscheidungstechniken oder üblichen Mikrofabrikationstechnologie erzeugt. Die Brücke erstreckt sich über das Substratmaterial, worauf ein zweiter Spiegel mit derselben spektralen Response gefertigt wurde. Der Spiegel auf der Brücke und der Spiegel auf dem Substrat sind durch Luft, ein Inertgas, ein Fluid oder ein Vakuum in dem Spalt beabstandet. Die Kombination der zwei Spiegel und des Abstandes erzeugen einen Miniatur-Fabry-Perot-Hohlraum.
WO 01/67156 beschreibt einen abstimmbaren Fabry-Perot-Filter, der einen optischen Hohlraum, begrenzt durch einen stationären Reflektor und einen verformbaren oder beweglichen Membranreflektor, enthält. Ein zweiter elektrostatischer Hohlraum außerhalb des optischen Hohlraums enthält ein Paar Elektroden, eine davon ist mechanisch an den beweglichen Membranreflektor gekoppelt. Anlegen von Spannung an die Elektroden über dem elektrostatischen Hohlraum erzeugt Ablenkung der Membran, wodurch eine Änderung der Länge des optischen Hohlraums und Abstimmung des Filters erfolgt. Der Filter mit beweglicher Membran kann durch Mikrodevice-, fotolithografische und Fabrikationsvorgänge aus Halbleitermaterial in einem integrierten Bauelementaufbau erzeugt werden.
Folglich ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Verwirklichung von Modenumschaltung bzw. Modenswitching eines kompakten äußeren Hohlraumlasers, und insbesondere eines vereinfachter Konstruktion, für WDM-optische Kommunikationssysteme nützlich, die einen wichtigen Fortschritt auf dem Gebiet der Lasertechnologie liefern würden.
Kurzdarstellung
Die vorliegende Erfindung in ihren verschiedenen Aspekten ist wie in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt. Ein externer Hohlraum-Halbleiterlaser wird nachstehend beschrieben, umfassend:
ein Laserverstärkungsmedium zur Bereitstellung einer Quelle optischer Strahlung; einen äußeren optischen Hohlraum, angeordnet in optischer Kommunikation mit dem Verstärkungsmedium, einen Hohlraum, ausreichend kurz bemessen, um einem Einwellenlängen-selektiven Bauelement zu erlauben, einen einzigen longitudinalen Lasermode auszuwählen und beizubehalten, und ein Einwellenlängenselektives Bauelement, angeordnet in dem äußeren optischen Hohlraum zur Auswahl und Beibehaltung eines einzigen longitudinalen Lasermodes. Eine wünschenswerte Konfiguration des Wellenlängen-selektiven Bauelements umfasst ein mikrostrukturiertes bzw. mikrostrukturhergestelltes Etalon. Beispielsweise liefert die Erfindung ein mikrostrukturiertes Etalon, umfassend: ein kristallines Substrat mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Flächen; eine Abstandsschicht bzw. Spacer-Schicht, angeordnet über der ersten Fläche des Substrats, wobei die Spacer-Schicht eine äußere Fläche aufweist; ein Loch, das sich durch das Substrat von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche erstreckt, ein Loch mit einer Basis, benachbart zu einem freiliegenden Abschnitt der Spacerschicht; und ein erstes Interferenzfilter, angeordnet an der äußeren Oberfläche der Spacerschicht, und ein zweites interferenzfilter, angeordnet an dem freiliegenden Abschnitt der Spacerschicht zur Bereitstellung eines Etalons zwischen den Interferenzfiltern.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten bzw. mikrostrukturhergestellten Etalons bereit, umfassend: Bereitstellen eines kristallinen Substrats mit ersten und zweiten gegenüberliegenden Flächen; Bereitstellen einer Spacerschicht über der ersten Fläche des Substrats, wobei die Spacerschicht eine äußere Fläche aufweist; Bilden eines Lochs, das sich durch das Substrat von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche erstreckt, wobei das Loch eine Basis, benachbart eines freiliegenden Abschnitts der Spacerschicht, aufweist, und Bereitstellen eines ersten Interferenzfilters auf der äußeren Fläche der Spacerschicht und Bereitstellen eines zweiten Interferenzfilters auf dem freiliegenden Abschnitt der Spacerschicht zur Bereitstellung eines Etalons zwischen den Interferenzfiltern.
Kurzbeschreibung der Figuren
1a bis 1c erläutern schematisch verschiedene Anwendungen eines Äußeren-Hohlraum-Lasers unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Etalons als Modenfilter- oder Modenselektionsbauelement, 1a mit einem statischen Etalon, 1b mit einem kippfähigen Etalon und 1c mit einem Etalon mit variablem Spalt.
2 erläutert schematisch ein übliches Etalon mit einer dielektrischen Scheibe, beschichtet auf beiden Seiten mit einer Mehrfachschicht dielektrischer Stapel, die als Interferenzreflektoren fungieren.
3 zeigt eine typische Spektraltransmissionscharakteristik für ein Etalon.
4a bis 4e zeigen relevante spektrale Charakteristiken für einen äußeren Hohlraum-Kanten-emittierenden Laser, insbesondere unter beispielhafter Angabe des Falls einer relativ kurzen äußeren optischen Hohlraumlänge und weiträumige Moden ergebend, einschließlich: 4a Laserverstärkungs- bzw. -gewinnbandbreite, 4b optische Hohlraummoden, 4c zulässige Laseremissionsmoden, 4d spektrale Response für bestimmte Einstellung eines modenselektierenden Bauelements und 4e Ausgabe der ausgewählten Laseremission für die Modenselektion, dargestellt in 4d.
5a bis 5h zeigen relevante spektrale Charakteristiken für einen äußeren Hohlraum-Kanten-emittierenden Laser, insbesondere beispielhaft veranschaulichend den Fall einer relativ langen äußeren optischen Hohlraumlänge und resultierend in eng beabstandeten Moden und einschließlich: 5a der Lasergewinn- bzw. Laserverstärkungsbandbreite, 5b optischen Hohlraummoden, 5c zulässigen Laseremissionsmoden, 5d einen Modenfilter, der die Zahl der Moden vermindert, 5e spektrale Response für eine bestimmte Einstellung eines modenselektierenden Bauelements mit mäßiger Auflösung, 5f Ausgabe der selektierten Laseremission unter Verwendung des Modenselektors von 5e und unter Angabe der ungewollten Selektion benachbarter Moden, 5g spektrale Response für eine bestimmte Einstellung des modenselektierenden Bauelements bei verbesserter Auflösung relativ zu jenen, gezeigt in 5e und 5h, Ausgabe der Laseremission für die Modenselektion, dargestellt in 5g.
6a erläutert schematisch ein mikrostrukturiertes Etalon, umfassend ein Substrat mit einer Aussparung, die konform auf beiden Seiten mit einem Mehrschichtdielektrischen Stapel beschichtet ist.
6b bis 6h erläutern schematisch die Folge von Herstellungsschritten, die eingesetzt werden zur Herstellung des mikrostrukturierten Etalons, welches in 6a dargestellt ist und welche einschließen: 6b ein Substrat, auf das eine Spacerschicht ausgebildet ist, 6c eine Aussparung, gebildet in dem Substrat, 6d konforme Beschichtungen von Mehrschicht-dielektrischen Stapeln gebildet auf beiden Flächen des Etalons, 6e Bildung von Löchern zum Ätzen der Spacerschicht, 6f Ätzen der Spacerschicht zur Bildung eines Luftspalts, 6g Draufsicht auf ein mikrostrukturiertes Etalon, die Löcher darstellt und einen Bereich zur Entfernung der Spacerschicht, 6h Anwenden von Elektroden zur Betätigung der Abstimmung durch Variation des Luftspalts.
7a bis 7d erläutern schematisch eine alternative Ausführungsform eines mikrostrukturierten Etalons, umfassend ein Substrat, das auf einer Seite beschichtet ist mit einem dünnen Mehrschichten-dielektrischen Stapel (7a), dass ein anderes Substrat eine abgeschrägte Eindrückung aufweist und auch beschichtet ist mit einem Mehrschichten-dielektrischen Stapel auf einer Seite (7b), eine Verbundstruktur, ausgebildet durch Miteinanderverbinden der Substrate (7c) und Bildung von Aussparung auf beiden Seiten des Verbundwerkstoffs (7d).
8a erläutert eine Simulation, die Moden für einen 24 mm langen Fabry-Perot-optischen Hohlraum zeigt.
8b erläutert eine Simulation, die Moden für einen 12 mm langen Fabry-Perot-optischen Hohlraum zeigt.
8c erläutert eine Simulation, die die spektrale Transmission von einem mikrostrukturierten Etalon zeigt.
8d erläutert eine Simulation, die einen spektralen Transmissionspeak eines mikrostrukturierten Etalons in feinerer Einzelheit zeigt.
8e erläutert eine Simulation, die die spektrale Transmission von einem mikrostrukturierten Etalon zeigt, wobei der Luftspaltabstand variiert wird, was zu einer Verschiebung im Transmissionspeak führt.
9a erläutert schematisch ein abstimmbares äußeres optisches Hohiraumlasersystem mit Modenzähl- und -selektionsmöglichkeiten.
9b erläutert schematisch ein abstimmbares äußeres optisches Hohlraumlasersystem mit Modenzähl- und -selektionsmöglichkeiten und ein Mittel zum Abtasten einer Referenzfrequenz zum Herstellen des Laseremissionsmodes.
