Dissertation

102 5.2. Saphir-GaN-basiertes planar integriertes freiraumoptisches System
logien müssen an das Substrat angepasst werden, z.B. mikrotechnische Herstellungsverfahren
wie Lithographie und Ätzen für Quarzglas und Mikrofräsen für
Kunststoffe. Durch den Einsatz optischer Freiformflächen lässt sich die Anzahl
der optisch wirksamen Flächen reduzieren und die Effizienz steigern.
5.2. Saphir-GaN-basiertes planar integriertes
freiraumoptisches System
Während der Arbeit wurde ein Testsystem demonstriert [91], das einen Saphirwafer
als Substrat verwendet. Diffraktive optische Elemente zur Strahlablenkung
und Fokussierung sind als binäre Phasenelemente in einer Galliumnitrid-Schicht
(GaN) ausgeführt. GaN ist ein III-V-Halbleiter mit großer direkter Bandlücke.
Die anspruchsvolle Herstellung einer solchen Gruppe-III-Nitrid-Heterostruktur
erfolgt durch das geordnete Kristallwachstum auf einer Trägerschicht und wird
als Heteroepitaxie bezeichnet [92]. Als Trägerschicht eignen sich Saphir (Al 2 O 3 ),
Siliziumkarbid (SiC) oder Silizium (Si) mit wenigen Nanometern Aluminiumnitrid
(AlN) als Zwischenschicht. Die Herstellung erfolgt mittels MOCVD (metal
organic chemical vapor deposition, metallorganische chemische Gasphasenabscheidung)
oder MBE (molecular beam epitaxy, Molekularstrahlepitaxie).
Der Einsatz von Gruppe-III-Nitrid-Heterostrukturen ermöglicht die parallele
Integration verschiedener optischer [93], elektrischer [94] und optoelektronischer
[95] Funktionalitäten mit einer optimalen Adhäsion biologischer Substanzen [96,
97]. So ist die monolithische Integration optisch relevanter Bauelemente wie LEDs
oder Sensoren auf der Waferoberfläche möglich.
Um die Anwendbarkeit des Materialsystems für planar integrierte freimraumoptische
Systeme zu evaluieren, wurde ein Testsystem enworfen, gefertigt und
getestet. Bild 5.2 (a) zeigt eine schematische Zeichnung des Systems, Tabelle 5.1
enthält die Brechzahlen der verwendeten Medien. Ein HeNe-Laser mit 633 nm
Wellenlänge wird über ein binäres Phasengitter in das System eingekoppelt, so
dass die beiden ersten Ordnungen durch das System propagieren. Durch die reflektierende
Substratunterseite und einen diffraktiven Hohlspiegel an der Substratoberseite
wird das Lichtbündel schließlich in die Detektionsebene fokussiert.
Bild 5.2 (b) zeigt die Draufsicht mit Gitter, Spiegel und Detektor. Der schwarze
Punkt in der Mitte des Detektors stellt den späteren Detektionsbereich dar.
Das Design des diffraktiven Spiegels zur Fokussierung wurde in ZEMAX unter
Berücksichtigung des Gesamtsystems durchgeführt. Das Phasenprofil der verwendeten
Fläche ’Binary 1’ wird gegeben durch:
Φ = A 1 x + A 2 y + A 3 x 2 + A 4 xy + A 5 y 2 + . . . . (5.1)
Die Koeffizenten A 3 und A 5 wurden als Variablen gesetzt, die anderen Koeffizienten
auf 0. Der Optimierungsprozess mit dem minimalen RMS-Spotradius