Применение цифровой планарной голографии для спектрометрии источников излучения высокой яркости в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Кошелев, Александр Юрьевич

• Кошелев, Александр Юрьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Кошелев, Александр Юрьевич

Список используемых сокращений............................................................................................4

Введение 5

1.1 Актуальность исследований.........................................................................................5

1.2 Цель работы.....................................................................................................................6

1.3 Практическая значимость.............................................................................................6

1.4 Структура диссертационной работы...........................................................................6

1.5 Основные положения, выносимые на защиту..........................................................6

1.6 Личный вклад автора....................................................................................................7

1.7 Научная новизна работы...............................................................................................7

1.8 Апробация работы..........................................................................................................8

Глава 1.Дисперсионный элемент на основе цифровой планарной голограммы................9

1.1 Предмет исследования...................................................................................................9

1.2 Методика генерации голограмм................................................................................10

1.3 Связь между параметрами голограмм......................................................................13

1.4 Выбор планарного волновода.....................................................................................14

1.4.1 Структура планарного волновода...........................................................................................14

1.4.2 Материальные потери..............................................................................................................16

1.5 Рассеяние света на голограмме..................................................................................20

1.5.1 Рассеяние света на регулярных решетках..............................................................................21

1.5.2 Расчет рассеяния света на голограмме...................................................................................26

1.6 Результаты и выводы...................................................................................................28

Глава 2.Система подвода света к голограмме......................................................................29

2.1 Общая концепция.........................................................................................................29

2.2 Модовый конвертер......................................................................................................30

2.2.1 Модовый конвертер в приборах с мелким травлением........................................................31

2.2.2 Модовый конвертер в приборах с глубоким травлением.....................................................34

2.3 Контроль поляризации................................................................................................37

2.3.1 Поляризатор на основе ТЕ-ТМ конверсии в волноводах с мелким травлением................37

2.3.2 Делитель поляризации в волноводах с глубоким травлением.............................................40

2.3.3 Устойчивый к погрешностям изготовления делитель поляризации с глубоким травлением................................................................................................................................................42

2.4 Результаты и выводы...................................................................................................53

Глава 3.Исследование спектрометров па основе числовой планарной голографии.......54

3.1 Изготовление оптических чипов................................................................................54

3.2 Описание использовавшихся экспериментальных методик и оптических схем 57

3.2.1 Методика тестирования спектральных чипов.......................................................................57

3.2.2 Измерение спектрального отклика канала голограммы.......................................................59

3.2.3 . Сборка спектрометра...............................................................................................................61

3.2.4 Стенд для тестирования собранных спектрометров.............................................................64

3.3 Температурная зависимость показаний спектрометра.........................................66

3.4 Калибровка спектрометров........................................................................................69

3.5 Двухполосный спектрометр на чипе, изготовленный с использованием одной глубины травления.......................................................................................................................71

3.6 Спектрометр на чипе с рекордным спектральным диапазоном, изготовленный с использованием одной глубины травления..........................................................................77

3.7 Результаты и выводы...................................................................................................81

Глава 4.Комбинация спектрометра на чипе с массивом интерферометров Юнга для измерения спектра узкополосных источников света.........................................................83

4.1 Описание конструкции................................................................................................83

4.2 Экспериментальные результаты...............................................................................88

4.3 Результаты и выводы...................................................................................................92

Заключение 94

Список работ автора по теме диссертации........................................................................96

Литература 97

Список используемых сокращений

FDTD - finite-difference time-domain method - метод конечных разностей во временной области.

ВРМ - beam propagation method - метод распространения пучка

FWHM - full width at half maximum - полная ширина на полувысоте

ЦПГ - цифровая планарная голограмма

FWHM — полная ширина на полувысоте

ПЗС - прибор с зарядовой связью

MMI - multimode interference — многомодовая интерференция

MEMS - microelectromechanical systems - микроэлектромеханические системы

СЛД - суперлюминесцентный диод

ОРО — optical parametric oscillator — оптический параметрический осцилятор CCD - charge-coupled device - прибор с зарядовой связью LD — laser diode - лазерный диод

AWG - arrayed waveguide grating - решетка на основе массива волноводов

SERS - surface-enhanced Raman scattering - поверхностно-усиленное рамановское рассеяние

