DE69201123T2

DE69201123T2 - Im Flüstergalerie-Mode angeregter Mikroresonator.

Info

Publication number: DE69201123T2
Application number: DE69201123T
Authority: DE
Inventors: Samuel Leverte Mccall
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-09-17
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2012-09-11
Also published as: DK0533390T3; ATE116767T1; NO923563D0; US5343490A; DE69201123D1; CA2068899A1; HK193895A; CA2068899C; ES2066563T3; KR100240782B1; EP0533390A1; EP0533390B1; JPH05206583A; NO923563L; SG31795G

Description

Hintergrund der Erfindung

Technisches Gebiet

Eine Mikroresonatorstruktur ist von Kavitation von Flüstergalerieenergie abhängig, die als Definition von Kavitation um den Umfang eines aktiven Gebiets mit Teilwellenlängenstärke und verschiedenen Konfigurationen angesehen werden kann. Im Lasermodus arbeitend bietet sie eine Alternative zum Oberflächenlaser (SEL - Surface Emitting Laser) für die Aufnahme in entweder ganz optische oder elektrooptische integrierte Schaltungen. Stand der Technik Die weltweiten Aktivitäten folgen dein Trend, daß der SEL den langgehegten Wunsch nach Großintegrierung aktiver Photonenvorrichtungen in integrierte Schaltungen zu erfüllen verspricht. Diese Hoffnung beruht auf den sehr niedrigen Laserschwellwerten, die von Natur aus die als Begleiterscheinung des Puinpens auftretende Erwärmung, gewöhnlich I²R-Verlustleistung, reduzieren, die der Erfüllung dieses Wunsches zentral entgegensteht.
Die Entwicklung des SEL brachte eine Anzahl von Konstruktionsfortschritten mit sich. Die Verwendung von aktivein Volumenmaterial hat in einem bedeutenden Maß Quantenmuldenstrukturen einschließlich der letzten Einzelquantenmuldenstruktur Platz gemacht. Zu den Prozessänderungen gehörten Ablagerungsverfahren mit dein Ziel der Gleichförmigkeit der Zusammensetzung und Gleichmäßigkeit der Abmessungen. Zu einem Bereich mit beträchtlichen Folgen gehörte das Aufeinanderschichten von DBR- (Distributed Bragg Reflector-)Spiegeln. Funktionsfähige Vorrichtungen, über die berichtet worden ist, erreichen zuverlässig Reflexionsgrade von 99+% mit 20-40-Paar-DBR für eine Ausstrahlung mit 0,8 bzw. 1,1 µm. Dieser letztere Aspekt - die Definition des Laserhohlraums als DBR - ist bei der Evolution des SEL von erstrangiger Bedeutung gewesen. Das Erzielen von ausgezeichneten Reflexionsgraden wie berichtet wird der Erfüllung sehr enger Herstellungstoleranzen zugeschrieben.
Die Kehrseite der münze ist, daß jede erzielte neue SEL-Konstruktion entscheidend von den DBR abhängig ist, die wiederum sowohl beträchtliche Kosten als auch einige unerwünschte Betriebsfolgen mit sich bringen. Dem Namen nach sind DBR verteilt, womit das Modenvolumen bedeutend über das des verantwortlichen aktiven Bereichs hinaus vergrößert wird. Im Fall einer Einzelquantenmulden-(SQW - Single Quantum Well-)Struktur, die für den Betrieb mit 1,3 µm ausgelegt ist, kann dieses Volumen effektiv um das 20-fache vergrößert werden - einfach aufgrund des Erfordernisses der Aufnahme von 20-Paar- Spiegeln.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein alternativer Konstruktionsweg zum SEL ist von Energiekavitation in der Form von "Flüstergaleriemoden" abhängig, die innerhalb eines dünnen Elements - eines Elements aus aktivem Material mit einer charakteristischen maximalen Stärke einer halben Wellenlänge (mit dem im Volumenmaterial gemessenen Wellenlängenwert) über einen wesentlichen Teil des funktionierenden Elements hinweg unterstützt werden. Die Kavitationsenergie ist im allgemeinen größtenteils auf einen Umfangsteil des Elements beschränkt, wobei das letztere eine Vielfalt von Konfigurationen, allgemein mit maximaler Abmessung in der Größenordnung von Mikrometern, aufweisen kann, um den Integrationsgrößenwünschen Rechnung zu tragen.
Eine bedeutende Kategorie von erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglicht das Erreichen des Laserschwellwertes. Das generische Konzept des Flüstergalerie-Mikroresonators wird auch nutzbringend auf Strukturen angewandt, die der Auslegung gemäß oder aus Betriebsgründen den Schwellwert nicht erreichen. Resultierende Leuchtdioden (LED - Light Emitting Diodes) können viele der Aufgaben von Lasern mit praktischen Vorteilen beispielsweise in bezug auf Ausbeute, Stromverbrauch usw. erfüllen. Eine in Betracht gezogene Anwendung ist ein geschaltetes Element, bei dem die Funktionsweise einfach von der Gegenwart oder Abwesenheit einer Ausgangsleistung und nicht von Kohärenz abhängig ist.
Konstruktionsvariationen hinsichtlich kritischer Abmessungen und sonstiger Parameter werden unter "Detaillierte Beschreibung" beschrieben. Ganz allgemein ist die Funktionsweise von Kavitation mit drei oder mehr reflektierenden Positionen (gegenüber den gewöhnlichen zwei-Spiegel-Resonatoren) abhängig. Das Erfordernis für "totale interne Reflexion" in den gewöhnlichen in Betracht gezogenen Vorrichtungen - Vorrichtungen mit Mikrometerabmessungen - für den gewöhnlich/praktisch verfügbaren lndexkontrast ergibt allgemein einen mehreckigen Resonatorweg mit vier oder mehr Seiten.
Wir sind der Ansicht, daß die Erfindung ein Erfordernis für einen Ersatz für rein elektronische integrierte Schaltungen erfüllt. Sie bietet niedrigen Stromverbrauch für Vorrichtungen, die Bestandteile von Photonen- und Optoelektronikschaltungen sind. Lichterzeugung auf einer Ebene sowie außerhalb der Ebene bietet in Vorrichtungen mit Mikrometerabmessungen die vielen den optischen Schaltungen eigenen Vorteile entsprechend den Größen- und Rentabilitätserfordernissen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Anspruch 1 definiert. Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht der prototypischen scheibenförmigen Struktur, die gewöhnlich für Lehrzwecke benutzt wird und auch praktische Bedeutung hat.
Figur 2 ist eine schematische Ansicht eines Quadranten einer runden Scheibenstruktur nach Figur 1 mit der Darstellung interner und durchdringender Feldlinien für eine bestimmte Betriebsart.
Figuren 3 bis 6 sind Darstellungen einiger der alternativen Strukturen zu einer einfachen ebenen Scheibe:
Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht einer achteckigen Struktur,
Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Scheibenstruktur, in der das Umfangsgebiet, in dem die Flüstergalerieenergie fortgepflanzt wird, eine relativ dünne Membrane, eine Membrane mit Folgen für die Mechanik oder Leistung, umschließt,
Figur 5 ist eine teilweise guerschnittsmäßige perspektivische Ansicht eines ringröhrenförmigen Resonators, wiederum mit einer Membrane, mit Leistungseigenschaften ähnlich denen der Figur 4, und
Figur 6 ist eine teilweise querschnittsmäßige perspektivische Ansicht einer alternativen Struktur zu der der Figuren 4 und 5, in der die Modenaktion innerhalb eines peripheren Weges mit nunmehr dreieckigem Querschnitt stattfindet.
Figur 7 ist eine perspektivische Ansicht einer repräsentativen Struktur - einer in einigen der hiesigen Beispiele benutzten Struktur - in der das scheibenförmige Element auf einem beispielsweise durch Ätzen des gezogenen Substrats geformten Stand getragen wird.
Figur 8 ist eine perspektivische Ansicht einer Struktur, die Ausstrahlung außerhalb der Ebene als Ergebnis von gruppierten Kerben auf dem Peripheriemodenweg ermöglicht.
Figur 9, wiederum eine perspektivische Ansicht, stellt die Auskopplung von Ausstrahlung auf der Ebene dar.
Figuren 10 und 11 sind perspektivische Ansichten von zwei elektrisches Pumpen ermöglichenden Vorrichtungsanordnungen:
Figur 10 für das aktive Element überbrückende Elektroden, und
Figur 11 für beabstandete Elektroden auf einer einzigen Elementfläche.

