DE10110468B4

DE10110468B4 - Wellenlängenselektives Filterelement sowie Filtersystem mit einem solchen Filterelement

Info

Publication number: DE10110468B4
Application number: DE2001110468
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Engelhardt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2021-03-06
Also published as: DE10110468A1

Abstract

Wellenlängenselektives Filterelement, das mindestens einen Wellenlängenbereich einer auf das Filterelement auftreffenden Strahlung filtert, mit einer Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren, deren Länge entsprechend der gewünschten spektralen Lage und deren Längenverteilung entsprechend der gewünschten spektralen Breite des mindestens einen Wellenlängenbereichs gewählt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement sowie ein Filtersystem mit einem solchen Filterelement.

Bei einem bekannten Filterelement ist auf ein Substrat eine Reflex-Beschichtung aufgebracht zum Verspiegeln für eine mittels des Filterelements aus einem optischen Bereich des Spektrums auszufilternde Wellenlänge.

Bei diesem Filterelement weist das Substrat selbst für die der auszufilternden Wellenlänge benachbarten Wellenlängen einer Strahlung eine möglichst hohe Transmission auf.

Weiterhin ist es bekannt, ein Filterelement zu realisieren, indem Kristalle mit definierten Verunreinigungen, das heißt Dotieratomen, verwendet werden, die in dem Kristall Absorptionslinien besitzen, deren Wellenlänge genau der Wellenlänge der Strahlung entspricht, die aus der auftreffenden Strahlung herausgefiltert werden soll.

Weiterhin sind aus [1] Grundlagen über Kohlenstoff-Nanoröhren und deren grundlegende Eigenschaften bekannt.

In [2] sind Herstellungsverfahren beschrieben, die ein selbstjustiertes Wachstum von Kohlenstoff-Nanoröhren ermöglichen.

In [3] ist ein Verfahren zum Herstellen von einer Folie aus Kohlenstoff-Nanoröhren bekannt, welche auch als Bucky-Paper bezeichnet wird.

In [4] ist eine Titan-Nanoröhre beschrieben sowie deren möglicher Einsatz als Filterelement zum Absorbieren ultravioletter Strahlung.

In [5] sind Kohlenstoff-Nanoröhren-Filme, die auf einem Substrat ausgerichtet sind, und entsprechende Präparationsverfahren beschrieben.

In [6] ist ein optisches Bauteil, das eine Lichtleitfaser aufweist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben.

In [7] ist ein breitbandig arbeitendes, lichtstrombegrenzendes Filter für Strahlung insbesondere im sichtbaren und nahem infraroten Bereich beschrieben, durch das die Stärke eines Lichtstroms auf einen Wert unterhalb eines Schwellenwertes begrenzt wird, wobei das Filter Kohlenstoff-Nanoröhren aufweist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Filterelement und ein Filtersystem mit dem Filterelement anzugeben, welches sehr einfach und kostengünstig herstellbar ist und eine geringe Größe aufweist.

Das Problem wird durch das wellenlängenselektive Filterelement mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch das Filtersystem gemäß Anspruch 6 gelöst.

Ein wellenlängenselektives Filterelement zum Filtern mindestens eines Wellenlängenbereichs von auf das Filterelement auftreffender Strahlung weist eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren auf, deren Längen für die Einstellung der Filtercharakteristik des Filterelements derart gewählt sind, dass die gewünschte spektrale Lage und Breite des mindestens einen Wellenlängebereichs erreicht wird.

Anschaulich kann die Erfindung darin gesehen werden, dass ein wellenlängenselektives Filter mit Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet wird.

Ein solches Filterelement ist sehr einfach and kostengünstig herstellbar und weist aufgrund der geringen Größe der Kohlenstoff-Nanoröhren, die üblicherweise einen Durchmesser von einem bis einigen 10 nm und eine Länge von bis zu einigen Mikrometern aufweisen, eine geringe Größe auf.

