DE102007047681B4 - Monolithic dielectric mirror - Google Patents
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Abstract
Spiegel mit einer unteren (3), einer mittleren (2) und einer oberen (1) Schicht, die mit parallelen Schichtebenen übereinander angeordnet sind, wobei die mittlere Schicht (2) an die obere Schicht (1) grenzt und die untere Schicht (3) an die mittlere Schicht (2) grenzt, wobei die untere (3) und die obere (1) Schicht ein Grundmaterial aufweisen oder aus diesem bestehen, das für Licht zumindest einer Wellenlänge transparent ist, wobei die mittlere Schicht (2) eine periodische Struktur mit einer Vielzahl von Stegen (5a, 5b, 5c) aus dem Grundmaterial aufweist, wobei der effektive Brechungsindex der mittleren Schicht (2) kleiner ist als der Brechungsindex des Grundmaterials, und wobei die obere Schicht (1) eine periodische Struktur mit einer Vielzahl von Stegen (4a, 4b, 4c) aus dem Grundmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Steg (5a, 5b, 5c) der mittleren Schicht (2) jeweils parallel zu einem Steg (4a, 4b, 4c) der oberen Schicht (1) verläuft.Mirrors with a lower (3), a middle (2) and an upper (1) layer, which are arranged one above the other with parallel layer planes, the middle layer (2) adjoining the upper layer (1) and the lower layer (3 ) adjoins the middle layer (2), the lower (3) and the upper (1) layer having or consisting of a base material that is transparent to light of at least one wavelength, the middle layer (2) having a periodic structure having a plurality of webs (5a, 5b, 5c) made of the base material, the effective refractive index of the middle layer (2) being smaller than the refractive index of the base material, and wherein the upper layer (1) has a periodic structure with a plurality of Having webs (4a, 4b, 4c) made of the base material, characterized in that each web (5a, 5b, 5c) of the middle layer (2) is parallel to a web (4a, 4b, 4c) of the upper layer (1) runs.
Description
Die Erfindung betrifft eine reflektierende Oberfläche, die monolithisch, vorzugsweise aus einem dielektrischen Material, hergestellt ist. Durch eine periodische Subwellenlängen-Strukturierung kann die Reflektivität gezielt polarisationsselektiv kontrolliert werden. Bei geeigneter Ausgestaltung kann für diese monolithische Oberfläche bei senkrechtem Einfall von elektromagnetischer Strahlung aus der Luft eine Reflektivität von 100% erreicht werden.The invention relates to a reflective surface which is monolithic, preferably made of a dielectric material. By periodic sub-wavelength structuring, the reflectivity can be selectively controlled polarization-selective. With a suitable embodiment, a reflectivity of 100% can be achieved for this monolithic surface with normal incidence of electromagnetic radiation from the air.
In allen Bereichen der modernen experimentellen Optik ist man an hocheffizienten wellenlängen- und polarisationsabhängigen Bauelementen interessiert. Dies umfasst vor allem breitbandige dielektrische Spiegel, schmalbandige Filter, polarisationsabhängige Filter oder Strahlteiler. Insbesondere wellenlängenabhängige dielektrische Spiegel bzw. Filter werden heutzutage durch periodische Vielschichtsysteme realisiert. Diese sind durch eine alternierende Abfolge mindestens zweier dielektrischer Materialen unterschiedlicher Brechzahl gekennzeichnet. Das resultierende Reflexions- bzw. Transmissionsverhalten ergibt sich dabei aus der Überlagerung aller an den Grenzflächen entstehenden Teilwellen. Die Funktionsweise eines Vielschichtspiegels ist in
Trotz der unumstrittenen Leistungsfähigkeit dieser Technologie ergeben sich für zahlreiche Anwendungen spezielle Nachteile.
- 1. Zur Realisierung der genannten optischen Systeme mit der gewünschten Performance ist eine hoch entwickelte Beschichtungstechnologie erforderlich, die eine genaue Kontrolle der Schichtdicke und Materialbrechzahlen voraussetzt.
- 2. Die laserinduzierte Zerstörschwelle der Vielschichtsysteme ist wesentlich durch resonanzbedingte Feldstärkeüberhöhungen in den Grenzflächenbereichen limitiert.
- 3. Aufgrund der funktionellen Beschichtung des Substrats kommt es zu großflächigen mechanischen Spannungen, die eine Deformation des Substrats nach sich ziehen können und somit zu Wellenfrontfehlern führen. Des Weiteren besitzen die verschiedenen Schichtmaterialien im Allgemeinen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, welche zu thermischen Spannungen führen können.
- 1. For the realization of said optical systems with the desired performance, a sophisticated coating technology is required, which requires precise control of the layer thickness and material refractive indexes.
- 2. The laser-induced damage threshold of the multilayer systems is essentially limited by resonance-induced field strength peaks in the interface regions.
- 3. Due to the functional coating of the substrate, there are large-scale mechanical stresses that can lead to a deformation of the substrate and thus lead to wavefront errors. Furthermore, the different layer materials generally have different thermal expansion coefficients, which can lead to thermal stresses.
Ein alternativer Ansatz zur Realisierung hochreflektierender Oberflächen wurde bereits Mitte der 1980er Jahre beschrieben und beruht auf der resonanten Reflexion einer periodisch strukturierten hochbrechenden wellenleitenden Schicht mit einem Brechungsindex nH auf einem niedrigbrechenden Substrat mit einem Brechungsindex nL (G. A. Golubenko, A. S. Svakhin, V. A. Sychugov, A. V. Tishchenko: Total reflection of light from a corrugated surface of a dielectric waveguide, Sov. J. Quantum Electron., Vol. 15 (7), pp. 886–887, 1985). Dabei wird die Periodizität p der Oberflächenstruktur so gewählt, dass in Luft nur die 0. Ordnung, im hochbrechenden Medium jedoch neben der 0. auch mindestens eine höhere Ordnung existiert. Diese höheren Ordnungen (z. B. die beiden ersten Ordnungen im Falle senkrechter Inzidenz) müssen an der Grenzfläche zwischen Wellenleiterschicht und Substrat die Bedingung der Totalreflexion erfüllen, wodurch eine resonante Anregung von Wellenleitermoden in der hochbrechenden Schicht erfolgen kann.An alternative approach for the realization of highly reflective surfaces was already described in the mid-1980s and is based on the resonant reflection of a periodically structured high-refraction waveguide layer with a refractive index n H on a low refractive index substrate with a refractive index n L (GA Golubenko, AS Svakhin, VA Sychugov, AV Tishchenko: Total reflection of light from a corrugated surface of a waveguide, Sov. J. Quantum Electron., Vol. 15 (7), pp. 886-887, 1985). In this case, the periodicity p of the surface structure is selected so that only the 0th order exists in air, but in the high-refractive medium, in addition to the 0th, there is also at least one higher order. These higher orders (eg, the first two orders in the case of vertical incidence) must meet the condition of total reflection at the interface between waveguide layer and substrate, as a result of which resonant excitation of waveguide modes in the high-index layer can take place.
