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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Komponenten, insbesondere
abstimmbare optische Komponenten.
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Nach
dem Stand der Technik gelten breit abstimmbare Laser als wesentliche
Elemente von optischen Kommunikationssystemen auf der Basis der Dense
Wavelength-Division Modulation (DWDM) und von wellenlängengesteuerten
optischen Systemen. Festkörperlaserlichtquellen
existieren zur Zeit in Form von Multi-Section-Distributed-Bragg-Reflector-(DBR) Lasern.
Zum Beispiel bietet Marconi Caswell Limited, Towcester, UK einen
4-fachen Sampled Grating Injection-Tuned DBR Laser (DC9806D) einer Bandbreite
von > 50 nm an. Jedoch
ist die mögliche Leistungsabgabe
solcher monolithischer abstimmbarer Quellen geringer als die von
Geräten
mit fester Wellenlänge.
Außerdem
benötigt
die Abstimmung dieser Geräte
einen komplexen, auf gespeicherten Kalibrierungsdaten basierenden
Steueralgorithmus, der mit dem Altern des Lasers ungenau werden
kann.
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Als
Alternative bieten sich Laser mit externem Resonator an, die über den
Vorteil einer höheren
Ausgangsleistung verfügen
können,
einer einfacheren Beziehung zwischen Steuersignal und Emissionswellenlänge, eines
reduzierten Modenrauschens während
der Durchstimmung sowie einer reduzierten Empfindlichkeit gegenüber Alterung.
Externe Resonatoren auf der Basis von thermisch durchgestimmten
externen Fiberglas-Bragg-Gittern erlauben eine exzellente Frequenzauswahl,
aber eine begrenzte Durchstimmungsbandbreite; Mechanisch durchgestimmte
dispersive Gitter bieten eine geringere Selektivität, dafür aber eine
breitere Durchstimmungsbandbreite. Nun sind auch Laser mit externem Resonator
mit dispersiven Gittern verfügbar.
Wie bei den konventionellen Farblasern mit Gitterdurchstimmbarkeit
sind die meistgenutzten Geometrien für gitterdurchstimmbare Diodenlaser
die Littrow- (siehe Wyatt R., Devlin W. J. „10 kHz linewidth 1,5 μm InGaAsP
external cavity laser with 55 nm tuning range" Elect. Lett 19, 110–112 (1983)) und Littmann-Resonator-Anordnung (siehe
Littmann M. G., Metcalf H. J. „Spectrally
narrow pulsed dye laser without a beam expander" Appl. Opt. 17, 2224–2227 (1978), Liu, K. C., Littmann
M. G. „Novel
geometry for single mode scanning of a tunable laser" Opt. Lett. 6, 117–118 (1981)).
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Die
den Benutzern hauptsächlich
entgegenstehenden Probleme dieser Resonatoren bestehen darin, 1)
eine modensprungfreie Durchstimmung, 2) thermische und mechanische
Stabilität,
3) eine hohe Wellenlängenselektivität und 4)
eine breite Durchstimmungsbandbreite zu gewährleisten. Modensprünge finden
statt, weil der Resonator ein diskretes Set von Longitudinalmoden
unterstützt,
die zu einem diskreten Set von optischen Wellenlängen gehören. Um zu versichern, daß immer
dieselbe Mode vom Gitter ausgewählt
wird, muß sich
die Länge
des Resonators während
der Durchstimmung verändern. Einzelne
Durchstimmungsschemata haben piezoelektrische und Motortranslation,
Phasenplatten und Phasenmodulationssektionen im Laser verwendet, um
die scheinbare Resonatorlänge
zu verändern.
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Derselbe
Effekt kann auch mit einer wohl gewählten einzigen Bewegung erreicht
werden (als „Synchrones
Durchstimmen" bekannt).
Diese Bewegung beinhaltet ein Drehen des Durchstimmungselements
(Gitter oder Spiegel) um einen Punkt, der nicht dessen Mittelpunkt
ist, und solche optimalen Drehpunkte sind sowohl für Littrow-
(Favre F., Le Guen D., „Process
of adjustment of a continuously tunable light source" US Patent 5 347
527 527 Sept 1994) als auch für
Littman- (Radians „INTUN
1530 Continuous Tunable External Cavity Laser" Product Bulletin) Resonatoren gefunden
worden.
