MIKROFON UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES MIKROFONS

Es werden ein Mikrofon und ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons angegeben.

Eine Aufgabe von zumindest bestimmten Ausführungsformen ist es, ein verbessertes membranloses Mikrofon und ein Verfahren zum Betrieb des verbesserten membranlosen Mikrofons anzugeben .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Mikrofon einen Emitter auf, der zur Emission elektromagnetischer Laserstrahlung eingerichtet ist. Der Emitter ist insbesondere dazu eingerichtet, einen elektrischen Strom in elektromagnetische Laserstrahlung umzuwandeln.

Elektromagnetische Laserstrahlung entsteht durch stimulierte Emission. Im Gegensatz zu elektromagnetischer Strahlung, die durch spontane Emission entsteht, weist die elektromagnetische Laserstrahlung eine geringere spektrale Linienbreite, eine höhere Kohärenzlänge und/oder einen höheren Polarisationsgrad auf.

Der Emitter weist bevorzugt eine möglichst kleine spektrale Linienbreite auf. Beispielsweise beträgt eine Halbwertsbreite der elektromagnetischen Laserstrahlung höchstens 1 MHz, bevorzugt höchstens 100 kHz und besonders bevorzugt höchstens 10 kHz. Der Emitter ist beispielsweise zur Emission elektromagnetischer Laserstrahlung in einem Spektralbereich zwischen infrarotem Licht und ultraviolettem Licht eingerichtet . Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Mikrofon einen Detektor auf, der zur Bestimmung einer Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung eingerichtet ist. Insbesondere wandelt der Detektor die darauf einfallende elektromagnetische Laserstrahlung in einen elektrischen Fotostrom um, wobei eine elektrische Stromstärke des Fotostroms bevorzugt proportional zur Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung ist. Der Detektor weist beispielsweise eine Fotodiode oder einen Fototransistor auf.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Mikrofon ein optisches Element auf, dessen Transmissionsgrad und/oder Reflexionsgrad für die elektromagnetische Laserstrahlung von einem Umgebungsluftdruck abhängt. Hier und im Folgenden beschreibt der Transmissionsgrad ein Verhältnis zwischen einer durch das optische Element transmittierten Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung und einer auf das optische Element einfallenden Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung. In anderen Worten beschreibt der Transmissionsgrad einen Anteil der elektromagnetischen Laserstrahlung, der durch das optische Element durchgelassen wird.

Hier und im Folgenden beschreibt der Reflexionsgrad ein Verhältnis zwischen einer vom optischen Element reflektierten Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung und einer auf das optische Element einfallenden Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung. In anderen Worten beschreibt der Reflexionsgrad einen Anteil der elektromagnetischen Laserstrahlung, der vom optischen Element zurückgeworfen wird. Hier und im Folgenden beschreibt der Umgebungsluftdruck einen Druck einer Umgebungsluft. Die Umgebungsluft ist ein Medium, welches das optische Element zumindest teilweise umgibt. Insbesondere breiten sich Schallwellen durch die Umgebungsluft aus. Das Mikrofon ist dazu eingerichtet, diese Schallwellen in ein optisches und/oder elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln. Vorliegend kann die Umgebungsluft ein gasförmiges und/oder ein flüssiges Medium bezeichnen, in dem das optische Element angeordnet ist.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist das optische Element entlang eines optischen Pfades der elektromagnetischen Laserstrahlung zwischen dem Emitter und dem Detektor angeordnet. In anderen Worten trifft die vom Emitter erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung auf das optische Element und wird von diesem zumindest teilweise transmittiert und/oder zumindest teilweise reflektiert. Die vom optischen Element transmittierte oder reflektierte elektromagnetische Laserstrahlung trifft in Folge auf den Detektor .

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons umfasst das optische Element einen photonischen Kristall. Der photonische Kristall weist insbesondere eine Strukturierung mit einer räumlichen Modulation eines Brechungsindex auf. Hier und im Folgenden bezeichnet der Brechungsindex einen Brechungsindex für die vom Emitter im Betrieb erzeugte Laserstrahlung. Die räumliche Modulation des Brechungsindex erfolgt beispielsweise in einer, zwei oder drei

Raumrichtungen. In anderen Worten weist der photonische Kristall eine eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale Strukturierung auf. Elektromagnetische Laserstrahlung, die im photonischen Kristall propagiert, wird durch die räumliche Modulation des Brechungsindex insbesondere gebeugt und/oder gestreut. Durch konstruktive und/oder destruktive Interferenz von verschiedenen Anteilen der gebeugten und/oder gestreuten elektromagnetischen Laserstrahlung kann beispielsweise eine Propagationsrichtung der elektromagnetischen Laserstrahlung geändert werden.

Der photonische Kristall weist insbesondere eine photonische Bandstruktur mit zumindest einer photonischen Bandlücke auf. Die photonische Bandlücke ist ein verbotener Energiebereich beziehungsweise ein verbotener Frequenzbereich, wobei eine elektromagnetische Welle mit einer Energie im verbotenen Energiebereich beziehungsweise mit einer Frequenz im verbotenen Frequenzbereich nicht innerhalb des photonischen Kristalls propagieren kann.

Der Transmissionsgrad und/oder der Reflexionsgrad des photonischen Kristalls ist bevorzugt von einem Brechungsindexkontrast der Strukturierung abhängig. Der Brechungsindexkontrast ist insbesondere proportional zu einer Differenz zwischen einem maximalen Brechungsindex und einem minimalen Brechungsindex der Strukturierung im photonischen Kristall. Insbesondere ändert sich der Brechungsindexkontrast durch den Umgebungsluftdruck. Eine Änderung des Umgebungsluftdrucks durch eine Schallwelle hat somit eine entsprechende Änderung des Transmissionsgrads und/oder des Reflexionsgrads des photonischen Kristalls zur Folge.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Mikrofon: - den Emitter, der zur Emission elektromagnetischer

Laserstrahlung eingerichtet ist, - den Detektor, der zur Bestimmung der Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung eingerichtet ist, und

- das optische Element, dessen Transmissionsgrad und/oder

Reflexionsgrad für die elektromagnetische Laserstrahlung vom Umgebungsluftdruck abhängt, wobei

- das optische Element entlang des optischen Pfades der elektromagnetischen Laserstrahlung zwischen dem Emitter und dem Detektor angeordnet ist, und

- das optische Element einen photonischen Kristall umfasst.

