DE69714334T2

DE69714334T2 - Optomechanische Mikrovorrichtung und ihre optomechanischen Anwendung in einem Mikro-Strahlablenker

Info

Publication number: DE69714334T2
Application number: DE69714334T
Authority: DE
Inventors: Pierre Labeye
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2017-04-17
Also published as: EP0802439A1; US5923480A; JPH1054947A; FR2747802A1; DE69714334D1; EP0802439B1; FR2747802B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft das Gebiet der mikrooptischen Bauelemente und der Mikrotechnologien, insbesondere auf dem Gebiet der optomechanischen Mikrodeflektoren bzw. -ablenker hinsichtlich der kollektiven Fertigung von kompakten Mikrosystemen.
Die Erfindung kann bei sehr unterschiedlichen Systemen angewendet werden, zum Beispiel bei optischen Mikrotelemetern (Mikro-LIDAR) zur Detektion von Hindernissen, Kommunikationssystemen und optischen Verbindungen bzw. Zusammenschaltungen, optischen Datenspeichersystemen, optischen Sensoren, optischen Drucksystemen (Lasermarkierung, Drucker, ...).
Nach einem anderen Aspekt eignet sich die Erfindung für eindimensionale Abtast- oder Ablenkanwendungen eines von einer nahen Quelle stammenden Lichtbündels mit Hilfe eines Systems aus einer oder mehreren Mikrolinsen, wobei die Verschiebung von wenigstens einer dieser Mikrolinsen durch die Biegung eines Befestigungsarms gesteuert wird.

Stand der Technik

Man kennt verschiedene Typen von miniaturisierten integrierten oder hybridisierten Systemen, bei denen verschiedene Mechanismen oder Bauelemente benutzt werden, um einen Lichtstrahl abzulenken.
Ein erstes System umfasst einen oder mehrere sich drehende oder oszillierende Spiegel. Die Reflexion eines Strahls auf einem rotierenden Spiegel ermöglicht, große Abtastgeschwindigkeiten zu erreichen, aber diese Art von System ist oft sehr Beschleunigungs-empfindlich, was insbesondere bei Anwendungen auf mitgeführten Lasertelemetern problematisch ist.
Bestimmte Ablenkvorrichtungen arbeiten mit Mikrolinsengittern, wie zum Beispiel beschrieben in dem Artikel von E. A. WATSON mit dem Titel "Analysis of beam steering with decentered microlens array", erschienen in Optical Engineering, November 1993, Vol. 32, Nr. 11, Seiten 2665-2670, sowie in dem Artikel von T. D. MILSTER et al., erschienen in SPIE, Vol. 1625, "Design, Modeling and control of Laser Beam Optics", 1992, Seiten 78-83. Bei diesen Systemen verwendet man die durch eine Unflucht der optischen Achse eines mobilen Mikrolinsen- oder Mikrolinsengittersystems verursachte Ablenkung. Dieser Vorrichtungstyp ermöglicht keinen Mikrodeflektor bzw. -ablenker mit einem hohen Integrationsgrad.
Die meisten Licht-Mikroablenksysteme arbeiten generell mit piezoelektrischen Elementen, um die beweglichen Teile zu steuern. Dies hat zur Folge, dass sie oft groß sind und dass sie dann auf die niederen Frequenzen beschränkt sind. Außerdem erfordern die piezoelektrischen sehr hohe Steuerspannungen (ungefähr 1000 Volt), und auch dann ist es schwierig, hohe Frequenzen zu erreichen, ohne sehr viel elektrische Energie zu verbrauchen. Ein anderer Nachteil der hohen Spannungen beruht auf den Kosten der elektrischen Versorgungen, die schwer zu miniaturisieren sind.
Ein weiteres System wird in der französischen Patentanmeldung FR-A-95 05652 beschrieben. In diesem Dokument wird eine Mikroabtastvorrichtung auf der Basis von Mikrolinsen und Mikroträgern, auf einem Substrat integriert, beschrieben. Die Achse der Mikrolinse ist senkrecht zu dem Substrat, auf dem sie hergestellt wird. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung ist vorteilhaft in dem Fall, wo man versucht, die Mikroabtastung eines Strahls in zwei Richtungen zu realisieren. In dem Fall hingegen, wo man versucht, die Mikroabtastung eines Strahls in einer einzigen Richtung zu realisieren, stellt sich das Problem, eine einfacher zu realisierende Vorrichtung zu finden, die auch ermöglicht, das System kostengünstiger zu machen. Außerdem ermöglicht die in dem Dokument FR-A-95 05652 beschriebene Technik nicht, Linsen von beliebiger Form, insbesondere Linsen mit sehr kleiner Brennweite, die große Abtastwinkel ermöglichen, oder, für äquivalente Abtastwinkel, kleinere Steuerspannungen zu realisieren. Diese Vorrichtung der Anmeldung FR-A-95 05625 ermöglicht, die Linsen in einer Achse zu stapeln, erfordert aber dazu, zwei 90º-Mikroträger in zwei Technologieniveaus zu kreuzen. Nun ist es aber manchmal nötig, einen Mikrolinsenstapel zu verschieben.
Das Dokument US-5 097 354 beschreibt eine hybride Vorrichtung mit einer Punktquelle, einer Linse und einem mechanischen Element, fähig die Linse oder die Quelle zu verschieben. Diese Vorrichtung erfordert eine Montage der mechanischen Elemente auf einen Träger der Punktquelle und der Linse auf ein mechanisches Element. Das optische System muss mit einer großen Positionierungsgenauigkeit auf dem mechanischen Teil angebracht werden. Dieser Vorrichtungstyp, bei dem eine Linse auf einer mechanischen Struktur angebracht wird, ist vom "hybriden" Typ, erfordert Ausrichtungs- und Montageschritte und ist nicht kompatibel mit den Methoden einer kollektiven Fertigung.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Probleme zu lösen und schlägt eine optomechanische Mikrovorrichtung vor, die umfasst:
- ein Substrat, das eine x,y-Ebene der Vorrichtung definiert,
- wenigstens eine erste Linse, realisiert in dem Substrat, beweglich in der x,y-Ebene der Vorrichtung und fähig, einen Lichtstrahl in dieser selben Ebene abzulenken, wobei wenigstens eine der ersten Linsen eine zylindrische Linse ist und die Zylinder- Symmetrieachse senkrecht ist zu der x,y-Ebene der Vorrichtung ist,
- wenigstens einen Befestigungsarm, ebenfalls in dem Substrat realisiert, der die genannte erste Linse mit dem Substrat verbindet, wobei das Ende des mit dieser ersten Linse verbundenen Arms sich in der x,y-Ebene der Vorrichtung bewegen kann.
