NO20161086A1 - Modulerbar Fabry-Perot - Google Patents

Abstract

Fabry-Perot interferometer bestående av to plane speil-flater, hvorav minst en av speil-flatene er både delvis transmitterende og delvis reflekterende, hvor det finnes minst 2 aktuatorer eller sett av aktuatorer, hvor den første aktuatoren eller settet av aktuatorer benyttes for å justere bølgelengden, og hvor den andre aktuatoren eller settet av aktuatorer benyttes for å modulere bølgelengden med en gitt frekvens.

Description

Oppfinnelsen omhandler en ny type avstembart optisk filter, av type Fabry-Perot (FP). Den vanlige måten å anvende et elektronisk tunbart Fabry-Perot filter er å foreta et bølgelengde skann ved å endre avstanden mellom speilene i en tilnærmet konstant fart, og hvorpå en sampler den spektrale responsen og etterbehandler denne digitalt. For å redusere bidraget fra 1/f-støy, ønsker en å gjennomføre så mange skann per sekund som mulig. Som regel er skannefrekvensen begrenset av det bevegelige speilets masse, fjærstivhet og tilgjengelig kraft. La oss anta at vi kan skanne Fabry-Perot filtert/interferometeret med Ω=10 Hz på denne måten. Ideelt ønsker vi kanskje en deteksjonsfrekvens på 1000 Hz. Dette kan vi oppnå ved å addere en høyfrekvent sinus (eller et periodisk signal) modulasjon på f = 500 Hz, og så demodulere signalet på 2*f, og således detektere den 2.harmoniske, på samme måte som i harmonisk deteksjon i diode laser spektrometri. Skannebevegelsen til f er typisk mye mindre enn skannebevegelsen for Ω .

En Fabry-Perot som er laget med unimorf aktuatorer av piezo-elektrisk materiale på silisium kan typisk gjennomføre 10<10>fulle skann. Altså skann fra ytterkant til ytterkant. Dette tilsvarer 10 års bruk ved 30 Hz, eller et års bruk ved 300 Hz. Det vil derfor være fordelaktig å redusere antallet fulle skann, og heller oppnå den høye frekvensen ved hjelp av en overlagret sinus.

Bly zirconat titanat (PZT) er et piezo-elektrisk materiale som er godt egnet. En PZT FP som er laget med unimorf aktuatorer på silisium, vil typisk oppnå brudd eller delaminering eller kortslutning på grunn av gjentatte bøyinger med høyt stress, spesielt når aktuatorene er i maksimal utbøying. Vi foreslår derfor at selve skannet, eller bølgelengdejusteringen, utføres med den opprinnelige aktuatoren på frekvensen Ω ,�mens det lages en ny aktuator A med lavere stress hvor modulasjonsfrekvensen f benyttes. Dette vil føre til mye mindre stress, da den nye aktuatoren er nærmere nullpunktet sitt, og amplituden på modulasjonsfrekvens f er mye mindre enn det totale bølgelengdeskannet. Dette vi øke levetiden dramatisk. En kan videre lage aktuator A med tynnere PZT, hvilket gir mindre stress, men også mindre mekanisk utslag. Eller en kan lage aktuator A av PZT med lavere stress. Disse har typisk bedre levetid, men mindre mekanisk utslag. Dette kan for eksempel oppnås ved å modifisere strukturen på området for aktuator A, f.eks ved å modifisere bunnelektroden, etse PZT litt for å endre grostrukturen, eller varmebehandle det aktuell området på en bestemt måte.

Et annet alternativ er å lage aktuator A med elektrostatisk modulasjon. Elektrostatisk modulasjon har typisk kort slaglengde, og er ikke godt egnet for skann over et større bølgelengdeområde, men på den annen side tåler den svært mange sykler. Altså Ω�med en PZT aktuator og f med en elektrostatisk aktuator. Den elektrostatiske aktuatoren kan være av type plate eller finger/kam eller vertikal kam.

