WO1997027460A1 - Miniaturized optical thin-film waveguide spectrometer - Google Patents

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WO1997027460A1
WO1997027460A1 PCT/EP1997/000326 EP9700326W WO9727460A1 WO 1997027460 A1 WO1997027460 A1 WO 1997027460A1 EP 9700326 W EP9700326 W EP 9700326W WO 9727460 A1 WO9727460 A1 WO 9727460A1
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PCT/EP1997/000326
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Jörg Müller
Dietmar Sander
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Mueller Joerg
Dietmar Sander
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    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
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    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating

Definitions

  • Miniaturized optical thin film waveguide spectrometer Miniaturized optical thin film waveguide spectrometer.
  • the invention relates to a spectrometer of the type mentioned in the preamble of claim 1.
  • Such spectrometers then have the very compact structure with dimensions of a few millimeters, the structure consisting essentially of only one layer of dime layers, in particular without moving parts. Such spectrometers are very small and robust.
  • Figure 6 on page 275 shows the structure of the contaminated construction, in which the grating is formed with reflecting surfaces, that is, it reflects the diffracted light back into the light guide layer.
  • the grating is also curved and at the same time serves as a projection device for mapping the spectrum onto the line catcher.
  • a disadvantage of this construction is the step height which is very successful with a reflection grating. The formula applies to a reflection grating
  • a step height of 200 nm cannot be produced with conventional lithographic processes using UV light.
  • the resolution of the mask's corner structure becomes too poor. Since the optical properties of a step grating depend very much on the quality of the edge structure, which is predetermined by the corners of the mask, a grating with such a step height produced in the usual way would not be usable.
  • this construction is not produced in a thin layer structure, but with glass plates.
  • the step grating is produced in a holographic decay, which enables smaller structures than the lithographic mask technique.
  • Step gratings operated in transmission with transparent surfaces are outside the area of the thin film spectrometer, ie with conventional glass bodies, as are also used as prisms
  • Transmissive grids that is to say non-mirrored gratings, are also known in thin-film structures, but not as a sliver grating but as a strip load grating, the grating strips not on the end face of the light guide layer, but on the Side surface of a cover layer covering the light guide layer are applied. Such constructions are out
  • the object of the present invention is to provide a spectrometer of the type mentioned at the beginning which can be used for the analysis of visible light and which can be produced inexpensively in conventional masking technology.
  • n w 1.
  • the Nemier of the break is 0.5.
  • the step height is therefore 5 times higher and can be easily produced with standard lithographic methods using masking technology with usable edge structuring. The manufacturing costs are thereby reduced by several orders of magnitude.
  • Conventional systems for thin-film production such as are available in the semiconductor industry, can be used.
  • Fig. 4 a stai viigiösonnet Scluiitt in dei layer height according to line
  • the step grating formed with transparent surfaces a, b diffracts the light radiated by the light source 8, which is shown in FIG. 1 consisting of two lines. By diffraction at the step grating, the light is broken down into two lines and emitted into the air beyond the step grating.
  • a cylindrical lens I 1 as a projection device images the spectrum with two lines on a line sensor 12.
  • the layer structure is applied to substrate 1 a little longer, that is to say projecting beyond end surface 7. Then a wolf ram or molybdenum layer is wildly applied to the layer structure, which is coated with photoresist, exposed with the pattern of the stair tunnels of the lattice and then washed off beyond the stair-shaped end surface 7.
  • the metal mask is now removed there and then in a plasma etching process preferably with pure CHF 3 plasma with beam direction perpendicular to the layer plane dei entire layer structure beyond the step-shaped edge of the metal mask, so that the step-shaped end face 7 shown in FIG. 2 is formed.
  • the metal film vvu d is then cleaned using known methods 3 shows a spectrometer in another embodiment.
  • the layer structure 3 is in turn provided on the substrate 1 between the end face 10 on the irradiation side and the step-shaped end face 7 carrying the grating, which end face is constructed exactly as shown in FIG. 2. Subsequent to the layer structure 3, a further, second layer structure 3 'is provided, in which the light guide layer 4', which consists of a different material, adjoins the light guide layer 4 of the first layer structure 3 in abutting manner and at the same height.
  • the projection device for imaging the spectrum on the line sensor 12 is designed as a cylindrical layer lens between the light guide layers 4 'and 4 ". This results in a completely integrated spectrometer in a solid structure.
  • the difference in the refractive index at the grating can be very much smaller.
  • it can e.g. be 0.2 or less.
  • the usable step height a (FIG. 2) becomes larger, so that the formation of the slits in the end face 7 can be produced more easily with conventional tecluiology.
  • the materials used in the embodiment of FIGS. 3 and 4 for the materials of the light guide layers 4, 4 'and 4 " can be, for example, Si 3 N 4 for the light guide layer 4 with a refractive index of 2, Si0 2 with a refractive index of 1.46 for the light guide layer 4 'and again Si 3 N 4 for the light guide layer 4 ".
  • the refractive index of approximately 0.5.
  • the layer structure of the construction of FIGS. 3 and 4 can be produced in such a way that the layer structure of FIG. 2 is first produced.
  • the layer structure 3 ' is then applied, for example continuously also over the layer structure 3 (where it is subsequently removed).
  • the end face 13 is produced using masking technique and then the Layer structure 3 "produced in the same way.