Die drei genannten Bedingungen werden für den Fall senkrechter Inzidenz durch folgende Beziehungen ausgedrückt, wobei λ die Wellenlänge im Vakuum ist.The three conditions mentioned are expressed in the case of vertical incidence by the following relationships, where λ is the wavelength in vacuum.
Bei richtiger Gestaltung der Periodizität, des Oberflächenprofils und der Parameter der wellenleitenden Schicht kann die resonante Anregung und die damit verbundene Auskopplung der Wellenleitermoden zu einer vollständigen destruktiven Überlagerung aller transmittierten Anteile des Lichts und damit zu einer Reflexion von 100% in Luft führen. Aufgrund des resonanten Verhaltens dieser Strukturen ergeben sich zumeist schmalbandige Reflexionspeaks, die sich ideal für Filteranwendungen eignen. Durch gezielte Wahl der Parameter lässt sich aber auch ein breitbandigeres Verhalten realisieren. Die allgemeine Funktionsweise ist schematisch in
Die
Die
Die
Allen bekannten Lösungen resonanter Wellenleiterkopplung ist die Kombination zweier unterschiedlicher Materialien zur Gewährleistung eines Brechzahlkontrastes gemein. Somit kann auch hierbei nicht auf eine Beschichtungstechnologie verzichtet werden. Trotz der Reduzierung auf nur eine zusätzliche Schicht sind eine thermische Fehlanpassung und mechanische Spannungen im Substrat nicht vermeidbar.All known solutions resonant waveguide coupling is the combination of two different materials to ensure a refractive index contrast in common. Thus, it is not possible to dispense with a coating technology here as well. Despite the reduction to only one additional layer, thermal mismatch and mechanical stresses in the substrate are unavoidable.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spiegel anzugeben, der die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll der Spiegel kostengünstig und einfach herstellbar sein und nicht anfällig für thermische Fehlanpassung und mechanische Spannungen im Substrat sein.It is therefore an object of the present invention to provide a mirror which overcomes the aforementioned disadvantages of the prior art. In particular, the mirror should be inexpensive and easy to manufacture and not be prone to thermal mismatch and mechanical stresses in the substrate.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Spiegel nach Anspruch 1, das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, das Herstellungsverfahren nach Anspruch 23 und das Herstellungsverfahren nach Anspruch 30. Vorteilhafte Weiterbildungen des Spiegels sowie der Herstellungsverfahren werden durch die jeweiligen abhängigen Ansprüche gegeben. Ansprüche 33 und 34 geben Verwendungen eines erfindungsgemäßen Spiegels an.This object is achieved by the mirror according to
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass die mechanischen Spannungen, insbesondere durch thermische Fehlanpassung oder thermische Ausdehnung, vermieden werden können, wenn der Spiegel keine aneinandergrenzenden Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufweist. Der Erfindung liegt außerdem die Idee zugrunde, Reflexion an Grenzschichten unterschiedlicher Brechungsindizes zu erzielen, indem die unterschiedlichen Brechungsindizes nicht durch unterschiedliche Materialien, sondern durch unterschiedliche Ausgestaltung eines Materials oder durch unterschiedliche Füllfaktoren des Materials in unterschiedlichen Schichten erreicht werden.The invention is based on the idea that the mechanical stresses, in particular due to thermal mismatch or thermal expansion, can be avoided if the mirror has no adjacent layers of different materials. The invention is also based on the idea to achieve reflection at boundary layers of different refractive indices by the different refractive indices are not achieved by different materials, but by different design of a material or by different filling factors of the material in different layers.
Erfindungsgemäß ist ein Spiegel mit einer unteren, einer mittleren und einer oberen Schicht, die mit parallelen Schichtebenen übereinander angeordnet sind, so dass die Schichten flächig aneinanderliegen und die mittlere Schicht zwischen der oberen und der unteren Schicht liegt. Unter einem Spiegel wird hierbei jede reflektierende Schichtung oder Struktur verstanden, die elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen reflektiert. Die Reflexion muss hierbei nicht 100%ig sein, der Spiegel kann vielmehr auch nur teilweise reflektieren. Eine Reflektivität von annähernd 100% ist jedoch bevorzugt.According to the invention, a mirror with a lower, a middle and an upper layer, which are arranged one above the other with parallel layer planes, so that the layers lie flat against each other and the middle layer lies between the upper and the lower layer. In this case, a mirror is understood as any reflective layer or structure which reflects electromagnetic radiation of specific wavelengths. The reflection does not have to be 100%, but the mirror can only partially reflect. However, a reflectivity of approximately 100% is preferred.
Alle drei Schichten weisen das gleiche Grundmaterial auf oder bestehen aus diesem. Das Grundmaterial ist für elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen transparent, wobei es vor allem für die Wellenlängen transparent ist, die der Spiegel reflektieren soll.All three layers have the same base material or consist of this. The base material is transparent to electromagnetic radiation of certain wavelengths, and above all it is transparent to the wavelengths which the mirror is intended to reflect.