Aktuatoren kan også være elektromagnetisk, hvor for eksempel en magnet festes til den bevegelige delen av Fabry-Perot’en, og hvor den høyfrekvente skanningen utføres ved å påtrykke et magnetfelt, slik som i en høyttaler eller i en elektromotor. Eller en kan montere eller integrere en elektrisk leder, vanligvis en spole, på den bevegelig Fabry-Perot delen, og benytte en ekstern magnet til å sette opp et felt, slik at det er mulig å skanne filteret raskt.

Aktuatoren kan også være termisk, og hvor f.eks en PZT aktuator benyttes til den raske modulasjonen. Aktuatorene kan også være laget som PZT bimorf. PZT er bare en av mange piezoelektriske materialer som egner seg i aktuatorer, og i tillegg finnes det mange elektrostriktive materialer som kan egne seg.

Videre er det et poeng å unngå squeeze-film effekt, eller demping av modulasjonen ved høy frekvens. Squeece-film effekt skyldes at luft må transporteres bort i den smale kanalen mellom to overflater. Speil som er laget av fotonisk krystall membraner har store gjennomgående hull i seg, og disse kan funger som avlastingskanaler for å redusere squeeze-film effekten. Et annet alternativ for å unngå demping av modulasjon er å pakke sensoren i vakuum.

Andre typer speil som er egnet er vanlig multilags speil (interferensfilter/speil), metalliske speil, kombinasjon av metalliske speil og multilags speil, speil basert på fotoniske krystaller eller speil basert på overflateplasmoner. Speil basert på overflateplasmoner kan for eksempel lages ved hjelp av mønstret metall på et optisk transmitterende substrat.

Ved elektrostatisk modulasjon kan det være en fordel å anvende endestopp, slik at en unngår at overflatene blir sittende fast i hverandre. Typisk vil en slik endestopp bestå av flere mindre ikkeledende avstandsstykker f.eks i silisisumdioksyd. Størrelsen på hvert avstandsstykke bør være så liten som mulig for å unngå at overflatene blir sittende fast i hverandre, såkalt stiksjon.

Måling av avstanden mellom speilene i Fabry-Perot interferometeret kan gjøres med en rekke forskjellige teknikker, for eksempel sensorer basert på kapasitiv måling, optisk triangulering, optisk nærfelt, interferometriske målinger, piezoelektriske måleprinsipper, magnetiske og induktive målinger, og mange er godt egnet til å integreres i silisium.

En Fabry-Perot som kan moduleres er spesielt godt egnet til bruk i fotoakustiske anvendelser. Ofte benyttes en amplitudemodulator (chopper) til å modulere lyset inn i den fotoakustiske cella. Dette medfører ofte at noe av lyset absorberes på vegger og vinduer i den fotoakustiske cella, noe som medfører at det genereres et fotoakustisk signal. Dette fotoakustiske signalet fra vegger og vinduer gir dermed en kraftig offset (baseline) , og gjør det vanskelig å måle de små signalene som kommer fra det vi ønsker å måle, f.eks. konsentrasjonen av en gass. Dersom det benyttes en bredbåndet optisk kilde som har lik eller tilnærmet lik effekt over det aktuelle bølgelengdeområdet, vil modulasjon av bølgelengden ikke medføre at den optiske effekten moduleres. Bølgelengdemodulasjonen medfører ikke et offsettsignal generert fra vinduer og vegger, og det blir enklere å måle lavere signaler, og det blir også enklere å lage sensorer med lite drift (langtidsstabilt nullpunkt).

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer i detalj nedenfor, med referanse til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler. Hvor

Figur 1 illustrerer tverrsnittet av en mulig måte å lage et Fabry-Perot interferometer.

Figur 2 illustrerer tverrsnittet av en utførelse av oppfinnelsen.

Figur 3 illustrerer tverrsnittet av en annen utførelse av oppfinnelsen.

Figur 4 illustrerer tverrsnittet av en tredje utførelse av oppfinnelsen.

Figur 5 illustrerer tverrsnittet av en fjerde utførelse av oppfinnelsen.

Figur 6 illustrerer tverrsnittet av en femte utførelse av oppfinnelsen.

Figur 7 illustrerer tverrsnittet av en sjette utførelse av oppfinnelsen.

Figur 8 illustrerer tverrsnittet av en sjuende utførelse av oppfinnelsen.

