DE4424717C2 - Optoelektronisches Mikrosystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optoelektrisches Element für mikrooptische Systeme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß die optischen Eigenschaften - insbesondere der Brechungsindex - dielektrischer oder halbleitender Dünnfilme mit der Temperatur variieren. Dies führt etwa bei Interferenzfiltern dazu, daß die Wellenlänge maximaler Transmission temperaturabhängig ist. Dieser Effekt ist meist unerwünscht und erfordert in der Regel eine aufwendige Temperaturstabilisierung.

Aus "Mikromechanik", Herausgeber A. Heuberger, Springer-Verlag, Berlin 1989, S. 226 u. S. 387 - ist die Herstellung von Dünnfilmmembranen auf Siliziumträgern bekannt. Aufgrund ihrer geringen Wärmekapazität können solche Membranen mit ebenfalls in Dünnschichttechnik aufgebrachten Widerständen mit geringen Leistungen schnell auf hohe Temperaturen geheizt werden. Nach Abschalten der Heizleistung kühlen sie durch Wärmeabgabe an die die Membran umgebende Luft fast ebenso schnell wieder ab. So können etwa 10 mm² große Siliziumnitrid-Membranen mit einer Heizleistung von ca. 120 mW auf ca. 500°C gehalten werden. Die Aufheiz- und Abkühlzeit liegt hierbei im msec-Bereich.

Aus der EP 0 518 228 A2 ist ein abstimmbares optisches Filter bekannt, bei dem die Heizung der Dünnschicht mittelbar über ein eigenes Heizelement und das Trägermaterial für die Schicht erfolgt, was jedoch zu einer Beeinträchtigung der Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit führt. ferner wird hier das Aufbringen eines zusätzlichen temperaturabhängigen Elementes erfoderlich, außerdem muß die Trägerplatte elektrisch leitend sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Element für ein mikrooptisches System der eingangs genannten Art zu schaffen, das es erlaubt, die optischen Eigenschaften einer oder mehrerer Schichten gezielt thermisch zu variieren.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1a einen Schnitt durch ein heizbares Fabry-Perot-Interferenzfilter,

Fig. 1b ein Diagramm der erwarteten Transmissionscharakteristik bei Raumtemperatur und 500°C Temperatur für Filter mit 500 nm bzw. 1000 nm Transmissionswellenlänge,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Siliziummembran nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Phasenmodulator mit Frequenztunin­ gelement,

Fig. 4a einen Querschnitt durch ein Bandpaßfilter variabler Breite, oder äquivalent als Spektrometer,

Fig. 4b ein Diagramm über das Transmissionsverhalten des Bandpaßfilter gemäß Fig. 4a im Prinzip,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Membran mit abstimmbaren Reflexions­ schichten mit Gaußprofil.

Die Kombination optischer Dünnfilmaufbauten mit heizbaren Membranelemen­ ten führt zu miniaturisierten im Stapelprozeß herstellbaren optischen Kompo­ nenten mit thermisch einstellbaren spektralen Eigenschaften, die mit Frequen­ zen im kHz-Bereich betrieben werden können. Es ist zur Lösung der gestellten Aufgabe vorteilhaft, daß das System - um schnelle Ansprechzeiten zu erhalten - miniaturisierbar und im Stapelprozeß in mit der Siliziumtechnologie verträgli­ cher Weise herstellbar ist.

Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, daß durch die Kombination von Membranen (Fig. 1) mit Heizelementen und optischen Schichtaufbauten die gestellte Aufgabe gelöst wird, wobei die Mehrfachfunktion von Schichten als Membran- und/oder Heiz- und/oder optische Schicht beibehalten wird. Hierzu müssen die einzelnen Schichten mit ihren Eigenschaften gezielt ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden. Insbesondere müssen die optischen Schichten ätzresistent sein oder beispielsweise mit SiN passiviert werden, um im Sinne einer einfachen Stapel-Prozessierung die Ätzung als letzten Bearbeitungsschritt auszuführen. Ebenso ist auf Eigenschaften wie optische Transmission, hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe Wärmekapazität für hohe Abstimmraten, geringe mechanische Verspannung und hohe chemische Ätzresistenz zu achten. Als Ergebnis der erfindungsgemäßen Maßnahmen werden in relativ einfacher Wei­ se eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten erhalten, die auf anderem We­ ge nur schwer oder garnicht realisierbar sind.

