DE102011111882A1 - Optical filter i.e. tunable optical Bragg filter, has recesses in form of holes and/or depressions lying at distance from each other in order of magnitude of specific ratio, where recesses are filled with different materials such as air - Google Patents

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Abstract

The filter has an optical cavity (3) formed between Bragg mirrors (1, 2) and made of two materials with different refraction indexes. One of the materials comprises recesses in the form of holes and/or depressions with different shapes. Large size of the holes and/or depressions is smaller than ratio resulted from desired resonance wavelength in vacuum divided by effective refractive index of the material of the cavity considered as an effective medium. The holes lie at distance from each other in order of magnitude of the ratio. The recesses are filled with different materials such as air. An independent claim is also included for a method for manufacturing an optical filter.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Filter, mit dem mehrere Wellenlängen gleichzeitig und getrennt höchstaufgelöst detektiert werden können, basierend auf einer Kavität zwischen zwei Bragg-Spiegeln, die aus einer Mischschicht besteht, und ein Verfahren zur Herstellung des Filters, insbesondere zur Ausbildung der Mischschicht.The invention relates to an optical filter, with which a plurality of wavelengths can be detected simultaneously and separately super-resolved, based on a cavity between two Bragg mirrors, which consists of a mixed layer, and a method for producing the filter, in particular for forming the mixed layer.

Ein Bragg-Spiegel ist aus einem Stapel von zwei verschiedenen alternierenden dünnen Schichten gebildet, wobei die eine Hälfte der Schichten aus einem Material mit niedrigerem Brechungsindex und die andere aus einem Material mit höherem Brechungsindex besteht. Wenn zwei hintereinander liegende Bragg-Spiegel über eine zusätzliche Schicht bzw. Medium (Kavität) mit bestimmten physikalischen Parametern verbunden sind, funktioniert das System wie ein optischer Filter, dessen Resonanzwellenlänge von dem Brechungsindex und der Dicke der Kavität abhängt. Es ist deswegen möglich, die Resonanzwellenlänge eines solchen Filters zu verschieben, wenn man die Dicke und/oder den Brechungsindex der Kavität ändert.A Bragg mirror is formed from a stack of two different alternating thin layers, one half of the layers being made of a lower refractive index material and the other being made of a higher refractive index material. When two successive Bragg mirrors are connected by an additional layer or medium (cavity) with certain physical parameters, the system functions like an optical filter whose resonance wavelength depends on the refractive index and the thickness of the cavity. It is therefore possible to shift the resonance wavelength of such a filter by changing the thickness and / or refractive index of the cavity.

Bragg Filter wurden seit langer Zeit mit unterschiedlichen Materialien hergestellt. Die Brechungsindizes von den Materialien, aus denen die Schichten der Bragg-Spiegel bestehen, beeinflussen die Breite des optischen Bereichs, in dem das Licht fast vollständig reflektiert wird und der „stop band” genannt wird.Bragg filters have been made with different materials for a long time. The refractive indices of the materials making up the layers of Bragg mirrors affect the width of the optical region in which the light is almost completely reflected and called the "stop band".

Die Änderung der Kavitätsdicke für Bragg-Filter ist eine bekannte Maßnahme, z. B. J. H. Correia, G. De Graaf, M. Bartek, R. F. Wolffenbuttel, ”A CMOS optical microspectrometer with light-to-frequency converter, bus interface, and stray-light compensation”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 6, Aug 2002, Seiten 1530–1537 .The change in cavity thickness for Bragg filters is a known measure, e.g. B. JH Correia, G. De Graaf, M. Bartek, RF Wolffenbuttel, "A CMOS optical microspectrometer with light-to-frequency converter, bus interface, and stray-light compensation", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 6, Aug 2002, pages 1530-1537 ,

Es wurde auch schon gezeigt, dass man eine Kavität aus besonderen Materialien herstellen kann, die durch das Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes ihren Brechungsindex ändern.It has also been shown that one can make a cavity of special materials that change their refractive index by applying an electric or magnetic field.