Figur 9 illustrerer en mulig utførelse av aktuatorer.

Figur 10 illustrerer en annen mulig utførelse av aktuatorer.

Figur 11 illustrer en mulig plassering av elektroder for kapasitiv avstandsmåling.

Figur 12 illustrerer en tredje mulig utførelse av aktuatorer.

Figur 13 illustrerer en fjerde mulig utførelse av aktuatorer.

Figur 14 illustrerer en femte mulig utførelse av aktuatorer.

Figur 15 illustrerer en sjette mulig utførelse av aktuatorer.

Figur 16 illustrerer en sjuende mulig utførelse av aktuatorer.

Figur 1 viser en mulig måte å lage en Fabry-Perot hvor bølgelengden kan tunes elektrisk. Den mekaniske bevegelsen skapes ved hjelp av piezo-elektrisk aktuator. Den piezo-elektriske aktuatoren 3 av f.eks PZT monteres på f.eks en silisiumskive. Monteringen kan for eksempel skje ved hjelp av CSD (Chemical Solgel Deposition), PLD (Pulsed Laser Deposition) eller sputtering. Til sammen danner et lag med PZT oppå et lag med silisum en unimorf. Når vi setter positiv spenning over PZT-laget, trekker det seg sammen, mens silisiumet ikke gjør det. Siden de to materialene sitter sammen, medfører sammentrekningen av PZTen at unimorfen bøyer seg, og ved å endre den elektriske spenningen tilført den piezo-elektriske aktuatoren, kan en flytte et optisk transmitterende element 4 opp eller ned. Dersom det optiske elementet er plant og har et delvis reflektivt og delvis transmitterende belegg på 1 på overflaten, og dersom dette monteres sammen med en annen plan optisk transmitterende overflate som er belagt med et delvis reflektivt og delvis transmitterende belegg på 2 på overflaten, og hvis de to plane overflatene i tillegg er parallelle, vil disse overflatene 1 og 2 utgjøre et Fabry-Perot interferometer. Ved å justere avstanden mellom de to overflatene kan en kontrollere hvilken eller hvilke bølgelengder 100 som transmitteres.

Fabry-Perot interferometeret i Figur 1 kan for eksempel lages i silisium. En benytter da typisk to silisiumskiver. På den nederste silisiumskiven i Figur 1 vil en som regel ha et speilbelegg 2 inn mot luft-gapet i Fabry-Perot interferometeret, og ofte vil en legge elektroder 9 og 10 (Figur 2) på samme overflate, for å effektivt kunne måle avstanden på luftgapet mellom speilflatene 1 og 2. På den siden av silisiumskiven som vender bort fra luftgapet vil en ofte ha et antirefleksjonsbelegg. Av Figur 1 kan vi se at den øverste silisiumskiven som regel vil ha et speilbelegg 1 inn mot luftgapet i Fabry-Perot interferometeret, og vi ser også at den øverste silsiumskiven er todelt, en såkalt SOI-skive (silicon-on-insolator) med et tykt substratlag nederst og et tynt komponentlag (device) øverst. Det tynne komponentlaget til sammen med den piezoelektriske laget utgjør unimorf aktuatoren. Det optiske elementet 4 og unimorf aktuatoren mikro-maskineres som regel med tørretsing (DRIE) slik at de blir bevegelige.Til sist monteres de to skivene sammen, ofte med et avstandsstykke mellom.

