DE69007864T2 - Akustooptische Vorrichtung unter Verwendung einer Mehrfachquantenfilmstruktur als Wechselwirkungsmedium. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine opto-akustische Vorrichtung unter Verwendung einer Überstruktur als Interaktionsmedium. Sie ist insbesondere bei der Herstellung von Modulatoren und opto-akustischen Deflektoren einzusetzen.
• Unter "Überstruktur" ist eine Aufeinanderfolge von Schichten zu verstehen, in der mindestens zwei verschiedene Werkstoffe abwechseln, oder eine Aufeinanderfolge von Bändern, die abwechselnd mindestens zwei verschiedene Werkstoffe aufweist.
• Im ersten Fall besteht die Überstruktur aus einem Schichtstapel entlang einer Achse, die hier "Überstrukturachse" genannt werden soll. In der Regel werden zwei Werkstoffe eingesetzt; man gelangt auf diese Weise zu einem Stapel, in dem die Schichten abwechselnd aus verschiedenen Werkstoffen bestehen und eine Dicke von jeweils d1 bzw. d2 aufweisen. Der Stapel folgt also entlang seiner Achse, die senkrecht zu den Schichten verläuft, der Periode d1 + d2.
• Im zweiten Fall soll die Überstruktur "laterale Überstruktur" genannt werden und in der Regel ebenfalls aus zwei verschiedenen Werkstoffen bestehen. Man erhält auf diese Weise eine Aufeinanderfolge von Bändern aus zwei sich abwechselnden Materialien mit einer Breite von jeweils d1 und d2, die auf die Oberfläche eines Substrats aufgebracht sind. Die Überstruktur folgt also der Periode d1 + d2 entlang einer Achse, die parallel zur Oberfläche des Substrats und senkrecht zu den Bändern verläuft und die auch "Überstrukturachse" genannt wird.
• Die Opto-Akustik ist eine Technik, die sowohl die Deflexion als auch die Modulation eines Laserstrahls ermöglicht (siehe Entgegenhaltung (1), die wie die anderen, später zitierten Entgegenhaltungen am Ende der vorliegenden Beschreibung aufgelistet wird). Der Einsatz dieser Technik setzt im übrigen nur ziemlich niedrige Spannungen voraus (in der Größenordnung von 10 V).
• Bekannte opto-akustische Vorrichtungen verwenden als Interaktionsmedium homogene Festkörper oder Dünnschichtmedien, die aus einem Werkstoff wie beispielsweise TeO&sub2;, PbMoO&sub4;, GaAs oder LiNbO&sub3; bestehen. In diesen Medien erfolgt das Einkoppeln von Licht mit Ultraschall unter Bedingungen, in denen die Regel der Erhaltung des Wellenvektors überprüft wird (Bedingung der Phasenanpassung), die da lautet:
• d= i+ (I)
• worin i, d und jeweils die Wellenvektoren des einfallenden Lichts, des gebrochenen Lichts und der akustischen Welle sind. Da der Modul K viel kleiner ist als der Modul ki, unterscheidet sich dieser wenig vom Modul kd, die Interaktion findet statt, wenn sich das Licht und die Ultraschallwelle in quasisenkrechte Richtungen ausbreiten.
• Die beiden wichtigsten Kennzeichen der opto-akustischen Vorrichtung sind der Wirkungsgrad (Verhältnis von gebrochener Lichtleistung zu einfallender Lichtleistung) und der Durchlaßbereich. Im Falle der Modulatoren bestimmt der Durchlaßbereich die höchste erreichbare Modulationsfrequenz, die im Falle der Telekommunikation die Übertragungsgeschwindigkeit der Informationen beschränkt. Bei Deflektoren bestimmt der Durchlaßbereich die Anzahl der trennbaren Deflexionspositionen (Kapazität) und die Umschaltgeschwindigkeit zwischen diesen Positionen. Der Durchlaßbereich einer opto-akustischen Vorrichtung ist umgekehrt proportional zur Interaktionslänge zwischen dem Lichtbündel und der Schallwelle, im Gegensatz zum Wirkungsgrad, der mit diesem Parameter zunimmt.
• Der wesentliche Nachteil dieser bekannten opto-akustischen Vorrichtungen besteht in der Schwierigkeit, gleichzeitig einen breiten Durchlaßbereich und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diesen Nachteil mit Hilfe einer optoakustischen Kompaktvorrichtung zu beheben, die einen breiten Durchlaßbereich unter Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrads ermöglicht. Zu diesem Zweck wird bei der vorliegenden Erfindung eine Überstruktur mit entsprechender Periode eingesetzt.
• Der genaue Gegenstand der Erfindung ist eine opto-akustische Vorrichtung, die aus einem photoelastischen Interaktionsmedium zwischen einem auftreffenden Lichtbündel und mindestens einer akustischen Welle besteht sowie aus Mitteln zur Erzeugung der akustischen Welle, wobei das Interaktionsmedium eine für das Lichtbündel durchlässige Überstruktur ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode der Überstruktur nahe einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge des Lichtbündels in der Überstruktur liegt, eingesetzt als Fabry- Perot-Hohlraumresonator.
• In der opto-akustischen Vorrichtung, Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wird anstelle eines massiven Materials eine Überstruktur als Interaktionsmedium eingesetzt. Die Bedingung der Phasenanpassung für die Licht- Ultraschall-Einkopplung wird in diesem Fall unterstützt durch einen reziproken Netzvektor der Überstruktur; man kann daher schreiben:
• d = i + + (2mπ/D) o (2)
• darin sind o der Einheitsvektor der Überstrukturachse,
• D die Periode der Überstruktur und
• m eine ganze positive oder negative Zahl oder Null.
