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Dokumentenidentifikation DE69211817T2 06.02.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0543725
Titel Seltene Erden enthaltende integrierte optische Komponentenstruktur, Verfahren zu ihrer Herstellung und Anwendungen
Anmelder France Télécom, Paris, FR
Erfinder Favennec, Pierre-Noel, F-22300 Lannion, FR;
L'Haridon, Helene, F-22300 Lannion, FR;
Moutonnet, Danielle, F-22560 Pleumeur Bodou, FR;
Barriere, Albert, F-33405 Talence, FR;
Raoux, Sebastien, F-33000 Bordeaux, FR;
Mombelli, Bruno, F-33000 Bordeaux, FR
Vertreter Strehl, Schübel-Hopf, Groening & Partner, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69211817
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 18.11.1992
EP-Aktenzeichen 924030992
EP-Offenlegungsdatum 26.05.1993
EP date of grant 26.06.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.02.1997
IPC-Hauptklasse C09K 11/85
IPC-Nebenklasse H01L 33/00   H01S 3/18   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte optische Komponentenstruktur zum Betrieb bei einer Fluoreszenzwellenlänge λ&sub1; eines Ions einer seltenen Erde. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur sowie verschiedene Anwendungen.

Die Erfindung findet eine besonders vorteilhafte Anwendung im Gebiet der Telekommunikation mittels Lichtwellenleitern.

In einem Feststoff verdünnt stellen die Ionen seltener Erden den Ursprung von Fluoreszenzen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich dar, entsprechend den inneren Elektronenübergängen in deren 4 f-Schalen, die durch ihre 5 s- und 5 p-Schalen geschützt sind. Unter diesen ist das Erbiumion Er³&spplus; zu nennen, das insbesondere einen Strahlungsübergang &sup4;I13/2 T &sup4;I15/2 zeigt, der besonders interessant ist, weil in diesem Fall die ausgesandte Wellenlänge λ&sub1; (1,54 µm) dem Absorptionsminimum und dem Minimum der relativen Änderung des Index dn/dλ von Lichtwel lenleitern aus Kieselsäure entspricht.

Im Stand der Technik ist eine dem Oberbegriff entsprechende integrierte optische Komponentenstruktur bekannt, die aus einem Halbleitermaterial, Silicium oder einer III-V-Verbindung besteht, das entweder durch Ionenimplantation oder durch Aufwachsen mittels Molekülstrahlen insbesondere mit Erbium dotiert ist.

Eine Untersuchung dieses bekannten Strukturtyps hat gezeigt, daß, wie vorauszusehen war, die Art des Grundmaterials nur einen geringen Einfluß auf die Energie der von dem Ion der seltenen Erde ausgesandten Strahlungen besitzt.

Dagegen wurde mit Sicherheit festgestellt, daß die Fluoreszenzausbeute, die eine Funktion des Gehalts an seltener Erde ist, bei konstanter Temperatur mit der Breite der verbotenen Energiebande des Halbleitermaterials zunimmt. Um bei Raumtemperatur eine vergleichbare Fluoreszenzausbeute wie bei 77 K zu erhalten, wäre anscheinend eine Breite der verbotenen Energiebande der Grundmatrix von ungefähr 2,5 eV erforderlich.

Außerdem hat es sich zumindest im Fall des Erbiums gezeigt, daß, wenn auch zunächst die Intensität der Lumineszenz mit dem Gehalt an Dotierelement zunimmt, bei so geringen Konzentrationen wie 10¹&sup8;cm&supmin;³ ein Maximum erreicht wird. Die Abnahme der Fluoreszenz bei hoher Konzentration der Lumineszenzzentren erklärt sich durch die Erscheinungen einer gekreuzten Relaxation und Selbstauslöschung durch Konzentration. Sie wird durch die Entstehung von durch die Dotierung verursachten Atomfehlordnungen gefördert.

Das durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu lösende technische Problem besteht daher darin, eine integrierte optische Komponentenstruktur zum Betrieb bei einer Fluoreszenzwellenlänge λ&sub1; eines Ions einer seltenen Erde zu schaffen, wobei diese Struktur es ermöglichen soll, die oben erwähnten und insbesondere mit der Abnahme der Fluoreszenz bei hoher Konzentration verbundenen Einschränkungen aufzuheben.

