DE102019212986A1

DE102019212986A1 - Fabry-Pérot interferometer and related manufacturing process

Info

Publication number: DE102019212986A1
Application number: DE102019212986.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Huber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fabry-Perot-Interferometer (1a: 1b; 1c), mit: einem ersten Spiegel (2a; 2b; 2c); und einem zweiten Spiegel (3a; 3b; 3c), welcher von dem ersten Spiegel (2a; 2b; 2c) beabstandet angeordnet ist, sodass der erste Spiegel (2a; 2b; 2c) und der zweite Spiegel (3a; 3b; 3c) einen optischen Resonator bilden; wobei der erste Spiegel (2a; 2b; 2c) und/oder wobei der zweite Spiegel (3a; 3b; 3c) eine Vielzahl von Schichten (21a-25a; 31a-35a) umfasst; wobei die Dicken der Schichten (21a-25a; 31a-35a) derart gewählt sind, dass sich den Dicken der Schichten (21a-25a; 31a-35a) entsprechende optische Weglängen zumindest teilweise voneinander unterscheiden.The invention relates to a Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c), having: a first mirror (2a; 2b; 2c); and a second mirror (3a; 3b; 3c) which is arranged at a distance from the first mirror (2a; 2b; 2c) so that the first mirror (2a; 2b; 2c) and the second mirror (3a; 3b; 3c) form an optical resonator; wherein the first mirror (2a; 2b; 2c) and / or wherein the second mirror (3a; 3b; 3c) comprises a plurality of layers (21a-25a; 31a-35a); wherein the thicknesses of the layers (21a-25a; 31a-35a) are selected such that the optical path lengths corresponding to the thicknesses of the layers (21a-25a; 31a-35a) differ from one another at least partially.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fabry-Perot-Interferometer und ein Verfahren zur Herstellung eines Fabry-Perot-Interferometers.The present invention relates to a Fabry-Perot interferometer and a method for manufacturing a Fabry-Perot interferometer.

Stand der TechnikState of the art

Fabry-Perot-Interferometer können als spektrale Filter eingesetzt werden, welche sich gut mittels MEMS-Technologien miniaturisieren lassen. Ein Überblick findet sich in C. Huber, „Micromechanical tunable Fabry-Perot interferometers with membrane Bragg mirrors based on silicon/silicon carbonitride“, 2019, KIT Karlsruhe (abrufbar unter https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000091870). Weitere Details finden sich in M. Ebermann et al., „Tunable MEMS Fabry-Perot filters for infrared microspectrometers: a review“, Proc. of SPIE, 2016 .Fabry-Perot interferometers can be used as spectral filters, which can be easily miniaturized using MEMS technologies. An overview can be found in C. Huber, “Micromechanical tunable Fabry-Perot interferometers with membrane Bragg mirrors based on silicon / silicon carbonitride”, 2019, KIT Karlsruhe (available at https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000091870). Further details can be found in M. Ebermann et al., “Tunable MEMS Fabry-Perot filters for infrared microspectrometers: a review”, Proc. of SPIE, 2016 .

Ein Fabry-Perot-Interferometer umfasst zwei planparallele, hochreflektierende Spiegel, mit einem Spiegelabstand, d.h. einer Kavitätslänge im Bereich optischer Wellenlängen. Innerhalb eines Wellenlängenbereichs hoher Reflexion der Spiegel, ist die Transmission nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich stark, und zwar typischerweise für Wellenlängen, welche einem ganzzahligen Bruchteil der doppelten Kavitätslänge entsprechen.A Fabry-Perot interferometer comprises two plane-parallel, highly reflective mirrors with a mirror spacing, i.e. a cavity length in the range of optical wavelengths. Within a wavelength range of high reflection of the mirrors, the transmission is only strong in a certain wavelength range, specifically typically for wavelengths which correspond to an integral fraction of twice the cavity length.

Durch Aktuierung lässt sich die Kavitätslänge verändern, sodass ein spektral durchstimmbares Filterelement entsteht. Ein Filter mit variabler Breite ist bekannt aus der DE 602 05 666 T2 . Die DE 699 22 042 T2 betrifft mehrschichtige Spiegel zur Regelung der Dispersion.The cavity length can be changed by actuation, so that a spectrally tunable filter element is created. A variable width filter is known from US Pat DE 602 05 666 T2 . The DE 699 22 042 T2 relates to multilayer mirrors to control dispersion.

Die verwendeten Spiegel sind typischerweise Bragg-Spiegel (englisch: Distributed Bragg Reflectors, DBR), wie etwa aus der US 2012/050751 A1 bekannt. Braggspiegel sind über einen breiten Wellenlängenbereich hochreflektiv und weisen um ihre Zentralwellenlänge herum nur eine geringe Dispersion des Phasenshifts bei der Reflexion auf. Die Fabry-Perot-Interferometer wirken dadurch über einen breiten Spektralbereich als hochauflösende optische Filter.The mirrors used are typically Bragg mirrors (English: Distributed Bragg Reflectors, DBR), such as from the US 2012/050751 A1 known. Bragg mirrors are highly reflective over a wide range of wavelengths and have only a low dispersion of the phase shift during reflection around their central wavelength. The Fabry-Perot interferometers act as high-resolution optical filters over a wide spectral range.

Die Interferenzbedingung für konstruktive Interferenz hängt von der Wellenlänge, dem Einfallswinkel, dem Spiegelabstand und dem Medium, welches die Kavität enthält, ab. Die Einfallswinkel und der Spiegelabstand müssen typischerweise sehr genau eingestellt werden, etwa mittels Aperturblenden oder über eine Rückmessung und Regelung oder genaue Kalibration der Aktuationsspannung.The interference condition for constructive interference depends on the wavelength, the angle of incidence, the mirror spacing and the medium containing the cavity. The angle of incidence and the mirror spacing typically have to be set very precisely, for example by means of aperture diaphragms or via a back measurement and control or precise calibration of the actuation voltage.

Ein Fabry-Perot-Interferometer kann beispielweise bei Laserscannern zur Anwendung kommen, wobei ein Laser einen gewissen Winkelbereich scannt und der rückreflektierte Strahl von einem Detektor detektiert wird. Das Fabry-Perot-Interferometer unterdrückt Störlicht anderer Wellenlängen. Da der Laser einen gewissen Winkelbereich abscannt, variiert auch der Einfallswinkel auf das Fabry-Perot-Interferometer und somit die Durchlasswellenlänge. Wird als Gegenmaßnahme ein breitbandiges Filter verwendet, wird jedoch auch mehr Streulicht detektiert. Eine genaue hochfrequente Nachjustierung des Fabry-Perot-Interferometers ist ebenfalls sehr aufwendig.A Fabry-Perot interferometer can be used, for example, in laser scanners, whereby a laser scans a certain angular range and the beam reflected back is detected by a detector. The Fabry-Perot interferometer suppresses stray light of other wavelengths. Since the laser scans a certain angular range, the angle of incidence on the Fabry-Perot interferometer and thus the transmission wavelength also vary. If a broadband filter is used as a countermeasure, however, more scattered light is also detected. A precise high-frequency readjustment of the Fabry-Perot interferometer is also very complex.