Dem hier beschriebenen Mikrofon liegt insbesondere die Idee zugrunde, Änderungen im Transmissionsgrad und/oder im Reflexionsgrad eines photonischen Kristalls durch eine darauf auftreffende Schallwelle in ein optisches Signal und in weiterer Folge in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln. Insbesondere weist das hier beschriebene Mikrofon vorteilhaft keine mechanisch beweglichen Teile auf. Herkömmliche Mikrofone umfassen beispielsweise eine mechanisch bewegliche Membran, dessen Auslenkung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die mechanischen Eigenschaften der Membran schränken insbesondere einen Schalldruckbereich ein, in dem das Mikrofon eingesetzt werden kann und/oder in dem das Mikrofon eine hohe Sensitivität aufweist. Des Weiteren umfasst die Membran eine bewegliche Masse, die ausgelenkt werden muss und somit eine bestimmte Trägheit aufweist.

Das hier beschriebene membranlose Mikrofon kann aufgrund fehlender beweglicher mechanischer Elemente für einen sehr großen Schalldruckbereich eingesetzt werden, ohne an mechanische Limitierungen zu stoßen. Da keine Massenauslenkung einer Membran notwendig ist, weist das hier beschriebene Mikrofon vorteilhaft einen höheren Dynamikumfang auf. Des Weiteren wird ein Risiko einer Fehlfunktion eliminiert, bei der die Membran eines herkömmlichen Mikrofons beispielsweise aufgrund eines hohen Schallpegels an einer Gegenelektrode anhaftet.

Das hier beschriebene Mikrofon eignet sich insbesondere zur Schalldetektion in gasförmiger Umgebungsluft sowie in Flüssigkeiten. Da keine träge Masse in Bewegung versetzt werden muss, weist das hier beschriebene Mikrofon vorteilhaft eine verbesserte Impulsantwort auf. Darüber hinaus ist das hier beschriebene Wandlerprinzip frequenzunabhängig, weist ein sehr hohes Signal-zu-Rauschverhältnis auf, ist sehr robust und/oder kann durch eine breite Auswahl an möglichen Materialsystemen an Frequenzen der zu messenden Schallwellen und/oder an zu messende Schallpegel angepasst werden.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons weist der photonische Kristall eine Vielzahl von Ausnehmungen in einem Substrat auf, wobei die Ausnehmungen ein zweidimensionales Gitter bilden. Beispielsweise sind Mittelpunkte von Ausnehmungen an Schnittpunkten eines regelmäßigen zweidimensionalen Gitters angeordnet. Dabei können auch einige, bestimmte Schnittpunkte des regelmäßigen zweidimensionalen Gitters frei von Ausnehmungen sein. Die im Folgenden beschriebenen Merkmale einer Ausnehmung gelten bevorzugt für einen Großteil der Ausnehmungen, besonders bevorzugt für alle Ausnehmungen.

Die Ausnehmung ist beispielsweise ein Graben oder ein Loch, das sich zwischen zwei gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats erstreckt. Die Ausnehmung weist in Draufsicht auf die Hauptfläche des Substrats zum Beispiel eine kreisförmige, ovale, elliptische oder polygonale, insbesondere quadratische, rechteckige oder dreieckige Querschnittsfläche auf. Bevorzugt durchdringt die Ausnehmung das Substrat vollständig. Alternativ kann die Ausnehmung als Sackloch ausgebildet sein, das das Substrat nicht vollständig durchdringt .

Ein Durchmesser der Ausnehmung beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 10 Nanometer und einschließlich 1000 Nanometer. Bei einer Ausnehmung mit einer nicht-kreisförmigen Querschnittsfläche bezeichnet der Durchmesser insbesondere einen maximalen Durchmesser der Querschnittsfläche.

Die Ausnehmung ist insbesondere mit der Umgebungsluft gefüllt, die den photonischen Kristall umgibt. Der Brechungsindexkontrast des photonischen Kristalls ist somit proportional zur Differenz zwischen dem Brechungsindex des Substrats und dem Brechungsindex der Umgebungsluft in der Ausnehmung. Schallwellen, die durch die Umgebungsluft propagieren, führen zu einer Änderung des Umgebungsluftdrucks in der Ausnehmung und somit zu einer Änderung des Brechungsindexkontrasts des photonischen Kristalls.

Das regelmäßige zweidimensionale Gitter ist beispielsweise ein quadratisches, rechteckiges, dreieckiges, hexagonales oder schiefwinkliges Gitter. Alternativ oder zusätzlich können die Ausnehmungen ein eindimensionales oder ein dreidimensionales Gitter ausbilden. Ein Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Ausnehmungen oder eine Periode des Gitters ist bevorzugt an eine Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung angepasst. Beispielsweise entspricht die Periode des Gitters einem Wert zwischen einschließlich 1 % und einschließlich 40 % der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung oder die Periode des Gitters weicht um höchstens 70 % von der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung ab.

Das Substrat weist insbesondere ein dielektrisches Material auf, welches zumindest teilweise transparent für die elektromagnetische Laserstrahlung ist. Beispielsweise weist das Substrat ein Glas, ein Halbleitermaterial oder ein Polymer auf, oder besteht aus einem dieser Materialien.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist im photonischen Kristall ein optischer Ringresonator ausgebildet, der eine Resonanzfrequenz aufweist, die von dem Umgebungsluftdruck abhängt. Der optische Ringresonator umfasst insbesondere einen schleifenförmigen Wellenleiter, der eine geschlossene Schleife bildet. Elektromagnetische Laserstrahlung, die in den optischen Ringresonator eingekoppelt wird, kann den schleifenförmigen Wellenleiter somit mehrmals durchlaufen. Der schleifenförmige Wellenleiter weist beispielsweise eine ringförmige, ovale oder flachovale Form auf.

