DE69707585T2 - Verfahren zum Zusammensetzen zweier Strukturen und durch dieses Verfahren hergestellte Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Zusammensetzen zweier Strukturen und durch dieses Verfahren hergestellte Vorrichtung

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Techniken zum Verbinden zweier Strukturen, insbesondere Strukturen, die eine gute mechanische Festigkeit und Seiten bzw. Flächen aufweisen müssen, die sich parallel gegenüberstehen.
  • Die Erfindung ist vor allem für das Gebiet der Optronik bestimmt, z. B. für die diodengepumpten Festkörperlaser und die dazugehörenden mikrooptischen Bauteile. Die Erfindung betrifft folglich auch das Gebiet der Mikrolaser oder der Mikrolaserresonatoren, deren aktives Medium ein Festkörper ist.
  • Die Mikrolaser haben zahlreiche Anwendungen auf so unterschiedlichen Gebieten wie der Fahrzeugindustrie, der Umwelt, der wissenschaftlichen Ausrüstung, der Telemetrie.
  • Die Struktur eines Mikrolasers ist die eines Multischichtenstapels.
  • Das aktive Lasermedium wird gebildet durch ein Material von geringer Dicke (zwischen 150-1000 um) und kleinen Dimensionen (einige mm²), auf dem dielektrische Spiegel direkt abgeschieden werden. Dieses aktive Medium kann gepumpt werden durch eine III-V-Laserdiode, die entweder in Hybridbauweise direkt auf den Mikrolaser montiert oder mit diesem durch eine optische Faser verbunden ist. Die Möglichkeiten einer Kollektivherstellung mit den Mitteln der Mikroelektronik erlauben eine Massenfertigung dieser Mikrolaser.
    • Stand der Technik
  • Um zwei Strukturen zusammenzusetzen, verwendet man in herkömmlicher Weise einen Klebefilm zwischen den beiden Strukturen. Jedoch ermöglicht diese Methode nicht, zugleich eine gute mechanische Festigkeit des Ganzen sowie eine gute Parallelität zwischen den beiden Flächen der Strukturen zu garantieren.
  • Das Dokument US-A-5 516 388 beschreibt das Zusammensetzen einer Diamantschicht mit einer ungleichmäßigen Fläche mit einem Substrat. Die Grenzschicht wird durch eine Sol-Gel-Schicht gebildet.
  • Im Falle eines Mikrolasers beschreibt das Dokument EP-653 824 (US-5 495 494) ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörper-Mikroläsers mit passiver Güteschaltung durch sättigbares Absorptionsmaterial: das sättigbare Absorptionsmaterial wird mittels der Technik der Flüssigphasenepitaxie (FPE) direkt auf dem festen aktiven Medium in Form einer dünnen Schicht abgeschieden. Dieses Verfahren wird vorgeschlagen, um das Kleben zwischen den Bauteilen eines Mikrolasers zu vermeiden.
  • Aber diese FPE-Technik kann, nicht bei allen Materialien angewendet werden. Insbesondere, wenn das aktive Lasermedium keine kristalline Struktur hat (was der Fall von mit Erbium und/oder Ytterbium dotiertem Glas ist), ist die FPE nicht anwendbar. Ebenso, wenn man einem aktiven Mikrolaserresonator-Medium eine aktive Güteschaltungseinrichtung zuordnet, z. B. ein elektrooptisches Bauteil, wie beschrieben in dem Artikel "Diode-pumped microchip lasers electro-optically Q-switched at high pulse repetion rates" von J. J. Zayhowski, erschienen in Optics Letters, Vol. 17, Nr. 17, Seiten 1201-1203, 1992, ist die FPE-Technik nicht anwendbar. Dies gilt auch, wenn man einem Mikrolaserresonator ein nichtlineares Material zuordnet, z. B. einen Frequenzverdoppler- oder verdreifacher, oder auch einen optischen parametrischen Oszillator (OPO).
  • Bei all diesen Sonderfällen greifen die entwickelten Herstellungsverfahren auf die Hybridisierung zurück, um zwei Materialplatten zu verbinden, z. B. eine das aktive Lasermedium bildende Platte und eine das Material für die aktive Güteschaltungseinrichtung oder nichtlineares Material bildende Platte. Die beiden Platten werden mit Hilfe eines optischen Klebstoffs mit bekannter Brechzahl (z. B. ungefähr gleich 1,5) zusammengeklebt. Die zu klebenden Flächen werden vorher poliert, generell mit einer Rauheit in der Größenordnung von einigen Angström RMS (quadratischer Mittelwert), und ihre lokalisierte Planheitsabweichung ist besser als Ä/10 (100 nm bei A = 1,06 um). Nach der Durchführung der anderen Schritte (z. B. Bildung der Spiegelschichten), werden die Materialplatten so geschnitten, dass sie einzelne Mikrolaserresonatoren bilden. Der Resonator wird anschließend mit den Pumpeinrichtungen gekoppelt, z. B. einer III-V-Laserdiode. Der derart hergestellte Mikrolaser funktioniert nur gut, wenn die durch die Art und die Dicke des Klebstoffs eingeführten optischen Verluste klein sind und wenn die Parallelität bzw. die Abweichung der Parallelität der Seiten an den Grenzflächen der Platten ebenfalls klein ist, unter ungefähr 10 Bogensekunden. Zudem muss die Klebung eine gute Haftung aufweisen, um das Zerschneiden des Zusammenbaus aus den Platten zu Chips zu ermöglichen, wobei dieses Zerschneiden im Allgemeinen mit einer Diamantblattsäge erfolgt.
  • Unabhängig von den zusammengesetzten Strukturen und insbesondere im Falle eines Mikrolasers hat der Zusammenbau mit Klebstoff mehrere Nachteile:
  • - zunächst hängt die Dicke der Klebstoffverbindung von der Menge und dem Anwendungsort des Klebstoffs zu Beginn ab, sowie vom ausgeübten Druck,
  • - a priori kann man die Parallelität zwischen zwei Flächen nicht justieren. Eine experimentelle Lösung besteht darin, die Dicke des Klebstoffs auf die Größenordnung der Planheitsmängel zu reduzieren, wobei aber keine Kontrollmöglichkeit besteht. Das Resultat hat also Zufallscharakter, was problematisch ist bei einer Kollektivherstellung wie z. B. der im Falle von Mikrolaserresonatoren.
  • - Der Klebstoff kann sich im Laufe der Zeit verändern (insbesondere, im Falle eines Mikrolasers, unter dem Einfluss der Strahlung oder einer Erwärmung) und die mechanische Festigkeit sowie die Parallelität des Zusammenbaus und der Bauteile verändern. Der Klebstoff kann sich auch in einer aktiven Zone lokal entgasen und derart zusätzliche Verluste einführen.
  • Es stellt sich also das Problem, den Zusammenbau von zwei Strukturen zu realisieren, insbesondere den Zusammenbau von zwei Mikrolaserresonator-Bauteilen, wobei die Zusammenbautechnik zugleich die Beherrschung der Parallelität und die mechanische Festigkeit der beiden Strukturen oder der beiden Bauteile ermöglicht und eine bessere Alterungsbeständigkeit des Ganzen garantiert.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Erfindung hat ein Verfahren zum Verbinden zweier Strukturen zum Gegenstand, umfassend:
  • das Ausbilden von Verbindungselementen aus einem fließfähigen und beide Strukturen netzenden Material auf wenigstens einer der Strukturen durch Abscheidung einer Schicht aus dem genannten Material und Ätzung dieser letzteren,
  • das derartige Anordnen der beiden Strukturen, dass die Verbindungselemente sich an ihrer Grenzfläche befinden,
  • - das Zusammenbauen der beiden Strukturen durch Erwärmen der Verbindungselemente, um sie fließend zu machen, und durch das Herstellen eines innigen Kontakts zwischen den beiden Strukturen.