• Diese Art der Interaktion zwischen dem Licht und den Phononen (aus thermischer Agitation resultierende akustische Wellen) wurde durch Raman und Brillouin (siehe Entgegenhaltung (2) und (3)) nachgewiesen. Der Einfluß eines reziproken Netzvektors auf die Bedingung der Phasenanpassung (Gleichung (2)) erlaubt die Licht-Ultraschall-Einkopplung in eine quasi-kolineare Konfiguration, was in homogenen Festkörpern unmöglich ist.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet des weiteren eine Überstruktur als optischen Fabry-Pérot-Hohlraumresonator, um die Wirksamkeit der Licht- Ultraschall-Einkopplung zu verbessern. Ein solcher Resonanzeffekt wurde bereits bei elektro-optischen Vorrichtungen (siehe Entgegenhaltung 4) und bei nicht linearen optischen Vorrichtungen (siehe Entgegenhaltung 5) eingesetzt, nicht jedoch bei opto-akustischen Vorrichtungen. Die vorher verwendeten Fabry-Pérot-Hohlräume werden alle von zwei dielektrischen Spiegeln oder von zwei Halbleiter-Überstrukturen gebildet, während bei der vorliegenden Erfindung der Hohlraum aus einer einzigen Überstrukur gebildet wird, die gleichzeitig als opto-akustisches Interaktionsmedium wirkt.
• Für die vorliegende Erfindung wird daher D nur wenig abweichend von p.l/2 gewählt, wobei l die Wellenlänge des Lichts in der Überstruktur angibt und p eine ganze positive Zahl, beispielsweise 1.
• Nimmt man zum Beispiel eine GaAs-AlAs-Überstruktur mit den entsprechend ausgewählten Strukturparametern, läßt sich mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung herstellen, deren Durchlaßbereich etwa um den Faktor 10 größer ist als der von Vorrichtungen, die GaAs in massiver Form einsetzen, bei vergleichbarer Steuerleistung und Leistungsfähigkeit. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist außerdem deutlich kompakter als bekannte Vorrichtungen.
• Generell lassen sich mit Hilfe der Erfindung Vorrichtungen für akustische Volumenwellen herstellen, die viel kompakter sind als die akustischen Volumenwellen-Vorrichtungen aus dem Stand der Technik.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist einer der die Überstruktur bildenden Werkstoffe einen hohen opto-akustischen Gütefaktor auf, mindestens das etwa 10fache des Gütefaktors von Siliziumoxid.
• In einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Überstruktur auf einer Fläche eines Substrats gebildet, deren andere Fläche, die sogenannte freie Fläche, die für die Erzeugung der akustischen Welle vorgesehenen Mittel trägt.
• Die freie Fläche des Substrats kann parallel zu den Schichten der Überstruktur verlaufen oder in Bezug auf diese Schichten leicht geneigt sein (der Neigungswinkel beträgt nur einige Grad).
• Die für die Erzeugung der akustischen Welle vorgesehenen Mittel können einen pfezoelektrischen Wandler umfassen.
• Als Variante kann die Vorrichtung eine piezoelektrische Wandlermatrix zur Erzeugung von voneinander unabhängigen akustischen Wellen umfassen.
• Nach einer weiteren besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Überstruktur auf einer Fläche eines Substrats gebildet und trägt die zur Erzeugung der akustischen Welle vorgesehenen Mittel, wobei diese aus einem Wandler akustischer Oberflächenwellen besteht, der in der Lage ist, in der Überstruktur akustische Wellen zu erzeugen, die sich parallel zu den Schichten der Überstruktur ausbreiten.
• Nach einer weiteren besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt diese außerdem ein Substrat und einen optischen Wellenleiter, der vom Substrat getragen wird, die Überstruktur ist eine im Wellenleiter gebildete laterale Überstruktur, und der Wellenleiter trägt die für die Erzeugung der akustischen Welle vorgesehenen Mittel; diese Mittel bestehen aus einem Wandler akustischer Oberflächenwellen, der in der Lage ist, in der lateralen Überstruktur akustische Wellen zu erzeugen, die sich parallel zur Achse dieser lateralen überstruktur oder bezogen auf diese Achse schräg ausbreiten.
• Die Überstruktur kann eine Halbleiter-Überstruktur sein.
• Das Lichtbündel ist vorzugsweise ein Laserstrahl (vor allem, weil ein Laser direkt ein monochromatisches Licht liefert).
• Die vorliegende Erfindung wird leichter verständlich, wenn man die folgende Beschreibung liest, die rein zur Information und keineswegs einschränkend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen gegeben wird.