Ein bekanntes Konzept ist das vom ”effektiven Brechungsindex”, z. B. U. D. Zeitner, E.-B. Kley, A. Tünnermann, „Photonic Submicron-structures”, Physics' Best, Apr 2011, Seiten 27–30 , sowie W. Theiss, ”Optical properties of porous silicon”, Surf. Sci. Rep. 29, 1997, Seiten 91–192 und W. Stork, N. Streibl, H. Haidner, P. Kipfer, ”Artificial distributed-index media fabricated by zero-order gratings”, Opt. Lett. 16 (24), 1991, Seiten 11921–1923 . Das Konzept beruht auf der Idee vom „effektiven Medium”: ein physikalisches Modell beschreibt die makroskopischen Eigenschaften von einem Material auf der Basis der Eigenschaften und Anteilen seiner Komponenten. Grundsätzlich meint man mit „effektiven Brechungsindex” den Brechungsindex von einem „effektiven Medium”, der aus den Brechungsindizes von zwei oder mehreren Komponenten berechnet wird. Die Theorie des effektiven Brechungsindex hat oft Anwendung gefunden. Sie wurde auch innerhalb optischer Filter benutzt, zum Beispiel um besondere Werte von Brechungsindizes oder Brechungsindexunterschieden zur Verfügung zu haben. Aber es sind keine Anwendungen bekannt, um durch eine in vorbestimmter Weise strukturierte Volumenaufteilung von zwei Materialkomponenten verschiedene Kavitätsbrechungsindizes zu realisieren oder für die Herstellung eines einzelnen optischen Filters mit sich änderndem Kavitätsbrechungsindex anzuwenden. Mehrere mathematische Formeln wurden für die Berechnung schon vorgeschlagen. In allen Formeln beeinflusst die Menge, zum Beispiel das Volumen, der zwei Komponenten den berechneten Brechungsindex, der durch Anteile der Materialien geändert werden kann, aus denen das effektive Medium sich zusammensetzt. Der Kavitätsbrechungsindex kann so gemäß dem Anteil der Schichtkomponenten geändert werden, ohne die Qualität des Filters zu beeinflussen, da diese von der Anzahl der Schichten der Bragg-Spiegel beeinflusst wird.One known concept is that of the "effective refractive index", e.g. B. UD Zeitner, E.-B. Kley, A. Tünnermann, "Photonic Submicron-structures", Physics' Best, Apr 2011, pages 27-30 , such as W. Theiss, "Optical properties of porous silicon", Surf. Sci. Rep. 29, 1997, pages 91-192 and W. Stork, N. Streibl, H. Haidner, P. Kipfer, "Artificial Distributed Index Media Manufactured by Zero-Order gratings", Opt. Lett. 16 (24), 1991, pages 11921-1923 , The concept is based on the idea of the "effective medium": a physical model describes the macroscopic properties of a material based on the properties and proportions of its components. Basically, "effective refractive index" means the refractive index of an "effective medium" calculated from the refractive indices of two or more components. The theory of effective refractive index has often found application. It has also been used within optical filters, for example to have particular values of refractive indices or refractive index differences. However, there are no known applications to realize different cavity refractive indices by a predetermined structured volume division of two material components or to apply them for the production of a single optical filter with varying cavity refractive index. Several mathematical formulas have already been proposed for the calculation. In all formulas, the amount, for example the volume, of the two components affects the calculated refractive index, which can be changed by proportions of the materials composing the effective medium. The cavity refractive index can thus be changed according to the proportion of the layer components without affecting the quality of the filter, since this is influenced by the number of layers of the Bragg mirrors.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen durchstimmbaren optischen Bragg-Filter mit gleichbleibender Kavitätsdicke auszubilden, der gleichzeitig und schmalbandig mehrere Wellenlängen in einem Bereich von mindestens 300 nm transmittiert und der nur mit einem Strukturierungsschritt und ohne Anwendung von flüssigen Kristallen, Legierungen oder porösem Silizium hergestellt werden kann.It is an object of the invention to form a tunable optical Bragg filter with constant cavity thickness, which simultaneously and narrowband transmits multiple wavelengths in a range of at least 300 nm and can be prepared only with a structuring step and without the use of liquid crystals, alloys or porous silicon ,

Gelöst wird die Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1 und 7 angegebenen Merkmalen.The problem is solved with the features specified in claims 1 and 7.

Die Gegenstände der Ansprüche 1 und 7 weisen die Vorteile auf, dass optische Filter mit unterschiedlichen Wellenlängen oder ein einzelner Filter für mehrere Wellenlängen in einem einheitlichen Prozess hergestellt werden können. Die Kavität kann aber muss nicht aus den gleichen Materialien so wie die Bragg-Filter bestehen.The objects of claims 1 and 7 have the advantages that optical filters with different wavelengths or a single filter for several wavelengths can be produced in a uniform process. However, the cavity may not be made of the same materials as the Bragg filters.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert. Es zeigen in schematischer DarstellungThe invention will now be explained with reference to an embodiment with the aid of the drawing. It show in a schematic representation