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Die
meisten gewerblich verfügbaren
durchstimmbaren Diodenlasersysteme mit externem Resonator sind aus
getrennten Komponenten aufgebaut auf Laborschaltbrettern aus sich
wenig ausdehnendem Metall. Die Durchstimmung wird meistens entweder
mittels motorgestützter
Rotation oder piezoelektrischem Antrieb durchgeführt. Obwohl ihre optische Leistung
sehr gut ist, sind diese Systeme extrem teuer, die Gehäuseausdehnung
ist sehr groß (viele
cm) und die Durchstimmung ist für
eine Benutzung im Bereich der Kommunikationstechnik zu langsam.
Daher sind die verfügbaren
Systeme generell auf Versuchszwecke beschränkt, Die kleinsten vorgeführten System
haben miniaturisierte Gehäuse
beinhaltet, die entweder fixierte oder durchstimmbare Littrow-Resonatoren
enthalten.
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Miniaturisierung
und Integration sind deswegen attraktiv, weil sie einerseits Größe und Kosten
reduzieren, andererseits mechanische und thermische Stabilität, Longitudinalmodenseparation
sowie Geschwindigkeit und Präzision
von synchronen Durchstimmmechanismen steigern sollten. Brauchbar
konstruierte Laser könnten
eine wertvolle Ersatzfunktion in DWDM-Systemen erfüllen oder
als agile Quellen in auf Wellenlängendurchstimmung
basierenden Netzwerken fungieren.
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Mikroelektromechanische
Systeme (MEMS) beziehen sich auf kleine elektromechanische Geräte, die
unter Verwendung von Silikon- (oder ähnliches) Prozeßtechniken
hergestellt werden. MEMS-Geräte können aus
einer großen
Bandbreite von Materialien hergestellt sein, inklusive Halbleiter
(Silikon, Germanium, Galliumarsenid, Indiumphosphid), Diamant und
Metalle. Die MEMS-Technologie
stellt einen geeigneten Integrationsweg dar, aber ihr Einfluß auf durchstimmbare
Laser ist bisher gering. Es sind Hybrid-MEMS durchstimmbare Laser
mit externem Resonator demonstriert worden, bei denen anstelle von Blaze-Reflexionsgittern
kleine galvanisch vernickelte Spiegel nahe an der AR Laser Facette
eines Diodenlasers plaziert wurden. Folglich war der externe Resonator
vom Fabry-Perot-Typ. Die Systeme haben schlechte Durchstimmungseingenschaften
gezeigt (Uenishi Y., Tsugai M., Mehregany M. „Hybrid-integrated laser diode
micro-external mirror fabricated by (110) silicon micromachining" Elect. Lett. 31, 965–966 (1965),
Uenishi Y., Honma K., Nagaoka S. „Tunable laser diode using
a nickel micromachined external mirror" Elect. Lett. 32, 1207–1208 (1996)).
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Der
Halbleiterlaser (VCSEL) mit vertikalem Hohlraum ist eine alternative
Form eines Lasers, der das Licht senkrecht zu einer Waverebene emittiert (anstelle
einer abgespaltenen Randfläche
wie bei einer herkömmlichen
Laserdiode). Ein mechanisch beweglicher Spiegel kann unter Verwendung
von Multilayer-Ablagerung
und Ätzung über der
Waferoberfläche
aufgebaut sein. Dies kann mit einem VCSEL kombiniert werden, um
daraus einen verstimmbaren Laser zu formen, auch hier wieder mit
einem externem Fabry-Perot-Resonator.
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Der
Hauptvorteil des VCSEL-Ansatzes liegt in der Möglichkeit, extrem kleine, monolithisch
integrierte Laser mit einem selbstausrichtenden Resonator zu konstruieren.
Dadurch sind die Durchstimmgeschwindigkeit und die Stabilität wahrscheinlich
hoch und der Resonator ist automatisch zum Lasern ausgerichtet.
Testen kann auch bei laufendem Wafer durchgeführt werden. Die Hauptnachteile
sind, daß komplett
neue Laserstrukturen benötigt
werden und daß die
Ausgangsleistung wegen des reduzierten aktiven Volumens wahrscheinlich
niedriger sein wird. Auch die Durchstimmcharakteristik kann komplizierter
sein, weil das Konstruieren eines Durchstimmmechanismus nötig ist,
der, wie vorher diskutiert, äquivalent
zur optimalen Drehung sein muß.
