Abstract Bachelor Thesis Mirjad Keka

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    22-Jan-2018

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<ol><li> 1. M. Keka, M. Burgunder 1 Bachelorarbeit 2009 Mikrotechnisches Solidetalon fr Festkrperlaser Mirjad Keka, Matthias Burgunder Referent: Prof. Dr. Markus Michler Interstaatliche Hochschule fr Technik Buchs, NTB Ziel dieser Bachelorarbeit war die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung eines Solidetalons fr Festkrperlaser. Ein Etalon ist ein optisches Filterelement. Eingebaut in eine Laserkavitt ermglicht es einen Single-Mode-Betrieb des Lasers und ein Durchstimmen der Betriebswellenlnge. Durch die Planparallelitt, die hochreflektierenden Oberflchen und die kleinen Abmessungen bildet es einen optischen Resonator. Dadurch werden nur Wellenlngen, die einem ganzzahligen Vielfachen der Resonatorlnge entsprechen, transmittiert. Das Solidetalon in dieser Arbeit wurde als dnnes transparentes Glasplttchen 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, 8m dicke Etalons mit hoher Formtreue und geringer sphrischer Verbiegung auf Waferlevel herzustellen. Solidetalons mit diesen Spezifikationen sind mit konventionellen Verfahren nicht mehr herstellbar und nach aktuellem Wissensstand auch nicht am Markt erhltlich. Beim Betrieb des Etalons im Laser durch den Industriepartner Onefive GmbH wurde gezeigt, dass die Funktionalitt er- reicht, und die Spezifikationen eingehalten werden knnen. Was bewirkt ein Etalon in einem Laser? Das Geschftsfeld der Onefive GmbH ist die Ent- wicklung und Herstellung schmalbandiger wellen- lngendurchstimmbarer OEM Laser. Der Einsatz optischer Filterelemente (Etalons) in solchen La- sern ermglicht einen Single-Moder-Betrieb bei der Designwellenlnge. Um die Transmissionswel- lenlnge des Filters (und damit letztendlich auch des Lasers) zu variieren, muss die optische Dicke des Etalons verndert werden. Fr 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 Oberflche, 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? Fr einen Einsatz in der Lasercavity werden an das Filterelement hohe Ansprche gestellt. Eine mikro- technische Fertigung ermglicht die Herstellung von kompakt aufgebauten Filterelementen, welche beste optische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Zudem ist durch die geringen Platzver- hltnisse und die geforderte Devicedicke von nur 8m eine Herstellung auf konventionellem Weg nicht mehr mglich. Die in der Mikrosystemtechnik etablierte waferbasierte Prozesstechnologie bietet eine hervorragende Basis fr die Umsetzung in ein konkurrenzfhiges und kostengnstiges Produkt. Abbildung 1: Solidetalon im Grssenvergleich 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 mchte Onefive ein Wellenlngentuning ber einen Bereich von 100nm realisieren. Durch den Einbau des hier entwickelten Solideta- lons wird sowohl der Single-Mode-Betrieb als auch das gewnschte Wellenlngentuning ermglicht. </li><li> 2. M. Keka, M. Burgunder 2 Bachelorarbeit 2009 Was zeichnet das gefertigte Solidetalon aus? Die Einhaltung der geringen Abmasse des Etalons von 700*700*8m 3 gewhrleistet den Einbau des Filterelements in die Lasercavity. Niedrige Verluste, eine Grundvoraussetzung fr die Funktionalitt des Lasers, knnen dank hoher Planparallelitt, gerin- ger sphrische Verbiegung und minimaler Oberfl- chenrauheit des Etalons garantiert werden kann. Um Verschmutzungen weitestgehend zu vermei- den und die Rauigkeit der optischen Oberflchen mglichst gering zu halten, wurden die Prozesse darauf ausgelegt, die optischen Oberflchen nur mglichst wenigen und kurzen tzangriffe auszu- setzen. Unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI)-Technologie gelingt es diese Randbedingun- gen einzuhalten und ein Device herzustellen, das die geforderten 8m Dicke aufweist. Ein Oxidationsschritt als Schlsselprozess Die in Silizium strukturierten Etalonoberflchen werden in einem Oxidationsschritt in reines Silizi- umdioxid bergefhrt. Die Umwandlung der Silizi- umschicht in Siliziumdioxid wird in einem Oxidati- onsofen bei einer Temperatur von 1100C reali- siert, und stellt dabei einen Schlsselprozess bei der Herstellung der Etalons dar. Bei der Oxidation entsteht durch Volumenausdehnung ein Glaspltt- chen mit mehr als der doppelten Dicke der ur- sprnglichen Siliziumstruktur. Zudem ist die Quali- tt des entstandenen Oxids essentiell fr die Ver- lusteigenschaften des Filterelementes. Durch speziell ausgelegte Aufhngungen konnte eine Verbiegung der Etalonoberflchen durch den Materialumwandlungsprozess auf ein Minimum reduziert werden. Abbildung 2: Verkrmmung der Etalonoberflche Wie gut funktionieren die hergestellten Etalons? Die gefertigten Etalons weisen kleinste geometri- sche Abmasse auf und ermglichen durch Verkip- pen relativ zur optischen Achse des Lasers ein Wellenlngentuning in einem Bereich von 100nm. Die Filterelemente weisen geringste Dmpfungs- verluste auf, so dass ein Betrieb des Lasers mit integrierten Etalons demonstriert werden konnte. Abbildung 3: Wellenlngentuning 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 m Tuningrange von 100nm Geringste Verbiegungen Oberflchenrauheiten im Nanometerbereich Geringe Keilfehler Kleinste Dimensionen Darber hinaus ist der entwickelte Herstellprozess reproduzierbar und die Ausbeute hoch. Mit diesen Fakten bieten sich die mikrotechnisch gefertigten Solidetalons als nchste Technologiegeneration an. Etalon </li></ol>