TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Dünnschichtstruktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 . Eine derartige optische Dünnschichtstruktur wird auch als vertikal geschichtet bezeichnet, weil die einzelnen Schichten bei ihrer Herstellung übereinander auf ein Substrat aufgebracht werden, und kann insbesondere als optisches Filter Verwendung finden. Sie kann auch als optisches Gitter eingesetzt werden, an das z. B. ausgewählte Moden in einem aktiven Material eines Lasers ankoppeln. Die vorliegende Erfindung betrifft die optische Dünnschichtstruktur als solche, zeigt aber auch spezielle Anwendungsfälle der optischen Dünnschichtstruktur auf.

Unter der optischen Länge einer Periode der Variation des Brechungsindex ist die relative Länge der Periode in Bezug auf die Wellenlänge von Licht zu verstehen, welches längs der optischen Achse durch die optische Dünnschichtstruktur hindurch tritt. In diese relative Länge geht der Brechungsindex neben der geometrischen Länge ein.

Wenn im Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 von einer periodischen Variation des Brechungsindex die Rede ist, so bedeutet diese Angabe, soweit hier nichts anderes angegeben ist, nicht, dass die einzelnen Perioden der Variation identisch sein müssen oder die einzelnen Perioden einen bezogen auf ihre optische Länge symmetrischen Verlauf des

Brechungsindex aufweisen müssen. In etwa ist die Variation des Brechungsindex innerhalb der

Perioden der optischen Dünnschichtstruktur jedoch immer symmetrisch, das heißt zusammen- hängende Bereiche mit relativ hohem Brechungsindex und relativ niedrigem Brechungsindex machen jeweils etwa die Hälfte der optischen Länge der Perioden aus. STAND DER TECHNIK

Als schmalbandige optische Filter werden vielfach Fabry-Perot-Strukturen verwendet, die aus zwei eine Kavität einschließenden Spiegeln bestehen. Die Länge der Kavität bestimmt hierbei mit der Bedingung L _cav = mλ/2 die Wellenlänge λ der transmittierten Filterlinie. Aufgrund der hohen erreichbaren Reflektivitäten und der geringen Absorption werden als Spiegel oft Multischichtstrukturen, sog. Distributed-Bragg-Reflektoren (DBR), eingesetzt, die eine alternierende Abfolge von Einzelschichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und jeweils optischer Dicke von λ/4 besitzen. Damit beträgt die optische Länge der Variation des Brechungsindex hier λ/2. Derartige Fabry-Perot-Strukturen werden beispielsweise von Yeh, P., Optical Waves in Layered Media, Wiley (2005) und MacLeod, H.A., Thin Film Optical Filters, Adam Hilger Ltd. (1969) beschrieben und weisen die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 auf.

Aus der US 6,301 ,042 und der DE 103 18 767 sind darüber hinaus Fabry-Perot-Filter bekannt, bei denen die Distributed-Bragg-Reflektoren, die die optische Kavität mit der Bedingung L _cav = mλ/2 einschließen, variierende Schichtdicken aufweisen.

Distributed-Bragg-Reflektoren mit stark variierenden Einzelschichten werden auch als breitbandige, stark dispersive Spiegelelemente zur Beeinflussung der Pulsform von fs- Lasersystemen (siehe Szipöcs, R. et al., Chirped Multilayer Coatings for Broadband Dispersion Control in Femtosecond Lasers, Optics Letters, Vol. 19 No. 3 (1994)) sowie als spektral selektierende Bauelemente, z. B. in Demultiplexern (siehe Gerken, M. et al., Multilayer Thin- FiIm Structures with High Spatial Dispersion, Applied Optics, Vol. 42 No. 7 (2003)) verwendet.

Optische Filter und Reflektoren, bei denen statt diskreter Dünnschichten ein kontinuierlicher, einem harmonischen Verlauf folgender Übergang zwischen den unterschiedlichen Brechungsindizes vorliegt, sind unter dem Namen "Rugate-Strukturen" bekannt (siehe Bovard, B. G., Rugate Filter Theory: An Overview, Applied Optics, Vol. 32 No. 28 (1993)). Rugate-Strukturen zeichnen sich aufgrund des Fehlens von abrupten Grenzflächen durch eine erhöhte Zerstörschwelle aus. Schmalbandige Rugate-Filter besitzen ebenfalls eine Kavität, die durch eine größere Periodenlänge im mittleren Bereich des Brechzahlprofils erzeugt wird. Alternativ kann eine schmalbandige, allerdings inverse, Charakteristik auch durch eine nur sehr geringe Differenz der Brechungsindizes erreicht werden (siehe Bovard, B. G., Rugate Filter Design: The Modified Fourier Transform Technique, Applied Optics, Vol. 29 No. 1 (1990)), da hierdurch die Stopbandbreite stark abnimmt.

