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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Filter mit einem resonanten Wellenleitergitter.
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Optische Filter basierend auf resonanten Wellenleitergittern ermöglichen schmalbandige optische Filterelemente zu realisieren, die hinsichtlich verschiedener Eigenschaften des zu filternden Lichtes ausgelegt sind. Das bedeutet, dass mit derartigen Filtern einfallendes Licht abhängig von der Wellenlänge oder des Polarisationszustands selektiv gefiltert werden kann. Derartige optische Filterelemente werden beispielsweise in optischen Sensoranordnungen eingesetzt und können in zwei Gruppen unterteilt werden, nämlich in diejenigen, die in Reflexion arbeiten, und diejenigen, die in Transmission arbeiten. In Reflexion arbeitende Filter reflektieren den gewünschten Anteil des Lichts und transmittieren den unerwünschten Anteil, so dass dieser nicht in Richtung einer eventuellen Sensoranordnung abgestrahlt wird. Reflexions-Filter haben den Vorteil, dass ein hoher Reflexionsgrad und damit hohe Effizienz und Schmalbandigkeit erreicht werden können. Der Einsatz derartiger Reflexions-Filter benötigt jedoch eine aufwendige Justage des Aufbaus bzw. der Anordnung des Filterelements z. B. gegenüber einem möglichen Sensor. In Transmission arbeitende Filter haben im Gegensatz dazu den Vorteil, direkt auf einen möglichen Sensor aufgebracht werden zu können, wobei jedoch der Transmissionsgrad im Vergleich zum Reflexionsgrad der Reflexionsfilter typischerweise geringer ist. Des Weiteren ist der transmittierte Anteil des Lichtes schwieriger zu kontrollieren, da dazu eine breitbandige Reflexion durch das jeweilige Element notwendig ist. Durch diese Eigenschaften, werden Reflexions-Filter meist für hocheffiziente Anwendungen genutzt, z. B. sogenannte „Cavity-Spiegel”, und Transmissions-Filter für Anwendungen, wie z. B. Farbfilterung, bei denen eine begrenzte Bandbreite und eine reduzierte Effizienz tolerierbar sind. Aktuelle Designs derartiger Filterelemente ermöglichen zwar eine selektive Filterung einer elektromagnetischen Welle bzw. von Licht mit einer bestimmten Wellenlänge oder einer bestimmten Polarisation, nicht jedoch eine selektive Filterung in Abhängigkeit des Einfallswinkels, was besonders für neuartige Sensorsysteme interessant ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Filter zu schaffen, welcher eine winkelselektive Filterung ermöglicht und/oder mit bestehenden Fertigungstechnologien kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen optischen Filter gemäß Anspruch 1 und einen optischen Filter gemäß Anspruch 7 gelöst.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel schafft die vorliegende Erfindung einen optischen Filter mit einem resonanten Wellenleitergitter, das periodisch in einer Gitterperiodenrichtung angeordnete Gitterperiodenstrukturen, z. B. einen Halbleiter oder Dielektrikum umfassend, aufweist. Die Gitterperiodenstrukturen weisen jeweils mindestens ein Gitterstrukturelement mit einer konstanten Höhe bzw. Dicke auf. Diese rechteckigen Gitterperiodenstrukturen sind lateral so angeordnet, dass sich in jeder Gitterperiodenstruktur ein sich in der Gitterperiodenrichtung ändernder effektiver Brechzahlverlauf, z. B. ein asymmetrischer oder monoton fallender Brechzahlverlauf, ausbildet. Die Gitterperiodenstrukturen des optischen Filters weisen bevorzugter Weise eine Periodenlänge auf, die kleiner ist als eine Wellenlänge einer zu filternden elektromagnetischen Welle. Durch den sich innerhalb einer Gitterperiode ändernden effektiven Brechzahlverlauf und die Wahl der Periodenlänge ist es möglich, eine winkelselektive Filterfunktion bzw. eine winkelselektive Transmission oder Reflexion auszubilden. Vorteilhafter Weise ist dabei der Herstellungsaufwand gering, da die konstante Dicke bzw. Höhe der Gitterstrukturelemente leicht herstellbar ist.