Anschaulich wird somit mittels des Filterelements ein einstellbar vorgegebenes Teilspektrum des Gesamtspektrums der auf das Filterelement auftreffenden Strahlung herausgefiltert.

Die Nanoröhren können zu einer Nanoröhren-Schicht angeordnet sein, beispielsweise kann sogenanntes Bucky-Paper verwendet werden, in dem Kohlenstoff-Nanoröhren zu einer dünnen Schicht bzw. dünnen Folie zusammen angeordnet sind.

Ein Filtersystem zum Übertragen and Filtern von Strahlung, vorzugsweise von optischer Strahlung, weist einen ersten Lichtwellenleiter auf, über den Strahlung mit einem vorgegebenen Spektrum übertragen werden kann. Ausgangsseitig ist der erste Lichtwellenleiter mit einem wellenlängenselektiven Filterelement zum Filtern mindestens eines Wellenlängenbereichs aus dem Spektrum der auf das Filterelement auftreffenden Strahlung gekoppelt, wobei das wellenlängenselektive Filterelement eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren aufweist, deren Längen für die Einstellung der Filtercharakteristik des Filterelements entsprechend der spektralen Lage und Breie des mindestens einen Wellenlängenbereichs gewählt sind. An den Ausgang des Filterelements kann ein zweiter Lichtwellenfilter gekoppelt sein, über den die aus dem Filterelement austretende Strahlung übertragen werden kann.

Das Filterelement kann sowohl als Transmissionsfilter, als Reflexionsfilter oder auch als Absorptionsfilter eingesetzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen
1 einen Querschnitt durch ein Filtersystem mit einem Filterelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Draufsicht auf ein Filterelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3a and 3b ein Beispiel einer spektralen Intensitätsverteilung der auf das Filterelement auftreffenden Strahlung (3a), der aus dem Filterelement austretenden, das heißt transmittierten Strahlung (3b) sowie der zugehörigen Längenverteilung der Kohlenstoff-Nanoröhren in dem Filterelement (3c).
1 zeigt ein Filtersystem 100 zum Übertragen und Filtern von elektromagnetischer, vorzugsweise optischer Strahlung.
Die optische Strahlung weist eine Vielzahl von Wellenlängen auf, das heißt eine Vielzahl von unterschiedlichen Teilspektren aus dem gesamten Spektrum, die mittels eines ersten Lichtwellenleiters 101 übertragen werden können.
Die Strahlung mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge ist in 1 mit jeweils einem Pfeil 102 symbolisiert. Aus dem gesamten Spektrum 103 der Strahlung, im Weiteren als Gesamtspektrum bezeichnet, soll mittels eines Filterelements 104 ein vorgegebenes Teilspektrum bei einer Mittenwellenlänge λ₀ mit einer Breite Δλ aus dem Gesamtspektrum 103 herausgefiltert werden.
Das Filterelement 104 weist eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren 105 mit einer vorgegebenen Länge auf, deren Längenverteilung N in 3c beispielhaft dargestellt ist.
Symbolisch ist die Länge der Kohlenstoff-Nanoröhren 105 in dem Filterelement 104 mittels eines Doppelpfeils 106 dargestellt.
Das Filterelement 104 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine dünne Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhren 105, vorzugsweise wird ein sogenanntes Bucky-Paper, das heißt eine Folie mit Kohlenstoff-Nanoröhren 105 eingesetzt werden.
Die geordnete Struktur der Kohlenstoff-Nanoröhren 105 in 1 ist lediglich symbolisch zu verstehen, in einem Bucky-Paper ist selbstverständlich die Anordnung der Kohlenstoff-Nanoröhren 105 wesentlich ungeordneter.
Durch die Schicht von Kohlenstoff-Nanoröhren 105, das heißt mittels des Filterelements 104 wird die auf das Filterelement 104 auftreffende Strahlung 103 (vgl. auch 2) in einem vorgegebenen Wellenbereich abhängig von der Länge der Kohlenstoff-Nanoröhren 105 in dem Filterelement 108 geschwächt, das heißt gefiltert.
Die spektrale Lage, das heißt die Mittenwellenlänge λ₀ der herauszufilternden Strahlung 109 und die Breite des Teilspektrums der herauszufilternden Teilspektrums Δλ ist abhängig von der Länge l der Kohlenstoff-Nanoröhren und deren Längenverteilung N.
3a zeigt eine spektrale Intensitätsverteilung 301 der auf das Filterelement 108 auftreffenden Strahlung 103.
3b zeigt die spektrale Intensitätsverteilung 302 der transmittierten Strahlung.
l zeigt einen an einem Ausgang des Filterelements 104 angekoppelten zweiten Lichtwellenleiter 107 und die transmittierte Strahlung 108.
Wie 1 zu entnehmen ist, ist aufgrund des Filterelements 104 die herauszufilternde Strahlung 109 in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich herausgefiltert und wird mittels des zweiten Lichtwellenleiters 107 nicht weiter übertragen.
In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass die oben beschriebenen Zusammenhänge ebenfalls für die Reflexion von Strahlung gelten.
Kohlenstoff-Nanoröhren der Länge λ₀/2 oder eines ganzzahligen Vielfachen davon führen zu einer Absorption von Strahlung der Wellenlänge λ₀ und werden dadurch zur Abstrahlung von Dipolstrahlung mit der dafür bekannten Abstrahlcharakteristik angeregt.
Diese Strahlung der Wellenlänge λ0 ist daher in dem transmittierten Strahl geschwächt, das heißt es wird ein optisches Notch-Filter gebildet.
Die spektrale Breite Δλ des Absorptionsbereichs korreliert direkt mit der Längenverteilung der Kohlenstoff-Nanoröhren 105 in der Folie, das heißt in dem Filterelement 104.
Somit sind die Kohlenstoff-Nanoröhren 105 in dem Filterelement 104 sowohl als Transmissionsfilter als auch als Reflexionsfilter oder als Absorptionsfilter geeignet und einsetzbar.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