Sowohl bei Rugate- als auch Multischichtstrukturen bestehen Möglichkeiten zur Beeinflussung der Filtercharakteristik, vor allem der Unterdrückung von Seitenmoden, durch Überlagerung des Brechungsindexprofils mit der einhüllenden Funktion (siehe Abu-Safia, H.A. et al., Rugate Filter Sidelobe Suppression Using Half-Apodization, Applied Optics, Vol. 32 No. 25 (1993) und Wang, X. et al. , Helicon Plasma Deposition of a Ti(VSiC^ Multilayer Optical Filter with Graded Refractive Index Profile, Appl. Phys. Lett, Vol. 72 No. 25 (1998)).

Die Bedeutung von vertikal emittierenden Laserbauelementen mit Fabry-Perot-Aufbau, im Folgenden entsprechend ihrer englischen Bezeichnung "Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser" auch als VCSEL abgekürzt, hat seit den 1980er Jahren sowohl im wissenschaftlichen als auch im wirtschaftlichen Bereich stark zugenommen. Die maßgeblichen Vorteile gegenüber Kantenemitter-Laserstrukturen sind eine geringere Schwelle für die Laseremission, die Möglichkeit runde Strahlprofile zu erzeugen und die Möglichkeit während und nach der Prozessierung die Strukturen auf dem Substrat zu testen und charakterisieren. Nachteilig ist bei bekannten VCSEL vor allem die Konzentration des laseraktiven Materials innerhalb der Kavität, die zur Einhaltung der Bedingung für Monomodigkeit nur eine geringe Dicke im Bereich der Emissionswellenlänge haben darf. Das kleine laseraktive Volumen begrenzt hierbei die maximale erreichbare Leistung durch die limitierte Anzahl von Ladungsträgern. Das laseraktive Material ist allgemein im Maximum der Kavitätsmode positioniert und kann so optimal ausgenutzt werden, allerdings führt dies auch zu stark lokalen Feldstärken und einer Konzentration der Verlustwärme in diesem Bereich. Die hiermit verbundenen unerwünschten Effekte auf die optischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Laserbauelements können problematisch sein, insbesondere in Bezug auf das dynamische Verhalten (siehe Wilmsen, C. et al., Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Cambridge UP (2001 )).

Für kantenemittierende Laserbauelemente mit verteilter Rückkopplung durch ein in eine Oberfläche der Laserstruktur eingeätztes Gitter ist die Wirksamkeit eines verteilten Phasenversatzes gezeigt worden. Insbesondere wird der Effekt des spektralen Lochbrennens effizient unterdrückt (siehe Chen, N. et al., Analysis, Fabrication and Charactarization of Tunable DFB Lasers with Chirped Grätings, IEEE JSTQE, Vol. 3 No. 2 (1997)). - A -

Aus der US 4,756,602 ist eine optische Dünnschichtstruktur mit einer periodischen Variation des Brechungsindex längs einer optischen Achse bekannt, bei der eine optische Kavität zwischen Distributed-Bragg-Reflektoren in mehrere Dünnschichten und entsprechend mehrere Variationen des Brechungsindex längs der optischen Achse so unterteilt ist, dass jede zu der Kavität zählende Dünnschicht eine optische Dicke von weniger als λ/4 aufweist.

Weiterhin ist es der US 4,756,602 als bekannt zu entnehmen, in einer optische Dünnschichtstruktur mehrere voneinander beabstandete optische Kavitäten vorzusehen, um deren optische Eigenschaften zu optimieren. Dabei erfüllt jede dieser Kavitäten allein die Anforderung

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Aufbau mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, die grundsätzliche Vorteile hinsichtlich der Verteilung der elektromagnetischen Feldstärken von eingekoppeltem Licht gegenüber bekannten optischen Dünnschichtstrukturen aufweist.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine optische Dünnschichtstruktur mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 12 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der neuen optischen Dünnschichtstruktur. Der Patentanspruch 13 ist auf ein optisches Filter mit der neuen optischen Dünnschichtstruktur für eine Wellenlänge λ gerichtet. Der Patentanspruch 14 betrifft einen Laser mit aktivem Material und der neuen optischen Dünnschichtstruktur. Die Unteransprüche 15 bis 17 betreffen bevorzugte Ausführungsformen dieses Lasers.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Auch bei der neuen optischen Dünnschichtstruktur ist eine optische Kavität ausgebildet, diese liegt aber nicht diskret zwischen Distributed-Bragg-Reflektoren vor, sondern sie erstreckt sich über mehrere Perioden der Variation des Brechungsindex längs der optischen Achse und damit in die Distributed-Bragg-Reflektoren hinein, indem die Erhöhung der optischen Länge zur Ausbildung der optischen Kavität über diese mehreren Perioden der Variation des Brechungsindex verteilt ist. Somit gibt es bei der neuen optischen Dünnschichtstruktur keinen Bereich mit erhöhtem oder reduziertem Brechungsindex, der eine deutlich größere optische Länge als die an ihn angrenzenden Bereiche mit niedrigerem bzw. höherem Brechungsindex aufweist und in dem sich die elektromagnetische Feldstärke des eingekoppelten Lichts konzentriert. Vielmehr weisen viele benachbarte Bereiche mit erhöhtem und/oder erniedrigtem Brechungsindex ein Übermaß ihrer optischen Länge auf, wobei sich diese Übermaße insgesamt zu dem typischen Übermaß der optischen Kavität in einer Fabry-Perot-Struktur nach dem Stand der Technik aufaddieren.