Die Lösung des gestellten technischen Problems besteht erfindungsgemäß darin, daß besagte Struktur mindestens aus einer dünnen Schicht einer festen Lösung eines Mischfluorids seltener Erden der Formel (1-x) (M1-yM'yF&sub2;)-xSEFz besteht, die auf ein Substrat aus monokristallinem Halbleitermaterial aufgebracht wurde, wobei SEFz ein Fluorid seltener Erden bezeichnet, und wobei M und M' Erdalkahionen sind, M1-yM'yF&sub2; ein Fluorid von Erdalkalien bezeichnet, welches das Grundmaterial des Fluorids seltener Erden bildet, x zwischen 0 und 1 liegt und von 0 und 1 verschieden ist und y zwischen 0 und 1 liegt.

In diesem Fall kann nämlich das aus einem Erdalkalifluorid bestehende Grundmaterial eine sehr große Breite der verbotenen Bande zeigen, die beispielsweise für Calciumfluorid CaF&sub2; höher als 10 eV liegt. Außerdem können die Atomfehlordnungen, die zumindest teilweise für die Erscheinung der Selbstlöschung durch Konzentration verantwortlich sind, wie es bei klassischer Dotierung beobachtet wird, verringert werden, weil, wie weiter unten am Beispiel des Erbiums gezeigt, die seltene Erde für das bzw. die Erdalkalikation(en) in den Ausgangspulvern bei der Herstellung der besagten festen Lösung substituiert wird.

Es sei auch betont, daß in den Fluoriden, wo die Photonen energieärmer sind als in den Oxiden oder Halbleitern, solche Grundmaterialien die Fluoreszenzausbeuten auf Kosten der nichtstrahlenden Rekombinationen begünstigen.

Schließlich sei bemerkt, daß das kristallographische System des CaF&sub2;, SrF&sub2; und BaF&sub2; (kubisch flächenzentriert vom Fluorit typ) sehr nahe denen der wichtigsten Halbleiter (kubisch flächenzentriert vom Diamant- oder Zinkblendetyp) liegt und daß ihre Gitterparameter denjenigen des Siliciums, InP bzw. GaSb sehr nahe liegen. Außerdem wurde festgestellt, daß man feste Lösungen von Erdalkalifluoriden, deren Gitterparameter genau auf denjenigen der verschiedenen Halbleitersubstrate, insbesondere GaAs, eingestellt werden kann, im Zustand dünner Schichten erhalten kann.

Indessen haben der Ersatz von x Erdalkalikationen durch x seltene Erdionen und der Zusatz von x Fluorionen zur Herstellung der festen Lösung des Mischfluorids seltener Erden die Tendenz, den Gitterparameter des Ausgangserdalkalifluorids M- yM'yF&sub2; zu verändern.

Ferner besteht ein zweites durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu lösendes technisches Problem darin, ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße integrierte optische Komponentenstruktur vorzuschlagen, das sogar für hohe Molenbrüche x des Fluorids der seltenen Erde durchführbar ist.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung dieses zweiten technischen Problems aus einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

- Herstellung eines Ausgangspulvers des Fluorids der Erdalkalien M1-yM'yF&sub2;,

- Herstellung eines Ausgangspulvers des Fluorids seltener Erden SEFz,

- Mischen der besagten Ausgangspulver entsprechend einem bestimmten Molenbruch x,

- Herstellung einer festen Lösung des Mischfluorids seltener Erden (1-x) (M1-yM'yF&sub2;)-x SEFz, und

- epitaxiales Aufwachsen der besagten dünnen Schicht der festen Lösung auf eine Fläche des besagten Substrats aus mönokristallinem Halbleitermaterial.

Außer der Möglichkeit, durch Zwangsaufwachsen dünne Schichten fester Lösung aus Mischfluorid seltener Erden zu erhalten, deren Molenbruch x an Fluorid seltener Erden 20% erreichen kann, besitzt das erfindungsgemäße Verfahren weitere Vorteile, wie eine Minimierung von Fehlstellen im Volumen des lumineszenten Materials, welche die Ursache der Löschzentren sind, oder die Herstellung verschiedener integrierter optischer Komponenten wie Lichtleiter, Mikrolaser oder Wandlervorrichtungen.

Die nachfolgende Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten, als nicht einschränkende Beispiele gegebenen Zeichnungen soll einem besseren Verständnis des Gegenstands der Erfindung und der Art ihrer Durchführung dienen.