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Dafür gibt es
einen Fall von durchstimmbaren Hybridlasern, die über Verstärkungssblöcke (d.h. optische
Verstärker)
auf der Basis von existierenden streifenemittierenden Dioden verfügen, die
aber die MEMS-Technologie für
den durchstimmbaren externen Resonator verwenden. Bis vor kurzem
waren noch keine Prozesse verfügbar,
um die in solchen Lasern benötigten
hochqualitativen Komponenten herzustellen. Zum Beispiel wurden die
meisten mikrotechnischen Vorrichtungen unter Verwendung von Polysilikon-Oberflächen-Mikrobearbeitung
konstruiert. Diese Herstellungstechnik erlaubt die Herstellung von
Drehlagern, aber die Verwendung von dünnen abgelagerten Polysilikonschichten
mündet
in schwachen Komponenten mit schlechten mechanischen Eigenschaften
und der Bedarf an Zwischenräumen
in der Lithografie verursacht Schlamm und Instabilität in den
Drehlagern (Fan L. S., Tai Y.-C., Muller R. S. „Integrated movable micromechanical structures
for sensors and actuators" IEEE
Trans. Delectron Devices 35, 724–730 (1988), Mehregany M.,
Gabriel K. J., Trimmer W. S. N. „Integrated fabrication of
polysilicon mechanisms" IEEE
Trans. Electron Devices 35, 719–723
(1988)).
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen abstimmbaren optischen Resonator
bereit, der einen Hohlraum aufweist, der auf einer Achse an einem Ende
durch einen Reflektor und auf der gegenüberliegenden Seite durch ein
Reflexionsgitter begrenzt ist; bei dem das Reflexionsgitter von
einer flexiblen Halterung gehaltert ist, der optische Resonator
außerdem
eine Vorrichtung zur Einstellung des Resonators entlang der Achse
aufweist, in dem sie das Gitter zu einer simulierten Rotation um
einen ausgewählten
Punkt durch Biegung der flexiblen Halterung bringt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird eine durchstimmbare Laserlichtquelle bereitgestellt,
die den durchstimmbaren optischen Resonator aufweist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein durchstimmbarer optischer Filter bereitgestellt,
der den durchstimmbaren optischen Resonator aufweist.
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Ausgestaltungen
der Erfindung werden nun beispielshalber anhand der angehängten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung der Hauptelemente eines Littrow-Resonators
der herkömmlichen
Art zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung der Hauptelemente eines Littman-Resonators
der herkömmlichen
Art zeigt;
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3 beispielhaft
ein MEMS-aufgehängtes mechanisches
Teil zeigt, das nutzbar ist für
die Verwendung in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 die
Anordnung eines MEMS-Littrow-Resonators nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 und 6 die
Prinzipien einer Ausleger- und Portalrahmenkonstruktion zeigen;
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7 einen
elektrostatischen Mikroaktuator mit Comb-Drive zeigt, der nutzbar
ist für
die Verwendung in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 die
Befestigung eines elektrostatischen Mikroaktuator mit Comb-Drive
an einer Aufhängebiegung
nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ein
dynamisches Modell eines durchstimmbaren MEMS-Lasersystems nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Der
durchstimmbare optische Resonator in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nun anhand seiner Anwendung in durchstimmbaren Lasern
beschrieben.
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Prinzip des Synchron getunten
Littrow-Resonators
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Der
Littrow-Resonator, wie gezeigt in 1, nutzt
einen einzelnen Durchgang durch das Gitter, welches zur Durchstimmung
der Wellenlänge
gedreht wird. Der Resonator besteht aus einem optischen Verstärker (OA)
mit einer stark reflexionsbeschichteten Endfacette (10)
und einer antireflexionsbeschichteten Facette (20), einer
antireflexionsbeschichteten Linse (LE) und einem stark reflektierenden
Blaze-Reflexionsgitter (G), obwohl auch andere Komponenten wie Etalons,
zylindrische Linsen und Prismen (nicht gezeigt) benutz werden können, um die
optische Performance zu verbessern, wie später beschrieben wird.
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Der
Littman-Resonator, wie gezeigt in 2, nutzt
einen doppelten Durchgang durch das Gitter (G) und benötigt einen
externen Spiegel (M), der zur Durchstimmung gedreht wird. In dieser
Geometrie ist die spektrale Reinheit erweitert, weil der Filtervorgang
des Gitters zweimal pro Durchgang durchlaufen wird.
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In
der Littrow-Geometrie wird Longitudinalresonanz von Wellenlängen λ erfüllt, für die gilt: λ = 2Lc/m (1)wobei Lc
die effektive Resonatorlänge
(d.h. die optische Länge
aller Teile des Resonators, inklusive des Lasers, der Linse und
der Luftausbreitungsdistanz) und m die Modenzahl ist.