Erfindungsgemäß ist nun die mittlere Schicht strukturiert und weist also eine Struktur aus dem Grundmaterial auf. Die Strukturierung kann periodisch sein. Erfindungsgemäß ist der effektive Brechungsindex der strukturierten mittleren Schicht kleiner als der Brechungsindex des Grundmaterials. Unter dem Brechungsindex des Grundmaterials wird hierbei die Materialeigenschaft des Grundmaterials verstanden, d. h. jener Brechungsindex, den das unstrukturierte, den Raum vollständig erfüllende Grundmaterial (Füllfaktor f = 1) aufweist. Ein effektiver Brechungsindex ergibt sich durch Kombination mindestens zweier Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, die so strukturiert und ineinander geschachtelt sind, dass sie für einfallendes Licht einer fraglichen Wellenlänge wie eine homogene Schicht mit einem bestimmten Brechungsindex wirken. Der effektive Brechungsindex liegt hierbei zwischen dem Materialbrechungsindex des einen Materials und des anderen Materials und wird durch die Anteile der Materialien bestimmt. Im einfachsten Fall ist eines der beiden Materialien das Grundmaterial und das andere Material Luft. Ein effektiver Brechungsindex kann auch dadurch geschaffen werden, dass das Grundmaterial durch leere Zwischenräume strukturiert wird. Auch hier hängt der effektive Brechungsindex vom Volumenfüllfaktor der Struktur ab, d. h. vom Anteil des mit Material gefüllten Raums zum Gesamtraum der Schicht.According to the invention, the middle layer is now structured and therefore has a structure of the base material. The structuring can be periodic. According to the invention, the effective refractive index of the structured middle layer is smaller than the refractive index of the base material. In this case, the refractive index of the base material is understood to mean the material property of the base material, ie the refractive index which the unstructured base material completely fulfilling the space has (filling factor f = 1). An effective refractive index results from the combination of at least two materials with different refractive indices, which are structured and nested to act as incident light of a wavelength in question, such as a homogenous layer having a certain refractive index. The effective refractive index is in this case between the material refractive index of the one material and the other material and is determined by the proportions of the materials. In the simplest case, one of the two Materials the base material and the other material air. An effective refractive index can also be created by structuring the base material through empty spaces. Again, the effective refractive index depends on the volume filling factor of the structure, ie on the proportion of the space filled with material to the total space of the layer.
Die obere Schicht des erfindungsgemäßen Spiegels kann strukturiert sein, sie kann aber auch unstrukturiert durchgängig zusammenhängend sein. Ist die obere Schicht strukturiert, so weist sie vorteilhafterweise eine periodische Struktur mit einer Vielzahl von Stegen aus dem Grundmaterial auf, die die obere Schicht durch ihre gesamte Tiefe durchsetzen. Licht kann also bereichsweise die obere Schicht durchstrahlen, ohne dabei auf Grundmaterial zu treffen.The upper layer of the mirror according to the invention may be structured, but it may also be unconnected throughout. If the upper layer is structured, it advantageously has a periodic structure with a plurality of webs of the base material, which pass through the upper layer through its entire depth. Thus, light can radiate through the upper layer in certain areas, without encountering any base material.
Auch die mittlere Schicht ist vorteilhafterweise mit einer Vielzahl von Stegen periodisch strukturiert.The middle layer is advantageously periodically structured with a plurality of webs.
Besonders günstig ist es, wenn die Struktur der mittleren Schicht zur Struktur der oberen Schicht korrespondiert. Besonders bevorzugt ist es, wenn die periodische Struktur der mittleren und/oder der oberen Schicht ein Gitter ist, wobei die Gitterstege der mittleren und der oberen Schicht parallel zueinander verlaufen und besonders vorteilhaft materialschlüssig monolithisch miteinander verbunden und ineinander übergehend ausgestaltet sind.It is particularly favorable if the structure of the middle layer corresponds to the structure of the upper layer. It is particularly preferred if the periodic structure of the middle and / or the upper layer is a grid, wherein the grid webs of the middle and the upper layer parallel to each other and particularly advantageous material-locking monolithically connected to each other and designed to merge into one another.
Die Stege sind im Querschnitt in einer Ebene senkrecht zu ihrer Längsrichtung vorteilhafterweise rechteckig.The webs are advantageously rectangular in cross-section in a plane perpendicular to their longitudinal direction.
Reflexion von einfallendem Licht wird nun dadurch erreicht, dass die obere und die mittlere Schicht durch ihre unterschiedlichen Füllfaktoren mit Grundmaterial unterschiedliche effektive Brechungsindizes aufweisen. Dabei muss die obere Schicht nach der oben genannten Ungleichung (2) so gestaltet sein, dass in der oberen, hochbrechenden Wellenleiterschicht noch höhere Beugungsordnungen als die nullter Ordnung propagieren können. In den Ungleichungen (1) bis (3) entspricht nH dem Materialbrechungsindex des Grundmaterials und nL dem effektiven Brechungsindex der mittleren Schicht. In Bezug auf Gitter kann man diesen Sachverhalt in Gittermoden ausdrücken, die zu den Beugungsordnungen korrelieren und mit diesen als äquivalent betrachtet werden können. Um eine hohe Reflektivität erreichen zu können, ist es dann vorteilhaft, wenn neben der 0. Gittermode (äquivalent zur 0. Beugungsordnung) auch noch zumindest eine höhere Mode (äquivalent zu den höheren Ordnungen), beispielsweise die erste Ordnung, propagiert. Auch höhere Ordnungen können in der oberen Schicht noch propagieren. In der mittleren Schicht hingegen kann wegen des kleineren Füllfaktors keine höhere Mode als die 0. Fundamentalmode propagieren. Diese Schicht wirkt also ähnlich wie eine massive Schicht geringeren Brechungsindexes, in der nach Ungleichung (1) auch nur die 0. Ordnung ausbreitungsfähig ist. Die obere und die mittlere Schicht werden also so zueinander eingestellt, dass bei der oberen Schicht mit größerem Füllfaktor eine resonante Anregung höherer Moden möglich ist, während im Bereich des niedrigeren Füllfaktors der mittleren Schicht diese evaneszent sind und darum an der Grenzfläche zwischen den beiden Regionen totalreflektiert werden.Reflection of incident light is now achieved by virtue of the fact that the upper and middle layers have different effective refractive indices due to their different filling factors with base material. In this case, according to the inequality (2) mentioned above, the upper layer must be designed in such a way that even higher orders of diffraction than the zeroth order can propagate in the upper, high-index waveguide layer. In the inequalities (1) to (3), n H corresponds to the material refractive index of the base material and n L corresponds to the effective refractive index of the middle layer. With regard to gratings, this fact can be expressed in grid modes which correlate to the orders of diffraction and can be considered as equivalent to them. In order to be able to achieve a high reflectivity, it is advantageous if, besides the 0th grating mode (equivalent to the 0th order of diffraction), at least one higher mode (equivalent to the higher orders), for example the first order, propagates. Even higher orders can still propagate in the upper layer. In the middle layer, however, no higher mode than the 0th fundamental mode can propagate because of the smaller fill factor. This layer thus acts in a similar way to a massive layer of lower refractive index, in which, according to inequality (1), only the 0th order is capable of propagation. The upper and middle layers are thus adjusted to one another such that resonant excitation of higher modes is possible for the upper layer with a larger filling factor, whereas in the region of the lower filling factor of the middle layer they are evanescent and therefore totally reflected at the interface between the two regions become.