1.1 Актуальность исследовании

В настоящее время уделяется большое внимание миниатюризации спектральных приборов. Эта задача становится особенно важной в связи с развитием портативных оптических сенсоров и микрофшоидики [1]. Уменьшение размеров классических спектрометров на основе дифракционной решетки приводит к ухудшению разрешения, поэтому идет активный поиск других решений. Существуют попытки применять для решения этой задачи массивы фильтров и МЕМ8[2], однако технические трудности не позволяют добиться сравнимых в классическими спектрометрами параметров. Более перспективным методом является применение интегральной оптики. Подходы для создания интегрально-оптических спектрометров включают в себя AWG [3], фотонные кристалы, спиральные волноводы, интерферометры Маха-Цендера, кольцевые резонаторы, дифракционные решетки на планарных волноводах, эшель решетки [4]. При этом все эти подходы обладают одним общим недостатком — малым числом спектральных каналов, что приводит либо к ограниченному разрешению либо к малому спектральному диапазону. Перспективным подходом, позволяющим преодолеть это ограничение и создать интегрально-оптический спектрометр, не уступающий по своим характеристикам классическим спектрометрам на основе трехмерной оптики является цифровая планарная голография (ЦПГ)[5]. ЦПГ основана на идее использования резонансного отражения от эллиптических решеток, однако в голограмме решетки для всех спектральных каналов перекрываются в одном и том же месте пространства, по аналогии с объемными голограммами. Такой метод делает возможным изготовление приборов с большим числом спектральных каналов.

Стоит заметить, что большинство приборов интегральной оптики обладает существенным ограничением, а именно - возможность работы только с пространственно одномодовым излучением. Это ограничивает область применения интегрально-оптических спектрометров источниками высокой яркости. Например, такие спектрометры можно применять, для оптической когерентной томографии [б], волоконно-брэговских сенсоров [7], телекоммуникаций [8], 8ЕК8[9], биосенсоров[10] и т.д.

Резюмируя сказанное выше можно сделать вывод о том, что тематика диссертации соответствует актуальным научно-техническим проблемам, которые стоят перед современной нанофотоникой и интегральной оптикой.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение цифровой планарной голографии для спектрометрии источников излучения высокой яркости в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн»

1.2 Цель работы

Цель работы состоит в создании интегрально-оптических спектрометров с наилучшими возможными параметрами на основе цифровой планарной голографии. Работа включает в себя расчет и конструирование интегрально-оптических элементов, являющихся составной частью спектрометра. К таким элементам относятся, помимо собственно цифровой планарной голограммы, модовый конвертер, поляризационный делитель, поляризатор. К целям работы относится создание практического руководства по выбору параметров голограмм и учету влияния различных эффектов, в том числе рассеяния света в голограмме, на параметры спектрометра.

Цели работы состоят в получении экспериментальных результатов. Вместе с тем, в работе нами установлены основные закономерности, связывающие между собой конструкцию ЦПГ и их спектральные свойства. Подчеркнём, что нами не ставилось целью развитие строгой теории цифровой планарной голографии, и, в частности, анализ влияния бинаризации на параметры спектральных голограмм. Данный вопрос исследуется экспериментально и конечным результатом работы являются результаты измерения параметров оптического чипа спектрометра.

1.3 Практическая значимость

Результаты проведенных исследований легли в основу коммерческого миниатюрного спектрометра высокого разрешения. Этот прибор был представлен на 4 международных технических выставках: "CLEO 2013" (Сан-Хосе, США, июнь 2013), "SPIE Photonics West" (Сан-Франциско, США, февраль 2014), "PITTCON" (Чикаго, США, март 2014), "9-я международная специализированная выставка лазерной, оптической и оптоэлектронной техники" (Москва, Россия, март 2014).

1.4 Структу ра диссертационной работы

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 101 странице машинописного текста, включая 77 рисунков. Библиографический список содержит 64 наименования.

1.5 Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработаны физические основы построения спектрометров на основе цифровой планарной голографии и интегрально-оптической системы подвода излучения, включающей устройства для ввода света в планарный волновод, контроля поляризации и разделения спектральных полос.

2. Выполнен расчетно-теоретический и экспериментальный анализ световых потерь в интегрально-оптических приборах с цифровыми пленарными голограммами. Предложен и экспериментально подтвержден метод оценки и расчета влияния рассеяния света на параметры спектральных цифровых планарных голограмм.

3. Разработан устойчивый к погрешностям изготовления интегрально-оптический поляризационный делитель на основе каскада интерферометров Маха-Цендера, увеличивающий допустимую погрешность ширины канального волновода в 2 раза для ТЕ поляризации и в 3 раза для ТМ поляризации по сравнению с отдельным интерферометром (по уровню коэффициента экстинкции 20 дБ).

4. Продемонстрирована применимость цифровой планарной голографии для создания спектрометров со спектральным диапазоном до 250 нм и разрешением до 0.15 нм. Разработаны и исследованы спектрометры на чипе (двухполосный с разрешением 0.15 нм и спектральным диапазоном 630-694 и 766-850 нм; широкополосный с разрешением 0.2 нм и спектральным диапазоном 550-800 нм).

