WO2018050346A1 - Fabry-pérot-interferometer-einheit, verfahren zum betreiben einer fabry-pérot-interferometer-einheit und verfahren zum herstellen einer fabry-pérot-interferometer-einheit - Google Patents

Fabry-pérot-interferometer-einheit, verfahren zum betreiben einer fabry-pérot-interferometer-einheit und verfahren zum herstellen einer fabry-pérot-interferometer-einheit Download PDF

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fabry
interferometer unit
light path
perot interferometer
filter element
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PCT/EP2017/069314
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Martin HUSNIK
Benedikt Stein
Christoph Schelling
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Definitions

  • the invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • the subject of the present invention is also a computer program.
  • a clearly assignable spectral information can be obtained for example by the integration of a long-pass edge filter or bandpass filter in the beam path.
  • a Fabry-Perot interferometer unit is presented with the following features: a first mirror element and a second mirror element, wherein the first mirror element and the second mirror element are arranged opposite one another or can be arranged to form an optical resonator with at least one first light path and one light path form the second light path, wherein the first light path is associated with a first measuring channel of the Fabry-Perot interferometer unit and the second light path is associated with a second measuring channel of the Fabry-Perot interferometer unit; and at least one plasmonic filter element disposed or disposable in the first light path and outside the second light path to filter a light beam guided along the first light path.
  • a Fabry-Perot interferometer unit may be understood to mean a unit for filtering light by means of an optical resonator.
  • the first mirror element and the second mirror element can each be a semipermeable mirror element, such as a Bragg mirror element.
  • the first mirror element and the second mirror element may be spaced apart from each other to form the optical resonator.
  • Under a plasmonic filter element can act as an optical filter
  • the plasmonic filter element can For example, as a positive or negative structure, in particular in the form of a metallic (hole) grid, be realized.
  • a realization of a Fabry-Perot interferometer unit with more than two light paths, for example three, four, five or any number of light paths is possible;
  • the two light paths mentioned here are specifically described to illustrate the general mode of action, which would need to be adjusted accordingly for use with multiple light paths.
  • the approach presented here is based on the finding that by placing a plasmonic additional filter in one of two light paths of a micromechanical Fabry-Perot interferometer, a spectral measuring range of the Fabry-Perot interferometer can be expanded at low cost.
  • a plasmonic additional filter in one of two light paths of a micromechanical Fabry-Perot interferometer, a spectral measuring range of the Fabry-Perot interferometer can be expanded at low cost.
  • the plasmonic filter element may be attached to the first mirror element or, additionally or alternatively, to the second mirror element
  • Mirror element can be arranged. This can simplify the manufacture of the Fabry-Perot interferometer unit.
  • the Fabry-Perot interferometer unit may comprise a carrier layer, a first layer having the first mirror element and a second layer having the second mirror element.
  • the carrier layer can be combined with the first layer and the second layer in such a way that the first mirror element is arranged on the carrier layer and the second mirror element is arranged at a distance from the first mirror element. This allows the Fabry-Perot interferometer unit to be made as compact as possible.
  • Carrier layer is arranged. As a result, the production of the Fabry-Perot interferometer unit can be further simplified.
  • the Fabry-Perot interferometer unit can also at least one
  • Electrode element for electrically contacting the Fabry-Perot Interferometer unit have.
  • the electrode element can be arranged on the first layer or, additionally or alternatively, on the second layer.
  • an electrode element can be understood, for example, a metal element in the form of a film. This allows a simple and robust electrical contacting of the Fabry-Perot interferometer unit.
  • Components of the Fabry-Perot interferometer unit can be reduced.
  • the Fabry-Perot interferometer unit may comprise a cap member for covering the optical resonator.
  • the optical resonator can be protected from environmental influences.
  • the plasmonic filter element may be disposed on the cap member. Further, the cap member may function as an additional optical filter.
  • the functionality of the Fabry-Perot interferometer unit can be extended.
  • the Fabry-Perot interferometer unit may according to another
  • Embodiment comprise at least one further plasmonic filter element.
  • the further plasmonic filter element and the plasmonic filter element may have different filter characteristics.
  • the further plasmonic filter element and the plasmonic filter element may have different filter characteristics.
  • Plasmonic filter element may be arranged in the first light path or, additionally or alternatively, in the second light path.
  • plasmonic filter element may define one or, by partial overlap with other filter elements, a plurality of further light paths having different spectral transmission behaviors.
  • Plasmonic filter elements can be attached to different layers / elements and thus partially overlap. For each light path defined in this way, a separate, separately readable measuring channel is advantageous
  • Detector side realized.
  • a spectral measuring range of the Fabry-Perot interferometer unit can be changed in a targeted manner.
  • the approach described herein also provides a method of operating a Fabry-Perot interferometer unit according to any one of the above
  • Embodiments the method comprising the steps of:
  • Detector signal represents a guided along the first light path light beam and the second detector signal represents a guided along the second light path light beam;
  • a first detector signal can be understood as a signal generated by a detector arranged in the first light path.
  • a second detector signal may be understood to be a signal generated by a detector arranged in the second light path.
  • the measurement signal in the step of generating, may be generated by taking a difference between the first detector signal and the second detector signal.
  • the approach presented here also provides a device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • the device may comprise at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the sensor Actuator and / or at least one
  • the arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit is a flash memory, an EPROM or a
  • the communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output to a corresponding data transmission line.
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which is stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical disk
  • Memory may be stored and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a Fabry-Perot interferometer unit according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 is a diagram showing a transmission of a Fabry-Perot interferometer unit of FIG. 1 as a function of a wavelength
  • 3 is a diagram showing a normalized transmission as a function of a wavelength
  • 4 shows a diagram for illustrating a transmission spectrum of a plasmonic filter element according to an embodiment as a function of a wavelength
  • FIG. 5 is a schematic representation of a plasmonic filter element according to an embodiment
  • Fig. 6 is a diagram showing a transmission spectrum of a plasmonic filter element of Fig. 5;
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a plasmonic filter element from FIG. 5 in a side view
  • FIG. 8 is a schematic representation of a Fabry-Perot interferometer unit according to an embodiment
  • FIG. 9 is a schematic representation of a Fabry-Perot interferometer unit according to an embodiment
  • FIG. 10 is a schematic representation of a Fabry-Perot interferometer unit according to an embodiment
  • FIG. 11 is a graph showing an absorbance of a plasmonic filter element of FIG. 10 as a function of wavelength
  • FIG. 12 is a schematic representation of a plasmonic filter element according to an embodiment
  • FIG. 13 is a schematic representation of a plasmonic filter element according to an embodiment
  • FIG. 14 shows a diagram for illustrating a transmission of a Fabry-Perot interferometer unit according to an exemplary embodiment as a function of a wavelength
  • FIG. 15 is a graph showing an extinction of a plasmonic filter element according to an embodiment as a function of a wavelength
  • FIG. 15 is a graph showing an extinction of a plasmonic filter element according to an embodiment as a function of a wavelength
  • 16 is a diagram showing a transmission of a Fabry-Perot interferometer unit according to an embodiment as a function of a wavelength
  • FIG. 17 shows a diagram for illustrating a transmission of a bandpass-implemented plasmonic filter element according to one exemplary embodiment
  • FIG. 18 is a diagram showing a transmission of a Fabry-Perot interferometer unit according to an embodiment as a function of a wavelength
  • Fig. 19 is a schematic representation of a device according to a
  • 21 is a flow chart of a method of manufacturing a Fabry-Perot interferometer unit according to an embodiment.