Es besteht daher Bedarf an Fabry-Perot-Interferometern, welche weniger stark durch die Variation des Einfallswinkels oder des Spiegelabstands beeinflusst werden.There is therefore a need for Fabry-Perot interferometers which are less influenced by the variation in the angle of incidence or the mirror spacing.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung stellt ein Fabry-Perot-Interferometer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines Fabry-Perot-Interferometers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 bereit.The invention provides a Fabry-Perot interferometer with the features of claim 1 and a method for producing a Fabry-Perot interferometer with the features of claim 9.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Fabry-Perot-Interferometer mit einem ersten Spiegel und einem zweiten Spiegel, wobei der zweite Spiegel von dem ersten Spiegel beabstandet, und bevorzugt parallel zu dem ersten Spiegel ausgerichtet, angeordnet ist. Der erste Spiegel und der zweite Spiegel bilden einen optischen Resonator. Der erste Spiegel und/oder der zweite Spiegel umfasst eine Vielzahl von Schichten, das heißt zumindest zwei, bevorzugt mehr als zwei, besonders bevorzugt mehr als fünf Schichten. Die Dicken der Schichten sind derart gewählt, dass sich die den Dicken der Schichten entsprechenden optischen Weglängen zumindest teilweise voneinander unterscheiden. Die den optischen Weglängen entsprechenden Dicken können mit anderen Worten auch als optische Dicken bezeichnet werden. Das heißt, mit anderen Worten die Dicke einer ersten Schicht von einem der Spiegel unterscheidet sich von einer Dicke einer zweiten Schicht desselben Spiegels.According to a first aspect, the invention accordingly relates to a Fabry-Perot interferometer with a first mirror and a second mirror, the second mirror being arranged at a distance from the first mirror and preferably aligned parallel to the first mirror. The first mirror and the second mirror form an optical resonator. The first mirror and / or the second mirror comprises a multiplicity of layers, that is to say at least two, preferably more than two, particularly preferably more than five layers. The thicknesses of the layers are selected such that the optical path lengths corresponding to the thicknesses of the layers differ from one another at least partially. In other words, the thicknesses corresponding to the optical path lengths can also be referred to as optical thicknesses. In other words, the thickness of a first layer of one of the mirrors differs from a thickness of a second layer of the same mirror.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Fabry-Perot-Interferometers, wobei ein erster und ein zweiter Spiegel ausgebildet werden, welche voneinander beabstandet sind. Zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel wird eine Kavität ausgebildet, sodass der erste Spiegel und der zweite Spiegel einen optischen Resonator bilden. Mindestens einer der Spiegel umfasst eine Vielzahl von Schichten, wobei die Dicken der Schichten derart gewählt werden, dass sich den Dicken der Schichten entsprechende optische Weglängen zumindest teilweise voneinander unterscheiden.According to a second aspect, the invention relates to a method for producing a Fabry-Perot interferometer, a first and a second mirror being formed which are spaced apart from one another. A cavity is formed between the first mirror and the second mirror, so that the first mirror and the second mirror form an optical resonator. At least one of the mirrors comprises a multiplicity of layers, the thicknesses of the layers being selected in such a way that optical path lengths corresponding to the thicknesses of the layers differ from one another at least partially.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred embodiments are the subject of the respective subclaims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Unter einer optischen Weglänge in einem Medium mit Brechungsindex n wird diejenige Strecke verstanden, die das Licht im Vakuum propagieren müsste, um die gleiche Phase aufzusammeln, wie bei der Propagation durch das Medium mit seiner durch den Brechungsindex n festgelegten abweichenden Phasengeschwindigkeit. Die optische Weglänge ist gegeben durch das Produkt der geometrischen Länge des Lichtpfades, d.h. hier der Dicke der entsprechenden Schicht, mit dem Brechungsindex des Materials, aus welchem die Schicht besteht. Für ein vorgegebenes Material kann der Dicke der Schicht somit eine entsprechende optische Weglänge zugeordnet werden.An optical path length in a medium with a refractive index n is understood to be that distance that the light would have to propagate in a vacuum in order to collect the same phase as when propagating through the medium with its different phase velocity determined by the refractive index n. The optical path length is given by the product of the geometric length of the light path, i.e. here the thickness of the corresponding layer, with the refractive index of the material from which the layer is made. A corresponding optical path length can thus be assigned to the thickness of the layer for a given material.

Herkömmliche Bragg-Spiegel umfassen mehrere Schichten, wobei die optischen Weglängen aller Schichten identisch sind und gleich einem Viertel einer vorgegebenen Wellenlänge sind, bei welcher die Reflektivität maximal ist. Erfindungsgemäß sind nicht sämtliche optischen Weglängen gleich groß. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die Dispersion der Phasenverschiebung, d.h. die Variation der Phasenverschiebung bei der Reflexion am Spiegel mit der Wellenlänge erhöht. Unter Phasenverschiebung wird ein Phasensprung bei der Reflexion von Licht an einem Spiegel verstanden, wobei der Spiegel ein aus mehreren dünnen Schichten aufgebauter Spiegel sein kann. Während die Reflexivität zwar leicht verkleinert wird, kann durch die Erhöhung der Dispersion der Phasenverschiebung bei der Reflexion am Spiegel eine deutlich geringere Abhängigkeit der Transmissionswellenlänge vom Einfallswinkel oder vom Spiegelabstand erzielt werden. Die Transmissionswellenlänge hängt weniger stark von der Variation des Einfallswinkels ab. Dadurch ist das Fabry-Perot-Interferometer auch dann noch optisch hochauflösend, wenn es mit nur schlecht kollimiertem Licht, d.h. divergent einfallendem Licht beleuchtet wird. Dies ist insbesondere für Laserscanneranwendungen vorteilhaft.Conventional Bragg mirrors comprise several layers, the optical path lengths of all layers being identical and equal to a quarter of a predetermined wavelength at which the reflectivity is maximum. According to the invention, not all optical path lengths are the same. In this way it can be achieved that the dispersion of the phase shift, i.e. the variation of the phase shift during the reflection at the mirror, increases with the wavelength. A phase shift is understood to mean a phase jump in the reflection of light on a mirror, it being possible for the mirror to be a mirror made up of several thin layers. While the reflectivity is slightly reduced, by increasing the dispersion of the phase shift during the reflection at the mirror, a significantly lower dependence of the transmission wavelength on the angle of incidence or on the mirror spacing can be achieved. The transmission wavelength is less dependent on the variation in the angle of incidence. As a result, the Fabry-Perot interferometer is still optically high-resolution when it is illuminated with poorly collimated light, i.e. divergent light. This is particularly advantageous for laser scanner applications.