Detaillierte Beschreibung

Begriffsdefinition

Obwohl Begriff sbedeutung und Zusammenhang dem Fachmann bekannt sein werden, ist dieser Abschnitt durch die Möglichkeit der Untersuchung durch solche mit geringeren Fachkentnissen und auch die weitergehende Entwicklung gerechtfertigt.
Scheibe - dies ist das aktive Gebiet oder der das aktive Gebiet enthaltende Teil der Struktur, der für die elektromagnetische Ausstrahlung verantwortlich ist, stets mit einem Grad an Kohärenz. Während dieser Begriff für Lehrzwecke allgemein als kreisförmig zwischen parallelen Oberflächen mit unveränderlichem Abstand angesehen wird, soll der Begriff eine allgemeinere Bedeutung besitzen. Im generischen Sinn definiert "Scheibe" Strukturen mit nur einer einzigen Eigenschaft - diejenigen, bei denen die vorwiegende Kavitationsenergie größtenteils in (einem) Gebiet/en liegt, in dem/denen eine Dimension (gewöhnlich die Dimension "Stärke") senkrecht zur Kavitationsrichtung nur einen Bruchteil einer Wellenlänge beträgt. Dieser Bruchteil, gewöhnlich < 0,5 λ, und = 0,25 λ in einer Kategorie bevorzugter Strukturen, beruht auf Wellenlängenmessung in der Struktur - wobei sowohl der Volumenbrechungsindex als auch durch kleine strukturelle Abmessungen eingeführte Variationen berücksichtigt werden. Der Index eff bezieht sich auf den Effektivwert, so daß neff ein Maß des Brechungsindexes ist, wobei beide Faktoren berücksichtigt werden.
Modus - hinsichtlich der Vorrichtungskonstruktion ist es nicht sehr ungenau, bevorzugte Strukturen als allgemein im Einmodenbetrieb arbeitende Strukturen anzusehen. Obwohl dies genau gesagt nur für Vorrichtungen mit veränderlicher Stärke gilt, wobei die Stärke sich radial ändert, wie die Vorrichtung der Figur 4, gilt es immer noch annähernd für andere in Betracht gezogene Strukturen. Im einzelnen gibt es Vielmodenbetrieb für viele Strukturen. Modenmultiplikation nimmt die Form radial abhängiger Moden N und veränderlicher peripherer Moden M oder alternativ M&sub1; an. Wie anderswo beschrieben definiert M&sub1; die Anzahl der Seiten auf dem mehreckigen Weg kavitierender Ausstrahlungsenergie. Die allgemeinere Modennummer M definiert die Anzahl von Wellenschwingungen auf dem Modenweg ohne Bezugnahme auf die Anzahl von Mehreckwegseiten. (Eine Wellenschwingung wird als einer vollständigen Sinuswelle entsprechend angesehen.)
Modenweg - dies steht mit der obigen Beschreibung in Beziehung. Mehreckseiten bestehen in vielen Umständen aus einer einzigen Ganzwelle (so daß M = M&sub1;). Funktionierende Strukturen können jedoch von Modenwegen abhängig sein, bei denen M = M&sub1;, das heißt bei denen mehrere Ganzwellen oder unter gewissen Umständen nur eine Halbwelle pro Seite vorliegen.
Durchdringende(s) Feld - Felder, die vom aktiven Gebiet in das umgebende Medium durchdringen. Dies sind die Felder, die sowohl die Möglichkeit zum Einkoppeln in andere Schaltungselemente (entweder über perfekte Struktur oder durch Unterbrechung - (z.B. die genutete Oberfläche der Figur 8) bieten, aber gleichzeitig unbeabsichtigter Kopplung gegenüber empfindlich sind, so daß sich möglicherweise Verluste ergeben.
Flüstergaleriemodus/Flüstermodus - dieser Begriff, der denjenigen bekannt ist, die mit intern reflektierenden kugelförmigen und zylindrischen Strukturen zu tun haben, definiert die für die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtungen verantwortliche - gewöhnlich vollverantwortliche - Kavitationsform. Die unten etwas mehr im einzelnen beschriebene Funktion ist von interner Reflexion abhängig, die sich aus dem Auftreffen von kavitierender Energie auf eine Umfangs struktur mit einem Winkel < dem "kritischen Winkel" ergibt.
Quantenmulde - im allgemeinen Verständnis bezieht sich dieser Begriff auf Abweichung von der hypothetischen Kugel, die das ef fektive Gebiet einer Erregung innerhalb eines effektiv grenzenlosen Mediums mit konstantem Brechungsindex definiert. Für die Zwecke dieser Beschreibung - für Zwecke, die in bezug auf die Vorrichtungskonstruktion sinnvoll sind - muß die kritische Dimension einer Quantenmulde mindestens 10% kürzer als der Durchmesser einer solchen hypothetischen Kugel sein.

Allgemeines