Ein einteiliger Patentanspruch auf den Gegenstand des Angehängten Patentanspruchs 1 könnte vor dem geschilderten Hintergrund auch wie folgt lauten:

Optische Dünnschichtstruktur mit einer periodischen Variation des Brechungsindex längs einer optischen Achse, wobei die Variation eine Vielzahl von Perioden umfasst und wobei eine optische Länge der Perioden innerhalb der Dünnschichtstruktur erhöht ist, um eine über mehrere Perioden der Variation des Brechungsindex verteilte und sich über aneinander angrenzende Bereich von zwei einander gegenüber liegenden Distributed-Bragg-Reflektoren erstreckende optische Kavität auszubilden.

Dass tatsächlich bei einem optischen Aufbau mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 auf ein diskrete Kavität verzichtet werden und diese Kavität über eine große Anzahl von Perioden der Variation des Brechungsindex verteilt werden kann, so dass es zu einer günstigen Verteilung der elektromagnetischen Feldstärke kommt, ohne dass die durch die Abmessungen der Kavität vorhandene Wellenlängenselektivität verlorengeht, ist überraschend.

Die Erhöhung der der Perioden optischen Länge der Variation des Brechungsindex zur Ausbildung der optischen Kavität ist auch bei der neuen Dünnschichtstruktur innerhalb ihres Dünnschichtaufbaus längs der optischen Achse lokalisiert. D. h. sie erstreckt sich nur über einen Teilbereich des Dünnschichtaufbaus, und sie liegt normalerweise nicht konzentriert an einem der Enden des Dünnschichtaufbaus längs der optischen Achse. Eine einhüllende Funk- tion, die die Erhöhung der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex längs der optischen Achse angibt, hat also ihr Maximum vorzugsweise im Inneren des Dünnschichtaufbaus. Zudem ist diese Funktion vorzugsweise stetig, so dass die Erhöhung der optischen Länge keine größeren Sprünge aufweist und insbesondere nicht abrupt einsetzt bzw. endet.

Entsprechend ist es bevorzugt, wenn die Erhöhung der optischen Länge bei der neuen Dünnschichtstruktur über mehrere einander direkt benachbarte Perioden der Variation des Brechungsindex verteilt ist. Wenn jedoch einzelne Perioden der Variation des Brechungsindex zwischen solchen mit erhöhter optischer Länge keine erhöhte optische Länge aufweisen, ist dies in der Regel unschädlich. Dies gilt insbesondere wenn die Anzahl der Perioden der Variation des Brechungsindex, über die die Erhöhung der optischen Länge bei der neuen Dünnschichtstruktur verteilt ist, vergleichsweise groß ist, so dass die Erhöhung der optischen Länge einer einzelnen Periode der Variation des Brechungsindex vergleichsweise klein ausfällt.

Die typische Anzahl der Perioden der Variation des Brechungsindex, über die die Erhöhung der optischen Länge bei der neuen Dünnschichtstruktur verteilt ist, beträgt allermindestens 5 und in der Regel mindestens 10. Sie kann aber auch noch deutlich größer sein.

Bezüglich der Erhöhung der optischen Länge der einzelnen Perioden der Variation des Brechungsindex, über die die Kavität verteilt wird, kann die Umsetzung der vorliegenden Erfindung auf unterschiedliche Weise erfolgen. So kann zur Erhöhung der optischen Länge der einzelnen Perioden die geometrische Länge dieser Perioden erhöht sein. Alternativ oder zu- sätzlich kann zur Erhöhung der optischen Länge der Perioden die Amplitude und/oder das Tastverhältnis der Variation des Brechungsindex über den Perioden erhöht sein. Im letzteren Fall der Ausweitung der Bereiche der Perioden mit höherem Brechungsindex ergibt sich eine zunehmende Unsymmetrie der Variation des Brechungsindex über den Perioden.

Die Variation des Brechungsindex kann einer Rechteckfunktion folgen. Zur Ausbildung dieser Rechteckfunktion kann insbesondere ein Schichtaufbau aus zwei in Schichten alternierend aufeinanderfolgen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes verwendet werden, bei dem dann zur Erhöhung der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex die Schichtdicke mindestens eines der Materialien über die verteilte Kavität hinweg erhöht ist.

Ob nur die Schichtdicke eines der beiden Materialien über die verteilte Kavität hinweg erhöht wird oder aber die Schichtdicken beider Materialien in diesem Bereich der optischen Dünn- schichtstruktur erhöht werden, ist für die Funktion der optischen Kavität grundsätzlich unerheblich und kann daher von anderen Kriterien, wie beispielsweise der einfachen Herstellung der neuen Dünnschichtstruktur abhängig gemacht werden.

Die Dünnschichten eines Schichtaufbaus zur Ausbildung der neuen optischen Dünnschicht- struktur können aus dielektrischen Materialien, Halbleitermaterialien oder organischen Materialien bestehen. Einzelne Dünnschichten können auch ganz oder teilweise als Luftspalt oder als gas- oder flüssigkeitsgefüllter Spalt ausgebildet sein.

