DE102022113109A1 - MICROPHONE AND METHOD OF OPERATING A MICROPHONE - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Mikrofon angegeben, aufweisend:- einen Emitter (1), der zur Emission elektromagnetischer Laserstrahlung (20) eingerichtet ist,- einen Detektor (2), der zur Bestimmung einer Intensität (I) der elektromagnetischen Laserstrahlung (20) eingerichtet ist, und- ein optisches Element (3), dessen Transmissionsgrad (T) und/oder Reflexionsgrad (R) für die elektromagnetische Laserstrahlung (20) von einem Umgebungsluftdruck abhängt, wobei- das optische Element (3) entlang eines optischen Pfades der elektromagnetischen Laserstrahlung (20) zwischen dem Emitter (1) und dem Detektor (2) angeordnet ist, und- das optische Element (3) einen photonischen Kristall (4) umfasst.A microphone is specified, comprising: - an emitter (1) which is set up to emit electromagnetic laser radiation (20), - a detector (2) which is set up to determine an intensity (I) of the electromagnetic laser radiation (20), and - an optical element (3) whose transmittance (T) and/or reflectance (R) for the electromagnetic laser radiation (20) depends on an ambient air pressure, wherein - the optical element (3) runs along an optical path of the electromagnetic laser radiation (20 ) is arranged between the emitter (1) and the detector (2), and the optical element (3) comprises a photonic crystal (4).
Description
Es werden ein Mikrofon und ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons angegeben.A microphone and a method of operating a microphone are provided.
Eine Aufgabe von zumindest bestimmten Ausführungsformen ist es, ein verbessertes membranloses Mikrofon und ein Verfahren zum Betrieb des verbesserten membranlosen Mikrofons anzugeben.An object of at least certain embodiments is to provide an improved diaphragmless microphone and a method of operating the improved diaphragmless microphone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Mikrofon einen Emitter auf, der zur Emission elektromagnetischer Laserstrahlung eingerichtet ist. Der Emitter ist insbesondere dazu eingerichtet, einen elektrischen Strom in elektromagnetische Laserstrahlung umzuwandeln.According to at least one embodiment, the microphone has an emitter that is set up to emit electromagnetic laser radiation. The emitter is designed in particular to convert an electrical current into electromagnetic laser radiation.
Elektromagnetische Laserstrahlung entsteht durch stimulierte Emission. Im Gegensatz zu elektromagnetischer Strahlung, die durch spontane Emission entsteht, weist die elektromagnetische Laserstrahlung eine geringere spektrale Linienbreite, eine höhere Kohärenzlänge und/oder einen höheren Polarisationsgrad auf.Electromagnetic laser radiation is created by stimulated emission. In contrast to electromagnetic radiation, which arises through spontaneous emission, electromagnetic laser radiation has a smaller spectral line width, a higher coherence length and/or a higher degree of polarization.
Der Emitter weist bevorzugt eine möglichst kleine spektrale Linienbreite auf. Beispielsweise beträgt eine Halbwertsbreite der elektromagnetischen Laserstrahlung höchstens 1 MHz, bevorzugt höchstens 100 kHz und besonders bevorzugt höchstens 10 kHz. Der Emitter ist beispielsweise zur Emission elektromagnetischer Laserstrahlung in einem Spektralbereich zwischen infrarotem Licht und ultraviolettem Licht eingerichtet.The emitter preferably has the smallest possible spectral line width. For example, a half-width of the electromagnetic laser radiation is at most 1 MHz, preferably at most 100 kHz and particularly preferably at most 10 kHz. The emitter is set up, for example, to emit electromagnetic laser radiation in a spectral range between infrared light and ultraviolet light.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Mikrofon einen Detektor auf, der zur Bestimmung einer Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung eingerichtet ist. Insbesondere wandelt der Detektor die darauf einfallende elektromagnetische Laserstrahlung in einen elektrischen Fotostrom um, wobei eine elektrische Stromstärke des Fotostroms bevorzugt proportional zur Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung ist. Der Detektor weist beispielsweise eine Fotodiode oder einen Fototransistor auf.According to at least one further embodiment, the microphone has a detector which is set up to determine an intensity of the electromagnetic laser radiation. In particular, the detector converts the electromagnetic laser radiation incident thereon into an electrical photocurrent, with an electrical current strength of the photocurrent preferably being proportional to the intensity of the electromagnetic laser radiation. The detector has, for example, a photodiode or a phototransistor.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Mikrofon ein optisches Element auf, dessen Transmissionsgrad und/oder Reflexionsgrad für die elektromagnetische Laserstrahlung von einem Umgebungsluftdruck abhängt. Hier und im Folgenden beschreibt der Transmissionsgrad ein Verhältnis zwischen einer durch das optische Element transmittierten Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung und einer auf das optische Element einfallenden Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung. In anderen Worten beschreibt der Transmissionsgrad einen Anteil der elektromagnetischen Laserstrahlung, der durch das optische Element durchgelassen wird.According to at least one further embodiment, the microphone has an optical element whose degree of transmission and/or degree of reflection for the electromagnetic laser radiation depends on an ambient air pressure. Here and below, the transmittance describes a relationship between an intensity of the electromagnetic laser radiation transmitted through the optical element and an intensity of the electromagnetic laser radiation incident on the optical element. In other words, the transmittance describes a portion of the electromagnetic laser radiation that is transmitted through the optical element.
Hier und im Folgenden beschreibt der Reflexionsgrad ein Verhältnis zwischen einer vom optischen Element reflektierten Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung und einer auf das optische Element einfallenden Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung. In anderen Worten beschreibt der Reflexionsgrad einen Anteil der elektromagnetischen Laserstrahlung, der vom optischen Element zurückgeworfen wird.Here and below, the reflectance describes a relationship between an intensity of the electromagnetic laser radiation reflected by the optical element and an intensity of the electromagnetic laser radiation incident on the optical element. In other words, the reflectance describes a portion of the electromagnetic laser radiation that is reflected by the optical element.
Hier und im Folgenden beschreibt der Umgebungsluftdruck einen Druck einer Umgebungsluft. Die Umgebungsluft ist ein Medium, welches das optische Element zumindest teilweise umgibt. Insbesondere breiten sich Schallwellen durch die Umgebungsluft aus. Das Mikrofon ist dazu eingerichtet, diese Schallwellen in ein optisches und/oder elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln. Vorliegend kann die Umgebungsluft ein gasförmiges und/oder ein flüssiges Medium bezeichnen, in dem das optische Element angeordnet ist.Here and below, the ambient air pressure describes a pressure of ambient air. The ambient air is a medium that at least partially surrounds the optical element. In particular, sound waves propagate through the surrounding air. The microphone is set up to convert these sound waves into an optical and/or electrical output signal. In the present case, the ambient air can refer to a gaseous and/or a liquid medium in which the optical element is arranged.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist das optische Element entlang eines optischen Pfades der elektromagnetischen Laserstrahlung zwischen dem Emitter und dem Detektor angeordnet. In anderen Worten trifft die vom Emitter erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung auf das optische Element und wird von diesem zumindest teilweise transmittiert und/oder zumindest teilweise reflektiert. Die vom optischen Element transmittierte oder reflektierte elektromagnetische Laserstrahlung trifft in Folge auf den Detektor.According to at least one further embodiment of the microphone, the optical element is arranged along an optical path of the electromagnetic laser radiation between the emitter and the detector. In other words, the electromagnetic laser radiation generated by the emitter hits the optical element and is at least partially transmitted and/or at least partially reflected by it. The electromagnetic laser radiation transmitted or reflected by the optical element subsequently hits the detector.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons umfasst das optische Element einen photonischen Kristall. Der photonische Kristall weist insbesondere eine Strukturierung mit einer räumlichen Modulation eines Brechungsindex auf. Hier und im Folgenden bezeichnet der Brechungsindex einen Brechungsindex für die vom Emitter im Betrieb erzeugte Laserstrahlung. Die räumliche Modulation des Brechungsindex erfolgt beispielsweise in einer, zwei oder drei Raumrichtungen. In anderen Worten weist der photonische Kristall eine eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale Strukturierung auf.According to at least one further embodiment of the microphone, the optical element comprises a photonic crystal. The photonic crystal in particular has a structuring with a spatial modulation of a refractive index. Here and below, the refractive index refers to a refractive index for the laser radiation generated by the emitter during operation. The spatial modulation of the refractive index occurs, for example, in one, two or three spatial directions. In other words, the photonic crystal has a one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional structure.