Die Erfindungsklasse von Mikroresonatorstrukturen bietet einen großen Indexkontrast - eine große Änderung des Brechungsindex für optische Energie mit Wellenlängen von betriebsmäßiger Bedeutung - wie zwischen einer betriebsbereiten, optisch dünnen Halbleiterschicht (dem "aktiven" Gebiet) und einem Umgebungsmedium mit relativ niedrigem Index. Strukturen sind von Modenkavitation gleich den beispielsweise von Lord Rayleigh, "The Problem of the Whispering Gallery", Scientific Papers, Cambridge University, Cambridge, England, Band 5, Seiten 617-620 (1912) und T. Krauss, et al., Electronic Letters, Band 26, Seite 2097 (1990) beschriebenen Flüstergaleriemoden abhängig. Abhängigkeit von interner Reflexion mit kritischem Winkel ergibt einen höhen Reflexionsgrad ohne das Volumen und die Steigerung des Modenvolumens, die mit DBR-Spiegeln verbunden sind. Die Grunderfordernisse "totaler" interner Reflexion sind gut bekannt und werden nicht im einzelnen besprochen. Im allgmeinen ist diese Erscheinung und auch der genaue Winkelwert in Texten angegeben. Grundlegend ergibt das Erfordernis, daß die Wellenvektorkomponenten parallel zur Grenzfläche über die Grenze des erforderlichen Indexkontrasts hinweg gleich sein müssen, eine totale interne Reflexion für Einstrahlungswinkel größer sin&supmin;¹ (1/neff) Abweichungen liegen immer in der Richtung anderer Verluste, die, obwohl sie allgemein geringe Bedeutung haben, geringere Winkelwerte zu dem durchführbaren Maß diktieren. Es stellt sich allgemein heraus, daß solche Verluste mit Annäherung an den kritischen Winkel charakteristischerweise bei einem Wert von vielleicht 0,1% liegen. Eine bestimmte Konfiguration, die einen achteckigen Kavitationsweg in einer glatten kreisförmigen Scheibe ermöglicht, ergibt einen Verlust von zirka einem Teil in 10&sup6;.
Erfindungsgemäße Mikrostrukturen sind, obwohl sie nutzbringend als diskrete Vorrichtungen eingesetzt werden können, hauptsächlich wegen ihres Werts in integrierten Schaltungen interessant. Insbesondere erfüllt bei ihrer Betreibung als Laser der Betrieb mit niedriger Leistung den Wunsch nach einem niedrigen Schwellwert, der mit geringer Verlustleistung verbunden ist. Der Beitrag zu diesem Betriebswunsch wird durch die erlaubte effektive Anpassung zwischen geringem Verstärkungsvolumen und optischen Einzelmodus - allgemein dem ersten TE-Modus - gefördert. Die optische Verstärkung für Scheibenmoden wird durch einen oder mehrere optisch gepumpte Quantenmulden auf der Ebene der Scheibe bereitgestellt. Im allgemeinen beträgt die Stärke des aktiven Gebiets - die Scheibenstärke bei Einzelquantenmuldenstrukturen - weniger als λ/2neff 2,000 Å für λ = 1,5 µm und neff = 3,5. Strukturen sind wünschenswerterweise durch einen hohen Indexkontrast wie z.B. zwischen der Scheibe und dem Umgebungsmedium insbesondere hinsichtlich des Scheibengebiets mit größter Modenenergiekonzentration gekennzeichnet. Dieser Kontrast wird allgemein als zwischen aktivem Material bestehend - entsprechend der Definition von gewöhnlichen Strukturen, die als aktive Schicht/en zusammen mit umfassenden Abstands-/Sperrschichten definiert werden, definiert. Das Umgebungsmedium für beschriebene Strukturen kann Raum - z.B. Vakuum oder Luft - oder irgendein, wahrscheinlich passives Medium mit niedrigem Index wie z.B. amorphes Silizium, SiO&sub2;, sein. Die angegebenen beispielhaften Werte ergeben einen Indexkontrast (oder ein Indexverhältnis) neff/n&sub0;, wobei n&sub0; der Index des Umgebungsmediums ist. Indexkontrast von dieser Größenordnung oder größer kann für mögliche Betriebswellenlängen von weniger als 1,5 µm erreicht werden. Andere Aspekte, beispielsweise in Zusammenhang mit der Leichtigkeit der Herstellung, können geringere Kontrastwerte diktieren. Obgleich die Lehre der Erfindung durch entsprechende Veränderung solcher Konstruktionsparameter wie Scheibenradius realisiert werden kann, legen alle anderen Aspekte wie der Wunsch nach geringer Größe zur sinnvollen Integrierung und Leichtigkeit der Herstellung Kontrastwerte von minimal 1,3 oder vorzugsweise mehr, z.B. mehr als 1,5 nahe. Dieser hohe Indexkontrast in Verbindung mit einer Teilwellenlängen-Stärkenabmessung schränkt den aktiven optischen Modus effektiv ein und bildet ein Schlüsselmerkmal bei der Sicherstellung einer effektiven Überlappung mit der Verstärkungsschicht (d.h. mit dem aktiven Gebiet - allgemein dem aktiven Quantenmuldengebiet).
In Figur 7 ist eine Strukturform dargestellt, die unter Berücksichtigung obiger Aspekte konstruiert worden ist. Sie sieht eine Scheibe 70 vor, die aus dem aktiven Gebiet 71 besteht, das zwischen die Abstandsschichten 72 geschichtet und auf dem zylindrischen Stand 73 gelagert wird, der aus Material hergestellt ist, das aufangs als epitaxial gezogenes Substrat dient, beispielsweise nach einer unten umrissenen Prozedur.