  • the Fabry-Perot interferometer unit 100 comprises a first mirror element 102 and a second mirror element 104 arranged at a distance from the first mirror element 102.
  • the two mirror elements 102, 104 form an optical resonator 106 for filtering light, also called a Fabry-Perot resonator.
  • the first light path 108 is located outside the second light path 110. A direction of light incidence is indicated by two arrows.
  • a plasmonic filter element 112 Arranged in the first light path 108 is a plasmonic filter element 112, in this case a plasmonic filter structure comprising a plurality of individual structural elements arranged next to one another.
  • Plasmonic filter element 112 is also outside the second
  • the plasmonic filter element 112 is configured to filter a light beam guided along the first light path 110.
  • the plasmonic filter element 112 is applied to a surface of the first mirror element 102 facing the second mirror element 104.
  • the Fabry-Perot interferometer unit 100 is referred to as a layer composite of a carrier layer 114, also called substrate, one of the first
  • Mirror member 104 having second layer 118 and a
  • Cap member 120 for covering the optical resonator 106 realized.
  • the first layer 116 and the second layer 118 are spaced from each other, wherein the first layer 116 rests flat on the support layer 114.
  • the second layer 118 is held by support elements 122 at a distance from the first layer 116.
  • further electrode elements 124 are integrated, which act as a control electrode.
  • At least one of the electrode elements 124 is realized as part of the plasmonic filter element 112.
  • a first detector 126 for detecting the light beams guided through the first light path 108 and a second detector 128 for detecting the light beams guided through the second light path 110 are arranged, wherein the first detector 126 is formed to provide a first detector signal 130 representing the light beams of the first light path 108, and the second detector 128 is configured to detect one of the light beams of the second light path 110 to provide representative second detector signal 132.
  • a device 150 connected to the two detectors 126, 128 is designed to generate a measurement signal 152 using the two detector signals 130, 132.
  • the plasmonic filter element 112 By means of the plasmonic filter element 112, according to the exemplary embodiment shown in FIG. 1, an extension of a wavelength range detectable by the Fabry-Perot interferometer unit 100 is made possible.
  • the separation of the orders of the modes is done for example by
  • the cap member 120 functions as a first long pass for filtering light incident on the second mirror element 104 in the optical resonator 106.
  • the cap element 120 and the carrier layer 114 are manufactured from one and the same substrate material or from different materials.
  • the Fabry-Perot interferometer unit 100 is operated with the two detectors 126, 128.
  • the plasmonic filter element 112 is located opposite the first detector 126. Opposite the second detector 128 there is no plasmonic filter element.
  • a Fabry-Perot fundamental mode becomes the
  • a longpass hides Fabry-Perot second or higher order modes.
  • the longpass is realized, for example, by the substrate or alternatively by the plasmonic filter element 112. 2 shows a diagram 200 for representing a transmission of a Fabry
  • Perot interferometer unit of FIG. 1 as a function of a wavelength. Shown is a first curve 202 representing the long pass realized, for example, by the substrate, a second curve 204 representing an effective second long pass through the plasmonic filter element, such as plasmonic antennas, a Fabry-Perot fundamental mode 206 whose
  • Shift during actuation of the interferometer is indicated by an arrow, and higher Fabry-Perot modes 208.
  • Wavelength range 210 becomes the first detector to capture the spectrum used.
  • the plasmonic absorbers provide for hiding the first mode of higher order. From the short-wave end of the first
  • Wavelength range 212 becomes the second detector for receiving the
  • Spectrometer be extended to the areas 210, 212.
  • the Fabry-Perot interferometer unit 100 is implemented as a micromechanical interferometer component and comprises at least one substrate 114, two mirror elements 102, 104 spaced apart from each other by a gap, and flexible suspensions as support elements 122, via which at least one the mirror elements 102, 104 is suspended on the substrate.
  • At least one is plasmonic
  • Filter element 112 integrated at least in a partial region of a beam path of the Fabry-Perot interferometer unit 100.
  • the plasmonic filter element 112 is integrated either at least in one of the mirror elements 102, 104, at least over a partial area or in the cap element 120 or on the rear side of the substrate 114.
  • the plasmonic filter element 112 is integrated in, on or under one of the mirror elements 102, 104.
  • the plasmonic filter element 112 itself acts as a mirror.
  • mirror elements 102, 104 may have several different dimensions
  • Filter characteristics such as by different grating periods, realized, for example, in different areas or overlapping filtering.
  • the plasmonic filter element 112 is made of a metal or a combination of a metal and a dielectric such as Ag, Au, Cu or Pt.
  • the arrangement is distributed one or two-dimensional periodically or quasi-periodically or randomly.
  • the plasmonic gratings have a period which is in a fractional ratio with the gap distance of the mirror elements.
  • the quasi-periodic arrangement is for example, realized as a one-dimensional Fibonacci arrangement or two-dimensional as Penrose, Fibonacci, Pinwheel or kite domino arrangement.
  • the plasmonic filter element 112 has, for example, a positive structure in the form of a metal disk, a metal cylinder or an antenna, a
  • Rectangular antenna, square antenna or split-ring resonator formed.
  • the individual structural elements are formed as a 3D structure.
  • the filter characteristic of the plasmonic filter element 112 is adjustable, for example, by the choice of material, the resonance by periodicity or quasi-periodicity of the arrangement or by the resonance of the
  • the metallization of the perforated grid simultaneously serves as an electrode for a capacitive element, for example for distance measurement or actuation.
  • the Fabry-Perot interferometer unit 100 is produced by depositing metal or dielectric in a semiconductor process and subsequent subtractive structuring, for example by nanoimprint, optical lithography or interference lithography, or, in the case of randomly distributed elements and positive structures such as antennas, by chemically synthesizing the plasmonic filter element 112 and then spin-coating the filter structures, optionally in a
  • FIG. 3 shows a diagram 300 for representing a normalized transmission as a function of a wavelength.
  • the maximum transmission-gap distance resonance condition becomes equal to the integer multiple of half Wavelength - in addition to the fundamental wavelength still met by higher orders. This leads to the fact that the spectrally usable range of a Fabry-Perot interferometer is limited to short wavelengths in each case by the next higher mode or that the signals of the various
  • plasmonic filters allow the implementation of optical functionality in a single metal layer.
  • spectral optical filters can be implemented in different ways
  • square metallic perforated lattice filters have transmission maxima for those wavelengths ⁇ that are each slightly red-shifted by Fano interference
  • FIG. 1 An example of such a structure and a corresponding spectrum for a hexagonal perforated grid are shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a diagram 400 for representing a transmission spectrum of a plasmonic filter element 112 according to an embodiment as a function of a wavelength.
  • the plasmonic filter element 112 is designed here as a perforated grid. By suitable choice of a hole size, long-wave modes can also be masked out by means of the plasmonic filter element 112.
  • the plasmonic filter element 112 has periodic corrugations around openings in a metal film for resonant transmission. These structures may similarly be used as filters as shown in Figs. 5-7.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a plasmonic filter element 112 according to an exemplary embodiment.
  • the plasmonic filter element 112 has, in contrast to a plasmonic filter element described above with reference to FIGS. 1 to 4, a central opening 500 that is of a periodic corrugation, here in the form of a concentric
  • Groove structure 502 is surrounded.
