DE3784969T2

DE3784969T2 - Vorrichtung mit einem monolithischen nichtlinearen fabry-perot etalon und herstellungsverfahren hierfuer.

Info

Publication number: DE3784969T2
Application number: DE8787108133T
Authority: DE
Inventors: Jack Lee Jewell; Samuel Laverte Mccall
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1986-06-05
Filing date: 1987-06-04
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2007-06-05
Also published as: EP0248438A2; JPS6311915A; EP0248438A3; EP0248438B1; DE3784969D1; US4756606A; CA1293794C

Description

1. Erfindungsgebiet

Die Erfindung betrifft das Feld der nichtlinearen optischen Vorrichtungen und Apparate, welche derartige Vorrichtungen aufweisen.

2. Hintergrund der Erfindung

Bistabile und andere nichtlineare optische Vorrichtungen sind seit einiger Zeit bekannt und eine weite Vielzahl von Signalverarbeitungsfunktionen können mittels bistabiler Vorrichtugnen ausgeführt werden. "Bistabil" und "nichtlinear" sind im folgenden austauschbar gebraucht, soweit der Kontext nichts anderes anzeigt. Beispielsweise offenbart die US-A-4 012 699 unter anderem die Verstärkung eines Lichtstrahls mittels eines hohlraumumschließenden nichtlinearen Mediums positiver Temperatur. Eine neuere Monographie, H. M. Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light With Light, Academic Press (1985) kann als Einführung in das Umfeld dienen und diskutiert viele der möglichen Methoden von Wirkungsweisen bistabiler optischer Vorrichtungen. Beispielsweise sind auf den Seiten 1 - 17, hier als Bezugnahme aufgenommen, kurze Erörterungen von bistabilen optisch logischen Vorrichtungen (sowohl zweilagig als auch mehrlagig), eines optischen Transistors, von optischen Diskriminatoren, Begrenzern, Taktverdichtern, Oszillatoren, Eingängen und Flip- Flops angegeben. Und die Seiten 195 - 239, die hier ebenfalls als Bezugnahme aufgenommen sind, enthalten eine detaillierte Erörterung von optischen Schaltungen.
Viele der nichtlinearen optischen Vorrichtungen enthalten einen nichtlinearen Fabry-Perot(FP)-Etalon, einen fixiert angeordneten optischen Zwischenraum mit einem optischen nichtlinearen Medium innerhalb des Zwischenraums. Darüber hinaus hat sich die meiste Arbeit an optischen nichtlinearen Vorrichtungen auf Vorrichtungen gerichtet, welche feste, typischerweise halbleitende, meistens auf GaAs-basierenden nichtlinearen Medien benutzen. Diese Medien sind beispielsweise homogene GaAs- und GaAs-AlGaAs-Mehrfach-Quantenquell-Strukturen (MQW).
Wie beispielsweise bei J. L. Jewell et al, Materials Letters, Vol. 1 (5 - 6), pp. 148 - 151 (1983) beschrieben, werden auf GaAs-basierende nichtlineare Fabry-Perot-Etalone durch ein ziemlich schwieriges Verfahren hergestellt. Dieses Verfahren umfaßt beispielsweise das Niederschlagen einer ungefähr 3 um GaAs- AlGaAs MQW-Struktur auf einem GaAs-Substrat mittels molekularer Strahlepitaxie und Entfernen des Substrats durch Schleifen und selektives Ätzen, so daß die MQW-Struktur zurückbleibt. Die resultierende 3 um-Flocke kann dann zwischen dielektrischen Spiegeln montiert werden, um einen nichtlinearen Fabry-Perot-Etalon herzustellen.
Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch ein anderes, aus dem Stand der Technik bekanntes Fabry-Perot-Etalon, welches durch Wegätzen eines Teils eines GaAs-Substrats hergestellt ist. Vergleiche hierzu H. M. Gibbs et al., Optics News, Vol. 5(3), pp. 6 - 12 (1979), hier als Bezugnahme aufgenommen. Das Etalon 12 wird durch Niederschlagen einer 0,2 um Al0.42Ga0.58-Ätzsperrschicht 15 auf dem 150 um GaAs-Substrat 10, nachfolgend ein Niederschlagen der 4,1 um GaAs-aktiven Abstandslage 14 und einer weiteren AlGaAs-Lage 15 hergestellt. Nach Abschleifen und Wegätzen des GaAs-Substrates in einer 1 mm² Region 11 der Figur 1 wurde ein (nicht aktiver) mehrlagiger Spiegel 16 durch Bedampfen auf jeder Lage 15 geformt.
Karpushko et al. (Journal of Applied Spectroscopy USSR, Vol. 29, p. 1323 (1978) offenbart einen optischen Interferenzfilter, welcher zwei Spiegel mit einem ZnS-Abstandsglied dazwischen aufweist, welches optische Bistabilität aufweist. Optisch bistabile, einen thermischen Effekt nutzenden Etalone sind beschrieben in "Applied Physics Letters 45(10), pp. 1031 - 1033, (1984)" by G. R. Olbright et al.
Vorbekannte nichtlineare Etalone, wie voranstehend beschrieben, haben offensichtliche Mängel. Unter diesen ist die Schwierigkeit der Kontrolle des Ätzens des Substrates zum Erreichen der für hochfeine Spiegel benötigten großen Dickengleichheit ausreichend groß. Wie gut bekannt, wenn F die mit dem Etalon verbundene gewünschte Feinheit ist, dann muß die Dicke der Abstandsschicht/Ätzsperrschicht-Kombination einheitlich bis zu mindestens λ0/2nF über einem bedeutenden Teil der Flocke sein, wobei λ&sub0; die Vakuumwellenlänge der Betriebsstrahlung der Vorrichtung und n der Brechungsindex des Materials ist. Ist beispielsweise eine Feinheit von 10 gewünscht, muß die Schichtdicke konstant um 11 nm für λ&sub0; von ungefähr 0,87 um sein. In Etalonen des von Jewell et al. beschriebenen Typs (o. a.), ist es ferner schwierig, einen guten und stabilen mechanischen und thermischen Kontakt zwischen der Flocke und den Spiegeln zu erreichen. Darüber hinaus führen die vorbekannten Herstellungsverfahren nichtlinearer Fabry- Perot-Etalone wesentliche Fertigkeit und Handfertigkeit zu verlangen, und tragen allein nichts zur Anordnung von Mehrfach-Etalon-Gruppierungen bei.
Infolge der von nichtlinearen Fabry-Perot-Etalonen gehaltenen Aussicht, beispielsweise auf dem Feld der optischen Datenverarbeitung, beinhaltend optisches Rechnen, und in optischer Kommunikation, würde es sehr wünschenswert sein, eine Methode zur Herstellung derartiger Etalone verfügbar zu haben, die nicht diesen oder anderen Mängeln des Standes der Technik unterworfen sind. Diese Anmeldung offenbart eine derartige Technik. Zur Information über optisches Rechnen, vergleiche "Proceedings of the IEEE", Vol. 72(7) 1984, insbesondere A. A. Sawchuck et al (pp. 758 - 779) und a. Huang (pp. 780 - 786). A. Huang et al., "Proceedings of the IEEE Global Telecommunications Conference", Atlanta, GA., 1984, pp. 121 - 125 offenbart Telekommunikationsvorrichtungen, welche implementiert sein können und nichtlineare optische Vorrichtung gemäß der Erfindung benutzen.