Die in dieser Erfindung realisierten Linsen haben mindestens eine optische Achse (auch Fokalachse genannt) in der Ebene des Substrats (oder Ebene der Mikrovorrichtung), oder in einer Ebene, die zu der Ebene des Substrats parallel ist. Da außerdem die Struktur der erfindungsgemäßen Mikrovorrichtung mit einer Realisierung kompatibel ist, die die Techniken der Photolithographie und des Ätzens anwendet, ist die Form der Diopter bzw. Brechflächen der Mikrolinse in keiner Weise eingeschränkt: diese können jede beliebige Form aufweisen und insbesondere eine zylindrische. In diesem letzteren Fall hat die Linse eine Zylinder- Symmetrieachse, die zu der Ebene der Mikrovorrichtung senkrecht ist. Der Schnitt eines Diopters in einer zu der Symmetrieachse des Zylinders senkrechten Ebene kann dann rund, konisch oder quadratisch sein oder irgend eine andere Form haben.
Die Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist kompatibel mit Kollektivfertigungsmethoden, zum Beispiel mit Ätz- und Photolithographiemethoden mit Maske. Insbesondere ist es möglich, falls die Form der Linse zylindrisch ist, die Optik, den verformbaren Haltearm und eventuell die elektrostatischen Kämme in einem einzigen Ätzschritt herzustellen: die bewegliche(n) Linse(n) wird (werden) dann in dem festen Teil realisiert, ebenso wie der Befestigungsarm. Man erhält dann eine Vorrichtung von sehr hoher Integration (und sehr kleiner Dimension), die ein besseres mechanisches Verhalten aufweist als die Vorrichtungen, die angesetzte Stücke haben. Außerdem ist die Realisierung einfacher und daher kostengünstiger als bei den Vorrichtungen, die nicht kompatibel sind mit den Methoden kollektiver Herstellung. Schließlich gibt es bei einer solchen Vorrichtung keine Ausrichtungsprobleme. Hingegen benötigen die hybriden Systeme nach dem Stand der Technik Ausricht- und Montageschritte und sind generell voluminöser.
Keine der Strukturen nach dem Stand der Technik ermöglicht die Herstellung einer Mikrovorrichtung, bei der die Linse in einer mechanischen Struktur realisiert wird und die eine optische Achse in der Ebene der Mikrovorrichtung hat. Dies wird nach der vorliegenden Erfindung möglich, indem die Linse mit einem zylindrischen Querschnitt hergestellt wird.
Die Tatsache, dass Linsen mit zylindrischer Geometrie realisiert werden können, ermöglicht auch, perfekt stigmatische Linsen herzustellen, selbst für sehr große Bündelöffnungen. Es bestehen also keine Grenzen, weder bezüglich der Brennweite noch bezüglich der Öffnung.
Die Brennweiten können kleiner sein als diejenigen der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, und die Ablenkung des optischen Strahls kann - bei einer bestimmte Verschiebung - größer sein. Umgekehrt kann eine bestimmte Ablenkung mit kleineren Verschiebungen als denen der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik realisiert werden, also mit geringeren Steuerungsenergien.
Außerdem kann die Linse eine Zerstreuungslinse sein.
Die erfindungsgemäße optomechanische Mikrovorrichtung kann auch wenigstens eine zweite Linse umfassen, auf dem Weg des einfallenden Strahls befindlich. Diese zweite Linse kann fest sein, verbunden mit dem festen Teil der Mikrovorrichtung. Dies kann auch eine bewegliche Linse sein, ebenfalls fähig, den Lichtstrahl in der Ebene der Mikrovorrichtung abzulenken, die auch durch wenigstens einen Befestigungsarm an dem festen Teil befestigt ist, wobei ein Teil dieses Arms sich bewegen kann und diese bewegliche zweite Linse bewegen kann, in der Ebene der Mikrovorrichtung.
In dem Fall, wo der abzulenkende Strahl sehr breit ist, ist es möglich, eine System mit N Seite an Seite angeordneten ersten Linsen zu realisieren. Ebenso kann die Mikrovorrichtung N zweite feste oder bewegliche Linsen umfassen, Seite an Seite angeordnet in der Ebene der Mikrovorrichtung. Es ist dann möglich, Linsen mit sehr kurzer Brennweite zu realisieren, die folglich mit kleinen Verschiebungen eine große Ablenkung zulassen.
Um Linsen mit sehr kurzer Brennweite zu realisieren oder um optische Aberrationsprobleme zu vermeiden, kann man auch N erste bewegliche Linsen "stapeln" entsprechend einer in der Ebene der Mikrovorrichtung enthaltenen Achse. Auch hier kann man mit sehr kleinen Verschiebungen große Ablenkungen erzielen.
Falls man die Empfindlichkeit des beweglichen Teils gegenüber Beschleunigung reduzieren will, kann die Masse des optischen Teils der Mikrovorrichtung reduziert werden, indem man eine Fresnel-Linse benutzt.
Die erfindungsgemäße Mikrovorrichtung ist sehr gut geeignet zur Ablenkung eines von einem optischen Leiter oder einer optischen Faser stammenden Lichtbündels.
Insbesondere kann der feste Teil der Mikrovorrichtung außerdem Einrichtungen umfassen, um einen Lichtstrahl in Richtung der (oder einer) ersten Linse oder der (oder einer) zweiten Linse zu lenken.