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Die
n-te Ordnung der Rückreflektion
eines Blaze-Gitters der Periode λ,
die mit dem ankommenden Strahl einen Winkel Θ einnimmt, tritt auf bei Wellenlängen, bei
denen: λ = {2Λ/n}sin(Θ) (2)
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Um
die Resonanz mit dem Maximum der Gitterreflexiviät zusammenzubringen, sollte
die Resonatorlänge
zunächst
so ausgerich tet sein, daß beide Gleichungen
(1) und (2) erfüllt
sind, wenn: Lc =
{mΛ/n}sin(Θ) (3)
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Zur
Erfüllung
dieser Bedingung muß der
Resonator, sobald das Gitter um einen Winkel dΘ zur Abstimmung der Wellenlänge gedreht
wird, um eine korrespondierende Länge dLc verändert werden, so daß DLc/dΘ = {mΛ/n}cos(Θ) = Lc/tan(Θ) (4)
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Dies
kann in erster Ordnung durch Befestigung des Gitters auf einem Radiallenker
erreicht werden, der tangential über
das Gitter hinweg verlängert ist,
wie in 1 gezeigt, bei dem der Radius R so gewählt ist,
daß: R = Lc/sin(Θ) (5)
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Dieser
Aufbau gibt die optimale Anordnung des Gitters für synchrones Tuning wieder.
Man beachte, daß das
Ergebnis in Gleichung (5) sowohl von der Modenzahl m als auch der
Gitterordnung n unabhängig
ist, so daß der
optimale Drehradius einheitlich ist.
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Der
Prozeß der
Ausrichtung des Laserresonators, so daß ein Lasern stattfindet, ist
für sich
relativ kompliziert. Eine Methode involviert, daß der Laser (und oft einige
andere Komponenten) in einer flexiblen Halterung gehalten wird,
die eine graduelle und präzise
lineare und winklige Anpassung ermöglicht. Nachdem der Laservorgang
erreicht wurde, können
die flexiblen Halterungen durch Punktschweißen fixiert werden.
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Miniaturisierung des durchstimmbaren
Laserdiodensystems
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Eine
Vorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung basiert auf einem tiefgeätzten (d.h.
mind. 10 μm)
mikrotechnisch hergestellten Silikon-Versuchsbrett, welches über eine
Befestigungsausstattung für
die Laserdiode und eine Graded Index (GRIN) Linse verfügt, und
trägt ein elektrisch
eingestelltes Blazegitter auf einer flexiblen Halterung, um einen
Littrow-Resonator zu bilden. Tiefätzen wird bei Laermer F., Schilp
A. „Method
of anisotropically etching silikon" US Patent 5 501 893 March 26th (1996) und Gormley C., Yallup K., Nevin W.
A., Bhardwaj J., Ashraf H., Hugget P., Blackstone S. „State
of the art deep silikon anisotropic etching on SOI bonded substrates
for dielectric isolation and MEMS applications" 5th Int. Symp.
On Semiconductor Wafer Bonding, Fall Meeting of the Electrochemical society,
Hawaii, USA Oct. 17–22
(1999) beschrieben. Die Verwendung von Tiefätzen und Silikonbindungen auf
Isolatoren (BSOI) zur Formung der Strukturen führt zu einer hohen mechanischen
Qualität,
während
die Verwendung der flexiblen Befestigung die Notwendigkeit eines
Drehlagers erübrigt.
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Der
Aufbau ist so gestaltet, daß er
eine erste passive Anpassung gestattet, gefolgt von einer dynamischen
Wellenlängendurchstimmung.
Das Gitter ist eine tiefgeätzte
Struktur, das senkrecht auf die Waferebene aufgesetzt ist und an
einer neuartigen elastischen flexiblen Halterung befestigt ist,
die eine optimale Drehung nachbildet, um eine breite, modensprungfreie
Durchstimmung zu erlauben. Eine elektrische Steuerung der Gitterdrehung
und Axialmodensynchronisation wird durch elektrostatischen Antrieb
bewerkstelligt, obwohl auch andere Stellmethoden benutzt werden
können.
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Der
in der Erfindung liegende Vorteil gegenüber herkömmlichen externen Resonator-Laserdioden
mit Gitterdurchstimmung ist, daß die
Miniaturisierung des Durchstimmungsmechanismus höhere Durchstimmungsgeschwindigkeiten
erlaubt und die mechanische und thermische Stabilität erhöht und daß die Verwendung
einer Massenfertigungstechnologie Kosten reduziert. Die Verwendung
existierender streifenemittierender Dioden wird erlauben, Ausgangsleistungen
auf Ebenen ähnlich
denen von Geräten
mit festen Wellenlängen
zu betreiben, die typischerweise wesentlich die zur Zeit von VCSEL's erreichbaren übersteigen.