  • FIG. 6 shows a diagram 600 for representing a transmission spectrum of a plasmonic filter element from FIG. 5.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a plasmonic filter element 112 from FIG. 5 in a side view.
  • the plasmonic filter element 112 is designed as a plasmonic antenna. This can be done by suitable choice of different antenna geometries with different
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a Fabry-Perot interferometer unit 100 according to one exemplary embodiment.
  • the Fabry-Perot interferometer unit 100 essentially corresponds to the Fabry-Perot interferometer unit described with reference to FIG.
  • the carrier layer 114 is realized in the region of the first mirror element 102 with a cavern 802, the plasmonic filter element 112 facing the cavern 802.
  • the plasmonic filter on both mirror elements 102, 104.
  • the plasmonic filter comprises the plasmonic filter element 112 and another
  • the two filter elements 112, 804 have different filter characteristics. For example, this is more plasmonic
  • Filter element 804 as a plasmonic filter structure having a first period and the plasmonic filter element 112 realized as a plasmonic filter structure having a second period.
  • the two filter elements 112, 804 are each placed on an outer side of the mirror elements 102, 104.
  • the Fabry-Perot interferometer unit 100 has no cap element.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a Fabry-Perot interferometer unit 100 according to one exemplary embodiment.
  • the optical resonator 106 similar to FIG. 1, is covered with the cap element 120, here with a cap chip.
  • the plasmonic filter element 112 is arranged according to this embodiment on a side facing away from the optical resonator 106 outside of the cap member 120 relative to the second mirror element 104.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a Fabry-Perot interferometer unit 100 according to one exemplary embodiment.
  • the Fabry-Perot interferometer unit 100 essentially corresponds to the preceding one with reference to FIG. 9 described Fabry-Perot interferometer unit 100, with the difference that the carrier layer 114 is realized according to this embodiment without cavern.
  • the plasmonic filter element 112 is realized according to this embodiment as a second long pass, wherein the cap member 120 represents a given first long pass.
  • FIG. 11 shows a diagram 1100 representing an extinction of a plasmonic filter element from FIG. 10, in this case a plasmonic antenna, as a function of a wavelength. Shown are a first antenna extinction 1102 for a first wavelength, a second antenna extinction 1104 for a second wavelength and an effective total extinction 1106 of the antennas.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a plasmonic filter element 112 according to an exemplary embodiment, for example a plasmonic filter element described above with reference to FIGS. 1 to 11.
  • Plasmonic filter element 112 is realized according to this embodiment with a plurality of rod antennas 1200, which are arranged in a regular geometric pattern to each other.
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a plasmonic filter element 112 according to an exemplary embodiment.
  • the rod antennas 1200 are distributed randomly here.
  • the rod antennas 1200 have, for example, a length between 300 nm and 1400 nm, a width of 100 nm and a height of 30 nm.
  • FIG. 14 shows a diagram 1400 for illustrating a transmission of a Fabry-Perot interferometer unit according to an exemplary embodiment as a function of a wavelength. Shown are the curve 202 representing the first long pass realized by the substrate or cap member, the second curve 204 being an effective second filter through the plasmonic
  • FIG. 15 shows a diagram 1500 for representing an extinction of a plasmonic filter element according to an embodiment as a function of a wavelength. Shown are the antenna extinctions 1102, 1104, 1502 for different wavelengths as well as the effective total extinction 1106.
  • FIG. 16 shows a diagram 1600 for illustrating a transmission of a Fabry-Perot interferometer unit according to an exemplary embodiment as a function of a wavelength. Shown is a curve 1602, one through the
  • the diagrams 1500, 1600 correspond to the realization of a fully plasmonic long-pass for a given long-pass, for example through the substrate. Analogous to the previous embodiment, with sufficient number of suitable antennas, the long-pass can also be completely by plasmonic
  • a first long pass can then be omitted.
  • the plasmonic filter element is realized as a plasmonic bandpass for the selection of a mode.
  • FIG. 17 shows a diagram 1700 for illustrating a transmission of a
  • the plasmonic filter element is realized approximately as a hole array.
  • 18 shows a diagram 1800 for illustrating a transmission of a Fabry
  • Perot interferometer unit in dependence on a wavelength.
  • the fundamental mode 206 the higher modes 208
  • a desired Fabry-Perot mode 1802 is shown. Higher modes have smaller half-widths than the fundamental mode. Thus, higher resolutions of a Fabry-Perot spectrometer can be achieved with higher modes.
  • a band pass should be realized which filters out both higher modes and lower modes (here the fundamental mode).
  • Embodiments are filtered by a long-pass, such as optical antennas of different lengths.
  • the period of the longest wavelength mode of the perforated grating [for a square array, the (1,0) - or (0,1) - mode] is tuned to coincide with the desired Fabry-Perot mode.
  • the long wavelength mode of the grating is slightly longer wavelength than the grating period for square gratings in gold under normal light conditions (eg, 436 nm, 538 nm, and 627 nm at 300 nm, 450 nm, and 550 nm grating periods).
  • FIG. 19 shows a schematic representation of a device 150 according to an exemplary embodiment, for example a device described above with reference to FIG. 1.
  • the device 150 comprises a read-in unit 1910 for reading in the two detector signals 130, 132.
  • a generation unit 1920 is designed to receive the detector signals 130, 132 from the read-in unit 1010 and process them to generate the measurement signal 152 in a suitable manner.
  • FIG. 20 shows a flowchart of a method 2000 for operating a Fabry-Perot interferometer unit according to one exemplary embodiment.
  • FIG. 21 shows a flow chart of a method 2100 for producing a Fabry-Perot interferometer unit according to one exemplary embodiment.
  • the method 2100 comprises a step 2110 in which a first mirror element is arranged opposite a second mirror element in order to connect an optical resonator with a first light path associated with a first measurement channel of the Fabry-Perot interferometer unit and with a second measurement channel of the Fabry Perot device. Interferometer unit to form associated second light path.
  • at least one plasmonic filter element is introduced into the first light path in such a way that the plasmonic filter element is arranged outside the second light path.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fabry-Pérot-Interferometer-Einheit (100) mit einem ersten Spiegelelement (102), einem zweiten Spiegelelement (104) und zumindest einem plasmonischen Filterelement (112). Das erste Spiegelelement (102) und das zweite Spiegelelement (104) sind einander gegenüberliegend angeordnet oder anordenbar,um einen optischen Resonator (106) mit zumindest einem ersten Lichtpfad (108) und einem zweiten Lichtpfad (110) zu bilden, wobei der erste Lichtpfad (108) einem ersten Messkanal der Fabry-Pérot-Interferometer-Einheit (100) zugeordnet ist und der zweite Lichtpfad (110) einem zweiten Messkanal der Fabry-Pérot-Interferometer- Einheit (100) zugeordnet ist. Das plasmonische Filterelement (112) ist in dem ersten Lichtpfad (108) und außerhalb des zweiten Lichtpfads (110) angeordnet oder anordenbar, um einen entlang des ersten Lichtpfads (108) geführten Lichtstrahl zu filtern.

Description

Beschreibung
Titel
Fabry-Perot-Interferometer-Einheit, Verfahren zum Betreiben einer Fabry-Perot- Interferometer-Einheit und Verfahren zum Herstellen einer Fabry-Perot- Interferometer-Einheit
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Herkömmliche mikromechanische Fabry-Perot-Interferometer sind in ihrem Funktionsbereich durch das Auftreten niedriger oder höherer Ordnungen in ihrem Betriebsbereich prinzipbedingt begrenzt.