Der schleifenförmige Wellenleiter des optischen Ringresonators ist beispielsweise dadurch gebildet, dass an der Position des schleifenförmigen Wellenleiters keine Ausnehmungen im Substrat des photonischen Kristalls angeordnet sind. Der schleifenförmige Wellenleiter ist somit insbesondere frei von Ausnehmungen. In anderen Worten ist der schleifenförmige Wellenleiter des optischen Ringresonators durch einen Liniendefekt im regelmäßigen Gitter des photonischen Kristalls ausgebildet, wobei der Liniendefekt eine geschlossene Schleife bildet. Entlang des Liniendefekts sind insbesondere keine Ausnehmungen im photonischen Kristall angeordnet. Alternativ können entlang des Liniendefekts Ausnehmungen angeordnet sein, wobei die Ausnehmungen entlang des Liniendefekts eine andere Querschnittsfläche und/oder einen anderen Durchmesser aufweisen, als im restlichen photonischen Kristall.

Die Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators wird beispielsweise durch eine optische Weglänge der elektromagnetischen Laserstrahlung im schleifenförmigen Wellenleiter bestimmt. Beispielsweise weist der optische Ringresonator eine Resonanz auf, wenn die optische Weglänge einem Vielfachen der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung entspricht. Durch die Änderung des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls ändert sich insbesondere die optische Weglänge und somit auch die Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der optische Ringresonator einen Q-Faktor von zumindest 1000, bevorzugt von zumindest 10000, und besonders bevorzugt von zumindest 100000 auf. Der Q-Faktor oder Gütefaktor beschreibt insbesondere ein Verhältnis zwischen der Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators zur spektralen Linienbreite der Resonanz des optischen Ringresonators. In anderen Worten ist der Q-Faktor proportional zu einer mittleren Lebensdauer eines resonanten Photons im optischen Ringresonator.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der optische Ringresonator im photonischen Kristall eine Sensitivität von zumindest 1000 nm/RIU, bevorzugt von zumindest 10000 nm/RIU, und besonders bevorzugt von zumindest 100000 nm/RIU auf. Hier und im Folgenden beschreibt die Sensitivität eine Verschiebung der Wellenlänge der Resonanz des optischen Ringresonators in Nanometer pro Brechungsindexeinheit (Englisch: refractive index unit, kurz: RIU). Beispielsweise verschiebt sich eine Resonanzwellenlänge bei einer Sensitivität von 10000 nm/RIU um 10000 nm, wenn sich der Brechungsindex in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls um den Wert 1 ändert.

Ein hoher Q-Faktor in Verbindung mit einer hohen Sensitivität erlaubt vorteilhaft die Detektion von kleinen Brechungsindexänderungen in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls. Somit können insbesondere kleine Änderungen des Umgebungsluftdrucks durch Schallwellen, die kleine Brechungsindexänderungen in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls bewirken, mit einem hohen Signal-zu- Rauschverhältnis detektiert werden.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist im photonischen Kristall ein Wellenleiter für die elektromagnetische Laserstrahlung ausgebildet und der Wellenleiter ist an den optischen Ringresonator gekoppelt. Der Wellenleiter ist insbesondere zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Laserstrahlung in den optischen Ringresonator eingerichtet.

Beispielsweise ist ein Abstand zwischen dem Wellenleiter und dem optischen Ringresonator so klein, dass ein evaneszentes elektromagnetisches Feld des Wellenleiters mit dem optischen Ringresonator zumindest teilweise überlappt, und umgekehrt. Der Wellenleiter ist insbesondere durch einen Liniendefekt im photonischen Kristall ausgebildet. Entlang des Liniendefektes sind insbesondere keine Ausnehmungen, oder Ausnehmungen mit anderer Querschnittsfläche und/oder anderem Durchmesser im Substrat des photonischen Kristalls angeordnet. Zum Beispiel wird der Transmissionsgrad von im Wellenleiter propagierender elektromagnetischer Laserstrahlung stark verringert, wenn die Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators einer Frequenz der elektromagnetischen Laserstrahlung entspricht.

Es können auch zwei oder mehrere Wellenleiter im photonischen Kristall ausgebildet und an den optischen Ringresonator gekoppelt sein. Dabei wird die elektromagnetische Laserstrahlung zum Beispiel über einen Wellenleiter eingekoppelt und über einen oder zwei Wellenleiter ausgekoppelt. Beispielsweise bilden zwei Wellenleiter mit dem optischen Ringresonator einen optischen Add-Drop-Filter.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons weist durch den Wellenleiter propagierende elektromagnetische Laserstrahlung eine Fano-Resonanz auf, in deren Umgebung der Transmissionsgrad und/oder der Reflexionsgrad linear von einer Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung abhängt. Beispielsweise kann eine Fano-Resonanz durch die Kombination des optischen Ringresonators mit einer teilweise reflektierenden Barriere im Wellenleiter erzeugt werden.

Alternativ weist die durch den Wellenleiter propagierende elektromagnetische Laserstrahlung eine Lorentz-Resonanz auf, in deren unmittelbarer Umgebung der Transmissionsgrad und/oder der Reflexionsgrad quadratisch von der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung abhängt. Die Fano- Resonanz weist im Gegensatz zur Lorentz-Resonanz insbesondere eine asymmetrische spektrale Linienform auf. Durch die lineare Abhängigkeit des Transmissionsgrads und/oder des Reflexionsgrads von der Wellenlänge weist die Fano-Resonanz vorteilhaft eine höhere Sensitivität auf. Insbesondere führt eine kleine Verschiebung der Resonanzfrequenz durch die Änderung des Umgebungsluftdrucks bei der Fano-Resonanz zu einer stärkeren Änderung des Transmissionsgrads und/oder des Reflexionsgrads .

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist der photonische Kristall als optischer Bandkantenfilter eingerichtet und/oder weist einen Strahlteiler auf, bei dem zumindest drei im photonischen Kristall ausgebildete Wellenleiter an einem Punkt zusammenlaufen.