• - Abbildung 1 zeigt eine Streuungskurve des Lichts bei einer Ausbreitung entlang der Achse einer Überstruktur,
• - Abbildung 2 zeigt die Schwankungen des Reflexionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts, bei normalem Einfall der Bloch-Lichtwelle, an der Schnittstelle Überstruktur/Luft und Überstruktur/Substrat,
• - Abbildung 3A zeigt die Schwankungen im Anstieg der optischen Energiedichte in der Überstruktur in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts im Verhältnis zum einfallenden Lichtbündel,
• - Abbildung 3B zeigt die Schwankungen des Reflexionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts in der Überstruktur der Abbildung 3A,
• - Abbildung 4 zeigt die Schwankungen im Anstieg der optischen Energiedichte in der Überstruktur in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts im Verhältnis zum einfallenden Lichtbündel für verschiedene Werte der Periodenanzahl in der Überstruktur,
• - Abbildung 5A stellt schematisch eine bekannte opto-akustische Vorrichtung dar, und Abbildung 5B zeigt die Regel der Erhaltung der Wellenvektoren in dieser Vorrichtung,
• - Abbildung 6A stellt schematisch eine erfindungsgemäße opto-akustische Vorrichtung dar, und Abbildung 6B zeigt die Regel der Erhaltung der Wellenvektoren in dieser Vorrichtung,
• - Abbildung 7 zeigt die Schwankungen des optimalen Wirkungsgrads der Brechung in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts in einer GaAs- AlAs-Überstruktur im Vergleich zum Wirkungsgrad bei GaAs- Festkörpern,
• - Abbildungen 8, 8A und 9 zeigen schematisch die besonderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen akustische Volumenwellen eingesetzt werden,
• - Abbildung 10 ist eine schematische Darstellung einer weiteren besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der akustische Oberflächenwellen eingesetzt werden, und
• - Abbildung 11 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine laterale Überstruktur und akustische Oberflächenwellen verwendet werden.
• Für die vorliegende Erfindung wird eine Überstruktur mit mindestens einem guten opto-akustischen Werkstoff als Interaktionsmedium verwendet. So bildet beispielsweise bei der GaAs-AlAs-Überstruktur das GaAs ein gutes optoakustisches Material im nahen Infrarotbereich (siehe Entgegenhaltung 6). Betrachtet man eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der akustische Volumenwellen eingesetzt werden, ist die Interaktionslänge Licht-Ultraschall beschränkt auf die Dicke der Überstruktur, die sehr viel geringer ist als die der bekannten Vorrichtungen. Auf diese Weise erzielt man einen breiten Durchlaßbereich. Die Periode der Überstruktur wird so gewählt (nahe einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge des auftreffenden Lichtbündels), daß eine optische Resonanzwirkung entsteht, die die optische Energiedichte im Interaktionsmedium stark erhöht und damit auch den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Der optische Resonanzeffekt und der Einfluß eines Vektors des reziproken Netzes der Überstruktur in der Bedingung der Phasenanpassung für die Licht- Ultraschall-Einkopplung stellen zwei wesentliche Phänomene der Erfindung dar. Im folgenden wird dieser Effekt detailliert erläutert, und es wird ein Vergleich angestellt zwischen massivem Medium und Überstruktur hinsichtlich der optoakustischen Interaktion.
• Zuerst einmal soll die Wirkung des optischen Hohlraumresonators in einer Überstruktur untersucht werden.
• Eine bestimmte, auf einem Substrat gebildete Überstruktur kann die Rolle des optischen Hohlraumresonators für bestimmte, bewußt gewählte Lichtwellenlängen nahe 2D spielen. Im Innern der Überstruktur sind die optischen Wellen Bloch-Wellen mit periodischer Amplitude und gleicher Periode wie die Überstruktur. Der Unterschied zwischen Bloch-Wellen und ebenen Wellen (konstante Amplitude) wird umso deutlicher je näher man dem Rand π/D der Brillouin-Zone im k-Raum kommt. In diesem Bereich wirken die freie Fläche der Überstruktur und die Schnittstelle Überstruktur/Substrat wie stark reflektierende Spiegel auf die Bloch-Wellen. Dadurch kommt es zu einer starken Konzentration von Lichtenergie in der Überstruktur wie im Innern eines optischen Fabry-Pérot-Hohlraumresonators.
• Man betrachtet eine Überstruktur, die aus abwechseln den Schichten aus GaAs (Dicke d1 = 84 nm) und AlAs (Dicke d2 = 56 nm) und untersucht die Ausbreitung der Lichtwellen bei den Lichtwellenlängen, bei denen GaAs und AlAs transparent sind.
• In Abbildung 1 wurde die Streuungskurve des Lichts bei einer Ausbreitung entlang der Achse der Überstruktur gezeichnet. Bei Wellenlängen zwischen 887,5 nm und 992 nm ist der Bloch-Wellenvektor des Lichts in der Überstruktur dargestellt durch eine komplexe Zahl, die einer abklingenden Lichtwelle entspricht.
• Dieses Wellenlängernntervall wird "stop band" genannt (in den Abbildungen mit SB bezeichnet) oder "optische Bandlücke" oder "optisches verbotenes Band". Der reale Teil des Bloch-Wellenvektors, der SB entspricht, ist gleich π/D. Genau dieser Wert ist die Grenze der ersten Brillouin-Minizone der Überstruktur. Die Schnittstellen Luft/Überstruktur und Überstruktur/Substrat (im allgemeinen ist das Substrat GaAs) haben hier die Aufgabe von Spiegeln um k = π/D, denn ihre Reflexionsfähigkeit liegt in diesem Bereich für die Bloch-Welle in der Überstruktur nahe bei 1, wie man aus Abbildung 2 ersehen kann.
• In Abbildung 2 wurde der Reflexionskoeffizient R bei normalem Einfall der Bloch-Welle auf die Schnittstelle Überstruktur/Luft (durchgehende Linie) und Überstruktur/Substrat (punktierte Linie) als Funktion der Wellenlänge 1 des Lichts aufgezeichnet, und es läßt sich erkennen, daß die Reflexionsfähigkeit in unmittelbarer Nähe der Bandlücke sehr groß ist.