Definitionen und Liste der Fachbegriffe

Ein Material ist hiernach als "optisch nichtlinear" bei einer gegebenen Frequenz ν&sub0; bezeichnet, wenn über einen ν&sub0; beinhaltenden spektralen Bereich, ein oder mehrere Parameter des Materials, bei im wesentlichen konstanter Temperatur des Materials, abhängig sind von der Intensität der auf das Material fallenden Strahlung. Unter den Parametern sind der Brechungsindex n und das Absorptionsvermögen α. Diese Definition beabsichtigt Veränderungen in Materialparametern auszuschließen, die Folge von Aufheizung durch auftreffende Strahlung sind. Nichtlineare Materialien, welche von Bedeutung in dieser Anmeldung sind, haben typischerweise eine Nichtlinearität größer als ein Zehntel der von GaAs und haben Materialrelaxationszeiten kürzer als 10&supmin;&sup8; Sekunden.
Eine Vorrichtung ist "optisch nichtlinear", wenn in einigen Bereichen der Eingangsintensität zumindest einer der relevanten Parameter der Vorrichtung (beispielsweise spezifische Durchlässigkeit, Reflexionsvermögen oder Absorptionsvermögen) mit der Intensität wechselt. Nichtlineare Vorrichtungen weisen zumindest ein optisch nichtlineares Material auf, welches auch auf ein "aktives" Material bezogen ist. Eine nichtlineare Vorrichtung soll strahlenbrechend oder absorptiv sein, was davon abhängig ist, ob die vorherrschende Nichtlinearität des aktiven Materials in der Vorrichtung entweder in n oder in α ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, daß n und α ungefähr gleich zu der Nichtlinearität beitragen.
Mit nichtlinearen optischen Vorrichtungen sind mindestens zwei "optische Zustände" verbunden, nämlich, ein erster Zustand, in welchem einer der relevanten Parameter der Vorrichtung einen ersten Wert hat, und ein zweiter Zustand, in welchem der relevante Parameter einen zweiten Wert hat, der von dem ersten Wert abweicht. Beispielsweise kann der erste Zustand ein Zustand von geringer spezifischer Durchlässigkeit und der zweite Zustand ein Zustand von großer spezifischer Durchlässigkeit sein.