Ränder der photonischen Bandlücke werden hier und im Folgenden als optische Bandkanten bezeichnet. In der unmittelbaren Umgebung der optischen Bandkante weist der photonische Kristall beispielsweise eine starke Abhängigkeit des Transmissionsgrads und/oder Reflexionsgrads von der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung auf. Eine kleine Verschiebung der optischen Bandkante durch eine Änderung des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls führt somit vorteilhaft zu einer großen Änderung des Transmissionsgrads und/oder Reflexionsgrads des photonischen Kristalls.

Der Strahlteiler weist insbesondere einen Wellenleiter zur Einkopplung elektromagnetischer Laserstrahlung und zumindest zwei Wellenleiter zur Auskopplung der elektromagnetischen Laserstrahlung auf. Durch Änderung des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen des photonischen Kristalls verschiebt sich beispielsweise ein Verhältnis der Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung in den zumindest zwei Wellenleitern, über die die elektromagnetische Laserstrahlung ausgekoppelt wird. Uber diese Verschiebung kann die Änderung des Umgebungsluftdrucks somit in ein optisches Signal und in weiterer Folge in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist der photonische Kristall frei von Umgebungsluft umströmbar. In der Umgebungsluft propagierende Schallwellen können somit den Umgebungsluftdruck in Ausnehmungen des photonischen Kristalls ändern. Beispielsweise ist eine Schalltransmission durch den photonischen Kristall aufgrund eines geringen Durchmessers der Ausnehmungen nicht möglich. Durch die freie Umströmbarkeit des photonischen Kristalls kann vorteilhaft ein Druckausgleich zwischen gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats des photonischen Kristalls erfolgen. Zum Beispiel weist das Substrat des photonischen Kristalls einen Freiraum oder einen Ausschnitt auf, über den Umgebungsluft von einer Hauptfläche des Substrats zur gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats strömen kann. Beispielsweise kann der Durchmesser der Ausnehmungen im photonischen Kristall derart klein sein, dass die Umgebungsluft nicht oder nur schwer durch die Ausnehmungen zwischen den gegenüberliegenden Hauptflächen strömen kann.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons weist der Emitter eine Laserdiode auf und der Detektor weist eine Fotodiode auf. Die Laserdiode und/oder die Fotodiode umfassen jeweils einen Halbleiterschichtenstapel, der insbesondere ein III/V-Verbindungshalbleitermaterial aufweist .

Bevorzugt weisen die Laserdiode und die Fotodiode ein Halbleitermaterial aus einer gleichen Materialfamilie auf. Somit können eine Emissionswellenlänge der Laserdiode und eine Absorptionswellenlänge der Fotodiode vorteilhaft aufeinander abgestimmt werden.

Die Laserdiode ist beispielsweise eine DFB-Laserdiode (Englisch: distributed feedback, kurz: DFB) und weist einen periodisch strukturierten aktiven Bereich zur Erzeugung elektromagnetischer Laserstrahlung auf. DFB-Laserdioden weisen vorteilhaft eine kleine spektrale Linienbreite auf. Die spektrale Linienbreite der Laserdiode ist bevorzugt höchstens um einen Faktor zwei größer oder kleiner, als die spektrale Linienbreite der Resonanz des optischen Ringresonators .

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons sind die Laserdiode und die Fotodiode auf einer Hauptfläche des photonischen Kristalls aufgebracht. Die Hauptfläche des photonischen Kristalls entspricht insbesondere der Hauptfläche des Substrats des photonischen Kristalls.

Beispielsweise weist das Substrat des photonischen Kristalls Silizium auf, und die Laserdiode und die Fotodiode weisen ein III/V-Verbindungshalbleitermaterial auf. Bevorzugt sind die Laserdiode und die Fotodiode auf dem Substrat des photonischen Kristalls integriert. Zum Beispiel weist das Substrat des photonischen Kristalls elektrische Kontaktflächen auf, auf denen die Laserdiode und/oder die Fotodiode aufgelötet oder mit einem elektrisch leitfähigen Kleber befestigt sind.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist die Laserdiode derart auf der Hauptfläche des photonischen Kristalls aufgebracht, dass die elektromagnetische Laserstrahlung im photonischen Kristall parallel zur Hauptfläche propagiert. Beispielsweise ist der aktive Bereich zur Erzeugung elektromagnetischer Laserstrahlung optisch an den Wellenleiter im photonischen Kristall gekoppelt, so dass zumindest ein Teil der elektromagnetischen Laserstrahlung aus dem aktiven Bereich auskoppelt und in den Wellenleiter einkoppelt.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das optische Element mehrere photonische Kristalle auf, die verschiedene Transmissionsgrade und/oder verschiedene Reflexionsgrade für die elektromagnetische Laserstrahlung aufweisen. Beispielsweise weist jeder photonische Kristall einen optischen Ringresonator auf, wobei sich die Resonanzfrequenzen und/oder die spektralen Linienbreiten der der verschiedenen optischen Ringresonatoren voneinander unterscheiden .

Bevorzugt ist jedem photonischen Kristall genau ein Detektor zugeordnet. Jeder photonische Kristall kann einen zugehörigen Emitter aufweisen, oder die elektromagnetische Laserstrahlung eines einzelnen Emitters wird auf die mehreren photonischen Kristalle aufgeteilt. Durch die Kombination mehrerer photonischer Kristalle mit unterschiedlichen Transmissionsgraden und/oder Reflexionsgraden kann insbesondere die Sensitivität oder der Dynamikumfang des Mikrofons verbessert werden.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Mikrofons ist der photonische Kristall in einem Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse ein für Schallwellen zumindest teilweise transparentes mechanisches Schutzelement umfasst. Das mechanische Schutzelement ist beispielsweise ein Deckel des Gehäuses, der mehrere Öffnungen aufweist, durch die Umgebungsluft in das Gehäuse und aus dem Gehäuse strömen kann. Dabei sind die Öffnungen bevorzugt so klein, dass beispielsweise Staubpartikel nicht in das Gehäuse eindringen können. Somit ist der photonische Kristall zum Beispiel vor mechanischen Krafteinwirkungen und/oder Schmutz geschützt. Schallwellen können jedoch durch die Öffnungen in das Gehäuse eindringen und dort auf den photonischen Kristall treffen.

Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons angegeben. Das Verfahren ist insbesondere dazu eingerichtet, ein hier beschriebenes Mikrofon zu betreiben. Alle Merkmale des Mikrofons sind auch für das Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons offenbart, und umgekehrt.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Mikrofons transmittiert und/oder reflektiert der photonische Kristall die vom Emitter im Betrieb erzeugte Laserstrahlung derart, dass eine durch Schallwellen hervorgerufene Änderung des Umgebungsluftdrucks in eine entsprechende Änderung der Intensität der transmittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung umgewandelt wird. Insbesondere ist der Transmissionsgrad und/oder der Reflexionsgrad des photonischen Kristalls vom Umgebungsluftdruck abhängig.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wandelt der Detektor die Änderung der Intensität in der transmittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung in ein elektrisches Ausgangssignal um.

Beispielsweise weist die vom Emitter erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung eine zeitlich konstante Intensität auf. Durch Schallwellen hervorgerufene zeitliche Oszillationen des Umgebungsluftdrucks werden vom optischen Element in entsprechende zeitliche Oszillationen der Intensität der transmittierten und/oder reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung umgewandelt. Der Detektor wandelt die zeitlichen Oszillationen der Intensität schließlich in ein entsprechend zeitlich oszillierendes elektrisches Ausgangssignal um.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Wellenlänge der vom Emitter erzeugten elektromagnetischen Laserstrahlung periodisch durchgestimmt, um Änderungen des Transmissionsgrades und/oder des Reflexionsgrades des photonischen Kristalls als Funktion der Wellenlänge zu bestimmen. Insbesondere wird die Wellenlänge der vom Emitter erzeugten elektromagnetischen Laserstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich periodisch geändert.

Zum Beispiel wird die Wellenlänge sägezahnförmig oder sinusförmig als Funktion der Zeit geändert. Durch das periodische Durchstimmen der Wellenlänge des Emitters kann beispielsweise die Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators bestimmt werden, bei der der Transmissionsgrad und/oder der Reflexionsgrad minimal oder maximal ist. Die Resonanzfrequenz hängt insbesondere vom Umgebungsluftdruck ab.

Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden zwei Seitenbänder auf die elektromagnetische Laserstrahlung aufmoduliert, wobei die Seitenbänder zur Bestimmung der Resonanzfrequenz im photonischen Kristall eingerichtet sind. Die Seitenbänder werden insbesondere durch Phasenmodulation oder Frequenzmodulation erzeugt, beispielsweise durch Modulation eines Betriebsstroms der Laserdiode oder durch einen Lasermodulator.

Die Seitenbänder sind insbesondere um eine Modulationsfrequenz von der Frequenz der elektromagnetischen Laserstrahlung verschoben. Dabei hat ein erstes Seitenband eine um die Modulationsfrequenz niedrigere Frequenz als die elektromagnetische Laserstrahlung, und ein zweites Seitenband hat eine um die Modulationsfrequenz höhere Frequenz als die elektromagnetische LaserStrahlung.

Der photonische Kristall umfasst insbesondere den optischen Ringresonator und den daran gekoppelten Wellenleiter, wobei die durch den Wellenleiter propagierende elektromagnetische Laserstrahlung einen Transmissionsgrad mit der oben beschriebenen Lorentz-Resonanz aufweist. Wird in diesen Wellenleiter die modulierte elektromagnetische Laserstrahlung mit den zwei Seitenbändern eingekoppelt, dann umfasst die Intensität der vom photonischen Kristall transmittierten elektromagnetischen Laserstrahlung insbesondere einen Anteil, der mit der Modulationsfrequenz zeitlich oszilliert.

Eine Amplitude dieses mit der Modulationsfrequenz zeitlich oszillierenden Anteils hängt insbesondere von der Resonanzfrequenz des optischen Ringresonators und der Frequenz der elektromagnetischen Laserstrahlung ab. Die Amplitude ist asymmetrisch bezüglich der Resonanzfrequenz und weist in der Nähe der Resonanzfrequenz eine vorteilhaft lineare Frequenzabhängigkeit auf.

Eine kleine Verschiebung der Resonanzfrequenz aufgrund einer Änderung des Umgebungsluftdrucks durch eine Schallwelle führt somit zu einer linearen Änderung der Amplitude des zeitlich oszillierenden Anteils. Somit kann die Amplitude des zeitlich oszillierenden Anteils beispielsweise dazu verwendet werden, die Schallwelle in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln .

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Mikrofons sowie des Verfahrens zum Betrieb eines Mikrofons ergeben sich aus den im Folgenden, in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine schematische Draufsicht und eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrofons gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine schematische Draufsicht und eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrofons gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Die Figuren 5 und 6 zeigen schematische Schnittdarstellungen eines Mikrofons gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.

Figur 7 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Mikrofon gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Figur 8 zeigt einen schematischen Transmissionsgrad eines optischen Elements eines Mikrofons gemäß einem Ausführungsbeispiel .

Figur 9 zeigt schematisch die Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung als Funktion der Wellenlänge gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betrieb eines Mikrofons. Die Figuren 10 und 11 zeigen schematische Darstellungen eines optischen Elements eines Mikrofons gemäß weiterer Ausführungsbeispiele .

Die Figur 12 und 13 zeigen schematische Darstellungen eines Mikrofons gemäß verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, beispielsweise Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Das Mikrofon gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 weist einen Emitter 1 und einen Detektor 2 auf, die auf einer Hauptfläche 12 eines optischen Elements 3 angeordnet sind. Der Emitter 1 umfasst eine Laserdiode, die im Betrieb elektromagnetische Laserstrahlung 20 (hier nicht gezeigt, siehe Figur 4) erzeugt. Der Detektor 2 umfasst eine Fotodiode, die zur Messung einer Intensität I der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 eingerichtet ist.