Diese Einrichtungen können einen optischen Mikroleiter umfassen, integriert in den festen Teil, der ein Ausgangsende aufweist, das der (oder einer) ersten Linse oder der (oder einer) zweiten Linse gegenübersteht.
Schließlich kann ein Mikrolaser in dem festen Teil festgemacht werden, so, dass der Laserstrahl in Richtung der (oder einer) ersten Linse oder der (oder einer) zweiten Linse abgestrahlt wird. Eine solche Mikrovorrichtung hat einen sehr hohen Integrationsgrad.
Der Befestigungsarm, der die bewegliche Linse mit dem festen Teil der Mikrovorrichtung verbindet, kann zwei Enden aufweisen, verbunden mit dem festen Teil der Mikrovorrichtung, und ein Zwischenteil, an dem die Linse befestigt ist, wobei dieser Zwischenteil ausreichend nachgiebig ist, um die Beweglichkeit der Linse in der Ebene der Mikrovorrichtung zu gewährleisten. Eine solche Struktur ermöglicht, die gesamte Mikrovorrichtung zu versteifen.
Bewegungssteuerungseinrichtungen des Befestigungsarms und der beweglichen Linse können vorgesehen werden, zum Beispiel vom elektrostatischen oder elektromechanischen Typ. Nach einer Variante können diese Steuerungseinrichtungen einen elektrostatischen Kamm umfassen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung betrifft die erläuternden und nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Fig. 1A du 1B zeigen zwei Varianten einer ersten Ausführungsart der Erfindung,
- die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsart der Erfindung, mit optischem Leiter,
- die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsart der Erfindung mit integriertem Mikrolaser,
- die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsarg der Erfindung mit einer beweglichen Linse und einer festen Linse,
- die Fig. 5 und 6 zeigen zwei Varianten einer Ausführungsarg der Erfindung mit zwei beweglichen Linsen,
- die Fig. 7 zeigt eine Ausführungsart der Erfindung mit Seite an Seite angeordneten beweglichen Linsen und Seite an Seite angeordneten festen Linsen,
- die Fig. 8 zeigt eine Ausführungsart der Erfindung mit zwei gestapelten beweglichen Linsen und einer festen Linse,
- die Fig. 9 ist eine Ausführungsart der Erfindung mit einer beweglichen Linse, einer festen Linse und einem elektrostatischen Kamm,
- die Fig. 10 zeigt eine Ausführungsart der Erfindung mit einem Arm, dessen Enden fest sind und dessen Zwischenteil beweglich ist,
- die Fig. 11 zeigt eine Ausführungsart der Erfindung mit einer beweglichen Zerstreuungslinse,
- die Fig. 12 ist ein Beispiel einer Linse mit zwei sphärischen Dioptern bzw. Brechflächen.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsarten der Erfindung

Die Fig. 1A zeigt eine erste Ausführungsart der Erfindung. Die Mikrovorrichtung umfasst ein Substrat, oder festen Teil, 2 und eine bewegliche Linse 4. Das Substrat, oder seine Oberfläche 3, definiert eine Ebene xy, die in der Folge Ebene der Mikrovorrichtung genannt wird. Die Mikrolinse 4 kann sich in der Richtung y und folglich in der Ebene der Vorrichtung oder in einer zu der Ebene parallelen Richtung verschieben. Sie ist durch Arme 6, 8 mit dem festen Teil 2 verbunden. Unter der Wirkung einer Beschleunigung in der Richtung y oder einer durch eine äußere Steuerung verursachten Kraft können die Arme 6, 8 sich bewegen und derart eine Verschiebung der Mikrolinse 4 in der Richtung y ermöglichen. Die Bewegung der Arme entspricht ihrer Biegung unter der Wirkung einer Beschleunigung oder einer äußeren Kraft.
Wenn ein Quellenpunkt sich im Fokalpunkt einer Sammellinse befindet, wird der Strahl durch die Linse in einer Richtung kollimatiert bzw. gesammelt, die parallel ist zu der optischen Achse. Wenn die Linse transversal um einen Abstand d verschoben wird, wird der Strahl in einer Richtung kollimatiert bzw. gesammelt, die mit der vorhergehenden Richtung einen Winkel α = arctg(d/f) bildet.
Einrichtungen 10 wie zum Beispiel ein optischer Mikroleiter sind außer dem vorgesehen, um einen Strahl 5 in der Richtung x einzuspeisen, in Richtung der Mikrolinse 4. Die Verschiebung der Mikrolinse in der Achse y ermöglicht, diesen Lichtstrahl in der Ebene der Mikrovorrichtung abzulenken, oder in einer Ebene, die parallel ist zu der Ebene der Mikrovorrichtung. Die Linse ist in der Fig. 1A zylindrisch dargestellt. Sie hat eine Achse AA' von zylindrischer Symmetrie, senkrecht zu der Ebene xy der Mikrovorrichtung. Jede Grenz- oder Brechfläche hat eine endliche Krümmung in der Ebene xy oder in einer zu xy parallelen Ebene, Aber keine Krümmung in einer zu xy senkrechten Ebene.
Es kann auch eine durch sphärische Diopter bzw. Brechflächen abgegrenzte Linse verwendet werden, wobei die Fokalachse der Linse dann parallel zu der Achse x ist.
Es wurden zwei Befestigungsarme dargestellt. Die Vorrichtung kann auch mit einem einzigen Befestigungsarm funktionieren, zum Beispiel dem Arm 6. Aus Gründen der Symmetrie und der Stabilität ist die Vorrichtung mit zwei Armen 6, 8, beiderseits der Linse angeordnet, vorzuziehen.