  • Auf diese Art realisiert man einen Zusammenbau der beiden Strukturen mittels eines innigen Kontakts mit einer haftenden Substanz. Die Benutzung von Verbindungselementen aus einem fließfähigen und netzenden Material an der Grenzfläche der beiden Strukturen ermöglicht, durch Zusammenpressen der beiden Strukturen eine Verbindung herzustellen, die den mechanischen Zusammenhalt des Zusammenbaus garantiert. Die beiden Strukturen können also anschließend geschnitten werden. Im Falle von Strukturen, aus denen man Mikrolaserresonatoren herstellen möchte, kann das Schneiden also mit einer Diamantsäge erfolgen, ohne dass die Schneidoperation die gute mechanische Festigkeit des Aufbaus aus den beiden zusammengesetzten Strukturen beeinträchtigt. Unter innigem Kontakt der beiden Flächen versteht man sowohl einen einfachen Kontakt zwischen den genannten Flächen, als auch einen Kontakt mit Kräften des Typs Molekularadhäsion, z. B. Van der Walls-Kräfte, oder die Verwendung haftender Substanzen (Klebstoff, Harz bzw. Resist, ...).
  • Diese Zusammenbaumethode ermöglicht eine sehr gute Kontrolle der Parallelität der beiden Kontaktflächen. Klassischerweise, wenn man ganze Bauteilplatten, z. B. von Mikrolaser-Bauteilen oder mikrooptischen Bauteilen, die anschließend zugeschnitten werden müssen, der Schneidoperation unterzieht, kann dies schlecht sein für den hergestellten elementaren Zusammenbau, denn die Kontaktfläche (begrenzt durch die Schneidlinien) ist im Allgemeinen sehr klein gegenüber der Dicke des genannten elementaren Zusammenbaus. Zudem sind die in Kontakt zu bringenden Materialien nicht zwangsläufig kompatibel miteinander, je nach der vorgesehenen Anwendungsart: die Flächen können Unterschiede physikalisch-chemischer Art aufweisen oder die Materialien können Unterschiede bei den thermomechanischen Koeffizienten aufweisen.
  • Das erfindungsgemäße Zusammenbauverfahren ermöglicht also, sowohl eine gute Parallelität als auch eine gute mechanische Festigkeit zu erzielen.
  • Die Erfindung hat auch ein anderes Verfahren zum Zusammensetzen zweier Strukturen zum Gegenstand, umfassend:
  • - das Ausbilden wenigstens eines Höckers auf einer ersten der beiden Strukturen, wobei diese(r) Höcker an (ihren) seinen Rändern eine seitliche Senke oder seitliche Senken definieren, wobei jede seitliche Senke einen Boden hat,
  • das Ausbilden eines Verbindungselements aus einem fließfähigen und beide Strukturen netzenden Material auf dem Boden wenigstens einer seitlichen Senke,
  • - das derartige Anordnen der beiden Strukturen, dass das Verbindungselement sich an ihrer Grenzfläche befindet,
  • - das Zusammenbauen der beiden Strukturen durch Erwärmen der Verbindungselemente, um sie fließend zu machen; und durch das Herstellen eines innigen Kontakts zwischen den beiden Strukturen.
  • Unter Verbindungselement versteht man einen Höcker oder eine Naht oder jede andere Art von Verbindungselement, die das Zusammenkleben der beiden Strukturen nach dem Fließen ermöglichen.
  • Die Erfindung hat noch ein anderes Verfahren zum Zusammensetzen zweier Strukturen zum Gegenstand, umfassend:
  • - das Ausbilden wenigstens eines Höckers auf einer ersten der beiden Strukturen, wobei diese(r) Höcker an (ihren) seinen Rändern eine seitliche Senke oder seitliche Senken definieren, wobei jede seitliche Senke einen Boden hat,
  • - das Ausbilden auf der zweiten Struktur von wenigsten einem Verbindungselements aus einem fließfähigen und beide Strukturen netzenden Material,
  • - das derartige Anordnen der beiden Strukturen, dass jedes Verbindungselement der zweiten Struktur sich in einer Senke der ersten Struktur befindet,
  • - das Zusammenbauen der beiden Strukturen durch Erwärmen der Verbindungselemente, um sie fließend zu machen, und durch das Herstellen eines innigen Kontakts zwischen den beiden Strukturen.
  • Nach diesen beiden anderen Verfahren kann das die Verbindung herstellende fließfähige Material in der Senke oder den Senken zerfließen, und die beiden Strukturen werden einander genähert, bis ein inniger Kontakt erreicht ist, z. B. durch Molekularadhäsion- bzw. chemische Bindung außerhalb der Senken. Die mechanische Festigkeit des Zusammenbaus wird im Wesentlichen durch das fließfähige Material in Höhe der Senken bewirkt, und die Parallelität wird durch den genannten innigen Kontakt gewährleistet.
  • Wenn man nur Höcker (und die entsprechenden Senken) herstellt, verteilt man die Verbindungselemente aus fließfähigem Material so, dass man beim Fließen einen Materialfilm von homogener Dicke erhält, der so dünn wie möglich ist. Die Charakteristika der Verbindungselemente werden also vorzugsweise so festgelegt, dass man einen Film von minimaler und konstanter Dicke erhält.
  • Das fließ- und netzungsfähige Material kann ein Photoresist sein oder ein schmelzbares Material des Typs Sol-Gel-Siliciumdioxid (SOG) sein, oder eine In- oder Pb-Sn- Metalllegierung, oder auch ein Negativresist. Dieses letztere hat nach Vernetzung des Polymers eine bessere Haftkraft.
  • Unabhängig von der vorgesehenen Realisierungsart können die beiden erfindungsgemäß zusammengebauten Strukturen anschließend geschnitten werden. Der Schneidschritt stört den innigen Kontakt auf Grund der durch die Verbindungselemente aus fließfähigem Material eingebrachten mechanischen Festigkeit nicht.
  • Die Erfindung hat auch einen Zusammenbau einer ersten und einer zweiten Struktur zum Gegenstand, von denen jede wenigstens eine ebene Fläche hat, wobei diese beiden ebenen Flächen sich in einem innigen Kontakt befinden und ein kontinuierliches Verbindungselement aus einem fließ- und netzungsfähigen Material sich als Grenzschicht zwischen den beiden ebenen Flächen befindet.
  • Die Erfindung hat auch einen Zusammenbau einer ersten und einer zweiten Struktur zum Gegenstand, von denen jede wenigstens eine ebene Fläche hat, wobei wenigstens eine von ihnen außerdem wenigstens eine seitliche Senke mit einem Boden umfasst, die beiden ebenen Flächen sich in einem innigen Kontakt befinden und ein Klebeverbindungselement aus einem fließ- und netzungsfähigen Material in wenigstens einer seitlichen Senke angeordnet ist und die beiden Strukturen verbindet.
  • Diese Zusammenbauten lösen dieselben Probleme und haben die gleichen Vorteile wie diejenigen, die oben in Verbindung mit der Zusammenfassung der Darstellung der Verfahren beschrieben wurden: die Parallelität der beiden Strukturen in Höhe der in Kontakt befindlichen Flächen wird durch einen innigen Kontakt gewährleistet und die Benutzung des Klebeverbindungselements aus einem fließ- und netzungsfähigen Material garantiert eine gute mechanische Festigkeit.
  • Die erste und die zweite Struktur können jeweils ein festes aktives Medium für einen Mikrolaserresonator und ein sättigbares Absorptionsmaterial für einen Mikrolaserresonator sein.
  • Ebenso können die erste und die zweite Struktur jeweils ein festes aktives Medium für einen Mikrolaserresonator und ein Bauteil aus einem nichtlinearen optischen Material sein (z. B. ein Frequenzverdoppler oder -verdreifacher oder ein optischer parametrischer Oszillator).
  • Nach einer anderen Ausführungsart können die erste und die zweite Struktur jeweils ein festes aktives Medium für einen Mikrolaserresonator und ein mikrooptisches Bauteil sein, z. B. ein Mikroprisma, ein Mikrospiegel, ..., oder diese beiden Strukturen können auch jeweils zwei beliebige mikrooptische Bauteile sein.