Für einen Betrieb als Spektrometer sollten dementsprechend unerwünschte Moden außerhalb eines Zielwellenlängenbereichs herausgefiltert werden. Eine eindeutig zuordenbare Spektralinformation kann etwa durch die Integration eines Langpass- Kantenfilters oder Bandpassfilters in den Strahlengang gewonnen werden.
Für analytische Fragestellungen ist ein Betrieb über einen möglichst großen Wellenlängenbereich wünschenswert. Durch Einsatz geeigneter weiterer Filter können dazu selektiv einzelne Ordnungen herausgefiltert werden. Üblicherweise werden für solche Filtervorgänge beispielsweise klassische optische Filter als separate optische Elemente verwendet. Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Fabry- Perot-Interferometer-Einheit, ein Verfahren zum Betreiben einer Fabry-Perot- Interferometer-Einheit, ein Verfahren zum Herstellen einer Fabry-Perot- Interferometer-Einheit, weiterhin eine Vorrichtung, die zumindest eines dieser Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird eine Fabry-Perot-Interferometer-Einheit mit den folgenden Merkmalen vorgestellt: einem ersten Spiegelelement und einem zweiten Spiegelelement, wobei das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement einander gegenüberliegend angeordnet oder anordenbar sind, um einen optischen Resonator mit zumindest einem ersten Lichtpfad und einem zweiten Lichtpfad zu bilden, wobei der erste Lichtpfad einem ersten Messkanal der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit zugeordnet ist und der zweite Lichtpfad einem zweiten Messkanal der Fabry- Perot-Interferometer-Einheit zugeordnet ist; und zumindest einem plasmonischen Filterelement, das in dem ersten Lichtpfad und außerhalb des zweiten Lichtpfads angeordnet oder anordenbar ist, um einen entlang des ersten Lichtpfads geführten Lichtstrahl zu filtern.
Unter einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit kann eine Einheit zum Filtern von Licht mittels eines optischen Resonators verstanden werden. Bei dem ersten Spiegelelement und dem zweiten Spiegelelement kann es sich je um ein halbdurchlässiges Spiegelelement, etwa ein Bragg-Spiegelelement, handeln. Das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement können beabstandet zueinander angeordnet sein, um den optischen Resonator zu bilden. Unter einem plasmonischen Filterelement kann eine als optischer Filter fungierende
Nanostruktur verstanden werden. Das plasmonische Filterelement kann beispielsweise als Positiv- oder Negativstruktur, insbesondere in Form eines metallischen (Loch-) Gitters, realisiert sein. Prinzipiell ist auch eine Realisierung einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit mit mehr als zwei Lichtpfaden, beispielsweise drei, vier, fünf oder beliebig vielen Lichtpfaden möglich; die hier genannten zwei Lichtpfade werden speziell zur Darstellung des allgemeinen Wirkprinzips beschrieben, welches für die Verwendung mit mehreren Lichtpfaden entsprechend angepasst werden müsste.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass durch Platzierung eines plasmonischem Zusatzfilters in einen von zwei Lichtpfaden eines mikromechanischen Fabry-Perot-Interferometers ein spektraler Messbereich des Fabry-Perot-Interferometers mit geringem Kostenaufwand erweitert werden kann. Vorteilhafterweise können durch die Verwendung des plasmonischen
Zusatzfilters weitere Filter zum Herausfiltern unerwünschter Ordnungen entfallen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das plasmonische Filterelement an dem ersten Spiegelelement oder, zusätzlich oder alternativ, an dem zweiten
Spiegelelement angeordnet sein. Dadurch kann die Herstellung der Fabry-Perot- Interferometer-Einheit vereinfacht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Fabry-Perot-Interferometer- Einheit eine Trägerlage, eine das erste Spiegelelement aufweisende erste Lage und eine das zweite Spiegelelement aufweisende zweite Lage umfassen. Hierbei kann die Trägerlage mit der ersten Lage und der zweiten Lage derart zu einem Lagenverbund kombiniert sein, dass das erste Spiegelelement an der Trägerlage angeordnet ist und das zweite Spiegelelement beabstandet zu dem ersten Spiegelelement angeordnet ist. Dadurch kann die Fabry-Perot-Interferometer- Einheit möglichst kompakt ausgeführt werden.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn das plasmonische Filterelement an der
Trägerlage angeordnet ist. Dadurch kann die Herstellung der Fabry-Perot- Interferometer-Einheit weiter vereinfacht werden.
Die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit kann zudem zumindest ein
Elektrodenelement zum elektrischen Kontaktieren der Fabry-Perot- Interferometer-Einheit aufweisen. Das Elektrodenelement kann an der ersten Lage oder, zusätzlich oder alternativ, an der zweiten Lage angeordnet sein. Unter einem Elektrodenelement kann beispielsweise ein Metallelement in Form eines Films verstanden werden. Dadurch wird eine einfache und robuste elektrische Kontaktierung der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Elektrodenelement als Teil des
plasmonischen Filterelements realisiert ist. Dadurch kann die Anzahl der
Bauelemente der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Fabry-Perot-Interferometer- Einheit ein Kappenelement zum Abdecken des optischen Resonators aufweisen. Dadurch kann der optische Resonator vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Das plasmonische Filterelement kann an dem Kappenelement angeordnet sein. Ferner kann das Kappenelement als zusätzlicher optischer Filter fungieren.
Dadurch kann die Funktionalität der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit erweitert werden.
Die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit kann gemäß einer weiteren
Ausführungsform zumindest ein weiteres plasmonisches Filterelement umfassen. Das weitere plasmonische Filterelement und das plasmonische Filterelement können unterschiedliche Filtercharakteristiken aufweisen. Das weitere
plasmonische Filterelement kann in dem ersten Lichtpfad oder, zusätzlich oder alternativ, in dem zweiten Lichtpfad angeordnet sein. Jedes weitere
plasmonische Filterelement kann einen oder -durch partiellen Überlapp mit anderen Filterelementen- mehrere weitere Lichtpfade mit unterschiedlichem spektralem Transmissionsverhalten definieren. Mehrere verschiedene
plasmonische Filterelemente können an verschiedenen Lagen/Elementen angebracht sein und sich so teilweise überlappen. Für jeden so definierten Lichtpfad ist vorteilhaft ein eigener, separat auslesbarer Messkanal auf
Detektorseite realisiert. Dadurch kann ein spektraler Messbereich der Fabry- Perot-Interferometer-Einheit gezielt verändert werden. Der hier beschriebene Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Betreiben einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß einer der vorstehenden
Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einlesen eines ersten Detektorsignals über den ersten Messkanal und eines zweiten Detektorsignals über den zweiten Messkanal, wobei das erste
Detektorsignal einen entlang des ersten Lichtpfads geführten Lichtstrahl repräsentiert und das zweite Detektorsignal einen entlang des zweiten Lichtpfads geführten Lichtstrahl repräsentiert; und
Erzeugen eines Messsignals unter Verwendung des ersten Detektorsignals und des zweiten Detektorsignals.
Unter einem ersten Detektorsignal kann ein von einem im ersten Lichtpfad angeordneten Detektor erzeugtes Signal verstanden werden. Unter einem zweiten Detektorsignal kann ein von einem im zweiten Lichtpfad angeordneten Detektor erzeugtes Signal verstanden werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Erzeugens das Messsignal durch Bilden einer Differenz aus dem ersten Detektorsignal und dem zweiten Detektorsignal erzeugt werden. Dadurch können Moden zweiter oder höherer Ordnung ausgeblendet werden.