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Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren somit darauf, dass eine winkelselektive Filterung durch ein resonantes Wellenleitergitter ermöglicht wird, das mit bestehenden Fertigungstechnologien kostengünstig herstellbar ist. Der hier beschriebene Ansatz basiert auf den speziellen Eigenschaften von resonanten Wellenleitergittern mit einer Gitterperiodenstruktur, bei dem die Periodenlänge der Gitterperiodenstrukturen kleiner als die Wellenlänge der zu filternden elektromagnetischen Welle gewählt wird. Durch ein oder mehrere Gitterstrukturelemente bzw. Gitterstege innerhalb einer der Gitterperiodenstrukturen entsteht so ein Brechzahlverlauf, um eine licht-führende Funktion zu erreichen. Beispielsweise kann der effektive Brechzahlverlauf mittels mehreren Gitterstrukturelemente unterschiedlicher Breite, z. B. aber mit gleichem Brechungsindex und gleicher Höhe nachgebildet werden, wobei die Gitterstrukturelemente lateral innerhalb einer Gitterperiodenstruktur verteilt sind. Durch die kleine Periodenlänge können die einzelnen Gitterstrukturelemente durch das einfallende Licht nicht mehr optisch aufgelöst werden, sondern bewirken nur noch einen effektiven Brechzahlverlauf. Dieser Brechzahlverlauf ist abhängig von dem Einfallswinkel der elektromagnetischen Welle. Durch die je Einfallswinkel variierende Brechzahl (winkelabhängiger effektiver Brechzahlverlauf) kann eine winkelselektive Filterung ermöglicht werden. Mittels eines optischen Filters mit derartigen rechteckigen Gitterstrukturelementen ist einen asymmetrische Transmission oder Reflexion, aber beispielsweise auch eine symmetrische oder sinusförmige Filterfunktion realisierbar.
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Hierbei ist es vorteilhaft, dass derartige resonante Wellenleitergitter mit rechteckigen Gitterstrukturelementen durch konventionelle Herstellungsverfahren, beispielsweise mittels konventionellen Lithographieprozessen, sowie Ätzen, hergestellt werden können.
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Einem anderen Satz von Ausführungsbeispielen liegt eine Haupterkenntnis zu Grunde, wonach eine asymmetrische Transmission oder Reflexion durch einen asymmetrischen Brechzahlverlauf in den einzelnen Gitterperioden erreicht werden kann; das heißt, dass dadurch die Struktur in einer Periode des verwendeten Gitters „von links” und „von rechts” betrachtet verschieden ist. Deshalb weisen Ausführungsbeispiele eines optischen Filters periodisch in einer Gitterperiodenrichtung angeordnete Gitterperiodenstrukturen mit einem asymmetrischen, effektiven Brechzahlverlauf in der Gitterperiodenrichtung auf. Dreieckförmige Gitterstrukturelemente setzten dies um, jedoch ist deren Herstellung sehr kompliziert.
