Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Development of hybrid UV VCSEL with organic active material and dielectric DBR mirrors for medical, sensoric and data storage applications

Lasers play an important role for medical, sensoric and data storage devices. This thesis is focused on design, technology development, fabrication and characterization of hybrid ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (UV VCSEL) with organic laser-active material and inorganic distributed Bragg reflectors (DBR). Multilayer structures with different layer thicknesses, refractive indices and absorption coefficients of the inorganic materials were studied using theoretical model calculations. During the simulations the structure parameters such as materials and thicknesses have been varied. This procedure was repeated several times during the design optimization process including also the feedback from technology and characterization. Two types of VCSEL devices were investigated. The first is an index coupled structure consisting of bottom and top DBR dielectric mirrors. In the space in between them is the cavity, which includes active region and defines the spectral gain profile. In this configuration the maximum electrical field is concentrated in the cavity and can destroy the chemical structure of the active material. The second type of laser is a so called complex coupled VCSEL. In this structure the active material is placed not only in the cavity but also in parts of the DBR structure. The simulations show that such a distribution of the active material reduces the required pumping power for reaching lasing threshold. High efficiency is achieved by substituting the dielectric material with high refractive index for the periods closer to the cavity. The inorganic materials for the DBR mirrors have been deposited by Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) machines. Extended optimizations of the technological processes have been performed. All the processes are carried out in a clean room Class 1 and Class 10000. The optical properties and the thicknesses of the layers are measured in-situ by spectroscopic ellipsometry and spectroscopic reflectometry. The surface roughness is analyzed by atomic force microscopy (AFM) and images of the devices are taken with scanning electron microscope (SEM). The silicon dioxide (SiO2) and silicon nitride (Si3N4) layers deposited by the PECVD machine show defects of the material structure and have higher absorption in the ultra violet range compared to ion beam deposition (IBD). This results in low reflectivity of the DBR mirrors and also reduces the optical properties of the VCSEL devices. However PECVD has the advantage that the stress in the layers can be tuned and compensated, in contrast to IBD at the moment. A sputtering machine Ionsys 1000 produced by Roth&Rau company, is used for the deposition of silicon dioxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4), aluminum oxide (Al2O3) and zirconium dioxide (ZrO2). The chamber is equipped with main (sputter) and assisted ion sources. The dielectric materials were optimized by introducing additional oxygen and nitrogen into the chamber. DBR mirrors with different material combinations were deposited. The measured optical properties of the fabricated multilayer structures show an excellent agreement with the results of theoretical model calculations. The layers deposited by puttering show high compressive stress. As an active region a novel organic material with spiro-linked molecules is used. Two different materials have been evaporated by utilizing a dye evaporation machine in the clean room of the department Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien (mmCmm). The Spiro-Octopus-1 organic material has a maximum emission at the wavelength λemission = 395 nm and the Spiro-Pphenal has a maximum emission at the wavelength λemission = 418 nm. Both of them have high refractive index and can be combined with low refractive index materials like silicon dioxide (SiO2). The sputtering method shows excellent optical quality of the deposited materials and high reflection of the multilayer structures. The bottom DBR mirrors for all VCSEL devices were deposited by the DIBS machine, whereas the top DBR mirror deposited either by PECVD or by combination of PECVD and DIBS. The fabricated VCSEL structures were optically pumped by nitrogen laser at wavelength λpumping = 337 nm. The emission was measured by spectrometer. A radiation of the VCSEL structure at wavelength 392 nm and 420 nm is observed.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.