Ein weiterer Vorteil besteht in einem geringeren Verlust an Auflösung, falls die Spiegel nicht exakt parallel zueinander ausgerichtet sind, was herstellungsbedingt nur schwer zu vermeiden ist. Darüber hinaus muss der Abstand der Spiegel weniger exakt eingestellt werden.Another advantage is a lower loss of resolution if the mirrors are not aligned exactly parallel to one another, which is difficult to avoid for manufacturing reasons. In addition, the distance between the mirrors does not have to be adjusted as precisely.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Fabry-Perot-Interferometers weist zumindest eine der Schichten eine Dicke auf, deren optische Weglänge einem Doppelten einer optischen Weglänge von mindestens einer weiteren Schicht der Vielzahl von Schichten entspricht. Insbesondere können eine oder mehrere Schichten eine optische Weglänge aufweisen, welche gleich einem Viertel einer vorgegebenen Wellenlänge ist, wobei die vorgegebene Wellenlänge auch als Transmissionswellenlänge oder als Designwellenlänge des Fabry-Perot-Interferometers bezeichnet wird. Bei der Designwellenlänge ist typischerweise die Reflektivität maximal. Weiter sind eine oder mehrere Schichten vorgesehen, welche eine optische Weglänge aufweisen, welche gleich der Hälfte der vorgegebenen Wellenlänge ist. Die Designwellenlänge kann beispielsweise 1550 nm betragen, was typischen Nahinfrarotlasern entspricht.According to a preferred development of the Fabry-Perot interferometer, at least one of the layers has a thickness whose optical path length corresponds to twice an optical path length of at least one further layer of the plurality of layers. In particular, one or more layers can have an optical path length which is equal to a quarter of a predetermined wavelength, the predetermined wavelength also being referred to as the transmission wavelength or the design wavelength of the Fabry-Perot interferometer. The reflectivity is typically maximum at the design wavelength. Furthermore, one or more layers are provided which have an optical path length which is equal to half the predetermined wavelength. The design wavelength can be 1550 nm, for example, which corresponds to typical near-infrared lasers.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Fabry-Perot-Interferometers weist eine Schicht, welche einer Kavität zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel zugewandt ist, eine Dicke auf, deren optische Weglänge größer ist als eine optische Weglänge von mindestens einer weiteren Schicht der Vielzahl von Schichten. Die Kavität kann auch als optischer Spalt bezeichnet werden. Vorzugsweise kann neben einer oder mehreren Schichten mit Viertelwellenlängendicke weiter eine dem optischen Spalt zugewandte und hochbrechende Schicht vorgesehen sein, welche eine von der Viertelwellenlängendicke abweichende Dicke, insbesondere eine größere Dicke, etwa eine Halbwellenlängendicke aufweist. Die Schichten in der Nähe der Kavität liefern einen höheren Beitrag zur Vergrößerung der Dispersion der Phasenverschiebung bei der Reflexion am Spiegel.According to a preferred embodiment of the Fabry-Perot interferometer, a layer facing a cavity between the first mirror and the second mirror has a thickness whose optical path length is greater than an optical path length of at least one further layer of the plurality of layers . The cavity can also be referred to as an optical gap. In addition to one or more layers with a quarter-wavelength thickness, a highly refractive layer facing the optical gap can preferably be provided, which has a thickness deviating from the quarter-wavelength thickness, in particular a greater thickness, for example a half-wavelength thickness. The layers in the vicinity of the cavity make a greater contribution to increasing the dispersion of the phase shift in the reflection at the mirror.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Fabry-Perot-Interferometers weist zumindest eine Schicht eine Dicke auf, deren optische Weglänge einem Doppelten einer optischen Weglänge von mindestens einer weiteren Schicht der Vielzahl von Schichten, insbesondere einer Halbwellenlängendicke entspricht. Bei Verwendung von Schichten mit Halbwellenlängendicke kann eine höhere Dispersion der Phasenverschiebung bei der Reflexion am Spiegel im spektralen Arbeitsbereich des Fabry-Perot-Interferometers erreicht werden.According to a preferred development of the Fabry-Perot interferometer, at least one layer has a thickness whose optical path length corresponds to twice an optical path length of at least one further layer of the plurality of layers, in particular a half-wavelength thickness. When using layers with a half-wavelength thickness, a higher dispersion of the phase shift in the reflection at the mirror in the spectral working range of the Fabry-Perot interferometer can be achieved.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fabry-Perot-Interferometers entspricht die optische Weglänge der mindestens einen weiteren Schicht der Vielzahl von Schichten einem Viertel einer vorgegebenen Wellenlänge, d.h. der Designwellenlänge bzw. von dem Fabry-Perot-Interferometer zu filternden Wellenlänge. Die mindestens eine weitere Schicht der Vielzahl von Schichten weist somit eine Viertelwellenlängendicke auf.According to a further embodiment of the Fabry-Perot interferometer, the optical path length of the at least one further layer of the plurality of layers corresponds to a quarter of a predetermined wavelength, i.e. the design wavelength or the wavelength to be filtered by the Fabry-Perot interferometer. The at least one further layer of the plurality of layers thus has a quarter wavelength thickness.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Fabry-Perot-Interferometer eine Aktoreinrichtung auf, welche einen Abstand zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel verändern kann. Vorzugsweise wird die Parallelität der Spiegel dabei gewahrt. Durch Verändern des Spiegelabstands kann die Transmissionswellenlänge über einen gewünschten Arbeitsbereich geschoben werden.According to a preferred development, the Fabry-Perot interferometer has an actuator device which can change a distance between the first mirror and the second mirror. The parallelism of the mirrors is preferably maintained. By changing the The transmission wavelength can be shifted over a desired working range.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Fabry-Perot-Interferometer ein optisches Filterelement auf, welches in einem Strahlengang des Fabry-Perot-Interferometers angeordnet ist und weitere Interferenzordnungen herausfiltert. Insbesondere kann es sich um ein statisches, breitbandiges Interferenzfilter handeln. Das Filterelement kann vor den Spiegeln oder zwischen den Spiegeln und einem Detektor des Fabry-Perot-Interferometers angeordnet sein.According to a preferred development, the Fabry-Perot interferometer has an optical filter element which is arranged in a beam path of the Fabry-Perot interferometer and filters out further interference orders. In particular, it can be a static, broadband interference filter. The filter element can be arranged in front of the mirrors or between the mirrors and a detector of the Fabry-Perot interferometer.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Fabry-Perot-Interferometers sind die Dicken der Schichten derart gewählt, dass sich die Dispersion gegenüber einem Schichtaufbau vergrößert, bei welchem jeder Schicht identische optische Weglängen entsprechen. Die Dispersion soll sich somit gegenüber der Verwendung herkömmlicher Braggspiegel erhöhen. Dies kann durch die Verwendung von Schichten mit unterschiedlichen optischen Weglängen erreicht werden.According to a preferred development of the Fabry-Perot interferometer, the thicknesses of the layers are selected in such a way that the dispersion increases compared to a layer structure in which each layer corresponds to identical optical path lengths. The dispersion should thus increase compared to the use of conventional Bragg mirrors. This can be achieved by using layers with different optical path lengths.

FigurenlisteFigure list

Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer zweitem Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsansicht eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsansicht zur Illustration einer Vielfachbrechung an den beiden Spiegeln;
5 ein Transmissionsspektrum eines Fabry-Perot-Interferometers für unterschiedliche Spiegelreflektanzen;
6 die Reflektanz und die Phasenverschiebung bei der Reflexion am Spiegel als Funktion der Wellenlänge für Braggspiegel mit unterschiedlicher Schichtpaaranzahl;
7 die Reflektanz und die Phasenverschiebung bei der Reflexion am Spiegel als Funktion der Wellenlänge für Braggspiegel mit unterschiedlichem Brechungsindexkontrast;
8 die Transmission eines Fabry-Perot-Interferometers für kollimiertes Licht;
9 die Transmission eines Fabry-Perot-Interferometers für unkollimiertes Licht;
10 eine Verbreiterung von Transmissionspeaks bei Erhöhung eines Konuswinkels bei divergentem Einfall;
11 eine Abhängigkeit der vollen Breite beim halben Maximum vom halben Konuswinkel für ein herkömmliches Fabry-Perot-Interferometer;
12 eine Änderung der Zentralwellenlänge der Transmissionspeaks bei kollimiertem Einfall unter verschiedenen Richtungen;
13 eine schematische Querschnittsansicht eines konventionellen Si/SiCN-Einzelmembran-Fabry-Perot-Interferometers;
14 Reflektanz und Phasenverschiebung bei der Reflexion am Spiegel eines herkömmlichen Si/SiCN-Braggspiegels;
15 Reflektanz und Phasenverschiebung bei der Reflexion am Spiegel eines Spiegels mit hochbrechender Halbwellenlängenschicht als oberster Schicht;
16 eine Peakverbreiterung bei wachsendem halben Konuswinkel für ein erfindungsgemäßes Fabry-Perot-Interferometer;
17 eine Abhängigkeit der vollen Breite beim halben Maximum vom halben Konuswinkel für ein erfindungsgemäßes Fabry-Perot-Interferometer;
18 eine Änderung der Transmissionswellenlänge bei Variation des Einfallswinkels von kollimiertem Licht;
19 ein Transmissionsspektrum für verschiedene Spiegelabstände für ein Fabry-Perot-Interferometer mit fünf Schichten;
20 ein Transmissionsspektrum für verschiedene Spiegelabstände für ein Fabry-Perot-Interferometer mit sieben Schichten; und
21 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Fabry-Perot-Interferometers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Show it:

1 a schematic cross-sectional view of a Fabry-Perot interferometer according to a first embodiment of the invention;
2 a schematic cross-sectional view of a Fabry-Perot interferometer according to a second embodiment of the invention;
3rd a schematic cross-sectional view of a Fabry-Perot interferometer according to a third embodiment of the invention;
4th a schematic cross-sectional view to illustrate a multiple refraction on the two mirrors;
5 a transmission spectrum of a Fabry-Perot interferometer for different mirror reflectances;
6th the reflectance and the phase shift in the reflection at the mirror as a function of the wavelength for Bragg mirrors with different number of layer pairs;
7th the reflectance and the phase shift in the reflection at the mirror as a function of the wavelength for Bragg mirrors with different refractive index contrasts;
8th the transmission of a Fabry-Perot interferometer for collimated light;
9 the transmission of a Fabry-Perot interferometer for uncollimated light;
10 a broadening of transmission peaks when increasing a cone angle with divergent incidence;
11 a dependence of the full width at half maximum on half the cone angle for a conventional Fabry-Perot interferometer;
12th a change in the central wavelength of the transmission peaks with collimated incidence under different directions;
13th a schematic cross-sectional view of a conventional Si / SiCN single membrane Fabry-Perot interferometer;
14th Reflectance and phase shift in the reflection on the mirror of a conventional Si / SiCN Bragg mirror;
15th Reflectance and phase shift in the reflection on the mirror of a mirror with a high-index half-wave length layer as the top layer;
16 a peak broadening with increasing half the cone angle for a Fabry-Perot interferometer according to the invention;
17th a dependence of the full width at half maximum on half the cone angle for a Fabry-Perot interferometer according to the invention;
18th a change in the transmission wavelength with a variation in the angle of incidence of collimated light;
19th a transmission spectrum for different mirror spacings for a Fabry-Perot interferometer with five layers;
20th a transmission spectrum for different mirror spacings for a Fabry-Perot interferometer with seven layers; and
21 a flow diagram of a method for manufacturing a Fabry-Perot interferometer according to an embodiment of the invention.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.Identical or functionally identical elements and devices are provided with the same reference symbols in all figures. The numbering of process steps is for the sake of clarity and is generally not intended to imply a specific chronological order. In particular, several method steps can also be carried out at the same time.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Fabry-Perot-Interferometers 1a, welches einen ersten Spiegel 2a und einen zweiten Spiegel 3a aufweist, welche als Interferenzspiegel wirken und einen Resonator bilden. Ein Detektor 7 detektiert Licht, welches durch die Spiegel nach gegebenenfalls mehrfacher Reflexion im Resonator hindurchtritt. Auf einer dem Detektor 7 abgewandten Seite ist ein optisches Filterelement 6 angeordnet, welches Transmissionspeaks von Interferenzordnungen außerhalb eines spektralen Arbeitsbereichs des Fabry-Perot-Interferometers 1a herausfiltert. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das optische Filterelement 6 auch zwischen dem zweiten Spiegel 3a und dem Detektorelement 7 angeordnet sein. 1 Figure 10 shows a schematic cross-sectional view of a Fabry-Perot interferometer 1a which is a first mirror 2a and a second mirror 3a has, which act as an interference mirror and form a resonator. One detector 7th detects light which passes through the mirrors after possibly multiple reflections in the resonator. On one of the detector 7th remote side is an optical filter element 6th arranged, which transmission peaks of interference orders outside a spectral working range of the Fabry-Perot interferometer 1a filters out. According to further embodiments, the optical filter element 6th also between the second mirror 3a and the detector element 7th be arranged.

Der erste Spiegel 2a weist einen Schichtaufbau auf, mit drei hochbrechenden Schichten 21a, 23a und 25a sowie zwei zwischen jeweils zwei hochbrechenden Schichten 21a, 23a und 25a angeordneten niedrigbrechenden Schichten 22a und 24a. Schichtdicken d1 bis d4 der außenliegenden Schichten, d.h. auf der von einer Kavität 4 zwischen den beiden Spiegeln 2a, 3a abgewandten Seite, weisen eine Viertelwellenlängendicke auf. Die der Kavität 4 zugewandte Schicht 25a weist eine Halbwellenlängendicke auf. Der zweite Spiegel 3a weist ebenfalls einen Schichtaufbau mit fünf Schichten 31a bis 35a auf, wobei die Dicken d1 bis d5 und Materialien der Schichten 31a bis 35a identisch zu den Dicken d1 bis d5 und Materialien der Schichten 21a bis 25a des ersten Spiegels 2a gewählt sind.The first mirror 2a has a layer structure with three high-index layers 21a , 23a and 25a as well as two between two high-index layers 21a , 23a and 25a arranged low refractive index layers 22a and 24a . Layer thicknesses d1 to d4 of the outer layers, ie on that of a cavity 4th between the two mirrors 2a , 3a facing away, have a quarter wavelength thickness. That of the cavity 4th facing layer 25a has a half-wavelength thickness. The second mirror 3a also has a layer structure with five layers 31a to 35a on, with the thicknesses d1 to d5 and materials of the layers 31a to 35a identical to the thicknesses d1 to d5 and materials of the layers 21a to 25a of the first mirror 2a are chosen.

Die Materialien der Schichten können insbesondere Silizium Si oder Germanium Ge als hochbrechendes Material und Siliziumcarbonitrid SiCN, Siliziumnitrid Si₃N₄, siliziumreiches Siliziumnitrid Si₃N₄, Siliziumoxid SiO₂, Siliziumoxinitrid oder beliebige andere Söchiometriekombinationen sowie Aluminiumoxid Al₂O₃, Titanoxid oder Hafniumoxid als niedrigbrechendendes Material umfassen.The materials of the layers can in particular silicon Si or germanium Ge as high-index material and silicon carbonitride SiCN, silicon nitride Si ₃ N ₄ , silicon-rich silicon nitride Si ₃ N ₄ , silicon oxide SiO ₂ , silicon oxynitride or any other combinations of sochiometry as well as aluminum oxide Al ₂ O ₃ , titanium oxide or hafnium oxide as a low refractive index material.

Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Spiegel 2a und 3a unterschiedliche Materialien und/oder Dicken d1 bis d5 und/oder Anzahlen der Schichten aufweisen. Insbesondere kann es sich bei einem der Spiegel 2a, 3a um einen herkömmlichen Braggspiegel mit Viertelwellenlängendicken handeln, während der andere Spiegel 2a, 3a mindestens eine Schicht mit einer entsprechenden größeren optischen Weglänge aufweist.According to further embodiments, the mirrors 2a and 3a have different materials and / or thicknesses d1 to d5 and / or numbers of layers. In particular, it can be one of the mirrors 2a , 3a be a conventional Bragg mirror with quarter-wavelength thicknesses, while the other mirror 2a , 3a has at least one layer with a corresponding greater optical path length.

2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Fabry-Perot-Interferometers 1b, mit einem ersten Spiegel 2b und einem zweiten Spiegel 3b, welche einen Schichtaufbau aufweisen, welcher dem Schichtaufbau der in 1 beschriebenen Spiegel 2a, 3a entsprechen kann. Die Spiegel 2b und 3b sind über eine Opferschicht 12 miteinander verbunden, welche abschnittsweise durch Ätzverfahren freigestellt wird, sodass eine Kavität 4 gebildet wird. Der untere Spiegel 3b ist über eine weitere Opferschicht 14 mit einem Substratwafer 11 verbunden. Die weitere Opferschicht 14 ist teilweise durch Ätzverfahren freigestellt, sodass eine weitere Kavität 15 gebildet wird. Innerhalb der weiteren Kavität 15 sind am zweiten Spiegel 3b und am Substratwafer 11 Aktuierungselektroden 5 angebracht, welche als Aktoreinrichtung dienen und über eine elektrische Kontaktierung 13 von einer (nicht gezeigten) Steuerungseinheit angesteuert werden. Durch Variieren einer an den Aktivierungselektroden 5 anliegenden Spannung kann die Steuereinheit den Abstand der Spiegel 2b, 3b variieren und einstellen. Das Fabry-Perot-Interferometer 1b ist somit durchstimmbar. 2 shows a schematic cross-sectional view of another Fabry-Perot interferometer 1b , with a first mirror 2 B and a second mirror 3b , which have a layer structure which corresponds to the layer structure of the in 1 described mirror 2a , 3a can correspond. The mirror 2 B and 3b are about a sacrificial layer 12th connected to each other, which are exposed in sections by etching, so that a cavity 4th is formed. The lower mirror 3b is about another layer of sacrifice 14th with a substrate wafer 11 connected. The further sacrificial layer 14th is partially exposed by etching, creating an additional cavity 15th is formed. Inside the other cavity 15th are at the second mirror 3b and on the substrate wafer 11 Actuation electrodes 5 attached, which serve as an actuator device and an electrical contact 13th can be controlled by a control unit (not shown). By varying one on the activation electrodes 5 applied voltage, the control unit can determine the distance between the mirrors 2 B , 3b vary and adjust. The Fabry-Perot interferometer 1b is thus tunable.