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Die beiden oben genannten Aspekte sind gemäß Ausführungsbeispielen natürlich kombinierbar. Daher kann die binäre Nachbildung des sich kontinuierlich ändernden Brechzahlverlaufs, sowie der asymmetrische Brechzahlverlauf in den einzelnen Gitterperioden, zur Schaffung eines einfach herstellbaren optischen Filters mit einer asymmetrischen Abhängigkeit der Transmission und/oder der Reflexion einer elektromagnetischen Welle von dem Ein- und Ausfallswinkel derselben genutzt werden. In anderen Worten ausgedrückt ist es möglich, die Erzeugung eines asymmetrischen, effektiven Brechzahlverlaufs durch Zerlegung z. B. von dreieckförmigen Gitterstrukturelementen in Gitterstege bzw. Gitterstrukturelemente gleicher Höhe aber unterschiedlicher Breite zu realisieren. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen umfassen solche Gitterperiodenstrukturen jeweils zwei oder mehr durch Zwischenräume getrennte, lateral angeordnete Gitterstrukturelemente, die eine gleiche Höhe und beispielsweise einen gleichen Brechungsindex, aber unterschiedliche strukturelle Ausdehnung bzw. Breiten in einer Gitterperiodenrichtung aufweisen. Mittels Gitterstrukturelementen, die beispielsweise in Gitterperiodenrichtung eine monoton abnehmende strukturelle Ausdehnung aufweisen sind z. B. monoton fallende Brechzahlverläufe und damit asymmetrische Brechzahlverläufe realisierbar. Hierdurch entsteht ein effektiver (quasi-kontinuierlicher) Brechungsindexverlauf pro Gitterperiode in Gitterperiodenrichtung. Vorteilhafterweise ist es so möglich, dreieckförmige Gitterstrukturelemente durch rechteckige Gitterstrukturelemente zu ersetzen. Derartige Gitterstrukturelemente mit einem rechteckigen Querschnitt sind im Vergleich zu dreieckförmigen Gitterstrukturen mit konventionellen Herstellungsverfahren herstellbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine schematische Schnittdarstellung eines resonanten Wellenleitergitters zur Illustration des Prinzips der winkelselektiven Filterung;
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1b eine schematische Schnittdarstellung eines resonanten Wellenleitergitters mit dreieckförmigen Gitterstrukturelementen zur Illustration des Prinzips der asymmetrischen winkelselektiven Filterung;
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1c eine schematische Schnittdarstellung von optischen Filtern zur Erläuterung der Umsetzung eines resonanten Wellenleitergitters eines Filters gemäß 1b in ein mit konventionellen Herstellungsverfahren herstellbares Wellenleitergitter;
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2a eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Filters mit einem resonanten Wellenleitergitter gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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2b eine schematische Darstellung der Transmissionscharakteristik des optischen Filters entsprechend dem Ausführungsbeispiel aus 2a.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleich wirkende Elemente und Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung der mit gleichen Bezugszeichen versehenen Elemente und Strukturen untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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Bezugnehmend auf 1a und 1b werden zunächst verschiedene Möglichkeiten erläutert, wie eine winkelselektive Transmission oder Reflexion erzielt werden kann, um daraus dann die Vorteile der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele im Hinblick auf die Herstellung zu veranschaulichen. In 1c wird exemplarisch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert, welches hinsichtlich Funktionalität der Lösungsalternative aus 1b entspricht, aber eine mit konventionellen Herstellungsverfahren herstellbare Struktur aufweist.
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1a zeigt einen optischen Filter 10, bei dem auf einem Substrat 12 ein resonantes Wellenleitergitter 14 mit einer Periodenlänge 14p angeordnet ist. Innerhalb der Periodenlänge 14p sind Gitterstrukturelemente 14a und Zwischenräume 14b angeordnet. Die Filterstrukturelemente 14a, die zusammen mit den Zwischenräume 14b das resonante Wellenleitergitter 14 bilden, weisen in diesem Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt und ein optisch transparentes bzw. teilweise transparentes Material, wie z. B. einen Halbleiter oder ein Dielektrikum, auf. Bei dem resonanten Wellenleitergitter 14 weist das Substrat 12 im Vergleich zu dem Gitterstrukturelement 14a einen niedrigeren Brechungsindex auf. Ein derartiges resonantes Wellenleitergitter 14 wird in Resonanz betrieben, indem die Periodenlänge 14p in dem Bereich der Wellenlänge der zu filternden elektromagnetischen Welle oder bevorzugt kleiner als dieselbe gewählt wird und die geometrischen Parameter der Gitterperiodenstruktur entsprechend angepasst werden. Hierbei steigt beispielsweise die Reflexion des resonanten Wellenleitergitters 14 auf theoretische 100% an, während die Transmission der elektromagnetischen Welle einer bestimmten Wellenlänge vollständig unterdrückt wird. Infolgedessen entstehen stark erhöhte evaneszente Felder an der Oberfläche des optischen Filters 10.