Die Variation des Brechungsindex bei der neuen optischen Dünnschichtstruktur kann aber auch stetig sein, insbesondere ist auch eine harmonische Variation nach Art einer Rugate-Struktur möglich.

Bevorzugt ist es, wenn die Verteilung der Erhöhung der optischen Länge über die Perioden der Variation des Brechungsindex stetig und harmonisch und insbesondere auch spiegelsymmetrisch zu einem Mittelpunkt der verteilten Kavität ist. Dabei kann die verteilte Kavität aber nicht nur in der Mitte der optischen Dünnschichtstruktur längs der optischen Achse angeordnet sein, sondern auch einen gezielten Versatz hierzu aufweisen, so dass sie näher an einem Ende der optischen Dünnschichtstruktur längs der optischen Achse liegt. Dadurch wird eine durch die optische Kavität definierte Mode überwiegend in eben dieser Richtung längs der optischen Achse aus der Dünnschichtstruktur ausgekoppelt.

Vorzugsweise ist die bei der neuen optischen Dünnschichtstruktur über mehrere Perioden verteilte Erhöhung der optischen Länge gleich groß wie eine halbe Ausganglänge der Perioden. Ausgehend von einer Periodenlänge von λ/2, so dass die Bereiche mit erhöhtem bzw. reduziertem Brechungsindex jeweils eine optische Länge von λ/4 aufweisen, beträgt die verteilte Erhöhung der optischen Länge damit weitere λ/4.

Wie bereits angesprochen wurde, kann die neue optische Dünnschichtstruktur insbesondere als optisches Filter zum Einsatz kommen, und sie weist dabei, wenn sie auf eine Wellenlänge λ abgestimmt ist, trotz der über mehrere Perioden der Variation des Brechungsindex verteilten optischen Kavität eine hohe Filterwirksamkeit für die Wellenlänge λ auf. Grundsätzlich kann die Kavität mit Selektivität für die Wellenlänge λ nicht nur durch eine Erhöhung der optischen Länge um λ/4, sondern auch um ein ungradzahliges Vielfaches von λ/4 erreicht werden. Die Wirk- samkeit als optisches Filter für die Wellenlänge λ steigt bei einer Kavität mit der Erhöhung der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex um (2m+1 )λ/4 sogar mit zunehmendem m an; eine solche Kavität ist aber immer mindestens auch auf die Mode mit der Wellenlänge (2m+1 )λ abgestimmt, was nachteilig sein kann.

In einer anderen bevorzugten konkreten Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur ist diese Teil eines Lasers. Dabei kann die neue optische Dünnschichtstruktur ganz allgemein als optisches Gitter verwendet werden, an das gewünschten Moden in einem laseraktiven Material ankoppeln und dadurch selektiert werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Lasers mit der neuen optischen Dünnschichtstruktur ist der Laser als VCSEL ausgebildet, wobei sein laseraktives Material von der optischen Dünnschichtstruktur in Form eines Hohlzylinders umschlossen ist. Dabei kann der Innendurchmesser des Hohlzylinders alternierend, der Abfolge von Schichten aus Materialen mit unterschiedlichem Brechungsindex entsprechend variiert werden, um eine komplexe Kopplung der Laseremission und der Kavitätsmode der neuen optischen Dünnschichtstruktur zu erreichen. Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers, bei dem das laseraktive Material und die neue optische Dünnschichtstruktur ineinander eingreifen, ist der Innendurchmesser von Schichten aus einem von zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes über den Bereich der Erhöhung der optischen Länge zur Ausbildung der optischen Kavität ebenfalls mit einer stetigen Variation versehen.

Der Hohlzylinder kann seinerseits von Luft umgeben oder in ein anderes umgebendes Material eingebettet sein, wobei an der äußeren Begrenzung des Hohlzylinders ein Sprung des Brechungsindex erfolgt, der bei ausreichender Größe eine Index-Führung des Lichts in dem Hohlzylinder bewirkt. Die Lichtführung in dem Hohlzylinder kann ansonsten durch ansich bekannte Maßnahmen wie ARROW-Strukturen oder Bragg-Fibre-Guiding bewirkt werden. Die Grundfläche des Hohlzylinders kann eine beliebige polygon- oder kurven basierte Form besitzen. Dasselbe gilt auch für die Grundfläche des Innenvolumens des Hohlzylinders.

Idealerweise sind die Maße des Hohlzylinders und des von dem laseraktiven Material ausgefüllten Innenvolumens einerseits und der laterale Brechungsindexsprung andererseits derart dimensioniert, dass nur eine einzige transversale Mode ausbreitungsfähig ist. Durch die Abstimmung der Verteilungsfunktion können aber auch gezielt mehrere ausbreitungsfähige Moden nach Anzahl und Art selektiert werden.

Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Lasers weist typischerweise die

Hauptschritte auf: - Deponieren der Schichten der optischen Dünnschichtstruktur auf einem Substrat; Strukturieren des Hohlzylinders; selektives chemisches Entfernen eines der Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex zur Gestaltung des Innenvolumens des Hohlzylinders; Füllen des Innenvolumens mit einem laseraktiven Material; - Verschließen des Hohlzylinders mit einem Deckglas, einer Abschlussschicht oder mittels Wafer-Bonding. Das Pumpen des erfindungsgemäßen Lasers kann in für VCSEL typischer Weise optisch oder elektrisch erfolgen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen unter

Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei ist die Darstellung der erfindungsgemäßen optischen Dünnschichtstruktur in den Zeichnungen nicht maßstabsgetreu, sondern die erfindungsgemäßen Aspekte der optischen Dünnschichtstruktur sind - damit sie in den Zeichnungen zu erkennen sind - übermaßstäblich dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur längs ihrer optischen Achse.

Fig. 2 ist eine Auftragung des Brechungsindex zu einer Fig. 1 weitgehend entsprechenden zweiten Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur längs deren optischen Achse, wobei der Brechungsindex hier einer Rechteckfunktion folgt.

Fig. 3 ist eine Auftragung des Brechungsindex längs der optischen Achse zu einer anderen Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, wobei der

Brechungsindex hier einer harmonischen Funktion folgt.

Fig. 4 ist eine Auftragung des Brechungsindex längs der optischen Achse zu einer weiteren Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, wobei der Brechungsindex hier einer Rechteckfunktion mit über mehrere Perioden erhöhtem Tastverhältnis folgt.

Fig. 5 ist eine Auftragung des Brechungsindex längs der optischen Achse zu einer weiteren Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, wobei der Brechungsindex einer Rechteckfunktion mit über mehrere Perioden erhöhtem Abstand gleich langer Rechtecke folgt.

Fig. 6 ist eine Auftragung des Brechungsindex längs der optischen Achse zu einer weiteren Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, wobei der Brechungsindex einer Rechteckfunktion mit zu beiden Enden der Dünnschichtstruktur abklingender Amplitude folgt.

Fig. 7 ist eine Auftragung des Brechungsindex längs der optischen Achse zu einer weiteren Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, wobei der

Brechungsindex einer harmonischen Funktion mit zu beiden Enden der Dünnschichtstruktur abklingender Amplitude folgt. Fig. 8 ist eine Auftragung des Brechungsindex längs der optischen Achse zu einer weiteren Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, wobei der

Brechungsindex einer harmonischen Funktion mit zu beiden Enden der

Dünnschichtstruktur abklingender Amplitude und geometrischer Periodenlänge folgt.

Fig.9 zeigt einen schematischen Längsschnitt läng der optischen Achse durch eine

Ausführungsform der optischen Dünnschichtstruktur mit einem Aufbau aus Dünnschichten, bei dem ein Teil der Dünnschichten durch gasgefüllte Spalte ausgebildet ist.

Fig. 10 bis 12 zeigen einen Längsschnitt durch eine als Hohlzylinder ausgebildete neue optische Dünnschichtstruktur längs deren optischen Achse, sowie eine Draufsicht auf die und eine perspektivische Ansicht dieser Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur.

Fig. 13 bis 15 zeigen den Figl 10 bis 12 entsprechende Ansichten einer weiteren, ebenfalls als Hohlzylinder ausgebildeten Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur; und

Fig. 16 bis 18 zeigen ebenfalls den Fig. 10 bis 12 entsprechende Ansichten noch einer weiteren als Hohlzylinder ausgebildeten Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur.

FIGURENBESCHREIBUNG

Die in Fig. 1 in einem Längsschnitt längs einer optischen Achse 1 skizzierte optische Dünnschichtstruktur 2 weist einen Schichtaufbau 3 aus alternierenden Schichten 4 und 5 auf, die einmal aus einem Material 6 mit hohem Brechungsindex und einmal einem Material 7 mit niedrigem Brechungsindex bestehen. Dabei ist der Brechungsindex über alle Schichten 4 und der Brechungsindex über alle Schichten 5 konstant. Die Dicke der Schichten 4 und 5 weist eine Basisdicke λ/4 auf, wobei λ die Wellenlänge ist, für die die optische Dünnschichtstruktur 2 als optisches Filter vorgesehen ist. In der Mitte der optischen Dünnschichtstruktur 2 längs der optischen Achse 1 ist die Dicke der Schichten 4 und 5 über λ/4 hinaus erhöht, und zwar so, dass die Summe der Erhöhungen ihrerseits ebenfalls λ/4 beträgt. Auf diese Weise wird eine über eine Mehrzahl von Schichten 4 und 5 verteilte optische Kavität der wirksamen Länge λ/2 realisiert, so dass die optische Dünnschichtstruktur 2 längs de optischen Achse 1 nur Licht der Wellenlänge λ transmittiert. Gleichzeitig ist die elektromagnetische Feldstärke innerhalb der optischen Dünnschichtstruktur 2 nicht wie bei einer üblichen Fabry-Perot-Struktur auf eine einzige zentrale, die optische Kavität diskret ausbildende Schicht konzentriert, sondern die elektromagnetische Feldstärke ist über alle Schichten 4 und 5 verteilt, die mit ihrer Schichtdickenerhöhung gegenüber λ/4 einen Anteil zur Ausbildung der optischen Kavität beitragen.