Elektromagnetische Laserstrahlung, die im photonischen Kristall propagiert, wird durch die räumliche Modulation des Brechungsindex insbesondere gebeugt und/oder gestreut. Durch konstruktive und/oder destruktive Interferenz von verschiedenen Anteilen der gebeugten und/oder gestreuten elektromagnetischen Laserstrahlung kann beispielsweise eine Propagationsrichtung der elektromagnetischen Laserstrahlung geändert werden.Electromagnetic laser radiation that propagates in the photonic crystal is in particular diffracted and/or scattered by the spatial modulation of the refractive index. Through constructive and/or destructive interference of different components of the diffracted and/or scattered electromagnetic laser radiation, for example a propagation direction of the electromagnetic laser radiation can be changed.
Der photonische Kristall weist insbesondere eine photonische Bandstruktur mit zumindest einer photonischen Bandlücke auf. Die photonische Bandlücke ist ein verbotener Energiebereich beziehungsweise ein verbotener Frequenzbereich, wobei eine elektromagnetische Welle mit einer Energie im verbotenen Energiebereich beziehungsweise mit einer Frequenz im verbotenen Frequenzbereich nicht innerhalb des photonischen Kristalls propagieren kann.The photonic crystal in particular has a photonic band structure with at least one photonic band gap. The photonic band gap is a forbidden energy range or a forbidden frequency range, whereby an electromagnetic wave with an energy in the forbidden energy range or with a frequency in the forbidden frequency range cannot propagate within the photonic crystal.
Der Transmissionsgrad und/oder der Reflexionsgrad des photonischen Kristalls ist bevorzugt von einem Brechungsindexkontrast der Strukturierung abhängig. Der Brechungsindexkontrast ist insbesondere proportional zu einer Differenz zwischen einem maximalen Brechungsindex und einem minimalen Brechungsindex der Strukturierung im photonischen Kristall. Insbesondere ändert sich der Brechungsindexkontrast durch den Umgebungsluftdruck. Eine Änderung des Umgebungsluftdrucks durch eine Schallwelle hat somit eine entsprechende Änderung des Transmissionsgrads und/oder des Reflexionsgrads des photonischen Kristalls zur Folge.The degree of transmittance and/or the degree of reflection of the photonic crystal is preferably dependent on a refractive index contrast of the structuring. The refractive index contrast is in particular proportional to a difference between a maximum refractive index and a minimum refractive index of the structuring in the photonic crystal. In particular, the refractive index contrast changes due to the ambient air pressure. A change in the ambient air pressure caused by a sound wave thus results in a corresponding change in the transmittance and/or the reflectance of the photonic crystal.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Mikrofon:
- - den Emitter, der zur Emission elektromagnetischer Laserstrahlung eingerichtet ist,
- - den Detektor, der zur Bestimmung der Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung eingerichtet ist, und
- - das optische Element, dessen Transmissionsgrad und/oder Reflexionsgrad für die elektromagnetische Laserstrahlung vom Umgebungsluftdruck abhängt, wobei
- - das optische Element entlang des optischen Pfades der elektromagnetischen Laserstrahlung zwischen dem Emitter und dem Detektor angeordnet ist, und
- - das optische Element einen photonischen Kristall umfasst.
- - the emitter, which is set up to emit electromagnetic laser radiation,
- - the detector, which is set up to determine the intensity of the electromagnetic laser radiation, and
- - the optical element, the degree of transmittance and / or degree of reflection for the electromagnetic laser radiation depends on the ambient air pressure, where
- - the optical element is arranged along the optical path of the electromagnetic laser radiation between the emitter and the detector, and
- - The optical element comprises a photonic crystal.
Dem hier beschriebenen Mikrofon liegt insbesondere die Idee zugrunde, Änderungen im Transmissionsgrad und/oder im Reflexionsgrad eines photonischen Kristalls durch eine darauf auftreffende Schallwelle in ein optisches Signal und in weiterer Folge in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln. Insbesondere weist das hier beschriebene Mikrofon vorteilhaft keine mechanisch beweglichen Teile auf. Herkömmliche Mikrofone umfassen beispielsweise eine mechanisch bewegliche Membran, dessen Auslenkung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die mechanischen Eigenschaften der Membran schränken insbesondere einen Schalldruckbereich ein, in dem das Mikrofon eingesetzt werden kann und/oder in dem das Mikrofon eine hohe Sensitivität aufweist. Des Weiteren umfasst die Membran eine bewegliche Masse, die ausgelenkt werden muss und somit eine bestimmte Trägheit aufweist.The microphone described here is based in particular on the idea of converting changes in the transmittance and/or in the reflectance of a photonic crystal into an optical signal and subsequently into an electrical output signal due to a sound wave striking it. In particular, the microphone described here advantageously has no mechanically moving parts. Conventional microphones, for example, include a mechanically movable membrane, the deflection of which is converted into an electrical signal. The mechanical properties of the membrane limit in particular a sound pressure range in which the microphone can be used and/or in which the microphone has a high sensitivity. Furthermore, the membrane includes a movable mass that must be deflected and therefore has a certain inertia.
Das hier beschriebene membranlose Mikrofon kann aufgrund fehlender beweglicher mechanischer Elemente für einen sehr großen Schalldruckbereich eingesetzt werden, ohne an mechanische Limitierungen zu stoßen. Da keine Massenauslenkung einer Membran notwendig ist, weist das hier beschriebene Mikrofon vorteilhaft einen höheren Dynamikumfang auf. Des Weiteren wird ein Risiko einer Fehlfunktion eliminiert, bei der die Membran eines herkömmlichen Mikrofons beispielsweise aufgrund eines hohen Schallpegels an einer Gegenelektrode anhaftet.Due to the lack of moving mechanical elements, the membrane-free microphone described here can be used for a very large sound pressure range without encountering mechanical limitations. Since no mass deflection of a membrane is necessary, the microphone described here advantageously has a higher dynamic range. Furthermore, a risk of a malfunction in which the membrane of a conventional microphone sticks to a counter electrode due to, for example, a high sound level is eliminated.
Das hier beschriebene Mikrofon eignet sich insbesondere zur Schalldetektion in gasförmiger Umgebungsluft sowie in Flüssigkeiten. Da keine träge Masse in Bewegung versetzt werden muss, weist das hier beschriebene Mikrofon vorteilhaft eine verbesserte Impulsantwort auf. Darüber hinaus ist das hier beschriebene Wandlerprinzip frequenzunabhängig, weist ein sehr hohes Signal-zu-Rauschverhältnis auf, ist sehr robust und/oder kann durch eine breite Auswahl an möglichen Materialsystemen an Frequenzen der zu messenden Schallwellen und/oder an zu messende Schallpegel angepasst werden.The microphone described here is particularly suitable for sound detection in gaseous ambient air and in liquids. Since no inert mass needs to be set in motion, the microphone described here advantageously has an improved impulse response. In addition, the converter principle described here is frequency-independent, has a very high signal-to-noise ratio, is very robust and/or can be adapted to the frequencies of the sound waves to be measured and/or to the sound levels to be measured using a wide selection of possible material systems.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons weist der photonische Kristall eine Vielzahl von Ausnehmungen in einem Substrat auf, wobei die Ausnehmungen ein zweidimensionales Gitter bilden. Beispielsweise sind Mittelpunkte von Ausnehmungen an Schnittpunkten eines regelmäßigen zweidimensionalen Gitters angeordnet. Dabei können auch einige, bestimmte Schnittpunkte des regelmäßigen zweidimensionalen Gitters frei von Ausnehmungen sein. Die im Folgenden beschriebenen Merkmale einer Ausnehmung gelten bevorzugt für einen Großteil der Ausnehmungen, besonders bevorzugt für alle Ausnehmungen.According to at least one further embodiment of the microphone, the photonic crystal has a plurality of recesses in a substrate, the recesses forming a two-dimensional grid. For example, centers of recesses are arranged at intersections of a regular two-dimensional grid. Some specific intersection points of the regular two-dimensional grid can also be free of recesses. The features of a recess described below preferably apply to a majority of the recesses, particularly preferably to all recesses.