  • Die Erfindung hat auch einen Zusammenbau für einen Mikrolaserresonator zum Gegenstand, mit einem festen aktiven Medium, einem ebenen Zwischenspiegel, angebracht auf einer planen Fläche des aktiven Fasermediums, am Bauteil aus einem Material, dessen Brechzahl durch eine äußere Störung moduliert werden kann, wobei dieses Bauteil eine plane Fläche aufweist, die sich in einem innigen Kontakt mit dem Spiegel befindet, und ein Verbindungselement aus einem fließ- und netzungsfähigen Material die Grenzschicht zwischen den beiden planen Flächen bildet.
  • Die Erfindung hat auch einen Zusammenbau für einen Mikrolaserresonator zum Gegenstand, mit einem festen aktiven Medium, einem ebenen Zwischenspiegel, angebracht auf einer planen Fläche des aktiven Lasermediums, ein Bauteil aus einem Material, dessen Brechzahl durch eine äußere Störung moduliert werden kann, wobei dieses Bauteil eine plane Fläche aufweist und der Spiegel und eventuell das aktive Medium und/oder das Bauteil mit der modulierbaren Brechzahl wenigstens eine seitliche Senke mit einem in Bezug auf die ebene Fläche vertieften Boden aufweist, und die ebene Fläche des Bauteils mit der modulierbaren Brechzahl sich in einem innigen Kontakt mit dem ebenen Zwischenspiegel befindet, wobei ein Klebeverbindungselement aus einem fließ- und netzungsfähigen Material in wenigstens einer seitlichen Senke angeordnet ist und einerseits das Bauteil mit modulierbarer Brechzahl und andererseits das feste aktive Medium verbindet.
  • Derart stellt man einen Zusammenbau für einen aktiv gütegeschalteten Mikrolaserresonator her.
  • Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung zum Emittieren von Infrarotlicht zum Gegenstand, mit einem wie oben beschriebenen Zusammenbau, wobei die erste und die zweite Struktur jeweils darstellen:
  • - ein Halbleiterbauteil, fähig eine Infrarotstrahlung zu emittieren,
  • - einen Mikrolaserresonator mit Güteschaltungseinrichtungen, so angeordnet, dass sie das Halbleiterbauteil optisch pumpen können.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung betrifft erläuternde und nicht einschränkende Ausführungsbeispiele, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
  • - die Fig. 1A bis 1E stellen Schritte eines Verfahrens nach einer ersten Ausführungsart der Erfindung dar,
  • die Fig. 2A bis 2 G stellen Schritte eines Verfahrens nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung dar;
  • die Fig. 3A und 3B zeigen die Seitenansicht und die Draufsicht einer Vorrichtung, hergestellt durch ein Verfahrens nach der zweiten Ausführungsart,
  • - die Fig. 4A bis 4E zeigen Schritte einer Variante des Verfahrens nach der zweiten Ausführungsart der Erfindung,
  • - die Fig. 5 zeigt ein Bauteil, hergestellt nach einer Variante der zweiten Ausführungsart der Erfindung,
  • - die Fig. 6A und 6B und 7A bis 7C zeigen weitere Varianten der zweiten Ausführungsart der Erfindung,
  • - die Fig. 8 zeigt ein Bauteil, hergestellt für eine Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • die Fig. 9A und 9B zeigen die Struktur eines Mikrolasers mit aktiver Güteschaltung, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren,
  • - die Fig. 10A bis 10F und 11A bis 11E zeigen Ausführungsschritte eines Mikrolasers mit aktiver Güteschaltung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren,
  • - die Fig. 12 bis 15 zeigen erfindungsgemäße Mikrolaserstrukturen.
    • Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten der Erfindung
  • Die Fig. 1A bis 1E stellen Schritte eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens dar. In diese Figuren bezeichnen die Bezugszeichen 2 und 4 zwei Strukturen, die zusammengebaut werden sollen. Diese Strukturen sind z. B. eine Platte 4 aus einem aktiven Lasermaterial und eine Platte 2 aus einem sättigbaren Absorptionsmaterial. Beispiele von Materialien für diesen beiden Bauteile findet man in dem Dokument EP-653 824 (US-5 495 494); man findet in diesem Dokument auch Kriterien zum Auswählen dieser Materialien.
  • Nach einem anderen Beispiel kann die Struktur 4 eine Platte aus einem sättigbaren Absorptionsmaterial sein, während die Struktur 2 eine Platte aus einem optisch nichtlinearen Material ist, was ermöglicht, die Grundfrequenz eines Mikrolaserresonators mit einer Ganzzahl n (n ≥ 2) zu multiplizieren.
  • Jede dieser Strukturen hat eine ebene Fläche 6, 8. Auf einer von ihnen wird eine Photoresistschicht abgeschieden (Fig. 1 B).
  • Durch Ätzen der Schicht 10 (durch Photolithographie mittels Maske) werden Verbindungselemente 12, 14, 16 hergestellt. Die Verteilung dieser Verbindungselemente ist vorzugsweise gleichmäßig, so dass sie während des späteren Zusammenpress-Schritts miteinander eine Schicht von homogener Dicke bilden.
  • Die beiden Strukturen oder Platten 2, 4 werden anschließend Seite gegen Seite zusammengesetzt (Fig. 1D). Durch Erwärmung unter Druck der Resistelemente 12, 14, 16 werden die beiden Strukturen in einen innigen Kontakt gebracht und "verkleben" miteinander unter der Haftwirkung des polymerisierten Resists (Fig. 1 E).
  • Übrig bleibt eine Klebungsgrenzschicht 18 mit einer Dicke in der Größenordnung von z. B. 0,1 um. Diese Schicht 18 sichert die gegenseitige mechanische Stabilität der beiden Strukturen, insbesondere in Laufe eines späteren Zuschneid-Schritts, z. B. mit Diamantsäge im Falle von Bauteilen für einen Mikrolaserresonator. Die Parallelität der beiden miteinander in Kontakt befindlichen Oberflächen wird durch die geringe Dicke des Resists gewährleistet. Um die Kontrolle der Parallelität noch zu verbessern, steuert man die Dicke und die Verteilung der Verbindungselemente aus fließfähigem Material 12, 14, 16. Zudem ist es möglich, die Brechzahl der Schicht 18 durch Dotierung zu steuern (im Falle eines Sol-Gel-Siliciumdioxids, durch Dotierung mit Oxinitriden SiOXNy): derart passt man den Brechzahlsprung am besten an die Grenzfläche der jeweiligen Materialien 2, 4 an, und man kann in demselben Maße die optischen Verluste reduzieren.
  • Diese Möglichkeit der besseren Kontrolle der Parallelität sowie der Brechzahl der Zwischenschicht machen aus dieser ein viel vorteilhafteres Element als die einfachen "optischen" Klebstoffe, die üblicherweise verwendet werden. Außerdem ist die einzig mögliche Diffusion in Bezug auf einen Klebstoff, ausgehend von jedem Verbindungselement 12, 14, 16 zwischen den beiden Oberflächen, sehr lokal. Schließlich ist die erzielte Dicke kleiner als die, die man mit einem Klebstoff erreicht, und liegt in der Größenordnung von einigen Mikrometern.
  • Eine andere Durchführungsart eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen die Fig. 2A bis 2G. Die Fig. 2A und 2B stellen wieder zwei zusammenzubauende Strukturen 2 und 4 dar, die von demselben Typ wie die weiter oben in Verbindung mit den Fig. 1A und 1B beschriebenen sein können.
  • Dieses zweite Verfahren ermöglicht, auf der einen oder der anderen der Oberflächen der in Kontakt zu bringenden Strukturen Höcker zu realisieren, wobei seitliche Senken definiert werden, in denen die Verbindungselemente aus fließ- und netzungsfähigem Material hergestellt werden, die die mechanische Haftung des Aufbaus bei einer späteren Schneidoperation sicherstellen.