Es zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen integrierten optischen Komponentenstruktur,

Figur 2a eine perspektivische Ansicht eines Lichtleiters vom Mesa-Typ mit einer der Figur 1 analogen Struktur,

Figur 2b eine Variante mit ebenem Typus des Lichtleiters aus Figur 2a,

Figur 3a eine Schnittansicht eines Mikrolasers vom Mesa-Typ mit einer der Figur 1 analogen Struktur und mit Außenspiegeln,

Figur 3b eine erste Variante des Mikrolasers aus Figur 3a mit seitlichen Oberflächenspiegeln,

Figur 3c eine zweite Variante des ebenen Mikrolasertypus aus Figur 3a,

Figur 3d eine dritte Variante des ebenen Mikrolasertypus aus Figur 3a mit seitlichen Oberflächenspiegeln,

Figur 4a eine Schnittansicht eines dem in Figur 3d analogen Mikrolasers mit einer integrierten Anregungsquelle,

Figur 4b eine Schnittansicht des auf einem Substrat integrierten Mikrolasers aus Figur 4a,

Figur 5a eine Schnittansicht einer Wandlervorrichtung mit äußerem Sender mit einer der Figur 1 analogen Struktur und Figur Sb eine Variante der Wandlervorrichtung aus Figur 5a mit integriertem Sender.

Figur 1 zeigt im Schnitt eine integrierte optische Komponentenstruktur zum Betrieb bei einer Fluoreszenzwellenlänge λ&sub1; eines Ions einer seltenen Erde. Diese Struktur besteht aus einer dünnen Schicht 10 einer festen Lösung eines Mischfluorids seltener Erden der Formel

(1-x) (M1-yM'yF&sub2;)-x SEFz

wobei M und M' ein Erdalkalijon, insbesondere Ca²&spplus; und Sr²&spplus;, und SEFz ein Fluorid seltener Erden bezeichnen, x im Intervall ]0,1[ und y im Intervall [0,1] liegen.

Die dünne Schicht 10 ist auf einem Substrat 20 aus einem monokristallinen Halbleitermaterial wie Silicium oder einer III-V-Verbindung wie GaAs, GaSb, InP usw. aufgebracht.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße integrierte optische Komponentenstruktur mehrere dünne Schichten aus festen Lösungen von Mischfluoriden seltener Erden enthalten kann. Strukturen mit drei aufeinanderfolgenden dünnen Schichten sind übrigens weiter unten mit Bezug auf einige Anwendungsbeispiele näher erklärt.

Die in Figur 1 gezeigte integrierte optische Komponentenstruktur wird gemäß einem Verfahren hergestellt, das nun am Beispiel der Erbiumfluorid enthaltenden festen Lösung beschrieben sei:

(1-x) CaF&sub2; - x ErF&sub3;.

Ein Ausgangspulver aus Calciumfluorid CaF&sub2; wird aus einem handelsüblichen Fluorid hergestellt, das kurz vor seinem Gebrauch unter einer Fluoratmosphäre nachfluoriert wird, um mögliche darin enthaltene Spuren von Oxiden und Wasserdampf zu beseitigen.

Das Ausgangspulver aus Erbiumfluorid ErF&sub3; wird aus handelsüblichem Oxid Er&sub2;O&sub3; hergestellt. Das experimentelle Vorgehen ist wie folgt: Das Oxid wird unter einer Fluoratmosphäre auf 100ºC erhitzt, um sämtliche Spuren Wasserdampf zu beseitigen, und dann in einem Hochfrequenzofen unter einem Strom von gasförmigem HF auf eine Temperatur von 800ºC erhitzt.

Die so erhaltenen Pulver werden in einem durch Wägen der Ausgangspulver bestimmten Molenbruch x in einem Trockenschrank unter einer Stickstoffatmosphäre vermischt. Nach Homogenisierung wird das Gemisch im Grobvakuum in einem Platinrohr auf 200ºC erhitzt, um jegliche Spuren adsorbierter Gase zu ent fernen. Schließlich wird das Rohr dicht abgeschlossen und 15 Stunden lang auf 1100ºC erhitzt und dann abgeschreckt. Das Rohr enthält dann die gesuchte feste Lösung (1-x) CaF&sub2; - x ErF&sub3;, die man auch als Ca1-xErxF2+x schreiben kann.