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Beispielaufbauschema für eine MEMS
durchstimmbare Laserdiode
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Ein
Beispiel-MEMS durchstimmbares Lasersystem basiert auf einer Laserdiode,
die auf einem Silikonschaltbrett hybridisiert ist, geformt durch Tiefätzen durch
reaktive Ionen eines Verbunds Silikon auf Isolator (BSOI). Dieser
Ansatz erlaubt es, dicke, spannungsfrei gehaltene mechanische Teile
aus Einkristall-Silikon herzustellen. Zum Beispiel vermag der Advanced
Silicon Etch (ASE – eine
Handelsmarke von Analog Devices (Belfast)) – Prozeß, Silikon bis zu Tiefen > 350 μm bei Raten
von 3 μm
pro Minute zu ätzen,
was tiefe Strukturen ökonomisch
macht. In ähnlicher
Weise sind Seitenwandwinkel von 90° ± 0,25°, Anisotropien von > 0,99 und Eigenschaftsaspekte
von 40:1 auf dieser Basis möglich,
was eine Herstellung hochqualitativer Teile ermöglicht.
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Unter
Anwendung dieses Ansatzes ist es möglich, hängende mechanische Teile der
generellen in 3 gezeigten Form herzustellen.
Hier ist ein Träger
der Länge
L und Breite w in die Verbundschicht (der Dicke d) eines BSOI Wafers
durch Tiefätzen
mittels reaktiver Ionen geätzt
worden. Die Oxidunterschicht unter dem relativ schmalen Träger ist durch Ätzen der
Opferoxidzwischenschicht mit (zum Beispiel) einem Naßsäureätzmittel
wie gepufferte Flußsäure weggenommen
worden. Sind die Abmessungen geeignet und die Zeitdauer des Ätzens sorgsam
gewählt, ist
es möglich,
den Träger
komplett zu unterschneiden, so daß er sich in der Ebene des
Wafers verbiegen kann, während
er durch den im Verhältnis
größeren Stützpunkt
am linken Ende voll gestützt
bleibt.
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Durch
Kombination von Herstellungstechniken dieser Natur können komplexere
mikro-optoelektromechanische Systeme hergestellt werden. 4 zeigt
den Aufbau eines MEMS-Littrow-Resonators gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Dieser könnte Abmessungen von 5 mm × 6 mm haben:
dies bedeutet eine etwa 10-fache Verkleinerung in linearer Dimension
gegenüber
einem konventionellen System. Das Substrat ist anisotropisch geätzt worden,
um eine vergrabene v-förmige
Ausrichtungsnut für
eine Quarter-Pitch-GRIN-Linse von ≈ 1
mm zu formen, bevor sich eine ≈ 2 μm dicke Wärmeoxidschicht
bildet und mit einer ≈ 400 μm dicke Silikonverbundschicht
verbunden wird.
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Die
mechanischen Teile und das Gitter werden in der Verbundschicht gebildet.
Zwei tiefe trockengeätzte
Ebenen definieren die Vorrichtung: die erste läuft direkt durch die Verbundschicht
und stellt alle Präzisionsmerkmale
dar (Gitter, Biegungen, elektrostatische Steuerung), während die
zweite nur halb durchläuft
und eine Terrasse bildet, auf der der Laser näherungsweise auf der optischen
Achse befestigt ist. Alle Merkmale werden zusammen unter Benutzung
zweier Schablonen (Oxid und Abdeckung) geätzt, eine davon ist halb durch Ätzen gestrippt.
Dann wird das Opferoxid entfernt. Die resultierende Struktur wird
metallisiert, um die Gitterreflektiviät zu steigern und elektrische
Verbindungen zu erlauben, und dann werden Lötpunkte für den Laserfarbstoff plaziert.
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Die
Laser- und Linsenaufbauten müssen ausrichtungsfähig sein
für einen
One-time-Setup, um Montagefehler und Linse außerhalb des Durchmessers (OD)-Fehler
und Kernkonzentrizitätsfehler
zu kompensieren. Dazu ist der Laser auf einer zweiachsigen Flexur
befestigt, während
die Linsenausrichtungsnut den dritten Freiheitsgrad stellt. Der
Zusammenbau des System beinhaltet das Montieren des Silikonschaltbretts
auf einem rückkopplungsgesteuerten
thermoelektrischen Kühler,
um die Temperaturstabilität
des Resonators zu gewährleisten,
das Löten
des Laserfarbstoffs an seinem Platz an grobe passive Ausrichtungsbefestigungspunkte
sowie die Verbindung von Kabeln.