4. Zusammenfassung der Erfindung

Wir haben ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen nichtlinearen Fabry-Perot-Etalon entwickelt (beispielsweise ein nichtlineares Etalon, dessen beide Spiegel mit dem Abstandshalter zusammengefaßt sind, ohne unlösbare Schichten oder dergleichen), bei welchem kein Wegätzen eines Teils oder des gesamten Substratmaterials vor der Anordnung von einem oder beiden der Spiegel notwendig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist demnach frei von den Problemen infolge des uneinheitlichen Ätzens, welches dem Stand der Technik anhaftet. Weitere Vorteile der Erfindung werden erkennbar sein.
Das Verfahren der Erfindung ist im Anspruch 1 dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt das Heranziehen eines geeigneten Substrates (beispielsweise GaAs oder eines anderen Haibleiters) mit einer planen Hauptfläche und darauf in folgender Reihe niederschlagend einen ersten mehrschichtigen Spiegel, eine Abstandsschicht und einen zweiten mehrschichtigen Spiegel. Das Niederschlagen der Schichten kann mittels jeden geeigneten Verfahrens, beispielsweise molekularer Strahlepitaxie (MBE) oder metallorganisch-chemischen Bedampfen (MOCVD) erfolgen.
Das grundlegende Verfahren kann in verschiedenen Arten durchgeführt wrden. Beispielsweise kann, wenn die Herstellung eines Etalons gewünscht ist, welches in einer durchlässigen Art gehandhabt werden kann, ein zusammengesetztes Substrat verwendet werden, nämlich eine geeignete Trägerstruktur (beispielsweise eine GaAs-Scheibe) mit beispielsweise einer transparenten (bei der Frequenz ν&sub0;) Ätzsperrschicht darauf. Die transparente Schicht schützt nicht nur den ersten Spiegel während dem späteren Entfernen der gesamten oder eines Teils der Trägerstruktur unter einem oder mehreren Etalonen, sondern dient ebenfalls dazu, den Etalonen die mechanische Tragfähigkeit zu geben. Selbstverständlich kann eine Übertragungsvorrichtung auch ohne Niederschlagen einer transparenten Schicht und Wegätzen der Trägertruktur hergestellt werden, wenn ein passendes Substrat verfügbar ist, das bei ν&sub0; transparent ist.
Eine weitere beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt Niederschlagen einer AlxGa1-xAs (x > 0,5, beispielsweise 0,7) Ätzsperrschicht auf einer GaAs-Scheibe und Niederschlagen eines entsprechenden erfindungsgemäßen Etalons. Nach vollständigem Niederschlagen wird die gesamte GaAs-Scheibe durch bekannte Mittel entfernt, wonach die Ätzsperrschicht, beispielsweise durch Ätzen in konzentrierter HCl entfernt wird. Die derart produzierte "Flocke" (einen oder mehrere vollständige Etalons darstellend) kann auf oder zwischen geeigneten Haltemitteln, beispielsweise zwischen zwei Quarzplatten montiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann laufend nichtlineare Etalons herstellen, welche eine hohe Feinheit (typischerweise > 10, 20 oder auch 25) und wesentlich einheitliche Empfindlichkeit über einen relativ großen Bereich (beispielsweise > 1 mm²) aufweisen, infolge der Leichtigkeit, mit der hohe Dickengleichheit der Schichten (wie auch der verschiedenen Spiegelschichten) und geringe Verluste optischer Grenzflächen erreicht werden können. Das Verfahren ist frei von jeglichem kritischem Ätzvorgang, beispielsweise jeglichen Ätzvorgangs, der eine Materialschicht beeinflußt, dessen Dicke und/oder Dickengleichheit kritisch für die optische Qualität des Etalons ist. Darüber hinaus führt das erfindungsgemäße Verfahren zu relativ unebenen, mechanischen und thermisch stabilen Etalons, deren Herstellung keine große Handfertigkeit erfordern; das Verfahren führt selbstständig zur Automation und kann zur Herstellung von Multipixel-Anordnungen durch Addition bekannter Lithographie- und Ätzschritten (oder Ionenimplantation) zu dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Schließlich ist das erfindungsgemäße Verfahren kompatibel zu Techniken, wie bei der Produktion von elektronischen und opto-elektronischen Vorrichtungen verwendet werden. Demnach ist es erwartet, daß es möglich sein wird, erfindungsgemäße nichtlineare optische Vorrichtungen in elektronische, opto-elektronische oder andere optische Vorrichtungen desselben Halbleiterchips zu integrieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind durch die Merkmale der Ansprüche 2 und 15 definiert.
In bevorzugten Ausführungsformen ist zumindest einer der beiden mehrschichtigen Spiegel des nichtlinearen Etalons ein "aktiver" Spiegel. Ein aktiver Spiegel ist ein mehrlagiger Spiegel, in welchem zumindest eines der den Spiegel formenden Materialien geeignete optische Nichtlinearität bei ν&sub0;, die Arbeitsfrequenz der Vorrichtung (dabei dem Spiegel Nichtlinearität verleiht) zeigt, in der Art, daß des Spiegels Nichtlinearität zu dem nichtlinearen Verhalten der Vorrichtung beiträgt. Beispielsweise besteht ein aktiver Spiegel aus einer Vielzahl von AlAs- und GaAs-Schichten.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen können zwei oder mehr in Serie angeordnete optische Zwischenräume, ein oder mehrere optische lineare und/oder nichtlineare Abstandsglieder, eine transparente oder undurchsichtige (bei ν&sub0;) Trägerstruktur, Ätzsperrschichten, Gitteranpassungsschichten, reflektierende oder nicht reflektierende Schichten, Abdeckschichten und dergleichen umfassen. Obwohl die optisch aktiven Materialien in den erfindungsgemäßen Etalons typischerweise Kristalline sind, ist dies nicht notwendig.
Apparate gemäß der Erfindung umfassen typischerweise eine Quelle für elektromagnetische Strahlung der Frequenz ν&sub0;, mindestens einen nichtlinearen Fabry-Perot-Etalon gemäß der Erfindung, Mittel zur Verursachung der Zusammenwirkung der ν&sub0;-Strahlung mit dem Etalon, wobei der optische Zustand des Etalons von einem ersten zu einem zweiten Zustand geändert werden kann, und Mittel, die auf den optischen Zustand des Etalons reagieren. Ein derartiger Apparat ist beispielsweise ein optischer Computer, sind andere optische datenverarbeitende Apparate oder ist ein optischer Kommunikationsapparat.

5. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 und 2 veranschaulichen schematisch einen nichtlinearen Fabry-Perot-Etalon gemäß dem Stand der Technik;
FIG. 3 zeigt schematisch ein Teil eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Fabry-Perot- Etalons;
FIG. 4 und 5 zeiten jeweils schematisch ein Teil einer exemplarischen Vorrichtung, welche eine Anordnung von erfindungsgemäßen nichtlinearen Fabry-Perot-Etalons aufweisen;
FIG. 6 veranschaulicht schematisch einen Teil eines monolithischen nichtlinearen Fabry-perot-Etalons mit Spiegelseitenwänden, welche ein "Gitter" aufweisen;
FIG. 7 veranschaulicht schematisch ein Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche einen nichtlinearen Fabry-Perot-Etalon aufweist, welcher auf einem undurchsichtigen Substrat aufgebaut ist, das für Prozesse in einem übertragenen Modus geeignet ist;
und
FIG. 8 illustriert schematisch Materialeigenschaften, die hilfreich für die Konstruktion von aktiven Spiegeln sind.

6. Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

FIG. 3 zeigt schematisch im Querschnitt ein Teil eines beispielhaften monolithischen Fabry-Perot-Etalons gemäß der Erfindung. Es weist ein Substrat 30, einen ersten Spiegel 34, ein Abstandsglied 33 und einen zweiten Spiegel 35 auf. Das Substrat ist typischerweise eine geeignete Halbleiterscheibe und der erste Spiegel weist alternierende Schichten 31 und 32 von zwei Materialien verschiedener Refraktionsindizes bei ν&sub0; auf.
Die Dicke eines jeden Schichttyps hängt u. a. von dem Refraktionsindex des Schichtmaterials bei ν&sub0; ab. Typischerweise ist die Dicke einer Schicht so gewählt, daß sie λ&sub0;/4n ist. Die optischen Wirkungen von hier diskutierten periodisch übereinander geschichteten Medien sind gut bekannt. Vergleiche beispielsweise M. Born und E. Wolf., "Principles of Optics", 2. Ausgabe (1964), pp. 66-70, worauf hier bezug genommen wird. Obwohl es generell vorteilhaft ist, Schichten von konstanter Dicke niederzuschlagen, kann es auch vorteilhaft sein, verjüngende Spiegelschichten niederzuschlagen, um Frequenzabstimmbarkeit zu erzielen oder aus anderen Gründen.
Das Abstandsglied 33 weist typischerweise ungefähr die Dicke λ&sub0;/2n (oder ein Mehrfaches davon) auf und ist von im wesentlichen gleichförmiger Dicke. Es besteht generell, aber nicht notwendigerweise, aus einem Material, welches optisch akiv bei ν&sub0; ist. Der zweite Spiegel ähnelt dem ersten Spiegel, muß aber nicht die gleiche Kombination von Materialien aufweisen und/oder die gleiche Anzahl von Schichten beinhalten. Einer oder beide der mehrlagigen Spiegel kann (aber muß nicht) optisch aktives Material (bei ν&sub0;) aufweisen, wie es ausführlich im folgenden beschrieben ist.
Während FIG. 3 eine erfindungsgemäßes Etalon veranschaulicht, das zumeist sinnvoll in einer reflektierenden Weise (es sei denn, das Substrat 30 ist transparent bei ν&sub0;) einsetzbar ist, zeigt FIG. 7 schematisch, im Querschnitt, ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Etalon, das in einer durchlassigen wie auch in einer reflektiven Weise gebraucht werden kann. Es unterscheidet sich von dem zuvor diskutierten Etalon durch ein zusammengesetztes Substrat 70, das eine Schicht 30 (beispielsweise GaAs von geeigneter Dicke) und eine transparente (bei ν&sub0;) Schicht 71 darauf (beispielsweise 1 - 10 um von Al0,42Ga0,58As) aufweist. Wie in der FIG. 7 angezeigt, ist ein Teil von 30 entfernt, typischerweise nach Vervollständigung des Niederschlagens des Etalons oberhalb des zusammengesetzten Substrats. Dieses Entfernen kann durch bekannte Mittel erfolgen, die typischerweise Lithographie und Ätzen (trocken oder naß), Ionenmahlen oder dergleichen, aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung monolithischer nichtlinearer Fabry-Perot-Etalons umfaßt die Bereitstellung eines geeigneten Substrats mit einer planen Hauptfläche und Niederschlagen darauf durch jede bekannte Technik oder Kombination von Techniken des ersten Spiegels, des Abstandsgliedes und des zweiten Spiegels, wie auch mögliche andere Schichten. Vorzugsweise wird die Reihenfolge des Niederschlagens ohne intermittierender Handhabung der Scheibe durchgeführt, beispielsweise in einer MBE- Kammer mit mehreren Quellen.