1 den Schnitt durch einen optischen Filter, bestehend aus 2 Bragg-Spiegeln und der zwischen den Bragg-Spiegeln befindlichen Kavität, 1 the section through an optical filter consisting of 2 Bragg mirrors and the cavity located between the Bragg mirrors,

2 den Schichtaufbau eines einzelnen Bragg-Spiegels, 2 the layer structure of a single Bragg mirror,

3 den erfindungsgemäßen Aufbau einer Kavität als Bestandteil eines optischen Filters in Draufsicht und im Schnitt, 3 the construction according to the invention of a cavity as a component of an optical filter in plan view and in section,

4 einen erfindungsgemäßen Filter, der drei Bereiche mit unterschiedlich strukturierter Kavität entsprechend drei Resonanzwellenlängen umfasst. 4 a filter according to the invention comprising three areas with differently structured cavity corresponding to three resonance wavelengths.

Der Bragg-Spiegel in 2 setzt sich aus einer Anzahl von Schichten zusammen, die abwechselnd aus Material A und aus Material B mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen. Die normalerweise verschieden dicken Schichten der Materialien A und B müssen jeweils untereinander die gleiche Dicke mit einer Toleranz von besser als 20% haben. Die gesamte Anzahl der Schichten muss mindestens gleich 3 sein.The Bragg mirror in 2 is composed of a number of layers, which alternately consist of material A and of material B with different refractive indices. The normally different thickness layers of materials A and B must each have the same thickness with a tolerance of better than 20%. The total number of layers must be at least equal to 3.

In 3 sind unterschiedliche Formen der Durchbrechungen der Schicht A der Kavität dargestellt, welche mit dem Material B gefüllt sind. Die Strukturierung kann, muss aber nicht durch die ganze Dicke der Schicht und über die ganze Länge und/oder Breite der Schicht erfolgen. Die Strukturierung dient dazu, die gewünschten Volumenverhältnisse zwischen den zwei Materialien zu schaffen, die auch andere Materialien als A und B sein können. Die Volumenverhältnisse können in verschiedenen Zonen der Kavität unterschiedlich sein. Die Unterschiede zwischen den Volumenverhältnisse können schrittweise erfolgen. Man könnte diese Materialkonfiguration regionenweise als effektives Medium bezeichnen.In 3 different forms of the openings of the layer A of the cavity are shown, which are filled with the material B. The structuring may, but need not, be through the entire thickness of the layer and over the entire length and / or width of the layer. The structuring serves to provide the desired volume ratios between the two materials, which may be materials other than A and B. The volume ratios may be different in different zones of the cavity. The differences between the volume ratios can be gradual. One could call this material configuration region-wise as effective medium.

In 4 ist die Schicht A der Kavität in der vollen Dicke durch Löcher durchbrochen dargestellt. Die Löcher sind mit der Schichtkomponente B gefüllt. Es sind drei Regionen mit verschiedenen Volumenverhältnissen der Schichtzusammensetzung der Kavität gezeigt. Die drei Regionen funktionieren als drei unterschiedliche Filter.In 4 the layer A of the cavity is shown in full thickness broken through holes. The holes are filled with the layer component B. Three regions with different volume ratios of the layer composition of the cavity are shown. The three regions work as three different filters.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Filters kann z. B. auf folgende Weise erfolgen:
Auf einem allgemeinen Substrat wird eine Schicht von einem ausgewählten Material A abgeschieden. Darauf wird eine Schicht von einem ausgewählten Material B abgeschieden. Die Abscheidung von je einer Schicht von Material A und je einer von Material B wiederholt man so lange, bis man insgesamt eine bestimmte Anzahl n von Schichten deponiert hat. Nach jeder Deponierung kann ein Polierschritt stattfinden. Die Schichten aus Material A müssen alle die gleiche Dicke dA und die Schichten aus Material B alle eine gleiche Dicke dB jeweils mit einer Toleranz von besser als 20% haben. Die dicken dA und dB können unterschiedlich sein. Zunächst entsteht so der ”untere” Bragg-Spiegel. Danach wird eine Schicht aus Material A deponiert. Es kann aber auch ein anderes Material für diese Schicht benutzt werden. Diese Schicht ist zum Beispiel doppelt so dick wie die anderen Schichten aus Material A. Diese dicke Schicht wird dann strukturiert, zum Beispiel durch eine Kombination von Lithographie und Ätzen. Die Strukturen können vollständig durch diese dicke Schicht geätzt werden. Es können auch Einsenkungen sein. Die Strukturen können jede Form haben, zum Beispiel runde Löcher, Vierecke oder schmale Rechtecke. Die größte Ausdehnung der Struktur muss kleiner sein, als das Verhältnis λm, welches sich aus der gewünschten Resonanzwellenlänge im Vakuum geteilt durch den effektiven Brechungsindex des Materials errechnet. Der Abstand zwischen benachbarten Strukturen minus die Größe der Strukturen muss kleiner oder in der Größenordnung von λm sein.The preparation of a filter according to the invention can, for. B. in the following way:
On a general substrate, a layer of a selected material A is deposited. Then a layer of a selected material B is deposited. The deposition of one layer of material A and one each of material B is repeated until a total of a certain number n of layers has been deposited. After each deposit, a polishing step may take place. The layers of material A must all have the same thickness dA and the layers of material B all have the same thickness dB each with a tolerance of better than 20%. The thick dA and dB can be different. First, this creates the "lower" Bragg mirror. Thereafter, a layer of material A is deposited. But you can also use another material for this layer. This layer is, for example, twice as thick as the other layers of material A. This thick layer is then patterned, for example by a combination of lithography and etching. The structures can be completely etched through this thick layer. It can also be depressions. The structures can have any shape, for example round holes, squares or narrow rectangles. The largest dimension of the structure must be smaller than the ratio λ m , which is calculated from the desired resonance wavelength in vacuum divided by the effective refractive index of the material. The distance between adjacent structures minus the size of the structures must be smaller or on the order of λ m .