Die Ausnehmung ist beispielsweise ein Graben oder ein Loch, das sich zwischen zwei gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats erstreckt. Die Ausnehmung weist in Draufsicht auf die Hauptfläche des Substrats zum Beispiel eine kreisförmige, ovale, elliptische oder polygonale, insbesondere quadratische, rechteckige oder dreieckige Querschnittsfläche auf. Bevorzugt durchdringt die Ausnehmung das Substrat vollständig. Alternativ kann die Ausnehmung als Sackloch ausgebildet sein, das das Substrat nicht vollständig durchdringt.The recess is, for example, a trench or a hole that extends between two opposing main surfaces of the substrate. In a plan view of the main surface of the substrate, the recess has, for example, a circular, oval, elliptical or polygonal, in particular square, rectangular or triangular cross-sectional area. The recess preferably completely penetrates the substrate. Alternatively can the recess can be designed as a blind hole that does not completely penetrate the substrate.
Ein Durchmesser der Ausnehmung beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 10 Nanometer und einschließlich 1000 Nanometer. Bei einer Ausnehmung mit einer nicht-kreisförmigen Querschnittsfläche bezeichnet der Durchmesser insbesondere einen maximalen Durchmesser der Querschnittsfläche.A diameter of the recess is, for example, between 10 nanometers and 1000 nanometers inclusive. In the case of a recess with a non-circular cross-sectional area, the diameter refers in particular to a maximum diameter of the cross-sectional area.
Die Ausnehmung ist insbesondere mit der Umgebungsluft gefüllt, die den photonischen Kristall umgibt. Der Brechungsindexkontrast des photonischen Kristalls ist somit proportional zur Differenz zwischen dem Brechungsindex des Substrats und dem Brechungsindex der Umgebungsluft in der Ausnehmung. Schallwellen, die durch die Umgebungsluft propagieren, führen zu einer Änderung des Umgebungsluftdrucks in der Ausnehmung und somit zu einer Änderung des Brechungsindexkontrasts des photonischen Kristalls.The recess is filled in particular with the ambient air that surrounds the photonic crystal. The refractive index contrast of the photonic crystal is therefore proportional to the difference between the refractive index of the substrate and the refractive index of the ambient air in the recess. Sound waves propagating through the ambient air lead to a change in the ambient air pressure in the recess and thus to a change in the refractive index contrast of the photonic crystal.
Das regelmäßige zweidimensionale Gitter ist beispielsweise ein quadratisches, rechteckiges, dreieckiges, hexagonales oder schiefwinkliges Gitter. Alternativ oder zusätzlich können die Ausnehmungen ein eindimensionales oder ein dreidimensionales Gitter ausbilden. Ein Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Ausnehmungen oder eine Periode des Gitters ist bevorzugt an eine Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung angepasst. Beispielsweise entspricht die Periode des Gitters einem Wert zwischen einschließlich 1 % und einschließlich 40 % der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung oder die Periode des Gitters weicht um höchstens 70 % von der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung ab.The regular two-dimensional grid is, for example, a square, rectangular, triangular, hexagonal or oblique grid. Alternatively or additionally, the recesses can form a one-dimensional or a three-dimensional grid. A distance between the centers of adjacent recesses or a period of the grating is preferably adapted to a wavelength of the electromagnetic laser radiation. For example, the period of the grating corresponds to a value between 1% and 40% inclusive of the wavelength of the electromagnetic laser radiation or the period of the grating deviates by a maximum of 70% from the wavelength of the electromagnetic laser radiation.
Das Substrat weist insbesondere ein dielektrisches Material auf, welches zumindest teilweise transparent für die elektromagnetische Laserstrahlung ist. Beispielsweise weist das Substrat ein Glas, ein Halbleitermaterial oder ein Polymer auf, oder besteht aus einem dieser Materialien.The substrate in particular has a dielectric material which is at least partially transparent to the electromagnetic laser radiation. For example, the substrate has a glass, a semiconductor material or a polymer, or consists of one of these materials.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist im photonischen Kristall ein optischer Ringresonator ausgebildet, der eine Resonanzfrequenz aufweist, die von dem Umgebungsluftdruck abhängt. Der optische Ringresonator umfasst insbesondere einen schleifenförmigen Wellenleiter, der eine geschlossene Schleife bildet. Elektromagnetische Laserstrahlung, die in den optischen Ringresonator eingekoppelt wird, kann den schleifenförmigen Wellenleiter somit mehrmals durchlaufen. Der schleifenförmige Wellenleiter weist beispielsweise eine ringförmige, ovale oder flachovale Form auf.According to at least one further embodiment, an optical ring resonator is formed in the photonic crystal, which has a resonance frequency that depends on the ambient air pressure. The optical ring resonator in particular comprises a loop-shaped waveguide which forms a closed loop. Electromagnetic laser radiation that is coupled into the optical ring resonator can therefore pass through the loop-shaped waveguide several times. The loop-shaped waveguide has, for example, an annular, oval or flat-oval shape.
Der schleifenförmige Wellenleiter des optischen Ringresonators ist beispielsweise dadurch gebildet, dass an der Position des schleifenförmigen Wellenleiters keine Ausnehmungen im Substrat des photonischen Kristalls angeordnet sind. Der schleifenförmige Wellenleiter ist somit insbesondere frei von Ausnehmungen. In anderen Worten ist der schleifenförmige Wellenleiter des optischen Ringresonators durch einen Liniendefekt im regelmäßigen Gitter des photonischen Kristalls ausgebildet, wobei der Liniendefekt eine geschlossene Schleife bildet. Entlang des Liniendefekts sind insbesondere keine Ausnehmungen im photonischen Kristall angeordnet. Alternativ können entlang des Liniendefekts Ausnehmungen angeordnet sein, wobei die Ausnehmungen entlang des Liniendefekts eine andere Querschnittsfläche und/oder einen anderen Durchmesser aufweisen, als im restlichen photonischen Kristall.The loop-shaped waveguide of the optical ring resonator is formed, for example, in that no recesses are arranged in the substrate of the photonic crystal at the position of the loop-shaped waveguide. The loop-shaped waveguide is therefore particularly free of recesses. In other words, the loop-shaped waveguide of the optical ring resonator is formed by a line defect in the regular lattice of the photonic crystal, the line defect forming a closed loop. In particular, there are no recesses arranged in the photonic crystal along the line defect. Alternatively, recesses can be arranged along the line defect, with the recesses along the line defect having a different cross-sectional area and/or a different diameter than in the remaining photonic crystal.