Die neue optische Dünnschichtstruktur ist nicht nur bei einer Abstimmung ausgehend von λ/4 und mit einer verteilten Erhöhung der Schichtdicke um weitere λ/4 funktionsfähig. Sie kann auch von einer optischen Dicke der Schichten von (2n-1 ) λ/4 ausgehen, und die verteilte Erhöhung der Schichtdicke kann (2m-1 ) λ/4 betragen, wobei n und m positive ganze Zahlen sind. Auch hierdurch ergibt sich die Selektivität für Licht der Wellenlänge λ. Bei höheren Werten von n und m können jedoch auch höhere Harmonische dieser Wellenlänge durch das optische Filter, das von der optischen Dünnschichtstruktur 2 ausgebildet wird, hindurch treten.

Fig. 2 skizziert den prinzipiellen Verlauf des Brechungsindex längs der optischen Achse 1 für die Ausführungsform der optischen Dünnschichtstruktur 2 gemäß Fig. 1 , wobei jedoch der Verlauf des Brechungsindex für eine größere Anzahl von Schichten 4 und 5 wiedergegeben ist als sie in Fig.1 dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass der Brechungsindex hier einer Recht- eckfunktion folgt, die innerhalb jeder Periode symmetrisch ist, das heißt, dass der Brechungsindex über gleich lange Bereiche längs der optischen Achse 1 jeder Periode hoch und niedrig ist. In der Mitte der optischen Dünnschichtstruktur 2 sind die optischen Längen der Perioden der Variation des Brechungsindex erhöht, wobei sich auch die Erhöhung der Länge der Perioden auf die Mitte der optischen Dünnschichtstruktur 2 konzentriert und zu den Enden der optischen Dünnschichtstruktur hin bzw. vor diesen ausklingt. Bei dieser Ausführungsform der optischen Dünnschichtstruktur 2 sind sowohl die optischen Dicken der Schichten 4 als auch der Schichten 5 in der Mitte des Schichtaufbaus erhöht. Die Art der Verteilungsfunktion der Erhöhung der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex bestimmt die Verteilung der Kavitätsmode längs der optischen Achse der optischen Dünnschichtstruktur 2. Als Ver- teilungsfunktion können beliebige mathematische Funktionstypen (z. B. linear, polynom, ex- ponential usw.) verwendet und angepasst werden, um eine gewünschte Filtercharakteristik zu erreichen. Die Größe der verteilten Erhöhung der optischen Länge der Periode der Variation des Brechungsindex kann abhängig von der gewählten Zielsetzung auch geringfügig von λ/4 bzw. (2m-1 ) λ/4 abweichen. Die Dünnschichten, aus denen die optische Dünnschichtstruktur gemäß den Fig. 1 und 2 aufgebaut ist, können aus beliebigen anorganischen oder organischen Materialien bestehen.

Fig. 3 skizziert den Verlauf des Brechungsindex über der optischen Achse für eine neue optische Dünnschichtstruktur 2, bei der ein harmonisches Brechungsindexprofil nach Art einer Rugate-Struktur vorgesehen ist. Auch hier ist die optische Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex in der Mitte der optischen Dünnschichtstruktur längs der optischen Achse erhöht.

Während gemäß den bisherigen Figuren immer auch die geometrische Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex in der Mitte der neuen optischen Dünnschichtstruktur erhöht war, zeigt Fig. 4 den Verlauf des Brechungsindex über der optischen Achse für eine Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, bei der die geometrische Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex konstant ist, aber das Tastverhältnis eine Änderung aufweist. Das heißt, der relative Anteil der Bereiche läng der optischen Achse mit hohem Brechungsindex ist in der Mitte der Dünnschichtstruktur erhöht, was gleichbedeutend mit einer Zunahme der optischen Länge dieser Perioden der Variation des Brechungsindex ist. Es versteht sich, dass eine Variation des Tastverhältnisses auch bei einer Ausbildung der neuen optischen Dünnschichtstruktur ausgehend von einer Rugate-Struktur möglich ist.

Fig. 5 skizziert den Verlauf des Brechungsindex über der optischen Achse fü r ei ne Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, bei der die geometrische Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex in der Mitte erhöht ist, aber nur durch eine Erhöhung der Schichtdicken der Schichten 5 mit dem niedrigeren Brechungsindex, während die Schichtdicken der Schichten 4 mit dem höheren Brechungsindex längs der gesamten optischen Achse konstant bleibt. Auch der umgekehrte Fall, d. h. nur erhöhte Schichtdicken bei den Schichten mit dem höheren Brechungsindex ist möglich. Beide dieser Varianten sind auch auf Basis einer Rugate-Struktur realisierbar.

Bei der Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, deren Verlauf des

Brechungsindex über der optischen Achse in Fig. 6 dargestellt ist, ist die geometrische Länge der Variation des Brechungsindex längs der optischen Achse konstant. Hier ist zur Erhöhung der optischen Länge der Perioden die Amplitude der Variation des Brechungsindex in der Mitte der optischen Dünnschichtstruktur erhöht. Für die einhüllende Funktion der Brechungsindexerhöhung stehen hier wieder alle denkbaren Möglichkeiten zur Verfügung, die der Funktion ein Maximum in der Mitte der Dünnschichtstruktur bereitstellen. Allerdings muss dieses Maximum nicht genau in der Mitte der Dünnschichtstruktur liegen. Vielmehr kann die durch die verteilte Erhöhung der Schichtdicken verteilte optische Kavität bei der neuen Vorrichtung auch näher an einem ihrer Enden längs der optischen Achse liegen.

