DE10124773C2 - Polarisationsdetektor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Än­ derung der Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht mit einem Strahlteiler, durch den einfallendes linear polarisiertes Licht in Teilstrahlen aufteilbar ist, und mit dem Strahlteiler in den Teilstrahlen nachgeordneten Filtern und Detektoren.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, die zum Erfassen der Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht dient, bei dem auf einem Substrat Detektoren ausgebildet werden und bei dem im Strahlengang vor den Detektoren Filter und Strahlteiler angeordnet werden.

Derartige Vorrichtungen werden vor allem zum Auslesen von ma­ gneto-optischen Speichermedien verwendet. Bei magneto- optischen Speichermedien erfolgt das Auslesen der gespeicher­ ten Information durch Analyse der Polarisation des vom Spei­ chermedium reflektierten Lichts, da je nach Magnetisierung des Speichermediums das vom Speichermedium reflektierte Licht aufgrund des Kerr-Effekts um etwa +/-5 Grad gedreht wird. Um die Polarisationsrichtung zu erfassen, befindet sich im Strahlengang des reflektierten Lichts ein Strahlteiler, der das einfallende Licht in zwei Teilstrahlen aufspaltet. Im Strahlengang der Teilstrahlen befinden sich ferner diskrete Polarisatoren, denen Photodioden nachgeordnet sind. Bei einer Änderung der Polarisationsrichtung ändert sich das Signal der Photodioden auf charakteristische Weise, so daß auf die Ände­ rung der Polarisationsrichtung geschlossen werden kann.

Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtungen ist deren großer Platzbedarf.

Aus der DE 198 26 294 C1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der (Haupt-)Schwingungsebene polarisierten Lichts bekannt, bei dem der Winkel zwischen der Schwingungsebene und einer Bezug­ sebene durch Reflexion des Meßstrahls an einer oder mehreren Oberflächen optisch verstärkt, der Lichtstrahl in Teilstrah­ len zerlegt, die Lichtintensitäten der Teilstrahlen gemessen und der Quotient der Intensitäten dieser Teilstrahlen als eichpflichtiges Meßsignal gebildet wird.

Weiterhin ist in der DE 197 21 043 C2 ein Verfahren zur Be­ stimmung der optischen Eigenschaften und der Schichtdicke von Materialien mit Hilfe der Änderung des Polarisationszustandes reflektierten Lichts beschrieben, wobei die Umdrehungsfre­ quenz einer rotierenden optischen Komponente vor der eigent­ lichen Messung der Änderung des Polarisationszustandes des an der Probe reflektierten Lichtstrahls variiert wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erfassen der Pola­ risationsrichtung von linear polarisiertem Licht zu schaffen, die integrierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Filter im Strahlengang der Teilstrahlen jeweils eine das li­ near polarisierte Licht in elliptisch polarisiertes Licht um­ wandelnde Schicht aus einem doppelbrechenden Material sowie eine in Einfallsrichtung nachgeordnete Schicht aus einem Ma­ terial in der cholesterinischen Phase aufweisen und daß sich die Filter in der Abhängigkeit der Transmission von der Pola­ risationsrichtung des einfallenden Lichts unterscheiden.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Herstellung der Vorrichtung anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner dadurch gelöst, daß Material für eine Schicht in der cholesterinischen Phase auf einen transparenten Träger aufgebracht und der Träger an dem Substrat angebracht wird.

Materialien in der cholesterinischen Phase haben die Eigen­ schaft, Licht mit der gleichen Helizität zu reflektieren und Licht mit der entgegengesetzten Helizität hindurchzulassen. Falls das linear polarisierte Licht durch die Schicht aus ei­ nem doppelbrechenden Material in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt wird, hängt die Transmission durch die Schicht aus Material in der cholesterinischen Phase von der Ausrichtung des Polarisationsvektors des einfallendes linear polarisierten Lichts ab. Insbesondere wird eine Änderung der Richtung der Polarisation durch eine entsprechende Änderung des Signalpegels an den Detektoren erfaßt. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung stellt somit einen funktionsfähigen Pola­ risationsdetektor dar, der in der Lage ist, Abweichungen in der Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht in der Größenordnung von 0,5 Grad zu erfassen.