5. Предложена концепция спектрометра на чипе для мониторинга лазерного излучения на основе комбинации массива интерферометров Юнга и цифровой планарной голограммы. Экспериментально показано, что точность определения ширины линии узкополосного излучения составляет 10% при ширине линии более 6 пм.

1.6 Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично. Постановка задач, интерпретация полученных результатов и формулировка выводов осуществлялись совместно с научным руководителем и другими исполнителями работы и соавторами публикаций. Непосредственное изготовление приборов осуществлялось совместно с Национальной лабораторией им. Лоуренса в Беркли.

1.7 Научная новизна работы

1. Впервые создан спектрометр на чипе для мониторинга лазерного света на основе комбинации массива интерферометров Юнга и цифровой планарной голограммы. Точность определения ширины линии узкополосного излучения составляет 10% при ширине линии более 6 пм.

2. Разработан устойчивый к погрешностям изготовления интегрально-оптический поляризационный делитель на основе каскада интерферометров Маха-Цендера, увеличивающий допустимую погрешность ширины канального волновода в 2

раза для ТЕ поляризации и в 3 раза для ТМ поляризации по сравнению с отдельным интерферометром. 3. Реализован спектрометр на чипе с разрешением 0.2 нм и рекордным спектральным диапазоном 550-800 нм.

1.8 Апробация работы По материалу, вошедшему в данную диссертацию, опубликовано 8 статей в российских и иностранных реферируемых журналах [А1-А8]. Результаты исследований, представленные в диссертации, доложены и опубликованы в сборниках трудов 3 международных научных конференций: «Conference on Lasers and Electro-Optics 2012» (Сан-Хосе, CILIA, май 2012), «SPIE Photonics West MOEMS-MEMS» (Сан-Франциско, США, февраль 2014), «SPIE Alternative Lithographic Technologies VI» (Сан-Хосе, США, февраль 2014).

Глава 1. Дисперсионный элемент на основе цифровой планарной

голограммы

1.1 Предмет исследования Дисперсионным элементом предлагаемого интегрально-оптического спектрометра является цифровая голограмма, изготовленная на поверхности планарного волновода. Для изготовления используется литографическое травление, при этом на поверхности вытравливаются канавки (Рис. 1), отражающие идущее по планарному волноводу излучение.

1 1*<Г- **д-1М»КХ 2 «м* 4 тт г«*».*« А - ы«м» а*» 1 лм ти«* мш «

1 ГНи М*М{«4»Г ГиниКу {Ш»0 - и*# Ш «да*

Рис. 1. Изображен!! участка голограммы, полученное в электронный микроскоп.

Цифровая голограмма рассчитывается таким образом, что свет из входной точки отражается от голограммы и фокусируется на торце планарного волновода, при этом разные длины волн отражаются в разные точки торца (Рис. 2). Принципиальная схема голограммы подробно описана в работах [А6, А7]. В основе работы голограммы лежит Брэговское отражение от регулярной решетки, при котором от решетки отражается только одна длина волны. Одноканальная голограмма, таким образом, представляет собой обыкновенную эллиптическую брэговскую решетку. На практике голограммы представляют собой сложную суперпозицию сотен таких решеток. Конкретное расположение штрихов голограммы определяется компьютерным кодом [А8].

Рис. 2. Схематичное изображение спектральной Цифровой Планерной Голограммы.

1.2 Методика генерации голограмм

Генерация голограммы состоит из трех этапов:

• Генерация непрерывной аналоговой голограммы

• Бинаризация

• Разрежение

На первом этапе расчитывается аналоговая голограмма, работающая на отражение по схеме Денисюка[11], кодированная в виде изменения показателя преломления волновода за счет изменения толщины ДЬ(х,у). При этом

= / + (х, = ^ XI¿:оы( Сх, ) + ^ )Г (1)

4 4 ,=1

Где Ет(дг,у,со),ЕоШ(х,у,со) -безразмерная комплексная амплитуда входного (референсного) и выходного (объектного) излучения. Н0 -вариация толщины волновода

(глубина травления), определяющая интенсивность отражения от единицы длины. Для спектральных голограмм задачей является фокусировка излучения из входной точки в выходную. В этом случае для монохроматического пучка Ет(*> у) = Ап (*> У) ехр(-/Лг„, (х,у)), Еш (х,у, со) = Аош (х,у) ехр(-Исгм (х, у)), где к-волновой вектор, а гт{х,у) и гиШ (х,у) - расстояние между точкой (х,у) и, соответственно, входной и

выходной точкой. В случае одинаковой входной и выходной амплитуды Дп(х,у) будет представлять собой синусоидальную кривую с эквифазными поверхностями в виде эллипсов с фокусами в точках входа и выхода излученияи периодом равным половине длины волны в среде. Соответственно аналоговая спектральная голограмма представляет собой суперпозицию таких эллипсов в количестве равном числу спектральных каналов голограммы. При конструировании голограммы необходимо, чтобы угол между освещающим пучком и отраженным пучком был как можно меньше, т.к. чем больше этот угол, тем больше участок голограммы в котором падающий и отраженный пучки не пересекаются.