Durch röntgenkristallographische Analyse der erhaltenen festen Lösung kann man nachprüfen, daß das gesamte Gemisch der Ausgangspulver integral zu einer Legierung umgeformt wurde und daß durch die Verschiebung der Beugungsmaxima der Molenbruch x mit dem zuvor gewählten übereinstimmt, was ebenfalls durch Retrodiffusion energiereicher Ionen (RBS) bestätigt wird. Man kann somit feststellen, daß die unter den oben beschriebenen Bedingungen erhaltene feste Lösung aus einer einzigen Phase vom Fluorittyp besteht, deren Gitterparameter im wesentlichen linear mit dem Molenbruch x ansteigt. Diese anfängliche Vergrößerung des calciumfluoridgitters wird im wesentlichen durch die Einführung der zusätzlichen F&supmin;-Ionen an Gitterlücken verursacht, während der Ersatz des Ca²&spplus;-Ions durch das kleinere Er³&spplus;-Ion die Tendenz aufweist, das CaF&sub2;-Gitter zu verengen.

Die Anmelderin hat somit feste Lösungen von Ca1-xErxF2+x hergestellt, deren Erbiumfluoridmolenbruch x mehr als 10%, bis zu 20%, betrug. Sogar für diese hohen Werte des Parameters x haben Kathodenlumineszenzuntersuchungen in sichtbarem Licht gezeigt, daß die Emission der festen Lösungen homogen war, was wiederum eine gute Interdiffusion der ursprünglichen Bestand teile CaF&sub2; und ErF&sub3; zeigt.

Die Substrate aus monokristallinem Halbleitermaterial, zum Beispiel Silicium, werden entfettet (Trichloreth ylen, Aceton, Methanol, Trichlorethylen, Methanol, vollentsalztes Wasser), oxidiert (HNO&sub3;), desoxidiert (HF-C&sub2;H&sub5;OH, 1 : 10), in einem Bad aus vollentsalztem Wasser gehalten und dann in die Vorbereitungskammer eines Aufwachsreaktors eingeführt, wo eine letzte Desoxidation (HF-c&sub2;H&sub5;OH) unter inerter Atmosphäre (N&sub2;) stattfindet. Nach Aufbringen auf Probenträger werden die Substrate in die eigentliche Aufwachskammer überführt, wo nach einer durch energiereiche Elektronenbeugung (RHEED, 10 keV) verfolgten Oberflächenrekonstruktion (30 Minuten langes Erhitzen auf 900º) die Abscheidung der dünnen Schichten fester Lösung erfolgt.

Dann läßt man die dünnen Schichten auf einer Fläche des Substrats, zum Beispiel der kristallograpischen Fläche [100], unter den folgenden Bedingungen aufwachsen:

- Endvakuum vor dem Aufheizen der die feste Lösung enthaltenden Platintiegel: 3.1041 Torr,

- Temperatur der Substrate während des Aufwachsens: Ts = 450ºC,

- Sublimationstemperatur der Pulver: ungefähr 1100ºC,

- Kondensationsgeschwindigkeit der Dämpfe: Vc = 10&supmin;¹ nm/s (mittels piezoelektrischer Quarzwaage verfolgt),

- Enddruck: 10&supmin;&sup9; Torr.

Nach erfolgter Abscheidung werden die Proben an die Luft gebracht oder für kennzeichnende Untersuchungen "an Ort und Stelle" in eine Analysenkammer gestellt. Eine rasterelektronenmikroskopische Untersuchung hat gezeigt, daß die erhaltenen dünnen Schichten homogen und kompakt sind und gut an den Substraten anhaften. Ferner zeigen die Röntgenbeugungsspektren der restlichen, nach Verdampfung im Tiegel zurückgewonnenen Pulver keine offensichtliche Änderung bezüglich der ursprünglichen Spektren. Somit scheint es, daß das Erhitzen auf die Sublimationstemperatur die Zusammensetzung der festen Lösungen, wie von den RBS-Spektren gezeigt, nicht verändert hat.

Ferner sind die dünnen Schichten, unabhängig von dem Substitutionsfaktor x zwischen 4 und 20%, durch eine intensive Fluoreszenz gekennzeichnet, im wesentlichen entsprechend:

- im Sichtbaren den übergängen

&sup4;H9/2T &sup4;I15/2 bis 0,46 µm

&sup4;S3/2 T &sup4;I15/2 bis 0,55 µm

&sup4;F9/2 T &sup4;I15/2 bis 0,66 µm

- im nahen Infrarot den Übergängen:

&sup4;I11/2 T&sup4;I15/2 bis 0,98 µm

&sup4;I13/2 T &sup4;I15/2 bis 1,54 µm

Das oben beschriebene Verfahren erwähnt nur die feste Lösung Ca1-xErxF2+x auf Si[100]. Es muß jedoch erwähnt werden, daß die Anmelderin mit

(1-x) SrF&sub2;-xErF&sub3; /InP [100] und

(1-x) (Sr1-yCayF&sub2;) -xErF&sub3;/GaAs [100] identische Ergebnisse erhalten hat.