Beschreibung der Erfindung im Einzelnen
Ein Aufbau eines äußeren Hohlraum-Einmodenlasers 100 wird nachstehend beschrieben, wobei eine kurze optische Weglänge für den optischen Hohlraum 103 (rund 3 bis 25 mm) ausreichend Beabstandung der longitudinalen Moden liefert, was einem einwellenlängenselektiven Element, wie ein mikrostrukturiertes Etalon 120, zur Bereitstellung eines Einzelbetriebsmodes und gegebenenfalls eines selektierbaren Betriebsmodes gestattet. Die gesamte Weglänge des laseroptischen Hohlraums 103 ist die Weglänge zwischen Reflektoren 108, 110 des Laserhohlraums 103, wobei typischerweise ein Reflektor 110 eine Beschichtung auf einer externen Facette eines Laserungselements 102 umfasst und ein Reflektor ein äußerer Spiegel ist. Das mikrostrukturierte Etalon 120 ist ein wellenlängensensitives Bauelement, umfassend ein Paar reflektierender Oberflächen, wie Dünnfilmmehrschicht-dielektrische Stapel 202, 204, separiert durch eine transparente Scheibe oder einen Luftspalt 124, die zum selektiven Übertragen oder Reflektieren von Licht bestimmter Wellenlängen verwendet werden können. Somit wird das Etalon 120 zum bevorzugten Unterdrücken oder Hinhalten von Laserungsmoden in optischem Hohlraum 103 verwendet.
Der externe Hohlraumlaser 100 ist zur Kooperation mit dem Etalon 120 konfiguriert, sodass das mikrostrukturierte Etalon 120 das Laserausgangssignal zwischen einigen oder mehreren Diskret-Wellenlängenemissionsmoden, definiert durch die gesamte Weglänge des laseroptischen Hohlraums 103, schalten kann. Das Etalon 120 kann abgestimmt werden, d.h. seine wellenlängenabhängigen Transmissionseigenschaften können durch Änderung des Winkels, bei dem Licht einfällt auf das Etalon, beispielsweise Kippen des Etalons 120, modifiziert werden. Alternativ kann das Etalon mit einer veränderlichen Luftspaltbeabstandung aufgebaut sein, die durch Ändern der Etalonspaltbreite zwischen den Mehrschicht-dielektrischen Stapeln 202, 204 abgestimmt werden kann. Beispielsweise kann das Etalon 120 durch ein Spannungssteuersignal, angelegt an Elektroden, die an dem Etalon 120 ausgebildet sind, zur Änderung de Luftspaltbeabstandung abgestimmt werden. Die geringe Größe des mikrostrukturierten Etalons 120 erlaubt eine vergleichsweise verminderte äußere optische Hohlraumlänge, die wiederum zu breiter beabstandeten Lasermoden führt, was die Modenselektion durch ein Etalon einfachen Aufbaus leichter bewerkstelligen lässt. Da die Moden breiter beabstandet sind, sind die Filterungserfordernisse an dem Etalon 120 vermindert (die Bandbassbreite muss nicht so schmal sein), was außerdem die Verwendung des hierin offenbarten mikrostrukturierten Etalons zur Lasermodenselektion erleichtert.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Fähigkeit der Verwendung eines wellenlängenselektiven Elements zum diskreten Modensprung zwischen longitudinalem Modem des Laserhohlraums 103 und daher Erlauben eines Mechanismus, der genauso einfach ist wie Zählen der Sprünge zwischen Laser- und Nicht-Laser-Zuständen von einer Bezugs- oder "Home"-Wellenlänge zur Ermittlung einer Änderung in der Betriebswellenlänge.
Unter Bezugnahme nun auf die Figuren, worin gleiche Elemente durchgängig gleich beziffert sind, und insbesondere 1A bis 1C werden beispielhafte Konfigurationen der Erfindung dargestellt. Ein äußerer optischer Hohlraumlaser 100 wird bereitgestellt, umfassend optische und optoelektronische Komponenten, die entlang einer optischen Achse A A' verteilt sind. Die optische Quelle umfasst Laser-Element 102, das ein optisches Verstärkungs- bzw. Zunahmematerial/Medium oder eine Kombination von optischen Materialien ist, die eine optische Verstärkung bzw. Zunahme zeigt und als solches zur Stimulation von Strahlungsemission bei optisch-eingegrenzten Wellenleiter- oder Hohlraummoden förderlich ist. Beispielsweise kann das Laser-Element 102 einen elektrisch vorgespannten, Kanten-emittierenden Halbleiterdiodenlaser zur Verwendung mit WDM-optischen Fasersystemen umfassen. Andere Lasertypen, wie oberflächenemittierende Laser, einschließlich vertikale Hohlraumflächenemittierende Laser (VCSEL), können ebenfalls verwendet werden. Geeignete Lasermedien können verschiedene Verbindungen von Halbleitern einschließen, einschließlich Legierungen von InP, GaAs und InAs. Das Laser-Element 102 ist optisch gekoppelt an einen externen optischen Hohlraum 105, longitudinal entlang einer optischen Achse A-A' orientiert. Die Kombination der Länge des Laser-Elements 102 plus die Länge des äußeren Hohlraums 105 definiert eine totale optische Hohlraumlänge 103. Die optische Weglänge, die die Beabstandung der longitudinalen Moden bestimmt, wenn gefunden durch die Summe der Produkte der physikalischen Weglängen entlang A-A' von jedem physikalischen Element und sein wirksamer Brechungsindex bei der relevanten Wellenlänge. Die Abstände bzw. Spalt zwischen Elementen sind auch in die Berechnung eingeschlossen, wobei der Index rund 1,0 für Luft sein kann oder ansonsten wenn ein optisches Inkapsulant den Raum einnimmt. Das Laser-Element 102 ist durch eine erste Endfläche 104 und eine zweite Endfläche 106 begrenzt, beide davon sind rechtwinklig zu der optischen Achse A-A'. Wenn das Laser-Element 102 aus einem monokristallinen Werkstück gebildet ist, können die Endflächen 104 und 106 durch Spalten des Kristalls zum Freilegen von ebenen, parallelen Flächen gebildet werden, die als Kantenfacetten bezeichnet werden.
Der optische Hohlraum 103 wird durch zwei Reflektoren 110, 108, positioniert entlang der Achse A-A', gebildet und innerhalb dessen ist das Laser-Element 102 angeordnet. Der optische Hohlraum 103 umfasst einen Hohlraumabschnitt innen zu dem Laser-Element 102 und einen äußeren Hohlraumabschnitt 105. Der entfernte Reflektor 108 kann ein separater Spiegel äußerlich zu dem Laser-Element 102 zum Definieren eines Endes des Hohlraums sein. Die Ebene des Reflektors 108 ist wünschenswerterweise so orientiert, dass sie rechtwinklig zur optischen Achse A A' ist. Das andere Ende des optischen Hohlraums gegenüber dem Ende, definiert durch den Reflektor 108, wird durch einen Reflektor definiert, der bereitgestellt werden kann als eine reflektierende Beschichtung 110, gebildet auf der ersten Fläche 104 des Laser-Elements 102. Die zweite Laser-Elementfläche 106, die auch eine Kantenfacette sein kann, kann mit einer Antireflektionsbeschichtung 112 beschichtet sein zur Verhinderung von Reflektion einer zweiten Oberfläche 106, sodass ein Resonanzhohlraum zwischen den ersten und zweiten Endflächen 104, 106 von dem Laser-Element 102 nicht bereitgestellt wird.
Beim Betrieb wird das Lasermedium elektrisch durch Injektion von einen Minoritätsträger in einen p-n-Übergang gepumpt oder optisch durch Absorption von Licht, wobei beides davon zu einer Nichtgleichgewichtsverteilung von Ladungsträgern führt. In diesem Zustand kann das Lasermaterial optische Verstärkung bzw. optischen Gewinn zeigen, wodurch die Absorption von Photonen in einem bestimmten Spektralverstärkungs- bzw. -gewinnbandbreitenbereich zu einer stimulierten Emission von Photonen führt. Lasern erfolgt aufgrund des Überschusses an Ladungsträgern, verbunden mit den Nichtgleichgewichtsbedingungen, dann Rekombinieren zur Emission von Photonen, einige davon werden innerhalb des optischen Hohlraums 103 durch den Reflektor 108 und die reflektierende Beschichtung 110 eingeschränkt. Eine Fraktion von solcher Lichtemission ist von bestimmten Wellenlängen und Ausbreitungsrichtungen (insgesamt Moden genannt), sodass konstruktive Interferenzeffekte aufgrund des optischen Hohlraums 103 ausreichend Rückkopplung bereitstellen, sodass Laseroszillationsmoden hingehalten werden können. Tatsächlich ist reflektierende Beschichtung 110 nicht perfekt reflektierend, sodass ein Teil der Photonen, erzeugt durch stimulierende Emission, durch Endoberfläche 104 und Beschichtung 110 aus dem optischen Hohlraum 103 transmittiert werden. Dieses Licht macht Laserausgangsstrahl 114 aus. Andere Strukturen von äußeren Hohlraumlasern, die bekannt sind, können angewendet werden, beispielsweise können beide Flächen des Halbleiter-Laser-Elements 102 Ar-beschichtet sein und zwei äußere Spiegel angewendet werden, alternativ kann der Facettenspiegel das Meiste von dem Licht reflektieren, und der äußere Spiegel 108 mit einem geringeren Reflektor kann verwendet werden, um aus dem System auszukoppeln.