  • the lower one can also be produced
  • Cover layer 5 can be formed continuously, just like the upper cover layer 6, only the light guide layers 4, 4 'and 4 "being made to abut one another in mask technology.

Abstract

The invention concerns a spectrometer which comprises: a thin light guide layer (4) in a layered structure (3) produced in thin-film technology between two cover layers (5, 6) with a lower refractive index; a light guide layer end face which has a grid (a, b) and is irradiated through the light guide layer with light to be analyzed; and a projection arrangement for displaying the spectrum on a line-scanning sensor, the grid being formed as a stepped grid with step edges perpendicular to the layer plane by removing regions of the layered structure which project in the layer direction by means of the mask technique. The spectrometer is characterized in that the grid is formed with transparent surfaces (a, b).

Description

Miniaturisiertes optisches Dünnschichtwellenleiterspektrometer. Miniaturized optical thin film waveguide spectrometer.
Die Erfindung betrifft ein Spektrometer der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.The invention relates to a spectrometer of the type mentioned in the preamble of claim 1.
Solche Spektrometer haben dann den Voiteil sehr kompakten Aufbaus mit Ab¬ messungen von wenigen Millimetern, wobei die Struktur im wesentlichen nur aus einem Düimschichtaufbau besteht, insbesondere ohne bewegte Teile. Solche Spektrometer sind also sehr klein und robust.Such spectrometers then have the very compact structure with dimensions of a few millimeters, the structure consisting essentially of only one layer of dime layers, in particular without moving parts. Such spectrometers are very small and robust.
Ein Spektrometer der eingangs genannten Alt ist ausA spectrometer of the Alt mentioned at the beginning is out
Interdisciplinary Science Reviews, 1993, Vol. 18, No. 3, Seiten 273 - 279Interdisciplinary Science Reviews, 1993, Vol. 18, No. 3, pages 273-279
bekannt. Abbildung 6 auf Seite 275 zeigt den Aufbau der bekaimten Konstrukti¬ on, bei der das Gitter mit reflektierenden Oberflächen ausgebildet ist, also das gebeugte Licht in die Lichtleiterschicht zurückwirft. Das Gitter ist bei dieser Konstruktion außerdem gebogen und dient gleichzeitig als Projεktionseinrichtuug zur Abbildung des Spektrums auf den Zeileiienψfanger. Nachteilig bei dieser Konstruktion ist die bei einem Reflexionsgitter erfoiderliclie sehr gelinge Stufenhöhe. Bei einem Reflexionsgitter gilt die Formelknown. Figure 6 on page 275 shows the structure of the contaminated construction, in which the grating is formed with reflecting surfaces, that is, it reflects the diffracted light back into the light guide layer. In this construction, the grating is also curved and at the same time serves as a projection device for mapping the spectrum onto the line catcher. A disadvantage of this construction is the step height which is very successful with a reflection grating. The formula applies to a reflection grating
a, = λ m / 2 ns a, = λ m / 2 n s
mit ar = Stufenhöhe des Reflexionsgitters, λ = Lichtwellenlänge, m = Beugungs- ordnung und ns = Biechungsindex des Schichtmateriales der Lichtleiterschicht. Soll das Spek-tromeler Licht im sichtbaren Bereich um die mittlere Wellenlänge λ = 500 nm (grünes Licht) analysieren und ist ns = 1,5, wie es bei üblichen opti¬ schen Materialien, wie Glas oder Kunststoff vorliegt, so ergibt sich eine Stufen- hohe ar von etwa 200 nm (Nanometer).with a r = step height of the reflection grating, λ = light wavelength, m = diffraction order and n s = refractive index of the layer material of the light guide layer. If the Spectromeler light is to be analyzed in the visible range around the mean wavelength λ = 500 nm (green light) and if n s = 1.5, as is the case with conventional optical materials, such as glass or plastic, the result is one Step-high ar of about 200 nm (nanometers).
Eine Stufenhöhe von 200 nm läßt sich mit üblichen lithografischen Verfahren unter Verwendung von UV-Licht nicht mein herstellen. Die Auflösung der Ek- kenstruktur der Maske wird zu schlecht. Da bei einem Stufengitter die optischen Eigenschaften sehr stark von der Güte der Kantenstruktur abhängen, die von den Ecken der Maske vorgegeben ist, wäre ein auf übliche Weise hergestelltes Gitter mit derartiger Stufenhöhe nicht verwendbar.A step height of 200 nm cannot be produced with conventional lithographic processes using UV light. The resolution of the mask's corner structure becomes too poor. Since the optical properties of a step grating depend very much on the quality of the edge structure, which is predetermined by the corners of the mask, a grating with such a step height produced in the usual way would not be usable.
Bei der genaimten bekannten Konstruktion wird daher anstelle mit Licht mit Syn- cluotiOiuöiitgenstrahlung gearbeitet. Der dafür erforderliche Herstellungsauf¬ wand ist zur Zeit aber für eine Massenherstellung nicht tragbar.In the case of the known known construction, therefore, syncluotiOiuöiitgen radiation is used instead of light. The manufacturing effort required for this is currently not acceptable for mass production.