Technisch besonders einfach herzustellen sind diese beiden Schichten unterschiedlicher Füllfaktoren, wenn die Strukturen der mittleren und der oberen Schicht form- und/oder materialschlüssig parallel zueinander verlaufen und die Ausdehnung der Stege der mittleren Schicht in Richtung parallel zur Ebene dieser Schicht und senkrecht zur Längsrichtung des entsprechenden Stegs kleiner ist als die Ausdehnung der Stege der oberen Schicht in dieser Richtung. Die Stege der mittleren und der oberen Schicht bilden dann also im Querschnitt eine T-ähnliche Struktur. Entscheidend ist hierbei, dass in der oberen Schicht sich neben der 0. Ordnung auch höhere Ordnungen ausbilden können, während sich in der mittleren Schicht nur Gittermoden oder Beugungsordnungen 0. Ordnung ausbilden.These two layers of different filling factors are technically particularly easy to produce if the structures of the middle and upper layers are parallel to one another in terms of form and / or material fit and the extent of the webs of the middle layer in the direction parallel to the plane of this layer and perpendicular to the longitudinal direction of the corresponding Web is smaller than the extension of the webs of the upper layer in this direction. The webs of the middle and the upper layer then form a T-like structure in cross section. Decisive here is that higher orders can form in the upper layer in addition to the 0th order, while in the middle layer only lattice modes or diffraction orders of the 0th order are formed.
Für eine gute Reflektivität ist es bevorzugt, wenn die periodische Struktur bzw. das Gitter der oberen Schicht eine Periode p hat, für die für eine Wellenlänge λ und einen Brechungsindex des Grundmaterials nG der effektive Brechungsindex der mittleren Schicht neff die Bedingungen p < λ, λ/nG < p und p < λ/neff erfüllt.For a good reflectivity, it is preferred if the periodic structure or the grating of the upper layer has a period p for which for a wavelength λ and a refractive index of the base material n G the effective refractive index of the middle layer n eff is the conditions p <λ , λ / n G <p and p <λ / n eff .
Um die Polarisation des reflektierten Lichts beeinflussen zu können, ist es bevorzugt, dass der Spiegel so gestaltet ist, dass seine Reflektivität für eine Polarisationsrichtung frei wählbar ist.In order to be able to influence the polarization of the reflected light, it is preferred that the mirror is designed such that its reflectivity for a polarization direction is freely selectable.
Ist das Gitter oder die Struktur in x- und/oder y-Richtung unterschiedlich strukturiert, so sind die Reflektivitäten des Spiegels für die Polarisationen in x- und/oder y-Richtung unterschiedlich einstellbar. So kann zum Beispiel die Gitterperiode in x- und in y-Richtung unterschiedlich sein. Die Gitterstege kreuzen sich dann, so dass das Gitter mit Quadern strukturiert ist, die zueinander parallele Kanten haben, welche in x- und in y-Richtung unterschiedlich lang sind.If the grid or the structure is differently structured in the x and / or y direction, the reflectivities of the mirror can be set differently for the polarizations in the x and / or y direction. For example, the grating period may be different in the x and y directions. The grid bars then intersect, so that the grid is structured with cuboids having mutually parallel edges which are of different lengths in the x and y directions.
Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der reflektierenden Struktur bzw. des Spiegels können jene Bereiche der oberen und mittleren Schicht mit Material aufgefüllt sein, in denen kein Grundmaterial vorliegt. Das Material muss hierbei so gewählt werden, dass sein Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex des Grundmaterials und die mittlere und die obere Schicht die oben genannten Bedingungen für die Ausbreitung der Gittermoden erfüllen, so dass an der Grenzschicht zwischen mittlerer und oberer Schicht Totalreflektion stattfindet.To increase the mechanical stability of the reflective structure or the mirror, those areas of the upper and middle layer can be filled with material in which no base material is present. The material must be chosen so that its refractive index is less than the refractive index of the base material and the middle and the upper layer meet the above conditions for the propagation of the lattice modes, so that at the boundary layer between the middle and upper layer total reflection takes place.
Die untere Schicht ist vorzugsweise vollständig mit Grundmaterial aufgefüllt und hat vor allem die Funktion, die mittlere und die obere Schicht zu tragen. Es ist dann also das Gitter der mittleren Schicht auf der unteren Schicht angeordnet. Es ist vorzugsweise formschlüssig oder materialschlüssig mit der unteren Schicht verbunden. Auf diese Weise kann der gesamte Spiegel mit oberer, mittlerer und unterer Schicht monolithisch aus einem Stück Grundmaterial hergestellt werden. Beschichtungsverfahren sind hierbei nicht notwendig.The lower layer is preferably completely filled with base material and has, above all, the function of supporting the middle and the upper layer. It is then arranged so the grid of the middle layer on the lower layer. It is preferably connected in a form-fitting or material-locking manner to the lower layer. In this way, the entire upper, middle and lower layer mirror can be monolithically made from one piece of base material. Coating processes are not necessary here.