Da der optische Hohlraum 103 im Allgemeinen Mehrfachmoden unterstützen kann und da der Laser eine endliche Verstärkungsbandbreite bzw. Gewinnbandbreite aufweist, wird Laser 100 Licht bei verschiedenen Wellenlängen emittieren. Die erlaubten Multimodenlaseremissionswellenlängen werden durch die effektive optische Länge des Hohlraums 103 bestimmt: Wenn die optische Hohlraumlänge vermindert wird, zeigt Laser 100 weniger, mehr breit beabstandete Emissionswellenlängenmoden. Die optischen Hohlraummoden sind Moden von der gesamten optischen Hohlraumlänge 103 zwischen Reflektoren 108, 110, wobei an einem Ende die Facettenbeschichtung 110 ist und an dem anderen Ende ein äußerer Hohlraumspiegel 108 ist. Somit schließen die optischen Hohlraummoden die optische Weglänge von dem Laser-Element 102 und die optische Weglänge von dem äußeren Hohlraum 105 kombiniert ein. Für WDM Anwendungen ist es nützlich, die Laseremission auf einen Einmode zu vermindern und außerdem sollte das Vermögen einer Selektion des bestimmten einzigen Emissionsmodes vorliegen.
Der äußere optische Hohlraum 105 kann andere optische Komponenten enthalten, wie eine Linse 116, zum ausreichenden Kollimieren oder Fokussieren des Lichts aus dem Halbleiter-Laser-Element 102, um zu gestatten, dass es sich durch das Etalon 102 fortpflanzt, von dem Reflektor 108 reflektiert wird und zu dem Laser-Element 102 mit geeignet geringem Verlust zurückkehrt, sodass die Nettolaserverstärkung erreicht werden kann, was Laserwirkung erlaubt. Andere Strukturen können dies erzielen, wie ein gekrümmter Spiegel für Reflektor 108 oder eine Kombination von Linsen und gekrümmten Spiegeln. Zusätzliche optische Komponenten können Filter, Gitter, Prismen und dergleichen einschließen. Weitere optische Komponenten, wie beispielsweise kollimierende Linsen 118, die den Laserausstoß kollimieren, können außerhalb des optischen Hohlraums 103 positioniert sein.
Beispielsweise zeigt 1a ein mikrostrukturiertes Etalon 120 gemäß der vorliegenden Erfindung, angeordnet in einem äußeren optischen Hohlraum entlang optischer Achse A-A'. Das mikrostrukturierte Etalon 102 kann verwendet werden, um eine Subsatz von zulässigen Lasermoden zu eliminieren. Grundsätzlich vereitelt das mikrostrukturierte Etalon 120 die Resonanzbedingung der optischen Hohlraummoden, gekennzeichnet durch die Wellenlängen, für die das Etalon 120 nicht transmissiv ist. Moden mit Wellenlängen, für die das mikrostrukturierte Etalon nicht transmissiv ist, werden hingehalten. Wünschenswerterweise ist das mikrostrukturierte Etalon 120 konfiguriert, um nur einen einzigen (selektierbaren) Laserhohlraummode in Resonanz zu bringen, wobei die Konfiguration durch das Fabrikati onsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wie nachstehend erläutert ermöglicht wird.
Zurückkehrend zu dem Modeselektionsaspekt der vorliegenden Erfindung, wie in 1b erläutert, kann das mikrostrukturierte Etalon 120 gekippt werden, wodurch somit der Einfallswinkel modifiziert wird und daher seine spektralen Transmissionseigenschaften hinsichtlich der Hohlraummoden mit der Wirkung, dass der Mode bzw. die Moden, ausgewählt für die hinhaltende Laser-Wirkung, geändert werden kann/können. Alternativ erläutert 1c, dass das mikrostrukturierte Etalon 120 einen Luft- oder Vakuumspalt 124 umfassen kann, der variiert werden kann, um die spektralen Transmissionseigenschaften des mikrostrukturierten Etalons 120 zu modifizieren und durch den bestimmte Lasermoden von dem optischen Hohlraum 103 selektiert werden können.
So entwickelt, kann der äußere Hohlraumlaser 100 als eine optische Quelle fungieren, für die ein Benutzer eine einzige schmalbandige Emissionswellenlänge aus einer Vielzahl von verfügbaren diskreten Emissionswellenlängenbändern, definiert größtenteils durch die Hohlraumwellenlänge, wählen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine wesentliche Reduktion in der Komponentenkomplexität eines abstimmbaren Lasers 110 verwirklicht, da der optische Hohlraum 103 eine vergleichsweise kurze optische Weglänge aufweist, sodass die longitudinalen Moden relativ breit beabstandet sind. Wiederum kann Abstimmen der Laserausgangssignale mithilfe von Modeselektion unter Verwendung eines relativ einfachen wellenlängendiskriminierenden Bauelements, wie einem mikrostrukturierten Etalon 120, der beispielsweise relativ weniger dielektrische Schichten umfassen kann als ein typischer Interferenzfilter, bewirkt werden. Die Vereinfachung, bereitgestellt durch Selektion und Filtern von weiter beabstandeten Emissionswellenlängen aufgrund kürzerer äußerer optischer Hohlraumlängen, gestattet darüber hinaus Eliminierung von Hilfskomponenten und Bauelementen, die man üblicherweise in üblichen WDM-Lasersystemen findet. Beispielsweise erfordert ein typischer abstimmbarer Laser häufig verschiedene komplexe Rückkopplungsmechanismen einschließlich einer Piezo-einstellbaren Hohlraumlänge, thermisches Abstimmen und ein abstimmbares Gitter oder ein anderer Filter, jeweils mit Kontrollregelschleifen, die Informationen zur Aufrechterhaltung einer einzigen bekannten Frequenz bereitstellen. Die vorliegende Erfindung liefert einen einfacheren Rückkopplungsmechanismus, wo beispielsweise, wenn die Temperatur des Systems festgelegt ist, die Longitudinalmodenpositionen dann mit hinreichender Genauigkeit bekannt sind, um einem einfachen abstimmbaren Element zu gestatten, den gewünschten Mode durch diskretes Zählen der Sprünge vom longitudinalen Mode zum longitudinalen Mode über die Modulation im optischen Brechwert, der während des Abstimmens beobachtet wird, auszuwählen.
Zurückkehrend nun zu dem Etalonaufbau wird schematisch Etalon 102 in 2 dargestellt. Das Etalon 102 umfasst ein Paar von reflektierenden Dünnfilmdielektrischen Stapeln 202, 204, separiert durch eine Scheibe aus transparentem Material 206 oder einen intervenierenden Luftspalt oder einen Spalt, gefüllt mit einem gasförmigen Material, mit der Abmessung d₀. Die Stapelschichten 202, 204 geben entweder dünne metallische oder wünschenswerterweise breitbanddielektrische Reflektoren, basierend auf ¼-Wellen-optischen Dickenschichten von abwechselnd hohem und niedrigem Indexmaterial, wieder. Die mittlere Wellenlänge für den dielektrischen Reflektoraufbau würde typischerweise so ausgewählt, um nahe der Mitte des erwünschten Bereiches von Betriebsfrequenzen für den Laser zu sein. Die Wellenlängen-diskriminierende Kraft des Etalons 102 verbessert sich mit der Zahl der Schichten, die in dem Mehrschichten-dielektrischen Stapel enthalten sind. Die Zahl der Schichten in jedem Stapel 202, 204 kann bis zu 50 oder mehr, falls erwünscht, sein.
In Abhängigkeit von der Wellenlänge und dem Winkel von einfallendem Licht, θ, wird Etalon 120 einfallende Strahlung mit einem hohen Kontrastgrad entweder reflektieren oder transmittieren. Diese Wirkung kann verwendet werden, um Wellenlängen auszuwählen von einfallender Strahlung durch Transmission bestimmter Wellenlängenbereiche und Reflektion anderer Wellenlängenbereiche. Ein typisches Transmissionsspektrum von dem Etalon 120 ist in 3 dargestellt. Die Wellenlängenseparation und -breite der Transmissionsbanden und der Kontrast zwischen Transmissionspeaks 302 und Reflektionsgrundlinie 304 kann auf spezielle Erfordernisse einer gegebenen Anwendung zugeschnitten werden. Die Transmissionseigenschaften des mikrostrukturierten Etalons 120 können akkurat moduliert sein und computerbasierte Simulation erleichtert die Entwurfsoptimierung. Abstimmen des mikrostrukturierten Etalons 120, d.h. Änderung der Wellenlängenabhängigkeit des Transmissionspeaks von 3, kann in verschiedener Weise bewirkt werden. Die Separation zwischen den dielektrischen Stapeln d₀ kann variiert werden. In dem Fall eines Etalons mit einem Luftspalt kann dieser durch Änderung des Luftspalt-Separationsabstands, wie in 1c erläutert, erfolgen. Eine zweite Maßnahme der Abstimmung ist Kippen von Etalon 120 hinsichtlich der Achse des optischen Strahls, was den Einfallswinkel ändert und entsprechend die Transmission des Strahls durch das mikrostrukturierte Etalon 120 modifiziert. Eine andere Maßnahme zur Abstimmung eines Etalons ist das Vorliegen des Spalts 206 befüllt mit einem Material, dessen Brechungsindex modifiziert werden kann, wie durch die Anwendung eines elektrischen Feldes.