Eine sein älinliche Konstruktion, ebenfalls mit einem Reflexionsgitter ist ausIts original design, also with a reflection grating, is out
IEEE Photonics Technology Letteis, Vol.4, No. 8, 1992, Seiten 886 - 887 bekamit. Die Probleme mit der selu niedrigen Slufenliöhe weiden hier daduich umgangen, daß in der 15. oder 20. Beugungsoidnung gearbeitet wird. Dann ist eine selu viel größere Stufenhöhe möglich, die mit Standardverfahren heπstellbar ist. Zudem wird dieses Spektrometer für IR-Licht benutzt, wodurch sich ebenfalls die zulässige Stufenhöhe vergrößert.IEEE Photonics Technology Letteis, Vol.4, No. 8, 1992, pages 886-887 got it. The problems with the very low slufenli height are avoided by working in the 15th or 20th diffraction pattern. Then a much larger step height is possible, which can be achieved with standard methods. This spectrometer is also used for IR light, which also increases the permissible step height.
Ein weiteres Spektrometer derselben Konstruktion ist inAnother spectrometer of the same construction is shown in
Optical Society of America, Optics Letteis, Vol. 6, No. 12, Seiten 639 - 641Optical Society of America, Optics Letteis, Vol. 6, No. 12, pages 639-641
beschrieben. Diese Konstruktion wird jedoch nicht in Düimschichtaufbau, son¬ dern mit Glasplatten hergestellt. Das Stufengitter wird in einem holografischen Verfallen hergestellt, das kleinere Strukturen ermöglicht als die lithografische Maskentechnik.described. However, this construction is not produced in a thin layer structure, but with glass plates. The step grating is produced in a holographic decay, which enables smaller structures than the lithographic mask technique.
In Transmission betriebene Stufengitter mit transparenten Oberflächen sind au¬ ßerhalb des Gebietes der Düimfilmspektrometer, also mit herkömmlichen Glas¬ körpern, wie sie auch als Prismen verwendet weiden, ausStep gratings operated in transmission with transparent surfaces are outside the area of the thin film spectrometer, ie with conventional glass bodies, as are also used as prisms
Applied Optics, Vol. 30, No. 31, Seiten 4540 - 4547Applied Optics, Vol. 30, No. 31, pages 4540-4547
bekannt. Anwendung finden diese Konstruktionen, wie in dieser Schrift erwähnt wird, bei Spektrografen für Kameras oder Teleskopen.known. As mentioned in this document, these constructions are used in spectrographs for cameras or telescopes.
Transmissiυnsgitlεr, also nicht verspiegelte Gitter, sind auch bei Dünnschichtauf¬ bauten bekannt, jedoch nicht als Slufengitler, sondern als Streifenlastgilter, wobei die Gitterstreifen nicht an der Endfläche der Lichtleiterschicht, sondern auf der Seitenfläche einer die Lichtleiterschicht abdeckenden Deckschicht aufgebracht sind. Derartige Konstruktionen sind ausTransmissive grids, that is to say non-mirrored gratings, are also known in thin-film structures, but not as a sliver grating but as a strip load grating, the grating strips not on the end face of the light guide layer, but on the Side surface of a cover layer covering the light guide layer are applied. Such constructions are out
Applied Optics, Vol. 24, No. 2, Seiten 221 - 226Applied Optics, Vol. 24, No. 2, pages 221-226
und ausand from
Applied Optics, Vol. 23, No. 17, Seiten 3004 - 3009Applied Optics, Vol. 23, No. 17, pages 3004-3009
bekannt.known.
Bei Streifenlastgittern sind die optischen Eigenschaften des Gitters im wesentli¬ chen unabhängig von der Güte der Kantenausbildung der Streifen. Es kömien also Gitter mit sehr feinen Streifen noch mit Standardmaskenteclmik hergestellt werden, wobei die dann selu schlechten Kantenstrukturen die optischen Eigen¬ schaften des Gitters nicht stören.In the case of strip load gratings, the optical properties of the grid are essentially independent of the quality of the edge formation of the strips. Grids with very fine stripes could still be produced with standard mask technology, the selu bad edge structures then not disturbing the optical properties of the grating.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein zur Analyse sichtba¬ ren Lichts verwendbares Spektrometer der eingangs genannten Art zu schaffen, das in konventioneller Maskenlechnik kostengünstig herstellbar ist.The object of the present invention is to provide a spectrometer of the type mentioned at the beginning which can be used for the analysis of visible light and which can be produced inexpensively in conventional masking technology.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Keiuizeichniingsteils des Anspru¬ ches 1 gelöst.This object is achieved with the features of the key drawing part of claim 1.
Erfindungsgemaß wird das Gitter mit transparenten Oberflächen an der Endfläche der Lichtleiterschicht ausgebildet, die den Lichtwellenleiter eines Schichtaufbaus bildet. Dami gilt nicht die oben erwähnte Formel für Reflexionsgitter, sondern die FormelAccording to the invention, the grating is formed with transparent surfaces on the end face of the light guide layer, which is the optical waveguide of a layer structure forms. Dami does not apply the above-mentioned formula for reflection gratings, but the formula
at = λ m / (ns - nw)a t = λ m / (n s - n w )
mit a^ = Stufenhöhe des Transmissionsgitters, λ = Lichtwellenlänge, ns - Bre¬ chungsindex des Schichtmateriales, m = Beugungsordnung und nw = Bie¬ chungsindex des weiterführenden Materials jenseits des Gitters.with a ^ = step height of the transmission grating, λ = light wavelength, n s - refractive index of the layer material, m = diffraction order and n w = refractive index of the further material beyond the grating.