Im Falle eines Mikrodeflektors bzw. -ablenkers können Einrichtungen zur Steuerung der Bewegungen der Arme 6, 8 und folglich der Linse 4 vorgesehen werden. Diese Einrichtungen können zum Beispiel, wie dargestellt in der Fig. 1A, elektrostatische Einrichtungen sein: Steuerungselektroden 12, 14, 16, 18 können auf den seitlichen Teilen der Arme 6, 8 und auf dem festen Teil der Vorrichtung abgeschieden werden. Diese Elektroden sind außerdem mit in der Figur nicht dargestellten Einrichtungen zum Anlegen einer Spannung verbunden. Das Anlegen einer Spannung an zwei Elektroden 12, 14, die sich gegenüberstehen, hat eine Verschiebung des Ganzen in der Richtung y zur Folge. Es können auch andere Steuerungseinrichtungen vorgesehen werden, insbesondere elektromagnetische. In diesem Fall ist ein Magnetfeld B senkrecht zur Ebene der Mikrovorrichtung ausgerichtet. Windungen längs der Arme 6, 8 werden durch eine elektrische Versorgungsquelle mit Strom gespeist. Das Magnetfeld ermöglicht, eine Laplace-Kraft FL zu erzeugen, die den beweglichen Teil der Mikrovorrichtung entsprechend der y Achse verschiebt. Weitere Details einer solchen elektromagnetischen Steuervorrichtung, insbesondere bezüglich ihrer Herstellung, liefert das Dokument FR-2 660 444.
Im Falle einer elektrostatischen Steuervorrichtung sei daran erinnert, dass die elektrostatische Anziehungskraft, erzeugt durch eine zwischen zwei sich gegenüberstehende Elektroden 12, 14 gelegte Spannung V, durch folgende Formel geliefert wird:
F = 1/2&epsi;&sub0;S(V/e)² (1)
wo F die erzeugte Kraft ist, &epsi;&sub0; die Permittivität des Mediums zwischen den Elektroden ist und e der Abstand der Elektroden voneinander ist.
Umgekehrt, für einen Arm mit der Länge L, dem Trägheitsmoment I, hergestellt aus einem Material mit dem Young-Modul E, wird die Verschiebung d, bewirkt durch eine längs des Trägers (Arm) verteilte Kraft, geliefert durch:
d = FL³/8EI (2)
In Abhängigkeit von den auszuführenden Verschiebungen kann der Fachmann von den Gleichungen (1) und (2) die Abmessungen der Arme und der elektrostatischen Steuerungseinrichtung ableiten, die zu realisieren sind. Die Gleichung (2) ist unabhängig von der Steuerungseinrichtung immer anwendbar.
Die Fig. 1B zeigt eine Variante der oben in Verbindung mit der Fig. 1A dargestellten Vorrichtung. Der optische Mikroleiter 10 wird durch eine optische Faser 20 ersetzt, die in einer Rille 21 enthalten ist, vorgesehen in dem festen Teil 2 der Mikrovorrichtung. Die Rille 21 ermöglicht außerdem eine sehr gute Relativpositionierung der Faser 20 in Bezug auf die Linse 4. Die Arme 6, 8 erstrecken sich auf der Seite, wo sie mit dem festen Teil der Mikrovorrichtung verbunden sind, in Öffnungen 22, 24 dieses festen Teils. Elektroden 26-2, 26-3 und 28-2, 28-3 können also auf beiden Seiten der Arme 6, 8 abgeschieden werden, wobei jede dieser Elektroden einer Steuerelektrode 26-1, 26-4 und 28- 1, 28-4 gegenübersteht, abgeschieden auf dem festen Teil. Zwischen jedem sich gegenüberstehenden Elektrodenpaar kann eine Spannung hergestellt werden, was ermöglicht, die an jedes Elektrodenpaar anzulegende Spannung zu reduzieren, die für eine bestimmte Verschiebung der Mikrolinse 4 längs der Achse y nötig ist. Die zu verwendenden Spannungsversorgungseinrichtungen sind dann weniger groß.
Die in der Fig. 2 dargestellte Vorrichtung umfasst, wie in dem oben beschriebenen Fall der ersten Ausführungsart, einen optischen Leiter 10, der ermöglicht, das Licht auf eine zylindrische Linse 4 zu richten. Die Steuerungseinrichtungen der Arme 6, 8 entsprechen denen, die oben in Verbindung mit der Fig. 1B beschrieben wurden. Am Ausgang der Vorrichtung ermöglicht eine zylindrische Linse 30, deren Zylinder- Symmetrieachse zu der Achse der Linse 4 senkrecht ist (das heißt in der Ebene xy ausgerichtet ist), den mit der Linse 4 erhaltenen Strahl in einer zweiten Richtung zu kollimatieren bzw. zu sammeln, senkrecht zu der Ebene der Mikrovorrichtung.
Die in den Fig. 1A und 2 dargestellten optischen Leiter sind geradlinige Leiter. Sie können aber Teil eines komplexen integrierten optischen Systems sein. Falls es nicht nötig ist, integrierte optische Funktionen mit einzuschließen, kann man wie im Fall der Fig. 1B eine in eine Rille 21 eingesetzte optische Faser verwenden.
Bei der in der Fig. 3 dargestellten Vorrichtung ermöglicht eine optische Faser 20, einen Pumpstrahl in einen Mikrolaser 32 einzuspeisen, eingesetzt in einen Hohlraum 34 des festen Teils der Mikrovorrichtung. Dieser Mikrolaser ist so angeordnet, das er einen Laserstrahl 36 in Richtung der beweglichen Mikrolinse 4 abstrahlt, deren Verschiebungen zum Beispiel durch elektrostatische Einrichtungen längs der Arme 6, 8 gesteuert werden. Ein Mikrolaser hat eine Struktur, die aus einem Schichtenstapel besteht. Das aktive Lasermedium wird zum Beispiel durch ein Material von geringer Dicke (zwischen 150 um und 1 mm) und kleinen Abmessungen (einige mm²) gebildet, auf dem die dielektrischen Spiegel direkt abgeschieden werden, so dass ein Mikrolaser-Resonator entsteht. Das aktive Medium kann durch eine III-V-Laserdiode gepumpt werden, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch eine optische Faser 20 mit dem Mikrolaser gekoppelt ist. Die Mikrolaser ermöglichen eine kollektive Herstellung mit den Mitteln der Mikroelektronik, was sehr kostengünstige Großserien ermöglicht. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere ein Mikrodeflektor bzw. -ablenker, hat folglich eine äußerst kompakte Struktur und ist relativ billig. Ein Mikrolaser wird zum Beispiel beschrieben in dem Artikel von N. MERMILLIOD et al. mit dem Titel "LaMgAl&sub1;&sub1;O&sub1;&sub9;: Nd microchip laser", erschienen in Applied Physics Letters, Vol. 59, Nr. 27, Seiten 3516-3520 (1991).