Zurückkehrend nun zum Betrieb eines externen Hohlraumlasers 100 gestaltet sich die Gesamthohlraum-optische Weglänge vorwiegend durch Berechnung der Laser 100-Leistung. Die wirksame optische Weglänge l_eff eines Bauelements kann definiert werden als
worin d_i und n_i die Dicken und Brechungsindizes der Komponenten, welche das Bauelement umfassen, darstellen. Im Fall des Etalons 120 zieht dies Addition der Produkte von dem Brechungsindex n_i und der Schichtdicke d_i für jede Komponentenschicht i der dielektrischen Stapel plus dem Produkt von dem Brechungsindex n₀ von der transparenten Scheibe oder Luft (n = 1) und der Dicke d₀ der Scheibe- oder Luftspalt(en) einschließlich jedes Spaltes zwischen physikalischen Elementen nach sich. Wenn ein Gel oder Inkapsulant verwendet wird, um den Raum zwischen Elementen zu füllen, dann wird der Brechungsindex von dem Material verwendet anstelle von n = 1. Insbesondere ist für ein Etalon, das zwei dielektrische Stapel mit einer Summe von N Schichten umfasst, die effektive optische Weglänge l_eta,eff von dem Etalon 120
Hinsichtlich der vorliegenden Erfindung und wie erläutert gibt es viele Hinweise, solche optischen Weglängen zu minimieren, und die Ausführung wird durch Mikrofabrikation von mikrostrukturiertem Etalon 120 der vorliegenden Erfindung ermöglicht.
Die gesamte optische Weglänge des optischen Hohlraums 103, l_cav,eff, bestimmt den Modenabstand von dem Laser. Für eine nominale Emissionswellenlänge λ₀ ist die Wellenlängenbeabstandung Δλ zwischen benachbarten Emissionsmoden etwa gegeben durch
Somit führt Verkürzen der optischen Hohlraumlänge l_cav,eff zu breiter beabstandeten Emissionsmoden, d.h., Δλ nimmt zu. Die Modenbeabstandung beaufschlagt Einschränkungen und Anforderungen an das Verfahren und Bauelemente für Modenselektion in den eng beabstandeten Laseremissionsmoden erfordern eine Modenselektion mit hoher spektraler Auflösung.
Hinsichtlich der vorliegenden Erfindung und bezugnehmend auf 1a bis 1c ist die wirksame Länge l_cav,eff des optischen Hohlraums lcav,eff = dlas·nlas + d1 + dlens·nlens + d2 + lela,eff + d3 worin d_las die Laserlänge, gemessen zwischen den ersten und zweiten Endflächen 104, 106 von dem Laser-Element 102, n_las der Brechungsindex des Lasermaterials, d_lens die Dicke der Linse 116 auf der Achse und n_lens der Brechungsindex der Linse ist. Die effektive optische Hohlraumlänge kann kleingehalten werden durch Verwendung von mikrostrukturierten Komponenten für die Linse(n) und Etalon(s).
Durch diese Maßnahme liefern miniaturisierte Komponenten und Systeme zusätzlich zu ihrer Attraktivität wegen kompakter Systemintegration auch mehr Spielraum beim Zuschneiden der Modenbeabstandung von externem Hohlraumlaser 100.
Die Beabstandung der optischen Hohlraummoden und ihre Beziehung zur Laserabstimmung ist in 4A bis 4C und 5A bis 5H erläutert. 4a zeigt das Verstärkungs- bzw. Zugewinnspektrum 402 von dem Halbleiterlaser 102. Photonen, erzeugt durch Strahlungsübergänge bei Wellenlängen in dem Verstärkungs- bzw. Zugewinnspektrum 402, können zum Lasern beitragen, wenn optische Rückkopplung bereitgestellt wird, sodass die innere Verstärkung bzw. Zugewinn der Laser-Medien optische Verluste übersteigt. Der optische Hohlraum 103, berücksichtigt im Zusammenhang mit dem optischen Weg für das Laser-Element 102, liefert eine solche Rückkopplung zum Anhalten bzw. Hinhalten eines diskreten Satzes oder Kamms von Wellenlängenmoden 404 (4b) mit Modenbeabstandung Δλ. Die erlaubten optischen Hohlraummoden 404, die die Verstärkungs- bzw. Zugewinnbandbreite 402 von Laser 102 überlappen, bestimmen die Hohlraumlaseremissionswellenlängen. Das Ausgabespektrum des externen Hohlraumlasers 100 ist durch 4c angegeben, welches eine Konvolution von den Spektren von 4a und 4b ist. Die durchgehende Linie von 4d zeigt eine Transmissionsbandspektralresponse 403 von einem Etalon, wie einem mikrostrukturierten Etalon 102 in 1, der zur Unterdrückung von allen bis auf einen Emissionsmode dient und so eine Einmodenlaserausgabe 405, wie in 4e dargestellt, erzeugt. Es ist anzumerken, dass es erwünscht ist, dass der freie Spektralbereich (FSR), d.h. der Abstand zwischen Transmissionspeaks 403 von dem wellenlängendiskriminierenden mikrostrukturierten Etalon, größer ist als die Laserzugewinn- bzw. -verstärkungsbandbreite (wie ausgewiesen in 4a) oder sogar mehr als ein Laser-Mode wird hingehalten. Andererseits muss die Auflösungsbandbreite, gemessen durch die vollständige Breite bei halbem Maximum (FWHM), von mikrostrukturiertem Etalon 120 ausreichend eng sein zum Vermeiden von Selektieren der benachbarten Lasermoden 401, gestützt durch den optischen Hohlraum 103, was stattfindet, wenn unzureichend Unterdrückung von jenen von Moden 401 nicht erreicht wird, hinsichtlich des gewünschten Betriebsmodes zur Erzeugung von selektivem Zugewinn bzw. Verstärkung des gewünschten Modes. Das Verhältnis von Leistung zwischen dem gewünschten Mode und den Nebenmoden kann gemessen werden, da das Nebenmodenunterdrückungsverhältnis und akzeptable Werte von der Anwendung abhängen. Für viele WDM-Anwendungen sind sie 20 bis 45 dB.
Außerdem kann der Transmissionsbandpass von dem mikrostrukturierten Etalon 120 zu einem neuen Wellenlängenbereich durch Kippen des mikrostrukturierten Etalons 120 oder Einstellen des Spaltabstands, wie in der Bezugnahme zu 1b und 1c erläutert, verschoben werden. Diese Verschiebung zeigt sich beispielsweise durch die Strichlinie 403 von 4d, wobei in dem Fall ein anderer Mode von Laser 100 ausgewählt wird, was zu einem Laseremissionsausgangssignal führt, das zu einer entsprechenden Emissionswellenlänge 403 (Strichlinie in 4e) verschoben ist. In dieser Weise ist das Lasersystem diskret abstimmbar, indem unterscheidbare, gut separierte Wellenlängen unter einem wohl definierten stabilen Satz von Emissionswellenlängen, die WDM-Kanälen zugeordnet sind, ausgewählt werden können. Es ist anzumerken, dass ein gewisser Grad an Temperaturstabilität erforderlich ist und durch eine zulässige Drift des Kamms von möglichen Betriebsmoden bestimmt wird. Die zulässige Drift hängt von der Kanalbeabstandung ab und ist verschieden von CWDM oder DWDM und auch verschieden in Abhängigkeit von der Enge des Gitters. Beispielsweise wird ein DWDM-System ausgelegt für 50 GHz beabstandete Kanäle typischerweise mehr Stabilität von Betriebswellenlängen erfordern als ein DWDM-System, das für 200 GHz ausgelegt ist. Die Drift mit der Temperatur wird vorwiegend bestimmt durch die Änderung im Index mit der Temperatur von dem Laser-Element 102, gefolgt von den optischen Elementen, die in dem System eingesetzt werden, zusammen mit der Änderung in der physikalischen Länge des Substrats mit der Temperatur (CTE), auf dem die Elemente montiert sind. Verschiedene Verfahren, um den Kamm von Wellenlängen von Temperatur und thermischen Effekten unempfindlich zu machen, können verwendet werden, wie Aufbau auf Niedrig-CTE-Sub-straten, Einbau geringer dN/dT-optischer Elemente oder Einbau von kompensierenden Elementen, die negativen dN/dT oder negativen CTE aufweisen. Solche Konstruktionstechniken können gegebenenfalls verwendet werden, wenn mehr als Temperaturregelung verwendet wird, beispielsweise wenn ein thermoelektrischer Kühler für die gewünschte Anwendung erforderlich wird.
Aus dem Beispiel beschrieben hinsichtlich 4, ist das Erfordernis für ein Etalon bei ausreichender spektraler Auflösung zur Selektion eines einfachen Hohlraumlasermodes ausgewiesen. Als Gegenbeispiel zeigt 5 den Fall eines externen Hohlraumlasers mit enger beabstandeten Emissionsmoden. Da der Modeabstand zur Hohlraumlänge etwa invers proportional ist, wird ein engerer Mode realisiert, wenn die Länge des externen Hohlraums 105 von jenen, dargestellt in 4, zunimmt. Ein externer optischer Hohlraum 105 mit einer Länge länger als jene zu jener von 4 zeigt dichter beabstandete Moden, wie durch Vergleich der erlaubten Hohlraummoden von 5 mit jenen von 4 ersichtlich. Wenn die Hohlraummoden dichter beabstandet sind, d.h. Δλ vermindert ist, muss das Etalon 120 ein größeres diskriminierendes Vermögen aufweisen, d.h. ausreichend reduziertes FWHM, um nicht unbeabsichtigt benachbarte Moden zusammen mit Moden, die für die Selektion angestrebt werden, auszuwählen. Insbesondere wird eine Etalontransmissionsresponse 503 mit einem FWHM, die breiter ist als die optische Hohlraummodenbeabstandung, mehr als einen Mode auswählen, wie durch die zwei Ausgangsemissionspeaks 502 und 504 in 5f mit durchgezogener Linie ausgewiesen.