Als Grundmaterial kommen verschiedene Materialien in Frage. Beispielsweise kann das Grundmaterial Silizium, Lithiumniobat, Quarz, Germanium, Galliumarsenid und/oder Indiumphosphid aufweisen oder daraus bestehen.As base material different materials are possible. For example, the base material may comprise or consist of silicon, lithium niobate, quartz, germanium, gallium arsenide and / or indium phosphide.
Der Spiegel kann durch die Strukturierung und die Wahl der Materialien so ausgelegt sein, dass er elektromagnetische Strahlungen im infraroten Bereich, im sichtbaren Bereich, im UV-Bereich, im Terahertzbereich und/oder im Mikrowellenbereich reflektiert.The mirror can be designed by the structuring and the choice of materials so that it reflects electromagnetic radiation in the infrared range, in the visible range, in the UV range, in the terahertz range and / or in the microwave range.
Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Spiegels, wie er oben beschrieben wurde. In diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt auf ein Substrat eine Photoresistmaske aufgebracht. Diese bildet die herzustellende Struktur der oberen Schicht ab. Hierdurch kann beispielsweise eine periodische Struktur oder ein Gitter in der oberen Schicht geformt werden. Die Photoresistmaske wird vorzugsweise mittels Elektronenstrahl-lithographischer Methoden aufgebracht.The invention also provides a method for producing a mirror as described above. In this method, a photoresist mask is applied to a substrate in a first step. This forms the structure of the upper layer to be produced. As a result, for example, a periodic structure or a grid can be formed in the upper layer. The photoresist mask is preferably applied by means of electron beam lithographic methods.
In einem zweiten Schritt wird nun die oberen Schicht durch einen Ätzprozess strukturiert. Hierbei wird in den Bereichen der oberen Schicht geätzt, die nicht von der Photoresistmaske bedeckt sind, so dass sich in der oberen Schicht die durch die Photoresistmaske vorgegebene Struktur bildet. Dieser Ätzprozess ist vorzugsweise ein binär-anisotroper, trockenchemischer Ätzprozess.In a second step, the upper layer is then structured by an etching process. In this case, etching takes place in the regions of the upper layer which are not covered by the photoresist mask, so that the structure predetermined by the photoresist mask is formed in the upper layer. This etching process is preferably a binary-anisotropic, dry-chemical etching process.
In einem dritten Schritt werden nun die Seitenwände der Struktur der oberen Schicht passiviert. Die Seitenwände sind hierbei jene Oberflächen der Struktur der oberen Schicht, die senkrecht oder zumindest nicht parallel zur Ebene der oberen Schicht stehen. Die Passivierung erfolgt vorzugsweise plasmagestützt.In a third step, the sidewalls of the structure of the upper layer are passivated. The sidewalls here are those surfaces of the structure of the upper layer which are perpendicular or at least not parallel to the plane of the upper layer. The passivation is preferably plasma-assisted.
In einem vierten Schritt wird nun die Struktur der oberen Schicht im Bereich der mittleren Schicht so unterätzt, dass die Struktur der oberen Schicht erhalten bleibt. Im Bereich der mittleren Schicht wird hierdurch der Füllfaktor vermindert, zugleich wird jedoch dieser Schritt so ausgeführt, dass ein Teil des Materials im Bereich der mittleren Schicht erhalten bleibt. Die Struktur der mittleren Schicht wird hierbei im wesentlichen entlang der Struktur der oberen Schicht verlaufen. Für diese Strukturierung der mittleren Schicht sind besonders isotrope trockenchemische Ätzprozesse geeignet.In a fourth step, the structure of the upper layer in the region of the middle layer is now undercut in such a way that the structure of the upper layer is retained. In the area of the middle layer, the filling factor is thereby reduced, but at the same time this step is carried out so that part of the material remains in the area of the middle layer. The structure of the middle layer will in this case run essentially along the structure of the upper layer. For this structuring of the middle layer, particularly isotropic dry chemical etching processes are suitable.
Im Anschluss an den vierten Schritt kann nun die Struktur der mittleren Schicht in einem weiteren Ätzprozess vertieft werden. Die Ausdehnung der mittleren Schicht zwischen oberer und unterer Schicht wird hierdurch vergrößert. Jene Bereiche, die durch die Prozesse des vierten und dieses anschließenden Schrittes unter der ersten Schicht strukturiert sind, bilden dann die mittlere Schicht, während die untere Schicht dort beginnt, wo die Strukturierung der mittleren Schicht nach diesem anschließenden Schritt nach unten hin endet.Following the fourth step, the structure of the middle layer can now be deepened in a further etching process. The expansion of the middle layer between the upper and lower layers is thereby increased. Those regions, which are structured by the processes of the fourth and subsequent step below the first layer, then form the middle layer, while the lower layer begins where the structuring of the middle layer ends after this subsequent step.
Das beschriebene Verfahren lässt sich besonders gut für Silizium als Grundmaterial ausführen.The method described can be carried out particularly well for silicon as a base material.
Erfindungsgemäß ist auch ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Spiegels, wie er oben beschrieben wurde. Hierbei wird zunächst in einem ersten Schritt auf einer unteren Schicht eine Struktur hergestellt, welche die mittlere Schicht bildet, und anschließend wird in einem zweiten Schritt eine Schicht als obere Schicht auf diese Struktur aufgebracht.Another method for producing a mirror as described above is also according to the invention. Here, in a first step, a structure is produced on a lower layer, which forms the middle layer, and then, in a second step, a layer is applied to this structure as an upper layer.