In dem in Fig. 1a skizzierten Ausführungsbeispiel wird eine SiN Membran - die in einem naßchemischen, anisotropen Ätzprozeß hergestellt werden kann (Fig. 2) - als Träger für ein aus einem Platinmäander bestehenden Heizelement als Vielschichtinterferenzfilter verwendet. Dieses Vielschichtinterferenzfilter besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei Spiegelschichtaufbau­ ten, die eine λ/2-Schicht aus wasserstoffhaltigem amorphen Silizium (a - Si : H) einschließen. Die Spiegelschichten bestehen aus je 5 λ/4-Schichtpaaren aus Siliziumnitrid (SiN) und a-Si : H. Grundsätzlich können für die Herstellung von Filtern auf den Membranen alle in der Interferenz-Filtertechnik üblichen dielek­ trischen Schichten verwendet werden. Ausschlaggebend für die Wahl der Schichtmaterialien ist ein Brechungsindexsprung zwischen angrenzenden Schichten zur Erzeugung der Vielfach-Interferenz sowie eine hinreichende Ab­ hängigkeit des Brechungsindex von der Temperatur zur Änderung der Interfe­ renzeigenschaften. Die beispielsweise vorgeschlagene Anordnung von ab­ wechselnden Schichten von SiN mit a-Si : H hat zudem den Vorteil der Kom­ pensation von Material-Verspannungen, weil amorphes Silizium gewöhnlich unter Druck, Siliziumnitridschichten aber gewöhnlich unter Zugspannung ste­ hen, so daß die Verspannungen sich weitgehend ausgleichen. Eventuell ver­ bleibende Restspannungen werden gezielt durch Zusatzschichten ohne optische Funktion ausgeglichen. Jeder beliebige Filteraufbau ist realisierbar, der je nach Schichtfolge und Schichtmaterial vom einschichtigen "Cut-off" über "Cut-off", "Cut-on"-Interferenzfilter bis hin zu schmalbandigen Interferenzbandpaßfilter reichen.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird durch Änderung der Temperatur des Interferenzfilters durch das Heizelement, welches entweder als mäander­ förmig aufgedampftes oder abgeschiedenes Platin, Polysilizium oder Indium­ zinnoxid oder eines anderen elektrisch leitenden Materials besteht, oder bei­ spielsweise auch als optisch transparentes, aber elektrisch leitfähiges Mediums (z. B. ITO) flächenhaft auf oder unter dem Filterpaket angeordnet ist, die Temperatur des Interferenzfilters gezielt eingestellt. Durch Messung des ebenfalls temperaturabhängigen Widerstandes des Heizelementes wird außerdem noch eine Information über die aktuelle Temperatur dessen und somit auch des Fil­ ters ermittelt. Infolgedessen wird die Filterkante des Vielschichtfilters gezielt zu höheren oder niedrigeren Temperaturen verschoben (je nach Ausführung des Filters), und so ergibt sich eine abstimmbare Filterwirkung.

Die Fig. 1b zeigt zwei Transmissionskurven für die vorstehend beschriebene Interferenzfiltergeometrie bei Raumtemperatur und bei 500°C. Der thermoopti­ sche Koeffizient von a-Si : H liegt bei 5.10^-4 K^-1, was bei einer Transmissions­ wellenlänge von ca. 500 nm bzw. 1000 nm zu einer Verschiebung der Band­ paßmittenwellenlänge von ca. 60-80 nm führt. Durch Kombination zweier oder mehrerer solcher thermisch einstellbarer Interferenzfilter ist ein Spektro­ meter realisierbar, bei dem die Mitten- bzw. Kantenwellenlänge der dielektri­ schen Schichten durch die einzustellende Temperatur verändert werden kann. Ein solches Spektrometer ist beispielsweise als Fabry-Perot-Spektrometer in Resonanz oder einfach als ein System gegeneinander abstimmbarer Filter rea­ lisierbar.

In der Fig. 3 ist der Entwurf eines Phasenmodulators oder Frequenztuning- Elements für den Einsatz in miniaturisierten Laserresonatoren dargestellt. Hier­ bei wird die thermisch induzierte Brechungsindex- und Längenänderung einer einzelnen oder mehrerer Schichten dazu verwendet, die Phase oder Frequenz eines Lasers durch Änderung der optischen Länge einer solchen - in den Laser­ resonator eingebrachten - Schicht zu beeinflussen. Ausschlaggebend für den Modulationsbereich ist die Schichtdicke der freitragenden Schicht und die Hö­ he der Temperatur die einstellbar ist. Die Heizschicht selbst kann transparent sein (z. B. ITO) oder ist so geformt, daß sie ein Transmissionsfenster offen läßt.

Ein optisches Bandpaßfilter variabler Durchlaßkurvenbreite ist ebenfalls reali­ sierbar (Fig. 4a). Zwei thermooptisch veränderbare Spiegelschichtmembranen werden auf verschiedener Temperatur gehalten, wobei die eine Membran als Tiefpaß-, die andere als Hochpaßfilter aufgebaut ist, durch die das Licht trifft. Eine Transmission findet nur im Überlappungsbereich der Einzelkurven statt (Fig. 4b). Der Überlappungsbereich wird durch eine Variation der Temperaturdifferenz vergrößert oder verkleinert, bis hin zu einer vollen Sperrung des Transmissionsdurchgangs.