Von besonderem Vorteil dabei ist, daß der Polarisationsdetek­ tor gemäß der Erfindung auch mit mikroelektronischen Abmes­ sungen gebaut werden kann. Insbesondere läßt sich die Schicht aus Material in der cholesterinischen Phase mit den aus der Halbleiterindustrie bekannten Verfahren zum Aufbringen von Photolack auf einen Träger aufbringen. Bei dem Träger handelt es sich zweckmäßigerweise um einen transparenten Träger, der auf das eigentliche Substrat mit dem Photodetektor aufgesetzt wird. Es ist auch möglich, die Schicht aus dem Material aus der cholesterinischen Phase unmittelbar auf das Substrat auf­ zubringen. Die auf dem Substrat ausgebildeten Kontakte können dann durch Abheben der Schicht aus dem Material in der chole­ sterinischen Phase freigelegt werden. Zur Herstellung des Po­ larisationsdetektors gemäß der Erfindung können daher die in der Halbleiterindustrie bekannten Prozesse herangezogen wer­ den.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der ab­ hängigen Ansprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beige­ fügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Photodetektors;

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Photodetektor von oben; und

Fig. 3-6 aufeinanderfolgende Verfahrensschritte zur Herstel­ lung des Polarisationsdetektors.

In Fig. 1 wird ein einfallender Lichtstrahl 1 von einem Strahlteiler 2 in Teilstrahlen 3 und 4 zerlegt. Bei dem Strahlteiler 2 kann es sich um ein beugendes Element oder ein Hologramm handeln. Die Teilstrahlen 3 und 4 treffen jeweils auf λ/4-Plättchen 5 und 6, die die Teilstrahlen 3 und 4 in elliptisch polarisiertes Licht verwandeln, wobei in diesem Zusammenhang der Fall von zirkular polarisiertem Licht als Spezialfall des elliptisch polarisierten Lichts betrachtet wird.

Das elliptisch polarisierte Licht in den Teilstrahlen 3 und 4 fällt auf eine Schicht 7 aus Material in der cholesterini­ schen Phase. Bei übereinstimmender Helizität von einfallendem zirkularem Licht und Helizität der Schicht 7 wird das einfal­ lende Licht reflektiert. Bei entgegengesetzter Helizität von einfallendem zirkular polarisiertem Licht und Helizität der Schicht 7 wird das einfallende Licht dagegen transmittiert. Bei dem Material in der cholesterinischen Phase handelt es sich im allgemeinen um optisch einachsiges negatives und op­ tisch aktives Material. Verschiedene Derivate des Choleste­ rins weisen diese Eigenschaft auf. Diese Materialien sind dem Fachmann bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.

Schließlich treffen die Teilstrahlen 3 und 4 auf Detektoren 8 und 9. Anhand der Änderung des Signalpegels der Detektoren 8 und 9 kann die Änderung der Polarisationsrichtung des linear polarisierten, einfallenden Lichtstrahls 1 festgestellt wer­ den.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf den in Fig. 1 dargestellten Polarisationsdetektor. Die λ/4-Plättchen 5 und 6 sind jeweils so ausgerichtet, daß die optischen Hauptachsen der für die λ/4-Plättchen 5 und 6 verwendeten Materialien zueinander im rechten Winkel stehen und sich ungefähr in einem Winkel von 45° zu einer Polarisationsrichtung 12 des linear polarisier­ ten einfallenden Lichts befinden. In diesem Fall wird das einfallende linear polarisierte Licht durch die λ/4-Plättchen 5 und 6 jeweils in zirkular polarisiertes Licht mit unter­ schiedlicher Helizität umgewandelt. Derjenige Teilstrahl der beiden Teilstrahlen 3 und 4, dessen Helizität mit der Helizi­ tät der cholesterinischen Schicht 7 übereinstimmt, wird an der cholesterinischen Schicht 7 reflektiert, und derjenige Teilstrahl der beiden Teilstrahlen 3 und 4, dessen Helizität nicht parallel, sondern antiparallel zur Helizität der chole­ sterinischen Schicht ausgerichtet ist, wird durch die chole­ sterinische Schicht 7 transmittiert. Dementsprechend wird ei­ ner der beiden Detektoren 8 und 9 mit Licht beaufschlagt, während auf den anderen der beiden Detektoren 8 und 9 kein oder nur wenig Licht trifft.