• Der Anstieg G der Lichtenergiedichte in der Überstruktur (bei einer Periodenanzahl N gleich 75) im Verhältnis zu der des einfallenden Bündels ins Vakuum ist in Abbildung 3A angegeben. Die Spitzen entsprechen den Wellenlängen des Lichts, die die Resonanzbedingung erfüllen. Wird diese Resonanzbedingung geprüft, erreicht die Reflexionsfähigkeit R der Überstruktur das Minimum (Abb. 3B), wie bei einem herkömmlichen Fabry-Pérot-Hohlraumresonator, der aus zwei gegenüberliegenden Spiegeln besteht.
• In Abbildung 4 wird aufgezeigt, daß Feinheit und Amplitude der Resonanzspitzen mit der Anzahl N der Perioden der Überstruktur zunehmen. Die Kurven I, II und III entsprechen jeweils der Periodenanzahl N1 = 100, N2 = 75 und N3 = 50. Man stellt auch fest, daß die Resonanz umso stärker wird je näher sie an der Frequenz des verbotenen Bandes liegt.
• Alle oben genannten Ergebnisse stammen aus Berechnungen der Ausbreitung des Lichts im System Luft/Überstruktur/Substrat, wobei man von Maxwell'schen Gleichungen und den Kontinuitätsbedingungen elektrischer und magnetischer Felder an den unterschiedlichen Schnittstellen ausgeht. Als Beispiel wurde eine GaAs-AlAs-Überstruktur mit dI (GaAs) = 84 nm und d2 (AlAs) = 56 nm genommen, denn GaAs ist im Infrarotbereich ein gutes opto- akustisches Material. Die Periode D dieser überstruktur wurde so ausgewählt, daß sich die Resonanzen in den Wellenlängen befinden, in denen GaAs transparent ist und im Verwendungsspektrum eines Farbstofflasers LDS21 (der Größenordnung 800 bis 900 nm) liegt. Versuchsweise verschiebt man die Wellenlänge des Farbstofflasers so, daß sie in die Resonanzbedingungen des Überstruktur-Hohlraums fällt (was den Spitzen in Abbildung 4 entspricht). Die Stärken der einzelnen GaAs- und AlAs-Schichten wurden so aufeinander abgestimmt, daß die opto-akustische Interaktion im Überstruktur-Hohlraum, wie man später sehen wird, optimiert wird.
• Selbstverständlich können diese Ergebnisse auch für andere Überstruktur-Typen (beispielsweise GaInAs/InP) und andere Wellenlängen verallgemeinert werden, die sich für manche Anwendungen als interessanter erweisen könnten, insbesondere für diejenigen, die die optische Telekommunikation bei 1,3 um und 1,5 um betreffen.
• Nun zur opto-akustischen Interaktion und zum Vergleich zwischen einem homogenen Medium und einer Überstruktur:
• Der Mechanismus der Interaktion des Lichts mit einer Ultraschallwelle beruht auf dem photoelastischen Effekt. Breitet sich eine akustische Welle in einem Material aus, so besteht ein strukturell ähnliches Belastungsfeld, das eine periodische Störung des Brechungsindex' im Medium hervorruft. Diese Störung des Brechungsindex/ wirkt auf eine sich im Medium ausbreitende Lichtwelle wie ein optisches Mengenraster und erzeugt ein bei der Frequenz fd = fi + F (fi und f sind die Frequenzen des einfallenden Lichtbündels bzw. der akustischen Welle) diffraktierendes Lichtbündel. Die Diffraktion ist nur wirksam, wenn die Bedingung der Phasenanpassung gegeben ist. Die Bedingung der Phasenanpassung gewährleistet, daß die an verschiedenen Punkten des Mediums gebrochenen Lichtstrahlen in Phase sind und in konstruktiver Weise Interferenzen erzeugen.
• In einem homogenen Medium ist die Bedingung der Phasenanpassung durch die Regel der Erhaltung der Momente, also kd = ki + K; ki, kd und K sind hierbei jeweils der Wellenvektor des einfallenden Lichts, der des gebrochenen Lichts und der der akustischen Welle. Da der Modul des Vektors der akustischen Welle weit kleiner ist als die Module der Vektoren ki und kd, kann die Interaktion nur in der Konfiguration erfolgen, in der die Lichtbündel und die akustische Welle praktisch lotrecht sind. Dies wird aus den Abbildungen 5A und 5B ersichtlich.
• Abbildung 5A zeigt eine bekannte opto-akustische Elementarzelle, die einen Block 2 eines photoelastischen Materials und einen piezoelektrischen Wandler 4 aufweist, der an einer Seite des Blocks 2 anliegt. Der Wandler 4 ist beispielsweise eine LiNbO&sub3;-Lamelle die auf beiden Seiten metallische Elektroden 6 trägt, wobei eine dieser Elektroden an der genannten Fläche des Blocks 2 anliegt. Wenn der Wandler 4 erregt ist, wird im Block 2 eine akustische Welle erzeugt. Die Wellenebenen sind mit der Bezugsnummer 8 bezeichnet, die Entfernung zwischen zwei nebeneinander liegenden Wellenebenen mit L. Mit Hilfe eines Lasers 10 wird ein Lichtbündel 12 auf den für das Licht des Lasers 10 transparenten Block 2 gesendet. Das einfallende Lichtbündel 12 bildet mit den Wellenebenen 8 einen Winkel t; t ist im allgemeinen kleiner als 1º und entspricht der sogenannten "Bragg- Gleichung". Das übertragene Lichtbündel 14 und das gebeugte Bündel 16 bilden mit diesen Ebenen ebenfalls einen Winkel t.