Herstellung

Die Vorrichtung der Figur 7, die im Beispiel 1 verwendet wird, wurde aus epitaxial gezogenem InP/ InGaAsP-Schichtmaterial hergestellt. Eine solche Vorrichtung bestand aus einer Quanteninuldenschicht 71 von InGaAs mit Stärke 100 Å zwischen Sperrschichten 72 von InGaAsP mit Stärke 200 Å, was eine Gesaintstärke der Scheibe 70 von 500 Å ergab. In anderen Arbeiten wurde eine Scheibe von 1500 Å verwendet, die aus 6 solchen durch Sperrschichtmaterial getrennten aktiven Schichten von 100 Å bestand. Das Anfangswachstum fand auf einem InP-Substratstatt, von dem ein Teil nach der Ätzung in den Stand 73 bewahrt wurde. Zur Strukturierung von Scheiben mit Durchmessern von 3 µm, 5 µm und 10 µm wurden Photolithographieverfahren benutzt. Zur gezielten Ätzung von Substratmaterial, die die Funktionsscheibe von InGaAs/ InGaAsP ungeätzt ließ, wurde eine HCl-Lösung benutzt.
In einem Funktionsbeispiel behält der InP-Stand 73 aufgrund der anisotropischen Beschaffenheit des HCl- Ätzmittels einen rautenförmigen Querschnitt bei. Ein solcher Stand hatte einen Durchmesser von annähernd 1 µm und eine Höhe von 2 µm und beließ ein Umfangsgebiet mit einer radialen Abmessung von 1 µm, innerhalb dessen der Indexkontrast als zwischen Scheibe 70 und Umgebung - im Fall des Beispiels 1 von Umgebungsluft - definiert wird. In einem anderen Funktionsbeispiel wurde eine solche Struktur in 0,5 µm von chemisch auf gedampftem SiO&sub2; verkapselt.

Beispiel 1

Eine oben beschriebene Mikroscheibe mit einem Durchmesser von 5 µm wurde optisch mit einem HeNe-Laser gepumpt, der mit λ = 0,63 betrieben und mit flüssigem Stickstoff gekühlt wurde. Das Spektrum für die Einzelquantenmuldenstruktur laserte bei einer Mittenwellenlänge von 1,3 µm mit einer spektralen Linienbreite von < 1 Å. Die Laserspitze bei 1,3 µW stieg um einen Faktor von beinah dem 10-fachen über den breiten Photolumineszenz-Hintergrund an.
Der Schwellwert für die Struktur des Beispiels 1 lag unterhalb von 200 µW. Da die Scheibe 70 ein Volumen von der Größenordnung von 10&supmin;¹²cm&supmin;³ besitzt, war die Pumpenleistung von der Größenordnung von 1 Milliwatt einer Leistungsdichte in der Scheibe gleich, die annähernd 10&sup9; Watt cm&supmin;³ betrug. Die Wärmeableitung für die in Figur 7 dargestellte Struktur genügte, um einen zerstörerischen Temperaturanstieg zu verhindern.