Liegt jenseits des Gitters Luft, so ist nw = 1. Bei üblichem optischem Material der Lichtleiterschicht mit ns = 1,5 ist der Nemier des Bruches gleich 0,5. Daraus ergibt sich in dem eingangs zitierten Rechenbeispiel für grünes Licht eine Stu¬ fenhöhe von lμm. Die Stufenhöhe ist also um den Faktor 5 höher und läßt sich mit lithografischen Standardverfahren in Maskentechnik noch ohne weiteres mit brauchbarer Kantenstrukturierung herstellen. Die Herstellungskosten verringern sich dadurch um meluere Größenordnungen. Es kömien übliche Anlagen zur Dünnschichtherstellung, wie sie in der Halbleiterindustrie vorhanden sind, be¬ nutzt werden.If there is air beyond the grating, then n w = 1. With the usual optical material of the light guide layer with n s = 1.5, the Nemier of the break is 0.5. In the calculation example for green light cited at the beginning, this results in a step height of 1 μm. The step height is therefore 5 times higher and can be easily produced with standard lithographic methods using masking technology with usable edge structuring. The manufacturing costs are thereby reduced by several orders of magnitude. Conventional systems for thin-film production, such as are available in the semiconductor industry, can be used.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Hierbei wäre nw der Brechungsindex des Materials der weiterfülu enden zweiten Lichtleiter¬ schicht. Der Nemier in der erwähnten Formel für aj kaim dami sehr klein gemacht werden, so daß wesentlich größere Slufenhöhen möglich sind, die noch einfacher herstellbar sind. Dabei wird zunächst der Schichtaufbau mit der ersten Lichtlei¬ terschicht hergestellt, die Gitterkante angefertigt und sodami die weiterfülu ende zweite Lichtleiterschicht mit ihrem Schichtaulbau aufgebracht.The features of claim 2 are advantageously provided. In this case, n w would be the refractive index of the material of the second light guide layer which continues to fill. The Nemier in the above-mentioned formula for a j kaim dami can be made very small, so that much larger slufen heights are possible, which are even easier to manufacture. First, the layer structure is produced with the first light guide layer, the grating edge is made, and the second light guide layer with its layer structure is applied.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Die anschließend an das Gitter weiterfülu ende zweite Lichtleiterschicht kann als flache Zylinder- schichtlinse ausgebildet sein, die mit iluem Übergang zui weiteifüluenden dritten Lichtleitei schicht die Piojektionseimichtung ausbildet und das Spektium auf den an der Endfläche dei dntten Lichtleitei schicht anzuotdnenden Zeilensensor ab¬ bildet.The features of claim 3 are advantageously provided. The second light guide layer that fills the grating can be a flat cylindrical be formed layered lens, which forms the piojection device with its transition to the wide-flowing third light guide layer and images the spectium onto the line sensor to be attached to the end face of the light guide layer.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 4 voigesehen. Ist die Lichtleitei - schiebt ausi eichend duim, wobei ihre Dicke abhängig von dem verwendeten Wellenlängenbereich zu wählen ist, so leitet sie Licht nur in einei Ausbreitungs¬ mode Beugungsunschäifen durch Wechselbeeinflussung mehrerer Lichtausbiei- tungsmoden entfallen dadurch.The features of claim 4 are advantageous. If the light guide - pushes out sufficiently - its thickness is to be selected depending on the wavelength range used, so it only guides light into a propagation mode. Diffraction incisions due to the alternating influence of several light propagation modes are thus eliminated.
In den Zeichnungen ist die Ei findung beispielsweise und schematisch dargestellt Es zeigen:In the drawings, the egg invention is shown for example and schematically.
Fig. 1 eine Di aufsieht senkrecht zur Schichtebene auf eine erste Ausfüh¬ rungsform eines erfindungsgemaßen Spektiometers,1 shows a di perpendicular to the layer plane on a first embodiment of a spectiometer according to the invention,
Fig. 2 eine staik vergießet le dreidimensionale Dai Stellung des Schichtauf¬ baus dei Fig. 1 an der Schnittebene gemäß Linie 2 - 2 in Fig 1,2 shows a three-dimensional cast position of the layer structure of FIG. 1 on the section plane according to line 2-2 in FIG. 1,
Fig 3 eine Diaufsicht gemäß Fig. 1 auf ein ei findungsgemäßes Spektio- metei in einer zweiten Ausfuhr ungsfoi in undFIG. 3 shows a top view according to FIG. 1 of a spectiometry according to the invention in a second embodiment in and
Fig 4 einen in dei Schichthöhe staik veigiößeiten Scluiitt gemäß LinieFig. 4 a stai viigiösseiten Scluiitt in dei layer height according to line
4 - 4 in Fig 34 - 4 in Fig. 3
Das in Fig 1 in Diaufsicht und in Fig 2 in dreidimensionaler staikei Aus- schnittsveigrößei ung daigeslellte Spektiometei tiägt auf einem handelsüblichen, aus Silizium bestehenden Subsluit 1 einen Schichtaulbau 3 mit einei Lichtleitei- schicht 4 zwischen einer unteren Deckschicht 5 und einer oberen Deckschicht 6. Die Schichten 4, 5 und 6 bestehen aus Si02. Die Dicke der unteren Deckschicht 5 beträgt beispielsweise 3μm, wäluend die Schichten 4 und 6 je eine Dicke von etwa 0,6 μm aufweisen. Bei einer Dicke von etwa 0,6 μm ist die Lichtleiter¬ schicht 4 so dünn, daß sich in ihr Licht nur in einem Ausbreitungsmodus aus¬ breiten katui. Dabei haben die Deckschichten 5 und 6 einen vom Biechungsindex der Lichtleiterschicht 4 abweichenden Brechungsindex, um die Lichtfiihning in der Lichtleiterschicht 4 zu bewirken.The spectiometer part shown in FIG. 1 in a top view and in FIG. 2 in three-dimensional staikei Ausschnittsveigrössei ungi ti on a commercially available, made of silicon subsluit 1 a layered structure 3 with a light guide Layer 4 between a lower cover layer 5 and an upper cover layer 6. The layers 4, 5 and 6 consist of SiO 2 . The thickness of the lower cover layer 5 is, for example, 3 μm, while the layers 4 and 6 each have a thickness of approximately 0.6 μm. With a thickness of approximately 0.6 μm, the light guide layer 4 is so thin that katui only propagate into its light in a propagation mode. The cover layers 5 and 6 have a refractive index which differs from the refractive index of the light guide layer 4 in order to effect the light film in the light guide layer 4.