Die Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators wird beispielsweise durch eine optische Weglänge der elektromagnetischen Laserstrahlung im schleifenförmigen Wellenleiter bestimmt. Beispielsweise weist der optische Ringresonator eine Resonanz auf, wenn die optische Weglänge einem Vielfachen der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung entspricht. Durch die Änderung des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls ändert sich insbesondere die optische Weglänge und somit auch die Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators.The resonance frequency of the optical ring resonator is determined, for example, by an optical path length of the electromagnetic laser radiation in the loop-shaped waveguide. For example, the optical ring resonator has a resonance when the optical path length corresponds to a multiple of the wavelength of the electromagnetic laser radiation. The change in the ambient air pressure in the recesses of the photonic crystal changes in particular the optical path length and thus also the resonance frequency of the optical ring resonator.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der optische Ringresonator einen Q-Faktor von zumindest 1000, bevorzugt von zumindest 10000, und besonders bevorzugt von zumindest 100000 auf. Der Q-Faktor oder Gütefaktor beschreibt insbesondere ein Verhältnis zwischen der Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators zur spektralen Linienbreite der Resonanz des optischen Ringresonators. In anderen Worten ist der Q-Faktor proportional zu einer mittleren Lebensdauer eines resonanten Photons im optischen Ringresonator.According to at least one further embodiment, the optical ring resonator has a Q factor of at least 1000, preferably at least 10,000, and particularly preferably at least 100,000. The Q factor or quality factor describes in particular a relationship between the resonance frequency of the optical ring resonator and the spectral line width of the resonance of the optical ring resonator. In other words, the Q factor is proportional to an average lifetime of a resonant photon in the optical ring resonator.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der optische Ringresonator im photonischen Kristall eine Sensitivität von zumindest 1000 nm/RIU, bevorzugt von zumindest 10000 nm/RIU, und besonders bevorzugt von zumindest 100000 nm/RIU auf. Hier und im Folgenden beschreibt die Sensitivität eine Verschiebung der Wellenlänge der Resonanz des optischen Ringresonators in Nanometer pro Brechungsindexeinheit (Englisch: refractive index unit, kurz: RIU). Beispielsweise verschiebt sich eine Resonanzwellenlänge bei einer Sensitivität von 10000 nm/RIU um 10000 nm, wenn sich der Brechungsindex in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls um den Wert 1 ändert.According to at least one further embodiment, the optical ring resonator in the photonic crystal has a sensitivity of at least 1000 nm/RIU, preferably of at least 10,000 nm/RIU, and particularly preferably of at least 100,000 nm/RIU. Here and below, the sensitivity describes a shift in the wavelength of the resonance of the optical ring resonator in nanometers per refractive index unit (RIU). For example, a resonance wavelength shifts by 10,000 nm with a sensitivity of 10,000 nm/RIU if the refractive index in the recesses of the photonic crystal changes by the
Ein hoher Q-Faktor in Verbindung mit einer hohen Sensitivität erlaubt vorteilhaft die Detektion von kleinen Brechungsindexänderungen in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls. Somit können insbesondere kleine Änderungen des Umgebungsluftdrucks durch Schallwellen, die kleine Brechungsindexänderungen in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls bewirken, mit einem hohen Signal-zu-Rauschverhältnis detektiert werden.A high Q factor in conjunction with high sensitivity advantageously allows the detection of small refractive index changes in the recesses of the photonic crystal. In particular, small changes in the ambient air pressure can be detected with a high signal-to-noise ratio by sound waves, which cause small changes in the refractive index in the recesses of the photonic crystal.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist im photonischen Kristall ein Wellenleiter für die elektromagnetische Laserstrahlung ausgebildet und der Wellenleiter ist an den optischen Ringresonator gekoppelt. Der Wellenleiter ist insbesondere zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Laserstrahlung in den optischen Ringresonator eingerichtet.According to at least one further embodiment of the microphone, a waveguide for the electromagnetic laser radiation is formed in the photonic crystal and the waveguide is coupled to the optical ring resonator. The waveguide is designed in particular for coupling and decoupling electromagnetic laser radiation into the optical ring resonator.
Beispielsweise ist ein Abstand zwischen dem Wellenleiter und dem optischen Ringresonator so klein, dass ein evaneszentes elektromagnetisches Feld des Wellenleiters mit dem optischen Ringresonator zumindest teilweise überlappt, und umgekehrt. Der Wellenleiter ist insbesondere durch einen Liniendefekt im photonischen Kristall ausgebildet. Entlang des Liniendefektes sind insbesondere keine Ausnehmungen, oder Ausnehmungen mit anderer Querschnittsfläche und/oder anderem Durchmesser im Substrat des photonischen Kristalls angeordnet.For example, a distance between the waveguide and the optical ring resonator is so small that an evanescent electromagnetic field of the waveguide at least partially overlaps the optical ring resonator, and vice versa. The waveguide is formed in particular by a line defect in the photonic crystal. In particular, no recesses or recesses with a different cross-sectional area and/or a different diameter are arranged in the substrate of the photonic crystal along the line defect.
Zum Beispiel wird der Transmissionsgrad von im Wellenleiter propagierender elektromagnetischer Laserstrahlung stark verringert, wenn die Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators einer Frequenz der elektromagnetischen Laserstrahlung entspricht.For example, the transmittance of electromagnetic laser radiation propagating in the waveguide is greatly reduced if the resonance frequency of the optical ring resonator corresponds to a frequency of the electromagnetic laser radiation.
Es können auch zwei oder mehrere Wellenleiter im photonischen Kristall ausgebildet und an den optischen Ringresonator gekoppelt sein. Dabei wird die elektromagnetische Laserstrahlung zum Beispiel über einen Wellenleiter eingekoppelt und über einen oder zwei Wellenleiter ausgekoppelt. Beispielsweise bilden zwei Wellenleiter mit dem optischen Ringresonator einen optischen Add-Drop-Filter.Two or more waveguides can also be formed in the photonic crystal and coupled to the optical ring resonator. The electromagnetic laser radiation is coupled in, for example, via a waveguide and coupled out via one or two waveguides. For example, two waveguides with the optical ring resonator form an optical add-drop filter.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons weist durch den Wellenleiter propagierende elektromagnetische Laserstrahlung eine Fano-Resonanz auf, in deren Umgebung der Transmissionsgrad und/oder der Reflexionsgrad linear von einer Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung abhängt. Beispielsweise kann eine Fano-Resonanz durch die Kombination des optischen Ringresonators mit einer teilweise reflektierenden Barriere im Wellenleiter erzeugt werden.According to at least one further embodiment of the microphone, electromagnetic laser radiation propagating through the waveguide has a Fano resonance, in the vicinity of which the transmittance and/or the reflectance depend linearly on a wavelength of the electromagnetic laser radiation. For example, a Fano resonance can be generated by combining the optical ring resonator with a partially reflective barrier in the waveguide.
Alternativ weist die durch den Wellenleiter propagierende elektromagnetische Laserstrahlung eine Lorentz-Resonanz auf, in deren unmittelbarer Umgebung der Transmissionsgrad und/oder der Reflexionsgrad quadratisch von der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung abhängt. Die Fano-Resonanz weist im Gegensatz zur Lorentz-Resonanz insbesondere eine asymmetrische spektrale Linienform auf. Durch die lineare Abhängigkeit des Transmissionsgrads und/oder des Reflexionsgrads von der Wellenlänge weist die Fano-Resonanz vorteilhaft eine höhere Sensitivität auf. Insbesondere führt eine kleine Verschiebung der Resonanzfrequenz durch die Änderung des Umgebungsluftdrucks bei der Fano-Resonanz zu einer stärkeren Änderung des Transmissionsgrads und/oder des Reflexionsgrads.Alternatively, the electromagnetic laser radiation propagating through the waveguide has a Lorentz resonance, in the immediate vicinity of which the degree of transmittance and/or the degree of reflection depends squarely on the wavelength of the electromagnetic laser radiation. In contrast to the Lorentz resonance, the Fano resonance has in particular an asymmetrical spectral line shape. Due to the linear dependence of the transmittance and/or the reflectance on the wavelength, the Fano resonance advantageously has a higher sensitivity. In particular, a small shift in the resonance frequency due to the change in the ambient air pressure at the Fano resonance leads to a larger change in the transmittance and/or the reflectance.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist der photonische Kristall als optischer Bandkantenfilter eingerichtet und/oder weist einen Strahlteiler auf, bei dem zumindest drei im photonischen Kristall ausgebildete Wellenleiter an einem Punkt zusammenlaufen.According to at least one further embodiment of the microphone, the photonic crystal is set up as an optical band-edge filter and/or has a beam splitter in which at least three waveguides formed in the photonic crystal converge at one point.