Beispiel 2

Das Verfahren des Beispiels 1 wurde für eine Scheibe mit einem Durchmesser von 5 µm und einer Stärke von 1500 Å mit 6 Quantenmulden ausgeführt. Die gemessene Laserausgangsleistung war annähernd 1 µW für eine Pumpenleistung, die etwas unter 500 µW lag. Die vertikal ausgekoppelte Zackenhöhe betrug mehr als das 100-fache der Hintergrund-Photoiumineszenz.
Mikroresonatorkonstruktion hängt unter anderem davon ab, daß die Filmstärke des aktiven Gebiets annähernd eine Viertelwellenlänge λb (im Volumenmaterial gemessen> beträgt, was zur Erhöhung der Gütezahl auf eine größere Stärke, die immer noch eine Teilwellenlänge ausmacht, erhöht werden kann, um Störstellen zu berücksichtigen, die eine Abweichung von der hypothetischen Vorrichtung definieren. Ein hoher Reflexionsgrad und eine Teilwellenlängenstärke ergeben einen guten Anpassungswirkungsgrad zwischen einem geringen Verstärkungsvolumen und einem optischen Einzelmodus, mit dem Ergebnis eines niedrigen Leistungserfordernisses, beispielsweise eines niedrigen Laserschwellwertes. Der hohe Indexkontrast verringert den mit dem durchdringenden Feld verbundenen Verlust und verbessert die Modenselektivität. Die Bezeichnung der Betriebsmoden ergibt sich aus der Lösung von Maxwell's Gleichungen (siehe beispielsweise J.D. Jackson, "Classical Electrodynamics", John Wiley & Sons, New York (1975)). Es ist von Bedeutung, daß nur die TE- und TM-Wellen der niedrigsten Ordnung von Funktionsschichten von weniger als λ/2neff, wobei neff der effektive Brechungsindex für elektromagnetische Wellenenergie bei der Betriebswellenlänge λ der Vorrichtung gemessen im Vakuum ist, unterstützt werden. Bei einem Stärkewert von zirka λ/4neff, überwiegt die Kopplung zum TE-Modus so sehr, daß Wechselwirkungen mit TM-Wellen und auch mit allen nicht wellenleitergebundenen Wellen ignoriert werden können.