Ein anderer Mikrolasertyp, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist beschrieben in dem Dokument EP-A-0 653 824. Dieser Mikrolaser hat eine passive Güteschaltung und enthält ein Sättigungs-Absorptionsmaterial in Form eine Dünnschicht aus direkt auf dem festen aktiven Medium abgeschiedenem Sättigungs- Absorptionsmaterial. Ein Herstellungsverfahren eines solchen Bauelements wird ebenfalls in diesem Dokument EP-A-0 653 824 beschrieben.
Ebenso ist es möglich, eine Laserdiode vorzusehen, eingesetzt zum Beispiel in eine Hohlraum der Mikrovorrichtung und so angeordnet, dass der Laserstrahl direkt auf die bewegliche Linse der Mikrovorrichtung gerichtet ist.
Die Fig. 4 stellt eine weitere Ausführungsform des Linsensystems in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Der feste Teil 36 der Vorrichtung umfasst eine feste Linse 38, die ein einfallender Strahl 40 durchquert. Der am Ausgang der Linse 38 erhaltene Strahl durchquert anschließend eine bewegliche Linse 42, mit dem festen Teil 36 verbunden durch Arme 44, 46. Die Ablenkungsbewegung wird durch Elektroden 48-1, 48-2, 50-1, 50-2 gesteuert, die längs der Arme und auf dem festen Teil 36 der Mikrovorrichtung angeordnet sind. Wenn man einen parallelen Strahl 40 ablenken möchte, kann man zum Beispiel zwei zylindrische Linsen 38, 42 benutzen, von denen die eine fest ist und die andere beweglich. Die feste Linse ermöglicht, den parallelen Strahl zu fokussieren, und die bewegliche Linse kollimatiert bzw. sammelt den Strahl wieder. Um den Strahl in der Fig. 4 nach unten abzulenken (das heißt in die Richtung y&supmin;), wird zwischen den Elektroden 48-1 und 48-2 eine Spannung hergestellt. Um den Strahl in der Fig. 4 nach oben abzulenken (das heißt in die Richtung y&spplus;), wird zwischen den Elektroden 50-1 und 50-2 eine Spannung hergestellt.
Um eine selbe Ablenkung zu erhalten und mit dem Zweck, die an die Elektroden anzulegende Steuerspannung zu reduzieren, ist es möglich, kaskadenförmig zwei bewegliche Linsen zu benutzen anstatt einer festen Linse und einer beweglichen Linse. In diesem fall, um die gleiche Relativverschiebung zwischen den beiden Linsen zu erhalten, kann jede der beiden Linsen um die halbe Distanz verschoben werden, jede in eine entgegengesetzte Richtung. Diese Lösung ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Der Fall der Fig. 5 entspricht Steuerträgern 61, 62, 81, 82, die mit der gleichen Seite der festen Struktur 52 verbunden sind. In dem Fall der Fig. 6 sind die Steuerträger 61, 63 und 81, 83 mit entgegengesetzten Seiten der festen Struktur 54 verbunden: man erhält so eine Vorrichtung mit zwei verschachtelten beweglichen Linsen.
In dem Fall, wo der abzulenkende Strahl sehr breit ist, wird es möglich, ein System mit mehreren nebeneinander angeordneten Linsen zu realisieren. Ein Beispiel dieser Ausführungsart ist in der Fig. 7 für feste und bewegliche Linsen dargestellt, wo diese Seite an Seite angeordnet sind, entsprechend der Richtung y der Ebene der Mikrovorrichtung. In dieser Figur durchquert ein einfallender Strahl 52 ein Paar fester Linsen 56, 58, verbunden durch ihre seitlichen Teile 57, dann ein Paar beweglicher Linsen 64, 66, verbunden durch ihre seitlichen Teile 65. Jede bewegliche Linse ist mit einem Befestigungsarm 68, 70 verbunden, der ermöglicht, die aus den beiden Linsen 64, 66 bestehende Einheit zu verschieben. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, Linsen mit sehr kurzer Brennweite zu realisieren, die folglich mit kleinen Verschiebungen eine große Ablenkung ermöglichen. Die Linsen 56, 58 und 64, 66 werden vorteilhaft im Laufe desselben Schritt realisiert. Das Schema der Fig. 7 lässt kann verallgemeinert werden für eine beliebige Anzahl N von festen Linsen und von beweglichen Linsen, Seite an Seite angeordnet. Ebenso ist es möglich, wenn die Vorrichtung nur bewegliche und keine festen Linsen umfasst, eine Gruppe von N beweglichen Linsen zu realisieren, Seite an Seite angeordnet in einer Richtung, die sich in der Ebene der Mikrovorrichtung befindet. Man erhält folglich eine Gruppe "parallel" angeordneter Linsen.
Die Ausführungsart der Fig. 8 entspricht einem Stapel beweglicher Linsen 72, 74 entsprechend einer Achse, die in der Ebene der Vorrichtung enthalten ist oder parallel zu ihr ist (Achse x in der Fig. 8). Die erste Linse 72 ist mit den Befestigungsarmen 76, 78 verbunden, während die zweite bewegliche Linse 74 durch die Arme 80, 82 mit den Armen 76, 78 verbunden ist. Diese Schema kann verallgemeinert werden mit einer beliebigen Anzahl N von beweglichen Linsen, angeordnet entsprechend einer Achse der Ebene der Mikrovorrichtung oder parallel zu dieser Ebene. Durch das Stapeln mehrerer Linsen ist es möglich, sehr kurze Brennweiten zu realisieren, also große Ablenkungen mit sehr kleinen Verschiebungen des beweglichen Teils.