В ходе бинаризации полученную зависимость АИ(х,у) представляется в виде «О» и

«1»:

{О, Щх,у)<Щх,у) Акы(х,у) = \ — --(2)

Здесь АИ(х,у) - среднее, а сг(А/г(х, у)) - среднеквадратическое отклонение вариации толщины волновода. Рассчитаем эти величины. Для простоты предположим, что 4*(х>у) = 4п(?с>у)==1 и гт<Ху) = гош<Ху) = .у)• Тогда, интегрируя по площади голограммы,

_ и |Е1ехР(Лг)+ехр(-Дг)|2Лг |^(ехр(2Дг) + 2+ехр(-2Дг)>/г

Щх,у) = --= -г-=

4 4 | с/г

(¿|ехр(2Дг)£/г + Х|2£/г + Х|ехр(-2Дг),/г) (0 + 2«Г^ + 0) Н

_ 11 а 1=1_м_¡=]__ о 4_I_' _ 21о

\с1г 4 рг 2

п

Т.е. средняя глубина аналоговой голограммы пропорциональна числу каналов. Т.к. отражение света происходит только на изменении толщины планарного волновода,

4

/(¿(ехр(2Дг) + 2 + ехр(-2Дг)))2^

\<Лг

п п

Обозначим А = ^ехр(2Дг), В = ^ехр(-2Дг) . Тогда

н Ц(А + В + 2п)2с/г Но сг{Ыг{х,у)) - I- --- =

._-_-__(4)

Н0 ¡(4п2+2п(А + В) + А2+В2+2АВ)с/г н<>

\АЧг = \ £ схр(2(£, +к1)г)с1г = £ |ехр(2(/:) +к^г)с!г = О 1=1,/=1 м,ы

Аналогично, + £)<$- = О, |^2г/г = 0.

Я /I

\АВс1г = ^ ^ ехр(2(&, -к,)г)с1г = |ехр(2(£, = п\с/г

/=1,/=1 ;=1,/=1

Подставляя эти значения в уравнение (4), получаем

сг(М(х,^)) = ^72« + 4«2 = ^п (5)

Таким образом, глубина травления голограммы равна

2^(2)*<т(Щх,у)) = Н0^ (6)

Т.е. глубина травления голограммы возрастает пропорционально корню из числа каналов.

При бинаризации голограмма кодируется штрихами с фиксированной шириной, соответствующей У4 по среде для центральной длины волны спектрального диапазона. Данная ширина штриха соответствует максимальному отражению.

Следующим шагом после бинаризации идет разрежение. Разрежение представляет собой искусственное выбрасывание части штрихов голограммы для того, чтобы изменить удельную интенсивность отражения. Одной из задач разрежения голограммы является введение аподизации на краях голограммы для уменьшения перекрестных помех между каналами. В этом случае доля выбрасываемых штрихов плавно убывает от края к центру голограммы. Второй задачей является уменьшение коэффициента отражения голограммы при фиксированной глубине травления голограммы. В этом случае выбрасывается фиксированная доля штрихов. Отношение количества выброшенных штрихов к количеству оставшихся называется проксимити. В случае одноканальной голограммы

(регулярной решетки) проксимити совпадает с порядком отражения в котором работает решетка.

Цифровая планарная голограмма — это прибор с дискретной дисперсией. Это означает, что спектр отражения голограммы состоит конечного числа пиков (спектральных каналов голограммы), расстояние между которыми может быть произвольным. Ширина отдельного спектрального пика в основном определяется длиной голограммы. Таким образом, вполне возможна ситуация, при которой расстояние между соседними пиками отражения голограммы превышает ширины отдельного пика отражения. В этом случае найдутся такие длины волн внутри спектрального диапазона, при которых свет не будет отражаться от голограммы. Для спектрометра общего назначения это нежелательно. Это накладывает первое ограничение на параметры спектральной голограммы: при изменении длины волны узкополосного источника в пределах, превышающих расстояние между соседними каналами голограммы, суммарное отражение от неё должно меняться минимально. Отсюда следует, что расстояние между соседними каналами в спектральном пространстве должно примерно совпадать с РШНМ спектра отражения канала.