Fig. 7 zeigt den Verlauf des Brechungsindex über der optischen Achse für eine Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, die Fig. 6 entspricht, außer dass sie nicht auf einem Schichtaufbau aus diskreten Schichten sondern auf einer Rugate-Struktur basiert.

In Fig. 8 ist der Verlauf des Brechungsindex über der optischen Achse für eine Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur skizziert, die von einer Rugate-Struktur ausgeht und bei der die erhöhte optische Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex in der Mitte der Dünnschichtstruktur zum einen durch eine erhöhte geometrische Länge der Perioden und zum andern durch eine dem Brechungsindexprofil überlagerte einhüllende Funktion erreicht ist.

An den Bereich der optischen Dünnschichtstruktur, in dem die optische Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex zur Ausbildung der optischen Kavität erhöht ist, könne sich ein- oder beidseitig Bereiche der optischen Dünnschichtstruktur ohne diese Erhöhung anschließen, um dort herkömmliche Distributed-Bragg-Reflektoren auszubilden. Die Reflektoren können aber auch als gechirpte DBR in den Randbereichen der Erhöhung ausgebildet sein.

Hauptvorteil der neuen optischen Dünnschichtstruktur ist die Verteilung der Kavitätsmode über einen größeren Bereich der Dünnschichtstruktur längs deren optischen Achse. Hierdurch können hohe Feldstärken des elektromagnetischen Felds, die im Bereich der optischen Kavität stark lokalisiert sind, vermieden und somit höhere Zerstörungsschwellen beispielsweise eines optischen Filters erreicht werden. Insbesondere ist in dieser Beziehung die Ausführung der neuen optischen Dünnschichtstruktur basierend auf einer Rugate-Struktur von Vorteil, da hier zusätzlich diskrete Grenzflächen zwischen einzelnen diskreten Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex vermieden werden. Weitere Vorteile der neuen optischen Dünnschichtstruktur bestehen darin, dass bei der Verwendung als optisches Filter die Filtercharakteristik mit Hilfe der verschiedenen zur Ausgestaltung der Erhöhung der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex zur Verfügung stehenden Parameter zu beeinflussen ist.

Fig. 9 skizziert in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellung die Möglichkeit, bei einem Schichtaufbau 3 die Schichten 5 mit niedrigem Brechungsindex als mit Gas 8 als Material 7 gefüllte Spalte 9 vorzusehen. Dabei können die Schichten 4 durch Abstandhalter 10 zur Definition der Höhe der Spalte aneinander abgestützt sein. Statt der Abstandhalter 10 kann hier aber auch z. B. aktives Material innerhalb des Schichtaufbaus 3 der neuen optischen Dünnschichtstruktur 2 vorgesehen sein.

In den folgenden Figuren werden Ausführungsformen der neuen optischen Dünnschichtstruktur 2 erläutert, die als Bestandteile von vertikal emittierenden Laserstrukturen vorgesehen sind. Dazu ist die optische Dünnschichtstruktur 2 als Hohlzylinder 11 ausgebildet. Das innere Volumen 12 des Hohlzylinders 11 wird mit einem organischen oder anorganischen laseraktiven Material ausgefüllt, das durch Zuführen von Energie zur stimulierten Emission angeregt werden kann. Aufgrund der Index-Kopplung der Laseremission mit der umgebenden optischen Dünnschichtstruktur 2 wird nur die Wellenlänge λ verstärkt, auf die die optische Dünnschichtstruktur 2 abgestimmt ist, und somit eine longitudinal monomodige Lasercharakteristik erreicht.

Die Fig. 10 bis 12 skizzieren einen derartigen Hohlzylinder 11 mit konstantem Innendurchmesser 13 und konstantem Außendurchmesser 14.