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Der
Resonator wird mithilfe von externen Mikromanipulatoren ausgerichtet,
um die GRIN-Linse entlang der V-Nut gleiten zu lassen, um Kollimation (der
am wenigsten kritische Arbeitsvorgang) und elektrostatischem Antrieb
zu erhalten, um die laserstützenden
Hebearme flexibel auszurichten und Positionsfehler zu korrigieren
(der kritischste). Die Seitenausrichtung wird durch einem elektrostatischen Comb-Drive
ausgeführt
und die Vertikalausrichtung durch einen parallelen Plattenantrieb.
Der Laser-Output wird unter Benutzung eines scannenden optischen
Fabry-Perot-Spektralanalysegeräts überwacht,
bis ein Lasern erreicht ist. Die Linse und die Laserbefestigung
werden sodann an ihrer Position fixiert.
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Die
Herstellung eines Gitters von erster Ordnung, das bei λ ≈ 1,5 μm mit einem Θ ≈ 45° reflektiert, benötigt 0,75 μm-Eigenschaften.
Obwohl die Benutzung von Diffraktion zweiter Ordnung die spektrale Selektivität des Gitters
halbiert, liegen die 1,5 μm-Eigenschaften
eines Gitters zweiter Ordnung innerhalb des Zielbereichs direkter
E-Strahl-Lithografie und die resultierenden Muster können auf
das Silikonverbundmaterial unter Benutzung von existierenden Tiefätzverfahren
mittels reaktiver Ionen transferiert werden.
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Flexible Befestigung für Synchrones
Durchstimmen von durchstimmbaren MEMS-Dioden
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Die
flexible Befestigung, die für
das Gitter benutzt wird, hat die folgenden Eigenschaften für eine modensprungfreies
Durchstimmen: 1) eine Versetzung an einem ersten Ende, die eine
Drehung um einen optimierten Drehpunkt mimt und 2) eine zweite lineare
Bewegung, die eine Anpassung an die Resonatorlänge erlaubt, ohne die Gitterausrichtung
zu verändern.
Betrachtet man den einfachen, in 5 gezeigten,
Ausleger, so sind die linearen und winkligen Ablenkungen Δ und Θ, die durch
eine Punktlast F entstehen: Δ =
F/kL und Θ =
F/kA (6)wobei
kL und kA die lineare und winklige Steifheit sind, die gegeben sind
durch: kL = 3EI/L3 und kA = 2EI/L2 (7)wobei E das
Young's-Modul und
I das zweite Flächenmoment
darstellt. Für
den rechteckigen Träger des
in 3 gezeigten Typs ist I = dw3/12.
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Die
Beziehung zwischen der linearen und der winkligen Ablenkung aus
den Gleichungen (6) und (7) ist: Δ =
2ΘL/3 (8)
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Wie
auch immer, für
eine Endabweichung, die die Drehung um einen festen Punkt nachstellt,
ist gefordert: Δ = ΘL (9)
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Sind
die Gleichungen (8) und (9) unterschiedlich, kann das Drehzentrum
nicht korrekt fixiert werden. Dadurch bedingt kann obige Forderung
1) nicht durch den einfachen Ausleger aus 5 erfüllt werden.
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Die
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise eine zusammengesetzte flexible
Halterung auf, die erlaubt, lineare und winklige Fehlstellungen
separat auszurichten, so daß beide
obige Bedingungen 1) und 2) erfüllt
werden können. 6 zeigt eine zusammengesetzte flexible Halterung,
die aus einem Ausleger der Länge
L2 besteht, der an einem Portalrahmen der Länge L1 befestigt ist. Hier
sind die lineare und winklige Endabweichung Δ und Θ2: Δ = Δ1 + Δ2 = F{1/k1L
+ 1/k2L} und Θ2
= F{1/k2A} (10)wobei
die lineare Steifheit k1L des Portalrahmens und die lineare und
winklige Steifheit k2L und k2A des Auslegers gegeben sind durch: k1L = 24EI1/L13,
k2L = 3EI2/L23 und k2A = 2EI2/L22 (11)wobei
I1 und I2 die Momente zweiter Ordnung der flexiblen Halterung des
jeweiligen Portals bzw. Auslegers sind.
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Für eine Endabweichung,
die die Drehung imitiert, wird gefordert: Δ = Θ2{L1 + L2} (12)
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Gleichung
12 kann durch sorgsame Wahl der Verhältnisses α = L1/L2 erfüllt werden. In dem Spezialfall
I1 = I2 (d.h. für
Träger
von überall
gleicher Breite und Tiefe) ist α die
Lösung
der Volumengleichung α3 – 12α – 4 = 0 (13)
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Die
Lösung
kann numerisch gefunden werden und lautet α = 3,62.