Vorzugsweise ist die Struktur der mittleren Schicht, die im ersten Schritt hergestellt wird, ein binäres Oberflächengitter. Dieses kann hergestellt werden, indem mittels Elektronenstrahl-lithographischer Methoden eine Photoresistmaske auf ein Substrat aufgebracht wird und anschließend die Struktur in einem binär-anisotropen, trockenchemischen Ätzprozess geätzt wird. Die obere Schicht kann strukturiert sein, sie kann aber auch geschlossen, durchgängig mit Material gefüllt sein, so dass sie einen Füllfaktor von 1 hat. Besonders geeignet zur Herstellung der oberen Schicht ist ein Wafer-Direct-Bonding (z. B. in G. Kräuter, A. Schumacher, U. Gösele, Low temperature silicon direct bonding for applications in micromechanics: bonding energies for different combinations of oxides, Sensors and Actuators A, Vol. 70, pp. 271–275, 1998 beschrieben). Alternativ kann auch zunächst die mittlere Schicht aus einem flachen Winkel beschichtet und anschließend poliert werden, beispielsweise durch CMP-Polieren. Dies kann so erfolgen, dass die obere Schicht strukturiert ist, oder so, dass sie vollständig und ununterbrochen ist. Preferably, the structure of the middle layer produced in the first step is a binary surface grating. This can be made by applying a photoresist mask to a substrate by electron beam lithographic techniques and then etching the structure in a binary-anisotropic, dry chemical etching process. The upper layer may be structured, but it may also be closed, filled with material throughout, so that it has a filling factor of 1. Particularly suitable for the production of the upper layer is a wafer direct bonding (eg in G. Herbs, A. Schumacher, U. Gösele, Low temperature silicon direct bonding for applications in micromechanics: bonding energies for different combinations of oxides, Sensors and Actuators A, Vol. 70, pp. 271-275, 1998). Alternatively, first of all, the middle layer can be coated from a shallow angle and then polished, for example by CMP polishing. This can be done so that the top layer is textured, or so that it is complete and uninterrupted.
Um die Verbindung der Schichten zu festigen, kann der Spiegel anschließend getempert werden.In order to strengthen the connection of the layers, the mirror can then be tempered.
Während also das zuerst beschriebene Verfahren besonders geeignet ist, wenn der Füllfaktor der oberen Schicht kleiner als 1 ist, so ist das vorstehende Verfahren besonders geeignet, wenn der Füllfaktor der oberen Schicht gleich 1 ist. Unter dem Füllfaktor wird hier das Verhältnis des mit Grundmaterial gefüllten Volumens zu dem Gesamtvolumen der entsprechenden Schicht verstanden.Thus, while the method described first is particularly suitable when the fill factor of the top layer is less than one, the above method is particularly suitable when the fill factor of the top layer is equal to one. The fill factor is understood to mean the ratio of the volume filled with base material to the total volume of the corresponding layer.
Während die beiden oben genannten Verfahren besonders geeignet sind, wenn das Grundmaterial Silizium ist, so ist für das Grundmaterial Lithiumniobat das folgende erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft. Bei der Verwendung von Lithiumniobat lässt sich das angestrebte Gitterprofil besonders designgetreu übertragen. Es handelt sich hierbei um eine ionenstrahlgestützte Ätztechnik, wie z. B. in F. Schrempel, T. Gischkat, H. Hartung, E.-B. Kley, W. Wesch, Ion beam enhanced etching of LiNbO3, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Vol. 250, pp. 164–168, 2006 beschrieben. Kristallines Lithiumniobat lässt sich mit herkömmlichen Ätzprozessen nur bedingt strukturieren. Durch eine vorherige Ionenimplantation können jedoch Bereiche des Kristalls gezielt amorphisiert werden. In den so amorphisierten Bereichen kann das Material dann nasschemisch einfach entfernt werden. Eine Kontrolle der Ionenenergie erlaubt dabei auch eine Amorphisierung von Kristallbereichen, die unter der Oberfläche liegen. Hierbei wird die Ionenart und die Ionenenergie so gewählt, dass der enge Bereich der hauptsächlichen Energieabgabe der Ionen an das Substrat in jenen Bereichen der oberen und der mittleren Schicht liegt, die zur Strukturierung von Material befreit werden sollen. In Richtung der Schichtebene, also lateral, kann durch Elektronenstrahl-lithographische Maskierung gesteuert werden, wo Ionen im Material implantiert werden und wo nicht.While the two above-mentioned methods are particularly suitable when the base material is silicon, the following inventive method is advantageous for the base material lithium niobate. When lithium niobate is used, the desired lattice profile can be transferred in a particularly design-accurate manner. It is an ion beam based etching technique, such. In F. Schrempel, T. Gischkat, H. Hartung, E.-B. Kley, W. Wesch, Ion Beam Enhanced Etching of LiNbO 3 , Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Vol. 250, pp. 164-168, 2006. Crystalline lithium niobate can only be structured to a limited extent using conventional etching processes. However, previous ion implantation can specifically amorphize areas of the crystal. In the so amorphized areas, the material can then be easily removed wet-chemically. A control of the ion energy also allows an amorphization of crystal areas that lie below the surface. Here, the ionic species and the ionic energy are chosen so that the narrow range of the main energy delivery of the ions to the substrate lies in those regions of the upper and middle layers which are to be liberated for the structuring of material. In the direction of the layer plane, ie lateral, can be controlled by electron beam lithographic masking, where ions are implanted in the material and where not.
In einem ersten Schritt wird im erfindungsgemäßen Verfahren also auf ein Substrat eine Maskierung aufgebracht, welche die Struktur der mittleren Schicht beschreibt. In einem zweiten Schritt werden dann Ionen so auf das Substrat eingestrahlt, dass das Maximum ihrer Energieabgabe an das Substrat im Bereich der mittleren Schicht liegt. Anschließend wird in einem dritten Schritt nun die Maskierung entfernt und in einem vierten Schritt auf dem Substrat eine neue Maskierung aufgebracht, welche die Struktur der oberen Schicht beschreibt. Nun werden in einem fünften Schritt erneut Ionen auf das Substrat eingestrahlt, und zwar so, dass das Maximum ihrer Energieabgabe an das Substrat im Bereich der oberen Schicht liegt. In einem sechsten Schritt kann anschließend das Material aus den mit Ionen bestrahlten Bereichen des Substrats herausgeätzt werden, wobei als mit Ionen bestrahlt jene Bereiche gelten, in denen das Maximum der Energieabgabe in einem der vorherigen Schritte vorlag, während jene Bereiche, die im Wesentlichen nur von Ionen durchstrahlt wurden, hierbei nicht als bestrahlt gelten sollen.In a first step, in the method according to the invention, therefore, a mask is applied to a substrate, which describes the structure of the middle layer. In a second step, ions are then irradiated onto the substrate in such a way that the maximum of their energy output to the substrate lies in the region of the middle layer. Subsequently, in a third step, the masking is removed and in a fourth step a new masking is applied to the substrate, which describes the structure of the upper layer. Now, in a fifth step, ions are again irradiated onto the substrate, in such a way that the maximum of their energy delivery to the substrate is in the region of the upper layer. In a sixth step, the material can then be etched out of the ion-irradiated regions of the substrate, the regions irradiated with ions in which the maximum of the energy release existed in one of the previous steps, while those regions which are essentially only of Ion were irradiated, this should not be considered irradiated.
