Vollfaser-Ellipsometer für nanoskalige dielektrische Beschichtungen

Die Messung des Brechungsindex und der Dicke dünner Filme (Filme mit einer Dicke von weniger als einem Nanometer bis zu mehreren Mikrometern) ist wichtig, um sie zu charakterisieren und die Leistung von Sensoren und Geräten zu verbessern, die dünne Filme verwenden. Die etablierteste Methode zur gleichzeitigen Bestimmung beider Parameter mit einer Vielzahl kommerziell verfügbarer Lösungen ist die Ellipsometrie. Allerdings misst diese Technik die Dicke und den Brechungsindex nicht direkt, sondern berechnet sie auf der Grundlage optischer Messungen und eines optischen Modells des Dünnschichtmaterials, das im Voraus bekannt sein muss.

Die Forschungsgruppe Sensoren von Prof. Ignacio R. Matías von der öffentlichen Universität Navarra (Spanien) schlägt in Zusammenarbeit mit dem Advanced Photonic Components Laboratory von Prof. Jacques Albert von der Carleton University (Kanada) einen völlig anderen Ansatz zur Bestimmung der Dicke vor und Brechungsindex dünner Filme, basierend auf den Wellenlängenverschiebungen mehrerer Mantelmoderesonanzen in geneigten Faser-Bragg-Gittern (TFBGs).

Optische Fasergitter bestehen aus einer periodischen Modulation des Brechungsindex entlang des Kerns einer optischen Faser, typischerweise einer Singlemode-Faser mit einem 8 µm dicken Kern und einem 125 µm dicken Mantel. Bei TFBGs liegt die Gitterperiode in der Größenordnung von 500 nm und die Gitter sind im Verhältnis zur Senkrechten zur Achse der optischen Faser abgewinkelt.

Die Kopplung zwischen dem Licht, das sich durch den Kern ausbreitet, und dem Licht, das sich durch den Mantel zurück ausbreitet (Licht wird von den Gittern reflektiert), führt zum Auftreten von Mantelmoderesonanzen im optischen Spektrum. Diese Resonanzen treten in spektralen Abständen in der Größenordnung von 1 nm über einen Wellenlängenbereich von etwa 100 nm auf. Die gleichzeitige Wellenlängenverfolgung einer großen Gruppe von Resonanzen, von denen jede eine separate Messung liefert, ermöglicht die genaue Bestimmung mehrerer Parameter.

In dieser Arbeit veröffentlicht in Optoelektronische Fortschritte, werden die Dicke und der Brechungsindex eines dünnen Films aus Titandioxid (TiO2), der auf einer optischen Faser mit einem darauf eingeschriebenen TFBG abgeschieden ist, gleichzeitig gemessen, indem die Wellenlängenverschiebung von 8 Resonanzen verwendet wird. Dies wird erreicht, indem die experimentellen Wellenlängenverschiebungen von 8 TFBG-Resonanzen während des Abscheidungsprozesses mit simulierten Verschiebungen aus einem Bereich von Dicken (T) und Werten des Brechungsindex (n) verglichen werden.

Die Minimierung einer für jedes (n, T)-Paar berechneten Fehlerfunktion liefert dann eine Lösung für die Dicke und den Brechungsindex des abgeschiedenen Films. Die vom TFBG erhaltenen Endwerte (n = 2,25, Enddicke 185 nm) lagen beide innerhalb von 4 % der Validierungsmessungen, die mit einem herkömmlichen Ellipsometer und einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt wurden.

Dieser Ansatz bietet eine Methode zur Messung der Bildung nanoskaliger dielektrischer Beschichtungen auf Fasern in situ für Anwendungen, die präzise Dicken und Brechungsindizes erfordern, wie beispielsweise das optische Fasersensorfeld. Darüber hinaus kann der TFBG auch als Prozessmonitor für die Abscheidung auf anderen Substraten mit Abscheidungsverfahren verwendet werden, die gleichmäßige Beschichtungen auf unterschiedlich geformten Substraten erzeugen.

Die entwickelte Technik steht im Gegensatz zu anderen herkömmlichen Methoden zur Bestimmung der Eigenschaften solch dünner Filme, die auf nebeneinander angeordneten Zeugproben basieren, wie etwa Ellipsometrie, oder auf destruktiven Messungen unter Verwendung einiger der beschichteten Fasern. Daher könnte die vorgeschlagene Methode dazu dienen, diese Einschränkungen zu überwinden und einen neuen Standard für die Messung der Dicke und des Brechungsindex von auf optischen Fasern abgeschiedenen dünnen Filmen zu etablieren.