Die Fig. 13 bis 15 skizzieren demgegenüber eine Variante des Hohlzylinders 1 1 , bei dem der Innendurchmesser 13 einer Rechteckfunktion folgt, indem der Innendurchmesser 13' im Bereich der Schichten aus dem einen Material mit dem einen Brechungsindex kleiner ist und der Innendurchmesser 13" im Bereich der Schichten aus dem anderen Material mit dem anderen Brechungsindex größer ist. Die so erzeugte räumlich periodische Struktur des Innenvolumens 12 des Hohlzylinders 1 1 wird dann ebenfalls mit dem organischen oder anorganischen laseraktiven Material ausgefüllt. Durch die räumlich periodische Abfolge von verstärkenden Materialschichten wird eine komplexe Kopplung der Laseremission mit der umgebenden filternden optischen Dünnschichtstruktur 2 erreicht. Bei einer weiteren, in den Fig. 16 bis 18 skizzierten Variante des Hohlzylinders 11 ist der größere Innendurchmesser 13" längs der optischen Achse 1 z. B: durch unterschiedlich weitgehendes Wegätzen variiert. Die Grundfläche des Hohlzylinders und des Innenvolumens können beliebige polygonbasierte oder kurven basierte geometrische Formen aufweisen, um z. B. die Emissionseigenschaften oder das Strahlprofil des Lasers zu beeinflussen. Die äußere Begrenzung des Hohlzylinders 11 kann durch die Entfernung des umgebenden Materials erfolgen oder durch eine Änderung des Brechungsindex an der Grenzfläche zum umgebenen Material. Die Maße und Materialeigenschaften von Hohlzylinder 1 1 und Innenvolumen 12 können derart dimensioniert werden, dass tranversale Monomodigkeit der Laserstruktur erreicht wird. Durch eine gezielte Auslegung der Verteilungsfunktion sowie der Maße und Materialeigenschaften von Hohlzylinder 11 und Innenvolumen 12 können ebenso eine gewünschte Anzahl und Art von mehreren Lasermoden erreicht werden. Die transversale Führung der Wellen im aktiven Medium erfolgt bevorzugt durch Indexführung, die, wie von Wellenleitern bekannt ist, auf einem Brechungsindexunterschied zwischen Wellenleiter (hoch brechend) und umgebendem Material (niedrig brechend) beruht. Hierbei ist zu beachten, dass das laseraktive Material einen höheren Brechungsindex gegenüber der umgebenden Multischichtstruktur des Hohlzylinders 11 haben sollte. Für spezielle Kombination von Materialien, für die diese Bedingung nicht erfüllt werden kann, sind folgende alternative Methoden möglich, um die Wellenführung im Innenvolumen des Hohlzylinders 1 1 zu erreichen. Die Wandstärke des Hohl- Zylinders kann im Vergleich zum Durchmesser des Innenvolumens, das von dem laseraktiven Material ausgefüllt ist, klein sein. Die Multischichtstruktur kann teilweise als Luftspaltstruktur (vgl. Fig. 9) ausgeführt werden, wodurch sich der effektive mittlere Brechungsindex der optischen Dünnschichtstruktur 2 verringert. Es können sogenannte ARROW-Strukturen zur Wellenführung verwendet werden. Ist eine Indexführung der Wellen nicht möglich, kann die Führung durch eine periodische Strukturierung des umgebenden Materials erreicht werden. Die Wellenführung erfolgt hierbei durch Interferenz in einem konzentrisch ringförmigen Distributed- Bragg-Reflektor, der den Hohlzylinder 1 1 umgibt, oder durch eine photonische Kristallstruktur in dem den Hohlzylinder 11 umgebenden Material.

Zur Herstellung der neuen optischen Dünnschichtstruktur können Dünnschichten auf ein Substrat deponiert werden. Anschließend kann die Strukturierung der Hohlzylinder 1 1 , z. B. mittels Trockenätzverfahren oder Abtrag mit fokussierter lonenstrahlung erfolgen. Das Innenvolumen des Hohlzylinders 1 1 kann durch selektive Unterätzung strukturiert werden. Anschließend wird das Innenvolumen 12 mit einem geeigneten laseraktiven Material gefüllt. Auf die so entstandene Dünnschichtstruktur wird dann eine Abschlussschicht aufgebracht, die zum einen als Antireflexschicht ausgeführt werden kann, zum anderen aber auch als Schutzschicht für flüssige und andere empfindliche Materialien dient. Der Abschluss der Struktur kann alternativ auch durch ein Deckglas oder mittels Wafer-Bonding erfolgen.

Hauptvorteil der Ausführung der Erfindung in Form einer hohlzylinderbasierten Laserstruktur ist die Möglichkeit, ein - im Vergleich zu herkömmlichen VCSEL-Strukturen - größeres laseraktives Volumen ausnutzen zu können. Die Kavitätsmode ist nicht nur im Bereich einer dünnen Kavitätsschicht mit einer optischen Dicke von λ/2 lokalisiert, sondern kann über die Gesamthöhe der Multischichtstruktur verteilt werden, Dies vermindert auch unerwünschte optische thermische, elektrische und mechanische Effekte, wie z. B. das spektrale Lochbrennen oder thermische Linsen, die durch die hohen Feldstärken und Intensitäten in einer herkömmlichen diskreten Kavität auftreten können. Die Verteilung der Erhöhung der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex ermöglicht es, die Kavitätsmode über ein größeres laseraktives Volumen zu verteilen und damit vertikal emittierende Laserstrukturen mit höheren Ausgangsleistungen und verbesserten Emissionseigenschaften, insbesondere im dynamischen Bereich, bereitzustellen. Zusätzlich können die erweiterten Parameter der Verteilungsmethoden und -funktionen beim Entwurf der optischen Dünnschichtstruktur ausgenutzt werden, um die Emissionseigenschaften des Lasers, z. B. Seitenbandunterdrückung, zu beeinflussen.

BEZUGSZEICHENLISTE

optische Achse optische Dünnschichtstruktur

Schichtaufbau

Schicht

Schicht

Material

Material

Gas

Spalt

Abstandhalter

Hohlzylinder

Innenvolumen

Innendurchmesser

Außendurchmesser