  • Das Verfahren umfasst anschließend zwei Maskierniveaus. Das erste Niveau ermöglicht, nach dem Ätzen eines der Substrate die Höcker-Elemente und die Senken zu materialisieren, vergraben in Bezug auf die Klebungsgrenzfläche. Das zweite Technologieniveau ermöglicht, um jeden Höcker herum (oder im Falle von Mikrobausteinen, z. B. für Mikrolaser, um jeden Chip herum) die Verbindungsnähte - oder elemente aus fließund netzungsfähigem Material zu realisieren, die vergraben sind, nachdem der innige Kontakt zwischen den beiden Strukturen hergestellt worden ist.
  • Es wird also vorher auf der Oberfläche einer der Strukturen (Fig. 2B) eine Schicht 10 aus Photoresist abgeschieden; Diese Schicht wird geätzt (durch Photolithographie mittels Maske), um Höcker-Elemente 20, 22, 24, 26 zu definieren (Fig. 2C).
  • Das Substrat 4, auf dem die Abstandhalterelemente realisiert wurden, wird anschließend geätzt, um Abstandhalterelemente 31, 33, 35, 37 zu bilden, begrenzt durch Senken 21, 23, 25, 27, 29. Diese letzteren haben eine Tiefe (Abstand zwischen dem Boden jeder Senke und der oberen Fläche der benachbarten Höcker) in der Größenordnung von 1 um. In dem Fall, wo das Substrat 4 ein Substrat aus aktivem Lasermaterial ist, kann die Ätzung durch Ionenbearbeitung oder chemische Ätzung erfolgen. Im Falle eines Substrats aus massivem Silicium (Fall eines Substrats für einen Mikrolinsenträger) kann man auch eine Technik des reaktiven Ionenätzens (RIE) benutzen.
  • In der so erhaltenen geätzten Struktur realisiert man nach Eliminierung der Resist- Elemente 20 bis 26 (Fig. 2E) die Ausbreitung einer Schicht 30 aus einem fließ- und netzungsfähigen Material. Diese Schicht wird geätzt (Fig. 2F), um Verbindungselemente 32, 34, 36 im Innern der in das Substrat 4 geätzten Senken 23, 25, 27 zu bilden. Wenn das fließ- und netzungsfähige Material ein Photoresist ist, kann diese Ätzung durch Lithographie mittels Maske durchgeführt werden. Nach Ausrichtung der Substrate 2 und 4, erfolgt der Zusammenbau dieser beiden Substrate (Fig. 2 G) z. B. mittels Druck nach Erwärmung (T 200ºC). Zwischen der Oberfläche 8 der Struktur 2 und der oberen Fläche der Höcker 31, 33, 35, 37 wird ein inniger Kontakt, hergestellt. Die Abstandhalter dienen als mechanische Anschläge. Die Verbindungselemente 32, 34, 36 aus fließ- und netzungsfähigem Material können im Innern der geätzten Senken fließen, innerhalb der Ränder der Höcker. Der Vorteil dieses Verfahrens in Bezug auf das erste im Rahmen der vorliegenden Erfindung dargestellte Verfahren besteht darin, dass die Parameter der "Klebung" die Kontrolle der erzielten Parallelität. nicht beeinflussen: es gibt nach dem Zusammenbau keine Zwischenschicht zwischen den beiden Strukturen 2, 4.
  • Falls diese fließ- und netzungsfähige Material ein Photoresist ist, ist der mechanische Zusammenhalt der beiden Substrate 2, 4 gewährleistet, sobald die Vernetzung des Resists stattgefunden hat.
  • Die Höhe der Nähte oder Verbindungselemente 32, 34, 36 ist vorzugsweise um z. B. einige Mikrometer größer als die Tiefe der Senken 23, 25, 27.
  • Nach dem Zusammenbau der beiden Strukturen 2, 4 ist es möglich, die einzelnen Bauteile zuzuschneiden. Ein solches Bauteil zeigen die Fig. 3A und 3B als Seitenansicht bzw. als Draufsicht. Zwei Elementarbauteile 40, 42 haben eine Kontaktfläche 46. Resist- Verbindungselemente 44-1, 44-2, 44-3, ... sichern den mechanischen Zusammenhalt des Ganzen während des späteren Zuschneidens.
  • In den Fig. 2F, 2G, 3A, 3B ist das fließ- und netzungsfähige Material in Form von einzelnen Elementen dargestellt. Es ist auch möglich, durchgehende Nähte aus fließ- und netzungsfähigem Material herzustellen. Jedoch ermöglicht die Herstellung von Einzelelementen einerseits ein besseres Zusammenpressen des fließfähigen Materials beim Klebevorgang, ohne über die Senken hinauszutreten, und begünstigt andererseits eine eventuelle Entgasung, die den innigen Kontakt stören könnte (z. B. eine Entgasung des Lösungsmittels, wenn das fließfähige Material ein Resist ist, bei der Vernetzungserwärmung von diesem).
  • Falls das verwendete fließfähige Material kein Resist ist (z. B. im Falle des Sol-Gel- Siliciumdioxids oder eines anderen fließfähigen Materials: In, Pb-Sn); geht man wie oben in Verbindung mit den Fig. 2A bis 2D beschrieben vor. Dann (Fig. 4A) wird eine Schicht 50 aus fließ- und netzungsfähigem Material auf dem Substrat 4 realisiert. Auf dieser Schicht wird eine Schicht 52 aus Photoresist ausgebreitet (Fig. 4B. Die Geometrie der Verbindungselemente (Naht oder Einzelelemente) wird in dieser Schicht 52 durch Photolithographie mittels Maske definiert (Fig. 4C). Man kann anschließend Nähte oder Einzelelemente 54, 56, 58 aus fließfähigem Material in den in das Substrat 4 geätzten Senken 23, 25, 27 ätzen (Fig. 4D). Die Ausrichtung und der Zusammenbau der Substrate 2, 4 kann anschließend stattfinden, z. B. durch Erwärmung unter Druck (Fig. 4E). Der innige Kontakt entsteht amn der Grenzfläche des Substrats 2 mit den Höckern 31, 33, 35, 37, wobei der mechanische Zusammenhalt bei einem späteren Zuschnitt durch die Verbindungselemente oder die Verbindungsnaht aus fließ- und netzungsfähigem Material gewährleistet wird. Ein Zuschnitt führt zu einem Bauteil mit zwei elementaren Strukturen 40, 42 mit einem innigen Kontakt, wobei das aus den beiden Strukturen bestehende Ganze zusammengehalten wird durch die Verbindungselemente 60-1, 60-2 aus fließ- und netzungsfähigem Material (Fig. 5). Das Verfahren mit dem Ausbilden von Höckern und dem Ätzen von Senken wurde oben als "Einflächen"-Version dargestellt. Es kann auch eine "Doppelflächen"-Version hergestellt werden.
  • So werden in den Fig. 6A und 6B die Senken 21, 23, 25, 27, 29 in das Substrat ,4 geätzt, während die Verbindungselemente (Nähte oder Einzelelemente) aus fließ- und netzungsfähigem Material 62, 64, 66 auf der anderen Struktur 2 durch Techniken ausgebildet werden, die identisch oder äquivalent mit denen sind, die oben dargestellt wurden. Die Ausrichtung und der Zusammenbau finden anschließend so wie oben beschrieben statt. Wie in den Fig. 7A und 7B dargestellt, ist es auch möglich, Senken in beide Substrate 2, 4 zu ätzen, wobei Verbindungselemente, Nähte oder Einzelelemente, aus fließ- und netzungsfähigem Material anschließend auf dem einen- und/oder dem anderen der beiden Substrate ausgebildet werden. Die Ausrichtung und der Zusammenbau der beiden Bauteile wird anschließend so wie schon weiter oben beschreiben durchgeführt: der innige Kontakt findet an der Oberfläche der Höcker statt, die auf jeder der Strukturen 2, 4 definiert sind. (Fig. 7C). Ein einzelnes Bauteil, erhalten nach dem Zuschnitt, ist in der Fig. 8 dargestellt.
  • Das eine oder das andere der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren kann bei der Herstellung hybrider Mikrolaser = Bauteile und Mikrooptik-Elemente angewandt werden. In der Folge wird ein Ausführungsbeispiel eines Mikrolasers mit aktiver Güteschaltung durch externe Steuerspannung beschrieben.