Ränder der photonischen Bandlücke werden hier und im Folgenden als optische Bandkanten bezeichnet. In der unmittelbaren Umgebung der optischen Bandkante weist der photonische Kristall beispielsweise eine starke Abhängigkeit des Transmissionsgrads und/oder Reflexionsgrads von der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung auf. Eine kleine Verschiebung der optischen Bandkante durch eine Änderung des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls führt somit vorteilhaft zu einer großen Änderung des Transmissionsgrads und/oder Reflexionsgrads des photonischen Kristalls.Edges of the photonic band gap are referred to here and below as optical band edges. In the immediate vicinity of the optical band edge, the photonic crystal has, for example, a strong dependence of the transmittance and/or reflectance on the wavelength of the electromagnetic laser radiation. A small shift in the optical band edge due to a change in the ambient air pressure in the recesses of the photonic crystal thus advantageously leads to a large change in the transmittance and/or reflectance of the photonic crystal.
Der Strahlteiler weist insbesondere einen Wellenleiter zur Einkopplung elektromagnetischer Laserstrahlung und zumindest zwei Wellenleiter zur Auskopplung der elektromagnetischen Laserstrahlung auf. Durch Änderung des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls verschiebt sich beispielsweise ein Verhältnis der Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung in den zumindest zwei Wellenleitern, über die die elektromagnetische Laserstrahlung ausgekoppelt wird. Über diese Verschiebung kann die Änderung des Umgebungsluftdrucks somit in ein optisches Signal und in weiterer Folge in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden.The beam splitter in particular has a waveguide for coupling in electromagnetic laser radiation and at least two waveguides for coupling out the electromagnetic laser radiation. By changing the ambient air pressure in the recesses of the photonic crystal, for example, a ratio of the intensity of the electromagnetic laser radiation in the at least two waveguides via which the electromagnetic laser radiation is coupled out shifts. Via this shift, the change in ambient air pressure can be converted into an optical signal and subsequently into an electrical output signal.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist der photonische Kristall frei von Umgebungsluft umströmbar. In der Umgebungsluft propagierende Schallwellen können somit den Umgebungsluftdruck in Ausnehmungen des photonischen Kristalls ändern. Beispielsweise ist eine Schalltransmission durch den photonischen Kristall aufgrund eines geringen Durchmessers der Ausnehmungen nicht möglich. Durch die freie Umströmbarkeit des photonischen Kristalls kann vorteilhaft ein Druckausgleich zwischen gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats des photonischen Kristalls erfolgen. Zum Beispiel weist das Substrat des photonischen Kristalls einen Freiraum oder einen Ausschnitt auf, über den Umgebungsluft von einer Hauptfläche des Substrats zur gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats strömen kann. Beispielsweise kann der Durchmesser der Ausnehmungen im photonischen Kristall derart klein sein, dass die Umgebungsluft nicht oder nur schwer durch die Ausnehmungen zwischen den gegenüberliegenden Hauptflächen strömen kann.According to at least one further embodiment of the microphone, the photonic crystal can be freely flowed around by ambient air. Sound waves propagating in the ambient air can therefore change the ambient air pressure in recesses of the photonic crystal. For example, is Sound transmission through the photonic crystal is not possible due to the small diameter of the recesses. Due to the free flow around the photonic crystal, pressure equalization can advantageously take place between opposite main surfaces of the substrate of the photonic crystal. For example, the substrate of the photonic crystal has a free space or a cutout over which ambient air can flow from one main surface of the substrate to the opposite main surface of the substrate. For example, the diameter of the recesses in the photonic crystal can be so small that the ambient air cannot flow through the recesses between the opposing main surfaces or can only flow with difficulty.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons weist der Emitter eine Laserdiode auf und der Detektor weist eine Fotodiode auf. Die Laserdiode und/oder die Fotodiode umfassen jeweils einen Halbleiterschichtenstapel, der insbesondere ein III/V-Verbindungshalbleitermaterial aufweist.According to at least one further embodiment of the microphone, the emitter has a laser diode and the detector has a photodiode. The laser diode and/or the photodiode each comprise a semiconductor layer stack, which in particular has a III/V compound semiconductor material.
Bevorzugt weisen die Laserdiode und die Fotodiode ein Halbleitermaterial aus einer gleichen Materialfamilie auf. Somit können eine Emissionswellenlänge der Laserdiode und eine Absorptionswellenlänge der Fotodiode vorteilhaft aufeinander abgestimmt werden.The laser diode and the photodiode preferably have a semiconductor material from the same material family. An emission wavelength of the laser diode and an absorption wavelength of the photodiode can thus be advantageously coordinated with one another.
Die Laserdiode ist beispielsweise eine DFB-Laserdiode (Englisch: distributed feedback, kurz: DFB) und weist einen periodisch strukturierten aktiven Bereich zur Erzeugung elektromagnetischer Laserstrahlung auf. DFB-Laserdioden weisen vorteilhaft eine kleine spektrale Linienbreite auf. Die spektrale Linienbreite der Laserdiode ist bevorzugt höchstens um einen Faktor zwei größer oder kleiner, als die spektrale Linienbreite der Resonanz des optischen Ringresonators.The laser diode is, for example, a DFB laser diode (English: distributed feedback, DFB for short) and has a periodically structured active area for generating electromagnetic laser radiation. DFB laser diodes advantageously have a small spectral line width. The spectral line width of the laser diode is preferably at most a factor of two larger or smaller than the spectral line width of the resonance of the optical ring resonator.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons sind die Laserdiode und die Fotodiode auf einer Hauptfläche des photonischen Kristalls aufgebracht. Die Hauptfläche des photonischen Kristalls entspricht insbesondere der Hauptfläche des Substrats des photonischen Kristalls.According to at least one further embodiment of the microphone, the laser diode and the photodiode are applied to a main surface of the photonic crystal. The main surface of the photonic crystal corresponds in particular to the main surface of the substrate of the photonic crystal.
Beispielsweise weist das Substrat des photonischen Kristalls Silizium auf, und die Laserdiode und die Fotodiode weisen ein III/V-Verbindungshalbleitermaterial auf. Bevorzugt sind die Laserdiode und die Fotodiode auf dem Substrat des photonischen Kristalls integriert. Zum Beispiel weist das Substrat des photonischen Kristalls elektrische Kontaktflächen auf, auf denen die Laserdiode und/oder die Fotodiode aufgelötet oder mit einem elektrisch leitfähigen Kleber befestigt sind.For example, the substrate of the photonic crystal comprises silicon, and the laser diode and the photodiode comprise a III/V compound semiconductor material. The laser diode and the photodiode are preferably integrated on the substrate of the photonic crystal. For example, the substrate of the photonic crystal has electrical contact surfaces on which the laser diode and/or the photodiode are soldered or attached with an electrically conductive adhesive.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist die Laserdiode derart auf der Hauptfläche des photonischen Kristalls aufgebracht, dass die elektromagnetische Laserstrahlung im photonischen Kristall parallel zur Hauptfläche propagiert. Beispielsweise ist der aktive Bereich zur Erzeugung elektromagnetischer Laserstrahlung optisch an den Wellenleiter im photonischen Kristall gekoppelt, so dass zumindest ein Teil der elektromagnetischen Laserstrahlung aus dem aktiven Bereich auskoppelt und in den Wellenleiter einkoppelt.According to at least one further embodiment of the microphone, the laser diode is applied to the main surface of the photonic crystal in such a way that the electromagnetic laser radiation in the photonic crystal propagates parallel to the main surface. For example, the active region for generating electromagnetic laser radiation is optically coupled to the waveguide in the photonic crystal, so that at least part of the electromagnetic laser radiation is coupled out of the active region and coupled into the waveguide.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das optische Element mehrere photonische Kristalle auf, die verschiedene Transmissionsgrade und/oder verschiedene Reflexionsgrade für die elektromagnetische Laserstrahlung aufweisen. Beispielsweise weist jeder photonische Kristall einen optischen Ringresonator auf, wobei sich die Resonanzfrequenzen und/oder die spektralen Linienbreiten der der verschiedenen optischen Ringresonatoren voneinander unterscheiden.According to at least one further embodiment, the optical element has a plurality of photonic crystals which have different degrees of transmittance and/or different degrees of reflectance for the electromagnetic laser radiation. For example, each photonic crystal has an optical ring resonator, with the resonance frequencies and/or the spectral line widths of the different optical ring resonators differing from one another.