Nach Vervollständigen des Niederschlagens des Etalons können weitere Herstellungsschritte durchgeführt werden. Beispielsweise können diese Schritte das Niederschlagen einer Schutzabdeckung auf dem oberen Spiegel oder Abdecken der Ober-(und/oder Boden-) Fläche derart produzierten Kombination mit einer geeigneten Abdeckung umfassen, so daß die Ober-(und/oder Boden-)Fläche der Kombination anschließend mittels in der Halbleiterindustrie bekannten Verfahren gemustert werden kann. Mittels derartiger Musterung kann eine Anordnung von Fabry-Perot-Etalons hergestellt werden. Eine derartige Anordnung kann in einfacher Weise 100x100 Etalons beinhalten und kann bis zu 1000x1000 Etalons groß sein. Es ist zu beachten, daß es einer der Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt, eine derartige Anordnung in relativ einfacher Weise zu formieren.
FIG. 4 veranschaulicht schematisch ein Teil einer Vorrichtung 40 gemäß der Erfindung, welche eine Anordnung von reflektiven OR-logischen Elementen aufweist. Auf dem gemeinsamen Substrat 30 sind eine Vielfalt von individuellen, optisch isolierten Mesaähnlichen Elementen 41 des in FIG. 3 veranschaulichten Typs formiert. "Optisch isoliert" meint hier, daß ein Wechsel des optischen Zustands von einem der Elemente keine wesentliche Auswirkung auf den optischen Zustand eines anderen der Elemente in der Anordnung hat.
Beispielsweise können die Elemente 41 wie folgt betrieben werden: Ein Prüfstrahl 42 (von der Frequenz νp, mit νp derart ausgewählt, daß die Nichtlinearität des Etalons relativ klein bei νp ist) kann auf ein oder mehrere der Elemente gerichtet werden, woraus im wesentlichen keine reflektierte Prüfstrahlung 42' resultiert. Wenn beide, ein "Eingangs-"Strahl 43 (von der Frequenz ν&sub0;,mit ν&sub0; derart ausgewählt, daß die Nichtlinearität der Etalons relativ groß bei ν&sub0; ist) und der Prüfstrahl 42 auf ein Etalon gerichtet sind, kann der optische Zustand des Etalons derart wechseln, daß ein wesentlicher Teil der Prüfstrahlung 42' reflektiert wird. Beispielsweise wenn das Etalon ein GaAs-Abstandsglied umfaßt, sind ν&sub0; und νp beispielsweise entweder 868 und 873 nm. Wenn andere nichtlineare Materialien (beispielsweise InSb, InGaAsP und verwandte Zusammensetzungen) verwendet werden, werden die geeigneten Frequenzen typischerweise unterschiedlich sein.
Das Vorhandensein von 42' kann durch bekannte Mittel (beispielsweise ein Filter und ein Fotodetektor) nachgewiesen werden, wodurch ein ausgebender Indikator für den optischen Zustand des Elements bereitgestellt wird. Wenn zwei oder mehrere Eingangsstrahlen 43 auf ein Elemente gerichtet werden können, kann jeder dieser Strahlen den beschriebenen Wechsel des optischen Zustands des Elements hervorrufen, so daß das Elemente als ein logisches ODER-Gatter arbeitet. Andere logische Funktionen können selbstverständlich auch durchgeführt werden.