Schließlich schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Anordnen eines ersten Spiegelelements gegenüber einem zweiten
Spiegelelement, um einen optischen Resonator mit einem einem ersten
Messkanal der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit zugeordneten ersten Lichtpfad und einem einem zweiten Messkanal der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit zugeordneten zweiten Lichtpfad zu bilden; und Einbringen zumindest eines plasmonischen Filterelements in den ersten
Lichtpfad, sodass das plasmonische Filterelement außerhalb des zweiten Lichtpfads angeordnet ist.
Dadurch kann eine besonders kostengünstige Herstellung der Fabry-Perot- Interferometer-Einheit erreicht werden.
Diese Verfahren können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine
Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine
magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann. Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen
Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung einer Transmission einer Fabry-Perot- Interferometer-Einheit aus Fig. 1 in Abhängigkeit von einer Wellenlänge;
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung einer normalisierten Transmission in Abhängigkeit von einer Wellenlänge; Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung eines Transmissionsspektrums eines plasmonischen Filterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Wellenlänge;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines plasmonischen Filterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung eines Transmissionsspektrums eines plasmonischen Filterelements aus Fig. 5;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines plasmonischen Filterelements aus Fig. 5 in der Seitenansicht;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 11 ein Diagramm zur Darstellung einer Extinktion eines plasmonischen Filterelements aus Fig. 10 in Abhängigkeit von einer Wellenlänge;
Fig. 12 eine schematische Darstellung eines plasmonischen Filterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines plasmonischen Filterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 14 ein Diagramm zur Darstellung einer Transmission einer Fabry-Perot- Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Wellenlänge; Fig. 15 ein Diagramm zur Darstellung einer Extinktion eines plasmonischen Filterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Wellenlänge;
Fig. 16 ein Diagramm zur Darstellung einer Transmission einer Fabry-Perot- Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Wellenlänge;
Fig. 17 ein Diagramm zur Darstellung einer Transmission eines als Bandpass realisierten plasmonischen Filterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 18 ein Diagramm zur Darstellung einer Transmission einer Fabry-Perot- Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Wellenlänge;
Fig. 19 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 20 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Fabry-Perot- Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 21 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Fabry-Perot- Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Fabry-Perot-Interferometer- Einheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Fabry-Perot-Interferometer- Einheit 100 umfasst ein erstes Spiegelelement 102 und ein gegenüber dem ersten Spiegelelement 102 beabstandet angeordnetes zweites Spiegelelement 104. Die beiden Spiegelelemente 102, 104 bilden einen optischen Resonator 106 zum Filtern von Licht, auch Fabry-Perot-Resonator genannt. Durch den optischen Resonator 106 führen ein erster Lichtpfad 108, der einen ersten Messkanal der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit 100 repräsentiert, und ein zweiter Lichtpfad 110, der einen zweiten Messkanal der Fabry-Perot- Interferometer-Einheit 100 repräsentiert. Der erste Lichtpfad 108 befindet sich außerhalb des zweiten Lichtpfads 110. Eine Lichteinfallrichtung ist durch zwei Pfeile gekennzeichnet. In dem ersten Lichtpfad 108 ist ein plasmonisches Filterelement 112 angeordnet, hier eine plasmonische Filterstruktur aus einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Einzelstrukturelemente. Das
plasmonische Filterelement 112 befindet sich zudem außerhalb des zweiten
Lichtpfads 110. Das plasmonische Filterelement 112 ist ausgebildet, um einen entlang des ersten Lichtpfads 110 geführten Lichtstrahl zu filtern. Beispielhaft ist das plasmonische Filterelement 112 auf eine dem zweiten Spiegelelement 104 zugewandte Oberfläche des ersten Spiegelelements 102 aufgebracht.
Beispielhaft ist die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit 100 als ein Lagenverbund aus einer Trägerlage 114, auch Substrat genannt, einer das erste
Spiegelelement 102 aufweisenden ersten Lage 116, einer das zweite
Spiegelelement 104 aufweisenden zweiten Lage 118 sowie einem
Kappenelement 120 zum Abdecken des optischen Resonators 106 realisiert. Die erste Lage 116 und die zweite Lage 118 sind beabstandet zueinander angeordnet, wobei die erste Lage 116 flächig auf der Trägerlage 114 aufliegt. Die zweite Lage 118 wird durch Stützelemente 122 auf Abstand zur ersten Lage 116 gehalten. In die beiden Lagen 116, 118 sind ferner Elektrodenelemente 124 integriert, die als Steuerelektrode fungieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zumindest eines der Elektrodenelemente 124 als Teil des plasmonischen Filterelements 112 realisiert.
Auf einer dem optischen Resonator 106 abgewandten Seite der Trägerlage 114 sind ein erster Detektor 126 zum Detektieren der durch den ersten Lichtpfad 108 geführten Lichtstrahlen und ein zweiter Detektor 128 zum Detektieren der durch den zweiten Lichtpfad 110 geführten Lichtstrahlen angeordnet, wobei der erste Detektor 126 ausgebildet ist, um ein die Lichtstrahlen des ersten Lichtpfads 108 repräsentierendes erstes Detektorsignal 130 bereitzustellen, und der zweite Detektor 128 ausgebildet ist, um ein die Lichtstrahlen des zweiten Lichtpfads 110 repräsentierendes zweites Detektorsignal 132 bereitzustellen. Eine an die beiden Detektoren 126, 128 angeschlossene Vorrichtung 150 ist ausgebildet, um unter Verwendung der beiden Detektorsignale 130, 132 ein Messsignal 152 zu erzeugen.
Durch das plasmonische Filterelement 112 wird gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Erweiterung eines durch die Fabry-Perot- Interferometer-Einheit 100 erfassbaren Wellenlängenbereichs ermöglicht. Die Trennung der Ordnungen der Moden erfolgt beispielsweise durch
Differenzbildung der von den beiden Detektoren 126, 128 erfassten
Lichtintensitäten. Dabei fungiert das Kappenelement 120 als ein erster Langpass zum Filtern von Licht, das über das zweite Spiegelelement 104 in den optischen Resonator 106 einfällt. Das Kappenelement 120 und die Trägerlage 114 sind je nach Ausführungsbeispiel aus ein und demselben Substratmaterial oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt.
Die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit 100 wird mit den beiden Detektoren 126, 128 betrieben. Hierbei befindet sich gegenüber dem ersten Detektor 126 das plasmonische Filterelement 112. Gegenüber dem zweiten Detektor 128 befindet sich kein plasmonisches Filterelement. Eine Fabry-Perot-Grundmode wird zur
Detektion verwendet. Ein Langpass blendet Fabry-Perot-Moden zweiter oder höherer Ordnung aus. Der Langpass ist beispielsweise durch das Substrat oder alternativ durch das plasmonische Filterelement 112 realisiert. Fig. 2 zeigt ein Diagramm 200 zur Darstellung einer Transmission einer Fabry-
Perot-Interferometer-Einheit aus Fig. 1 in Abhängigkeit von einer Wellenlänge. Gezeigt ist eine erste Kurve 202, die den beispielsweise durch das Substrat realisierten Langpass repräsentiert, eine zweite Kurve 204, die einen effektiven zweiten Langpass durch das plasmonische Filterelement, etwa in Form plasmonischer Antennen, repräsentiert, eine Fabry-Perot-Grundmode 206, deren
Verschiebung bei Aktuierung des Interferometers mit einem Pfeil gekennzeichnet ist, sowie höhere Fabry-Perot-Moden 208.