Es sei angemerkt, daß die λ/4-Plättchen 5 und 6 auch durch doppelbrechende Schichten aus einem vernetzbaren Polymeren ersetzt werden können.

Falls die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls 1 nicht länger einen Winkel von 45° zu den optischen Hauptachsen 10 und 11 der λ/4-Plättchen 5 und 6 einnimmt, wird das Licht in den Teilstrahlen 3 und 4 jeweils in ellip­ tisch polarisiertes Licht umgewandelt, das an der cholesteri­ nischen Schicht 7 nur teilweise reflektiert oder transmit­ tiert wird. Dementsprechend ändern sich auch die Signalpegel an den Detektoren 8 und 9. Derjenige Detektor 8 oder 9, der zuvor mit viel Licht beaufschlagt worden ist, erhält nunmehr weniger Licht, während der Detektor 8 oder 9, der zuvor kein oder nur wenig Licht erhielt, jetzt mehr Licht erhält.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Polarisationsdetektor stellt einen differentiell arbeitenden empfindlichen Polari­ sationsdetektor dar, mit dem auch noch Änderungen der Polari­ sationsrichtung des einfallenden Lichtstrahls 1 unterhalb von 0,5° detektierbar sind.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Polarisationsdetektor bietet darüber hinaus den Vorteil, daß er mit dem in der Halbleiterindustrie bekannten Prozessen in integrierter Bau­ weise herstellbar ist.

Nachfolgend sei daher anhand der Fig. 3 bis 6 die Herstel­ lung einen Ausführungsform des Polarisationsdetektors erläu­ tert.

Gemäß Fig. 3 wird zunächst ein transparenter Träger 13, bei­ spielsweise aus Glas, hergestellt, in dessen Unterseite 14 Ausnehmungen 15 eingebracht sind. Die Ausnehmungen 15 können beispielsweise durch Sandstrahlen in den Träger 13 einge­ bracht werden. Auf eine Oberseite 16 des Trägers 13 wird Ma­ terial für die cholesterinische Phase aufgeschleudert ("Spin Coating") und mit UV-Licht ausgehärtet. Anschließend werden die λ/4-Plättchen auf die cholesterinische Schicht 7 aufge­ bracht. Die λ/4-Plättchen können auch durch eine doppelbre­ chende Schicht aus vernetzbaren Polymeren ersetzt werden. Diese doppelbrechende Schicht kann ebenfalls durch eine Schleudertechnik ("Spin Coating") und eine nachfolgende Be­ handlung mittels polarisiertem Licht ausgebildet werden.

Getrennt davon werden in einem Substrat 17 die Detektoren 8 und 9 ausgebildet. Ferner werden auf einer Oberseite 18 des Substrats 17 Kontakte 19 ausgebildet, die zum Ansteuern der Detektoren 8 und 9 dienen. Anschließend wird der Träger 13 auf dem Substrat 17 angebracht, wobei die Ausnehmungen 15 über den Kontakten 19 zu liegen kommen. Durch die Ausnehmun­ gen 15 werden somit oberhalb der Kontakte 19 Schwachstellen 20 ausgebildet. Damit ergibt sich der in Fig. 4 dargestellte Querschnitt. Danach erfolgt das Aussägen der Schwachstellen 20 des Trägers 13, die oberhalb der Ausnehmungen 15 liegen. Dadurch werden die Kontakte 19 auf dem Substrat 17 gemäß Fig. 5 freigelegt. Anschließend wird das Substrat 17 durch­ trennt, um die einzelnen Polarisationsdetektoren zu verein­ zeln.