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Mit diesem optischen Filter 10 bzw. dem resonanten Wellenleitergitter 14 kann eine winkelselektive Filterfunktion, die in diesem Ausführungsbeispiel symmetrisch ist, umgesetzt werden. Beispielsweise wird eine elektromagnetische Welle 16a unter einem kleinen Einfallswinkel α16a (z. B. 0°–25°) transmittiert, während eine elektromagnetische Welle 16b unter einem großen Einfallswinkel α16b (z. B. 26°–90°) nicht transmittiert wird. Im Allgemeinen ausgedrückt kann die elektromagnetische Welle, abhängig von den genauen Anforderungen bzw. den eingestellten Parameter, wie z. B. Brechungsindices, Dicke des Substrats 12 und/oder Höhe des resonanten Wellenleitergitters 14, im gewünschten Winkelbereich transmittiert oder reflektiert werden. Das Licht aus anderen Einfallswinkeln erfährt die entgegengesetzte Funktion bzw. den entgegengesetzten Transmissions- bzw. Reflexionsgrad und wird absorbiert. Mit einem derartigen optischen Filter 10 ist es möglich extrem dünne Filter zu entwerfen, wobei jedoch die Anpassbarkeit hinsichtlich verschiedener Anforderungen beschränkt ist. Beispielsweise ist mittels des Filters 10 nicht jeglicher Verlauf eines Transmissions- bzw. Reflexionsgrads, wie z. B. eine asymmetrische Filterfunktion, realisierbar.
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Ein optischer Filter, der eine asymmetrische Filterfunktion ermöglicht, ist in 1b dargestellt.
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1b zeigt einen optischen Filter 20 mit einem Substrat 12 und einem resonanten Wellenleitergitter 22. Das resonante Wellenleitergitter 22 weist Gitterstrukturelemente 22a, beispielsweise aus einem Halbleiter mit einem dreieckigen Querschnitt, auf. Die Gitterstrukturelemente 22a sind lateral, periodisch, direkt nebeneinander angeordnet, so dass eine erste Fläche der Gitterstrukturelemente 22a nährungsweise entgegen der Gitterperiodenrichtung und eine zweite Fläche nährungsweise in Gitterperiodenrichtung gerichtet ist.
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Bei diesem resonanten Wellenleitergitter 22, das auch „blazed gratings” genannt wird, ist der effektive Brechzahlverlauf für eine elektromagnetische Welle 24a, die mit einem positiven Einfallswinkel α24a gegenüber einem Lot auf die Struktur 22 einfällt (beispielsweise von links) eine andere als die Brechzahl für eine elektromagnetische Welle 26a, die mit einem negativen Einfallswinkel α26a (beispielsweise von rechts) einfällt. Die gilt auch, wenn die Einfallswinkel α24a und α26a denselben Betrag aufweisen. Hintergrund hierzu ist, dass sich aufgrund der asymmetrischen Gitterstrukturelmente 22a bzw. des asymmetrischen effektiven Brechzahlverlaufs, der für eine von rechts bzw. eine von links einfallende elektromagnetische Welle unterschiedlich ist, eine unterschiedliche Änderung einer optischen Weglänge der elektromagnetischen Welle durch das resonante Wellenleitergitter 22 und das Substrat 12 ergibt. In diesem Ausführungsbeispiel wird beispielsweise die elektromagnetische Welle 24a nicht so stark absorbiert, wie die elektromagnetische Welle 24a, so dass die elektromagnetische Welle 24 durch den optischen Filter 20 großteils transmittieren kann. Infolgedessen weist das resonante Wellenleitergitter 22 einen von dem Einfallswinkel α24a und α26a abhängigen Brechzahlverlauf bzw. je Einfallswinkel eine unterschiedliche Brechzahl auf.