Um die an die Befestigungsarme der beweglichen Linse(n) angelegte Steuerspannung zu reduzieren, ist es möglich, wie dargestellt in der Fig. 9, einen elektrostatischen Steuerungskamm 84 vorzusehen. In dieser Figur ist ein einziger Kamm dargestellt, wobei ein gleicher Kamm auf der anderen Seite der Vorrichtung angeordnet werden kann, bezogen auf die festen und beweglichen Linsen 86, 88, in der Ebene der Fig. 9. Der Kamm 84 wird gebildet durch eine Reihe von Zähnen 90-1, ..., 90-4, die mit einem Hauptarm 92 verbunden sind. Die Zähne tragen jeder Steuerungselektroden, zum Beispiel beiderseits des Arms 90-i angeordnet (i = 1-4). Der feste Teil 93 der Mikrovorrichtung weist Aussparungen 94-1, 94-2, 94-3 auf, in die diejenigen Zähne 90-1, 90-2, 90-3 des Kamms hineinragen, die freie Enden haben, während der Zahn 90-4 mit dem festen Teil verbunden ist. Die Innenwände der Aussparungen des Substrats können mit Metallisierungen überzogen sein, die den Metallisierungen gegenüberstehen, die auf den Zähnen des Kamms abgeschieden sind, wobei jede Metallisierung des Substrats mit einer benachbarten Metallisierung eines Zahns des Kamms einen Kondensator, dessen Dielektrikum und Dicke variabel sind. In der Fig. 9 sind nur vier Zähne dargestellt, jedoch ist die Anzahl N der Zähne nach der Lehre der Erfindung beliebig.
Der (oder die) Befestigungsarm(e) zum Verbinden der beweglichen Linsen mit dem festen Teil der Mikrovorrichtung kann (können) so konzipiert sein, wie in der Fig. 10 dargestellt: ein Arm 96 ist mit seinen beiden Enden 98, 100 mit dem festen Teil 102 der Mikrovorrichtung verbunden. Der Mittel- oder Zwischenteil des Trägers 96 ist so nachgiebig, dass die Verschiebung der beweglichen Linse 99 in der Ebene der Mikrovorrichtung möglich ist. Steuerungseinrichtungen 104, 106 der Verschiebungen des Zwischenteils des Arms 96 und der beweglichen Linse 99 sind längs der Wände eines Hohlraums 108 vorgesehen, der den festen Teil 102 von dem Arm 96 trennt. Diese Einrichtungen können Metallisierungen sein, die das Erzeugen einer elektrostatischen Kraft ermöglichen, oder auch elektromagnetische Steuerungseinrichtungen. Die Tatsache, die beiden Enden eines Befestigungsarms mit dem festen Teil zu verbinden, ermöglicht, die Struktur in ihrer Gesamtheit zu versteifen.
Die beweglichen und/oder festen Linsen sind bisher beschrieben worden wie Linsen mit sphärischen oder zylindrischen oder sonstigen Dioptern bzw. Brechflächen. Im Falle von zylindrischen Brechflächen definiert ein zu der Ebene der Mikrovorrichtung verlaufender Schnitt durch eine Brechfläche eine Kurve, die eine konische sein kann, zum Beispiel eine elliptische, eine hyperbolische oder eine parabolische oder auch eine quadratische. In diesem letzteren Fall ermöglicht die Linse eine Konjugation der perfekt stigmatischen Bilder, selbst bei sehr großen Strahlöffnungen. Es ist vorteilhaft, mehrere Linsen vorzusehen, um die Aberrationen zu korrigieren, wenn die Ablenkung groß ist.
Falls man die Empfindlichkeit des beweglichen Teils der Vorrichtung in Bezug auf die Beschleunigung reduzieren möchte, ist es möglich, die Masse des optischen Systems zu reduzieren, indem man eine (oder mehrere) vorzugsweise sehr dünne Fresnel-Linse(n) benutzt, beschrieben zum Beispiel in "Etude et réalisation de systèmes optiques convergents pour I'optique planalre", Doktorarbeit von Pierre Gidon, 20. Dezember 1983, Université Scientifique et Medical de Grenoble.
Die Linsen, insbesondere die bewegliche Linse, können Zerstreuungslinsen sein. Eine Vorrichtung mit einer solchen Zerstreuungslinse ist in der Fig. 11 dargestellt: diese Linse umfasst, außer einem festen Substrat 110 der Mikrovorrichtung, zwei feste Linsen 112, 114, angeordnet am Eingang und am Ausgang der Mikrovorrichtung. Der bewegliche Teil umfasst im Wesentlichen eine bewegliche Zerstreuungslinse 116, die mit zwei Befestigungsarmen 118, 120 mit dem festen Teil 110 verbunden ist. Dieser Vorrichtungstyp kann vorteilhaft sein für das Ablenken eines Strahl mit großem Durchmesser: es ist besser, anstatt eine Zerstreuungslinse zu verschieben, die einen großen Durchmesser hat, also schwer ist, den Strahl auf eine (oder mehrere) kleinere(n) Zerstreuungslinse(n) zu fokussieren.
Alle oben in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Strukturen können auch im festen Teil der Mikrovorrichtung einen Mikroleiter, eine optische Faser oder einen Mikrolaser umfassen, wie beschrieben in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3. Die Mikrovorrichtung der Fig. 4 kann zum Beispiel in ihrem festen Teil einen Hohlraum umfassen, in den ein Mikrolaser eingesetzt ist, sowie eine Rille, in die eine optische Faser eingesetzt ist, um den Mikrolaser-Pumpstrahl zu übertragen.