Anwendungen der erfindungsgemäßen integrierten optischen Komponentenstruktur seien nun mit Bezug auf die Figuren 2a bis 5b beschrieben.

Die Figuren 2a und 2b zeigen perspektivisch zwei integrierte optische Komponenten mit ein und derselben Leiterstruktur, die je aus einer der Figur 1 analogen Struktur mit einer ersten dünnen Schicht 10a in Form eines Mikrostreifens mit einem Index na aus einer ersten festen Lösung eines Mischfluorids einer seltenen Erde, zum Beispiel Erbium, die auf das Substrat 20 aus monokristallinem Halbleitermaterial aufgebracht wurde, einer zweiten dünnen Schicht 10b in Form eines Mikrostreifens mit einem Index nb, der größer als na ist, aus einer zweiten festen Lösung eines Erbiummischfluorids, die auf die besagte erste Mischschicht 10a aufgebracht wurde, und einem dritten Medium 10cmit einem Index nc, der kleiner. als nb ist, bestehen. In dem Beispiel in Figuren 2a und 2b besteht dieses dritte Medium 10caus einer dritten dünnen Schicht in Form eines Mikrostreifens aus einer dritten festen Lösung eines Erbiummischfluorids, die auf die besagte zweite dünne Schicht lob aufgebracht wurde. Es versteht sich, daß dieses dritte Medium aus der Umgebungsluft selbst bestehen könnte.

Die Werte der verschiedenen Indizes erhält man durch Einstellung der seltenen Erdzusammensetzung jeder der festen Lösungen. Für den Fall von beispielsweise Ca1-yErxF2+x hat die Anmelderin gezeigt, daß der Index sich von 1,43 bis 1,47 ändern kann, wenn sich x von 4 bis 20% bewegt. Genauer gesagt kann man sich eine Leiterstruktur vorstellen, in der die drei dünnen Schichten 10a, 10b und 10c 1 µm dick sind und der Molenbruch x dieser Schichten 0,035, 0,200 bzw. 0,035 beträgt. Das Substrat wählt man unter Si, InP und GaAs aus. Eine solche Leiterstrukturkomponente spricht zumindest auf die folgenden wellenlängen λ&sub1; des Erbiums an: 0,66 µm, 0,98 µm und 1,54 µm bei Erbium.

Bei der speziellen Ausführungsform des Lichtleiters in Figur 2a bilden die erste 10a, zweite 10b und dritte 10c dünne Schicht in Form eines Mikrostreifens einen Mikrostreifen vom Mesa-Typ.

Nach einer in Figur 2b abgebildeten Ausführungsvariante bilden die erste 10a, zweite 10b und dritte 10c dünne Schicht in Form eines Mikrostreifens einen Mikrostreifen vom Planar-Typ mit zwei seitlichen Schichten 11 und 12 in Form von Mikrostreifen aus der besagten ersten oder dritten festen Lösung eines Mischfluorids seltener Erden.

Die Figuren 3a bis 4b zeigen mehrere Ausführungsformen eines Mikrolasers mit einer wie zuvor beschriebenen integrierten optischen Leiterkomponentenstruktur, bei der die erste 10a, zweite 10b und dritte 10c dünne Schicht zwischen zwei einen Hohlraum bildenden Spiegeln angeordnet sind. Der besagte Mikrolaser umfaßt ferner ein Mittel zum optischen Pumpen der besagten seltenen Erde, welches bei den Beispielen in Figuren 3a bis 3d ein nicht gezeigtes, außenliegendes Mittel ist, zum Beispiel ein Argonlaser bei 0,488 µm.

Die Mikrolaser der Figuren 3a und 3b weisen eine Struktur vom Mesa-Typ auf, während die in den Figuren 3c und 3d gezeigten dem Planar-Typ angehören.