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Da eine derartige Gitterperiodenstruktur 22 mit dreieckigen Gitterstrukturelementen 22a, also mit schrägen Kanten, sehr aufwendig herzustellen ist, wird in 1c eine Umsetzung eines derartigen optischen Filters erläutert, die mit konventionellen Herstellungsmethoden, wie z. B. Tiefätzverfahren mittels einer Ätzmaske aus Metall herstellbar ist. Mit der Ätzmaske werden diejenigen Strukturbereiche maskiert, die unangetastet bleiben sollen und diejenigen Strukturbereiche nicht maskiert, die tiefgeätzt werden sollen. Hierdurch sind typischerweise nur Strukturen bzw. Gitterstrukturelemente mit rechteckigem Querschnitt und konstanter Breite erzeugbar. 1c zeigt in der Darstellung (1) den optischen Filter 20 gemäß 1b. In der Darstellung (2) ist die Realisierung der Funktionalität des optischen Filters 20 mittels einem optischen Filter 30, der Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, illustriert.
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Der optische Filter 30 umfasst ein Substrat 34, auf welches Gitterperiodenstrukturen 32_1 mit einer Periodenlänge 32p aufgebracht sind, so dass ein resonantes Wellenleitergitter 32 geformt wird, wobei die Periodenlänge 32p der Periodenlänge 22p des optischen Filters 20 entspricht. Jede Gitterperiodenstrukturen 32_1 umfasst exemplarisch drei rechteckige, unterschiedlich breite Gitterstrukturelementen 32a, 32b und 32c in Form von gleich hohen, senkrecht von dem Substrat hervorragende, länglich Linienelemente, die jeweils durch Zwischenräume 36 getrennt sind. Auch wenn bei diesem Ausführungsbeispiel die Gitterperiodenstruktur 32_1 zur Veranschaulichung drei Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c umfasst, wird an dieser Stelle angemerkt, dass die Erfindung sich auch auf resonante Wellenleitergitter bezieht, die innerhalb einer Gitterperiodenstruktur zwei oder mehr als drei Gitterstrukturelemente gleicher Höhe h32 aufweisen. Dadurch, dass die strukturelle Ausdehnung in Gitterperiodenrichtung des Gitterstrukturelements 32a größer ist als die des Gitterstrukturelements 32b, die wiederum größer ist als die des Gitterstrukturelements 32c, wird der in Periodenrichtung (z. B. monoton oder linear) abnehmenden effektive Brechungsindexverlauf der dreieckförmigen Gitterstrukturelemente 22a nachgebildet, da die einzelnen Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c bei der Filterung nicht optisch aufgelöst bzw. abgebildet werden, da ja die Periodenlänge 32p so gewählt ist, dass diese kleiner ist als eine Wellenlänge der zu filternden elektromagnetischen Welle. Durch einen derartigen optischen Filter 30 mit dem resonanten Wellenleitergitter 32 kann vorteilhafter Weise die Funktionalität, nämlich eine asymmetrische, winkelselektive Transmission oder Reflexion, des optischen Filters 20 realisiert werden, wobei die Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c mit konventionellen Herstellungsmethoden herstellbar sind.
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Bezug nehmend auf 2 wird ein Ausführungsbeispiel detailliert erläutert, das auf dem eben vorgestellten Ansatz basiert und dadurch einen über den Einfallswinkel variablen Brechzahlenverlauf bzw. eine winkelselektive Transmission oder Reflexion aufweist.