• Aufgrund der künstlichen Periodizität lautet in einer Überstruktur die Bedingung der Phasenanpassung:
• d = i + K + (2mπ/D) o
• (m = 0, ±1, ±2, ...). Hier ist zo der Einheitsvektor entlang der Achse Z der Überstruktur, (2 in it/D) zo ist ein Vektor des reziproken Gitters, parallel zu Z. Der Einfluß der künstlichen Periodizität D in der Bedingung der Phasenanpassung ermöglicht die Interaktion des Lichts mit der akustischen Welle in einer quasi- kolinearen Konfiguration entlang der Achse der Überstruktur. So ist z.B. für m = ±1, wenn ki entgegengesetzt ist zu kd und wenig abweichend von (π/D)zo, der Modul des akustischen Wellenvektors verglichen mit dem des Vektors ki sehr klein. Daher kann die Frequenz der akustischen Welle unter den Einkopplungsbedingungen im Spektrum der Ultraschallwellen, die durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugt werden, abgesenkt werden (d.h. von 50 MHz auf etwa 1 GHz). Diese Form der Interaktion bei niedriger Frequenz, unterstützt durch einen Vektor des reziproken Gitters, wurde in den Versuchen der Lichtdiffusion durch umgeklappte akustische Phononen ("folded acoustic phonons") vorausgesagt und beobachtet. Diese Interaktion ist in den Abbildungen 6A und 6B dargestellt.
• Abbildung 6A stellt eine erfindungsgemäße akustische Elementarzelle dar, die aus einer aus einem Substrat 20 gebildeten Überstruktur 18 besteht. Die Überstruktur 18 ist ein Stapel von abwechselnden Schichten 22 und 24. Die Dicke der Schichten 22 ist mit d1 bezeichnet, die der Schichten 24 mit d2, sodaß D = d1 + d2. Der Wandler 4 liegt an der freien Fläche des Substrats 20 an. Mittels eines Lasers 26 wird ein Lichtbündel 28 auf die freie Fläche der für das Laserlicht der Wellenlänge l als transparent geltenden Überstruktur geschickt, wobei D wenig von l/2 abweicht. Das einfallende Lichtbündel 28 bildet mit den Wellenebenen 8, die aus der Erregung des Wandlers 4 entstanden sind, einen Winkel t1 (nahe 90º). Das übertragene Lichtbündel 30 und das gebeugte Bündel 32 bilden mit diesen Wellenebenen ebenfalls t1-Winkel.
• Es wurde bereits aufgezeigt, wie sich die optische Resonanzwirkung vom Typ Fabry-Pérot in einer Überstruktur äußert, wenn sich der Wellenvektor des Lichts dem Rand der Brillouin-Minizone nähert. Die Energiedichte des Lichts in der Überstruktur ist weit größer als die des einfallenden Strahls bei Resonanzbedingung. Man darf daher eine sehr starke opto-akustische Interaktion in der Überstruktur erwarten.
• Abbildung 7 zeigt die Schwankungen in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad der Diffraktion nSL in einer GaAs-AlAs-Überstruktur (d1 = 84nm, d2 = 56 nm, N = 150) und zum Wirkungsgrad der Diffraktion nGaAs bei GaAs-Festkörpern in Abhängigkeit von der Wellenlänge l des Lichts. Die Interaktion in der Überstruktur liegt in der quasi-kolinearen Konfiguration, während bei GaAs-Festkörpern die Lichtbündel und die akustische Welle praktisch lotrecht verlaufen (unter der Bragg-Bedingung). Die Wirkungsgrade in beiden Fällen werden unter der Voraussetzung verglichen, daß die Länge der opto-akustischen Interaktion und die akustische Leistung identisch sind. P1 und P2 entsprechen den beiden ersten Resonanzspitzen. In Abbildung 7 erkennt man, daß der Diffraktionswirkungsgrad in der Überstruktur das 800fache des Diffraktionswirkungsgrads in einem GaAs-Festkörper erreichen kann.
• Der Diffraktionswirkungsgrad hängt weitgehend von der Struktur der Überstruktur ab. In einer GaAs-AlAs-Überstruktur schwankt er mit der relativen Dicke X der AlAs-Schicht (X gleich der Dicke der AlAs-Schichten geteilt durch die Periode D). Die höchste Diffraktionswirkung wird erzielt, wenn X = 0,4. Dieser Wert steht im Zusammenhang mit den Refraktionsindices und dem Verhältnis der photoelastischen Konstanten der beiden die Überstruktur bildenden Werkstoffe.
• Der Effekt des Einschlußes der optischen Energie in der Überstruktur ermöglicht eine sehr wirksame Interaktion des Lichts mit der Ultraschallwelle verglichen mit homogenen Medien in einer relativ geringen Kopplungslänge L (L = N . D). Dies führt zu einem sehr breiten Durchlaßbereich DF, wie DF = v/L, wobei v die akustische Geschwindigkeit in dem Medium ist. Bei einer Überstruktur von 20 um Dicke beispielsweise liegt DF bei etwa 250 MHz, einem Wert, der mit den bekannten Vorrichtungen, die Festkörpermedien einsetzen, nicht erreichbar ist.