[1] P.M. Ajayan, Nanotubes from Carbon, Chemical Review, S. 1787–1799, 1999
[2] J. Sang Suh and J. Seung Lee, Highly ordered two-dimensional carbon nanotube arrays, Applied Physics Letter, Volume 75, No. 14, S. 2047–2049, Oktober 1999
[3] M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus and P.C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic, San Diego, 1996
[4] US 6 027 775
[5] WO 00/73204 A1
[6] DE 39 20 416 A1
[7] EP 1014 162 A1

Claims

Wellenlängenselektives Filterelement, das mindestens einen Wellenlängenbereich einer auf das Filterelement auftreffenden Strahlung filtert, mit einer Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren, deren Länge entsprechend der gewünschten spektralen Lage und deren Längenverteilung entsprechend der gewünschten spektralen Breite des mindestens einen Wellenlängenbereichs gewählt sind.
Filterelement nach Anspruch 1, bei dem die Kohlenstoff-Nanoröhren zu einer Kohlenstoff-Nanoröhren-Schicht angeordnet sind.
Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, eingesetzt als Transmissionsfilter.
Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, eingesetzt als Reflexionsfilter.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, eingesetzt als Absorptionsfilter.
Filtersystem zum Übertragen und Filtern von Strahlung, mit • einem ersten Lichtwellenleiter, über den Strahlung eines vorgegebenen Spektrums übertragen werden kann, • einem mit dem ersten Lichtwellenleiter gekoppelten wellenlängenselektiven Filterelement, das mindestens einen Wellenlängenbereich aus dem Spektrum der von dem ersten Lichtwellenleiter übertragenen Strahlung filtert und eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren aufweist, deren Länge entsprechend der gewünschten spektralen Lage und deren Längenverteilung entsprechend der gewünschten spektralen Breite des mindestens einen Wellenlängenbereichs gewählt sind.
Filtersystem nach Anspruch 6, mit einem mit dem Filterelement gekoppelten zweiten Lichtwellenleiter, über den die aus dem Filterelement austretende Strahlung übertragen werden kann.