Der Ätzprozess im sechsten Schritt kann für eine einfache und kostengünstige Herstellung vorteilhafterweise ein nasschemischer Ätzprozess sein.The etching process in the sixth step may advantageously be a wet-chemical etching process for a simple and cost-effective production.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Mit Hilfe des vorgestellten Ansatzes ist es, wie in den Ausführungsbeispielen beschrieben, möglich, eine monolithische Oberfläche mit einer Reflektivität von 100% für eine bestimme Wellenlänge bei senkrechtem Einfall aus Luft und Verwendung einer bestimmten Polarisationsrichtung zu erzeugen. Dadurch entfällt die bisher unumgängliche Notwendigkeit der Einbeziehung eines zusätzlichen Materials. Alle in diesem Zusammenhang entstehenden und oben ausführlich beschriebenen Nachteile können so überwunden werden. Für verschiedene Anwendungen, die besondere Anforderungen in dieser Hinsicht aufweisen, bietet die Erfindung eine vielversprechende Alternative. Darüber hinaus bietet die Erfindung zahlreiche interessante Möglichkeiten:
- 1. Das Prinzip lässt sich auf viele in der Optik interessante Substratmaterialien übertragen. Als Beispiel seien hier neben Silizium Quarz und Lithiumniobat genannt.
- 2. Daraus folgt auch eine Übertragbarkeit auf andere Wellenlängenbereiche bei Verwendung eines geeigneten transparenten Substrats. So könnten beispielsweise monolithische Oberflächen für die hocheffiziente Reflexion von visuellem Licht, IR-, UV-, Terahertz- oder Mikrowellen realisiert werden.
- 3. Eine hohe Reflektivität der monolithischen Oberflächen ist nicht nur bei Einfall aus Luft, sondern auch bei Verwendung anderer Brechzahlkombinationen möglich. Voraussetzung ist hierbei lediglich der Einfall aus dem optisch dünneren Medium.
- 4. Bei der Gestaltung der mittleren Schicht ist man selbstverständlich nicht an binäre Gitterstrukturen mit der gleichen Periodizität wie die obere resonante Gitterschicht gebunden. Sollten Herstellungstechnologien dies erlauben, können auch Strukturen mit geringerer Periode und anderem Profil zum Einsatz kommen. Einzig die Propagationsfähigkeit höherer Moden muss durch die Struktur unterbunden sein.
- 5. Rigorose Rechnungen zeigen, dass die Funktion als resonanter hochreflektierender Wellenleiter auch im Grenzfall eines Füllfaktors der oberen Gitterschicht von foben → 1 nicht verloren geht. Dadurch entsteht in der Architektur ein im Substrat vergrabenes Gitter. Somit schließt das funktionelle Element durch eine glatte Oberfläche ab, wodurch eine einfache Reinigung gewährleistet wird. Das untere Gitter erfüllt in diesem Fall eine Doppelfunktion, da es einerseits als effektives Medium die Pufferschicht darstellt und andererseits für eine unterseitige Anregung der Wellenleitermoden sorgt.
- 6. Mit Hilfe der rigorosen Designmöglichkeiten lassen sich basierend auf dem dargestellten Ansatz beliebige Werte der Reflektivität der monolithischen Oberfläche bei Einfall aus beliebiger Richtung realisieren.
- 7. Aufgrund des polarisationsselektiven Verhaltens kann eine bestimmte Reflexionscharakteristik für eine bestimmte Polarisationsrichtung erzielt werden. Insbesondere kann bei geeigneter Wahl der Gitterparameter für eine bestimmte Polarisationsrichtung die Reflektivität maximiert werden, während diese für die andere Richtung minimiert wird (Polarisationsstrahlteiler).
- 8. Durch eine zweidimensionale Strukturierung des Substrates können die Reflektivitäten beider Polarisationsrichtungen unabhängig voneinander gewählt werden. Insbesondere kann durch eine gezielte Wahl der Parameter eine polarisationsunabhängige hocheffiziente Reflexion erzeugt werden.
- 1. The principle can be applied to many substrate materials that are interesting in optics. As an example, in addition to silicon quartz and lithium niobate may be mentioned here.
- 2. This also implies transferability to other wavelength ranges when using a suitable transparent substrate. For example, monolithic surfaces could be realized for highly efficient reflection of visual, IR, UV, terahertz, or microwave.
- 3. A high reflectivity of the monolithic surfaces is possible not only with incidence from air, but also when using other refractive index combinations. Prerequisite here is only the idea of the optically thinner medium.
- 4. Of course, when designing the middle layer, one does not bind to binary lattice structures having the same periodicity as the upper resonant lattice layer. If manufacturing technologies allow this, structures with a shorter period and a different profile can also be used. Only the propagation ability of higher modes must be prevented by the structure.
- 5th Rigorous bills, is that the function as resonant highly reflective waveguide in the limiting case of a fill factor of the upper mesh layer from above f → 1 is not lost. This creates a buried in the substrate grid in the architecture. Thus, the functional element is closed by a smooth surface, which ensures easy cleaning. In this case, the lower grating fulfills a dual function, since on the one hand it represents the buffer layer as an effective medium and on the other hand it provides for an underside excitation of the waveguide modes.
- 6. With the help of the rigorous design possibilities, any values of the reflectivity of the monolithic surface can be realized on incidence from any direction based on the illustrated approach.
- 7. Due to the polarization-selective behavior, a certain reflection characteristic for a certain polarization direction can be achieved. In particular, with a suitable choice of the grating parameters for a particular direction of polarization, the reflectivity can be maximized while minimizing it for the other direction (polarization beam splitter).