Weiter sind am ersten Spiegel 2b auf einer dem zweiten Spiegel 3b zugewandten Seite Anschlagsnoppen 8 angebracht. Am zweiten Spiegel 3b sind auf einer dem Substratwafer 11 zugewandten Seite ebenfalls Anschlagsnoppen 8 angebracht. Die Anschlagsnoppen 8 sollen einen direkten Kontakt zwischen dem ersten Spiegel 2b und dem zweiten Spiegel 3b bzw. zwischen dem zweiten Spiegel 3b und dem Substratwafer 11 vermeiden. Auf dem Substratwafer 11 sind weiter beidseitig optionale Antireflexionsschichten 9 vorgesehen, um Reflexionen am Substratwafer 11 zu verringern. Ein Detektor 7 detektiert das durch eine an der Unterseite des Substratwafer 11 angebrachte optische Apertur 10 durchtretende Licht.Next are at the first mirror 2 B on one of the second mirrors 3b facing side stop knobs 8th appropriate. At the second mirror 3b are on one of the substrate wafer 11 facing side also stop knobs 8th appropriate. The stop knobs 8th are supposed to have direct contact between the first mirror 2 B and the second mirror 3b or between the second mirror 3b and the substrate wafer 11 avoid. On the substrate wafer 11 are also optional anti-reflective layers on both sides 9 provided to avoid reflections on the substrate wafer 11 to reduce. One detector 7th detects this by one on the underside of the substrate wafer 11 attached optical aperture 10 penetrating light.

3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Fabry-Perot-Interferometers 1c mit Spiegeln 2c, 3c, wobei sich das Fabry-Perot-Interferometer 1c von dem in 2 gezeigten Fabry-Perot-Interferometer 1b dadurch unterscheidet, dass zusätzlich das Substratmaterial des Substratwafers 11 im optischen Pfad entfernt wurde. 3rd Figure 10 shows a schematic cross-sectional view of a Fabry-Perot interferometer 1c with mirrors 2c , 3c , being the Fabry-Perot interferometer 1c from the in 2 Fabry-Perot interferometer shown 1b differs in that, in addition, the substrate material of the substrate wafer 11 removed in the optical path.

Im Folgenden wird die Funktionsweise von Fabry-Perot-Interferometern genauer erläutert. Die Transmission TFPI eines Fabry-Perot-Interferometers wird durch die Airyformel beschrieben: $T_{FPI} (λ) = \frac{T_{max}}{1 + F_{R} (λ) \cdot {sin}^{2} \frac{ϕ (λ)}{2}} .$

The functioning of Fabry-Perot interferometers is explained in more detail below. The transmission TFPI of a Fabry-Perot interferometer is described by the Airy formula:

T_{FPI} (λ) = \frac{T_{Max}}{1 + {F.}_{R.} (λ) \cdot {sin}^{2} \frac{ϕ (λ)}{2}} .

Hier ist λ die optische Wellenlänge des einfallenden Lichts, Tmax ein skalierender Vorfaktor, F_R(λ) der reflektive Finessekoeffizient und Φ(λ) die optische Phase, die das Licht bei einem Umlauf innerhalb der Kavität des FPIs aufnimmt. Die Transmission wird maximal, wenn der Sinusterm im Nenner verschwindet, d.h., wenn die Interferenzbedingung Φ(λ) = 2πm erfüllt ist, wobei m eine ganze Zahl ist.Here, λ is the optical wavelength of the incident light, Tmax is a scaling factor, F _R (λ) is the reflective finesse coefficient and Φ (λ) is the optical phase that the light picks up during one revolution within the cavity of the FPI. The transmission becomes maximum when the sine term in the denominator disappears, ie when the interference condition Φ (λ) = 2πm is fulfilled, where m is an integer.

4 zeigt hierzu eine schematische Querschnittsansicht zur Illustration einer Vielfachreflexion bzw. -Transmission an den beiden Spiegeln 2a-c, 3a-c mit Abstand dopt, wobei Transmissionskoeffizienten T_A und T_B sowie Reflexionskoeffizienten R_A und R_B eingezeichnet sind, wobei sich der Index A auf den ersten Spiegel 2a-c bezieht und wobei sich der Index B auf den zweiten Spiegel 3a-c bezieht. 4th shows a schematic cross-sectional view to illustrate a multiple reflection or transmission at the two mirrors 2a-c , 3a-c with distance dopt, with transmission coefficients T _A and T _B and reflection coefficients R _A and R _{B are} drawn, with the index A referring to the first mirror 2a-c and where the subscript B refers to the second mirror 3a-c relates.

Abseits der Interferenzbedingungen fällt die Transmission schnell ab, sodass im Phasenraum Transmissionspeaks entstehen. Je höher der reflektive Finessekoeffizient F_R, desto schneller ist der Abfall und desto geringer die Breite der Peaks. Der reflektive Finessekoeffizient F_R ist umso größer, je höher die Reflektanz der verwendeten Spiegel ist.Away from the interference conditions, the transmission drops rapidly, so that transmission peaks arise in the phase space. The higher the reflective finesse coefficient F _R , the faster the decay and the smaller the width of the peaks. The reflective finesse coefficient F _R is greater, the higher the reflectance of the mirror used.

5 zeigt ein Transmissionsspektrum eines Fabry-Perot-Interferometers für unterschiedliche Spiegelreflektanzen R, wobei die volle Breite beim halben Maximum (englisch: full width at half maximum, FWHM), die Peakhöhe C und der freie Spektralbereich (englisch: free spectral ränge, FSR) eingetragen sind. 5 shows a transmission spectrum of a Fabry-Perot interferometer for different mirror reflectances R, the full width at half maximum (FWHM), the peak height C and the free spectral range (FSR) being entered are.

Die optische Phase Φ(λ) ist eine Funktion der Wellenlänge und ist gegeben durch: $ϕ (λ) = 4 π ν_{cav} d \cdot \frac{cos θ}{λ} - ϕ_{MA} (λ) - ϕ_{MB} (λ) .$

The optical phase Φ (λ) is a function of the wavelength and is given by:

ϕ (λ) = 4th π ν_{cav} d \cdot \frac{cos θ}{λ} - ϕ_{MA} (λ) - ϕ_{MB} (λ) .

Der erste Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung wird als Propagationsterm bezeichnet. Weiter ist n_cav der Brechungsindex des Mediums innerhalb der Kavität 4. Insbesondere kann es sich hierbei um Luft oder Vakuum handeln, d.h. n_cav nimmt ungefähr den Wert 1 an. Weiter bezeichnet d die Länge der Kavität, d.h. den Abstand der beiden Spiegel 2a-c, 3a-c, θ bezeichnet den Einfallswinkel des Lichts und Φ_MA(λ), Φ_MB(λ) die optische Phasenverschiebung, die bei der Reflexion am ersten Spiegel 2a-c bzw. zweiten Spiegel 3a-c entsteht. Diese ist im Allgemeinen abhängig von den Brechungsindizes und den Dicken der verwendeten Spiegelmaterialien.The first term on the right hand side of the equation is called the propagation term. Furthermore, n _{cav is} the refractive index of the medium within the cavity 4th . In particular, it can be air or a vacuum, ie n _cav takes approximately the same value 1 at. Furthermore, d denotes the length of the cavity, ie the distance between the two mirrors 2a-c , 3a-c , θ denotes the angle of incidence of the light and Φ _MA (λ), Φ _MB (λ) the optical phase shift that occurs when it is reflected at the first mirror 2a-c or second mirror 3a-c arises. This is generally dependent on the refractive indices and the thickness of the mirror materials used.

Der Einfluss der optischen Phasenverschiebung Φ_MA, Φ_MB bei der Reflexion am Spiegel 2a-c, 3a-c auf die gesamte Phase Φ kann für klassische Fabry-Perot-Interferometer häufig vernachlässigt werden, da er bei großen Spiegelabständen typischerweise klein ist im Vergleich zum Einfluss des Propagationsterms. Für senkrechten Einfall, d.h. θ = 0, resultiert mit der Interferenzbedingung die Relation d = m λ/2, d.h. die Transmission wird maximal, wenn der Spiegelabstand einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht.The influence of the optical phase shift Φ _MA , Φ _MB on reflection on the mirror 2a-c , 3a-c the entire phase Φ can often be neglected for classic Fabry-Perot interferometers, since it is typically small in the case of large mirror spacings compared to the influence of the propagation term. For perpendicular incidence, ie θ = 0, the relation d = m λ / 2 results with the interference condition, ie the transmission becomes maximum when the mirror spacing corresponds to an integral multiple of half the wavelength.

Bei der Verwendung von herkömmlichen Braggspiegeln mit Viertelwellenlängendicke, für welche die Reflektanz maximal werden soll, ist diese Bedingung im Bereich der Designwellenlänge gut erfüllt.When using conventional Bragg mirrors with a quarter wavelength thickness, for which the reflectance is to be maximum, this condition is well met in the range of the design wavelength.