Eine durch alle drei Schichten 4, 5 und 6 des Schichtaufbaus 3 verlaufende End¬ fläche 7, die also auch die Endfläche der Lichtleiterschicht 4 darstellt, ist, wie die Vergrößerung der Fig. 2 zeigt, stufenförmig ausgebildet mit einer regelmäßigen Stufenbreite b und Slufenliöhe a. Die Stufen sind rechtwinklig angeordnet, so daß die Endfläche 7 insgesamt schräg verläuft. Die Endfläche 7 verläuft insgesamt gerade. Es handelt sich also um ein nichtfokussierendes Gitter.An end surface 7 running through all three layers 4, 5 and 6 of the layer structure 3, which therefore also represents the end surface of the light guide layer 4, is, as the enlargement of FIG. 2 shows, step-shaped with a regular step width b and slit height a . The steps are arranged at right angles so that the end surface 7 is inclined overall. The end face 7 is straight overall. So it is a non-focusing grating.
Zu analysierendes Licht wird von einer Lichtquelle 8 über eine Zylinderlinse 9 parallelisiert und über eine Endfläche 10, die der Endfläche 7 gegenüberliegt, in die Lichtleiterschicht 4 eingestrahlt und verläuft in dieser in Pfeillichtung parallel bis zu dem auf der Endfläche 7 ausgebildeten Stufengitter.Light to be analyzed is parallelized by a light source 8 via a cylindrical lens 9 and irradiated into the light guide layer 4 via an end surface 10, which lies opposite the end surface 7, and runs in the arrow glow parallel to the step grating formed on the end surface 7.
Das mit transparenten Oberflächen a, b ausgebildete Stufengitter beugt das von der Lichtquelle 8 eingestrahlte Licht, das in Fig. 1 aus zwei Linien bestehend dargestellt ist. Durch Beugung am Stufengitter wird das Licht in die zwei Linien zerlegt und jenseits des Stufengitters in die Luft abgestrahlt. Eine Zylinderlinse I l als Projeklionseinrichlung bildet das Spektrum mit zwei Linien auf einen Zei- lensensor 12 ab. Zur Analyse sichtbaren Lichts im Bereich um die Wellenlänge 500 nm (grünes Licht) und in der bevorzugten ersten Ordnung (maximale Intensität), also bei ei¬ ner Blaze-Wellenlänge von 500 mn, ergibt sich bei einem Transmissionsstufen¬ gitter eine erforderliche Slufenliöhe a von z.B. 1 μm und b (entsprechend der Gitterkonstanten) von z.B. 1 bis 2 μin.The step grating formed with transparent surfaces a, b diffracts the light radiated by the light source 8, which is shown in FIG. 1 consisting of two lines. By diffraction at the step grating, the light is broken down into two lines and emitted into the air beyond the step grating. A cylindrical lens I 1 as a projection device images the spectrum with two lines on a line sensor 12. For the analysis of visible light in the range around the wavelength 500 nm (green light) and in the preferred first order (maximum intensity), that is to say with a blaze wavelength of 500 mn, a transmission stage grating results in a slaving line height a of eg 1 μm and b (corresponding to the lattice constant) of eg 1 to 2 μin.
Ein solches Gitter kaim in herkömmlicher Maskentechnik mit lithografischen Verfahren unter Verwendung von UV-Licht mit ausreichender Güte der Kanten hergestellt werden.Such a grating can be produced in a conventional masking technique using lithographic methods using UV light with sufficient quality of the edges.
Dazu wird zunächst auf dem Substrat 1 der Schichtaufbau nacheinander aufge¬ bracht. Dies geschieht vorzugsweise in LPCVD-Technik (Low Pressure Chemical Vapor Deposition = chemische Niederdruckdampfabscheidung) bei 930° C. Das Si02 wird dabei aus SiCl2H2 abgeschieden. Dadurch lassen sich optisch hoch¬ wertige Siliziumoxydschichlen mit gewünschtem Biechungsindex im Bereich 1,5 herstellen.For this purpose, the layer structure is first applied in succession to the substrate 1. This is preferably done using LPCVD technology (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) at 930 ° C. The Si0 2 is deposited from SiCl 2 H 2 . Optically high-quality silicon oxide layers with a desired refractive index in the range of 1.5 can thereby be produced.