Vom Grundabstand des Resonators bis zum Ende eines ersten
Wellenlängenbereichs 210 wird der erste Detektor zur Aufnahme des Spektrums verwendet. Die plasmonischen Absorber sorgen hierbei für das Ausblenden der ersten Mode höherer Ordnung. Vom kurzwelligen Ende des ersten
Wellenlängenbereichs 210 bis zum kurzwelligen Ende eines zweiten
Wellenlängenbereichs 212 wird der zweite Detektor zur Aufnahme des
Spektrums verwendet. So kann insgesamt die spektrale Bandbreite des
Spektrometers auf die Bereiche 210, 212 erweitert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit 100 als mikromechanisches Interferometer-Bauelement realisiert und umfasst mindestens ein Substrat 114, zwei durch einen Spalt voneinander beabstandete, übereinander angeordnete Spiegelelemente 102, 104 und flexible Aufhängungen als Stützelemente 122, über die wenigstens eines der Spiegelelemente 102, 104 am Substrat aufgehängt ist. Dabei ist mindestens ein plasmonisches
Filterelement 112 wenigstens in einem Teilbereich eines Strahlengangs der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit 100 integriert.
Das plasmonische Filterelement 112 ist entweder wenigstens in einem der Spiegelelemente 102, 104, wenigstens über einen Teilbereich oder in dem Kappenelement 120 oder auf der Rückseite des Substrats 114 integriert.
Je nach Ausführungsbeispiel ist das plasmonische Filterelement 112 in, auf oder unter einem der Spiegelelemente 102, 104 integriert. Optional fungiert das plasmonische Filterelement 112 selbst als Spiegel.
Auf den Spiegelelementen 102, 104 können mehrere unterschiedliche
Filtercharakteristiken, etwa durch verschiedene Gitterperioden, realisiert sein, beispielsweise in verschiedenen Bereichen oder überlappend filternd.
Das plasmonische Filterelement 112 ist je nach Ausführungsbeispiel aus einem Metall oder einer Kombination aus einem Metall und einem Dielektrikum wie Ag, Au, Cu oder Pt realisiert. Die Anordnung ist ein- oder zweidimensional periodisch oder quasiperiodisch oder zufällig verteilt. Die plasmonischen Gitter weisen beispielsweise eine Periode auf, die mit dem Spaltabstand der Spiegelelemente in einem bruchzahligen Verhältnis steht. Die quasiperiodische Anordnung ist beispielsweise eindimensional als Fibonacci-Anordnung oder zweidimensional als Penrose-, Fibonacci-, Pinwheel- oder Kite-Domino-Anordnung realisiert.
Das plasmonische Filterelement 112 weist beispielsweise eine Positivstruktur in Form einer Metallscheibe, eines Metallzylinders oder einer Antenne, eine
Negativstruktur in Form eines Loches in einem Metallfilm oder eine
Negativstruktur mit umgebenden Korrugationen in einem Metallfilm auf.
Einzelstrukturelemente des plasmonischen Filterelements 112 sind
beispielsweise zweidimensional als Kreis, Dreieck, Kreuz, Doppel-Stabantenne,
Rechteckantenne, quadratische Antenne oder Split-Ring-Resonator ausgeformt. Alternativ sind die Einzelstrukturelemente als 3D-Struktur ausgeformt.
Die Filtercharakteristik des plasmonischen Filterelements 112 ist beispielsweise einstellbar über die Wahl des Materials, über die Resonanz durch Periodizität oder Quasiperiodizität der Anordnung oder über die Resonanz der
Einzelstrukturen, etwa der optischen Antennenstrukturen.
Die Metallisierung der Lochgitter dient optional gleichzeitig als Elektrode für ein kapazitives Element, etwa zur Abstandmessung oder Aktuierung.
Die Herstellung der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit 100 erfolgt je nach Ausführungsbeispiel durch Abscheidung von Metall oder Dielektrikum in einem Halbleiterprozess und anschließende subtraktive Strukturierung, etwa durch Nanoimprint, optische Lithografie oder Interferenzlithografie, oder, bei zufällig verteilten Elementen und Positivstrukturen wie beispielsweise Antennen, durch chemische Synthetisierung des plasmonischen Filterelements 112 und anschließendes Spin-Coaten der Filterstrukturen, die optional in eine
Polymermatrix eingebettet werden.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm 300 zur Darstellung einer normalisierten Transmission in Abhängigkeit von einer Wellenlänge.
Bei Fabry-Perot-Interferometern wird die Resonanzbedingung für maximale Transmission - Spaltabstand gleich dem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge - neben der Grundwellenlänge noch durch höhere Ordnungen erfüllt. Dies führt dazu, dass der spektral nutzbare Bereich eines Fabry-Perot- Interferometers zu kurzen Wellenlängen hin jeweils durch die nächsthöhere Mode eingeschränkt wird bzw. dass sich die Signale der verschiedenen
Ordnungen bei Fehlen eines Langpass- oder Bandpassfilters gegenseitig überlagern, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.
Solche Langpassfilter werden üblicherweise kostenintensiv durch zusätzliche optische Komponenten realisiert. Plasmonische Filter hingegen erlauben die Implementierung optischer Funktionalität in einer einzigen Metalllage. So lassen sich speziell spektrale optische Filter auf verschiedene Weise durch
plasmonische Strukturen realisieren. Beispielsweise besitzen quadratische metallische Lochgitterfilter Transmissionsmaxima für diejenigen Wellenlängen λ, die durch Fano-Interferenz jeweils geringfügig rotverschoben sind zu
Transmissionsminima Amax. Letztere stehen mit der Gitterperiode in folgendem Verhältnis:
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Ein Beispiel für eine solche Struktur und ein entsprechendes Spektrum für ein hexagonales Lochgitter sind in Fig. 4 dargestellt.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm 400 zur Darstellung eines Transmissionsspektrums eines plasmonischen Filterelements 112 gemäß einem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Wellenlänge. Im Unterschied zu Fig. 1 bis 3 ist das plasmonische Filterelement 112 hier als Lochgitter ausgeführt. Durch geeignete Wahl einer Lochgröße können mithilfe des plasmonischen Filterelements 112 auch langwellige Moden ausgeblendet werden.
Mit einer solchen Struktur können somit optische Kurzpässe oder in Kombination mit einer Langpassstruktur (oder bei Vorhandensein intrinsischer Langpässe durch materialabhängige Inter- oder Intrabandabsorptionen) auch Bandpässe realisiert werden. Alternativ weist das plasmonische Filterelement 112 periodische Korrugationen um Öffnungen in einem Metallfilm für eine resonante Transmission auf. Diese Strukturen können in ähnlicher Weise als Filter verwendet werden, wie in den Figuren 5 bis 7 gezeigt.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines plasmonischen Filterelements 112 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das plasmonische Filterelement 112 weist im Unterschied zu einem vorangehend anhand der Figuren 1 bis 4 beschriebenen plasmonischen Filterelement eine zentrale Öffnung 500 auf, die von einer periodischen Korrugation, hier in Form einer konzentrischen
Rillenstruktur 502, umgeben ist.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm 600 zur Darstellung eines Transmissionsspektrums eines plasmonischen Filterelements aus Fig. 5.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines plasmonischen Filterelements 112 aus Fig. 5 in der Seitenansicht.