Aktives Gebiet - Konfiguration, Abmessungen

In diesem Abschnitt wird auf Figuren 1 bis 6 Bezug genommen.
Ein Wort der Warnung - es ist sinnvoll, Vorrichtungen im Rahmen von Strahlenoptik (Teilchen anstelle der komplizierteren, aber genauen Wellenenergie) zu besprechen. Nützliche Begriffe sind "kritische Winkel" für "totale interne Reflexion" und die Definition von Kavitationswegen als Rückprallpunkte. Die so eingeführten Ungenauigkeiten haben besondere Folgen für die damit verbundenen Abmessungen - von der Größenordnung ganzer und bruchteilhafter Wellenlängen.
Der simplistisch den Modenweg darstellende mehreckige Weg wird hier allgemeinen in bezug auf von M&sub1;, die "Modennummer", besprochen, die der Seitenzahl des Mehrecks entspricht. Die allgemeinere Modennummer M entspricht der Anzahl von Wellenschwingungen auf dem Modenweg ohne Bezugnahme auf die Anzahl von "Rückprellungen". (So kann beispielsweise ein vierseitiges Mehreck M&sub1; = 4 einem Weg mit insgesamt 8 Wellenschwingungen beziehungsweise einer Welle pro Seite entsprechen.)
Figuren 1 bis 6 stellen allgemein eine größere Vielfalt von Konfigurationen dar.
Figur 1 zeigt eine Scheibe 10 mit einer glatten fortlaufenden gekrümmten Kante 11, die in diesem Fall einen Kreis definiert. Die Figur soll für eine Teilmenge von Konfigurationen stehen, die durch parallele ebene Oberflächen, z.B. Oberflächen 12 und 13, über mindestens ein relevantes Gebiet der Vorrichtung definiert sind, wobei diese ebenen Oberflächen durch die kritische Teilwellenlängenabmessung 14, z.B. die besprochene, gewöhnlich bevorzugte 1/4-Wellenlänge, getrennt sind. Diese Teilmenge hat eine seitliche Konfiguration, die kreisförmig oder elliptisch oder unregelmäßig geformt sein kann. Abmessungen und Betriebszustände sind derart, daß sie einen kavitationsdefinierenden Achteckweg 12 (M&sub1; = 8) ergeben.
Figur 2 ist ein Konturdiagramm mit einem Quadranten der Scheibe 20, das Positionen konstanter elektromagnetischer Feldlinien 21 für solche Werte innerhalb der Scheibe 20 und Linien 22 für solche Werte in bezug auf das durchdringende Feld im Gebiet 23 außerhalb der Scheibe darstellt. Nach der Darstellung sind maximale positive Feldwerte auf Hügeln oder Spitzen 24 positioniert und maximale negative Feldwerte sind an Tälern 25 positioniert. Dementsprechend stellt die Figur 2 zwei Wellenschwingungen pro Quadrant oder acht Wellenschwingungen für die gesamte Scheibe dar und entspricht damit einem achteckigen Modenweg wie z.B. dem Weg 12 der Figur 1, bei dem jede Seite des Weges aus einer ganzen Welle besteht. Von den Konturlinien 22 dargestellte Feldteile, die Felddurchdringung zum Anßengebiet darstellen, sind Potentialkoppelbereiche, stellen aber auch Potentialverlust dar, beispielsweise aufgrund von Streuung durch Oberflächenrauheit und unbeabsichtigte Verkopplung.
Figur 3 stellt eine Teilmenge von Konf igurationen dar, die wiederum durch parallele ebene Oberflächen 30, 31 mit kritischer Beabstandung wie besprochen, beispielsweise hinsichtlich der geeigneten Modenauswahl definiert sind, aber in diesem Fall durch einen aus flachen Endflächen 32 von gleicher Länge bestehenden Umfang definiert sind. Wie bei anderen Figuren soll die gezeigte Konfiguration für eine größere Klasse - beispielsweise durch unregelmäßige sowie regelmäßige Mehrecken mit einer geringeren oder größeren Anzahl von Seiten dargestellt - repräsentativ sein. Der gestrichelt dargestellte Modenweg 33 wird als achteckig dargestellt und ist in einer ersten Näherung zu dem innerhalb einer kreisförmigen Version der Scheibe 10 der Figur 1 definierten Modenweg 12 gleichwertig. Funktionsmäßig ist ein solcher Weg 33, wie er innerhalb von scheibenverbindenden Positionen 34 definiert ist, dem Modenweg 12 gleichwertig, jedoch für Variationen zweiter Ordnung, zum Beispiel hinsichtlich Verlusten oder sonstiger Einflüsse durch Größenveränderung des durchdringenden Feldes in bezug auf die seitliche Stärke des den Weg 33 umfassenden Materials, besonders in der Nähe von Positionen 34. Die Darstellung soll unregelmäßige und regelmäßige Formen einschließen, so daß in diesem Falle die Seiten 32 in der seitlichen Abmessung ungleich sein können und dabei einen vorwiegend mehreckigen Modenweg ermöglichen, der, obwohl er möglicherweise mit unterschiedliche Wellenschwingungszahlen für unterschiedliche Weglinien aufweist, so ausgelegt ist, daß die gewünschte Kopplung maximiert und ungewünschte Kopplung minimiert wird. Eine unregelmäßige Mehreckform kann beispielsweise dazu dienen, eine Anordnung wie die der Figur 11 aufzunehmen - um einen unregelmäßigen Weg mit konstanterer Kopplungsunabhängigkeit der gezeigten Standstützen/Elektroden zu ermöglichen.
Figur 4 zeigt einen physikalisch unterschiedlichen Resonatoraufbau, der jedoch dem der Figur 1 funktionsmäßig ähnlich ist. Der allen Ausführungsformen der Erfindung gemeinsame kritische Abstand zur Aufnahme der Flüstermoden ist der zwischen den Oberflächen 40 und 41, die in diesem Fall eine glatte gekrümmte Kantenfläche 42 definieren. Die Membrane 43, die möglicherweise geringe Funktionsbedeutung für die Vorrichtung besitzt, obwohl sie möglicherweise am beispielsweise elektrischen oder optischen Pumpen beteiligt ist, kann zur physikalischen Stabilisierung der Struktur dienen. Die Kante 44 zusammen mit einer möglichen paarigen Kante an der Unterseite der Membrane 43 wird bei der Modenauswahl elementar sein - wird bei der Auswahl eines Modenweges mit genügend M&sub1; Einfluß haben, um energetisch ungünstige Felddurchdringung zu verringern. Diese Figur soll für flachseitige (mehreckige) und gekrümmtseitige Strukturen von sowohl regelmäßigem als auch unregelmäßigem Aufbau repräsentativ sein.
Figur 5 ist für eine Ausführungsklasse repräsentativ, die der von Figur 4 gleicht, aber von Modenwegauswahl/-Angrenzung in einem Umfangsgebiet mit veränderlicher Stärke abhängt. Das gezeigte spezifische Beispiel ist von einem Funktionsgebiet 50 mit allgemein kreisförmigem Querschnitt wie durch die Oberfläche 51 definiert abhängig. Struktursteifigkeit ist wiederum von der Membrane 52 gewährt, die ein Kontinuum im umschlossenen Teil des Gebietes 50 bildet. Die Dimension 53 ist relevant, beispielsweise aus dem Standpunkt der Umgrenzung in Übereinstimmung mit dem Ziel der Erfindung - für eine bevorzugte Ausführungsform λ/4neff. Wie in Figur 4 ist wiederum die Seitenabmessung des Gebiets 50 für die Modenauswahl bestimmend und kann, wenn sie wie besprochen die Teilwellenlängenabmessung aufweist, zusätzlich auch nützliche Umgrenzung bieten.