Пусть теперь требуется рассчитать голограмму, имеющую спектральный диапазон Б [нм] и спектральное разрешение (Р\УНМ) К [нм]. Найдем глубину травления данной голограммы Н [нм]. Учитывая предыдущее ограничение данная голограмма должна иметь п=5/Я каналов. Как было показано в предыдущем разделе, глубина травления голограммы равна глубине травления одноканальной голограммы (решетки), умноженной на квадратный корень из количества каналов: Н = у/п * Н0 (см. выражение (6)). В свою очередь, Но зависит от количества отражающих штрихов К: Но*М=сопэ1. Количество штрихов зависит от длины голограммы, т.е. от разрешения, и от порядка отражения

решетки (проксимити): Н0 ~ (^ + Ргох) + рГох)*Я. Таким образом,

Коэффициент Ко можно рассчитать, например, для регулярной решетки. Он зависит от требуемой величины отражения голограммы и величины перекрестных помех. В интересных с практической точки зрения голограммах К0 « 2:

1.3 Связь между параметрами голограмм

Н Я 2л/5*д*(1 + ргас) (8)

С практической точки зрения глубина травления Н зачастую является ограниченным снизу параметром. Во-первых, относительная точность глубины травления при травлении менее 10 нм становится недостаточной. Во-вторых, как будет показано ниже (раздел 2.3.1), в приборах с одной глубиной травления для голограммы и системы подвода света глубина травления не может быть менее -15 нм. Т.к. глубина травления не является свободным параметром, выразим разрешение голограммы К из уравнения (8).

---2 (9)

4*Б*(\ + ргох)

Из этого уравнения следует неожиданный результат: чем больше спектральный диапазон голограммы, тем выше будет разрешение. При условии, что количество каналов голограммы не превышает количество пикселей детектора.

1.4 Выбор пленарного волновода 1.4.1 Структура планарпого волновода

Планарный волновод, использующийся для создания спектрометра на чипе должен соответствовать следующим условиям:

• Одномодовость

• Высокий контраст между волноводной модой и модами подложки

• Постоянство параметров волновода по площади

Рассмотрим более подробно эти условия. Требование одномодовости волноводного слоя связано с тем, что спектрометр-на-чипе разделяет свет по длинам волн в среде пленарного волновода. Целью спектрометрических измерений, однако, является измерение длины волны в вакууме. В случае, если волноводный слой поддерживает единственную моду с коэффициентом преломления пея-, существует однозначное соответствие между длиной волны в среде и длиной волны в вакууме. Однако, если волноводный слой содержит несколько мод, то свет, приходящий в один и тот же канал голограммы в разных модах будет иметь различную длину волны в вакууме, что значительно затрудняет воссоздание спектра.

Помимо отражения излучения в волноводную моду всегда присутствует возможность отражения излучения в одну из мод подложек. В самом деле, излучение

будет отражаться от решетки, если выполняется условие ^= — /??, где кь кг -

волновые числа, Л - период решетки, а m-порядок отражения. Таким образом, длина

Л(и,+/72)

волны, отраженная решеткой равна л =-!-—. Свет, падающии на решетку всегда

т

приходит в волноводной моде, т.е. ni=ncore- Пусть nciad — наибольший эффективный коэффициент преломления мод подложки. Тогда длина волны, отраженная от решетки в

. МПсоге + Псоге) о Л("с„№ + Псы)

волноводной моде равна Лсоге =-—-^^, а в моде подложки - лсЫ =-—-.

т т

Отсюда

Knre ~ Л-Ы _ ncore ~ ПсЫ _ J_ _ nclad j ^ j q-j

^core ^^core 2 Ylcorß

Длина волны ЯсЫ отразится в тот же канал голограммы, что и Ясоге, создавая неопределенность в восстановлении спектра. Таким образом, выражение (10) определяет максимальный спектральный диапазон, который можно покрыть одной голограммой. Этот спектральный диапазон возрастает с ростом контраста между волноводной модой и модами подложки.

Стоит заметить, что данное ограничение на спектральный диапазон не всегда является строгим. Так как моды подложки являются утекающими, при некоторых структурах волновода отражение в подложку не приводит к перекрестным помехам, так как свет в модах подложки не доходит до детектора излучения. Однако даже в этом случае отражение в моды подложи приводит к потерям излучения.