Bevorzugt ist jedem photonischen Kristall genau ein Detektor zugeordnet. Jeder photonische Kristall kann einen zugehörigen Emitter aufweisen, oder die elektromagnetische Laserstrahlung eines einzelnen Emitters wird auf die mehreren photonischen Kristalle aufgeteilt. Durch die Kombination mehrerer photonischer Kristalle mit unterschiedlichen Transmissionsgraden und/oder Reflexionsgraden kann insbesondere die Sensitivität oder der Dynamikumfang des Mikrofons verbessert werden.Preferably, exactly one detector is assigned to each photonic crystal. Each photonic crystal can have an associated emitter, or the electromagnetic laser radiation from a single emitter is divided among the multiple photonic crystals. By combining several photonic crystals with different degrees of transmittance and/or degrees of reflection, the sensitivity or dynamic range of the microphone can in particular be improved.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist der photonische Kristall in einem Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse ein für Schallwellen zumindest teilweise transparentes mechanisches Schutzelement umfasst. Das mechanische Schutzelement ist beispielsweise ein Deckel des Gehäuses, der mehrere Öffnungen aufweist, durch die Umgebungsluft in das Gehäuse und aus dem Gehäuse strömen kann. Dabei sind die Öffnungen bevorzugt so klein, dass beispielsweise Staubpartikel nicht in das Gehäuse eindringen können. Somit ist der photonische Kristall zum Beispiel vor mechanischen Krafteinwirkungen und/oder Schmutz geschützt. Schallwellen können jedoch durch die Öffnungen in das Gehäuse eindringen und dort auf den photonischen Kristall treffen.According to at least one further embodiment of the microphone, the photonic crystal is arranged in a housing, the housing comprising a mechanical protective element that is at least partially transparent to sound waves. The mechanical protective element is, for example, a cover of the housing which has a plurality of openings through which ambient air can flow into and out of the housing. The openings are preferably so small that, for example, dust particles cannot penetrate the housing. The photonic crystal is therefore protected, for example, from mechanical forces and/or dirt. However, sound waves can penetrate through the openings into the housing and hit the photonic crystal there.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons angegeben. Das Verfahren ist insbesondere dazu eingerichtet, ein hier beschriebenes Mikrofon zu betreiben. Alle Merkmale des Mikrofons sind auch für das Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons offenbart, und umgekehrt.Furthermore, a method for operating a microphone is specified. The method is designed in particular to operate a microphone described here. All features of the microphone are also disclosed for the method of operating a microphone, and vice versa.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Mikrofons transmittiert und/oder reflektiert der photonische Kristall die vom Emitter im Betrieb erzeugte Laserstrahlung derart, dass eine durch Schallwellen hervorgerufene Änderung des Umgebungsluftdrucks in eine entsprechende Änderung der Intensität der transmittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung umgewandelt wird. Insbesondere ist der Transmissionsgrad und/oder der Reflexionsgrad des photonischen Kristalls vom Umgebungsluftdruck abhängig.According to one embodiment of the method for operating a microphone, the photonic crystal transmits and/or reflects the laser radiation generated by the emitter during operation in such a way that a change in the ambient air pressure caused by sound waves is converted into a corresponding change in the intensity of the transmitted and/or reflected electromagnetic laser radiation . In particular, the degree of transmittance and/or the degree of reflection of the photonic crystal depends on the ambient air pressure.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wandelt der Detektor die Änderung der Intensität in der transmittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung in ein elektrisches Ausgangssignal um.According to at least one further embodiment of the method, the detector converts the change in intensity in the transmitted and/or reflected electromagnetic laser radiation into an electrical output signal.
Beispielsweise weist die vom Emitter erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung eine zeitlich konstante Intensität auf. Durch Schallwellen hervorgerufene zeitliche Oszillationen des Umgebungsluftdrucks werden vom optischen Element in entsprechende zeitliche Oszillationen der Intensität der transmittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung umgewandelt. Der Detektor wandelt die zeitlichen Oszillationen der Intensität schließlich in ein entsprechend zeitlich oszillierendes elektrisches Ausgangssignal um.For example, the electromagnetic laser radiation generated by the emitter has an intensity that is constant over time. Temporal oscillations in the ambient air pressure caused by sound waves are converted by the optical element into corresponding temporal oscillations in the intensity of the transmitted and/or reflected electromagnetic laser radiation. The detector finally converts the temporal oscillations of the intensity into a corresponding temporally oscillating electrical output signal.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Wellenlänge der vom Emitter erzeugten elektromagnetischen Laserstrahlung periodisch durchgestimmt, um Änderungen des Transmissionsgrades und/oder des Reflexionsgrades des photonischen Kristalls als Funktion der Wellenlänge zu bestimmen. Insbesondere wird die Wellenlänge der vom Emitter erzeugten elektromagnetischen Laserstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich periodisch geändert.According to at least one further embodiment of the method, a wavelength of the electromagnetic laser radiation generated by the emitter is periodically tuned in order to determine changes in the transmittance and/or the reflectance of the photonic crystal as a function of the wavelength. In particular, the wavelength of the electromagnetic laser radiation generated by the emitter is periodically changed in a predetermined wavelength range.
Zum Beispiel wird die Wellenlänge sägezahnförmig oder sinusförmig als Funktion der Zeit geändert. Durch das periodische Durchstimmen der Wellenlänge des Emitters kann beispielsweise die Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators bestimmt werden, bei der der Transmissionsgrad und/oder der Reflexionsgrad minimal oder maximal ist. Die Resonanzfrequenz hängt insbesondere vom Umgebungsluftdruck ab.For example, the wavelength is changed in a sawtooth or sinusoidal manner as a function of time. By periodically tuning the wavelength of the emitter, the resonance frequency of the optical ring resonator can be determined, for example, at which the transmittance and/or the reflectance is minimum or maximum. The resonance frequency depends in particular on the ambient air pressure.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden zwei Seitenbänder auf die elektromagnetische Laserstrahlung aufmoduliert, wobei die Seitenbänder zur Bestimmung der Resonanzfrequenz im photonischen Kristall eingerichtet sind. Die Seitenbänder werden insbesondere durch Phasenmodulation oder Frequenzmodulation erzeugt, beispielsweise durch Modulation eines Betriebsstroms der Laserdiode oder durch einen Lasermodulator.According to at least one further embodiment of the method, two sidebands are modulated onto the electromagnetic laser radiation, the sidebands being set up to determine the resonance frequency in the photonic crystal. The sidebands are generated in particular by phase modulation or frequency modulation, for example by modulating an operating current of the laser diode or by a laser modulator.
Die Seitenbänder sind insbesondere um eine Modulationsfrequenz von der Frequenz der elektromagnetischen Laserstrahlung verschoben. Dabei hat ein erstes Seitenband eine um die Modulationsfrequenz niedrigere Frequenz als die elektromagnetische Laserstrahlung, und ein zweites Seitenband hat eine um die Modulationsfrequenz höhere Frequenz als die elektromagnetische Laserstrahlung.The sidebands are in particular shifted by a modulation frequency from the frequency of the electromagnetic laser radiation. A first sideband has a frequency that is lower than the modulation frequency than the electromagnetic laser radiation, and a second sideband has a frequency that is higher than the modulation frequency than the electromagnetic laser radiation.