In ähnlicher Weise wird, wenn die Etalontransmissionsbande 503 verschoben ist, um einen anderen Lasermode auszuwählen, ein zusätzlicher benachbarter Peak unabsichtlich ausgewählt, wie durch die zwei Laserausgabepeaks 506 und 508 in 5f durch die zwei Strichlinien angezeigt. Dieses Problem könnte durch Verwendung eines Etalons mit größerer Diskriminierung geheilt werden, d.h. ein engeres FWHM, wie beispielhaft durch einen hypothetischen Etalon mit Transmissionsbandenspektralresponse, ausgewiesen in 5g, veranschaulicht, was zu einem Einmodenlaserausgang, dargestellt in 5h, führt. Wie vorher muss das FSR von dem Wellenlängenselektor auch größer sein als die Verstärkungs- oder Zugewinnbandbreite von dem Laser, um die Auswahl von mehr als einem Mode bei unzureichender Diskriminierung der Anwendung zu vermeiden.
Ein weiterer Ansatz zur Auflösung von eng beabstandeten Moden ist der Einsatz eines Interferenzfilters, Etalons oder ähnlicher Typ von wellenlängendiskriminierendem Bauelement in dem äußeren optischen Hohlraum 105 zum Zweck der Entfernung eines Subsets von Moden. Im Effekt wird dann ein weniger dichter Kamm von Hohlraummoden realisiert. 5b zeigt eine Interferenzbandbassfilter-Response, die abgeschwächt würde, beispielsweise jeder andere Hohlraummode. Die zusätzliche Komponente würde die Auflösungserfordernisse des wellenlängendiskriminierenden Modenselektors vermindern, allerdings auf Kosten von zusätzlicher Komplexität, und würde auch eine erhöhte optische Hohlraumlänge erfordern, um genügend Abstand für den Einsatz in dem Hohlraum zu gestatten. Die Fähigkeit, einen abstimmbaren Etalon mit ausreichender Auflösung zur Auswahl eines einzelnen Lasermodes und darüber hinaus eines Etalons, das keine Verlängerung des äußeren optischen Hohlraums erfordert, um größere oder zusätzliche Modeselektionskomponenten aufzunehmen oder anzupassen (und somit das Modeauflösungsproblem durch Schaffung dichter beabstandeter Modi zu verschlimmern), zu erreichen, wird durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt.
Ein weiterer Aspekt der wirksamen optischen Weglänge hinsichtlich Laseremissionsmoden betrifft Etalonabstimmung. Das Verfahren zum Kippen des mikrostrukturierten Etalons 120 oder Variation seines Spaltabstands d₀, um seine spektralen Transmissionseigenschaften zu modifizieren, verändert die wirksame optische Weglänge des äußeren Hohlraums 105. In der Folge werden auch die Laseremissionswellenlängen verschoben. Idealerweise würde dieser Effekt im Interesse der Stabilisierung des Emissionsmodenspektrums vermindert und ein Entwurfskriterium für das mikrostrukturierte Etalon 120 besteht darin, die Wirkung von Etalonabstimmungsbetätigung auf der wirksamen optischen Weglänge des äußeren Hohlraums 105 abzuschwächen. Es wird leicht in Strukturen erreicht, die einen Luftspalt anstelle eines festen Dielektrikums in Etalon 120 einbeziehen, da der Spalt 124 einen wesentlichen Abschnitt von dem optischen Weg des Etalons umfasst und somit der Spalt nicht zu einer Änderung der gesamten Hohlraumweglänge beiträgt, wenn das Etalon 120 gekippt wird. Gegebenenfalls kann eine Rückkoppelungsregelung, zusätzliche wellenlängeneinrastende Etalons oder geometrische Einstellungen eingebaut aufweisen, um diese störenden Effekte zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung bringt verschiedene wichtige Merkmale für Etalons 120, die zur Abstimmung von äußeren Hohlraumlasern verwendet werden. Zunächst kann das mikrostrukturierte Etalon 120 durch Mikroabtragungsverfahren herge stellt werden und ist somit relativ kompakt als auch verträglich mit mikrooptischen Montagen. Zweitens kann das mikrostrukturierte Etalon 120 durch elektromechanische Effekte abgestimmt werden, wobei ein elektrisches Spannungssignal die Transmissionseigenschaften des mikrostrukturierten Etalons 120 moduliert. Drittens kann die optische Weglänge des mikrostrukturierten Etalons 120, verglichen mit üblichen Etalons, relativ klein sein. Viertens, der Beitrag zu einer Änderung in der gesamten hohlraumoptischen Weglänge durch das mikrostrukturierte Etalon 120 beim Abstimmen ist gering. Wie nachstehend erörtert, können diese Merkmale mit großem Vorteil bei der Anwendung von Modenselektion von äußeren Hohlraumlasern genutzt werden.
Zum Zweck der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, dass das mikrostrukturierte Fabry-Perot-Etalon 120 bei sehr genau reproduzierbaren optischen Transmissionseigenschaften kompakt ist und dass außerdem eine gewisse Möglichkeit bereitgestellt wird, die spektralen Transmissionseigenschaften des mikrostrukturierten Etalons 120 so abzustimmen, dass Lasermodeselektion realisiert werden kann. Wünschenswerterweise erfolgt das Abstimmen des mikrostrukturierten Etalons 120 unter elektrischer Regelung. Hierzu werden die Transmissionseigenschaften des mikrostrukturierten Etalons 120 moduliert, wie durch einen oder mehrere der verschiedenen elektromechanischen Effekte mit dem Ergebnis, dass die Wellenlängen, bei denen die Transmissionsbandpässe des abstimmbaren mikrostrukturierten Etalons mittig sind, Funktionen einer angelegten Spannung sind.
Die Querschnittsansicht eines speziellen Etalonaufbaus 600 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 6a dargestellt. Das Etalon 600 kann in einer Platte oder einem Substrat 602, wie ein Siliziumwafer von dem Typ, der üblicherweise in der mikroelektronischen Industrie eingesetzt wird, hergestellt werden. Eine Aussparung 604 mit abgeschrägten Seitenwänden 605 kann auf einer Seite des Substrats 602 ausgebildet werden. Diese bestimmte Konfiguration wäre typisch für einen Hohlraum, hergestellt durch nass-anisotropes Ätzen in <100> Silizium, wobei das Ätzen an einer Ätzstoppschicht stoppt, wie Oxid oder stark dotiertem Silizium. Andere Maßnahmen zum Ätzen, wie Tiefreaktionsionenätzen, könnten verwendet werden. Die Seite von dem Substrat 602, worin die Aussparung 604 ausgebildet ist, wird als die Rückfläche 606 des Etalons bezeichnet. Eine Abstandsschicht 608, hergestellt aus Material, das von dem Substrat 602 verschieden ist, wird an der Seite des Substrats 602 gegenüber der Aussparung 604 ausgebildet. Die äußere Fläche der Spacerschicht 607 wird als die Vorderfläche 607 des Etalons 600 bezeichnet. Mehrschichtdünnfilmstapel von dielektrischer Beschichtung 612, 614 bedecken die Vorder- bzw. Rückflächen des Etalons 607, 606. Die Vorderseitenbeschichtung 612, gebildet auf der ebenen Frontfläche des Substrats 602, ist stark planar. Die Rückseitenbeschichtungen 614 sind konform und sie bedecken die Aussparungen der Seitenwände 605, Basis 603 und Rückfläche 606 gleichförmig. Ein Luftspalt 616 kann zwischen zwei dielektrischen Stapeln 612, 614, zentriert über Aussparung 604, bereitgestellt werden. Der Luftspalt 616 kann durch Ätzen der Abstandsschicht 608 durch Ätzlöcher, gebildet in dem Oberen des elektrischen Stapels 612, geschaffen werden. Die Mehrschicht-dielektrischen Beschichtungen 612, 614 können hinsichtlich einer Vielzahl von Schichten, Reihenfolge von Schichten, Brechungsindex von Schichten und Dicken von Schichten zur Funktion als dielektrische Reflektoren zusammengesetzt sein, wie es auf dem Gebiet der Dünnfilmoptik bekannt ist und wie es beispielsweise routinemäßig genutzt wird bei der Herstellung von Reflexions- und Antireflexionsbeschichtungen auf optischen Komponenten. Zum Beispiel können Beschichtungen 612, 614 alternierende Schichten von Siliziumdioxid (Brechungsindex bei 1,46) und Siliziumnitrid (Brechungsindex etwa 2,0) umfassen. Die optischen Dicken (d.h. die tatsächliche physikalische Dicke multipliziert mit dem Brechungsindex des Schichtmaterials bei der interessierenden Wellenlänge) von den Komponentenschichten des Interferenzfilters können hergestellt werden, um einer Viertelwellenlänge oder einem Vielfachen davon von der Laserlichtemissionswellenlänge zu entsprechen. Sowohl vorder- als auch rückdielektrische Beschichtungen 612, 614 können im gleichen Verfahren abgeschieden werden, sodass sowohl Vorder- als auch Rückseitenbeschichtungen 612, 614 sehr nahe dieselben optischen Eigenschaften und Transmissionseigenschaften aufweisen. Vergleichende Verfahren zur Abscheidung von dielektrischen Schichten schließen thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Sputterabscheiden und chemisches Dampfabscheiden ein. Chemisches Dampfabscheiden (CVD) einschließlich Niederdruck-CVD und Plasma-erhöhtes-CVD und Atomlagenabscheidung sind attraktive Optionen, da sie konform sind und gleichzeitig zur Abscheidung von sowohl Vorder- als auch Rückbeschichtungen 612, 614 verwendet werden können. Es wird beobachtet, dass der Aufbau des mikrostrukturierten Etalons 120 von 6a die Grundmerkmale von einem Etalon, dargestellt in 2, in sich birgt, nämlich zwei Interferenzfilter, beabstandet durch den Luftspalt oder durch eine Scheibe von durchsichtigem Material.