Durch dieses Verfahren werden die einzelnen Komponenten des Polarisationsdetektors präzise zueinander montiert. Außerdem sind durch den Träger 13 die Detektoren 8 und 9 vor Beschädi­ gungen geschützt.

Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel sind die chole­ sterinische Schicht 7 und die λ/4-Plättchen 5 und 6 unmittelbar auf dem Substrat 17 ausgebildet. Die bedeckten Kontakte 19 können dabei nach dem Aufbringen der cholesterinischen Schicht 7 durch spezielle naßchemische Ätzverfahren oder trockene Ätzverfahren wieder freigelegt werden. Die Vorteile dieser Abwandlung sind die geringen Montagekosten und die Tatsache, daß auf den Träger 13 verzichtet werden kann. Es kann auch von Vorteil sein, auf den Träger 13 nicht zu ver­ zichten, da dann die cholesterinische Schicht 7 durch den Träger 13 geschützt wird. In diesem Fall werden die λ/4- Plättchen 5 und 6 zweckmäßigerweise auf dem Träger 13 ange­ ordnet.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Erfassen der Änderung der Polarisations­ richtung von linear polarisiertem Licht (1) mit einem Strahl­ teiler (2), durch den einfallendes linear polarisiertes Licht (1) in Teilstrahlen (3, 4) aufteilbar ist, und mit dem Strahlteiler (2) in den Teilstrahlen (3, 4) nachgeordneten Filtern und Detektoren (8, 9), dadurch gekennzeichnet, daß die Filter im Strahlengang der Teilstrahlen jeweils eine das linear polarisierte Licht in elliptisch polarisiertes Licht umwandelnde Schicht (5, 6) aus einem doppelbrechenden Materi­ al sowie eine in Einfallsrichtung nachgeordnete Schicht (7) aus einem Material in der cholesterinischen Phase aufweisen und daß sich die Filter in der Abhängigkeit der Transmission von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts (1) un­ terscheiden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (2) von einem beugenden Element oder Holo­ gramm gebildet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5, 6) aus doppelbrechendem Material vernetzbare Polymere aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus doppelbrechendem Material ein λ/4-Plättchen (5, 6) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Strahlteiler (2) das einfallende Licht in zwei Teilstrahlen (3, 4) zerlegbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen (3, 4) nach Durchgang durch die λ/4- Plättchen (5, 6) jeweils eine entgegengesetzte Helizität auf­ weisen.

7. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, die zum Er­ fassen der Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht dient, bei dem auf einem Substrat (17) Detektoren (8, 9) ausgebildet werden und bei dem im Strahlengang vor den De­ tektoren (8, 9) Filter und ein Strahlteiler (2) angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Filter in der Abhängigkeit der Transmission von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts (1) unterschei­ den und daß Material für eine Schicht (7) in der cholesteri­ nischen Phase auf einen transparenten Träger (13) aufgebracht und der Träger (13) an dem Substrat (17) angebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im transparenten Träger (13) in Bereichen, die in der ferti­ gen Vorrichtung über Kontaktstellen (19) des Substrats (17) zu liegen kommen, Schwachstellen (20) ausgebildet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwachstellen (20) nach dem Anbringen des transparenten Trägers (13) auf dem Substrat (17) aus dem Träger (13) her­ ausgetrennt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Heraustrennen der Schwachstellen (20) das Substrat (17) zur Bildung von einzelnen Bauelementen zertrennt wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, die zum Er­ fassen der Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht dient, bei dem auf einem Substrat (17) Detektoren (8, 9) ausgebildet werden und bei dem im Strahlengang vor den De­ tektoren (8, 9) Filter und ein Strahlteiler (2) angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Filter in der Abhängigkeit der Transmission von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts (1) unterschei­ den und daß auf das Substrat (17) Material für eine Schicht (7) in der cholesterinischen Phase aufgebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die Schicht in der cholesterinischen Phase mit einem transparenten Träger abgedeckt wird.