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Da
dieses dimensionale Verhältnis
bereits in der Praxis erreichbar ist, kann man daraus ableiten, daß eine zusammengesetzte
flexible Halterung mit den Größen L1 ≈ 3,62 L2 eine
Durchstimmungsbewegung erzeugen kann, die äquivalent derjenigen einer
optimalen Drehung der Littrow-Resonator-Geometrie ist.
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Die
zur Durchstimmung benötigte
Punktlast F kann bequemerweise an dem Ausleger unter Benutzung eines
elektrostatischen Mikroantriebs mit Comb-Drive aufgebracht sein
wie in 7 gezeigt. Die Vorrichtung stellt im wesentlichen
einen verstellbaren Kondensator dar, der aus festen und beweglichen
Hälften
besteht, die die ineinandergreifenden Fingerelektroden tragen. Angenommen,
es gibt N innere Fingerelektroden und N + 1 äußere Elektroden, jede von der
Tiefe d und geteilt durch Zwischenräume g, dann kann die Gesamtkapazität C der
Struktur bei einer Überlappung
der Finger von einer Länge
X durch die Annäherung
an einen Parallelplattenkondensator gefunden werden als: C = ε02NXd/g (14)mit ε0 =
dielektrische Konstante des leeren Raums.
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Ist
der Kondensator auf ein Potential V aufgeladen, ist es einfach zu
zeigen, daß eine
Anziehungskraft besteht zwischen den beiden Hälften der Struktur, die abhängig ist
von der Ableitung der Kapazität
nach der Position, in der Form: F = ½dC/dxV2 (15)
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Da
die Überlappungslänge linear
abhängig ist
von x, findet man die Kraft als: F = (ε0Nd/g)V2 (16)
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Die
Durchstimmung des MEMS durchstimmbaren Lasers kann daher durchgeführt werden,
indem man die sich bewegende Hälfte
des elektrostatischen Mikroantriebs mit Comb-Drive an der flexiblen
Halterung wie in 8 gezeigt anbringt, so daß die durch
Gleichung 16 gegebene Kraft die Halterung zum Ablenken bringt. Die
Ablenkung steht dabei linear im Verhältnis zur aufgewendeten Kraft.
Bedingt durch den quadratischen Term in Gleichung 16 variiert die
Ablenkung nicht linear mit der angelegten Spannung, aber es existieren
alternative Elektrodengeometrien, die ein lineares Kraft-Spannungsverhältnis aufweisen.
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Am
wichtigsten ist, daß die
Anbringung einer weiteren Punktlast am Portalrahmen unter Verwendung
eines zweiten elektrostatischen Mikroantriebs mit Comb-Drive wie
gezeigt in 8 eine unabhängige Einstellung der linearen
Position des Gitters erlaubt, ohne seine Winkelorientierung zu beeinflussen.
Dieses zweite Durchstimmungselement erlaubt somit, daß der Resonator
axial durchgestimmt werden kann, um anfängliche Einstellungsfehler,
die bei der Einstellung einer Axialmode des Resonators mit einem
Maximum bei der Gitterreflektivität gemacht wurden, zu kompensieren.
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Beispieldesignparameter
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Man
kann einige typische Beispieldesignparameter wie folgt schätzen, vorausgesetzt
die elastische Halterung ist mit konstanten Trägerbreiten von 10 μm in einem
Verbund-Silikon-auf-Isolator-Wafer hergestellt
worden, der eine 100 μm
dicke Verbundschicht trägt.
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In
diesem Fall sind die Trägerbreite
und -tiefe w = 10 μm,
d = 100 μm,
das zweite Flächenmoment ist
I = (100 × 103) × 10–21 m–4 Und
Young's Modul für Silikon
ist E = 1,08 × 1011 N/m2.
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Man
nehme für
Halterungsglieder die folgenden willkürlichen (aber typischen) Längen an,
nämlich
L1 = 3,62 mm und L2 = 1 mm. In diesem Fall beträgt der effektive Radius des
Gitterdreharms R = L1 + L2 = 4,62 mm, und die Resonatorlänge beträgt Lc =
3,27 mm.