Das optische Element 3 umfasst einen photonischen Kristall 4, der durch eine Vielzahl von Ausnehmungen 5 in einem Substrat 6 ausgebildet ist. Das Substrat 6 weist beispielsweise Silizium auf oder besteht aus Silizium. Die Ausnehmungen 5 sind in Form eines regelmäßigen quadratischen Gitters angeordnet und mit Umgebungsluft gefüllt. Schallwellen 21 (hier nicht gezeigt, siehe Figur 4), die auf den photonischen Kristall 4 treffen, ändern insbesondere den Umgebungsluftdruck und somit den Brechungsindex der Umgebungsluft in den Ausnehmungen 5.

Im photonischen Kristall sind ein optischer Ringresonator 7 und ein Wellenleiter 8 angeordnet. Der optische Ringresonator 7 und der Wellenleiter 8 sind durch Liniendefekte im quadratischen Gitter des photonischen Kristalls ausgebildet, wobei entlang der Liniendefekte keine Ausnehmungen 5 im Substrat 6 angeordnet sind. Der optische Ringresonator 7 wird insbesondere durch einen kreisförmig geschlossenen Liniendefekt gebildet. Elektromagnetische Laserstrahlung 20, die in den optischen Ringresonator 7 eingekoppelt wird, kann diesen somit mehrmals durchlaufen.

Der Wellenleiter 8 ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Laserstrahlung 20 vom Emitter 1 zum Detektor 2 zu leiten. Der optische Ringresonator 7 ist an den Wellenleiter 8 gekoppelt, so dass zumindest ein Teil der im Wellenleiter 8 propagierenden elektromagnetischen Laserstrahlung 20 aus dem Wellenleiter 8 ausgekoppelt und in den optischen Ringresonator 7 eingekoppelt wird, und umgekehrt.

Der optische Ringresonator 7 ist dazu eingerichtet, den Transmissionsgrad T des photonischen Kristalls 4 für die elektromagnetische Laserstrahlung 20 in Abhängigkeit vom Umgebungsluftdruck zu ändern. Der optische Ringresonator 7 weist eine Resonanzfrequenz f _R auf, die sich als Funktion des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen 5 ändert. Beispielsweise ist der Transmissionsgrad T für die elektromagnetische Laserstrahlung 20, die durch den Wellenleiter 8 propagiert, stark verringert, wenn die Frequenz der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 der Resonanzfrequenz f _R entspricht. Insbesondere ändert sich der Transmissionsgrad T in der Nähe der Resonanzfrequenz f _R stark. Eine Änderung des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen 5 durch eine Schallwelle 21 führt zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz f _R und in Folge zu einer Änderung der Intensität I der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 am Detektor 2. Somit wird die Schallwelle 21 in ein elektrisches Ausgangssignal am Detektor 2 umgewandelt .

Figur 2 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des in Verbindung mit Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels eines Mikrofons. Die Ausnehmungen 5 des photonischen Kristalls 4 erstrecken sich von der Hauptfläche 12 des Substrats 6 bis zu einer gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats. Insbesondere durchdringen die Ausnehmungen 5 das Substrat 6 vollständig.

Die Laserdiode des Emitters 1 und die Fotodiode des Detektors 2 sind derart auf der Hauptfläche 12 des Substrats 6 aufgebracht, dass aktive Bereiche zur Erzeugung bzw. zur Absorption der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 in der Laserdiode beziehungsweise in der Fotodiode an den Wellenleiter 8 gekoppelt sind. Die elektromagnetische Laserstrahlung 20 propagiert parallel zur Hauptfläche 12 des Substrats 6 im photonischen Kristall 4.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mikrofons, das im Vergleich zu dem in Verbindung mit Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel zusätzlich einen Träger 17 mit elektrischen Anschlusskontakten 18 und ein Gehäuse 13 aufweist. Der Träger 17 ist beispielsweise eine Leiterplatte. Das Gehäuse 13 ist zu einem mechanischen Schutz des photonischen Kristalls 4 eingerichtet. Der Emitter 1 und der Detektor 2 sind jeweils über zwei Bonddrähte 19 und elektrische Kontaktflächen 16 auf dem Substrat 6 mit den elektrischen Anschlusskontakten 18 verbunden. Der Emitter 1 und der Detektor 2 sind beispielsweise auf den Kontaktflächen 16 des Substrats 6 angelötet oder mit elektrisch leitfähigem Kleber daran befestigt.

Das Substrat 6 des photonischen Kristalls 4 weist zwei Freiräume 15 auf, die als Ausschnitte im Substrat 6 ausgebildet sind. Über die Freiräume 15 kann die Umgebungsluft den photonischen Kristall 4 frei umströmen und beispielsweise einen Druckausgleich zwischen den beiden gegenüberliegenden Hauptflächen 12 herstellen.

Figur 4 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des in Verbindung mit Figur 3 beschriebenen Ausführungsbeispiels eines Mikrofons. Das Substrat 6 des photonischen Kristalls 4 ist über Abstandshalter 22 auf dem Träger 17 aufgebracht. Das Gehäuse 13 ist mit dem Träger 17 verbunden, beispielsweise über eine Klebeverbindung, und umschließt das Substrat 6.

Der Träger 17 weist eine Öffnung 23 auf, über die Umgebungsluft durch den Träger 17 zum Substrat 6 des photonischen Kristalls 4 strömen kann. Somit können Schallwellen 21 ungehindert auf den photonischen Kristall 4 auftreffen. Der photonische Kristall 4, der Emitter 1 und der Detektor 2 sind im Inneren des Gehäuses 13 beispielsweise vor mechanischen Krafteinwirkungen geschützt.

Die vom Emitter 1 im Betrieb erzeugte Laserstrahlung 20 wird in den photonischen Kristall 4 eingekoppelt und propagiert parallel zur Hauptfläche 12 des Substrats zum Detektor 2. Das in Figur 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Mikrofons weist im Gegensatz zu dem in Verbindung mit Figur 4 beschriebenen Mikrofon ein mechanisches Schutzelement 14 auf, das über Abstandshalter 22 auf einer dem Emitter 1 und dem Detektor 2 gegenüberliegenden Hauptfläche 12 des Substrats 6 angeordnet ist. Das mechanische Schutzelement 14 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 23 auf, über die Umgebungsluft ins Mikrofon und insbesondere zum photonischen Kristall 4 strömen kann. Somit können Schallwellen 21 zum photonischen Kristall 4 propagieren, während der photonische Kristall 4 beispielsweise vor mechanischen Krafteinwirkungen geschützt ist.