Der Schichtaufbau wird etwas länger, also über die Endfläche 7 hinausragend auf dem Substrat 1 aufgebracht. Anschließend wild auf den Schichtaufbau eine Wolf¬ ram- bzw. Molybdänschicht aufgebracht, die mit Fotolack beschichtet, mit dem Muster der Treppenkanle des Gitters belichtet und anschließend jenseits der trep- penföπnigen Endfläche 7 abgewaschen wird Nun wird dort die Metallmaske ent¬ fernt und anschließend in einem Plasmaätzpiozeß vorzugsweise mit reinem CHF3-Plasma mit Strahhichtung senkrecht zur Schichtebene dei gesamte Schichtaufbau jenseits der stufenförmigen Kante der Metallmaske entfernt, so daß die in Fig. 2 dargestellte stufenföi mige Endfläche 7 entsteht. Der Metallfilm vvu d anschließend mit bekannten Verfahren entfeint Fig. 3 zeigt ein Spektrometer in anderer Ausführungsform. Auf dem Substrat 1 ist wiederum der Schichtaufbau 3 vorgesehen zwischen der einstrahlseitigen Endflä¬ che 10 und der das Gitter tragenden stufenförmigen Endfläche 7, die genauso ausgebildet ist, wie in Fig. 2 gezeigt. Anschließend an den Schichtaufbau 3 ist ein weiterführender zweiter Schichtaufbau 3' voigesehen, bei dem die Lichtleiter¬ schicht 4', die aus anderem Material besteht, auf Stoß und in gleicher Höhe an die Lichtleiterschicht 4 des ersten Schichtaufbaus 3 anschließt.The layer structure is applied to substrate 1 a little longer, that is to say projecting beyond end surface 7. Then a wolf ram or molybdenum layer is wildly applied to the layer structure, which is coated with photoresist, exposed with the pattern of the stair tunnels of the lattice and then washed off beyond the stair-shaped end surface 7. The metal mask is now removed there and then in a plasma etching process preferably with pure CHF 3 plasma with beam direction perpendicular to the layer plane dei entire layer structure beyond the step-shaped edge of the metal mask, so that the step-shaped end face 7 shown in FIG. 2 is formed. The metal film vvu d is then cleaned using known methods 3 shows a spectrometer in another embodiment. The layer structure 3 is in turn provided on the substrate 1 between the end face 10 on the irradiation side and the step-shaped end face 7 carrying the grating, which end face is constructed exactly as shown in FIG. 2. Subsequent to the layer structure 3, a further, second layer structure 3 'is provided, in which the light guide layer 4', which consists of a different material, adjoins the light guide layer 4 of the first layer structure 3 in abutting manner and at the same height.
Das durch die erste Lichtleiterschicht 4 verlaufende zu analysierende Licht läuft also nach Beugung an dem Gilter der Endfläche 7 in der zweiten Lichtleiter¬ schicht 4' weiter, wie in Fig. 4 angedeutet. Das in der zweiten Lichtleiterschicht 4' verlaufende gebeugte Licht läuft bis zu einer Endfläche 13. Diese Endfläche 13 ist, wie Fig. 3 zeigt, linsenförmig stetig gekrümmt. An der Endfläche 13 schließt an die zweite Lichtleiterschicht 4' eine dritte Lichtleiterschicht 4" an, die in einem dritten Schichtaufbau 3 " sitzt. An der gegenüberliegenden Endflä¬ che 14 der dritten Lichtleiterschicht 4" ist der Zeilensensor 12 angeordnet.The light to be analyzed which runs through the first light guide layer 4 thus continues after diffraction at the Gilter of the end face 7 in the second light guide layer 4 ', as indicated in FIG. 4. The diffracted light running in the second light guide layer 4 'runs up to an end surface 13. This end surface 13, as shown in FIG. 3, is continuously curved in the form of a lens. At the end face 13, a second light guide layer 4 ″ adjoins the second light guide layer 4 ′, which sits in a third layer construction 3 ″. The line sensor 12 is arranged on the opposite end face 14 of the third light guide layer 4 ″.
Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, kami die Länge L der Gesamtanordnung z.B. 30 mm betragen, die Bieite B des Schichtaufbaus etwa 5 mm und die Dicke D des Schichtaufbaus etwa 4 μm.As shown in Figs. 3 and 4, the length L of the overall arrangement came e.g. 30 mm, the width B of the layer structure is approximately 5 mm and the thickness D of the layer structure is approximately 4 μm.
Bei der Aus führungs form der Fig. 3 und 4 ist die Projektionseiiuichtung zur Ab¬ bildung des Spektrums auf dem Zeilensensor 12 als Zylinderschichtlinse zwi¬ schen den Lichtleiterschichten 4' und 4" ausgebildet. Es ergibt sich dadurch ein komplett integriertes Spektrometer in Festkörperaufbau.3 and 4, the projection device for imaging the spectrum on the line sensor 12 is designed as a cylindrical layer lens between the light guide layers 4 'and 4 ". This results in a completely integrated spectrometer in a solid structure.