Die Spiegel 13, 14 können außerhalb der dünnen Schichten wie im Fall der Figuren 3a und 3c angeordnet sein oder aus dünnen Metallschichten bestehen, die auf den Seitenflächen der dünnen Schichten in Form von Mikrostreifen aufgetragen sind, wie in den Figuren 3b und 3d gezeigt.

Es sei bemerkt, daß diese Mikrolaser bei Umgebungstemperatur arbeiten und daß die Emissionswellenlänge λ&sub1; (zum Beispiel 1,54 µm im Fall des Erbiums) unabhängig von der Temperatur konstant ist. Das Halbleitersubstrat 20 ist hier inaktiv und dient nur als Träger.

In dem Mikrolaser der Figur 4a bildet dagegen das Halbleitersubstrat 20 selbst das Pumpmittel in Form einer lichtemittierenden Diode oder einer elektrisch gesteuerten Laserdiode mit Emission bei einer Wellenlänge λ&sub1;, die gleich 0,66 µm oder 0,98 µm ist, wenn die seltene Erde in diesem Fall Erbium ist. Man kann ebenso die Wellenlänge von 0,488 µm einer im Blau emittierenden Diode verwenden. Allgemein gesagt muß die Wellenlänge λ&sub1; derart sein, daß sie zu einer Absorption in den dünnen Schichten fester Lösung führt.

Vorzugsweise emittiert dieses Pumpmittel durch die Oberfläche und regt die in den dünnen Schichten fester Lösung enthaltenen Verunreinigungen an seltener Erde an. In der Leiterstruktur kann das Licht der Wellenlänge λ&sub1; (1,54 µm für Erbium) zu einem Lasereffekt führen, wenn die Struktur dafür geeignet ist, insbesondere dank der Gegenwart der Seitenspiegel 13, 14, welche den resonanten Hohlraum bilden.

Das Schema in Figur 4b zeigt eine integrierte Komponente, in welcher der Mikrolaser aus Figur 4a von einem Halbleitersubstrat 20' abgestützt ist, das weitere zur Zusammenarbeit mit besagtem Mikrolaser bestimmte Elemente aufnehmen kann.

Die Figur 5a zeigt das Schema einer optischen Wandlervorrichtung mit einer Struktur analog der mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen. Diese Vorrichtung schließt ein Steuermittel 30 ein, das eine Strahlung mit einer Wellenlänge λ&sub1;, die kleiner als λ&sub1; ist, erzeugt, welche eine Anregung der in der dünnen Schicht 10 enthaltenen Ionen seltener Erden bewirkt, welche dann bei der wellenlänge λ&sub1; emittieren. Im Beispiel der Figur - 5a kann das Steuermittel 30 ein äußerer Laser wie eine bei 0,488 µm emittierende Laserdiode sein.

Gemäß der schematischen Ausführungsform in Figur Sb besteht das Steuermittel der Wandlervorrichtung aus dem Halbleitermaterialsubstrat 20 selbst, wie im Fall des Mikrolasers mit integriertem Pumpmittel.


Anspruch[de]

1. Integrierte optische Komponentenstruktur, zum Betrieb bei einer Fluoreszenzwellenlänge λ&sub1; eines Ions einer seltenen Erde, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens aus einer dünnen Schicht (10) einer festen Lösung eines Mischfluorids seltener Erden der Formel (1-x) (M11-yM'F&sub2;)-XSEFz besteht, die auf ein Substrat (20) aus monokristallinem Halbleitermaterial aufgebracht wurde, wobei SEFz ein Fluorid seltener Erden bezeichnet, und wobei M und M' Erdalkahionen sind, M1-yM'yF&sub2; ein Fluorid von Erdalkalien bezeichnet, welches das Grundmaterial des Fluorids seltener Erden bildet, x zwischen 0 und 1 liegt und von 0 und 1 verschieden ist und y zwischen 0 und 1 liegt.

2. Integrierte optische Komponentenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltene-Erden-Ion des Fluorids seltener Erden das Erbiumion Er³&spplus; ist, wobei die Wellenlänge λ&sub1; dem übergang &sup4;I13/2 T &sup4;I15/2 bei 1,54 µm entspricht.

3. Integrierte optische Komponentenstruktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch x des Fluorids der seltenen Erde SEFz im Intervall ]0,0,2] liegt.

4. Integrierte optische Komponentenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte monokristalline Halbleitermaterial Silicium ist.