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2a zeigt den optischen Filter 30 mit dem resonanten Wellenleitergitter 32, das auf dem Substrat 34 angeordnet ist. Das resonante Wellenleitergitter 32 weist periodisch entlang einer Gitterperiodenrichtung verteilt angeordnete Gitterperiodenstrukturen 32_1 mit einer Periodenlänge 32p auf. Jede Gitterperiodenstruktur 32_1 umfasst die drei Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c, die sich senkrecht zur Gitterperiodenrichtung entlang einer Oberfläche des Substrats 34 erstrecken und einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die strukturellen Ausdehnungen b32a, b32b und b32c der einzelnen Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c unterscheiden sich, während die Anordnung der Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c so gewählt ist, dass diese eine asymmetrische Gitterperiodenstruktur 32_1 in Gitterperiodenrichtung und damit einen asymmetrischen Brechzahlverlauf aufweisen. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass keine Achse und/oder Ebene senkrecht zur Gitterperiodenstruktur 32_1 existiert, die eine Spiegelachse und/oder Spiegelebene für die Gitterperiodenstruktur 32_1 in Gitterperiodenrichtung bildet, oder dass entlang der Gitterperiodenrichtung der Brechzahlverlauf in keiner Gitterperiode eine Spiegelsymmetrie aufweist.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nimmt die strukturelle Ausdehnung bzw. die Breite b32a, b32b und b32c der Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c über die Periodenlänge 32p hinweg ab (b32a > b32a > b32c). Die Breiten b32a, b32b und b32c der Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c, die an den Positionen 0, 0,33 und 0,66 bezogen auf die Periodenlänge 32p angeordnet sind, können von der Periodenlänge 32p abhängen und tendenziell oder monoton in Gitterperiodenrichtung abnehmen. Beispielsweise kann die Breite b32a 0,29 × Periodenlänge 32p betragen, die Breite b32b 0,18 × Periodenlänge 32p und die Breite b32c 0,1 × Periodenlänge 32p. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Breite b36 der Zwischenräume 36 (z. B. ca. 0,14 × Periodenlängen 32p) als konstant dargestellt, wobei diese bevorzugter, aber nicht notwendiger Weise in Gitterperiodenrichtung variiert oder abnimmt. Deshalb kann alternativ die Breite b32a, b32b und b32c der Gitterstrukturelemente 32a, 32b, 32c sowie die Breite b36 der Zwischenräume 36 über die Periodenlänge innerhalb einer Gitterperiodenstruktur einen abnehmenden Verlauf bzw. einen monoton oder linear abnehmenden Verlauf aufweisen. Die Gitterperiodenelemente 32a, 32b und 32c weisen eine Höhe h32, z. B. 270 nm oder eine Höhe in einem Bereich von 25 nm bis 1000 nm, auf. Es wird angemerkt, dass die Breiten b32a, b32b und b32c bzw. die strukturelle Ausdehnung in Gitterperiodenrichtung über die Höhe h32 konstant sind.
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Die Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c, die beispielsweise Silizium, ein anderes Halbleitermaterial, ein Metall oder ein Dielektrikum aufweisen, haben gleiche Brechungsindices von z. B. 3,677 bzw. in einem Bereich von 1,5 bis 5,0. Das Substrat 34 weist z. B. Kieselglas mit einem Brechungsindex in Höhe von 1,5374 bzw. in einem Bereich von 1,1 bis 3,5 auf. Die beiden Brechungsindices unterscheiden sich im Allgemeinen um mindestens einen Faktor von 0,5 oder 1,0 oder 2,0, so dass der Brechungsindex der Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c größer als der des Substrats 34 ist bzw., in anderen Worten ausgedrückt, dass eine hoch brechende Schicht 32 auf einem niedrig brechendem Substrat 34 gebildet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Zwischenräume 36 Luft und damit einem Brechungsindex von 1,0 auf.
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Der optische Filter 30 ist für Wellenlängen von λ = 850 nm optimiert, was aber keine Beschränkung auf diesen Wellenlängenbereich darstellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Periodenlänge 32p von 740 nm, also kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle, gewählt. Die Periodenlänge 32p der Gitterperiodenstruktur 32_1 hängt neben der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle auch von den Brechungsindices der Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c bzw. des Substrats 34 ab. Durch geeignete Wahl der Gitterparameter, wie z. B. Periodenlänge 32p, Höhe h32 des resonanten Wellenleitergitters 32 oder Breite b32a, b32b und b32c der Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c, und durch geeignete Wahl der Brechungsindices bzw. der Materialien, die die Brechungsindices definieren, ist eine Optimierung auf diese Wellenlänge oder eine Adaption auf weitere Wellenlängenbereiche möglich. Des Weiteren können vorteilhafter Weise mittels Variation dieser Parameter die Winkelbereiche der elektromagnetischen Strahlung eingestellt werden, die transmittiert oder reflektiert werden sollen.