Die bei der Ausführungsform der Fig. 3 und 4 für die Lichlleilerschichten 4. 4' und 4" verwendeten Materialien können derart gewählt werden, daß an dem an der Endfläche 7 vorgesehenen Stufengitler ein selu kleiner Unterschied im Bie¬ chungsindex besteht.The materials used in the embodiment of FIGS. 3 and 4 for the light conductor layers 4. 4 'and 4 "can be chosen such that on the there is a selu small difference in the bending index of the step grating provided on the end face 7.
Bei der Ausfüluungsform der Fig. 1 und 2 betrug hier der Unterschied im Bie¬ chungsindex etwa 0,5, da das Material der Lichtleiterschicht 4 etwa einen Bre¬ chungsindex von 1,5 hat und Luft einen Biechungsindex von 1 hat. Der für die Slufenliöhe wesentliche Unterschied im Biechungsindex beträgt hier also 0,5.1 and 2, the difference in the refractive index was approximately 0.5, since the material of the light guide layer 4 has a refractive index of 1.5 and air has a refractive index of 1. The essential difference in the bend index for the Slufenli height is 0.5.
Demgegenüber kaim bei der Ausfüluungsform der Fig. 3 und 4 der Unterschied im Brechungsindex am Gitter sehr viel kleiner sein. Durch geeignete Material¬ wahl kaim er z.B. bei 0,2 oder noch kleiner liegen. Dadurch wird die verwendba¬ re Stufenhöhe a (Fig. 2) größer, so daß die Slufenausbildung der Endfläche 7 ein¬ facher mit konventioneller Tecluiologie herstellbar ist.3 and 4, the difference in the refractive index at the grating can be very much smaller. With a suitable choice of material, it can e.g. be 0.2 or less. As a result, the usable step height a (FIG. 2) becomes larger, so that the formation of the slits in the end face 7 can be produced more easily with conventional tecluiology.
Die in der Ausführungsform der Fig. 3 und 4 für die Materialien der Lichtleiter- schichten 4, 4' und 4" verwendeten Materialien können z.B. sein Si3N4 für die Lichtleiterschicht 4 mit einem Biechungsindex von 2, Si02 mit einem Bie¬ chungsindex von 1,46 für die Lichtleiterschicht 4' und wiederum Si3N4 für die Lichtleiterschicht 4". An jeder der als Grenzflächen zwischen diesen Schichten dienenden Endflächen 7 und 13 ergibt sich daduich ein Unterschied im Bre¬ chungsindex von etwa 0,5.The materials used in the embodiment of FIGS. 3 and 4 for the materials of the light guide layers 4, 4 'and 4 "can be, for example, Si 3 N 4 for the light guide layer 4 with a refractive index of 2, Si0 2 with a refractive index of 1.46 for the light guide layer 4 'and again Si 3 N 4 for the light guide layer 4 ". At each of the end surfaces 7 and 13 serving as interfaces between these layers, there is a difference in the refractive index of approximately 0.5.
Der Schichtaufbau der Konstruktion der Fig. 3 und 4 kann derart hergestellt wer¬ den, daß zunächst der Schichtaufbau der Fig. 2 hergestellt wird. Anschließend wird der Schichtaufbau 3' aufgebracht, beispielsweise durchgehend auch über den Schichtaufbau 3 hinweg (wo er anschließend entfernt wird) Es wird in ent¬ sprechender Weise, wie bei der Ausführungsform der Fig. 2 beschrieben, die Endfläche 13 in Maskenlechnik hergestellt und sodann der Schichtaufbau 3 " in derselben Weise hergestellt. Dabei kann auch, wie in Fig. 4 dargestellt, die untere Deckschicht 5 durchgehend ausgebildet sein, ebenso wie die obere Deckschicht 6, wobei nur die Lichtleiterschichten 4, 4' und 4" in Maskenteclmik auf Stoß aneinandei grenzend hergestellt weiden. The layer structure of the construction of FIGS. 3 and 4 can be produced in such a way that the layer structure of FIG. 2 is first produced. The layer structure 3 'is then applied, for example continuously also over the layer structure 3 (where it is subsequently removed). In a corresponding manner, as described in the embodiment in FIG. 2, the end face 13 is produced using masking technique and then the Layer structure 3 "produced in the same way. As shown in FIG. 4, the lower one can also be produced Cover layer 5 can be formed continuously, just like the upper cover layer 6, only the light guide layers 4, 4 'and 4 "being made to abut one another in mask technology.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: PATENT CLAIMS:
1. Spektrometer mit einer dünnen Lichtleiterschicht (4) in einem in Dünn- schichltechnologie hergestellten Schichtaufbau (3) zwischen zwei Deck¬ schichten (5, 6) niedrigeren Brechungsindexes, mit einer ein Gitter (a, b) auf¬ weisenden Endfläche (7) der Lichtleiterschicht, die durch die Lichtleiter¬ schicht hindurch mit zu analysierendem Licht (Lichtquelle 8) bestrahlt wird, und mit einer Piojektionseimichtung ( 1 1, 4', 13, 4") zur Abbildung des Spek¬ trums auf einen Zeilensensor ( 12), wobei das Gitter als Stufengitter (a, b) mit Stufenkanlen senkrecht zur Schichtebene durch Abtragen in Maskentechnik von in Schichtlichtung überstehenden Bereichen des Schichtaufbaus ausgebil¬ det ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter mit transparenten Oberflä¬ chen (a, b) ausgebildet ist.1. Spectrometer with a thin light guide layer (4) in a layer structure (3) produced in thin-layer technology between two cover layers (5, 6) of lower refractive index, with an end face (7) having a grating (a, b) the light guide layer, which is irradiated through the light guide layer with light to be analyzed (light source 8), and with a piojection device (1 1, 4 ', 13, 4 ") for imaging the spectrum onto a line sensor (12), wherein the grating is designed as a step grating (a, b) with step channels perpendicular to the layer plane by ablation using masking technology from regions of the layer structure protruding in layer clearing, characterized in that the grating is formed with transparent surfaces (a, b).