Wenden wir uns nun der Herstellung von Etalon 600 zu, so liefert die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung des Etalons 600, wie dargestellt durch die Schrittfolge veranschaulicht in 6b bis 6a. 6a bis 6f und 6a sind Querschnittsseitenansichten, 6g ist eine Draufsicht. Es ist selbstverständlich, dass die hier beschriebenen Techniken eine Folge von Schritten erläutern, die wünschenswerterweise eingeführte und übliche Mikrofabrikationstechnologien verwenden, es aber für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich ist, dass es verschiedene Variationen dieser Schritte gibt und dass Alternativen zu diesen Schritten auch Strukturen mit im Wesentlichen denselben Eigenschaften und Funktion erzeugen können.
In 6b wird eine Spacermaterialschicht abgeschieden oder anderweitig auf einem Substrat 602, wie einem Siliziumwafer, gebildet. Ein Einkristallsiliziumwafer, auf beiden Seiten poliert, ist eine gute Wahl für das Substrat 602 aufgrund seiner Oberflächenglattheit und Ebenheit und kontrollierbaren Ätzeigenschaften. Ein weiterer Kandidat für das Substrat schließt Glas, Keramik, geschmolzenes Siliziumdioxid, Quarz und andere Arten von Halbleiterwafern ein. Typischerweise wird das Siliziumsubstrat 602 eine Dicke von 0,5 mm aufweisen und die Spacerschicht 608 wird eine Dicke im Bereich von 2 μm bis 30 μm aufweisen. Alternativ kann das Substrat 602 ein Silizium auf Isolatorstruktur mit einer 0,1 bis 2 μm dicken versenkten Siliziumdioxidschicht, separierend einen 0,5 mm dicken Siliziumwafer von einer 2 bis 30 μm dicken abgeschiedenen Siliziumschicht, darstellen. Es ist anzumerken, dass das Substrat für die Laserwellenlängen nicht transparent sein muss, da eine Bildung der Aussparung 604 alles Substratmaterial aus dem optischen Weg des Laserstrahls entfernt. Ein Hauptkriterium von Materialauswahl besteht darin, dass das Substratmaterial hinsichtlich des Spacerschichtmaterials selektiv geätzt werden kann. Viele Materialkombinationen erfüllen dieses Erfordernis einschließlich Bor und andere verunreinigungsdotierte Siliziumspacerschicht 608, abgeschieden auf nicht dotiertem oder schwach dotiertem Siliziumsubstratwafer als Substrat 602 oder eine Siliziumspacerschicht 608 abgeschieden auf einem Saphirsubstrat 602. Im ersteren Fall ermöglicht Dotieren der Spacerschicht 608 Resistenz gegen Ätzen, was sonst undotiertes oder schwach dotiertes Silizium ätzen würde.
In einer gewünschten Ausführungsform kann das Substrat 602 ein Kristallsiliziumwafer sein und das Abstandsmaterial 608 kann stark bordotiertes Silizium sein. Die bordotierte Siliziumschicht 608 kann durch epitaxialen Aufwuchs oder lonenimplantation von bordotierter Schicht in einem Siliziumwafer 602 gebildet werden.
Wie in 6c dargestellt, kann eine Aussparung 604 in Form eines sich verjüngenden Loches, gebildet durch das Substrat 602, durch das Substrat 602 geätzt werden, wobei die Spacerschicht 608 als eine Stoppätzsperre wirkt (oder das Oxid liefert einen Ätzstopp, der im Kontakt ist mit der Spacerschicht im Fall von SOI-Siliziumwafern). Im Fall eines Siliziumsubstrats 602, beispielsweise (100) Silizium, kann Kaliummethoxid (KOH)-Lösung als anisotropes Ätzmittel zur Bereitstellung von Seitenwandverjüngung der Aussparung 604 verwendet werden. Andere Siliziumätzmittel, die für diesen Zweck verwendet werden können, schließen Hydrazin und EDP (Ethylendiaminpyracatechol) ein. Darüber hinaus können auch isotrope Ätzmittel verwendet werden, wie sie typischerweise der Fall sind, mit anderen Substratmaterialien, wie Keramiken. Eine wünschenswerte Eigenschaft des Ätzmittels besteht darin, dass es Substratmaterial schneller entfernt als das Spacerschichtmaterial. Alternativ ist im Fall von SOI-Wafern Selektivität des Ätzmittels zu der versenkten Oxidschicht erforderlich. Ein typischer Durchmesser der Aussparung 604 an der Spacerschicht 608 ist 100 bis 500 μm, obwohl diese Abmessung gemäß der Anwendung und Strahltaillengröße von dem Laser-Element 102 in dem optischen Hohlraum 103 stark variieren kann.
Wie in 6d dargestellt, wird ein Mehrschichtdünnfilm-dielektrischer Stapel 612, der einen optischen Interferenzfilter bildet, auf der Vorderfläche 607 des Substrats gebildet und ein dielektrischer Stapel 614 wird auf der Rückfläche 606 des Substrats ausgebildet. Mehrschichtenstrukturen mit alternierenden hohen und niedrigen Brechungsindizes und Viertelwellenlängendicken können entworfen werden und gemäß Verfahren, die weitestgehend in Dünnfilmoptiken verwendet werden, abgeschieden werden. Schichten können beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder andere dielektrische Materialien, einschließlich Metalloxiden und Breitbandlückenhalbleitern, wie Galliumnitrid und Siliziumcarbid, umfassen. Eine typische Gesamtdicke von dem vorder- und rückseitendielektrischen Stapel kann 2 bis 15 μm in Abhängigkeit von der Zahl der Schichten und der mittleren Wellenlänge für den Entwurf sein.
Wie in 6e gezeigt, kann ein Satz von Löchern 618 in dem vorderen dielektrischen Stapel 612 gebildet werden. Die Löcher legen die darunter liegende Spacerschicht 608 frei, wodurch sie zum Ätzen zugänglich wird. Die Löcher 618 können durch Fotolithographie in Kombination mit Nass- oder Trockenätzen (beispielsweise Reaktivionenätzen) oder durch eine andere Maßnahme, wie Laserbohren, definiert werden. Die Löcher 618 können über der Aussparung 604 oder peripher zu der Aussparung 604 und über dem Substrat 602 angeordnet sein. Ein typischer Lochdurchmesser kann 10 bis 50 μm betragen. Wie in 6f dargestellt, sind Abschnitte der Spacerschicht 608, die direkt über der Aussparung 604 liegen, durch Ätzen entfernt unter Hinterlassen eines Luftspalts 616 zwischen dem vorderseitendielektrischen Stapel 612 und dem rückseitendielektrischen Stapel 614 und wobei der Spalt 616 mit der Aussparung 604 in Flucht ist.
Das so beschriebene Ätzen der Spacerschicht 608 wird mit verschiedenen Materialkombinationen für das Substrat 602 und die Spacerschicht 608 und mit zahlreichen Formulierungen von Ätzmitteln möglich. Wenn beispielsweise die Spacerschicht 608 undotiertes oder bordotiertes Silizium ist und das Substrat 602 Silizium ist, kann die Spacerschicht 608 mit Xenondifluorid geätzt werden. Xenondifluoridgas wird Silizium leicht isotrop ätzen, belässt aber das Substrat 602 unbeschädigt, da es mit Schichten von Dielektrika, wie Nitrid und Oxid, beschichtet ist. Flüssige Ätzmittel können auch verwendet werden. Das Ätzmittel sollte nicht signifikant die dielektrischen Stapelschichten 612, 614 ätzen oder aufrauen, obwohl etwas Ätzen des Substrats 602 tolerierbar sein mag. Im Ergebnis von Ätzen eines Abschnitts der Spacerschicht 608 wird ein Abschnitt der vorderseitendielektrischen Stapelschicht 612 über den Luftspalt 616 gehängt.
Eine Draufsicht eines beispielhaften Lochmusters zum Ätzen der Spacerschicht 608 ist in 6g für den Fall von acht Löchern 618, die um ein Quadratmuster angeordnet sind, dargestellt. Das Rechteck in Strichlinie von 6f zeigt das etwaige Ausmaß des Bereichs, wo parallele dielektrische Stapelreflektoren 612, 614 durch den Spalt 616 separiert sind, excaviert aus der Spacerschicht 608 durch Ätzen. In 6g entspricht das Rechteck in Strichlinie auch etwa einer Draufsicht des Abschnitts von der Vorderseiten-Dünnfilm-Dielektrischen-Stapelschicht 612, die über dem Luftspalt 616 hängt und als 620 in 6f bezeichnet wird. Dieser Bereich dient als optisch funktioneller Teil des Etalons 600 unter Bereitstellung der optischen Interferenzwirkungen für den Laserstrahl. Die ungeätzten Substratabschnitte, die Aussparung 604 umgeben (d.h. der Bereich außerhalb des rechteckigen Bereichs in Strichlinie in Draufsicht von 6g oder entsprechend der Substratabschnitt, bezeichnet als (622) in Querschnittsansicht von 6f, geben dem Etalon 600 mechanische Stabilität und dienen auch als zweckmäßiger Griff für Manipulation und Montage des Etalons 600 in dem optischen Hohlraum 103. Substrat 602 kann auch Montieren und Ausrichten von Referenzflächen unterstützen zum Erleichtern genauer Positionierung und Orientierung des Etalons 600. Aufgrund des geometrischen Entwurfs des mikrostrukturierten Etalons 600 tragen relativ sperrige Teile des Substrats 602, bezeichnet als Abschnitt 602, peripher zu der Aussparung 604 nicht zu der optischen Weglänge des Etalons 600 bei. Bei einem solchen Entwurf sollte die mechanische Nettospannung der beschichteten Schichten nicht kontrolliert werden, wobei eine geringe Nettozugspannung typischerweise erwünscht ist.