In der Folge wird ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens einer erfindungsgemäßen Mikrovorrichtung beschrieben. Gewählt wird das Beispiel mit in Siliciumdioxid realisierten Elementen. Das Ausgangsmaterial wird also durch eine dicke Siliciumdioxidschicht gebildet (ungefähr 50 um), abgeschieden auf einem Substrat, zum Beispiel aus Silicium. Diese Abscheidung kann durch LPCDV oder durch PECDV erfolgen.
Anschließend wird auf der Siliciumdioxidschicht eine Resistschicht aufgebracht. Mittels klassischer Photolithographietechnik bildet man anschließend in dem Resist Elemente aus, die Formen aufweisen, die den festen und beweglichen Linsen sowie den Befestigungsarmen entsprechen, die man in der Siliciumdioxidschicht realisieren will. In dem nächsten Schritt werden die Arme und die Linsen in der Siliciumdioxidschicht geätzt. In diesem Schritt kann man das reaktive Ionenätzen (RIE) benutzen: die Gase (zum Beispiel CHF&sub3; für das Siliciumdioxid, O&sub2; für das Resist) reagieren mit den zu ätzenden Materialien, so dass sich flüchtige Verbindungen bilden, die abgepumpt werden. Die Kontrolle der Anteile dieser Gase ermöglicht, die Selektivität S der Ätzung zu wählen, die das Ätzgeschwindigkeits- Verhältnis Substrat zu Resistmaske ist. Derart kann man eine sehr vertikale Ätzung durchführen.
Die Hohlräume 21 (Fig. 1B) und 34 (Fig. 3) können im Laufe dieses reaktiven Ionenätzschritts realisiert werden. Dasselbe gilt für den elektrostatischen Kamm 84 (s. Fig. 9).
Ein späterer Schritt einer isotropen Ätzung der Siliciumdioxidschicht ermöglicht, die beweglichen Teile mit der erwünschten Form freizumachen (bewegliche Mikrolinsen und Befestigungsarme). Diese Form kann beliebig sein und die oben beschriebene Technik ermöglicht, die verschiedenen Bauelemente zu erhalten, die schon beschrieben wurden in Verbindung mit den Fig. 1A bis 11.
Es ist auch möglich, die beweglicht Linse in einer Schicht zu realisieren, die durch die Abscheidung mehrerer Materialien gebildet wird, oder mittels einer graduell dotierten Schicht; derart kann man eine Linse mit Brechzahlgradient herstellen. Zum Beispiel kann man für eine Siliciumdioxidlinse als Dotierstoff Phosphor verwenden. Die Technik, die benutzt wird, um die Geometrie der Linse zu definieren, ist zum Beispiel die des reaktiven Ionenätzens. Die Herstellung der Linse mit Brechzahl-Gradient wird zum Beispiel beschrieben in dem Katalog Melles Griot, Optics Guide 5, Seiten 20-58, 20-59, 20-60 (Herstellung einer Dünnschicht durch Veränderung der Phosphor-Dotierung im Laufe einer PECVM-Siliciumdioxidabscheidung).
Falls in der festen Struktur ein Leiter 10 vorgesehen ist (wie in der Fig. 1A), wird dieser im Laufe des Abscheidungsschritts der Schicht, zum Beispiel aus Siliciumdioxid, realisiert, in der Linsen und Befestigungsarme geätzt werden müssen. Ein Herstellungsverfahren des Leiters besteht also aus folgenden Schritten:
- Abscheiden einer ersten Siliciumdioxidschicht,
- Abscheiden einer Schicht aus dotiertem Siliciumdoxid auf dieser ersten Siliciumdioxidschicht,
- Ätzen dieser dotierten Siliciumdioxidschicht entsprechend der Form, die man dem Leiter 10 geben möchte,
- Abscheiden einer zweiten Siliciumdioxidschicht.
Die Endschicht, hergestellt durch Abscheidung der ersten und zweiten Siliciumdioxidschicht, kann anschließend geätzt werden, wie weiter oben beschrieben, um Linsen und Arme zu realisieren.
Die Elektroden für die elektrostatischen Steuerungen werden durch Verdampfung bzw. Aufdampfung unter schrägem Einfallwinkel realisiert, durch eine mechanische Maske hindurch. Die hergestellten Metallisierungen werden anschließend mit den Steuerelektroden verbunden.
Wenn eine der herzustellenden Linsen eine Linse des Fresnel-Typs ist, benutzt man dasselbe Verfahren wie das oben beschriebene, wobei man nur das Muster der Maske modifiziert.
In der Folge wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrovorrichtung beschrieben. Die typischen Ablenkleistungen einer erfindungsgemäßen Mikroabtastvorrichtung liegen in der Größenordnung -10º bis +10º. Wenn man einen Strahl mit einem Durchmesser Φ = 100 um betrachtet, ermöglicht der Stand der Technik die Realisierung von plan-konvexen Mikrolinsen, deren Dicke in der Mitte ungefähr h = 10 um beträgt und deren Brennweite f die folgende Gleichung liefert:
f = φ²/8 · h(n - 1)
wo n die Brechzahl des Materials ist (für Siliciumdioxid kann man n = 1,5 nehmen). Mit den oben angegebenen Werten erhält man also f = 250 um. Man muss folglich eine Verschiebung d der Linse erzeugen, die d = f·tgθ = 44 um beträgt. Wenn man zum Beispiel eine Linse mit zwei shpärischen Dioptern bzw. Brechflächen mit den Krümmungsradien R&sub1; und R&sub2; realisiert (s. Fig. 12), ermöglicht die Bedingung R&sub2; = -6R&sub1;, ein Minimum an sphärischer Aberration zu erzielen. Indem man eine Brennweite von 100 um wählt, erhält man:
R&sub1; = (7(n - 1)/6), f = 58,33 um und R&sub2; = -6R&sub1; = -350 um.
Die zu erzeugende Verschiebung beträgt also f·tgθ = 17,6 um.