For at et Fabry-Perot interferometer skal fungere som et spektrometer, er det nødvendig at de to speilbelagte overflatene er parallelle. For å sørge for at overflatene er parallelle, kan en benytte flere aktuatorer for å styre parallelliteten. Figur 2 viser hvordan en kan benytte aktuator 5 og 8 til å styre både avstand mellom speilene og parallelliteten. Parallelliteten og avstanden kan måles ved hjelp av kapasitive sensorer, her markert med elektrode 9 og 10. Det øvre elementet kan f.eks være jordet, og det er da mulig å lese av avstanden fra elektrode 9 og 10 til det øvre elementet ved å måle kapasitansen. Aktuator 5 og 8 benyttes altså til å bestemme avstanden mellom speilene og derved bølgelengden som transmitteres gjennom Fabry-Perot interferometeret. Aktuator 6 og 7 kan så benyttes til å tilføre en modulasjon av bølgelengden. Denne modulasjonen kan for eksempel være en sinusmodulasjon med en frekvens f, og frekvensen kan være mellom 10 Hz og 100 kHz, men typisk vil frekvensen være mellom 10 og 1000 Hz. Modulasjonen vil medføre at bølgelengden endres med modulasjonsfrekvensen, og ofte benyttes det som kalles harmonisk deteksjon, hvor signalet demoduleres på frekvensen f, 2f, 3f , 4f eller et høyere multippel av frekvensen. Fordelen med harmonisk deteksjon er at amplitudeinformasjon fra kilde og annet reduseres, slik at signalet er robust mot endringer i kildestyrke og annet. Amplitude på bølgelengdemodulasjonen og hvilket multippel av frekvensen f (og fase) som benyttes til demodulasjon vil typisk være avhengig av bredde på den spektrale egenskapen en ønsker å måle, samt egenskapene til eventuelle interfererende komponenter. Modulasjonsamplituden kan være en sinus, men andre amplitudeformer som f,eks trekant, firkant og en rekke andre modulasjonsamplituder har vært testet ut innen blant annet diodelaserspektrometri.

I eksemplet ovenfor ble aktuator 5 og 8 benyttet til å justere bølgelengden, og aktuator 6 og 7 ble benyttet til modulasjon av bølgelengde. Dette kunne opplagt vært gjort motsatt, slik at aktuator 6 og 7 kan benyttes til å justere bølgelengden, og aktuator 5 og 8 kan benyttes til modulasjon av bølgelengden.

I enkelte tilfeller kan det være fordelaktig å anvende aktuatorene slik at speilet tilter, og at bredden og amplituden på det transmitterte spekteret endres.

I noen utførelser kan et sett av aktuatorer, f.eks 5 og 8, benyttes til å justere bølgelengden, og denne bølgelengdejusteringen kan for eksempel utføres med en rampe som gjentas med en frekvens F. Frekvensen F vil typisk være mye mindre en frekvensen f. I praksis vil en ofte anvende en rampe med frekvens F på mellom 0.01 og 10 Hz.

I andre utførelser, vil det være fordelaktig å justere bølgelengden i hopp. En vil da typisk finne et antall bølgelengder som er egnet for den gitte anvendelsen, og så justere inn bølgelengden for den første målingen med et første sett av aktuatorer og holde denne bølgelengden for en gitt tid, samtidig som en benytter et annet sett av aktuatorer til å modulere med en frekvens f, og demodulerer det målte signalet for det aktuelle tidsrommet. Dersom modulasjonen er symmetrisk rundt den inn-justerte bølgelengden, vil den gjennomsnittlige avstanden mellom speilene ikke endre seg, og dersom en midler den målte avstanden over tilstrekkelig lang tid, vil den målte middelverdien ikke være vesentlig påvirket av modulasjonen. En kan da benytte elektrodene 9 og 10 til å måle avstanden opp til det øvre speilet i Figur 2. Dersom en velger å ikke modulere symmetrisk rundt den inn-justerte bølgelengden, men tilfører modulasjonen en dc-komponent som tilsvarer halve modulasjonsamplituden, vil en kunne måle at modulasjonsamplituden er riktig. Dette vi typisk være relevant ved bruk av piezoelektriske aktuatorer som f.eks PZT, hvor materialet har en sterk hysterese, og hvor reelt amplitudeutslag som funksjon av påtrykt spenning ofte avhenger av tidligere påtrykk.

Figur 3 viser at speil-flatene 11 og 12 kan lages på samme måte eller forskjellig måte. Speilflatene 11 og 12 kan lages som Fotonisk Krystall Membraner. I enkelte utførelser vil det være et poeng å unngå squeeze-film effekt, eller demping av modulasjonen ved høy frekvens. Fotonisk krystall Membraner som anvendes som speil har store gjennomgående hull i seg, og disse kan funger som avlastingskanaler for squeeze film effekten. Andre typer speil som er egnet er vanlig multilags speil (interferensfilter/speil), metalliske speil, speil basert på fotoniske krystaller og speil basert på overflateplasmoner, eller speil basert på kombinasjoner av speiltypene ovenfor. Figur 3 viser også hvordan det i enkelte tilfeller vil være fordelaktig å fjerne substratet slik at en kun står igjen med en membran 11.