2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf Stoß an¬ schließend an die Endfläche (7) der Schicht (4) in einem weiterführenden Schichtaufbau (3 ') eine zweite Lichtleiterschicht (4') mit anderem Bie¬ chungsindex angeordnet ist.2. Spectrometer according to claim 1, characterized in that a butt adjoining the end face (7) of the layer (4) in a further layer structure (3 '), a second light guide layer (4') is arranged with a different Bie¬ chung index.
3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtleiterschicht (4') mit einer in Schichlebene stetig gebogenen Endfläche ( 13) in eine auf Stoß anschließende dritte Lichtleiterschicht (4") übergeht.3. Spectrometer according to claim 2, characterized in that the second light guide layer (4 ') with an end surface (13) which is continuously curved in the layer plane merges into a third light guide layer (4 ") adjoining butt.
4. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter¬ schicht (4) in Anpassung an den Wellenlängenbereich des zu analysierenden Lichts derart dünn ausgebildet ist, daß sie nur monomodige Lichtausbreitung zuläßt. 4. Spectrometer according to claim 1, characterized in that the Lichtleiter¬ layer (4) is so thin in adaptation to the wavelength range of the light to be analyzed that it only allows single-mode light propagation.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19811989A1 (en) * 1998-03-19 1999-09-30 Joerg Mueller Thin film spectrometer with transmission grating
WO2011137584A1 (en) * 2010-05-05 2011-11-10 台湾超微光学股份有限公司 Optical structure of micro spectrometer
TWI506253B (en) * 2010-04-21 2015-11-01 Oto Photonics Inc Miniaturized optical spectrometer and fabricating method using the same
US10393586B2 (en) 2016-07-12 2019-08-27 Oto Photonics Inc. Spectrometer and manufacturing method thereof

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2766920B1 (en) 1997-07-31 1999-08-27 Commissariat Energie Atomique MICROMONOCHROMATOR AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
US20020027655A1 (en) * 2000-09-04 2002-03-07 Shigeo Kittaka Optical device and spectroscopic and polarization separating apparatus using the same
DE10357062B4 (en) * 2003-12-04 2005-12-15 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, vertreten durch den Rektor System for measuring the tilt of structured surfaces

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0250824A1 (en) * 1986-05-29 1988-01-07 Polaroid Corporation Integrated optic multi-demultiplexer
US4773063A (en) * 1984-11-13 1988-09-20 University Of Delaware Optical wavelength division multiplexing/demultiplexing system
EP0672924A1 (en) * 1994-03-16 1995-09-20 Fujitsu Limited Optical switching device
US5581639A (en) * 1995-05-04 1996-12-03 National Research Council Of Canada Raman-nath diffraction grating

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5416861A (en) * 1994-04-29 1995-05-16 University Of Cincinnati Optical synchronous clock distribution network and high-speed signal distribution network

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4773063A (en) * 1984-11-13 1988-09-20 University Of Delaware Optical wavelength division multiplexing/demultiplexing system
EP0250824A1 (en) * 1986-05-29 1988-01-07 Polaroid Corporation Integrated optic multi-demultiplexer
EP0672924A1 (en) * 1994-03-16 1995-09-20 Fujitsu Limited Optical switching device
US5581639A (en) * 1995-05-04 1996-12-03 National Research Council Of Canada Raman-nath diffraction grating

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19811989A1 (en) * 1998-03-19 1999-09-30 Joerg Mueller Thin film spectrometer with transmission grating
DE19811989B4 (en) * 1998-03-19 2004-10-28 Müller, Jörg, Prof. Dr.-Ing. Thin film spectrometer with transmission grating
TWI506253B (en) * 2010-04-21 2015-11-01 Oto Photonics Inc Miniaturized optical spectrometer and fabricating method using the same
WO2011137584A1 (en) * 2010-05-05 2011-11-10 台湾超微光学股份有限公司 Optical structure of micro spectrometer
CN102869963A (en) * 2010-05-05 2013-01-09 台湾超微光学股份有限公司 Optical structure of micro spectrometer
US20130294727A1 (en) * 2010-05-05 2013-11-07 Oto Photonics Inc. Optical Mechanism Of Miniaturized Optical Spectrometers
US9122014B2 (en) * 2010-05-05 2015-09-01 Oto Photonics, Inc. Optical mechanism of miniaturized optical spectrometers
US10393586B2 (en) 2016-07-12 2019-08-27 Oto Photonics Inc. Spectrometer and manufacturing method thereof

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