  • Ein Mikrolaser-Chip mit aktiver Güteschaltung hat eine schematisch in der Fig. 9A dargestellte Struktur. Das Bezugszeichen 75 bezeichnet ein aktives Lasermedium, z. B. ein YAG-Medium, dotiert mit Neodym (Nd). Dieses Medium ist enthalten zwischen einem Eingangsspiegel 77 und einem Zwischenspiegel 85, mit denen es einen ersten Resonator bildet. Ein zweiter Resonator wird durch einen Zwischenspiegel 85, einen Ausgangsspiegel 83 und ein Material 81 gebildet, dessen Brechzahl variabel ist in Abhängigkeit von einer äußeren Störung. Dies kann z. B. ein elektrooptisches Material wie LiTaO&sub3; sein, an das mit Hilfe von zwei Kontaktelektroden 95, 97 eine Potentialdifferenz gelegt wird. Im Betrieb wird eine solche Mikrolaserstruktur durch einen Pumpstrahl 100 gepumpt, z. B. durch eine III-V-Laserdiode abgestrahlt, die entweder hybrid direkt auf den Mikrolaser montiert ist, oder mit diesem durch eine optische Faser gekoppelt ist. Falls das Material 75 YAG ist, dotiert mit Neodym, eignet sich ein Pumpstrahl 100 mit 800 nm.
  • In der Fig. 9A hat der Eintrittsmikrospiegel 77 des Mikrolaserresonators einen Krümmungsradius, der ermöglicht, die Größe des Laserstrahls im Innern des Materials 81 zu reduzieren. Vorzugsweise ist dieser Krümmungsradius größer als die Gesamtlänge des Mikrolasers die Gesamtlänge des Mikrolasers (Länge L1 des aktiven Mediums 75 + Länge L&sub2; des Mediums). Typischerweise ist der Krümmungsradius größer als ungefähr 1,5. Bei Einhaltung dieser Bedingung bekommt man einen optisch stabilen Resonator: Man erhält also einen kleinen Durchmesser s des Laserstrahls 102 im dem Medium 81, typischerweise in der Größenordnung von einigen zehn Mikrometern. Unter diesen Bedingungen ist die Dicke des Mediums 81, nötig zur aktiven Güteschaltung des Resonators, typischerweise zwischen 100 um und 500 um enthalten. Diese Dicke ist sehr vorteilhaft gegenüber den Dicken der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik. So ist bei der in dem Artikel von J. J. Zayhowski, Optics letters, Vol. 17, Nr. 17, Seiten 1201-1203, 1992; beschriebenen Vorrichtung eine elektrooptisches Element der Dicke 1 mm nötig. Nun benötigt ab eine solche Dicke (1 mm) für ein gutes Funktionieren der Güteschaltung eine Spannung in der Größenordnung von 1000 Volt zwischen den beiden Elektroden. Eine Dicke von ungefähr 100 pm ermöglicht, die nötige Spannung auf einen zwischen 50 und 100 Volt enthaltenen Wert zu begrenzen.
  • Die Struktur der Fig. 9A zeigt ebenfalls einen konkaven Mikrolaser 83 am Ausgang des Mikrolasers. In diesem Fall werden die Krümmungsradien R&sub1; und R&sub2; jedes Mikrospiegels 77, 83 so gewählt, dass man zwei optisch stabile Resonatoren bekommt. In dem Fall der beiden gekoppelten Resonatoren (Fall der Fig. 9A) wählt man F&sub1; > L&sub1; und R&sub2; > L&sub2;, um diese Bedingung zu befriedigen. Der Fall eines Plan-konkav-Resonators (der Austrittsspiegel ist ein Planspiegel) entspricht R&sub2; = ∞.
  • In gleicher Weise betrifft die Erfindung die Realisierung einer Plan-plan-Struktur, wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass das elektrooptische Material 81 eine größere Dicke e aufweist.
  • Der Mikrolaser der Fig. 9A umfasst zwei Strukturen, wobei die erste durch das aktive Lasermedium 75 und die Spiegel 77, 85 gebildet wird und die zweite durch das elektrooptische Material 81, seinen Austrittsspiegel 83 und seine Elektroden 95, 97. Diese beiden Strukturen werden gemäß der ersten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, und das Bezugszeichen 82 bezeichnet eine Verbindungsschicht, die durch das Zusammenpressen der fließ- und netzungsfähigen Verbindungselemente entstanden ist, so dass zwischen dem elektrooptischen Material 81 und dem Spiegel 85 ein inniger Kontakt besteht.
  • Die Fig. 9B stellt eine Variante der obigen Struktur dar, bei der der Spiegel 85 und das elektrooptische Material 81 innigen Kontakt haben, aber ohne Verbindungszwischenschicht: Verbindungselemente 84, 86 aus fließ- und netzungsfähigem Material sind in seitlichen Senken ausgebildet, wobei das aktive Lasermaterial 75 und der Spiegel 85 vorher geätzt wurden, um diese Senken zu bilden. Diese Struktur entspricht einem aktiv gütegeschalteten Mikrolaser, hergestellt mit Hilfe der zweiten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Schritte des Verfahrens zu Herstellung der Struktur der Fig. 9A werden unten in Verbindung mit den Fig. 10A bis 10F und 11A bis 11E kurz zusammengefasst.
  • 1º) - In einem ersten Schritt berechnet man die Krümmungsradien R1 und R2, wenn die Stabilität einer oder aller Resonatoren erwünscht ist.
  • 2º) - In einem zweiten Schritt (Fig. 10A, 10B) schneidet und poliert man beidseitig eine Platte 75 aus Lasermaterial und eine Platte 81 aus dem Material mit variabler Brechzahl, etwa einem elektrooptischen Material (z. B. LiTaO&sub3;).
  • 3º) - Anschließend stellt man durch Photolithographie und Bearbeitung aus der Eintrittsseite des Lasermaterials einen Mikrospiegel her (typischer Durchmesser 100 bis 500 um und Krümmungsradius R&sub1; 1 bis 2 mm). Dieser Schritt ist in den Fig. 11A bis 11E dargestellt. In einem ersten Teilschritt (Fig. 11A) erfolgt die Abscheidung einer Schicht 73 aus Photoresist auf der Eintrittsfläche des Lasermaterials 75. Dann erfolgt die Belichtung des Resists mittels UV-Strahlung durch eine Maske 74 hindurch (Fig. 11B). Der nachfolgende Schritt (Fig. 11 C) ist ein Schritt zur chemischen Entwicklung des Resists, bei dem nur Erhebungen 76, 78 stehenbleiben, die dazu bestimmt sind, Mikrospiegel zu bilden.
  • Anschließend erfolgt das Thermofließen des Resists (Fig. 11 D), um die Mikrospiegel 80, 82 aus Resist zu bilden, und das Bearbeiten des Lasermaterials 75 mittels Formtransfer durch einen Ionenstrahl (Fig. 11 E), bis zur Eliminierung des Resists.
  • Die Schritte 4º) bis 9º) werden anschließend in Verbindung mit der Fig. 10C beschrieben.
  • 4º) - Es erfolgt die Abscheidung des Eintrittsspiegels 77 auf der Eingangsfläche des Lasermaterials 75 (zum Beispiel bei dem dichroitischen Eintrittsspiegel mit einer Reilektivität von mehr als 99,5% bei der Wellenlänge des Laserstrahls, und einer Transmission von über 80% bei der Wellenlänge des Pumpstrahls).
  • 5º) - Dann erfolgt die Herstellung - durch Photolithographie und Bearbeitung - von Mikro-Höckern 79, wie vorhergehend beschrieben, auf der Austrittsoberfläche des elektrooptischen Materials 71 (Durchmesser typisch 100 bis 500 um und Krümmungsradius R&sub2; von 1 bis 2 mm). Falls der Austrittsspiegel ein planer Spiegel ist, erfolgt die Bildung der Mikro- Höcker nicht auf der Austrittsseite des elektrooptischen Materials. Außerdem kann der Durchmesser des Austrittsspiegels (Mikrolinse) kleiner sein als der Durchmesser des Eintrittsmikrospiegels.