Постоянство параметров волновода по площади определяет максимально возможное разрешение голограммы. В самом деле, если неоднородность эффективного коэффициента преломления Дп\п составляяет а[мм"'], то длины волн излучения, отраженного от начала и конца решетки будет отличаться, что наложит ограничение на спектральное разрешение: ДА Ал

—«— = aL, где L-длина решетки. С другой стороны ширина кривои отражения от Я п

АЯ Я ^

решетки пропорциональна ее длине: — ~ —. Отсюда наименьшая ширина спектрального

Я L

АЯ и~

канала равна — ~ sJÄa, т.е. пропорциональна корню из удельной неоднородности Я

планарного волновода.

В качестве материала для волноводного слоя планарного волновода был выбран 81зК4. Этот материал имеет большой коэффициент преломления (~2), что увеличивает контраст между волноводной модой и модами подложки. Кроме того данный материал достаточно прозрачен в области видимого света и ближнем инфракрасном диапазоне [12, 13]. Был выбран планарный волновод, изготовленный компанией Ыошх ВУ[14]. Толщина волноводного слоя составляет 160 нм. Подложка состоит из БЮг толщиной 10 мкм на подложке из кремния толщиной 1 мм. При изготовлении большинства приборов на поверхность волновода наносился верхний кладинг (защитный слой) толщиной ~2 мкм для защиты волноводного слоя. Расчет для данной структуры дает длину волны отсечки 460 нм. Максимальный спектральный диапазон отдельной голограммы, определенный по формуле (10), составляет -50 нм (см. Рис. 3).

1.90-п 1.85

ф 1.80 Ч

тз с

| 1.75 о

to

1.70-

Ф

J 1.65 Н о

(D

ш 160

1.55 1.50

—I— 500

600

700

800

900

1000

Wavelength, nm

54

Е с

52 J-jj с ГО

50

го

о CD Q. СО

го

48 Е "х го

46

1100

Рис. 3. Зависимость эффективного коэффициента преломления основной волноводной моды и максимального спектрального диапазона спектромеч ра для выбранного планарного волновода.

1.4.2 Материальные потери

Потери света в планарных волноводах измерялись двумя способами: при помощи выводных решеток и при помощи У-сплиттеров на канальных волноводах. Все измерения проводились для ТЕ-поляризованного света.

При измерении материальных потерь волновода первым способом на поверхности вытравливался набор решеток (Рис. 4а). При этом на волновод не наносилось верхнего кладинга. Первая, длинная, решетка использовалась для ввода света в волновод, остальные решетки использовались для вывода света (Рис. 4б).Период вводной и выводной решеток различался, для того, чтобы избежать попадания в камеру света, отраженного от вводной решетки в нулевом порядке. Зная период решетки и угол, под которым был осуществлен ввод света, можно определить эффективный коэффициент преломления волновода. Сравнивая мощность света, рассеянного решетками, отстоящими на 2 мм и на 4 мм от вводной, можно определить материальные потери.

а)

Т=720 nm 2 mm

ft-3»

I I

1 mm <->

I I

T=340 nm

T=630 nm

6)

Microscope on positioning stage

Рис. 4. а - набор решеток, используюишисн для измерения серых потерь, б) - принципиальная схема измерения.

Достоинством данного метода является его относительная простота, т.к. не требуется полировки торца волновода и нанесения верхнего кладинга. Недостатком является трудоемкость (при изменении длины волны необходимо менять угол ввода и сбора света).

Результаты приведены на Рис. 5. Видно, что волновод является достаточно прозрачным (2 дБ/см) при длинах волн >~500 нм.

50-т

40-

co ■о

(Л

8 20-

СО

о

10-

532 - 2dB/cm

633 - 2dB/cm

0

450

500

550

600

Wavelength, nm

Рис. 5. Суммарные результаты измерения материальных потерь в волноводах ш 8ЬГЧ.,.

Второй метод потребовал изготовления тестовой структуры, состоящей из канальных волноводов (Рис. 6), изготовленных на планарном волноводе с верхним кладингом. Свет, идущий по канальному волноводу разделялся при помощи симметричного У-сплиттера на две равные части, после чего выводился на торец чипа по короткому и длинному волноводу. По разности сигналов на выходе волноводов определялись материальные потери в планарном волноводе. Радиусы поворота канальных волноводов были выбраны так, что потерями на поворотах можно пренебречь. Волноводы были изготовлены с глубиной травления 20 нм, таким образом, потерями на рассеяние на вертикальных стенках канального волновода также можно пренебречь. Дефекты в У-сплиттере, а также неоднородности при полировке торца, приводят к ошибкам измерения. На Рис. 66 приведены результаты измерения коэффициента деления симметричного У-сплиттера. Отклонение результатов от 1 соответствует погрешности —7%.