Der erhaltene Wert liegt deutlich unter dem Wert von 44 um, den man erreichen muss, um mit einer plan-konvexen Mikrolinse nach dem Stand der Technik die gleichen Leistungen zu erreichen.
Was schließlich die Einrichtungen betrifft, die ermöglichen, die Verschiebung der Befestigungsarme der beweglichen Linse zu steuern, so ist die elektrostatische Steuerungseinrichtung besonders vorteilhaft. Wenn man nämlich einen Arm mit der Länge L = 2 mm, der Breite I = 5 um und einer Dicke h vorsieht, wird eine Metallisierungselektrode auf der Fläche S mit der Länge L und der Höhe h abgeschieden, und wenn man für den Spalt e (Abstand in Bezug auf die Metallisierung auf dem festen Teil) das Dreifache der Verschiebung d des Arms nimmt, wobei das Ganze in PECVD-Siliciumdioxid mit dem Young-Modul E = 7·10¹&sup0; Pa realisiert wird, wird die Spannung V zum Erzeugen der Verschiebung d geliefert durch:
V = (12Ed³I³)/&epsi;&sub0;L&sup4;)1/2.
Bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik erhält man V = 250 V. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erhält man V = 64 V, wobei man Elektroden auf jedem der beiden Arme voraussetzt. Der Spannungsgewinnfaktor ist also höher als 4, was für Mikrovorrichtungen sehr vorteilhaft ist, da es hier von größter Wichtigkeit ist, mit kleinen Versorgungseinrichtungen auszukommen, die nur kleine oder mittlere Spannungen liefern können.
Generell beträgt die Größe einer erfindungsgemäßen Mikrovorrichtung einige um x einige um x 0,5 mm.

Claims

1. Optomechanische Mikrovorrichtung, umfassend:

- ein Substrat (2, 36, 52, 54, 92, 102, 110), das eine x,y-Ebene der Vorrichtung definiert,

- wenigstens eine erste Linse (4, 42, 64, 66, 72, 74, 88, 99, 116), realisiert in dem Substrat, beweglich in der x,y-Ebene der Vorrichtung und fähig, einen Lichtstrahl in dieser selben Ebene abzulenken, wobei wenigstens eine der ersten Linsen eine zylindrische Linse ist und die Zylinder-Symmetrieachse senkrecht ist zu der x,y-Ebene der Vorrichtung,

- wenigstens einen Befestigungsarm (6, 8, 44, 46, 61, 68, 70, 76, 78, 81, 96), ebenfalls in dem Substrat realisiert, der die genannte erste Linse mit dem Substrat verbindet, wobei das Ende des mit dieser ersten Linse verbundenen Arms sich in der x,y-Ebene der Vorrichtung bewegen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit wenigstens einer zweiten Linse (38, 56, 58, 86, 112).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zweite Linse (38, 56, 58, 86, 112) in Bezug auf das Substrat feststehend ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zweite Linse (65, 75) in Bezug auf das Substrat beweglich ist und ebenfalls fähig ist, einen Lichtstrahl in der Ebene der Vorrichtung abzulenken, und durch wenigstens einen zweiten Befestigungsarm (62, 63, 82, 83) mit dem Substrat verbunden ist, wobei das Ende des mit einer zweiten Linse verbundenen zweiten Arms sich in der Ebene der Vorrichtung bewegen kann.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, N erste Linsen (64, 66) umfassend, Seite an Seite angeordnet in der y-Richtung der x,y-Ebene der Vorrichtung und beweglich in Bezug auf das Substrat.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 5, N' zweite Linsen (56, 58) umfassend, Seite an Seite in der x,y-Ebene der Vorrichtung entsprechend der y-Richtung dieser Ebene angeordnet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit N ersten Linsen (72, 74), beweglich in Bezug auf das Substrat und stapelartig angeordnet entsprechend der x- Achse der x,y-Ebene der Vorrichtung.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der ersten beweglichen Linsen eine Fresnel-Linse ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei wenigstens eine der ersten oder zweiten Linsen (116) eine Zerstreuungslinse ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zylindrische Linse einen Diopter darstellt, mit einem in einer zu der Zylindersymmetrieachse senkrechten Ebene kreisförmigen Querschnitt mit konischer oder quadratischer Gleichung.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Substrat der Vorrichtung Einrichtungen (10, 20, 21) umfasst, um einen Lichtstrahl in Richtung der, oder einer, ersten beweglichen Linse oder der, oder einer, zweiten Linse zu leiten.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Einrichtungen zum Leiten eines Lichtstrahls einen optischen Mikroleiter (10) umfassen, integriert in das Substrat, mit einem Austrittsende, das der, oder einer, ersten beweglichen Linse (4) oder der, oder einer, zweiten Linse gegenübersteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Einrichtungen zum Leiten eines Lichtstrahls eine am Substrat befestigte optische Faser (20) umfassen, die ein Austrittsende umfasst, das der, oder einer, ersten beweglichen Linse oder der, oder einer, zweiten Linse gegenübersteht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Laserdiode oder ein Mikrolaser (32) in dem Substrat so befestigt ist, dass der Laserstrahl in Richtung der, oder einer, ersten beweglichen Linse oder der, oder einer, zweiten Linse abgestrahlt wird.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der Befestigungsarm (96) zwei Enden (98, 100), die mit dem Substrat (102) der Vorrichtung verbunden sind, und einen Zwischenteil umfasst, mit dem wenigstens eine der beweglichen Linsen (99) verbunden ist, wobei dieser Zwischenteil eine ausreichende Nachgiebigkeit aufweist, um die Beweglichkeit der Linse in der Ebene der Vorrichtung zu ermöglichen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, die Einrichtungen (26-1, 26-2, 26-3, 26-4, 28-1, 28-2, 28-3, 28-4, 84) zum Steuern der Bewegungen des Befestigungsarms wenigstens einer der beweglichen Linsen umfasst.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Steuereinrichtungen vom elektrostatischen oder elektromagnetischen Typ sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Steuereinrichtungen einen elektrostatischen Kamm (84) umfassen.