Ein Träger 17, insbesondere eine Leiterplatte, mit elektrischen Anschlusskontakten 18 ist auf einer dem Emitter 1 und dem Detektor 2 zugewandten Hauptfläche 12 des Substrats 6 angeordnet. Die elektrischen Anschlusskontakte 18 sind zur elektrischen Kontaktierung des Emitters 1 und des Detektors 2 eingerichtet. Der Träger 17 ist so strukturiert, dass er gemeinsam mit dem mechanischen Schutzelement 14 einen geschützten Freiraum 15 bildet, in dem der photonische Kristall 4 angeordnet und frei von Umgebungsluft umströmbar ist.

Das in Figur 6 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Mikrofons weist im Gegensatz zu dem in Verbindung mit Figur 5 beschriebenen Mikrofon ein strukturiertes Substrat 6 auf, so dass der Emitter 1 und der Detektor 2 an Seitenflächen 24 des photonischen Kristalls 4 angeordnet sind. Somit kann beispielsweise die elektromagnetische Laserstrahlung 20 einer kantenemittierenden Laserdiode direkt in den photonischen Kristall 4 eingekoppelt werden und parallel zu dessen Hauptfläche 12 propagieren.

Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf das mechanische Schutzelement 14 der in Verbindung mit den Figuren 5 und 6 beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Mikrofons. Das mechanische Schutzelement 14 weist eine Vielzahl von Öffnungen 23 mit einer quadratischen Querschnittsfläche auf, wobei die Öffnungen 23 ein regelmäßiges quadratisches Gitter bilden. Die Querschnittsfläche der Öffnungen ist beispielsweise so klein, dass Staubpartikel nicht durch die Öffnungen in das Innere des Mikrofons eindringen können, während Umgebungsluft ungehindert ein- und ausströmen kann. Die Form der Querschnittsfläche der Öffnungen 23 und die Anordnung der Öffnungen 23 kann dabei beliebig sein.

Figur 8 zeigt schematisch den Transmissionsgrad T eines photonischen Kristalls 4 als Funktion der Frequenz f der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 gemäß einem der in Verbindung mit den Figuren 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Mikrofons. Insbesondere ist der Transmissionsgrad T des Wellenleiters 8 gezeigt, der an den optischen Ringresonator 7 gekoppelt ist.

Der Transmissionsgrad T weist beispielsweise eine Fano- Resonanz 9 oder eine Lorentz-Resonanz 10 auf. Bei der Lorentz-Resonanz 10 ist der Transmissionsgrad T in der unmittelbaren Umgebung der Resonanzfrequenz f _R stark reduziert. Die Lorentz-Resonanz ist symmetrisch bezüglich der Resonanzfrequenz f _R . Insbesondere ändert sich der Transmissionsgrad T bei der Lorentz-Resonanz 10 quadratisch als Funktion der Frequenz f für kleine Abweichungen von der Resonanzfrequenz f _R . Im Gegensatz zur Lorentz-Resonanz 10 ist die Fano-Resonanz 9 asymmetrisch bezüglich der Resonanzfrequenz f _R . Insbesondere ändert sich der Transmissionsgrad T bei der Fano-Resonanz 9 linear als Funktion der Frequenz f für kleine Abweichungen von der Resonanzfrequenz f _R . Somit können bei der Fano- Resonanz 9 kleine Schwankungen der Resonanzfrequenz f _R durch Änderungen des Umgebungsluftdrucks beispielsweise leichter und mit einem höheren Signal-zu-Rausch Verhältnis detektiert werden, als bei der Lorentz-Resonanz 10.

Der Transmissionsgrad T weist eine Fano-Resonanz 9 auf, wenn beispielsweise eine teilweise reflektierende Barriere für die elektromagnetische Laserstrahlung 20 im Wellenleiter 8 angeordnet ist. Die Barriere kann beispielsweise durch eine Änderung einer Struktur der Ausnehmungen 5 im photonischen Kristall 4 erzeugt werden. Insbesondere ist die Barriere in einem Bereich des Wellenleiters 8 angeordnet, der an den optischen Ringresonator 7 gekoppelt ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betrieb eines Mikrofons in Figur 9 wird elektromagnetische Laserstrahlung 20 mit konstanter Intensität I in den photonischen Kristall 4 eingekoppelt. Insbesondere zeigt Figur 9 eine Intensität I der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 und einen Transmissionsgrad T oder Reflexionsgrad R des photonischen Kristalls 4 als Funktion der Wellenlänge λ. Die elektromagnetische Laserstrahlung 20 weist eine festgelegte Wellenlänge λ _L mit einer spektralen Linienbreite Aλ auf, die in diesem Ausführungsbeispiel geringfügig größer als die spektrale Linienbreite Δλ der Resonanz des Transmissionsgrades T oder Reflexionsgrades R ist. Wenn keine Schallwelle 21 auf den photonischen Kristall 4 auftrifft, entspricht die Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung λ _L der Wellenlänge λ _R , bei der eine Resonanz im Transmissionsgrad T des photonischen Kristalls auftritt (λ _L = λ _R , linker Teil der Figur 9).

Änderungen des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen 5 des photonischen Kristalls 4 durch eine Schallwelle 21 führen beispielsweise zu einer kleinen Verschiebung der Resonanzfrequenz f _R des optischen Ringresonators 7. Somit wird auch die Wellenlänge λ _R , bei der die Resonanz im Transmissionsgrad T oder Reflexionsgrad R des photonischen Kristalls 4 auftritt, entsprechend verschoben (rechter Teil der Figur 9). Die am Detektor 2 gemessene Intensität I der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 ändert sich beispielsweise proportional zum Transmissionsgrad T oder Reflexionsgrad R bei der Wellenlänge λ _L der elektromagnetischen Laserstrahlung 20. Somit wird die Schallwelle 21 in eine Änderung der Intensität I der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 am Detektor 2 umgewandelt .