6 zeigt die Reflektanz R (oben) und die Phasenverschiebung Φ_MA für eine Reflexion an einem der Spiegel 2a-c, 3a-c (unten) als Funktion der Wellenlänge für herkömmliche Braggspiegel mit unterschiedlicher Schichtpaaranzahl N = 1, 2, 3, 4. 6th shows the reflectance R (top) and the phase shift Φ _MA for a reflection at one of the mirrors 2a-c , 3a-c (below) as a function of the wavelength for conventional Bragg mirrors with a different number of layer pairs N = 1, 2, 3, 4.

7 zeigt die Reflektanz R (oben) und die Phasenverschiebung Φ_MA für eine Reflexion an einem der Spiegel 2a-c, 3a-c (unten) als Funktion der Wellenlänge für herkömmliche Braggspiegel mit unterschiedlichem Brechungsindexkontrast Δn = 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 zwischen den beiden verwendeten Materialien. Bei der Designwellenlänge ist die Phasenverschiebung gleich π und variiert innerhalb des Reflexionsplateaus nur geringfügig. Die beiden Phasenverschiebungen Φ_MA, Φ_MB der Spiegel 2a-c, 3a-c betragen zusammengenommen somit ungefähr 2π und tragen somit nicht zur Interferenzbedingung bei. 7th shows the reflectance R (top) and the phase shift Φ _MA for a reflection at one of the mirrors 2a-c , 3a-c (below) as a function of the wavelength for conventional Bragg mirrors with different refractive index contrasts Δn = 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 between the two materials used. At the design wavelength, the phase shift is equal to π and varies only slightly within the reflection plateau. The two phase shifts Φ _MA , Φ _{MB of} the mirrors 2a-c , 3a-c taken together are thus approximately 2π and thus do not contribute to the interference condition.

Für einen festen Spiegelabstand und für einen festen Einfallswinkel lässt sich die Beziehung zwischen Phase und Wellenlänge in einem Bereich um die Designwellenlänge linearisieren: $ϕ (λ) = a (λ− λ_{0}) .$

For a fixed mirror spacing and for a fixed angle of incidence, the relationship between phase and wavelength can be linearized in a range around the design wavelength:

ϕ (λ) = a (λ− λ_{0}) .

Hierbei ist der Vorfaktor a(d,θ) eine Funktion des Spiegelabstands und des Einfallswinkels. Bei einem erhöhten Einfallswinkel findet eine Blauverschiebung statt, d.h. die Transmissionswellenlänge verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen. Bei divergentem Einfall verbreitert sich dadurch die Transmissionscharakteristik, während bei kollimiertem Einfall die Transmissionswellenlänge winkelabhängig ist, was für viele Anwendungen unerwünscht ist.Here, the prefactor a (d, θ) is a function of the mirror distance and the angle of incidence. At an increased angle of incidence a blue shift takes place, i.e. the transmission wavelength shifts to shorter wavelengths. In the case of divergent incidence, the transmission characteristic is broadened, while in the case of collimated incidence the transmission wavelength is angle-dependent, which is undesirable for many applications.

8 zeigt die von der Wellenlänge λ abhängende Transmission T eines herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometers mit zwei Spiegeln A, B für kollimiertes Licht und 9 zeigt die Transmission T des herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometers für unkollimiertes Licht. Durch die unterschiedliche Interferenzbedingung für jeden Einfallswinkel in der Einfallswinkelverteilung des unkollimierten Lichts verbreitert sich der Transmissionspeak im Vergleich zum kollimierten Einfall. 8th shows the transmission T, which depends on the wavelength λ, of a conventional Fabry-Perot interferometer with two mirrors A, B for collimated light and 9 shows the transmission T of the conventional Fabry-Perot interferometer for uncollimated light. Due to the different interference conditions for each angle of incidence in the angle of incidence distribution of the uncollimated light, the transmission peak widens compared to the collimated incidence.

Da die Transmissionswellenlänge stark durch den Spiegelabstand beeinflusst wird, muss dieser bis auf Nanometer genau geregelt werden, um eine exakte Transmissionswellenlänge einzustellen. Genauso wie divergenter Einfall, d.h. eine Einfallswinkelverteilung, führt auch eine Inhomogenität im Spiegelabstand, zum Beispiel durch schiefgestellte oder gewölbte Spiegel, zu einer Verbreiterung der Transmissionscharakteristik.Since the transmission wavelength is strongly influenced by the mirror spacing, this must be regulated to the nearest nanometer in order to set an exact transmission wavelength. Just like divergent incidence, i.e. an angle of incidence distribution, an inhomogeneity in the mirror spacing, for example due to tilted or curved mirrors, leads to a broadening of the transmission characteristic.

10 zeigt eine Verbreiterung von Transmissionspeaks bei Erhöhung eines Konuswinkels bei divergentem Einfall für herkömmliche Fabry-Perot-Interferometer. Der Pfeil zeigt hierbei eine Veränderung des Transmissionspeaks von einem halben Konuswinkel (Kegelwinkel) α von 0° bis hin zu einem halben Konuswinkel α von 10° an. 10 shows a broadening of transmission peaks when a cone angle increases with divergent incidence for conventional Fabry-Perot interferometers. The arrow shows a change here of the transmission peak from half a cone angle (cone angle) α of 0 ° up to a half cone angle α of 10 °.

11 zeigt eine Abhängigkeit der vollen Breite beim halben Maximum (FWHM) vom halben Konuswinkel α für ein herkömmliches Fabry-Perot-Interferometer. Ein höheres Einfallswinkelintervall führt somit zu einem Auflösungsverlust. 11 shows a dependence of the full width at half maximum (FWHM) on half the cone angle α for a conventional Fabry-Perot interferometer. A higher angle of incidence interval thus leads to a loss of resolution.

12 zeigt eine Änderung der Zentralwellenlänge λ_P der Transmissionspeaks bei kollimiertem Einfall unter verschiedenen Einfallswinkeln β. Die Transmissionswellenlänge verschiebt sich zu blauen Wellenlängen. 12th shows a change in the central wavelength λ _{P of} the transmission peaks with collimated incidence at different angles of incidence β. The transmission wavelength shifts to blue wavelengths.

13 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines konventionellen Si/SiCN-Einzelmembran-Fabry-Perot-Interferometers 100 mit einem ersten Spiegel 101 mit Ätzkanälen und einem zweiten Spiegel 102. 13th FIG. 13 shows a schematic cross-sectional view of a conventional Si / SiCN single membrane Fabry-Perot interferometer 100 with a first mirror 101 with etching channels and a second mirror 102 .

Durch die erfindungsgemäße Wahl von Schichtdicken mit unterschiedlichen entsprechenden optischen Weglängen kann die Phasenverschiebung Φ_MA, Φ_MB bei der Reflexion in einem gewünschten spektralen Wellenlängenbereich hochdispersiv werden, d.h., Φ_MA(λ) und Φ_MB(λ) variieren sehr schnell mit der Wellenlänge. Dadurch wird die Wellenlängenabhängigkeit der gesamten Phase Φ(λ) beim Durchlaufen der Kavität, Φ(λ), im Wesentlichen von Φ_MA(λ) und Φ_MB(λ) dominiert. Der Propagationsterm kann vernachlässigt werden. Das Fabry-Perot-Interferometer 1a-1c zeigt somit nur eine geringe zusätzliche Verbreiterung der Transmissionspeaks, d.h. einen geringen Auflösungsverlust, bei Beleuchtung mit divergentem Licht bzw. nur eine geringe Verschiebung in der Transmissionswellenlänge bei Beleuchtung mit kollimiertem Licht mit variierendem Einfallswinkel. Gleichermaßen führt eine Abweichung von der Parallelität der Spiegel 2a-c, 3a-c nur zu einer geringen Verbreiterung der Peaks und eine Variation des Spiegelabstandes über die Zeit nur zu einer kleinen Verschiebung der Transmissionswellenlänge.By choosing layer thicknesses according to the invention with different corresponding optical path lengths, the phase shift Φ _MA , Φ _MB in the reflection in a desired spectral wavelength range can be highly dispersive, that is, Φ _MA (λ) and Φ _MB (λ) vary very quickly with the wavelength. As a result, the wavelength dependence of the entire phase Φ (λ) when passing through the cavity, Φ (λ), is essentially dominated by Φ _MA (λ) and Φ _MB (λ). The propagation term can be neglected. The Fabry-Perot interferometer 1a-1c thus shows only a slight additional broadening of the transmission peaks, ie a slight loss of resolution, when illuminated with divergent light or only a slight shift in the transmission wavelength when illuminated with collimated light with a varying angle of incidence. A deviation from the parallelism of the mirrors results in the same way 2a-c , 3a-c only to a slight broadening of the peaks and a variation of the mirror spacing over time only to a small shift in the transmission wavelength.