Figur 6 zeigt eine Konfigurationsalternative zur Figur 5. Sie ist zur Stabilisierung eines Modenweggebiets 61 mit einem von den Oberflächen 62-65 definierten Querschnitt von einer Membrane 60 abhängig. Wie bei den anderen gezeigten Konfigurationen kann die dargestellte Kategorie regelmäßige oder unregelmäßige Form aufweisen und durch gekrümmte oder mit Endflächen versehene Oberflächen definiert sein. Der gezeigte besondere dreieckige Querschnitt wird nutzbringend für spezifischere Modenauswahl für gegebene Abmessungen eingesetzt.
Während ein bedeutender Vorteil des Erfindungsweges gegenüber dem des SELs planare Ausstrahlung zur Erleichterung des Ankoppelns an andere Elemente einer integrierten Schaltung bedeutet, ist es nützlich, auch für nichtplanare Ausstrahlung zu sorgen. Die Figur 8 zeigt eine durch ebene Oberflächen 81 und 82 innerhalb des Kreisperimeters 83 definierte Scheibe 80. Die Nuten 84 sind für die nicht nichtplanar dargestellte Kopplung eines Teils der Kavitationsenergie bestimmt. In dieser Version können Flüstermodusstrukturen der Erfindung auf die Weise des bekannten SEL dienen, beispielsweise bei Baustein-Baustein-Kommunikation. Zur Kavitation von Energie im Uhrzeigersinn wird nichtplanare Richtung durch den Winkel der Nutenseiten 85 in Verbindung mit dem Tndexkontrast bestimmt. Bei einem alternativen Weg kann Kavitation im Gegenuhrzeigersinn nichtplanare Ausstrahlung durch das einfache Reflexionsvermögen der Nutenoberflächen 85 bewirken, vielleicht mittels (einer) nicht gezeigter(en) Spiegelschicht(en).
Die Figur 9 zeigt eine Scheibenstruktur 90 in der Nähe des Weggliedes 91, die so positioniert und so beabstandet ist, daß sie planares Koppeln ermöglicht. Experimentelle Arbeiten einschließlich der in den Beispielen 1 und 2 berichteten umfassen bisher Lichtpumpen. Eine Anzahl von Aspekten einschließlich der Leichtigkeit der Herstellung diktieren diesen Weg, und es ist möglich, daß er weiterhin einen bedeutenden Bereich definiert. Andererseits ist der Grundsatz der Erfindung mit seiner generischen Grundlage des Flüstergaleriebetriebs in kritisch dünnen Strukturen nicht derart begrenzt. Der Funktionsgrundsatz ist auf die verschiedenen Pumpenanordnungen anwendbar, die sich als funktionell herausgestellt haben oder herausstellen können. Für viele Zwecke ist das direkte elektrische Pumpen weiterhin wünschenswert und kann Herstellungskomplikationen rechtfertigen, die bei den geringen in Betracht gezogenen Abmessungen erschwert sind.
Die Figuren 10 und 11 zeigen elektrisch gepumpte Laser, die sonst dem obigen entsprechen. In der Figur 10 wird die Scheibenstruktur 100, die jede der beschriebenen Formen annehmen kann, nunmehr elektrisch mittels überbrückender Elektroden 101 und 102 gepumpt, die über die Schaltung 103, die von der Stromquelle 101 versorgt wird, vorgespannt dargestellt sind. Dieser strukturelle Weg kann von Vorteil sein, indem die Elektroden als physikalische Stütze für eine oder beide Seiten der Scheibe 100 dienen können. Eine oder beide der umfassenden Elektroden 101 und 102 können durch gezieltes Ätzen aus einem gezogenen Substrat wie bei der Herstellung des Standes 73 der Struktur der Figur 7 besprochen gebildet sein. Zufügung von Dotiermittel, beispielsweise zum InP - wahrscheinlich in die Gesamtheit vor Ätzdefinierung, kann wünschenswert sein, um Serienwiderstand zu verringern. Da es nunmehr einen Übergang bildet - wahrscheinlich einen pn-Übergang - wird das Leitfähigkeit verleihende Dotiermittel ein bedeutendes Dotiermittel, in einem Fall mit n- Leitfähigkeit und im anderen mit p-Leitfähigkeit sein. Spezifische Konstruktionsparameter hinsichtlich des elektrischen Pumpens gehören eigentlich nicht zu dieser Beschreibung und sind gut bekannt.
Die Figur 11 beschreibt eine elektrisch gepumpte Scheibenstruktur 110 als Alternative zu der der Figur 10. In dieser Anordnung sind poßitive und negative Elektroden 111 beziehungsweise 112, die über Leitungen 114 von der Gleichstromquelle 113 mit Strom versorgt sind, auf einer gemeinsamen Ebene 115 der Scheibe 110 befestigt. Beabstandung und, allgemeiner, Positionierung der Elektroden 111 und 112 sind derart, daß sie einen peripheren Kavitationsweg von wünschenswerter Unabhängigkeit von den Elektroden und, wenn die Oberfläche eine Rauheit aufweist, die unerwünschte Streuung von Bedeutung für die Leistung ergibt, von der peripheren Oberfläche 116 bieten. Ungeachtet des Aufbaus - ob glatt oder mit Endflächen - kann die Konstruktionsoptimierung eine Scheibe 110 mit einer größeren Hauptdimension in der von den Elektroden definierten Richtung ergeben. Der resultierende ovale oder unregelmäßige mehreckige Aufbau kann besser die Verringerung von unerwünschter Verkopplung zwischen der Kavitationsenergie und den Elektroden ermöglichen. Als Alternative können/kann (eine) solche Elektrode(n) auch dem Auskoppeln von Ausstrahlungsenergie dienen. Andere Aspekte Die Erfindung ist ausreichend für den Fachmann beschrieben worden. Experimentell beobachtete Konstruktions-/Materialbedeutungen sind aufgeführt worden, wo sie für die besprochenen Angelegenheiten relevant sind. Zusätzliche Beobachtungen sind kurz erwähnt.
Es ist nicht als sinnvoll erachtet worden, gegenwärtig verfügbare geeignete aktive Materialien ausführlichst zu beschreiben. Im allgemeinen wird die Materialwahl hinsichtlich derselben Aspekte wie die auf frühere Laserstrukturen anwendbaren getroffen. Die Wahl wird dementsprechend auf Grundlage der gewünschten Betriebswellenlänge im Hinblick auf eine Vielfalt anderer Angelegenheiten, insbesondere hinsichtlich der Herstellung, getroffen.
Die ausgewählte Pumpleistung kann einen bestimmten gewünschten Modus begünstigen. In gewissen Experimenten wurde beispielsweise festgestellt, daß ein Verringern der Pumpenleistung in einer Vorrichtung, die oberhalb des Laserschwellwertes arbeitet, häufig Modenschalten bewirkte - im Fall von Scheiben von 5 µm Durchmesser ein Schalten um 0,06 µm. Dies entspricht einem Flüstergaleriemodus mit einer Modennummer M 38. Die Moden mit dem niedrigsten Verlust für diese Struktur scheinen eine radiale Modennummer N 4 zu besitzen. Der so definierte Modus hat einen Modenweg maximaler Energie, der von der Außenkante ausreichend getrennt ist, um den Verlust aufgrund von Oberflächenstreuung zu verringern. Zusätzlich ist die Trennung vom Stand ausreichend, um bedeutendes unerwünschtes Koppeln zu vermeiden. In diesem Zusammenhang ist wie erwartet beobachtet worden, daß Koppeln und daher Oberflächenausstrahlung von den zwei von der Scheibenmitte am weitesten entfernten Punkten des rautenförmigen Standes ausgeht.