FIG. 5 zeigt schematisch ein anderes Beispiel einer Anordnung von Fabry-Perot-Etalons gemäß der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist die optische Isolierung zwischen den Etalons 33 nicht durch Entfernen von Material erzielt, wie es in FIG. 4 dargestellt ist, sondern durch Wechseln der optischen Eigenschaften des Materials in Regionen 51. Beispielsweise können die nichtlinearen Eigenschaften in den Regionen 51 durch Ionenimplantation (beispielsweise durch Protonenimplantation) geändert werden, derart, daß nebeneinander angeordnete Etalons effektiv entkoppelt sind.
FIG. 6 veranschaulicht schematisch einen Teil eines beispielsweisen Etalons gemäß der Erfindung. Das Etalon 41 hat eine oder mehrere Seitenflächen, welche die Schichten des zweiten Spiegels unterteilt, so daß die unterteilten Spiegelschichten ein "Gitter" bilden, beispielsweise einen periodischen Wechsel der Oberflächenstruktur der unterteilten Oberfläche. Ein derartiges Gitter kann in einfacher Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Berühren der Seitenflächen mit einem Ätzmedium, in welchem die Ätzgeschwindigkeit der beiden Spiegelmaterialien unterschiedlich sind. Das Vorhandensein eines geeignet geformten Gitters kann den betrieblichen Wirkungsgrad von erfindungsgemäßen Etalons vergrößern. Wie auch immer kann erwartet werden, daß der Effekt eines Gitters auf den Betrieb eines Etalons von den Details der Betriebssituation abhängig ist. Deshalb kann geringfügiges Experimentieren erforderlich sein, beispielsweise um festzulegen, welche der beiden Schichtmaterialien schneller geätzt werden soll. Obwohl FIG. 6 nur einen zweiten Spiegel zeigt, ist es selbstverständlich, daß der erste Spiegel in ähnlicher Weise behandelt werden kann.
FIG. 8 illustriert einige Materialeigenschaften, welche vorteilhaft bei dem Design und der Herstellung von aktiven Spiegeln gemäß der Erfindung verwendet werden können. Die Figur veranschaulicht schematisch Kurven von Spiegelreflexionsvermögen als eine Funktion von Wellenlängen. Kurve 80 repräsentiert das Reflexionsvermögen eines aktiven Spiegels, gemessen bei derart geringer zugehöriger Intensität, daß der Effekt der Nichtlinearität vernachlässigbar ist. Wie erkennbar ist, ist das Maximum des Reflexionsvermögens bei einer Frequenz νi≠ν&sub0;. Wenn die Nichtlinearität des Spiegels im wesentlich dispersiv ist, und wenn das Reflexionsvermögen mit zugehöriger Strahlung-einer größeren Intensität als eine Schwellenintensität It (im folgenden noch zu definieren) gemessen wird, dann resultiert Kurve 81 mit einem Maximum bei einer Frequenz ν&sub0;. Auf der anderen Seite, wenn die Nichtlinearität des Spiegels im wesentlichen absorptiv ist, dann resultiert Kurve 82 (mit maximalen Reflexionsvermögen größer als das von 80 und im wesentlichen bei νi) für eine Intensität > It. Letztlich resultiert Kurve 83 mit maximalem Reflexionsvermögen größer als 80 (oder 81) und bei einer Frequenz ≠ νi (beispielsweise bei ν&sub0;), wenn die Nichtlinearität des Spiegels sowohl dispersiv als auch absorptiv ist. Deshalb kann das Reflexionsvermögen eines aktiven Spiegels bei einer gegebenen Frequenz wesentlich als eine Funktion der Intensität variieren. In dem Zustand hoher Intensität kann es sowohl größer (wie bei ν&sub0; der FIG. 8) oder kleiner (wie bei νi) als in dem Zustand geringer Intensität sein. Beide dieser Möglichkeiten können als potentiell hilfreich erwogen werden.
Bevorzugte erfindungsgemäße nichtlineare Fabry-Perot-Etalons mit aktiven Spiegeln können deshalb derart konstruiert sein, daß in einem ersten optischen Zustand das Reflexionsvermögen von mindestens einem der Spiegel des Etalons ein Maximum bei νi ≠ ν&sub0; hat, und daß in einem zweiten optischen Zustand der Spiegel ein maximales Reflexionsvermögen bei ν&sub0; hat. Die Schwellenintensität It ist eine Intensität von Strahlung einer Frequenz ν&sub0;, welche mit dem Wechsel des Zustands des Etalons von dem ersten zu dem zweiten optischen Zustand verbunden ist.