• In Abbildung 8 wurde eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt. Es handelt sich um einen opto-akustischen Modulator, der aus einer auf einem Substrat 36 gebildeten Überstruktur besteht. In diesem Beispiel ist das Substrat GaAs, die Überstruktur ist ein Stapel abwechselnd er Schichten, jeweils aus GaAs (Schichten 38) und AlAs (Schichten 40). Die Anzahl der Perioden wird mit N bezeichnet. Die Seitenmaße der Überstruktur werden mit H und W bezeichnet. Der piezoelektrische Wand 1er 4 ist an der freien Fläche des Substrats 36 befestigt. Diese freie Fläche verläuft senkrecht zur Z-Achse der Überstruktur (was auch bei der in Abb. 6A dargestellten Vorrichtung der Fall war). Ein Spannungsgenerator 42, versehen mit einem elektrischen Adapter 44, ermöglicht das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden 6 des Wandlers 4.
• Wenn nun ein Laserstrahl (nicht dargestellt) die freie Fläche der Überstruktur in einem bestimmten Einfallwinkel anstrahlt, verlaufen die einfallenden Strahlen im Innern der Überstruktur aufgrund der hohen Brechungskoeffizienten der die Überstruktur bildenden Halbleitermaterialien fast senkrecht zu den Schichten. Die eintreffende Lichtwelle und die Ultraschallwelle sind praktisch kolinear und der gebeugte Strahl (nicht dargestellt) wird in die entgegengesetzte Richtung des einfallenden Strahls gelenkt (Brechung in die Gegenrichtung). Die Wellenlänge des Lichts liegt nahe bei dem verbotenen optischen Band ("stop band") der Überstruktur und ist genau so eingestellt, daß die Resonanzbedingung erfüllt ist. Die Reflexion des Lichts durch die Überstruktur ist daher bei Fehlen der Ultraschallwelle minimal. Wird durch den Wandler eine Ultraschallwelle in die Überstruktur geleitet, entsteht ein gebrochener Strahl. Die Intensität des gebrochenen Strahls hängt von der akustischen Leistung ab. Auf diese Weise erreicht man die Modulation des Lichts.
• Die folgenden Parameter der Vorrichtung aus Abbildung 8 dienen lediglich zur Information und haben keinerlei einschränkenden Charakter:
• Schichtdicke: d(GaAs) = 84 nm, d(AlAs) = 56 nm.
• Anzahl der Perioden: N = 150
• Gesamtdicke der Überstruktur: L = ND = 21 um
• Substratdicke: d(substrat) = 0,5 mm
• Wandlerdicke: d(LiNbO&sub3; = 15 um
• Elektrokendicke: e< 0,1 um
• Seitenlänge: W = 1 mm, H = 1 mm
• Arbeitslänge der optischen Welle: l = 886 nm
• Hauptfrequenz der angelegten elektrischen Spannung: f = 500 MHz
• angelegte Spannung zwischen den Elektroden: etwa 10 V
• elektrische Impedanzanpassung: R = 50 ohm
• Durchlaßbereich des Modulators: DF = v/L = 250 MHz (akustische Geschwindigkeit v = 5000 m/s)
• Abmessungen: 1 x 1 x 0,5 mm³
• Zahlreiche Vorrichtungen der in Abbildung 8 gezeigten Art können in Form von zweidimensionalen Matrizes auf einem gleichen Substrat gruppiert werden.
• Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist schematisch in Abbildung 8A dargestellt. Die hier gezeigte Vorrichtung umfaßt eine Überstruktur 34a, gebildet auf einer Fläche des Substrats 36a. Die andere Fläche des Substrats trägt eine piezoelektrische Lamelle 4a. Eine Fläche dieser Lamelle trägt eine Elektrode 6a auf der Seite des Substrats, während die andere Seite eine Elektrodenmatrix E11... Eij... trägt. Jede Elektrode hat zum Beispiel die Form eines Rechtsecks, dessen Abmessungen praktisch mit H und W identisch sind (siehe Abbildung 8).
• Zum Betrieb der in Abbildung 8A dargestellten Vorrichtung kann die Elektrode 6a an die Masse angelegt werden, während die Elektroden E11... Eij... unabhängig voneinander durch entsprechende Mittel an die Spannungen V11... Vij angelegt sind (hier nicht dargestellt). Man kann daher davon ausgehen, daß man eine Matrix aus opto-akustische Elementarzellen hat, die sich in monolithischer Form darstellen und jeweils mit einem piezoelektrischen Elementarwandler T11... Tij...verbunden sind. Wenn man also auf die freie Fläche der Überstruktur 34a einen Laserstrahl der Wellenlänge l, bei welcher die Überstruktur transparent ist (mit D, der Periode der Überstruktur nahe 1/2), sendet, wird die in jeder Elementarzelle erzeugte akustische Welle mit dem Teil des Laserstrahl interagieren, der dieser Elementarzelle gegenüber liegt, um diesen Teil zu modulieren.
• Die Fläche des Substrats, welche die Elektrode 6a trägt, kann parallel zu den Schichten der Überstruktur 34a oder leicht geneigt zu diesen Schichten verlaufen (wie in der nachfolgend beschriebenen Abbildung 9).