Результаты измерений приведены на Рис. 7. При длине волны 633 нм потери составляют ~2дБ\см, что сходится с результатами, полученными при помощи рассеивающих решеток. По техническим причинам мы не производили измерений в диапазоне 660 нм - 750 нм. Однако известно, что при увеличении длины волны потери падают и асимптотически стремятся к величине ~2 с!В/см, что близко к данным производителя. При более коротких длинах волн, однако, потери начинают возрастать, что противоречит результатам, приведенным на Рис. 5. Разница в потерях для коротких длин волн объясняется наличием верхнего кладинга на планарном волноводе с канальными волноводами. Несмотря на то, что наличие верхнего кладинга заметно увеличивает материальные потери, его наличие обязательно в приборах с канальными волноводами. В отсутствии верхнего кладинга даже небольшие частички пыли, попавшие на канальный волновод приводят к потерям большей части света.

108"

Е " ш 6-

«г

If)

о

20500 550 600 650 700 750 800

Wavelength, nm

Рис. 7. Зависимость потерь в планарном волноводе от длины волны, измеренная при помошн канальных волноводов.

1.5 Рассеяние света на голограмме Вычислительный код, применяющийся для расчета и симуляции голограммы является двумерным и предполагает распространение света только в планарном волноводе. Это положительно влияет на скорость расчета голограммы, однако не учитывает рассеяние света в третье измерение на элементах голограммы. Эксперименты показали, что при большом числе каналов голограммы потери света из-за рассеяния могут быть значительны и приводить не только к уменьшению коэффициента отражения от голограммы, но и к ухудшению разрешения прибора за счет уменьшения эффективной длины голограммы. Таким образом необходимо оценивать величину данного эффекта при выборе параметров голограммы.

Для расчетов подобных структур обычно применяется FDTD код [15, 16]. Данный код, однако, является требовательным к ресурсам компьютера, поэтому его обычно используют в двумерном варианте. В данном случае, однако, для правильного учета рассеяния требуется проводить расчет в плоскости перпендикулярной плоскости планарного волновода, тогда как для правильного расчета отражения от голограммы - в плоскости планарного волновода. В связи с этим, полученные результаты носят оценочный характер.

1.5.1 Рассеяние света на ршулнрных решетках

Для проверки корректности применения данного кода было проведено сравнение между расчитанным и измеренным пропусканием волновода с нанесенной на него рассеивающей решеткой. Был изготовлен канальный волновод в котором свет разделялся У-сплиттером на равные части и распространялся по двум одинаковым волноводам. На один из волноводов была нанесена рассеивающая вверх решетка (период 374 нм, длина 400 мкм, глубина травления 15 нм). По отношению сигналов на выходе двух волноводов определялись потери на решетке.

При расчете использовался двумерный РБТО код в плоскости перпендикулярной планарному волноводу. При этом рассчитываемая структура включала в себя также подложку из кремния, так как интерференция отраженного от нее сигнала влияет на величину потерь. Верхний кладинг, однако, считался бесконечным. Отражение от границы верхний кладинг\воздух также вносит вклад в потери, однако толщина верхнего кладинга меняется от волновода к волноводу более чем на А/4 = 100 нм.

Сравнение полученных в эксперименте результатов с расчетом приведено на Рис. 8. Модуляции кривой с периодом -15 нм связаны с интерференцией отраженного от кремния света со светом в волноводе. Экспериментальная точка с низким пропусканием в районе 645 нм связана с отражением от решетки назад.

Рис. 8. Пропускание волновода с рассеивающей решеткой периодом 374 нм, длиной 400 мкм и глубиной травления 15 нм.

На Рис. 9 приведена зависимость удельных потерь от длины волны для решеток, отражающих в различных порядках. Видно, что если решетка отражает в нулевом

100

ТЕ experiment ТМ experiment ТЕ simulations

О

580 600 620 640 660 680 Wavelength, nm

порядке, то существует диапазон длин волн (~50 нм в сторону коротких волн), при котором потери на рассеяние отсутствуют. Это связано с отсутствием направления конструктивной интерференции вне планарного волновода для данной структуры. Однако, при Я < (Яге5 — 50 пт), потери возрастают значительно. Это соответствует началу рассеяния излучения в кладинговые моды планарного волновода.

Wavelength, nm

Рис. 9. Зависимость удельных потерь на равномерной рассеивающей решетке от длины волны. Глубина травления 20 нм.

В случае если решетка отражает в первом порядке и выше, потери есть всегда. При этом с ростом номера порядка отражения заметного падения в рассеянии не наблюдается, тогда как необходимая длина решетки для получения заданного коэффициента отражения возрастает KaKN+1, где N-номер порядка отражения.