Figur 4 viser en utførelse hvor det anvendes et sett med aktuatorer på den øverste flaten til å justere avstand og bølgelengde, mens det anvendes et sett elektroder 13 og 14 som kan anvendes som både modulasjons-aktuatorer og posisjons-sensorer.

Figur 5 viser en utførelse hvor et første sett av aktuatorer 15 og 16 anvendes til å justere bølgelengden, og hvor et andre sett aktuatorer 17 og 18 benyttes til modulasjon. Eller første og andre sett kan bytte funksjonalitet. I utførelsen i Figur 5 er aktuatorsettene plassert på hver sin side av Fabry-Perot gapet. De to bevegelige delene er utformet med forskjellig bredde, men de kan med fordel lages med samme masse og fjærkonstant (eller resonansfrekvens), slik at eksterne påvirkninger påvirker begge deler tilnærmet like mye.

Figur 6 viser en utførelse hvor et første sett av aktuatorer 15 og 16 anvendes til å justere bølgelengden, og hvor det er plassert et sett elektroder 19 og 20 og et sett elektroder 21 og 22 som kan anvendes til å modulere bølgelengden. I tillegg finnes det to elektroder under senterelementet som benyttes til å måle avstand/bølgelengde. Ved å sette på en spenning over elektrode 19 og 20 kan en få Fabry-Perot gapet til å skrå-stilles, og ved å påtrykke spenning over elektrode 21 og 22 samtidig som over elektrode 19 og 20, kan en få Fabry-Perot gapet til å trekke seg sammen. Ved å påtrykke en firkantspenning kan en få til en binær modulasjon hvor bølgelengden endres mellom to posisjoner, hvilket er godt egner for derivativ spektroskopi. En vil da ofte foretrekke å dra elektrodene nesten helt sammen, bare separert av et kort avstandsstykke. En kan også modulere avstanden mellom elektrodene med andre kurveformer, f.eks sinus, men en må gjøre nødvendige tiltak for å unngå pull-in, at elektrodene trekkes helt sammen.

Figur 7 viser en annen utførelse av samme prinsipp som er beskrevet i Figur 6, men hvor alle bevegelige deler er på samme siden.

Figur 8 viser en forenklet utgave av utførelsen i Figur 6 og 7, hvor antallet bevegelige deler/områder er redusert. Et første sett med aktuatorer 15 og 16 benyttes til å justere bølgelengden, mens et sett med elektroder 19, 20, 21 og 22 benyttes til å modulere bølgelengden. I tillegg benyttes det et ekstra sett elektroder 23 og 24 til å måle avstanden i luftgapet i Fabry-Perot interferometeret. Fordelen med denne utgaven er at det er færre bevegelige deler, men ulempen er at utslaget til den mekaniske bevegelsen gitt av den elektrostatiske modulasjonen vil endre seg som funksjon av bølgelengden. I noen anvendelser vil dette kunne være en fordel, men som regel er dette en ulempe.

Figur 9 og 10 viser en utførelse hvor det benyttes et sett av aktuatorer 28, 29 og 30 til å justere bølgelengden. Aktuatorene kan f.eks. være en unimorf av PZT og silisium. Her benyttes det tre aktuatorer for å kunne justere både høyde og parallellitet.