Der photonische Kristall umfasst insbesondere den optischen Ringresonator und den daran gekoppelten Wellenleiter, wobei die durch den Wellenleiter propagierende elektromagnetische Laserstrahlung einen Transmissionsgrad mit der oben beschriebenen Lorentz-Resonanz aufweist. Wird in diesen Wellenleiter die modulierte elektromagnetische Laserstrahlung mit den zwei Seitenbändern eingekoppelt, dann umfasst die Intensität der vom photonischen Kristall transmittierten elektromagnetischen Laserstrahlung insbesondere einen Anteil, der mit der Modulationsfrequenz zeitlich oszilliert.The photonic crystal includes in particular the optical ring resonator and the waveguide coupled thereto, the electromagnetic laser radiation propagating through the waveguide having a transmittance with the Lorentz resonance described above. If the modulated electromagnetic laser radiation with the two sidebands is coupled into this waveguide, then the intensity of the electromagnetic laser radiation transmitted by the photonic crystal includes in particular a portion that oscillates in time with the modulation frequency.
Eine Amplitude dieses mit der Modulationsfrequenz zeitlich oszillierenden Anteils hängt insbesondere von der Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators und der Frequenz der elektromagnetischen Laserstrahlung ab. Die Amplitude ist asymmetrisch bezüglich der Resonanzfrequenz und weist in der Nähe der Resonanzfrequenz eine vorteilhaft lineare Frequenzabhängigkeit auf.An amplitude of this portion which oscillates over time with the modulation frequency depends in particular on the resonance frequency of the optical ring resonator and the frequency of the electromagnetic laser radiation. The amplitude is asymmetrical with respect to the resonance frequency and has an advantageously linear frequency dependence near the resonance frequency.
Eine kleine Verschiebung der Resonanzfrequenz aufgrund einer Änderung des Umgebungsluftdrucks durch eine Schallwelle führt somit zu einer linearen Änderung der Amplitude des zeitlich oszillierenden Anteils. Somit kann die Amplitude des zeitlich oszillierenden Anteils beispielsweise dazu verwendet werden, die Schallwelle in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln.A small shift in the resonance frequency due to a change in the ambient air pressure caused by a sound wave thus leads to a linear change in the amplitude of the temporally oscillating component. The amplitude of the temporally oscillating component can therefore be used, for example, to convert the sound wave into an electrical output signal.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Mikrofons sowie des Verfahrens zum Betrieb eines Mikrofons ergeben sich aus den im Folgenden, in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die 1 und2 zeigen eine schematische Draufsicht und eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrofons gemäß einem Ausführungsbeispiel.Die 3 und4 zeigen eine schematische Draufsicht und eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrofons gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.Die 5 und6 zeigen schematische Schnittdarstellungen eines Mikrofons gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.-
7 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Mikrofon gemäß einem Ausführungsbeispiel. -
8 zeigt einen schematischen Transmissionsgrad eines optischen Elements eines Mikrofons gemäß einem Ausführungsbeispiel. -
9 zeigt schematisch die Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung als Funktion der Wellenlänge gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betrieb eines Mikrofons. Die 10 und11 zeigen schematische Darstellungen eines optischen Elements eines Mikrofons gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.Die 12 und13 zeigen schematische Darstellungen eines Mikrofons gemäß verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele.
- The
1 and2 show a schematic top view and a schematic sectional view of a microphone according to an exemplary embodiment. - The
3 and4 show a schematic top view and a schematic sectional view of a microphone according to a further exemplary embodiment. - The
5 and6 show schematic sectional views of a microphone according to various exemplary embodiments. -
7 shows a schematic top view of a microphone according to an exemplary embodiment. -
8th shows a schematic transmittance of an optical element of a microphone according to an exemplary embodiment. -
9 shows schematically the intensity of the electromagnetic laser radiation as a function of the wavelength according to an exemplary embodiment of a method for operating a microphone. - The
10 and11 show schematic representations of an optical element of a microphone according to further exemplary embodiments. - The
12 and13 show schematic representations of a microphone according to various further exemplary embodiments.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, beispielsweise Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.Identical, similar or identically acting elements are provided with the same reference numerals in the figures. The figures and the size relationships between the elements shown in the figures should not be considered to scale. Rather, individual elements, for example layer thicknesses, can be shown exaggeratedly large for better representation and/or better understanding.
Das Mikrofon gemäß dem Ausführungsbeispiel in
Das optische Element 3 umfasst einen photonischen Kristall 4, der durch eine Vielzahl von Ausnehmungen 5 in einem Substrat 6 ausgebildet ist. Das Substrat 6 weist beispielsweise Silizium auf oder besteht aus Silizium. Die Ausnehmungen 5 sind in Form eines regelmäßigen quadratischen Gitters angeordnet und mit Umgebungsluft gefüllt. Schallwellen 21 (hier nicht gezeigt, siehe
Im photonischen Kristall sind ein optischer Ringresonator 7 und ein Wellenleiter 8 angeordnet. Der optische Ringresonator 7 und der Wellenleiter 8 sind durch Liniendefekte im quadratischen Gitter des photonischen Kristalls ausgebildet, wobei entlang der Liniendefekte keine Ausnehmungen 5 im Substrat 6 angeordnet sind. Der optische Ringresonator 7 wird insbesondere durch einen kreisförmig geschlossenen Liniendefekt gebildet. Elektromagnetische Laserstrahlung 20, die in den optischen Ringresonator 7 eingekoppelt wird, kann diesen somit mehrmals durchlaufen.An
Der Wellenleiter 8 ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Laserstrahlung 20 vom Emitter 1 zum Detektor 2 zu leiten. Der optische Ringresonator 7 ist an den Wellenleiter 8 gekoppelt, so dass zumindest ein Teil der im Wellenleiter 8 propagierenden elektromagnetischen Laserstrahlung 20 aus dem Wellenleiter 8 ausgekoppelt und in den optischen Ringresonator 7 eingekoppelt wird, und umgekehrt.The
Der optische Ringresonator 7 ist dazu eingerichtet, den Transmissionsgrad T des photonischen Kristalls 4 für die elektromagnetische Laserstrahlung 20 in Abhängigkeit vom Umgebungsluftdruck zu ändern. Der optische Ringresonator 7 weist eine Resonanzfrequenz fR auf, die sich als Funktion des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen 5 ändert. Beispielsweise ist der Transmissionsgrad T für die elektromagnetische Laserstrahlung 20, die durch den Wellenleiter 8 propagiert, stark verringert, wenn die Frequenz der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 der Resonanzfrequenz fR entspricht. Insbesondere ändert sich der Transmissionsgrad T in der Nähe der Resonanzfrequenz fR stark. Eine Änderung des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen 5 durch eine Schallwelle 21 führt zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz fR und in Folge zu einer Änderung der Intensität I der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 am Detektor 2. Somit wird die Schallwelle 21 in ein elektrisches Ausgangssignal am Detektor 2 umgewandelt.The