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2b zeigt ein Diagramm einer Transmissionscharakteristik für den optischen Filter 30 gemäß 2a. Hierbei ist der Transmissionsgrad, der den prozentualen Anteil der transmittierten elektromagnetischen Welle darstellt, in Abhängigkeit vom Einfallswinkel (–90° bis +90°) dargestellt. Diese Auswertung Transmissionscharakteristik ist mit Hilfe der RCWA (rigorous coupled-wave analysis = Analyse von elektromagnetischen Wellen in periodischen Konfigurationen) durchgeführt. Diese Analyse basiert auf einem Rigorosem Algorithmus, der er es ermöglicht, die Beugung an einem Gitter im stationären Fall zu simulieren. Ein Graph 38 illustriert den Anteil der elektromagnetischen Welle bzw. des Lichts, der durch den optischen Filter 30 transmittiert werden kann. Es ist anzumerken, dass der Graph 38 für den TM-polarisierten (transversal-magnetischen) Anteil des Lichts gilt.
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Der Graph 38 hat ein Maximum bei einem Einfallswinkel von ca. –45°, d. h., wenn die elektromagnetische Welle schräg von links einfällt. Bei negativem Einfallswinkel liegt der Transmissionsgrad bzw. die Transmission etwa zwischen 50% und 85%. Für positive Einfallswinkel weist der Graph 38 einen wesentlich geringeren Transmissionsgrad von ca. 20% auf. In anderen Worten ausgedrückt zeigt das Diagramm, dass erste Transmissionsgrad für eine elektromagnetische Welle, die unter einem positiven Einfallswinkel bezogen auf ein Lot auf das resonante Wellenleitergitter einfällt, sich von einem zweiten Transmissionsgrad für eine elektromagnetische Welle signifikant unterscheidet, die unter einem negativen Einfallswinkel (mit gleichem Betrag) oder unter einen entgegengesetzten Winkel (z. B. von einer gegenüberliegenden Seite) einfällt.
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Auch wenn in den vorliegenden Ausführungsbeispielen die optischen Filter als Transmissionsfilter beschrieben worden, beziehen sich die beschriebenen Aspekte ebenfalls auf optische Filter, die als Reflexionsfilter betrieben werden.
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Bezug nehmend auf 2a wird angemerkt, dass die Gitterperiodenstruktur 32_1 anstelle der Zwischenräume 36 alternativ Gitterstrukturelemente mit einem von den Gitterstrukturelementen 32a, 32b und 32c abweichenden Brechungsindex aufweisen kann. Die Brechungsindexdifferenz zwischen den Gitterstrukturelementen 32a, 32b und 32c und den Zwischenräumen 36 kann z. B. mehr als 0,5, 1,0 oder 2,5 betragen. Insofern kann die dargestellte Struktur mit anderen Worten dadurch beschrieben werden, dass die Gitterstrukturelemente 32a, 32b, 32c mit einem ersten Brechungsindex und die Zwischenräume 36 mit einem zweiten Brechungsindex lateral entlang der Gitterstrukturrichtung abwechselnd mit einer Periode angeordnet sind, wobei die Breite von zumindest zwei Gitterstrukturelementen innerhalb einer Gitterperiode sich ändert bzw. abnimmt oder monoton abnimmt.
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Es wird an dieser Stelle Bezug nehmend auf 2a angemerkt, dass die strukturellen Ausdehnungen b32a, b32b und b32c der Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c sowie ggf. der Zwischenräume 36 auch in Gitterperiodenrichtung zunehmen bzw. monoton zunehmen kann, was einer gespiegelten asymmetrischen Filterfunktion gegenüber der in 2b dargestellten Filterfunktion entspricht.