  • 6º) - Anschließend erfolgt die Abscheidung des Austrittsmikrospiegels 83 auf der Austrittsseite des elektrooptischen Materials 81 (Austrittsspiegel mit einer typischen Reflektivität von 85 bis 99% bei der Wellenlänge des Laserstrahls und eventuell mit einer höheren Reflektivität bei der Wellenlänge des Pumpstrahls, um den Pumpstrahl zu reflektieren, der beim ersten Durchgang nicht total absorbiert wird).
  • 7º) - Im siebten Schritt wird ein Zwischenspiegel 85 auf der Grenzfläche Lasermaterial 75-elektrooptisches Material 81 abgeschieden.
  • 8º) - Die Platte 81 und der Spiegel 85 werden anschließend in einen intimen Kontakt gebracht, mit mechanischem Zusammenhalt durch das Verbindungselement 82 aus fließ- und netzungsfähigen Material; dieses letztere erhält man erfindungsgemäß aus Verbindungselementen 86-1, 86-2, 86-3, ..., die vorher auf dem Oberfläche von z. B. dem Spiegel 85 gebildet wurden,
  • 9º) - Es ist möglich, die Austrittsseite durch eine Resistabscheidung 87 zu schützen (Fig. 10C).
  • 10º) - Es ist möglich, in dem elektrooptischen Material mit Hilfe einer in der Mikroelektronik verwendeten Diamantblattsäge Rillen 89 herzustellen (Fig. 10F), um in der Folge die Elektroden mit einem gewünschten Abstand realisieren zu können (in der Größenordnung von 100 um, bezogen auf einen Elektrodenzwischenabstand von 1 mm nach dem Stand der Technik).
  • 11º) - Anschließend erfolgt die Abscheidung der elektrischen Kontakte durch Aufdampfung (z. B. Abscheidung einer Cr-Au-Schicht 91, die das Resist 87 und das elektrooptische Material 81 einschließt).
  • 12º) - Elementare Chips bzw. Bausteine 93 einer Größe von im Wesentlichen 1 mm² werden anschließend zugeschnitten. Man erhält die in der Fig. 9A dargestellte Struktur, nach gründlicher chemischer Reinigung von der Schutzresistschicht und Lift-off der Schicht 91.
  • 13º) - Die Chips bzw. Bausteine werden auf einen metallisierten und Impedanzangepassten IC-Träger montiert, mit elektrischer Kontaktherstellung und Einbau in ein abgeschirmtes Gehäuse.
  • 14º) - Anschließend kann die Montage im Gehäuse und die Verbindung mit einer Pumplaserdiode und einem elektrischen Verbinder für die Güteschaltung erfolgen. Die Erfindung kann außerdem auf jede andere Mikrolaserstruktur angewandt werden. Zum Beispiel zeigt die Fig. 12 einen Mikrolaserresonator mit einem aktiven Lasermedium 102, einem Eintrittsspiegel 106 und einem Ausgangsspiegel 108. Im Innern des Resonators befinden sich außerdem weitere Elemente:
  • - ein Element 110 zur aktiven oder passiven Güteschaltung des Resonators,
  • - ein Element 104 aus einem nichtlinearen Material, das ermöglicht, die Grundfrequenz des aktiven Lasermediums 102 um einen Faktor n (n > 2) zu multiplizieren.
  • Wie man in der Fig. 12 sieht, sind zwei Verbindungsschichten 112, 114 aus fließ- und netzungsfähigem Material jeweils an der Grenzfläche von einerseits dem aktiven Lasermedium 102 und dem Güteschaltungselement 110 und andererseits dem Güteschaltungselement 110 und dem nichtlinearen Medium 104 angeordnet. Die simultane Präsenz von Güteschaltungseinrichtungen und dem nichtlinearen Element 104 im Innern des Resonators hat zu Folge, dass der Wirkungsgrad bzw. Nutzeffekt des nichtlinearen Materials stark zunimmt.
  • Nach einer Variante, nicht dargestellt in den Figuren, können die Senken in das aktives Lasermedium und in das Güteschaltungselement 110 geätzt werden, um eine Struktur zu realisieren, die seitliche Senken umfasst, in denen die Verbindungselemente aus fließ- und netzungsfähigem Material abgeschieden werden; die Grenzfläche der Elemente 102, 110, und 110, 104 wird dann durch innigen Kontakt gewährleistet, ohne Querverbindungselement bzw. - schicht, was ermöglicht, einen gütegeschalteten Mikrolaserresonator mit Frequenzmultiplikation zu realisieren, der mit optimalem Nutzeffekt bzw. Wirkungsgrad arbeitet: der Pumpstrahl und der Laserstrahl treffen auf ihrem Weg in dem Resonator auf kein Verbindungselement mehr.
  • Die Fig. 12 zeigt einen Plan-plan-Resonator. Es ist auch möglich, einen stabilen Resonator mit konkaven Mikrospiegeln am Resonatoreingang und/oder -ausgang zu realisieren. Ein stabiler Resonator hat dann einen kleineren Güteschaltungs-Schwellenwert sowie einen besseren Wirkungsgrad. Außerdem ermöglicht das Vorhandensein eines konkaven Mikrospiegels, die Größe des Laserstrahls in den verschiedenen Medien einzustellen, im Innern des Resonators, was ermöglicht, die Leistungsdichte in Höhe des Elements 110 aus sättigbarem Absorptionsmaterial und des multiplizierenden Kristalls 104 noch zu erhöhen. Die Realisierung dieser Struktur setzt Vorbereitungsschritte der betreffenden Platten aus Lasermaterial, Güteschaltungsmaterial und nichtlinearem Material voraus, die man aufeinanderstapelt und vereinigt nach einem der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Verfahren.
  • Eine weitere Struktur, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert werden kann, ist in der Fig. 13 dargestellt. Die Bezugszeichen 113 und 115 bezeichnen Eintritts- und Austrittsspiegel eines Mikrolaserresonators, der eine aktives Lasermedium 116 und Einrichtungen 118 zur aktiven oder passiven Güteschaltungen dieses Resonators umfasst. Das Bezugszeichen 120 bezeichnet einen Pumpstrahl des Resonators. Dieser emittiert einen Laserstrahl, der seinerseits eine optische parametrische Oszillatorstruktur (OPO) pumpt, die im Wesentlichen zwei Spiegel 115, 122 umfasst, zwischen denen sich ein nichtlineares Material 124 befindet. Dieser Resonator emittiert seinerseits einen OPO-Strahl 126.
  • Das Material des Mediums 124 kann ausgewählt werden unter den bekannten nichtlinearen Materialien wie z. B. KTiOPO&sub4; (KTP), MgO : LiNbO&sub3;, β-BaB&sub2;O&sub4;, LiB&sub3;O&sub5; und AgGaSe. Die Eigenschaften des Materials KTP werden z. B. in dem Artikel von Terry et al. beschrieben, der erschienen ist in Journal of Optical Society of America, B, Vol. 11, Seiten 758-769 (1994). Die Eigenschaften anderer nichtlinearer Materialien, die ermöglichen, ein OPO herzustellen, werden beschrieben in dem Werk von R. W. Boyd mit dem Titel "Non-linear optics" (Academic Press, 1992, USA, ISBN Nr. 0-12-121680-2), insbesondere Seiten 85ff.
  • Auf Grund des Pumpens durch einen Mikrolaser ist es nicht nur möglich, die Schwellenenergie des OPO-Resonators zu senken, sondern auch die Länge des für den Betrieb des OPO nötigen Kristalls 124 zu reduzieren: so wird in dem oben erwähnten Artikel von Terry et al. ein OPO mit einem Kristall von 20 mm Länge beschrieben, während die Erfindung ermöglicht, Materialien mit einigen mm Dicke zu verwenden, z. B. 5 mm. Generell betrifft dieses Resultat (niedrigerer Energieschwellenwert, reduzierte Kristalllänge) nicht nur den in dem Artikel von Terry et al. beschriebenen KTP-Kristall, sondern auch jeden anderen Kristall oder jedes andere nichtlineare Material zur Herstellung eines OPO-Resonators.