Die Strukturen werden zum Beispiel mit Material B dicht gefüllt. Es kann aber auch ein anderes Material für die Füllung benutzt werden. Auf die Schicht mit den gefüllten Strukturen wird eine Schicht aus Material B abgeschieden. Ein Polierschritt kann nach dieser Abscheidung stattfinden. Diese letzte Schicht muss nach der Deponierung und dem eventuellen Polieren eine Dicke dB mit einer Toleranz von besser als 20% haben.For example, the structures are densely filled with material B. But it can also be used for filling another material. On the layer with the filled structures, a layer of material B is deposited. A polishing step may take place after this deposition. This last layer must have a thickness dB with a tolerance of better than 20% after dumping and possible polishing.

Danach folgen weitere Schichten A mit dA und B mit dB in alternierender Folge, wodurch der ”obere” Bragg-Spiegel hergestellt wird. Die Anzahl von Schichten kann in den Bragg-Spiegeln unterschiedlich sein.This is followed by further layers A with dA and B with dB in alternating sequence, thus producing the "upper" Bragg mirror. The number of layers may be different in the Bragg mirrors.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Bragg-Spiegel 1 Bragg mirror 1
22
Bragg-Spiegel 2 Bragg mirror 2
33
Kavität, effektives Medium, zusätzliche SchichtCavity, effective medium, additional layer
44
rechteckiger Querschnitt des Schichtbereichs mit Material Brectangular cross section of the layer area with material B
55
linsenförmiger Querschnitt des Schichtbereichs mit Material BLenticular cross-section of the layer region with material B
AA
Material A mit einem höheren oder niedrigeren Brechungsindex als BMaterial A with a higher or lower refractive index than B
BB
Material B oder umgekehrtMaterial B or vice versa
QQ
Querschnitt der KavitätCross section of the cavity
DD
Draufsicht der KavitätTop view of the cavity
I, II, IIII, II, III
Bereiche verschiedener Volumenverhältnisse der MischschichtAreas of different volume ratios of the mixed layer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (7)