Figur 10 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen photonischen Kristall 4, der einen Strahlteiler 11 aufweist. Dabei werden drei Wellenleiter 8 an einem Punkt im photonischen Kristall 4 zusammengeführt. Elektromagnetische Laserstrahlung 20 wird durch den linken Wellenleiter 8 eingekoppelt, am Strahlteiler 11 geteilt, und über die beiden rechten Wellenleiter 8 ausgekoppelt.

Durch Änderung des Umgebungsluftdrucks in den Ausnehmungen 5 des photonischen Kristalls 4 ändert sich insbesondere ein Teilungsverhältnis der Intensitäten I der elektromagnetischen Laserstrahlung 20, die über die zwei Wellenleiter 8 ausgekoppelt wird. Durch Bestimmung der relativen Intensitätsänderung der über die beiden Wellenleiter 8 ausgekoppelten elektromagnetischen Laserstrahlung 20 wird die Schallwelle 21 insbesondere in ein optisches Signal und in weiterer Folge in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Dabei können die beiden Teilstrahlen beispielsweise auch Interferiert werden.

Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung eines photonischen Kristalls 4, der im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Figur 10 mehr als zwei Wellenleiter 8 zur Auskopplung der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 aufweist. Insbesondere weist der photonische Kristall 4 einen Wellenleiter 8 zur Einkopplung und vier Wellenleiter 8 zur Auskopplung der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 auf. Beispielsweise ist der photonische Kristall 4 ein Multimodeninterferenz-Leistungsteiler (Englisch: multimode interference block-based power splitter, kurz: MMI). Durch Bestimmung der relativen Intensitätsänderungen und/oder durch Interferenz einiger oder aller der vier ausgekoppelten Teilstrahlen der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 kann die Schallwelle 21 insbesondere in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden.

Figur 12 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Mikrofons, das ein optisches Element 3 mit drei unterschiedlichen photonischen Kristallen 4 aufweist, die in einem gemeinsamen Substrat 6 ausgebildet sind. Die photonischen Kristalle 4 weisen jeweils einen unterschiedlich ausgebildeten optischen Ringresonator 7 auf, deren Resonanzfrequenzen f _R und/oder spektralen Linienbreiten verschieden sind. Die verschiedenen optischen Ringresonatoren 7 weisen insbesondere geschlossene Liniendefekte unterschiedlicher Länge auf, und/oder die Ausnehmungen 5 in den photonischen Kristallen 4 weisen unterschiedliche Durchmesser auf.

Die optischen Ringresonatoren 7 sind jeweils an einen zugehörigen Wellenleiter 8 gekoppelt, der die elektromagnetische Laserstrahlung 20 von einem Emitter 1 zu einem Detektor 2 führt. Bei dem Mikrofon in Figur 12 weist jeder photonische Kristall 4 einen zugehörigen Emitter 1 und einen zugehörigen Detektor 2 auf. Alternativ kann auch ein gemeinsamer Emitter 1 auf dem Substrat 6 angeordnet sein, dessen elektromagnetische Laserstrahlung 20 auf die verschiedenen photonischen Kristalle 4 aufgeteilt wird.

Durch die Kombination mehrerer, unterschiedlich ausgebildeter photonischer Kristalle 4 kann auf kleinstem Bauraum die Sensitivität und/oder der Dynamikbereich des Mikrofons erweitert und/oder verbessert werden.

Figur 13 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrofons gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die elektromagnetische Laserstrahlung 20 senkrecht zur Zeichnungsebene propagiert. Dabei ist ein Emitter 1 auf der Hauptfläche 12 eines Substrats 6 eines photonischen Kristalls 4 aufgebracht.

Der Emitter 1 ist eine Laserdiode, die einen Halbleiterschichtenstapel 25 mit einem aktiven Bereich 26 zur Erzeugung elektromagnetischer Laserstrahlung 20 umfasst. Der aktive Bereich 26 weist beispielsweise einen pn-Übergang auf. Der aktive Bereich 26 ist so nahe an der Hauptfläche 12 des Substrats 6 angeordnet, dass die elektromagnetische Laserstrahlung 20 aus dem aktiven Bereich 26 zumindest teilweise in den Wellenleiter 8 im photonischen Kristall 4 einkoppelt und dort propagiert. Beispielsweise überlappt ein evaneszentes elektromagnetisches Feld der elektromagnetischen Laserstrahlung 20 im aktiven Bereich 26 mit dem Wellenleiter 8.

Der Halbleiterschichtenstapel 25 weist ein III/V- Verbindungshalbleitermaterial auf, während das Substrat beispielsweise Silizium aufweist. Die Laserdiode ist auf das Substrat 6 beispielsweise aufgelötet oder aufgeklebt. Ein p- Kontakt 27 und ein n-Kontakt 28 sind zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterschichtenstapels 25 eingerichtet.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 102022113109.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugszeichenliste

1 Emitter

2 Detektor

3 optisches Element

4 photonischer Kristall

5 Ausnehmung

6 Substrat

7 optischer Ringresonator

8 Wellenleiter

9 Fano-Resonanz

10 Lorentz-Resonanz

11 Strahlteiler

12 Hauptfläche

13 Gehäuse

14 mechanisches Schutzelement

15 Freiraum

16 Kontaktfläche

17 Träger

18 elektrischer Anschlusskontakt

19 Bonddraht

20 elektromagnetische Laserstrahlung

21 Schallwelle

22 Abstandshalter

23 Öffnung

24 Seitenfläche

25 Halbleiterschichtenstapel

26 aktiver Bereich

27 p-Kontakt

28 n-Kontakt

I Intensität

T Transmissionsgrad

R Reflexionsgrad f Frequenz f _R Resonanzfrequenz λ Wellenlänge λ _L Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung λ _R Wellenlänge der Resonanz

Δ _λ spektrale Linienbreite