  • Die in der Fig. 13 dargestellte Struktur ist extrem kompakt. Da der Mikrolaserresonator selbst sehr kompakt ist, ist es möglich, einen OPO-Oszillator herzustellen, dessen Gesamtlänge, die Pumpeinrichtungen eingeschlossen, 6 mm nicht überschreitet, bei einem Querschnitt von 1 mm², also einem Gesamtvolumen von 6 mm³.
  • Die in der Fig. 3 dargestellte Vorrichtung umfasst außerdem ein Verbindungselement bzw. eine Verbindungsschicht 128 aus einem fließ- und netzungsfähigen Material, die durch innigen Kontakt die Verbindung zwischen dem aktiven Lasermedium 116 und dem Güteschaltungsmedium 118 sicherstellt. Der Kontakt zwischen den Spiegeln 115 und dem Element 124 wird ebenfalls durch einen innigen Kontakt gewährleistet, aber die Verbindungselemente 130, 132 aus fließ- und netzungsfähigen Material befinden sich in seitlichen Senken, eingeätzt in das Güteschaltungselement 118 und in den Spiegel 115. Es ist auch möglich, eine Variante zu realisieren, nicht dargestellt in den Figuren, bei der die Verbindung zwischen dem aktiven Medium 116 und dem Güteschaltungselement 118 durch innigen Kontakt ohne die quergerichtete Verbindungsschicht 128 gewährleistet ist, indem die Verbindungselemente aus fließ- und netzungsfähigem Material in seitlichen Senken angeordnet sind, die z. B. in das aktive Lasermedium 116 geätzt sind. In diesem Fall treffen der Laserpumpstrahl und der Laserstrahl im Innern der Vorrichtung auf kein Verbindungselement mehr: der optische parametrische Oszillator arbeitet dann mit einem optimalen Wirkungsgrad. Auch hier sind die angewandten Verfahren wieder diejenigen, die schon weiter oben beschrieben wurden.
  • Eine andere Mikrolaserresonatorstruktur, die durch ein erfindungsgemäßes Verfahren realisiert werden kann, ist eine Struktur mit einem aktiven Lasermedium 134 (Fig. 14), enthalten zwischen einem Eintrittsspiegel 141 und einem Zwischenspiegel 135. Aktive Güteschaltungseinrichtungen 136 sind enthalten zwischen dem Zwischenspiegel 135 und einem Austrittsspiegel 139. Die Mikrospiegel 139, 141 werden in Form von Platten (plaques) auf einem Material 143 wie Glas oder Siliciumdioxid realisiert, das durchlässig ist für die Wellenlänge des Lesers. Diese die Mikrospiegel umfassenden Substrate können anschließend nach den in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Verfahren zusammengebaut werden mit einerseits dem aktiven Lasermedium 134 und andererseits dem aktiven Güteschaltungselement 136. In der Fig. 14 sind die Elemente 134, 136 geätzt worden, um Senken herzustellen, in, denen die Verbindungselemente 142, 144, 146 aus fließ- und netzungsfähigem Material angebracht werden, um den mechanischen Zusammenhalt zwischen den verschiedenen Bauteilen des Mikrolasers sicherzustellen. Die Verbindung eines Bauteils mit dem anderen wird durch einen innigen Kontakt mit einer sehr guten Parallelität gewährleistet.
  • Nach einer Variante kann die Vorrichtung der Fig. 14 auch mit Verbindungselementen realisiert werden, die quergerichtet sind und nach dem Verfahren der ersten oben dargestellten Ausführungsart realisiert werden.
  • Eine weitere Mikrolaserresonatorstruktur, die mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden kann, ist schematisch in der Fig. 15 dargestellt. Sie umfasst ein aktives Lasermedium 152 und aktive oder passive Güteschaltungseinrichtungen 156 des Mikrolaserresonators, begrenzt durch Eintritts- und Austrittsspiegel 148, 150. Der Resonator wird durch optische Einrichtungen gepumpt, die in der Figur nicht dargestellt sind. Die durch den Mikrolaser emittierten Impulse werden durch ein Halbleiterelement absorbiert, das mit 160 bezeichnet ist. Der Mikrolaser ist eine kompakte, robuste Quelle, die integrierbar ist, um eine monolithische Struktur zu ermöglichen, und die ausreichend leistungsstark ist, um die Laserschwelle jedes Halbleiters zu erreichen, sogar die von denen mit sehr hohen Schwellen, und dies bei jeder Temperatur (z. B. die Halbleiter PbXSn1-xSe, PbXSn1-xTe, PbS1-xSex, CdxPb&sub1;- xS, InAsxSb1-x, CdxHg1-xTe, Bi1-xSbx, O ≤ x ≤ 1, wobei alle Verbindungen ermöglichen, Wellenlängen λ ≥ 1 um zu erreichen, aber - mit konventionellen Pumpeinrichtungen - bei einer Temperatur unter 160K; dasselbe gilt für die Legierungen des Typs InAsSb (InAsxSb1-x) auf InAs-Substrat).
  • Das Halbleiterelement kann die Form einer Platte mit einer Dicke von einigen hundert Mikrometern haben oder auch Teil eines Halbleiterlasers z. B. des Typs VCSEL sein. Das Halbleiterbauteil 160 ist mit dem Güteschaltungsbauteil 156 durch Verbindungselemente 162 aus fließ- und netzungsfähigem Material verbunden und hat einen innigen Kontakt mit dem Spiegel 150. Nach einer Variante gewährleistet ein Verbindungselement aus fließ- und netzungsfähigem Material an der Grenzfläche Spiegel- Halbleiterelement die mechanische Verbindung, während die beiden Oberflächen wieder durch das Verbindungselement Kontakt haben.
  • Man kann am Ausgang des Mikrolasers über einen Durchmesser von 20 bis 100 um tatsächlich Spitzenleistungen von mehreren kW erreichen, also Leistungsdichten von einigen zehn MW/cm². Diese Leistungsdichte ermöglicht, mit optischem Pumpen bei den meisten bekannten Halbleiter einen Lasereffekt zu erzielen.
  • Die durch den Halbleiter emittierte Leistung beträgt dann typisch einige zehn Milliwatt.
  • Außerdem sind auf Grund der kurzen Resonatorlängen der Mikrolaser (unter oder gleich 1 mm) ihre Impulse kurz, typisch unter 1 ns oder höchstens 5 ns, was ermöglicht, jede dem Halbleiter schädliche thermische Belastung zu vermeiden.
  • Generell wird das bei den optischen oder optronischen Anwendungen zur Bildung der Verbindungselemente verwendete Material optisch kompatibel gewählt, d. h. so, dass die an den Strahlen verursachten optischen Verluste minimal sind. Man wählt also ein Material, dessen Brechzahl derjenigen der zusammenzubauenden Strukturen möglichst nahe kommt.
  • Dies gilt vor allem für die Strukturen, die man mit Hilfe der ersten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert, d. h. in dem Fall, wo man keine Senken herstellt, in denen man die Verbindungselemente aus fließ- und netzungsfähigem Material anordnen kann. Im Falle der Verwendung eines Siliciumdioxid-Materials (Sol-Gel-Siliciumdioxid) kann die Brechzahl angepasst werden durch Dotierung (z. B. mit Oxinitriden SiOxNy): derart passt man den Brechzahlsprung am besten an die Grenzfläche der präsenten Materialien an und kann im gleichen Maße die optischen Verluste reduzieren.

Claims (24)

1. Verfahren zum Verbinden zweier Strukturen (2, 4), umfassend:
- das Ausbilden von Höckern (12, 14, 16) aus einem fließfähigen und auf den beiden Strukturen (2, 4) benetzungsfähigen Material auf wenigstens einer der Strukturen (4) durch Abscheidung einer Schicht (10) des genannten Materials und dessen Ätzung,
- das Anordnen der beiden Strukturen (2, 4) derart, daß sich an ihrer Grenzfläche die Höcker befinden,
- das Verbinden der beiden Strukturen (2, 4) durch Erwärmen der Höcker (12, 14, 16), um sie zum Fließen zu bringen, so daß eine zusammenhängende Verbindung erhalten wird, und die Herstellung eines innigen Kontakts der beiden Strukturen.