Auch mit solchen Strukturen können optische Kurzpässe oder, in Kombination mit einer Langpassstruktur, auch Bandpässe realisiert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das plasmonische Filterelement 112 als plasmonische Antenne ausgeführt. Hierbei kann durch geeignete Wahl verschiedener Antennengeometrien mit unterschiedlichen
Resonanzwellenlängen und eine damit verbundene Überlagerung deren fundamentaler und höherer (höherenergetischer) Resonanzen ein optischer Langpassfilter realisiert werden. Daraus kann in Kombination mit einer
Kurzpassstruktur ein Bandpass realisiert werden.
Nachfolgend werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie solche plasmonischen Strukturen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen des hier vorgestellten Ansatzes für eine kostengünstige Implementierung von Fabry-Perot- Spektrometern oder für die Erweiterung deren spektraler Bandbreite verwendet werden können. Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Fabry-Perot-Interferometer- Einheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Fabry-Perot-Interferometer- Einheit 100 entspricht im Wesentlichen der anhand von Fig. 1 beschriebenen Fabry-Perot-Interferometer-Einheit. Im Unterschied zu Fig. 1 ist die Trägerlage 114 im Bereich des ersten Spiegelelements 102 mit einer Kaverne 802 realisiert, wobei das plasmonische Filterelement 112 der Kaverne 802 gegenüberliegt.
Gezeigt ist ein Querschnitt durch ein Bauelement mit integriertem
plasmonischem Filter auf beiden Spiegelelementen 102, 104. Der plasmonische Filter umfasst das plasmonische Filterelement 112 und ein weiteres
plasmonisches Filterelement 804, das auf eine dem plasmonischen Filterelement 112 gegenüberliegende Oberfläche des zweiten Spiegelelements 104
aufgebracht ist. Die beiden Filterelemente 112, 804 weisen unterschiedliche Filtercharakteristiken auf. Beispielsweise ist das weitere plasmonische
Filterelement 804 als eine plasmonische Filterstruktur mit einer ersten Periode und das plasmonische Filterelement 112 als eine plasmonische Filterstruktur mit einer zweiten Periode realisiert.
Alternativ sind die beiden Filterelemente 112, 804 je auf einer Außenseite der Spiegelelemente 102, 104 platziert.
Im Unterschied zu Fig. 1 weist die Fabry-Perot-Interferometer-Einheit 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel kein Kappenelement auf.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Fabry-Perot-Interferometer- Einheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu Fig. 8 ist der optische Resonator 106, ähnlich wie in Fig. 1, mit dem Kappenelement 120 abgedeckt, hier mit einem Kappenchip. Das plasmonische Filterelement 112 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf einer dem optischen Resonator 106 abgewandten Außenseite des Kappenelements 120 gegenüber dem zweiten Spiegelelement 104 angeordnet.
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Fabry-Perot-Interferometer- Einheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Fabry-Perot-Interferometer- Einheit 100 entspricht im Wesentlichen der vorangehend anhand von Fig. 9 beschriebenen Fabry-Perot-Interferometer-Einheit 100, mit dem Unterschied, dass die Trägerlage 114 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ohne Kaverne realisiert ist.
Das plasmonische Filterelement 112 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als zweiter Langpass realisiert, wobei das Kappenelement 120 einen gegebenen ersten Langpass repräsentiert.
Fig. 11 zeigt ein Diagramm 1100 zur Darstellung einer Extinktion eines plasmonischen Filterelements aus Fig. 10, hier einer plasmonischen Antenne, in Abhängigkeit von einer Wellenlänge. Gezeigt sind eine erste Antennenextinktion 1102 für eine erste Wellenlänge, eine zweite Antennenextinktion 1104 für eine zweite Wellenlänge sowie eine effektive Gesamtextinktion 1106 der Antennen.
Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung eines plasmonischen Filterelements 112 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa eines vorangehend anhand der Figuren 1 bis 11 beschriebenen plasmonischen Filterelements. Das
plasmonische Filterelement 112 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit einer Mehrzahl von Stabantennen 1200 realisiert, die in einem regelmäßigen geometrischen Muster zueinander angeordnet sind.
Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung eines plasmonischen Filterelements 112 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu Fig. 12 sind die Stabantennen 1200 hier ungeordnet verteilt.
Die Stabantennen 1200 weisen beispielsweise eine Länge zwischen 300 nm und 1400 nm, eine Breite von 100 nm und eine Höhe von 30 nm auf.
Fig. 14 zeigt ein Diagramm 1400 zur Darstellung einer Transmission einer Fabry- Perot-Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Wellenlänge. Gezeigt sind die Kurve 202, die den durch das Substrat oder das Kappenelement realisierten ersten Langpass repräsentiert, die zweite Kurve 204, die einen effektiven zweiten Filter durch das plasmonische
Filterelement in Form einer Antenne repräsentiert, die Fabry-Perot-Grundmode 206 und die höheren Fabry-Perot-Moden 208. Durch den effektiven Langpass der Antennen kann der erste Langpass erweitert werden. Dadurch wird eine beliebige Platzierung der Free-Spectral- Range der Fabry-Perot-Mode im Spektrum ermöglicht.
Fig. 15 zeigt ein Diagramm 1500 zur Darstellung einer Extinktion eines plasmonischen Filterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Wellenlänge. Gezeigt sind die Antennenextinktionen 1102, 1104, 1502 für unterschiedliche Wellenlängen sowie die effektive Gesamtextinktion 1106.
Fig. 16 zeigt ein Diagramm 1600 zur Darstellung einer Transmission einer Fabry- Perot-Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Wellenlänge. Gezeigt ist eine Kurve 1602, die einen durch die
Antennen realisierten effektiven Langpass repräsentiert.
Die Diagramme 1500, 1600 entsprechen der Realisierung eines vollständig plasmonischen Langpasses bei gegebenem Langpass, etwa durch das Substrat. Analog zum vorherigen Ausführungsbeispiel kann mit ausreichender Anzahl geeigneter Antennen der Langpass auch komplett durch plasmonische
Strukturen realisiert werden. Ein erster Langpass kann dann entfallen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das plasmonische Filterelement als plasmonischer Bandpass zur Selektion einer Mode realisiert. Fig. 17 zeigt ein Diagramm 1700 zur Darstellung einer Transmission eines als
Bandpass realisierten plasmonischen Filterelements gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Hierzu ist das plasmonische Filterelement etwa als Loch- Array realisiert. Fig. 18 zeigt ein Diagramm 1800 zur Darstellung einer Transmission einer Fabry-
Perot-Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von einer Wellenlänge. Neben der den durch die Antennen realisierten Langpass repräsentierenden Kurve 1602, der Grundmode 206, den höheren Moden 208 ist eine Fabry-Perot-Wunschmode 1802 gezeigt. Höhere Moden besitzen kleinere Halbwertbreiten als die Grundmode. So können mit höheren Moden bessere Auflösungen eines Fabry-Perot-Spektrometers erreicht werden. Zur Selektion einer solchen Wunschmode sollte ein Bandpass realisiert werden, der sowohl höhere Moden als auch niedrigere Moden (hier die Grundmode) herausfiltert.