Die Aktoreinrichtung 5 der in den 2 und 3 illustrierten Fabry-Perot-Interferometer 1b, 1c ist in entsprechender Weise ausgestaltet, um die gegenüber herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometern vergrößerten Spiegelverstellwege bereitzustellen, welche erforderlich sind, um den Transmissionspeak über einen gewissen Wellenlängenbereich durchzustimmen.The actuator device 5 the in the 2 and 3rd illustrated Fabry-Perot interferometer 1b , 1c is designed in a corresponding manner in order to provide the mirror adjustment paths which are larger than conventional Fabry-Perot interferometers and which are required to tune the transmission peak over a certain wavelength range.

14 zeigt die Reflektanz R und die Phasenverschiebung Φ bei eine Reflexion an einem herkömmlichen Si/SiCN-Braggspiegels. Die Dicke der Siliziumschichten wird für eine Designwellenlänge von 1550 nm gleich d_Si = 1550/(4·n_Si) = 110 nm gewählt, wobei n_Si der Brechungsindex von Silizium ist. Die Dicke der Siliziumcarbonitridschicht ist gleich d_SiCN = 1550/(4·SiCN) = 215 nm gewählt, wobei n_SiCN der Brechungsindex von Siliziumcarbonitrid ist. Die Reflektanz ist bei der Designwellenlänge maximal, die Phasenverschiebung bei der Reflexion am Spiegel beträgt π und variiert nur langsam mit der Wellenlänge. 14th shows the reflectance R and the phase shift Φ for a reflection on a conventional Si / SiCN Bragg mirror. For a design wavelength of 1550 nm, the thickness of the silicon layers is chosen equal to d_Si = 1550 / (4 * n_Si) = 110 nm, where n_Si is the refractive index of silicon. The thickness of the silicon carbonitride layer is selected to be d_SiCN = 1550 / (4 * SiCN) = 215 nm, where n_SiCN is the refractive index of silicon carbonitride. The reflectance is maximum at the design wavelength, the phase shift in the reflection at the mirror is π and varies only slowly with the wavelength.

15 zeigt die Reflektanz R und die Phasenverschiebung Φ bei der Reflexion an einem der Spiegel 2a-c, 3a-c mit hochbrechender Halbwellenlängenschicht als oberster Schicht, d.h. der Kavität 4 zugewandter Schicht. Die Halbwellenlängenschicht hat eine doppelte Dicke d_Si = 220 nm. Der Phasensprung von 2π bei 1550 nm ist physikalisch irrelevant. Aufgrund der Halbwellenlängendicke der innersten Schicht zeigt die Reflektanz einen Dip. Die Phasenverschiebung bei der Reflexion am Spiegel weist in diesem Bereich maximale Dispersion auf. 15th shows the reflectance R and the phase shift Φ during the reflection on one of the mirrors 2a-c , 3a-c with a high-index half-wavelength layer as the top layer, ie the cavity 4th facing layer. The half-wavelength layer has a double thickness d_Si = 220 nm. The phase jump of 2π at 1550 nm is physically irrelevant. Due to the half-wavelength thickness of the innermost layer, the reflectance shows a dip. The phase shift in the reflection on the mirror shows maximum dispersion in this area.

16 zeigt eine Peakverbreiterung bei wachsendem halben Konuswinkel von 0° bis 10° für ein erfindungsgemäßes Fabry-Perot-Interferometer 1a-c. Für beide Spiegel 2a-c, 3a-c weist die jeweils innerste, d.h. an die Kavität 4 angrenzende Schicht eine Halbwellenlängendicke auf. Die Peaks verbreitern sich um weniger als 1 nm im Vergleich zu 9 nm bei herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometern. 16 shows a peak broadening with increasing half cone angle from 0 ° to 10 ° for a Fabry-Perot interferometer according to the invention 1a-c . For both mirrors 2a-c , 3a-c indicates the innermost one, ie to the cavity 4th adjacent layer a half-wavelength thickness. The peaks broaden by less than 1 nm compared to 9 nm in conventional Fabry-Perot interferometers.

17 zeigt eine Abhängigkeit der vollen Breite beim halben Maximum vom halben Konuswinkel für ein erfindungsgemäßes Fabry-Perot-Interferometer 1a-c. Der höhere FWHM-Wert bei 0°, das heißt bei kollimiert normalem Einfall, im Vergleich zum herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometer ist auf die geringere reflektive Finesse aufgrund der reduzierten Reflektanz bei einer Designwellenlänge von 1550 nm zurückzuführen. Durch Verwendung weiterer Viertelwellenlängenschichtpaare an der zur Kavität 4 zeigenden Seite der Spiegel 2a-c, 3a-c kann dieser Effekt reduziert werden. 17th shows a dependence of the full width at half maximum on half the cone angle for a Fabry-Perot interferometer according to the invention 1a-c . The higher FWHM value at 0 °, i.e. with collimated normal incidence, compared to the conventional Fabry-Perot interferometer is due to the lower reflective finesse due to the reduced reflectance at a design wavelength of 1550 nm. By using further quarter-wavelength layer pairs on the one facing the cavity 4th facing side of the mirror 2a-c , 3a-c this effect can be reduced.

18 zeigt eine Änderung der Transmissionswellenlänge bei Variation des Einfallswinkels von kollimiertem Licht. Die Phasenverschiebung der Transmissionswellenlänge bei der Reflexion am Spiegel beträgt lediglich 5 nm im Vergleich zu 16 nm bei herkömmlichen Fabry-Perot-Interferometern. 18th shows a change in the transmission wavelength with a variation in the angle of incidence of collimated light. The phase shift of the transmission wavelength during reflection at the mirror is only 5 nm compared to 16 nm in conventional Fabry-Perot interferometers.

19 zeigt ein Transmissionsspektrum für verschiedene Spiegelabstände, welche in Pfeilrichtung zunehmen, für ein Fabry-Perot-Interferometer 1b, 1c mit variablem Spiegelabstand und mit fünf Schichten. Der Schichtaufbau umfasst eine dicke Siliziumschicht mit Halbwellenlängendicke, eine erste SiCN-Schicht, eine zweite Si-Schicht, eine dritte SiCN-Schicht und eine dritte Si-Schicht, wobei die verbleibenden Schichten jeweils eine Viertelwellenlängendicke aufweisen. 19th shows a transmission spectrum for different mirror spacings, which increase in the direction of the arrow, for a Fabry-Perot interferometer 1b , 1c with variable mirror spacing and with five layers. The layer structure comprises a thick silicon layer with half wavelength thickness, a first SiCN layer, a second Si layer, a third SiCN layer and a third Si layer, the remaining layers each having a quarter wavelength thickness.

20 zeigt ein Transmissionsspektrum für verschiedene Spiegelabstände für ein Fabry-Perot-Interferometer mit sieben Schichten, d.h. einer weiteren SiCN-Schicht und einer weiteren Si-Schicht, jeweils mit Viertelwellenlängendicke. Die Peaks werden durch Durchstimmen des optischen Spalts 4 zwischen den Spiegeln 2a-c, 3a-c über einen spektralen Bereich mit hoher Dispersion der Phasenverschiebung um die Zentralwellenlänge verschoben. Das Fabry-Perot-Interferometer 1a-c mit den sieben Schichten zeigt eine deutlich geringere Breite und bessere Signalunterdrückung außerhalb der Peaks, was im Wesentlichen auf die höhere Reflektanz der Spiegel in diesem Spektralbereich zurückzuführen ist. 20th shows a transmission spectrum for different mirror spacings for a Fabry-Perot interferometer with seven layers, ie a further SiCN layer and a further Si layer, each with a quarter wavelength thickness. The peaks are obtained by tuning the optical slit 4th between the mirrors 2a-c , 3a-c The phase shift is shifted around the central wavelength over a spectral range with high dispersion. The Fabry-Perot interferometer 1a-c with the seven layers shows a significantly smaller width and better signal suppression outside the peaks, which is essentially due to the higher reflectance of the mirrors in this spectral range.