2. Verfahren zum Verbinden zweier Strukturen (2, 4), umfassend:
- das Ausbilden wenigstens eines Abstandshöckers (31, 33, 36, 37) in einer ersten der beiden Strukturen, wobei dieser oder diese Höcker an ihren Rändern einen oder mehrere seitliche Kästen (23, 25, 27, 29) festlegen und jeder seitliche Kasten einen Boden aufweist,
- das Ausbilden eines Verbindungsstücks (32, 34, 36) aus einem fließfähigen und auf den beiden Strukturen (2, 4) benetzungsfähigen Materials auf dem Boden wenigstens eines seitlichen Kastens (23, 25, 27, 29),
- das Anordnen der beiden Strukturen (2, 4) derart, daß sich an ihrer Grenzfläche das Verbindungstück (32, 34, 36) befindet,
- das Verbinden der beiden Strukturen (2, 4) durch Erwärmen der Verbindungsstücke (32, 34, 36), um sie zum Fließen zu bringen, und die Herstellung eines innigen Kontakts der beiden Strukturen (2, 4).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei in der zweiten Struktur (2) ebenfalls wenigstens ein Abstandshöcker ausgebildet wird, dieser oder diese Abstandshöcker an ihren Rändern einen oder mehrere seitliche Kästen festlegen und jeder seitliche Kasten einen Boden aufweist und wobei das Anordnen der beiden Strukturen derart ausgeführt wird, daß ein Abstandshöcker der ersten Struktur (4) sich gegenüber einem Abstandshöcker der zweiten Struktur (2) befindet.
4. Verfahren zum Verbinden zweier Strukturen (2, 4), umfassend:
- das Ausbilden wenigstens eines Abstandshöckers in einer ersten der beiden Strukturen (4), wobei dieser oder diese Abstandshöcker an ihren Rändern einen oder mehrere seitliche Kästen (21, 23, 25, 27, 29) festlegen und jeder seitliche Kasten einen Boden aufweist,
- das Ausbilden wenigstens eines Verbindungsstücks (62, 64, 66) aus einem fließfähigen und auf den beiden Strukturen (2, 4) benetzungsfähigen Material auf der zweiten Struktur (2),
- das Anordnen der beiden Strukturen (2, 4) derart, daß jedes Verbindungsstück der zweiten Struktur (2) in einen Kasten (21, 23, 25, 27, 29) der ersten Struktur (4) gebracht wird,
- das Verbinden der beiden Strukturen durch Erwärmen der Verbindungsstücke, um sie zum Fließen zu bringen, und die Herstellung eines innigen Kontakts der beiden Strukturen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das fließfähige und benetzungsfähige Material ein lichtempfindliches Harz oder ein schmelzbares Material vom Typ Siliciumdioxid-Sol-Gel (SOG) oder eine metallische In- oder Pb-Sn- Legierung ist.
6. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das fließfähige und benetzungsfähige Material ein negatives Harz ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Erwärmen der Höcker und die Annäherung der beiden Strukturen durch Pressen der beiden Strukturen in der Wärme stattfindet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, anschließend einen Schritt des Zerschneidens der beiden verbundenen Strukturen (2, 4) umfassend.
9. Verband aus einer ersten und einer zweiten Struktur (2, 4); die beide wenigstens eine ebene Seite (6, 8) haben, wobei diese beiden ebenen Seiten in innigem Kontakt sind, während ein zusammenhängendes Verbindungsstück aus einem fließfähigen und benetzungsfähigen Material sich an der Grenzfläche zwischen den beiden ebenen Seiten befindet.
10. Verband aus einer ersten und einer zweiten Struktur (2, 4), die beide wenigstens eine ebene Seite haben, wobei die eine von ihnen ferner wenigstens einen seitlichen Kasten (21, 23, 25, 27, 29) enthält, der einen gegenüber der ebenen Seite zurückgesetzten Boden aufweist, die beiden ebenen Seiten in innigem Kontakt sind und ein Klebe-Verbindungsstück aus einem fließfähigen und benetzungsfähigen Material in wenigstens einem seitlichen Kasten (21, 23, 25, 27, 29) angebracht ist, das die beiden Strukturen verbindet.
11. Verband aus einer ersten und einer zweiten Struktur (2, 4) nach einem der Ansprüche 9 und 10, wobei das fließfähige und benetzungsfähige Material ein lichtempfindliches Harz oder aus einem schmelzbaren Material vom Typ Siliciumdioxid- Sol-Gel (SOG) oder aus einer metallischen In- oder Pb-Sn-Legierung ist.
12. Verband aus einer ersten und einer zweiten Struktur (2, 4) nach einem der Ansprüche 9 und 10, wobei das fließfähige und benetzungsfähige Material ein negatives Harz ist.
13. Verband nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die erste und die zweite Struktur (2, 4) ein aus einem Festkörper bestehendes aktives Medium (102) für einen Mikrolaser-Hohlraumresonator bzw. ein sättigungsfähiges Absorbens (110) für einen Mikrolaser-Hohlraumresonator sind.
14. Verband nach Anspruch 13, wobei das aus einem Festkörper bestehende aktive Medium (102) ein mit Erbium (Er) oder mit Ytterbium (Yb) dotiertes Glas ist.
15. Verband nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die erste und die zweite Struktur (2, 4) ein aus einem Festkörper bestehendes aktives Medium (116) für einen Mikrolaser-Hohlraumresonator bzw. ein Element aus einem optisch nichtlinearen Material (124) sind.
16. Verband nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die erste und die zweite Struktur (2, 4) ein aus einem Festkörper bestehendes aktives Medium für einen Mikrolaser-Hohlraumresonator bzw. ein mikrooptisches Bauelement sind.
17. Verband nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die erste und die zweite Struktur (2, 4) beide jeweils ein mikrooptisches Bauelement sind.
18. Verband nach einem der Ansprüche 16 und 17, durch den Umstand gekennzeichnet, daß das oder die mikrooptischen Bauelemente Mikroprismen oder Mikrospiegel (77, 80, 82, 83) sind.
19. Verband nach Anspruch 15, wobei das optisch nichtlineare Element (104) entweder ein Element, das erlaubt, die Basisfrequenz mit einer ganzen Zahl n (n ≥ 2) zu multiplizieren, oder ein optischer parametrischer Oszillator ist.
20. Mikrolaser-Hohlraumresonator, umfassend einen Verband nach einem der Ansprüche 13 bis 19 sowie einen Eintrittsspiegel (106) und einen Austrittsspiegel (108).
21. Verband für einen Mikrolaser-Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die erste und die zweite Struktur (2, 4) einerseits ein aus einem Festkörper bestehendes aktives Medium (75) mit einem ebenen Zwischenspiegel (85), der auf einer ebenen Seite des laseraktiven Mediums (75) angeordnet ist, bzw. andererseits ein Element (81) aus einem Material, dessen optischer Index durch eine äußere Störung modulierbar ist, umfassen, wobei dieses Element (81·) eine ebene Seite aufweist und diese in innigem Kontakt mit dem Zwischenspiegel (85) ist.
22. Verband für einen Mikrolaser nach Anspruch 21, wobei das Element (81) mit modulierbarem Index ein elektrooptisches Element ist.
23. Mikrolaser-Hohlraumresonator, umfassend einen Verband für einen Mikrolaser nach einem der Ansprüche 21 oder 22 sowie einen Eintrittsspiegel (77) und einen Austrittsspiegel (83).
24. Vorrichtung für einen Sender von infrarotem Licht, umfassend einen Verband nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die erste und die zweite Struktur sind:
- ein Halbleiter-Element, das geeignet ist, eine infrarote Strahlung auszusenden, bzw.
- ein Mikrolaser-Hohlraumresonator, Einrichtungen zum Auslösen aufnehmend, der derart angeordnet ist, daß man das Halbleiter-Element optisch pumpen kann.
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