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Benutzt
man diese Parameter, können
die linearen Steifheitsparameter k1L und k2L aus Gleichung 11 bestimmt
werden als: K1L =
24 × 1,08 × 1011 × 8,333 × 10–21/(3,62 × 10–3)3 = 0,45 N/m,
K2L = 3 × 1,08 × 1011 × 8,333 × 10–21/(1 × 10–3)3 = 2,7 N/m. (17)
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Die
lineare Gesamtsteifheit kL des Verbundsuspensionssystems kann danach
unter Verwendung der konventionellen Gleichung für in Serie verbundene elastische
Federn gefunden werden, nämlich: I/kL = 1/k1L + 1/k2L = 2,6
m/N so daß kL
= 0,385 N/m (18)
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Die
Durchstimmung beinhaltet sehr kleine Drehungen des Gitters. Ableiten
der Gleichung 2 führt
zu: dΘ = tan(Θ)dλ/λ (19)
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Für einen
Laser, der bei einer Wellenlänge von λ = 1,5 μm arbeitet,
mit einem Gitterwinkel von Θ ≈ 45° benötigt eine
Durchstimmungsrate von Δλ = ±25 nm
Drehung des Gitters über
einen Winkelbereich von Δλmax = ±0,95°.
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Drehung
um diesen kleinen Winkel erfordert eine lineare tangentiale Bewegung
des Gitters von: Δmax = ±RΔΘmax = 4,62 × 10–3 × 0,95 × π/180
≈ 80 × 10–6 m,
oder 80 μm (20)
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Um
diese Bewegung durch elektrostatischen Antrieb zu erhalten, beträgt die erforderliche
Kraft: F = kLΔmax = 80 × 10–6/2,6 ≈ 30 × 10–6 N
oder 30 μN (21)
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Die
maximale Steuerspannung kann dann durch Vergleich von Gleichung
16 und 21 gefunden werden, um zu erhalten: (ε0Nd/g)Vmax2 = F =
kLΔmax (22)so daß sich für die maximale
Spannung ergibt: Vmax
= √{kLΔmaxg/ε0Nd} (23)
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Betrachtet
man den elektrostatischen Antrieb als bestehend aus einer Anordnung
von Fingern mit einer Breite von 6 μm, getrennt durch Zwischenräume von
g = 4 μm,
dann können
N = 50 Fingerpaare in einem Antrieb mit einer Gesamtlänge von
1 mm enthalten sein. Die maximale Spannung beträgt dann: Vmax = √{30 × 10–6 × 4 × 10–6 /8,85 × 10–12 × 50 × 100 × 10–6}
≈ 50 V (24)
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Es
gibt einen Bereich in diesem Design, die Antriebsspannung mit Mitteln
von (i) Reduzierung der Elektrodenzwischenräume oder (ii) Steigern der Elektrodenanzahl
oder (iii) Reduzierung der Suspensionssteifheit zu verändern.
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Man
kann die Masse des Gitters und des Durchstimmungsantriebs wie folgt
abschätzen.
Die obige Berechnung nimmt eine Kammelektrode mit einer Spannweite
von 1 mm an. Ein Träger,
der das Gitter und sich bewegende Elektrodenfinger über dies Spannweite
stützt,
wird typischerweise Abmaße
von 1 mm × 50 μm haben.
Liegt die maximale Translation des Gitters bei etwa 80 μm, müssen die
Kammfinger etwa 100 μm
lang sein. Angenommen es sind 50 Elektroden, jede 6 μm breit (wie
oben), und eine strukturale Tiefe von 100 μm und eine Dichte von 2330 kg/m3 für
Silikon annehmend beträgt
die ungefähre
totale Bewegungsmasse: m
= {(10–3 × 50 × 10–6)
+ (50 × 100 × 10–6 × 6 × 10–6)} × 10–4 × 2330
=
1,864 × 10–8 kg (25)
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Für eine Massefeder-Resonanz
ist die Resonanzfrequenz ω gegeben
durch: ω = √(kL/m)
= √(0,385/1,864 × 10–8)
= 4544 rad/s oder 725 Hz (26)
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Die
Durchstimmzeiten übersteigen
daher wahrscheinlich 2 ms. Dies impliziert, daß die Durchstimmraten die von
herkömmlichen
Lasern mit externem Resonator merklich übersteigen.
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9 zeigt,
daß der
Aufbau über
drei Freiheitsgrade verfügt,
da er effektiv eine Masse ml enthält, die an einer linearen Feder
(der axiale Durchstimmungsantrieb) befestigt ist, die mit einer
weiteren Masse m2 (das Gitter und sein Antrieb) gekoppelt ist, die
eine Trägheit
J2 besitzt und an einer Feder mit linearer und winkliger Steifheit
befestigt ist. Konsequenterweise sind drei charakteristische Moden
zu erwarten. Wie auch immer, bis zur Frequenz der Mode niedrigster
Ordnung ist ein angemessenes dynamisches Verhalten zu erreichen.
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Die
selektive Natur des durchstimmbaren Resonators in der vorliegenden
Erfindung findet auch Anwendung in durchstimmbaren optischen Filtern, die
vorteilhaft ein modensprungfreies Durchstimmen bieten.