Das Etalon 600 kann mit zusätzlicher Struktur versehen sein, um Abstimmen zu erlauben. Wie in dem Querschnitt schematisch von 6h eines elektrostatisch betätigten Etalons 600 angezeigt, werden leitfähige Elektroden 624 auf der äußeren Seite des vorderen dielektrischen Stapelabschnitts 620, der über dem Luftspalt 616 hängt, gebildet. Dieser Satz von Elektroden 624 sind gemeinsam, d.h. elektrisch, verbunden. Wenn das Substrat 602 ausreichend elektrisch leitfähig ist, kann es als eine Gegenelektrode fungieren. Alternativ kann eine Gegenelektrode 626 in Form einer zweiten leitfähigen Lage bzw. eines zweiten leitfähigen Kissens, das beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO)-Schicht umfasst, auf der äußeren Oberfläche der rückwärtigen dielektrischen Stapelschicht 614 als Gegenelektrode 626 abgeschieden werden. Zinnoxid und ITO haben den Vorteil, dass es bei möglichen interessierenden Wellenlängen für faseroptische Kommunikationsanwendungen transparent ist und so wird Verdecken des optischen Wegs vermieden. Eine Spannung, angelegt zwischen den Elektroden 624 und Gegenelektrode(n) 626, liefert eine elektrostatische Kraft, die den hängenden dielektrischen Stapel 620 zieht oder abstößt und so den Luftspalt 616, der den Raum zwischen dielektrischen Stapeln 614, 620 füllt, variiert. Dies ändert die Transmissionseigenschaften des Etalons und verschiebt insbesondere die Wellenlängen der engen Transmissionsbanden (bezeichnet durch 302 in 3). Diese Etalonstruktur liefert so Modulation der Transmissionsbanden und somit im Effekt Wellenlängenabstimmung durch ein angelegtes elektrisches Signal.
Ein weiteres Beispiel eines Etalons 700 zur Verwendung als mikrostrukturiertes Etalon 120 in dem externen Hohlraumlaser 100 wird in 7d gezeigt, wobei 7a bis 7d eine beispielhafte Schrittfolge bei seiner Fabrikation zeigen. 7a zeigt ein Substrat 702, auf das ein dielektrischer Stapel 704 auf einer Seite 703 ausgebildet ist. Der dielektrische Stapel 704 kann strukturell, kompositionell und funktionell den dielektrischen Stapeln 612, 614, die hinsichtlich 6 beschrieben wurden, ähnlich sein. 7b zeigt ein separates Substrat 706, worin eine flache Vertiefung 708 auf einer Seite 705 des Substrats durch Maskieren und kontrolliertes Ätzen oder Fräsen ausgebildet wurde und wobei dieselbe Seite 705 von dem Substrat konform mit einem dielektrischen Stapel 710 beschichtet wurde. Wie in 7c dargestellt, sind die zwei Substrate 702, 706 in Flucht und angepasst oder zusammen verbunden bzw. geklebt, sodass die Vertiefung 708 einen internen Raum oder Luftspalt 712 begrenzt von zwei Seiten durch dielektrische Stapel 704 und 710 liefert. Diese Struktur liefert ein Etalon 700 mit einer Luftspaltbeabstandung d, wie in 7c ausgewiesen. Wie in 7d gezeigt, sind Abschnitte von beiden Substraten 702, 706 entfernt zur Bildung ausgerichteter Aussparung 714 und 716, was zwei freistehende dielektrische Stapel 718 und 720, begrenzend einen Luftspalt 712, zeigt. Wie hinsichtlich 6g erläutert, können Elektroden entweder in Form von leitfähigen Kissen oder Lagen oder leitfähige Oxidfilme auf sowohl freistehende Stapel für elektrostatische Betätigung als auch elektrisch kontrolliertes Abstimmen des Etalonspalts 712 angewendet werden.
Beispiele
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist jenes der Kompaktheit des mikrostrukturierten Etalons und die damit verbundene Verkürzung der optischen Weglänge des optischen Hohlraums 103 erleichtert mehr optimale Modenbeabstandung und einfachere Maßnahmen von Modenselektion. Diese Aspekte der Erfindung sind in den nachstehenden Modellierungen und Simulationsbeispielen ausgeführt.
8a zeigt den berechneten Kamm von Längswellenmoden für eine wirksame gesamte optische Hohlraumlänge l_cav,eff von 24 mm im Spektralbereich zentriert bei 1555 nm Wellenlänge. Der Modenabstand ist etwa 0,5 nm. 8b zeigt Ergebnisse einer ähnlichen Simulation, jedoch für eine gesamte optische Weglänge des Laserhohlraums verkürzt auf 12 mm. Wie vorweggenommen ist die Modenbeabstandung erhöht von jener des ersten Beispiels auf etwa 1 nm. 8a und 8d erläutern die Wirkung der optischen Hohlraumlänge auf die Modenbeabstandung und dass kürzere optische Hohlräume in weiter beabstandeten Moden resultieren, was weniger strikte Auflösungserfordernisse für ein wellenlängendiskriminierendes Modenselektionsbauelement erfordert.
8c (grob im Detail) und 8d (feiner im Detail) zeigen die kalkulierte spektrale Transmission eines Etalons, das zwei dielektrische Stapel von 20 alternierenden Schichten von Siliziumnitrit und Siliziumdioxid umfasst, jede Schicht mit einer Vierteiwellendicke (= λ/4n, wobei λ = 1550 nm und n der Brechungsindex für Siliziumdioxid oder Siliziumnitrit darstellt), separiert durch einen Luftspalt von 5,8 μm. Das FWHM von einem Transmissionsbandpass ist etwa 0,3 nm. Das FSR (freier Spektralbereich) von diesem Etalon, d.h. Wellenlängenbeabstandung zwischen benachbarten Transmissionsdurchlassbandspitzen, ist etwa 90 nm. Dieses FSR ist ausreichend größer als die Gewinn- bzw. Verstärkungsbandbreite von typischen 1550-nm-Wellenlängen-Emissionslasern, ein Erfordernis, festgelegt in der Diskussion betreffend 4 und 5, um das Anhalten von mehr als einem Lasermode zu vermeiden. Außerdem ist die Auflösung des beispielhaften mikrostrukturierten Etalons hinreichend zum Auflösen benachbarter Peaks für den Fall eines 12 mm langen optischen Hohlraums. Wie in 8d dargestellt, gibt es etwa 15 dB Abschwächung für Moden mit 1 nm Peaktransmission. Alle diese Beispiele sind Einpassberechnungen, wohingegen ein Doppelpass im Wesentlichen die Abschwächung zwischen Bandpässen erhöhen würde. Die erforderliche Abschwächung für eine gegebene Anwendung wird von verschiedenen Variablen abhängen, einschließlich der Gewinn- bzw. Verstärkungskurve des zu verwendenden Laser-Elements. Die erreichte Unterdrückung kann leicht durch Erhöhen oder Senken der Zahl der Schichten in den dielektrischen Reflektoren eingestellt werden.
Das potenzielle Abstimmungsvermögen des vorstehend beschriebenen Etalons mit Bezug auf die Spalteinstellung ist durch die drei spektralen Transmissionskurven, dargestellt in 8e, angezeigt. Ein 5,8-μm-Luftspalt ist in Inkrementen von 8 nm verkürzt, was zu einer nennenswerten Verschiebung des Transmissionspeaks zu kürzeren Wellenlängen, dargestellt als Kurven 802, 804 bzw. 806, führt. Kurve 802 ist für ein Etalon mit einem Spalt von 5,820 μm. Kurve 804 ist für den Spalt verkürzt um 8 nm zu 5,812 μm und Kurve 806 ist für den Spalt weiter verkürzt auf 5,804 μm. Die Simulation zeigt somit, dass eine relativ moderate Modifizierung des Luftspalts, wie sie durch einen elektrostatischen Betätigungseffekt leicht erreicht wird, nützliche Wellenlängendiskriminierung für Modenbeabstandung von 1 μm, vorliegend in dem optischen Hohlraum 103, bei einer wirksamen optischen Länge von 12 mm ergibt. Kippen des mikrostrukturierten Etalons 120 über Winkel von 1 bis 35° ergibt eine ähnliche Modifizierung von Transmissionseigenschaften.
In einem speziellen Beispiel der vorliegenden Erfindung können typische Beiträge zur optischen Weglänge sein:

i: Der Kantenemissionslaser 102 mit der physikalischen Länge von d_las = 200 μm und einer optischen Länge von etwa 850 μm.
ii: Eine antireflexionsbeschichtete Kugellinse mit 116 und 400 μm Durchmesser, hergestellt aus Spinell und mit einer optischen Weglänge von etwa 720 μm.
iii: Ein abstimmbares Etalon 120, umfassend 10 bis 20 Schichten Siliziumnitrid und Siliziumdioxid, getragen auf einem Rahmen, ausgebildet von den peripheren Bereichen des Wafers, aus dem das Etalon 120 gebildet ist, wie in 6g bei spielsweise gezeigt. Die erhaltene Etalon-optische Weglänge ist etwa 500 μm und es sollte angemerkt werden, dass diese Dicke auf dem Abstand basiert, der zum Einsetzen des Siliziumwafers, in dem der Etalon 120 gebildet ist, zugelassen ist. Wenn der Laserstrahlweg zu der Aussparung, gebildet in dem Siliziumsubstrat, eingeschränkt ist, ist der optische Weg durch Transmission über Silizium nicht erhöht. Die Abstände zwischen diesen drei Elementen (Laser-Element 102, Etalon 120 und Linse 116) können geringer gestaltet werden als 1 mm insgesamt.

