M. Keka, M. Burgunder 1 Bachelorarbeit 2009

Mikrotechnisches Solidetalon für Festkörperlaser

Mirjad Keka, Matthias Burgunder

Referent: Prof. Dr. Markus Michler

Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs, NTB

Ziel dieser Bachelorarbeit war die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung eines Solidetalons für Festkörperlaser. Ein Etalon ist ein optisches Filterelement. Eingebaut in eine Laserkavität ermöglicht es einen Single-Mode-Betrieb des Lasers und ein Durchstimmen der Betriebswellenlänge. Durch die Planparallelität, die hochreflektierenden Oberflächen und die kleinen Abmessungen bildet es einen optischen Resonator. Dadurch werden nur Wellenlängen, die einem ganzzahligen Vielfachen der Resonatorlänge entsprechen, transmittiert.

Das Solidetalon in dieser Arbeit wurde als dünnes transparentes Glasplättchen aus Siliziumdioxid realisiert. Es wurde mit modernsten mikrotechnischen Verfahren im Reinraum hergestellt. Nebst der Prototypenfertigung, der Simulation des mechanischen Verhaltens, sowie der optischen und mechanischen Charakterisierung der Filterelemente, wurde ein Ferti-gungsprozess entwickelt, der es erlaubt, 8μm dicke Etalons mit hoher Formtreue und geringer sphärischer Verbiegung auf Waferlevel herzustellen. Solidetalons mit diesen Spezifikationen sind mit konventionellen Verfahren nicht mehr herstellbar und nach aktuellem Wissensstand auch nicht am Markt erhältlich.

Beim Betrieb des Etalons im Laser durch den Industriepartner Onefive GmbH wurde gezeigt, dass die Funktionalität er-reicht, und die Spezifikationen eingehalten werden können.

Was bewirkt ein Etalon in einem Laser?

Das Geschäftsfeld der Onefive GmbH ist die Ent-wicklung und Herstellung schmalbandiger wellen-längendurchstimmbarer OEM Laser. Der Einsatz optischer Filterelemente (Etalons) in solchen La-sern ermöglicht einen Single-Moder-Betrieb bei der Designwellenlänge. Um die Transmissionswel-lenlänge des Filters (und damit letztendlich auch des Lasers) zu variieren, muss die optische Dicke des Etalons verändert werden. Für sogenannte Solidetalons kann dies durch ein Verkippen des Filters im Strahlengang realisiert werden. Was versteht man unter einem Solidetalon?

Ein Solidetalon ist eine planparallele Platte aus transparentem Material mit einer hochreflektie-renden Oberfläche, die einen optischen Resonator mit kleiner Ausdehnung bildet. In dieser Bachelo-rarbeit wird als Material reines Siliziumdioxid (SiO2) eingesetzt. Weshalb wird dieses Solidetalon mikrotechnisch gefertigt?

Für einen Einsatz in der Lasercavity werden an das Filterelement hohe Ansprüche gestellt. Eine mikro-technische Fertigung ermöglicht die Herstellung von kompakt aufgebauten Filterelementen, welche beste optische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Zudem ist durch die geringen Platzver-hältnisse und die geforderte Devicedicke von nur 8µm eine Herstellung auf konventionellem Weg nicht mehr möglich. Die in der Mikrosystemtechnik

etablierte waferbasierte Prozesstechnologie bietet eine hervorragende Basis für die Umsetzung in ein konkurrenzfähiges und kostengünstiges Produkt.

Abbildung 1: Solidetalon im Grössenvergleich

Anwendungsgebiete des Solidetalons

Die vom Industriepartner hergestellten Laser wer-den im Telekommunikationsbereich und in der Spektroskopie eingesetzt. In diesen Anwendungs-gebieten ist der Single-Mode-Betrieb der Laser eine Grundvoraussetzung. Zudem möchte Onefive ein Wellenlängentuning über einen Bereich von 100nm realisieren. Durch den Einbau des hier entwickelten Solideta-lons wird sowohl der Single-Mode-Betrieb als auch das gewünschte Wellenlängentuning ermöglicht.

M. Keka, M. Burgunder 2 Bachelorarbeit 2009

Was zeichnet das gefertigte Solidetalon aus?

Die Einhaltung der geringen Abmasse des Etalons von 700*700*8μm

3 gewährleistet den Einbau des

Filterelements in die Lasercavity. Niedrige Verluste, eine Grundvoraussetzung für die Funktionalität des Lasers, können dank hoher Planparallelität, gerin-ger sphärische Verbiegung und minimaler Oberflä-chenrauheit des Etalons garantiert werden kann. Um Verschmutzungen weitestgehend zu vermei-den und die Rauigkeit der optischen Oberflächen möglichst gering zu halten, wurden die Prozesse darauf ausgelegt, die optischen Oberflächen nur möglichst wenigen und kurzen Ätzangriffe auszu-setzen. Unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI)-Technologie gelingt es diese Randbedingun-gen einzuhalten und ein Device herzustellen, das die geforderten 8µm Dicke aufweist. Ein Oxidationsschritt als Schlüsselprozess

Die in Silizium strukturierten Etalonoberflächen werden in einem Oxidationsschritt in reines Silizi-umdioxid übergeführt. Die Umwandlung der Silizi-umschicht in Siliziumdioxid wird in einem Oxidati-onsofen bei einer Temperatur von 1100°C reali-siert, und stellt dabei einen Schlüsselprozess bei der Herstellung der Etalons dar. Bei der Oxidation entsteht durch Volumenausdehnung ein Glasplätt-chen mit mehr als der doppelten Dicke der ur-sprünglichen Siliziumstruktur. Zudem ist die Quali-tät des entstandenen Oxids essentiell für die Ver-lusteigenschaften des Filterelementes. Durch speziell ausgelegte Aufhängungen konnte eine Verbiegung der Etalonoberflächen durch den Materialumwandlungsprozess auf ein Minimum reduziert werden.

Abbildung 2: Verkrümmung der Etalonoberfläche

Wie gut funktionieren die hergestellten Etalons?

Die gefertigten Etalons weisen kleinste geometri-sche Abmasse auf und ermöglichen durch Verkip-pen relativ zur optischen Achse des Lasers ein Wellenlängentuning in einem Bereich von 100nm. Die Filterelemente weisen geringste Dämpfungs-verluste auf, so dass ein Betrieb des Lasers mit integrierten Etalons demonstriert werden konnte.

Abbildung 3: Wellenlängentuning bei verschiedenen Verkippwinkeln

Abbildung 4: Etalon im Strahlengang

Was ist an dieser Bachelorarbeit innovativ?

Die in dieser Bachelorarbeit mikrotechnisch gefer-tigten Solidetalons bieten folgende Vorteile:

Glasdicke von nur 8 µm

Tuningrange von 100nm

Geringste Verbiegungen

Oberflächenrauheiten im Nanometerbereich

Geringe Keilfehler

Kleinste Dimensionen

Darüber hinaus ist der entwickelte Herstellprozess reproduzierbar und die Ausbeute hoch. Mit diesen Fakten bieten sich die mikrotechnisch gefertigten Solidetalons als nächste Technologiegeneration an.

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