Optischer Filter bestehend aus einem ersten aus mindestens zwei Schichten des Materials A und aus mindestens einer Schicht des Material B mit unterschiedlichen Brechungsindizes mit den Dicken dA und dB zusammengesetzten Bragg-Spiegel, einem zweiten aus den gleichen Schichten zusammengesetzten Bragg-Spiegel und einer zwischen beiden Bragg-Spiegeln befindlichen optischen Kavität, wobei sich diese aus mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes zusammensetzt und eines der Materialien Aussparungen in Form von Löchern oder/und Einsenkungen aufweist, deren Form unterschiedlich sein kann und deren größte Abmessung jeweils kleiner ist als das Verhältnis λm, welches sich aus der gewünschten Resonanzwellenlänge im Vakuum, geteilt durch den effektiven Brechungsindex des Materials der Kavität, das als effektives Medium betrachtet wird, ergibt und deren Abstand voneinander in der Größenordnung von λm liegt und wobei die Aussparungen mit einem zweiten oder mehreren unterschiedlichen Materialien gefüllt sind, wobei in speziellen Fällen eines der Materialien Luft ist.Optical filter consisting of a first of at least two layers of the material A and of at least one layer of the material B with different refractive indices with the thicknesses dA and dB Bragg mirror, a second composed of the same layers Bragg mirror and one between the two Bragg Mirror optical cavity, which is composed of at least two materials with different refractive indices and one of the materials has recesses in the form of holes and / or depressions, the shape of which may be different and their largest dimension is smaller than the ratio λ m , which results from the desired resonant wavelength in vacuum, divided by the effective refractive index of the material of the cavity, which is considered to be the effective medium, and whose distance from each other is on the order of λ m and where the recesses are of a second or more filled with different materials, in special cases, one of the materials is air. Optischer Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Aussparungen verschieden sein kann.An optical filter according to claim 1, characterized in that the shape of the recesses may be different. Optischer Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität nur teilweise mit Aussparungen strukturiert ist.Optical filter according to claim 1 or 2, characterized in that the cavity is only partially structured with recesses. Optischer Filter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Aussparungen der Mischschicht in der Kavität insgesamt in Anspruch genommene Volumen die Resonanzwellenlänge bestimmt.Optical filter according to claims 1 to 3, characterized in that the total volume occupied by the recesses of the mixed layer in the cavity determines the resonant wavelength. Optischer Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Strukturierung der Mischschicht in der Kavität in Anspruch genommene Volumen in verschiedenen Schichtbereichen entsprechend mehreren verschiedenen Resonanzwellenlängen unterschiedlich groß ist.Optical filter according to claim 4, characterized in that the volume occupied by the structuring of the mixed layer in the cavity is different in different layer areas corresponding to a plurality of different resonance wavelengths. Optischer Filter nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Schichtbereiche nebeneinander eventuell auch ohne Trennung oder Kante liegen.Optical filter according to claim 5, characterized in that the different layer areas next to each other possibly even without separation or edge. Verfahren zur Herstellung eines optischen Filters gemäß Anspruch 1, wobei nach jedem Schritt einer Schichtabscheidung ein Polierschritt stattfinden kann, welches die folgende Reihe von Hauptarbeitsschritten umfasst: – Abscheidung einer Schicht aus einem Material A mit einem bestimmten Brechungsindex und der Dicke dA auf ein Substrat – Abscheidung einer Schicht aus Material B der Dicke dB mit einem bestimmten Brechungsindex, der von dem der Schicht A verschieden ist – Abscheidung weiterer Schichten aus Material A und B in alternierender Folge, womit insgesamt ein Schichtstapel (unterer Schichtstapel) erzeugt wird – Abscheidung einer Schicht aus einem Material mit vorbestimmter Schichtdicke aus Material A oder Material B oder einem dritten Material, dessen Schichtdicke von dA und/oder dB unterschiedlich sein kann – Strukturierung dieser zuletzt abgeschiedenen Schicht durch einen Lithographieschritt, der eventuell unter Zuhilfenahme einer Ätzstoppschicht mit einer Ätzung kombiniert ist, wobei Aussparungen als durchgehende Löcher oder auch als Einsenkungen erzeugt werden, deren größte Abmessung jeweils kleiner ist als das Verhältnis λm, welches sich aus der gewünschten Resonanzwellenlänge im Vakuum geteilt durch den effektiven Brechungsindex der Mischschicht ergibt und deren Abstand voneinander in der Größenordnung von λm liegt – Füllung der Aussparungen – Einebnung und Abtrag der Füllschicht auf die gewünschte Dicke – Abscheidung weiterer Schichten der Materialien A und B mit den Dicken dA und dB in alternierender Folge, womit insgesamt der obere Schichtstapel erzeugt wirdA method of manufacturing an optical filter according to claim 1, wherein after each step of a layer deposition, a polishing step may take place comprising the following series of main operations: depositing a layer of a material A of a certain refractive index and thickness dA onto a substrate deposit a layer of material B of thickness dB with a certain refractive index different from that of layer A - deposition of further layers of material A and B in alternating sequence, thus producing a total of a layer stack (lower layer stack) - depositing a layer of one Material with a predetermined layer thickness of material A or material B or a third material whose layer thickness may be different from dA and / or dB - structuring of this last deposited layer by a lithography step, possibly with the aid of an etch stop layer with an etching kom are recesses, wherein recesses are produced as through holes or as depressions whose largest dimension is smaller than the ratio λ m , which results from the desired resonant wavelength in vacuum divided by the effective refractive index of the mixed layer and their distance from one another in the order of λ m - filling of the recesses - leveling and removal of the filling layer to the desired thickness - deposition of further layers of the materials A and B with the thicknesses dA and dB in an alternating sequence, thus creating the upper layer stack in total
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