5. Integrierte optische Komponentenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte monokristalline Halbleitermaterial eine Verbindung III-V ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer integrierten optischen Komponentenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

- Herstellung eines Ausgangspulvers des Fluorids der Erdalkalien M1-tM'yF&sub2;,

- Herstellung eines Ausgangspulvers des Fluorids seltener Erden SEFz,

- Mischen der besagten Ausgangspulver entsprechend einem bestimmten Molenbruch x,

- Herstellung einer festen Lösung des Mischfluorids seltener Erden (l-x) (M1-yM'yF&sub2;)-XSEFz durch Erwärmen der besagten Mischung auf eine hohe Temperatur, und

- epitaxiales Aufwachsen der besagten dünnen Schicht der festen Lösung auf eine Fläche des besagten Substrats aus monokristallinem Halbleitermaterial.

7 Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Fläche eine kristallographische Fläche [100] ist.

8. Integrierte optische Komponente mit Leiterstruktur, da durch gekennzeichnet, daß sie aus einer integrierten optischen Komponentenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5 besteht, welche eine erste dünne Schicht in Form eines Mikrostreifens (10a) mit einem Index na aus einer ersten festen Lösung eines Misch- fluorids seltener Erden, die auf das besagte Substrat (20) aus monokristallinem Halbleitermaterial aufgebracht wurde, eine zweite dünne Schicht (10b) in Form eines Mikrostreifens mit einem Index nb, der größer als na ist, aus einer zweiten festen Lösung eines Mischfluorids einer seltenen Erde, die auf die besagte erste dünne Schicht (loa) aufgebracht wurde, und ein drittes Medium (10c) mit einem Index nc, der kleiner als nb ist, umfaßt.

9. Integrierte optische Komponente nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte dritte Medium (loc) aus einer dritten dünnen Schicht in Form eines Mikrostreifens aus einer dritten festen Lösung eines Mischfluorids seltener Erden, die auf die besagte zweite dünne Schicht (10b) aufgebracht wurde, besteht.

10. Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer 10 integrierten optischen Komponente nach Anspruch 9 besteht, bei der die besagte erste (10a), zweite (10b) und dritte (10c) dünne Schicht in Form eines Mikrostreifens einen Mikrostreifen vom Mesa-Typ bilden.

11. Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer integrierten optischen Komponente nach Anspruch 9 besteht, bei der die besagte erste (10a), zweite (10b) und dritte (10c) dünne Schicht in Form eines Mikrostreifens einen Mikrostreifen vom Planar-Typ mit zwei seitlichen Schichten (11, 12) in Form von Mikrostreifen aus der besagten ersten oder dritten festen Lösung eines Mischfluorids seltener Erden bilden.

12. Mikrolaser, dadurch gekennzeichnet, daß er eine integrierte optische Komponente nach einem der Ansprüche 9 bis 11 umfaßt, bei der die erste (10a), zweite (10b) und dritte (10c) dünne Schicht in Form eines Mikrostreifens zwischen zwei Spiegeln (13, 14) angeordnet sind, die einen Hohlraum bilden, und dadurch, daß er weiterhin ein Mittel zum optischen Pumpen der besagten seltenen Erde umfaßt.

13. Mikrolaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Spiegel (13, 14) außerhalb der besagten dünnen Schichten angeordnet sind.

14. Mikrolaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Spiegel (13, 14) dünne metallische Schichten sind, die auf die Seitenflächen der besagten dünnen Schichten aus einer festen Lösung eines Mischfluorids seltener Erden aufgetragen sind.

15. Mikrolaser nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurchgekennzeichnet, daß das besagte Mittel zum optischen Pumpen der seltenen Erde ein Mittel ist, das sich außerhalb der besagten integrierten optischen Komponente befindet.

16. Mikrolaser nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Mittel zum optischen Pumpen der seltenen Erde von dem besagten Substrat (20) aus monokristallinem Halbleitermaterial gebildet wird.

17. Mikrolaser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (20) aus monokristallinem Halbleitermaterial eine lichtemittierende Diode oder eine Laserdiode ist.

18. Optische Wandlervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine integrierte optische Komponentenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und ein Steuermittel, das eine Strahlung mit einer Wellenlänge λ&sub1; erzeugt, die kleiner als λ&sub1; ist, umfaßt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Steuermittel ein äußerer Laser (30) ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Steuermittel von dem besagten Substrat (20) aus monokristallinem Halbleitermaterial gebildet wird.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (20) aus monokristallinem Halbleitermaterial eine lichtemittierende Diode oder eine Laserdiode ist.







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