Die Zusammenfassung dieser optischen Wege ist wie nachstehend: 850 μm (Laser) plus 720 μm (Linse) plus 515 μm (Etalon) plus 1 mm (Spaltabstände) = ∼3 mm, ergibt eine minimale gesamte optische Weglänge von etwa 3 mm. Somit können die Elemente mit mehr entspannter oder offener Beabstandung in Abhängigkeit von der gewünschten Kammbeabstandung positioniert werden.
Die vorliegende Erfindung liefert auch einfache und genaue Steuerung der Laseremissionswellenlänge unter Verwendung eines mikrostrukturierten abstimmbaren Etalons durch Beobachten bzw. Monitoring des Laserausgangssignals mit einem Fotodetektor, wobei eine beispielhafte Implementierung schematisch in 9a dargestellt ist. Das in 9a dargestellte System enthält einen Laser 920, eine kollimierende Linse 904 zusammen mit einem Spiegel 906 und einer stark reflektierend beschichteten Facette 908, die einen optischen Raum 910 dazwischen definiert. Der Laserstrahlausgang 912 wird durch die beschichtete Facette 908 transmittiert. Das System enthält auch einen Strahlsplitter 914, angeordnet in dem Ausgangsstrahl 912, einen Fotodetektor 916 zum Empfang eines abgespalteten Teils des Ausgangsstrahls 112, einen Impulszählerkreis 918, einen Controller 920 und einen Schaltkreis 922 zur Betätigung eines mikrostrukturierten Etalons 924. Der so angeordnete Fotodetektor 916 verfolgt kontinuierlich den Laserausgang. Wenn der Laser zwischen Moden schaltet oder springt, gibt es eine kurze Unterbrechung im optischen Ausgang, der als ein Impuls detektiert und registriert werden kann. Wenn der Controller 920 das elektrisch betätigte Etalon über einen Spektralbereich überstreicht, kann der Zählerkreis 918 das Auftreten von und das Zählen der Zahl von Modensprüngen feststellen, was die Emissionswellenlänge für ein System mit festgelegten Wellenlängeemissionsmoden implizieren wird. Der Detektor 916 kann dann Rückkoppelung zur optimalen Positionierung des Etalons 924 für eine optimale Leistung des gewünschten Betriebsmodes bereitstellen. Die absolute Positionierung des Kamms von Moden kann dann während des Montagevorgangs oder durch Temperaturabstimmung des Systems auf einen TEC zu einer Temperatur, bei der der Modenkamm von longitudinalen Moden, falls erwünscht, zentriert ist, eingestellt werden.
In dem in 9a beschriebenen System ist es möglich, dass einige Fehlfunktionen, Rauschwirkungen oder anderes Missverhalten verursacht werden, dass Modenspringen den Zähler die Spur der Moden verlieren lässt, was zu einem Modenoffseffehler führt. Alternativ kann Herstellungsvariabilität der gesamten optischen Weglänge Variabilität von dem Anfangsmode erzeugen. Dies kann erreicht werden durch Herstellen einer Home-Kanalwellenlänge, die das System zur Herstellung eines fixierten Referenzpunktes verwenden kann, wie in 9b dargestellt. Das System von 9b ist ähnlich zu jenem von 9a mit dem Zusatz eines zweiten Strahlsplitters 926, eines optischen Filters 928, abgestimmt zu einem Homekanal, und einem zweiten Fotodetektor 930. Ein Defraktionsgitter, Prisma, Etalon und ähnliche Vorrichtung kann anstelle des optischen Filters 928 dienen. Der zweite Strahlsplitter 926 nimmt kontinuierlich Proben des Laserausgangs, welcher durch einen Engpass-optischen Interferenzfilter 928 gefiltert wird, der nur Laserausgang der Referenzwellenlänge zu dem zweiten Fotodetektor 930 transmittiert bzw. sendet. Ein Signal, registriert durch den zweiten Fotodetektor, 930 zeigt an, dass Laser 902 in dem Mode entsprechend der Referenzwellenlänge betrieben wird. Der Controller 920 kann so über die Moden streichen durch Betätigung des Etalons 924 mit einer Rampenspannung und die Zahl der Moden, die bei dem Überstreichen überquert wird, kann von Fotodetektor 916 und Zählerkreis 918 gezählt werden. Somit kann Laser 902 auf einen gewünschten Mode abgestimmt werden, kann durch die Zahl der Modensprünge von dem Referenzmode gezählt werden.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich. Folglich ist es für den Fachmann erkennbar, dass Änderungen und Modifizierungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, ohne vom breiten Erfindungskonzept der Erfindung abzuweichen, erfolgen können. Es sollte daher selbstverständlich sein, dass die Erfindung nicht auf bestimmte Ausführungsformen, die darin beschrieben sind, beschränkt ist, sondern dass es vorgesehen ist, dass alle Änderungen und Modifizierungen, die innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie in den Ansprüchen ausgewiesen, eingeschlossen sind.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten bzw. mikrostrukturhergestellten Etalons (600), umfassend: Bereitstellen eines kristallinen Substrats (602) mit erster und zweiter gegenüberliegender bzw. entgegengesetzter Fläche (606, 610); Bereitstellen einer Abstandshalter- bzw. Spacerschicht (608) über der ersten Fläche des Substrats, wobei die Abstandshalterschicht eine äußere Fläche (607) aufweist; Bilden einer Öffnung (604), die sich durch das Substrat von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche erstreckt, wobei die Öffnung eine Basis (603) benachbart zu einem freiliegenden Teil der Abstandshalterschicht und eine Seitenwand (605) aufweist; Bereitstellen eines ersten Interferenzfilters (612) über der äußeren Fläche der Abstandshalterschicht und Bereitstellen eines zweiten Interferenzfilters (614) über dem freiliegenden Teil der Abstandshalterschicht und der Seitenwand; und Entfernen eines Teils der Abstandshalterschicht in der Nähe der Öffnung zur Bereitstellung eines Zwischenraums (616) zwischen den Interferenzfiltern zur Bereitstellung eines Etalons zwischen den Interferenzfiltern.
Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten bzw. mikrostrukturhergestellten Etalons nach Anspruch 1, umfassend Bereitstellen einer leitfähigen Elektrode (624, 626) in der Nähe des Zwischenraums, wobei die Elektrode aufgebaut ist zur Bereitstellung einer abstoßenden oder anziehenden Kraft zur Änderung des Zwischenraumabstands.
Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten bzw. mikrostrukturhergestellten Etalons nach Anspruch 2, wobei die leitfähige Elektrode (624) über dem ersten Interferenzfilter angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten bzw. mikrostrukturhergestellten Etalons nach Anspruch 3, wobei die leitfähige Elektrode eine Vielzahl von leitfähigen Elektroden (624) über dem ersten Interferenzfilter enthält.
Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten bzw. mikrostrukturhergestellten Etalons nach Anspruch 3 oder 4, umfassend Ausbildung einer leitfähigen Elektrode (626) über dem zweiten Interferenzfilter.
Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten bzw. mikrostrukturhergestellten Etalons nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ausbildung der Öffnung anisotropes Ätzen des Substrats umfasst.
Mikrostrukturiertes bzw. mikrostrukturhergestelltes Etalon (600) mit: einem kristallinen Substrat (602) mit erster und zweiter gegenüberliegender bzw. entgegengesetzter Fläche (606, 610); einer Abstandshalter- bzw. Spacerschicht (608), angeordnet über der ersten Fläche des Substrats, wobei die Abstandshalterschicht eine äußere Fläche (607) aufweist; einer Öffnung (604), die sich durch das Substrat von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche erstreckt, wobei die Öffnung eine Basis (603), benachbart zu einem freiliegenden Teil der Abstandshalterschicht, aufweist und eine Seitenwand (605) aufweist; einem ersten Interferenzfilter (612), angeordnet über der äußeren Fläche der Abstandshalterschicht, und einem zweiten Interferenzfilter (614), angeordnet über dem freiliegenden Teil der Abstandshalterschicht und der Seitenwand; und einem Luftzwischenraum (616) in der Abstandshalterschicht zwischen den Interferenzfiltern in der Nähe der Öffnung unter Bereitstellung eines Etalons zwischen den Interferenzfiltern.
Mikrostrukturiertes bzw. mikrostrukturhergestelltes Etalon nach Anspruch 7, umfassend eine leitfähige Elektrode (624, 626) in der Nähe des Zwischenraums, wobei die Elektrode aufgebaut ist zur Bereitstellung einer abstoßenden oder anziehenden Kraft zur Änderung des Zwischenraumabstands.
Mikrostrukturiertes bzw. mikrostrukturhergestelltes Etalon nach Anspruch 7, wobei die leitfähige Elektrode eine Vielzahl von leitfähigen Elektroden (624) über dem ersten Interferenzfilter enthält.
Mikrostrukturiertes bzw. mikrostrukturhergestelltes Etalon nach Anspruch 7, umfassend eine leitfähige Elektrode (626) über dem zweiten Interferenzfilter.