- 8. By a two-dimensional structuring of the substrate, the reflectivities of both polarization directions can be selected independently. In particular, a polarization-independent highly efficient reflection can be generated by a specific choice of parameters.
Im Folgenden soll die erfindungsgemäße reflektierende Struktur sowie die Verfahren zu ihrer Herstellung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Die Beispiele sind nicht beschränkend zu verstehen und die in den Beispielen gezeigten Merkmale können auch unter den Ausführungsformen kombiniert werden.In the following, the reflective structure according to the invention and the method for its production will be explained by way of example with reference to some figures. The examples are not intended to be limiting and the features shown in the examples may also be combined under the embodiments.
Es zeigtIt shows
Der Abstand zweier Gitterstäbe beträgt in der mittleren Schicht 518 nm und in der oberen Schicht 308 nm. Die Breite eines Gittersteges der mittleren Schicht ist im gezeigten Beispiel 182 nm und in der oberen Schicht 392 nm. Bei senkrechter Inzidenz, d. h. das Licht fällt senkrecht auf die Ebene der oberen Schicht, wird hier eine nahezu 100%ige Reflektivität erreicht. Die Stege der mittleren und der oberen Schicht bestehen im Beispiel aus dem gleichen Material wie die untere Schicht nämlich Silizium mit einem Brechungsindex von n = 3,5.The spacing of two bars is 518 nm in the middle layer and 308 nm in the upper layer. The width of a grid of the middle layer is 182 nm in the example shown and 392 nm in the upper layer. H. the light falls perpendicular to the plane of the upper layer, a nearly 100% reflectivity is achieved here. The webs of the middle and the upper layer in the example consist of the same material as the lower layer, namely silicon with a refractive index of n = 3.5.
Bei der Herstellung muss das in
Hierzu werden die Gitterstege
Günstigerweise soll eine monolithische Siliziumoberfläche für eine Wellenlänge von λ = 1550 nm eine 100%-ige Reflektivität bei senkrechtem Einfall aufweisen. Die Brechzahl des Materials beträgt dabei n = 3,5. Für den Grenzfall eines sehr kleinen Füllfaktors des Gitters in der mittleren Schicht (Pufferschicht) (effektive Brechzahl neff → 1) ergibt sich aus den Ungleichungen (2) und (3) ein geeigneter Bereich der Periode von 443 nm < p < 1550 nm. Aus diesem Bereich wird beispielhaft eine Gitterperiode von p = 700 nm ausgewählt.Conveniently, a monolithic silicon surface for a wavelength of λ = 1550 nm should have a 100% reflectivity at normal incidence. The refractive index of the material is n = 3.5. For the limiting case of a very small filling factor of the grating in the middle layer (buffer layer) (effective refractive index n eff → 1), the inequalities (2) and (3) result in a suitable range of the period of 443 nm <p <1550 nm. From this range, a grating period of p = 700 nm is selected by way of example.
Mit Hilfe rigoroser Simulationsmethoden (M. G. Moharam, T. K. Gaylord, Rigorous coupled wave approach for planar diffraction gratings, J. Opt. Soc. Am., Vol. 71, pp. 881–818, 1981) und der Annahme TM-polarisierten Lichts lassen sich nun die notwendigen Parameter der oberen und unteren Gitterschicht finden. Dazu wurden zunächst gleichzeitig der Füllfaktor foben der oberen Gitterschicht in einem Bereich von 0,4 < foben < 0,9 und die obere Gitterschichtdicke in einem Bereich von 0 < d < 800 nm variiert. Die sich ergebende Reflektivität ist in
Der ideale Designpunkt wurde mit den Parametern foben = 0,56 und d = 350 nm identifiziert. Dort ist die Parametertoleranz hinsichtlich der Herstellung am größten. Um die Toleranz der angenommenen Parameter der effektiven Pufferschicht fmittel und deff zu überprüfen, wurden bei festem Design der oberen Schicht (foben = 0,56, d = 350 nm) diese in den Bereichen 0 < fmittel < 0,5 bzw. 0 < deff < 2 μm variiert. Dieser Plot ist in
Dabei zeigt sich ebenfalls ein höchst tolerantes Verhalten bezüglich beider variierter Parameter. Wie bereits angedeutet, lässt sich für kleine Füllfaktoren (hier von 0 < fmittel < 0,35) eine minimale Schichtdicke finden, ab der die Schicht als Pufferschicht agiert, indem sie eine Transmission von Beugungsordnungen in das hochbrechende Substrat unterdrückt und somit hohe Reflektivitäten ermöglicht. Die
Zum Abschluss der Betrachtung des konkreten Anwendungsbeispiels ist sowohl das spektrale als auch das winkelabhängige Verhalten der Reflektivität am gefundenen Designpunkt von Interesse. Dazu wurde zum einen die Wellenlänge in einem Bereich von 1 μm < λ < 2 μm und zum anderen der Einfallswinkel in einem Bereich von 0° < Φ < 90° variiert. Die errechneten Abhängigkeiten sind in den
Dabei zeigt sich eine 95%-ige Reflektivität der Oberfläche für einen sehr breiten Wellenlängenbereich von λ = 1550 nm ± 175 nm und einen Winkelbereich von ϕ = 0° ± 23°. Die Reflektivität übersteigt gar einen Wert von 99,99% für den Wellenlängenbereich von 1,48 μm < λ < 1,58 μm und den Winkelbereich von ϕ = 0° ± 4,5°. Dies erscheint für spezielle Anwendungen im Bereich der Wellenlänge 1550 nm höchst geeignet.This shows a 95% reflectivity of the surface for a very broad wavelength range of λ = 1550 nm ± 175 nm and an angular range of φ = 0 ° ± 23 °. The reflectivity even exceeds a value of 99.99% for the wavelength range of 1.48 μm <λ <1.58 μm and the angular range of φ = 0 ° ± 4.5 °. This seems most suitable for special applications in the 1550 nm wavelength range.
Das Ergebnis dieses Herstellungsverfahrens ist ein Spiegel mit einer oberen Schicht
Zum einen kann die obere Schicht
Alternativ kann die obere Schicht
Es kann dann eine neue Maskierung
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