• In Abbildung 9 wird schematisch eine andere, erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen opto-akustischen Deflektor, der sich von der in Abb. 8 dargestellten Vorrichtung nur dadurch unterscheidet, daß der Wandler im Winkel a zu den Schichten der Überstruktur geneigt ist, wobei die freie Fläche des Substrats mit diesen Schichten den Winkel a bildet. Das vom Laser ausgehende Licht (nicht dargestellt) wird senkrecht auf die freie Fläche der Überstruktur emittiert. In Gegenwart der Ultraschallwelle (die sich entlang einer Richtung ausbreitet, die den Winkel a mit der Wachstumsachse Z der Überstruktur bildet) wird der Strahl in eine in Bezug auf die Z-Achse der Überstruktur leicht abweichende Richtung gebeugt. Der Abweichungswinkel schwankt je nach der Frequenz der Ultraschallwelle. Man erreicht daher die Deflexion des Strahls, indem man die Frequenz der zwischen den Elektroden 6 angelegten Spannung ändert.
• Die folgenden Parameter der Vorrichtung aus Abbildung 9 sind lediglich zur Information und keineswegs einschränkend zu sehen:
• Schichtdicke: d(GaAs) = 84 nm, d(AlAs) = 56 nm.
• Anzahl der Perioden: N = 150
• Gesamtdicke der Überstruktur: L = ND = 21 um
• Seitenlänge: W = 10 mm, H = 2 mm
• Neigungswinkel des Substrats: a = 5º42' (e1 = 0,5 mm, e2 = 1,5 mm)
• Dicke des Wandlers: d(LiNbO&sub3; = 15 um
• Dicke der Elektroden: e< 0,1 um
• Arbeitslänge der optischen Welle: l = 886 nm
• angelegte Spannung zwischen den Elektroden: etwa 10 V
• elektrische Impedanzanpassung: R = 50 ohm
• Hauptfrequenz der angelegten elektrischen Spannung: f = 500 MHz
• Durchlaßbereich: DF = v/L = 250 MHz (akustische Geschwindigkeit v = 5000 m/s)
• Dem gebeugten Strahl zugänglicher Deflexionswinkel: dt = (l/L)tga = o,25º
• Anzahl der trennbaren Deflexionspositionen: Ns = (W/L)tga = 50
• Zugriffszeit: T = (W/v)sin² a = 0,2 Mikrosekunden
• Abmessungen: 10 x 2 x 1,5 mm³
• Abbildung 10 zeigt die schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung, die aus einer Überstruktur 46 beispielsweise vom Typ GaAs-GaAlAs auf einem Substrat 48 beispielsweise aus GaAs besteht. Die freie Fläche der Überstruktur ist versehen mit einem akustischen Oberflächenwellenwandler 50, der in erregtem Zustand akustische Oberflächenwellen in der Überstruktur 46 erzeugt. Diese Oberflächenwellen breiten sich parallel zu den Schichten der Überstruktur aus. Man verwendet beispielsweise einen auf der freien Fläche der Überstruktur gebildeten piezoelektrischen Wandler mit parallelgeschaltetem Kamm. Es wird ein Lichtstrahl 52, emittiert von einem Laser 54, auf die freie Fläche der Überstruktur 46 gesendet und ein Laser mit einer Emissionswellenlänge l gewählt, bei welcher die Überstruktur transparent ist, wobei außerdem D nahe l/2 ist (D = Periode der Überstruktur).
• Breiten sich keine akustischen Oberflächenwellen aus, so erhält man einen reflektierten Strahl 56, während man abgelenkte Strahlen 58 (deren Richtung von der Frequenz der akustischen Oberflächenwellen abhängt) erhält, wenn akustische Oberflächenwellen vorhanden sind.
• In Abbildung 11 ist schematisch eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Diese weitere Vorrichtung besteht aus einer lateralen Überstruktur 60, gebildet auf einem optischen Wellenleiter 62, dieser wiederum gebildet auf einem Substrat 64. Ein akustischer Oberflächenwellenwandler 66 befindet sich auf der freien Fläche des Wellenleiters 62 gegenüber der lateralen Überstruktur 60. Diese besteht aus einer Aufeinanderfolge von parallelen Bändern 68 eines bestimmten Materials, die mit den Bändern 70 aus einem anderen Material abwechseln und parallel zu den Bändern 68 verlaufen. Besteht der Wellenleiter aus einem piezoelektrischen Material, ist der Wandler 66 beispielsweise ein xxx Wandler mit parallelgeschaltetem Kamm, dessen Zähne parallel zu den Bändern 68 und 70 verlaufen (und der durch nicht dargestellte Mittel gesteuert wird). Die Bänder 68 haben eine Breite von d1 und die Bänder 70 eine Breite von d2, wobei d1 + d2 = D (Periode der lateralen Überstruktur). Die Bänder 68 und 70 haben die gleiche Dicke wie der Wellenleiter.
• Rein informativ und keineswegs einschränkend sei gesagt, daß das Substrat aus Ga1-xAlxAs und der Wellenleiter aus Ga1-yAlyAs besteht, wobei y< x, und die Bänder 70 aus dem Material des Wellenleiters sind, während die Bänder 68 aus Ga1-zAlzAs bestehen, wobei z nicht gleich y ist. Die Bänder 68 erhält man durch Ätzen paralleler auseinanderliegender Bereiche in Form von Bändern über seine gesamte Dicke des Wellenleiters, danach wird jeder dieser Bereiche mit Ga1-z AlzAs beschichtet.
• Ein Lichtbündel 71 wird im Wellenleiter eingeschlossen und schräg zur Überstruktur in diesen injiziert, und zwar auf der Seite dieser Überstruktur, die der Seite gegenüberliegt, auf der sich der parallelgeschaltete Kamm 66 befindet, zum Beispiel mit Hilfe eines Eingangsbrechungsgitters 72. Die durch den Wandler mit parallelgeschaltetem Kamm 66 erzeugten akustischen Wellen breiten sich an der Oberfläche der Vorrichtung aus und interagieren mit dem Lichtbündel. Dieses wird durch die akustische Welle in der Überstruktur gebrochen und kann danach beispielsweise mittels eines Ausgangsbrechungsgitters 74 aus dem Wellenleiter extrahiert werden.