Höhere (kurzwelligere) Moden können wie in den vorherigen
Ausführungsbeispielen durch einen Langpass gefiltert werden, etwa durch optische Antennen verschiedener Länge.
Niedrigere (langwelligere) Moden, hier die Grundmode, lassen sich
beispielsweise mithilfe einer sogenannten Extraordinary Transmission durch ein plasmonisches Lochgitter (Hole Array) herausfiltern. Hierbei ist die Periode der langwelligsten Mode des Lochgitters [für ein Square Array die (1,0)- bzw. (0,1)- Mode] so abgestimmt, das sie mit der gewünschten Fabry-Perot-Mode zusammenfällt. Die langwelligste Mode des Lochgitters ist beispielsweise für quadratische Gitter in Gold bei normalem Lichteinfall geringfügig langwelliger als die Gitterperiode (z. B. 436 nm, 538 nm und 627 nm bei 300 nm, 450 nm und 550 nm Gitterperiode).
Fig. 19 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 150 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einer vorangehend anhand von Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung. Die Vorrichtung 150 umfasst eine Einleseeinheit 1910 zum Einlesen der beiden Detektorsignale 130, 132. Eine Erzeugungseinheit 1920 ist ausgebildet, um die Detektorsignale 130, 132 von der Einleseeinheit 1010 zu empfangen und diese zur Erzeugung des Messsignals 152 in geeigneter Weise zu verarbeiten.
Fig. 20 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2000 zum Betreiben einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das
Verfahren 2000 kann beispielsweise unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand von Fig. 19 beschrieben ist, durchgeführt werden. Hierbei werden in einem Schritt 2010 die beiden Detektorsignale eingelesen. In einem Schritt 2020 wird unter Verwendung der beiden Detektorsignale das Messsignal erzeugt. Fig. 21 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2100 zum Herstellen einer Fabry-Perot-Interferometer-Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 2100 umfasst einen Schritt 2110, in dem ein erstes Spiegelelement gegenüber einem zweiten Spiegelelement angeordnet wird, um einen optischen Resonator mit einem einem ersten Messkanal der Fabry-Perot-Interferometer- Einheit zugeordneten ersten Lichtpfad und einem einem zweiten Messkanal der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit zugeordneten zweiten Lichtpfad zu bilden. In einem weiteren Schritt 2120 wird zumindest ein plasmonisches Filterelement derart in den ersten Lichtpfad eingebracht, dass das plasmonische Filterelement außerhalb des zweiten Lichtpfads angeordnet ist.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100) mit folgenden Merkmalen: einem ersten Spiegelelement (102) und einem zweiten
Spiegelelement (104), wobei das erste Spiegelelement (102) und das zweite Spiegelelement (104) einander gegenüberliegend angeordnet oder anordenbar sind, um einen optischen Resonator (106) mit zumindest einem ersten Lichtpfad (108) und einem zweiten
Lichtpfad (110) zu bilden, wobei der erste Lichtpfad (108) einem ersten Messkanal der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100) zugeordnet ist und der zweite Lichtpfad (110) einem zweiten Messkanal der Fabry- Perot-Interferometer-Einheit (100) zugeordnet ist; und zumindest einem plasmonischen Filterelement (112), das in dem ersten Lichtpfad (108) und außerhalb des zweiten Lichtpfads (110) angeordnet oder anordenbar ist, um einen entlang des ersten Lichtpfads (108) geführten Lichtstrahl zu filtern.
2. Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100) gemäß Anspruch 1, bei der das plasmonische Filterelement (112) an dem ersten Spiegelelement (102) und/oder dem zweiten Spiegelelement (104) angeordnet ist.
3. Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100) gemäß einem der
vorangegangenen Ansprüche, mit einer Trägerlage (114), einer das erste Spiegelelement (102) aufweisenden ersten Lage (116) und einer das zweite Spiegelelement (104) aufweisenden zweiten Lage (118), wobei die Trägerlage (114) mit der ersten Lage (116) und der zweiten Lage (118) derart zu einem Lagenverbund kombiniert ist, dass das erste Spiegelelement (102) an der Trägerlage (114) angeordnet ist und das zweite Spiegelelement (104) beabstandet zu dem ersten
Spiegelelement (102) angeordnet ist. Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100) gemäß Anspruch 3, bei der das plasmonische Filterelement (112) an der Trägerlage (114) angeordnet ist.
Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100) gemäß Anspruch 3 oder 4, mit zumindest einem Elektrodenelement (124) zum elektrischen
Kontaktieren der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100), wobei das Elektrodenelement (124) an der ersten Lage (116) und/oder der zweiten Lage (118) angeordnet ist.
Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100) gemäß Anspruch 5, bei der das Elektrodenelement (124) als Teil des plasmonischen
Filterelements (112) realisiert ist.
Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100) gemäß einem der
vorangegangenen Ansprüche, mit einem Kappenelement (120) zum Abdecken des optischen Resonators (106), wobei das plasmonische Filterelement (112) an dem Kappenelement (120) angeordnet ist.
Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100) gemäß einem der
vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einem weiteren
plasmonischen Filterelement (804), wobei das weitere plasmonische Filterelement (804) und das plasmonische Filterelement (112) unterschiedliche Filtercharakteristiken aufweisen.
Verfahren (2000) zum Betreiben einer Fabry-Perot-Interferometer- Einheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (2000) folgende Schritte umfasst:
Einlesen (2010) eines ersten Detektorsignals (130) über den ersten Messkanal und eines zweiten Detektorsignals (132) über den zweiten Messkanal, wobei das erste Detektorsignal (130) einen entlang des ersten Lichtpfads (108) geführten Lichtstrahl repräsentiert und das zweite Detektorsignal (132) einen entlang des zweiten Lichtpfads (110) geführten Lichtstrahl repräsentiert; und
Erzeugen (2020) eines Messsignals (152) unter Verwendung des ersten Detektorsignals (130) und des zweiten Detektorsignals (132).
Verfahren (2000) gemäß Anspruch 9, bei dem im Schritt des
Erzeugens (2020) das Messsignal (152) durch Bilden einer Differenz aus dem ersten Detektorsignal (130) und dem zweiten Detektorsignal (132) erzeugt wird.
Verfahren (2100) zum Herstellen einer Fabry-Perot-Interferometer- Einheit (100), wobei das Verfahren (2100) folgende Schritte umfasst:
Anordnen (2110) eines ersten Spiegelelements (102) gegenüber einem zweiten Spiegelelement (104), um einen optischen Resonator (106) mit einem einem ersten Messkanal der Fabry-Perot-Interferometer- Einheit (100) zugeordneten ersten Lichtpfad (108) und einem einem zweiten Messkanal der Fabry-Perot-Interferometer-Einheit (100) zugeordneten zweiten Lichtpfad (110) zu bilden; und
Einbringen (2120) zumindest eines plasmonischen Filterelements (112) in den ersten Lichtpfad (108), sodass das plasmonische
Filterelement (112) außerhalb des zweiten Lichtpfads (110) angeordnet ist.
Vorrichtung (150) mit Einheiten (1910, 1920), die ausgebildet sind, um das Verfahren (2000) gemäß Anspruch 9 oder 10 und/oder das
Verfahren (2100) gemäß Anspruch 11 auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (2000) gemäß Anspruch 9 oder 10 und/oder das Verfahren (2100) gemäß Anspruch 11 auszuführen und/oder anzusteuern. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprog nach Anspruch 13 gespeichert ist.
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