Beispiel I:

Eine 500 um dicke, (100) geschnittene, 2 Inch Durchmesser messende GaAs-Scheibe war nach Reinigung mittels einer bekannten Technik in dem Musterhalter eines Mehrquellen-MBE-Systems montiert und eine relativ dünne (ca. 1 um) GaAs-Glättschicht darauf niedergeschlagen. Auf die derart vorbereitete (100) Oberfläche der Substratscheibe wurden niedergeschlagen 9-1/2 Paar von AlAs/GaAs- Schichten entweder der Dicke 72,3 nm oder 63,5 nm. Dem Niederschlag der letzten AlAs-Schicht folgte ein Niederschlagen eines nichtlinearen Abstandsgliedes, nämlich einer im wesentlichen gleichförmige Dicke (ca. 2 um) aufweisende Schicht von GaAs. Dem wiederum folgte das Niederschlagen von 7 Paar AlAs/GaAs- Schichten, ebenfalls von entweder 72,3 oder 63,5 nm Dicke mit einer letzten Schicht von GaAs. Das derart hergestellte nichtlineare Etalon hatte eine gemessene Feinheit von ungefähr 15 für Strahlungen einer (Vakuum-)Wellenlänge von 880 nm.

Beispiel II:

Ein erster aktiver Spiegel, eine Abstandsschicht und ein zweiter aktiver Spiegel sind im wesentlichen in der in Beispiel I beschriebenen Art niedergeschlagen worden. Eine gemusterte Schutzschicht ist oberhalb des zweiten Spiegels angeordnet und beinhaltet eine 100x100-Anordnung von 2 um x 2 um Schutzflecken auf 4 um Zentren. Die Scheibe ist trockengeätzt durch ein bekanntes Verfahren, woraus ein Entfernen des im wesentlichen gesamten nicht durch den Schutz geschützten niedergeschlagenen Materials folgt, so daß eine 100x100-Anordnung von optisch isolierten, nichtlinearen Fabry-Perot-Etalons hergestellt ist, die für den Betrieb bei λ&sub0;= 873 nm als reflektive NOR-Gatter mit einer Prüfstrahlwellenlänge von ungefähr 880 nm geeignet ist.

Beispiel III:

Eine Anordnung von nichtlinearen Fabry-Perot-Etalons, welche für Operationen bei 873 nm in einer durchlässigen oder einer reflektiven und durchlässigen Art geeignet ist, ist im wesentlichen, wie in Beispiel II beschrieben, hergestellt mit der Ausnahme, daß vor dem Niederschlagen des ersten Spiegels eine Al0,42Ga0,58 As-Schicht von geeigneter Dicke (ca. 2 um) auf der GaAs-Scheibe niedergeschlagen ist, das Wegätzen des niedergeschlagenen Materials bei der AlGaAs-Schicht unterbrochen ist und die GaAs- Scheibe zu der AlGaAs-Schicht in dem Gebiet gegenüber der Etalonanordnung geätzt ist.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Apparatur mit wenigstens einem nichtlinearen Fabry-Perot-Etalon, das einen ersten und einen zweiten Spiegel (34, 35) und ein Abstandsglied (33) hierzwischen umfaßt, wobei ein Substrat (30) mit einer planen Hauptfläche bereitgestellt und Material auf die Hauptfläche niedergeschlagen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Verfahren umfaßt