• Auf diese Weise erhält man einen opto-akustischen Modulator (die Lichtstärke des reflektierten Strahls hängt von der an den parallelgeschalteten Kamm abgegebenen elektrischen Leistung ab). Führt man den Kamm schräg zur Achse Z1 der Überstruktur aus, entsteht ein opto-akustischer Deflektor (der Winkel des abgeleiteten Strahls hängt von der Frequenz der zwischen den Klemmen des parallelgeschalteten Kamms angelegten Spannung ab). Dies führt zu Vorrichtungen, deren Merkmale (Durchlaßbereich, Geschwindigkeit, Kapazität, Wirkungsgrad,..) denen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die akustische Volumenwellen einsetzen, ähnlich sind.
• Die in vorliegender Erfindung zur Herstellung einer opto-akustischen Vorrichtung eingesetzte optische Resonanz kann auch in anderen Vorrichtungen eingesetzt werden, insbesondere bei opto-elektrischen Vorrichtungen und Vorrichtungen nichtlinearer Optik.
Entgegenhaltungen
• 1) J. Sapriel, "Acousto-optics", John Wiley and Sons, New York, 1979
• 2) J. He, B. Djafari-Rouhani, J. Sapriel, "Theory of light scattering by longitudinal-acoustic phonons in superlattices", Phys. Rev. B37, 4086 (1988)
• 3) J. Sapriel, J. He, B. Djafari-Rouhani, R. Azoulay, F. Mollot, "Coupled Brillouin-Raman study of direct and fouldet acoustic modes in GaAs-AlAs superlattices", Phys. Rev. B37, 4099 (1988)
• 4) R.J.Simes, R.H. Yan, R. Geels, L.A. Coldren, J.H. English, and A.C. Gossard, "Fabry-Perot multiple-quantum well index modulator", Appl. Optics 27, 2103 (1988)
• 5) R. Kuszelewicz, J.L. Oudar, L.C. Michel, and R. Azoulay, "Monolithic GaAs/AlAs optical bistable etalons with improved switching characteristics", Appl. Phys. Lett. 53, 2138 (1988)
• 6) R.W. Dixon, "Photoelastic properties of selected materials and their relevance for applications to acoustic light modulators and scanners", J. of Appl. Phys. 38, 5149 (1967).

Claims (11)

1. Opto-akustische Vorrichtung bestehend aus einem photoelastischen Interaktionsmedium zwischen einem auftreffenden Lichtbündel gegebener Wellenlänge und mindestens einer akustischen Welle sowie Mitteln (4, 50, 66) zur Erzeugung der akustischen Welle, wobei das Interaktionsmedium eine für das Lichtbündel durchlässige Überstruktur (18, 34, 46, 60) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der genannten Überstruktur einem vielfachen Ganzen der Hälfte der genannten Wellenlänge des Lichtbündels in der Überstruktur nahekommt, wobei das genannte Medium* als optischer Hohlraumresonator von Fabry-Pérot dient.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der die Überstruktur (18, 34, 46, 60) bildenden Werkstoffe einen hohen, mindestens dem etwa 10fachen Faktor des Siliziums entsprechenden opto-akustischen Gütefaktor aufweist.

3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überstruktur (18, 34) an einer Seite eines Substrats (20, 36) gebildet wird, dessen andere Seite, die sogenannte freie Seite, die zur Erzeugung der akustischen Welle vorgesehenen Mittel (34) trägt.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Seite des Substrats (20, 36) parallel zu den Schichten (38, 40) der Überstruktur verläuft.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Seite des Substrats (36) bezogen auf die Schichten (38, 49) der Überstruktur geneigt ist.

6. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der akustischen Welle einen piezoelektrischen Wandler umfassen.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine piezoelektrische Wandlermatrix (Tij) aufweist, um jeweils voneinander unabhängige akustische Wellen zu erzeugen.

8. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überstruktur (46) auf einer Seite eines Substrats (48) gebildet wird und die zur Erzeugung der akustischen Welle vorgesehenen Mittel (50) trägt, zu denen ein Oberflächenschallwellenwandler gehört, der in der Überstruktur akustische Wellen erzeugt, die parallel zu den Schichten der Überstruktur verlaufen.

9. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem ein Substrat (64) und einen vom Substrat getragenen optischen Hohlleiter (62) umfaßt, daß die Überstruktur (60) eine im Hohlleiter gebildete laterale Überstruktur ist, und daß diese die zur Erzeugung der akustischen Welle vorgesehenen Mittel (66) trägt, wobei diese Mittel einen Oberflächenschallwellenwandler darstellen, der in der lateralen Überstruktur akustische Wellen erzeugen kann, die sich parallel zur Achse dieser lateralen Überstruktur oder schräg zu dieser Achse ausbreiten.

10. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Überstruktur (18, 34, 46, 60) eine Halbleiter- Überstruktur ist.

11. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbündel ein Laserstrahl ist. *Anmerkung des Übersetzers: In der französischen Vorlage wurde an dieser Stelle handschriftlich korrigiert, ein Teil dieser Eintragung ist nicht lesbar, daher ist die Übersetzung dieser Stelle zweifelhaft und sollte nachgeprüft werden.