Die Transmissionswellenlänge λ variiert in den 19 und 20 in einem Bereich zwischen 1500 nm und 1600 nm. Dazu wird für den 5-lagigen Aufbau der Spiegelabstand in einem Bereich zwischen 650 nm und 1000 nm variiert. Für den 7-lagigen Aufbau wird der Spiegelabstand zwischen 800 nm und 1100 nm variiert. Es ist somit eine größere Variation des Spiegelabstandes nötig als für ein konventionelles Fabry-Perot-Interferometer mit Braggspiegeln, da die starke Dispersion der Reflexionsphase gegenüber der Variation der Phase durch den Propagationsterm dominiert. Dadurch muss der Abstand der beiden Spiegel 2a-c, 3a-c aber auch weniger genau kontrolliert werden, als dies beim konventionellen Fabry-Perot-Interferometer der Fall ist.The transmission wavelength λ varies in the 19th and 20th in a range between 1500 nm and 1600 nm. For this purpose, the mirror spacing is varied in a range between 650 nm and 1000 nm for the 5-layer structure. For the 7-layer structure, the mirror spacing is varied between 800 nm and 1100 nm. A greater variation in the mirror spacing is therefore necessary than for a conventional Fabry-Perot interferometer with Bragg mirrors, since the strong dispersion of the reflection phase dominates over the variation of the phase caused by the propagation term. This must be the distance between the two mirrors 2a-c , 3a-c but also less precisely controlled than is the case with the conventional Fabry-Perot interferometer.

Die beiden linken Peaks in 20 entsprechen anderen Interferenzordnungen als der gewünschten Arbeitsordnung. Durch Verwendung eines breitbandigen statischen Filterelements können diese herausgefiltert werden.The two peaks on the left in 20th correspond to other interference orders than the desired working order. These can be filtered out by using a broadband static filter element.

21 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Fabry-Perot-Interferometers 1a-1c gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 21 FIG. 10 shows a flow diagram of a method for manufacturing a Fabry-Perot interferometer 1a-1c according to one embodiment of the invention.

In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein erster Spiegel 2a-c ausgebildet. In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird ein zweiter Spiegel 3a-c ausgebildet, welcher von dem ersten Spiegel beabstandet ist. Weiter wird in einem dritten Verfahrensschritt S3 zwischen dem ersten Spiegel 2a-c und dem zweiten Spiegel 3a-c i eine Kavität 4 ausgebildet, sodass der erste Spiegel 2a-c und der zweite Spiegel 3a-c einen optischen Resonator bilden. Der erste Spiegel 2a-c und/oder der zweite Spiegel 3a-c weisen eine Vielzahl von Schichten auf, wobei die Schichtdicken derart gewählt werden, dass sich die optischen Weglängen, welche den Schichtdicken entsprechen, zumindest teilweise voneinander unterscheiden.In a first process step S1 becomes a first mirror 2a-c educated. In a second process step S2 becomes a second mirror 3a-c formed which is spaced from the first mirror. Next is in a third process step S3 between the first mirror 2a-c and the second mirror 3a-c i a cavity 4th formed so that the first mirror 2a-c and the second mirror 3a-c form an optical resonator. The first mirror 2a-c and / or the second mirror 3a-c have a multiplicity of layers, the layer thicknesses being selected in such a way that the optical path lengths which correspond to the layer thicknesses differ from one another at least in part.

Die Verfahrensschritte können gleichzeitig oder auch in anderer Reihenfolge durchgeführt werden. Beispielweise kann Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden, um einen der beiden Spiegel 2a-c, 3a-c als Membranspiegel freizustellen. Insbesondere können auch beide Spiegel freigestellt werden, wie in 2 und 3 illustriert. Der untere Spiegel 3a-c kann mechanisch in Richtung des Substratwafers 11 gezogen werden, um eine Vergrößerung des Spiegelabstandes während der Aktuation zu erreichen.The process steps can be carried out simultaneously or in a different order. For example, surface micromechanics can be used to adjust one of the two mirrors 2a-c , 3a-c to be released as a membrane mirror. In particular, both mirrors can also be exposed, as in 2 and 3rd illustrated. The lower mirror 3a-c can mechanically in the direction of the substrate wafer 11 be pulled in order to increase the mirror distance during the actuation.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 60205666 T2 [0004]
DE 69922042 T2 [0004]
US 2012050751 A1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

M. Ebermann et al., “Tunable MEMS Fabry-Perot filters for infrared microspectrometers: a review”, Proc. of SPIE, 2016 [0002]

Claims

Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c), with: a first mirror (2a; 2b; 2c); and a second mirror (3a; 3b; 3c) which is arranged at a distance from the first mirror (2a; 2b; 2c) so that the first mirror (2a; 2b; 2c) and the second mirror (3a; 3b; 3c) have a form optical resonator; wherein the first mirror (2a; 2b; 2c) and / or wherein the second mirror (3a; 3b; 3c) comprises a plurality of layers (21a-25a; 31a-35a); wherein the thicknesses (d1-d5) of the layers (21a-25a; 31a-35a) are selected such that the optical path lengths corresponding to the thicknesses (d1-d5) of the layers (21a-25a; 31a-35a) differ at least partially from one another .

Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c) according to Claim 1 , wherein at least one layer (25a; 35a) has a thickness (d5) whose optical path length is a multiple of an optical path length of at least one further layer (22a-25a; 32a-35a) of the plurality of layers (21a-25a; 31a- 35a).

Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c) according to Claim 2 , wherein at least one layer (21a-25a; 31a-35a) has a thickness (d5), the optical path length of which is twice an optical path length of at least one further layer (21a-25a; 31a-35a) of the plurality of layers (21a- 25a; 31a-35a).

Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c) according to one of the preceding claims, wherein a layer (25a; 35a) which forms a cavity (4) between the first mirror (2a; 2b; 2c) and the second mirror (3a ; 3b; 3c) has a thickness (d5), the optical path length of which is greater than an optical path length of at least one further layer (22a-25a; 32a-35a) of the plurality of layers (22a-25a; 32a-35a ).

Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c) according to one of the Claims 1 to 4th wherein the optical path length of the at least one further layer (21a-25a; 31a-35a) of the plurality of layers (21a-25a; 31a-35a) is a quarter of one of the Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c) filtering wavelength.

Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c) according to one of the preceding claims, further comprising an actuator device (5) which is designed to set a distance between the first mirror (2a; 2b; 2c) and the second mirror (3a ; 3b; 3c).

Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c) according to one of the preceding claims, further comprising an optical filter element (6) which is arranged in a beam path of the Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c) and is designed for this purpose to filter out higher interference orders.

Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c) according to one of the preceding claims, wherein the thicknesses (d1-d5) of the layers (21a-25a; 31a-35a) are selected such that the dispersion increases compared to a layer structure, in which each layer (21a-25a; 31a-35a) corresponds to identical optical path lengths.

Method for manufacturing a Fabry-Perot interferometer (1a: 1b; 1c), with the steps: Forming a first mirror (2a; 2b; 2c); and Forming a second mirror (3a; 3b; 3c) which is formed at a distance from the first mirror (2a; 2b; 2c), Forming a cavity (4) between the first mirror (2a; 2b; 2c) and the second mirror (3a; 3b; 3c) so that the first mirror (2a; 2b; 2c) and the second mirror (3a; 3b; 3c ) form an optical resonator; wherein the first mirror (2a; 2b; 2c) and / or the second mirror (3a; 3b; 3c) comprises a plurality of layers (21a-25a; 31a-35a); wherein the thicknesses (d1-d5) of the layers (21a-25a; 31a-35a) are selected such that the optical path lengths corresponding to the thicknesses (d1-d5) of the layers (21a-25a; 31a-35a) differ from one another at least partially .

Procedure according to Claim 9 , wherein at least one layer (21a-25a; 3 1a-35a) is formed with a thickness (d5) whose optical path length is twice an optical path length of at least one further layer (21a-25a; 31a-35a) of the plurality of layers (21a-25a; 31a-35a).