a) Niederschlagen des ersten Spiegels (34) auf die Hauptfläche, wobei der erste Spiegel alternierende Schichten (31, 32) aus wenigstens zwei Materialien, die sich in ihrem Brechungsindex bei einer gegebenen Frequenz ν&sub0; unterscheiden, umfaßt;

b) Niederschlagen einer Abstandsmaterialschicht (33) auf den ersten Spiegel; und

c) Niederschlagen des zweiten Spiegels (35) auf die Abstandsmaterialschicht, wobei der zweite Spiegel ebenfalls alternierende Schichten (31, 32) aus wenigstens zwei Materialien die sich in ihrem Brechungsindex bei ν&sub0; unterscheiden, umfaßt; und wobei

d) vom ersten und zweiten Spiegel wenigstens einer ein aktiver Spiegel ist, der bei ν&sub0; optisch nichtlineares Halbleitermaterial umfaßt und eine Materialrelaxationszeit kürzer als 10&supmin;&sup8; Sekunden besitzt, wobei ein Material als optisch nichtlinear bei ν&sub0; definiert ist, wenn bei im wesentlichen konstanter Temperatur des Materials ein oder mehrere optische Parameter des Materials von der Intensität der hierauf einfallenden Strahlung bei der Frequenz ν&sub0; abhängig sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat ein Verbundsubstrat ist, das einen Tragaufbau, bestehend aus einem ersten Material mit einer planaren Hauptfläche, und wenigstens eine Schicht eines zweiten Materials auf der Hauptfläche der Traganordnung umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat Halbleitermaterial umfaßt und das Abstandsmaterial ein bei ν&sub0; optisch nichtlineares Halbleitermaterial umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der aktive Spiegel ein Reflexionsvermögen hat, das ein Maximum bei einer Frequenz νi nicht gleich ν&sub0; besitzt, wenn die auf den aktiven Spiegel auftreffende Intensität der elektromagnetischen Strahlung der Frequenz ν&sub0; unterhalb eines Schwellenwertes It ist, und ein Maximum bei ν&sub0; besitzt, wenn die Intensität der einfallenden elektromagnetischen Strahlung bei der Frequenz ν&sub0; größer als It ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das optisch aktive Halbleitermaterial des aktiven Spiegels sowohl dispersive als auch adsorptive Nichtlinearität besitzt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem des weiteren einiges des niedergeschlagenen Materials entfernt wird derart, daß wenigstens ein mesaförmiges Element gebildet wird, wobei das Element wenigstens eine Seitenfläche besitzt, die wenigstens einen der ersten und zweiten Spiegel schneidet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Seitenfläche mit einem Medium kontaktiert wird, das eines der Materialien des Spiegels mit größerer Geschwindigkeit als das andere Material des Spiegels entfernt, wodurch ein Gitter in der Seitenfläche ausgebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem des weiteren wenigstens eine weitere Schicht aus Abstandsmaterial auf das Etalon niedergeschlagen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Vielzahl nichtlinearer Fabry-Perot-Etalons auf dem Substrat erzeugt werden, wobei jedes Etalon von den übrigen Etalons optisch isoliert ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Etalons optisch isoliert werden durch Entfernen des die Etalons umgebenden niedergeschlagenen Materials derart, daß im wesentlichen jedes Etalon auf dem Substrat ein isoliertes mesaähnliches Element ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Etaions optisch isoliert werden durch Ionen-Implantieren in das niedergeschlagene Material derart, daß die optischen Eigenschaften des die Etalons umgebenden Materials geändert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Materialien des aktiven Spiegels und die Dicke der Schichten des aktiven Spiegels so gewählt werden, daß das Reflexionsvermögen des aktiven Spiegels für Strahlung der Frequenz ν&sub0; und einer Intensität unterhalb eines Schwellenwertes It kleiner ist als das Reflexionsvermögen des aktiven Spiegels für die Strahlung der Frequenz ν&sub0; und einer Intensität größer als It.

13. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Material wenigstens der einen Schicht im wesentlichen bei ν&sub0; transparent ist und eine Ätzgeschwindigkeit in einem gegebenen Medium besitzt, die wesentlich kleiner als die des ersten Materials in dem gegebenen Medium ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem im wesentlichen die ganze Traganordnung in wenigstens einem Teil des Substrats entfernt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem im wesentlichen die ganze Traganordnung entfernt wird und des weiteren im wesentlichen alles Material der wenigstens einen Schicht entfernt wird sowie transparente Tragmittel an wenigstens einem der ersten und zweiten Spiegel befestigt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem eine Vielzahl nichtlinearer Fabry-Perot-Etalons auf dem Substrat ausgebildet werden, wobei jedes Etalon von den anderen Etalons optisch isoliert ist.