Die Laserdiode des Emitters 1 und die Fotodiode des Detektors 2 sind derart auf der Hauptfläche 12 des Substrats 6 aufgebracht, dass aktive Bereiche zur Erzeugung bzw. zur Absorption der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 in der Laserdiode beziehungsweise in der Fotodiode an den Wellenleiter 8 gekoppelt sind. Die elektromagnetische Laserstrahlung 20 propagiert parallel zur Hauptfläche 12 des Substrats 6 im photonischen Kristall 4.The laser diode of the
Das Substrat 6 des photonischen Kristalls 4 weist zwei Freiräume 15 auf, die als Ausschnitte im Substrat 6 ausgebildet sind. Über die Freiräume 15 kann die Umgebungsluft den photonischen Kristall 4 frei umströmen und beispielsweise einen Druckausgleich zwischen den beiden gegenüberliegenden Hauptflächen 12 herstellen.The
Der Träger 17 weist eine Öffnung 23 auf, über die Umgebungsluft durch den Träger 17 zum Substrat 6 des photonischen Kristalls 4 strömen kann. Somit können Schallwellen 21 ungehindert auf den photonischen Kristall 4 auftreffen. Der photonische Kristall 4, der Emitter 1 und der Detektor 2 sind im Inneren des Gehäuses 13 beispielsweise vor mechanischen Krafteinwirkungen geschützt.The
Die vom Emitter 1 im Betrieb erzeugte Laserstrahlung 20 wird in den photonischen Kristall 4 eingekoppelt und propagiert parallel zur Hauptfläche 12 des Substrats zum Detektor 2.The
Das in
Ein Träger 17, insbesondere eine Leiterplatte, mit elektrischen Anschlusskontakten 18 ist auf einer dem Emitter 1 und dem Detektor 2 zugewandten Hauptfläche 12 des Substrats 6 angeordnet. Die elektrischen Anschlusskontakte 18 sind zur elektrischen Kontaktierung des Emitters 1 und des Detektors 2 eingerichtet. Der Träger 17 ist so strukturiert, dass er gemeinsam mit dem mechanischen Schutzelement 14 einen geschützten Freiraum 15 bildet, in dem der photonische Kristall 4 angeordnet und frei von Umgebungsluft umströmbar ist.A
Das in
Der Transmissionsgrad T weist beispielsweise eine Fano-Resonanz 9 oder eine Lorentz-Resonanz 10 auf. Bei der Lorentz-Resonanz 10 ist der Transmissionsgrad T in der unmittelbaren Umgebung der Resonanzfrequenz fR stark reduziert. Die Lorentz-Resonanz ist symmetrisch bezüglich der Resonanzfrequenz fR. Insbesondere ändert sich der Transmissionsgrad T bei der Lorentz-Resonanz 10 quadratisch als Funktion der Frequenz f für kleine Abweichungen von der Resonanzfrequenz fR.The transmittance T has, for example, a Fano resonance 9 or a
Im Gegensatz zur Lorentz-Resonanz 10 ist die Fano-Resonanz 9 asymmetrisch bezüglich der Resonanzfrequenz fR. Insbesondere ändert sich der Transmissionsgrad T bei der Fano-Resonanz 9 linear als Funktion der Frequenz f für kleine Abweichungen von der Resonanzfrequenz fR. Somit können bei der Fano-Resonanz 9 kleine Schwankungen der Resonanzfrequenz fR durch Änderungen des Umgebungsluftdrucks beispielsweise leichter und mit einem höheren Signal-zu-Rausch Verhältnis detektiert werden, als bei der Lorentz-Resonanz 10.In contrast to the
Der Transmissionsgrad T weist eine Fano-Resonanz 9 auf, wenn beispielsweise eine teilweise reflektierende Barriere für die elektromagnetische Laserstrahlung 20 im Wellenleiter 8 angeordnet ist. Die Barriere kann beispielsweise durch eine Änderung einer Struktur der Ausnehmungen 5 im photonischen Kristall 4 erzeugt werden. Insbesondere ist die Barriere in einem Bereich des Wellenleiters 8 angeordnet, der an den optischen Ringresonator 7 gekoppelt ist.The transmittance T has a Fano resonance 9 if, for example, a partially reflecting barrier for the
Bei dem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betrieb eines Mikrofons in
Wenn keine Schallwelle 21 auf den photonischen Kristall 4 auftrifft, entspricht die Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung λL der Wellenlänge λR, bei der eine Resonanz im Transmissionsgrad T des photonischen Kristalls auftritt (λL = λR, linker Teil der
Änderungen des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen 5 des photonischen Kristalls 4 durch eine Schallwelle 21 führen beispielsweise zu einer kleinen Verschiebung der Resonanzfrequenz fR des optischen Ringresonators 7. Somit wird auch die Wellenlänge λR, bei der die Resonanz im Transmissionsgrad T oder Reflexionsgrad R des photonischen Kristalls 4 auftritt, entsprechend verschoben (rechter Teil der
Durch Änderung des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen 5 des photonischen Kristalls 4 ändert sich insbesondere ein Teilungsverhältnis der Intensitäten I der elektromagnetischen Laserstrahlung 20, die über die zwei Wellenleiter 8 ausgekoppelt wird. Durch Bestimmung der relativen Intensitätsänderung der über die beiden Wellenleiter 8 ausgekoppelten elektromagnetischen Laserstrahlung 20 wird die Schallwelle 21 insbesondere in ein optisches Signal und in weiterer Folge in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Dabei können die beiden Teilstrahlen beispielsweise auch Interferiert werden.By changing the ambient air pressure in the
Die optischen Ringresonatoren 7 sind jeweils an einen zugehörigen Wellenleiter 8 gekoppelt, der die elektromagnetische Laserstrahlung 20 von einem Emitter 1 zu einem Detektor 2 führt. Bei dem Mikrofon in
Durch die Kombination mehrerer, unterschiedlich ausgebildeter photonischer Kristalle 4 kann auf kleinstem Bauraum die Sensitivität und/oder der Dynamikbereich des Mikrofons erweitert und/oder verbessert werden.By combining several, differently designed
Der Emitter 1 ist eine Laserdiode, die einen Halbleiterschichtenstapel 25 mit einem aktiven Bereich 26 zur Erzeugung elektromagnetischer Laserstrahlung 20 umfasst. Der aktive Bereich 26 weist beispielsweise einen pn-Übergang auf. Der aktive Bereich 26 ist so nahe an der Hauptfläche 12 des Substrats 6 angeordnet, dass die elektromagnetische Laserstrahlung 20 aus dem aktiven Bereich 26 zumindest teilweise in den Wellenleiter 8 im photonischen Kristall 4 einkoppelt und dort propagiert. Beispielsweise überlappt ein evaneszentes elektromagnetisches Feld der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 im aktiven Bereich 26 mit dem Wellenleiter 8.The
Der Halbleiterschichtenstapel 25 weist ein III/V-Verbindungshalbleitermaterial auf, während das Substrat beispielsweise Silizium aufweist. Die Laserdiode ist auf das Substrat 6 beispielsweise aufgelötet oder aufgeklebt. Ein p-Kontakt 27 und ein n-Kontakt 28 sind zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterschichtenstapels 25 eingerichtet.The
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited to these by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- EmitterEmitter
- 22
- Detektordetector
- 33
- optisches Elementoptical element
- 44
- photonischer Kristallphotonic crystal
- 55
- Ausnehmungrecess
- 66
- SubstratSubstrate
- 77
- optischer Ringresonatoroptical ring resonator
- 88th
- Wellenleiterwaveguide
- 99
- Fano-ResonanzFano resonance
- 1010
- Lorentz-ResonanzLorentz resonance
- 1111
- StrahlteilerBeam splitter
- 1212
- Hauptflächemain area
- 1313
- GehäuseHousing
- 1414
- mechanisches Schutzelementmechanical protection element
- 1515
- Freiraumfree space
- 1616
- KontaktflächeContact surface
- 1717
- Trägercarrier
- 1818
- elektrischer Anschlusskontaktelectrical connection contact
- 1919
- BonddrahtBonding wire
- 2020
- elektromagnetische Laserstrahlungelectromagnetic laser radiation
- 2121
- Schallwellesound wave
- 2222
- AbstandshalterSpacers
- 2323
- Öffnungopening
- 2424
- Seitenflächeside surface
- 2525
- HalbleiterschichtenstapelSemiconductor layer stack
- 2626
- aktiver Bereichactive area
- 2727
- p-Kontaktp-contact
- 2828
- n-Kontaktn-contact
- II
- Intensitätintensity
- TT
- TransmissionsgradTransmittance
- RR
- Reflexionsgradreflectance
- ff
- Frequenzfrequency
- fRfr
- ResonanzfrequenzResonance frequency
- λλ
- Wellenlängewavelength
- λLλL
- Wellenlänge der elektromagnetischen LaserstrahlungWavelength of electromagnetic laser radiation
- λRλR
- Wellenlänge der ResonanzWavelength of resonance
- ΔλΔλ
- spektrale Linienbreitespectral line width
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