Figur 11 viser hvordan elektrodene på bunnskiva er montert. Det benyttes 3 elektroder for å kunne måle både høyde og parallellitet. Elektrodene er montert slik at de kommer i nærheten av det bevegelige optiske elementet 4. Elektrodene 25, 26, og 27 kan monteres slik at de er rotert i forhold til aktuatorene i Figur 9, slik som vist i Figur 11, eller de kan monteres med samme orientering som aktuatorene. Hva som er optimalt vil henge sammen med styrings og reguleringsalgoritmen som anvendes. I Figur 9 benyttes et sett med aktuatorer 31, 32 og 33 til å modulere bølgelengden. I Figur 10 benyttes det kun en aktuator ring 34 til modulasjon. Siden modulasjonen som regel er veldig liten i forhold til den totale justeringslengden for Fabry-Perot interferometeret, vil det være mulig å oppnå rimelig god modulasjon med bare en ringaktuator. Siden PZT materialet, stress og tykkelser ofte varier, har det vist seg nødvendig å benytte flere aktuatorer dersom en skal justere bølgelengden over et større område. I utførelsen i Figur 9 kan en enkelt bytte mellom hvilket sett med aktuatorer som skal brukes til modulasjon eller bølgelengdejustering. I utførelsen i Figur 10 er det også mulig å bytte, men mindre hensiktsmessig.

I utførelsen i Figur 12 har vi tre spiralformede armer med aktuatorer 35, 36 og 37. Disse spiralformed armene kan med fordel lages i hele skivens tykkelse, eller de kan lages bare i det øverste laget (device-laget). Dersom aktuatoren er av unimorf type, bør aktuatoren ikke dekke hele armen, men bare fra ene innfestningspunktet og fram til omtrent midten. Det ene settet med aktuatorer 35, 36 og 37 kan med fordel benyttes til å justere bølgelengden, mens det andre settet med aktuatorer 38, 39 og 40 med fordel kan benyttes til bølgelengdemodulasjon, men det er fullt mulig å bytte funksjonalitet mellom de to settene med aktuatorer.

Figur 13 viser en utførelse hvor aktuatorene er plassert på tre bjelker. Bjelkene kan være like brede over alt eller smalne inn som på figuren. Et sett aktuatorer 44, 4546 kan benyttes til modulasjon, men et annet sett 41, 42, 43 kan benyttes til å justere bølgelengde, eller omvendt.

Figur 14 viser en utførelse hvor det er hvert sett av aktuatorer består av 4 elementer, men hvor membranen ikke er åpnet opp, mens Figur 15 viser tilsvarende komponent med 4 bjelker.

Fordelen med en løsning som i Figur 14 er at den er enklere å prosessere, men ulempen er at den kan gi mindre mekanisk utslag gitt samme aktuator og samme tykkelse av silisiumlaget i unimorfen. Figur 16 viser en utførelse med lange aktuator armer, og hvor aktuator 63, 64 , 65 og 66 er egnet til justering av bølgelengde, men hvor de korte aktuatorene 67, 68, 69 og 70 er egnet for modulasjon.

I samtlige utførelser er det mulig å bytte om på funksjonen av indre og ytre sett av aktuatorer. Det er også mulig å benytte forskjellig tykkelse på silisiumet i indre og ytre sett av aktuatorer, og det er mulig å endre tykkelsen på det piezo-elektriske materialet (hvis en benytter det) i indre og ytre sett av aktuatorer. Bruk av et tynnere piezo-elektrisk materiale vil være fordelaktig i de aktuatorene som benyttes til modulasjon, fordi piezolaget blir utsatt for mindre mekanisk stress ved utbøyningen. Modulasjonslengden blir også mindre, men fordelen med mindre mekanisk stress kan være større. Det er også mulig å modifisere stresset på det piezoelektriske materialt på aktuatorene for modulasjon. Dette kan for eksempel utføres ved å sørge for at materialet gror på en annen måte på det aktuelle området, og dette kan oppnås ved å modifisere startbetingelsene.

I figurene er det optiske elementet 4 i midten enten rundt eller firkantet, med elementet kan selvsagt ha hvilken som helst utforming som er hensiktsmessig. Utformingen av det optiske elementet vil i hovedsak være avhengig av kildens form og den øvrige optikk.

På figurer og i bekrivelsen har vi kun omtalt selve aktuatorene. Alle aktuatorer og elektroder har elektrisk tilkobling til omverden. Ved bruk av kapasitive sensorer til å måle avstander, vil det være fordelaktig å lage en ekstra avstand som er fiksert, altså en dummy kapasitans, slik at en kan kompensere for temperatur, trykk, fuktighet og annet som påvirker kapasitansen og målingen av avstand.