Nicht dargestellt, aber ebenso realisierbar, ist eine Kombination zweier ther­ mooptischer Spiegelschichtmembranen, wobei die Verschiebung der Filterkan­ te dλ/dT unterschiedliche Vorzeichen aufweist. Die Temperatur beider Mem­ branen ist dann auch gleich zu wählen, wobei die Breite des Überlappungsbe­ reichs dann eine Funktion der gemeinsamen Temperatur ist.

In gleicher Weise ist ein Spektrometer realisierbar, wenn das dλ/dT der beiden Spiegelschichten gleich ist. Eine Änderung der Temperatur führt dann zu einer Verschiebung der Zentralwellenlänge unter Konstanz der Transmissionsbreite. Prinzipiell anwendbar sind alle Komponenten sowohl in Transmission als auch analog in Reflexion.

Die Fig. 5 zeigt eine abstimmbare Spiegelschicht, bei der gezielt ein Gradient des Reflexionskoeffizienten über die geometrische Formung der Heizschicht einstellbar ist. Beispielsweise führt eine kreisbogenförmige Heizschicht zu ei­ nem radialen Temperaturgradienten, der in einem hierzu proportional radialen Brechungsindexgradienten und daraus folgend Reflexions- bzw. Transmissi­ onsgradienten resultiert. Auf diese Weise können beispielsweise Spiegel mit radialem Reflexionsgradienten ("Super-Gauß'sche Spiegel") realisiert werden, bei denen der Reflexionsgradient über die Temperatur der Heizschicht einge­ stellt werden kann. Solche Spiegel sind z. B. bei Multimode-Lasern zur Reduk­ tion der transversalen Modenstruktur oder als Modenblende nützlich.

Claims (13)

1. Optoelektronisches Element für mikrooptische Systeme mit einem - auf einer Trägerschicht aufgebrachten - Dünnschichtaufbau, das in seinen optischen Eigen­ schaften - insbesondere Brechungsindex, Absorptionskoeffizient, Bandlücke - temperaturmäßig variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation der optischen Eigenschaften thermisch induziert wird und zur Tempera­ turvariation entweder eine ohmsche Verlustheizung in dem Dünnschichtaufbau selbst, oder eine Heizung, die aus einer Dünnschicht besteht, die in einer zweiten - mit der ersten thermisch kontaktierten - Dünnschicht angeordnet ist und das optoelektronische Element miniaturisiert und im Stapel-Prozeß aus amorphem Silizium und Siliziumnitrid gefertigt wird.

2. Optoelektronisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Dünnschichtaufbau um eine Abfolge von λ/4- oder λ/2-Schichten mit abwechselnd unterschiedlichem Brechungsindex handelt.

3. Optoelektronisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Dünnschichtaufbau um eine oder mehrere Schichten aus amorphem Silizium α-Si : H oder dessen Legierungen handelt.

4. Optoelektronisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Schichten ätzresistent oder mit SiN passiviert sind.

5. Optoelektronisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trägerschicht des Schichtaufbaus aus einer durch anisotropes Siliziumätzen hergestellten SiN-, SiO- oder SiC-Membran gebildet wird.

6. Optoelektronisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Heizung Schichten aus Platin, Polysilizium oder Indiumzinnoxid auf dem Dünn­ schichtaufbau aufgebracht werden.

7. Optoelektronisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heizschichten so geformt sind, daß in der Trägermembran ein optisches Trans­ missionsfenster gebildet ist.

8. Optoelektronisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heizschichten so geformt sind, daß auf der Trägermembran ein Temperaturgra­ dient erzeugt wird.

9. Optoelektronisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Heizelement aus einem optisch transparenten, elektrisch leitfähigen Medium gebildet und flächenhaft auf oder unter dem Dünnschichtaufbau angeordnet ist.

10. Verwendung eines optoelektronischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Interferenzfilter, wobei die Filterkante durch die Temperaturvariation durch die Heizung verschiebbar ist.

11. Verwendung eines optoelektronischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Phasenmodulator für den Einsatz in miniaturisierten Laserresonatoren, wobei die Phase eines Lasers durch Änderung der optischen Länge des optoelektronischen Elements durch die Heizung beeinflußbar ist.

12. Verwendung eines optoelektronischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Frequenztuningelement für den Einsatz in miniaturisierten Laserresonatoren, wobei die Frequenz eines Lasers durch Änderung der optischen Länge des optoelektronischen Ele­ ments durch die Heizung beeinflußbar ist.

13. Verwendung eines optoelektronischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem optischen Bandpaßfilter, das zwei opto­ elektronische Elemente nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfaßt, wobei ein optoelektronisches Element als Hochpaßfiler und das andere als Tiefpaßfilter ausgebildet ist und der Überlappungsbereich durch eine Variation der Temperaturdifferenz der beiden optoelektro­ nischen Elemente durch die Heizung vergrößer- und verkleinerbar ist.