Claims

1. Vorrichtung mit mindestens einem Halbleiter- Mikroresonatorelement zur Bereitstellung elektromagnetischer Ausstrahlung, von der mindestens 10% als kohärent erachtet werden können und die auf vorgesehene Mittel zum Pumpen (101-104, 111-114) reagiert, wobei das besagte Element die Kavitation auszustrahlender elektromagnetischer Energie ermöglicht, wobei die Kavitation hauptsächlich von Flüstergalleriemoden abhängig ist, je nachdem, welcher Modenweg (15, 33) in einem Körper (10, 70, 80, 100, 110) mit hohem Brechungsindex für eine solche Energie relativ zum Brechungsindex der Umgebung an einer Grenzfläche zwischen diesem Körper und der Umgebung definiert ist, wobei ein solcher Weg polygonal ist und mindestens drei Seiten aufweist, wobei Retention hauptsächlich auf dem Einfallen kavitierender Wellenenergie mit dem oder unterhalb des an einer solchen Grenzfläche definierten kritischen Winkel(s) beruht, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Element mindestens über den einem wesentlichen Anteil eines solchen Kavitationsweges entsprechenden Bereich normal zu einem solchen Weg gemessen eine normale Dimension (14, 53) besitzt, mit maximal λ/2neff, wobei λ die in einem Vakuum gemessene Wellenlänge kavitierender Energie und neff der eigentliche Brechungsindex für diese kavitierende Energie ist, wobei dieser Wert sowohl die Veränderung des Volumenindexes für das Medium des Körpers und die in diesem Volumenindex aufgrund von einschränkenden Oberflächen eingetretene Veränderung berücksichtigt, und wobei dieser Übergang einen Brechungsindexkontrast für kavitierende Energie besitzt, der numerisch mindestens gleich 1,5 ist, wobei dieser Wert sich aus dem Bruch neff/ns ergibt, wobei neff der effektive Brechungsindex für kavitierende Energie im besagten Körper und ns der Brechungsindex für solche Energie außerhalb der definierenden Grenzfläche eines solchen Körpers ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die besagte normale Dimension eine Annäherung an den Wert λ/4neff ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich ein bedeutender Anteil eines solchen Kavitationsweges innerhalb eines Bereichs im besagten Körper befindet, der durch planparallel flache Grenzflächen (12, 13, 30, 31) definiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei dieser Kavitationsweg sich innerhalb eines peripheren Bereichs (50, 61) des besagten Körpers befindet und wobei ein solcher peripherer Bereich einen inneren Bereich (52, 60) umschließt, der bedeutend dünner als die besagte normale Dimension ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das besagte Element eine maximale Dimension in der Größenordnung von Mikrometern besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein solches Element seiner Auslegung gemäß im Betrieb den Laserschwellwert erreicht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der besagte Kavitationsweg ein Mehreck mit mindestens vier Seiten definiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit Mitteln zum Koppeln (84, 91) von ausgestrahlter Energie.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei solche Mittel das Koppeln auf einer Ebene ermöglichen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Koppeln einen Spalt zwischen dem besagten Element und dem definierten Ausstrahlungsweg (91) enthält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei dieses Mittel das Koppeln außerhalb der Ebene ermöglicht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei dieses Mittel mindestens eine physikalische Nute (84) auf einer Seitenfläche des besagten Körpers ausbildet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei dieses Mittel eine Mehrzahl solcher Nuten ausbildet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer integrierten Schaltung.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die besagte integrierte Schaltung eine Mehrzahl besagter Elemente enthält.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die besagte integrierte Schaltung optoelektrisch ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die besagte integrierte Schaltung Mittel zum Pumpen der besagten Elemente enthält.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das besagte Mittel optisch ist und von einer Laserpuinpe bereitgestellt wird.