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Hinsichtlich der Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c können verschiedene optische, transparente oder semitransparente Materialien genutzt werden, so dass die Gitterstrukturelemente ein Metall, ein Glas, einen Halbleiter, ein Dielektrikum, ein eingeschlossenes Gas, wie z. B. Luft oder ein Vakuum aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c innerhalb der Gitterperiodenstruktur 32_1 auch unterschiedliche Materialen und damit unterschiedliche Brechungsindices aufweisen.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es denkbar, dass bei dem resonanten Wellenleitergitter 32 in den Zwischenräumen 36 und/oder auf den Gitterstrukturelementen 32a, 32b und 32c einen weitere Schicht mit einem weiteren Brechungsindex angeordnet ist, um Parameter hinsichtlich der Winkelselektion für die Reflexion bzw. Transmission oder hinsichtlich der Wellenlänge der zu filternden Elektromagnetischen Welle geeignet einzustellen.
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Alternativ kann das resonante Wellenleitergitter 32 aus 2a bzw. die Gitterstrukturelemente 32a, 32b und 32c oder die Zwischenräume 36 zumindest teilweise durch ein strukturiertes Substrat bzw. genauer durch die nicht entfernten Bereiche des Substrats 44 gebildet sein.
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Bezug nehmend auf 1c wird angemerkt, dass das Prinzip, den Brechzahlverlauf mittels einem einzelnen oder mehreren Gitterstrukturelementen nachzubilden, nur exemplarisch anhand einen asymmetrischen Wellenleitergitter, welches einen asymmetrischen Brechzahlverlauf und damit eine asymmetrische Filterfunktion realisiert, erörtert wurde. Die in 1c beschriebenen Aspekte beziehen sich ebenso auf resonante Wellenleitergitter mit symmetrischen, z. B. sinusförmigen, Gitterstrukturelementen und damit symmetrischen bzw. sinusförmigen Filterfunktionen.
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Auch wenn die Gitterperiodenstruktur 32_1 bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispiele durch mindestens zwei Gitterstrukturelemente 32a und 32b, die durch Zwischenräume 36 voneinander getrennt sind, beschrieben wurde, kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Gitterperiodenstruktur 32_1 ein einziges Gitterstrukturelement mit einem sich in Gitterperiodenrichtung ändernden Brechzahlverlauf aufweisen. Das derartige Gitterstrukturelement erstreckt sich bei konstanter Höhe über die gesamte Gitterperiode oder ist durch einen Zwischenraum von dem nächsten Gitterstrukturelement der nächsten Gitterperiodenstruktur getrennt. Der Brechzahlverlauf wird beispielsweise mittels eines in Gitterperiodenrichtung variierten Material-Dichtenverlaufs ausgebildet. Für optische Filter mit einer asymmetrischen Filterfunktion bedeutet das, dass die (Material-)Dichte auf einer ersten Seite des Gitterstrukturelements größer ist als auf einer (in Gitterperiodenrichtung) zweiten Seite, so dass die Dichte und damit die Brechzahl innerhalb des Gitterstrukturelements (monoton) abnehmen. Bei der Herstellung kann die Dichte des Gitterstrukturelements beispielsweise durch Einbringen von Perforationsstellen in das Gitterstrukturelement 32a verändert werden, wobei die Dichte des Gitterstrukturelements 32a beispielsweise dadurch beeinflussbar ist, dass die Anzahl der Perforationsstellen pro Oberflächenanteil oder der Durchmesser derselben lateral variiert. Für ein asymmetrisches Gitterstrukturelement würde das bedeuten, dass die Anzahl der Perforationsstellen in Gitterperiodenrichtung von der ersten zu der zweiten Seite (monoton) ab- bzw. zunimmt. Diese Perforationsstellen ragen senkrecht von der Oberfläche des Gitterstrukturelements 32a in dasselbe hinein und erstrecken sich über die gesamte Gitterstrukturelementdicke bzw. Höhe h32. Derartige perforierte Gitterstrukturelemente sind ebenfalls mit konventionellen Lithografie-Prozessen und Ätzprozessen herstellbar.