Посмотрим, какие параметры влияют на долю рассеянного света. Сначала предположим, что свет не отражается от решетки, а только рассеивается. В этом случае интенсивность света спадает вдоль длины голограммы как 1(a) = /0 exp(—kaL), где

a-x/L, х- координата вдоль голограммы, L-длина голограммы, к - удельный коэффициент затухания. Выразим коэффициент затухания, вызванный рассеянием света, K = kL, через параметры голограммы. При фиксированной структуре планарного волновода коэффициент рассеяния к зависит от проксимити (Рис. 9). Кроме того, при

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кошелев, Александр Юрьевич, 2014 год

Литература

[1] D. Psaltis, S. R. Quake, and C. Yang, "Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics.," Nature, vol. 442, no. 7101, pp. 381-6, Jul. 2006.

[2] S.-W. Wang, X. Chen, W. Lu, L. Wang, Y. Wu, and Z. Wang, "Integrated optical filter arrays fabricated by using the combinatorial etching technique.," Opt. Lett., vol. 31, no. 3, pp. 332—4, Mar. 2006.

[3] Y. Barbarin, X. J. M. Leijtens, E. a. J. M. Bente, С. M. Louzao, J. R. Kooiman, and M. K. Smit, "Extremely Small AWG Demultiplexer Fabricated on InP by Using a Double-Etch Process," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 16, no. 11, pp. 2478-2480, Nov. 2004.

[4] X. Ma, M. Li, and J.-J. He, "CMOS-Compatible Integrated Spectrometer Based on Echelle Diffraction Grating and MSM Photodetector Array," IEEE Photonics J., vol. 5, no. 2, Apr. 2013.

[5] C. Peroz, a. Goltsov, S. Dhuey, P. Sasorov, B. Harteneck, I. Ivonin, S. Kopyatev, S. Cabrini, S. Babin, and V. Yankov, "High-Resolution Spectrometer-on-Chip Based on Digital Planar Holography," IEEE Photonics J., vol. 3, no. 5, pp. 888-896, Oct. 2011.

[6] V. D. Nguyen, В. I. Akca, K. Worhoff, R. M. de Ridder, M. Pollnau, T. G. van Leeuwen, and J. Kalkman, "Spectral domain optical coherence tomography imaging with an integrated optics spectrometer.," Opt. Lett., vol. 36, no. 7, pp. 1293-5, Apr. 2011.

[7] G. Z. Xiao, P. Zhao, F. G. Sun, Z. G. Lu, Z. Zhang, and C. P. Grover, "Interrogating fiber Bragg grating sensors by thermally scanning a demultiplexer based on arrayed waveguide gratings.," Opt. Lett., vol. 29, no. 19, pp. 2222-4, Oct. 2004.

[8] I I. Uetsuka, "AWG Technologies for Dense WDM Applications," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 10, no. 2, pp. 393^102, Mar. 2004.

[9] J. Hubner and T. Anhoj, "Surface enhanced Raman spectroscopy on chip," Elev. Int. Conf. MiniaturizedSyst. Chem. Life ScL, pp. 1071-1073, 2008.

[10] K. Cottier, M. Wiki, G. Voirin, H. Gao, and R. E. Kunz, "Label-free highly sensitive detection of (small) molecules by wavelength interrogation of integrated optical chips," Sensors Actuators В Chem., vol. 91, no. 1-3, pp. 241-251, Jun. 2003.

[11] H. Kogelnik, "Coupled wave theory for thick hologram gratings," Bell Syst. Tech. J., 1969.

[12] a Gorin, a Jaouad, E. Grondin, V. Aimez, and P. Charette, "Fabrication of silicon nitride waveguides for visible-light using PECVD: a study of the effect of plasma frequency on optical properties.," Opt. Express, vol. 16, no. 18, pp. 13509-16, Sep. 2008.

[13] A. Subramanian, A. Dhakal, and F. Peyskens, "Low-Loss Singlemode PECVD Silicon Nitride Photonic Wire Waveguides for 532-900 nm Wavelength Window Fabricated Within a CMOS Pilot Line," IEEE Photonics J., vol. 5, no. 6, 2013.

[14] L. Zhuang, D. Marpaung, M. Burla, W. Beeker, A. Leinse, and C. Roeloffzen, "Low-loss, high-index-contrast Si3N4/Si02 optical waveguides for optical delay lines in microwave photonics signal processing," Opt. Express, vol. 19, no. 23, pp. 23162-23170, 2011.

[15] M. Gnan, G. Bellanca, H. M. H. Chong, P. Bassi, and R. M. Rue, "Modelling of Photonic Wire Bragg Gratings," Opt. Quantum Electron., vol. 38, no. 1-3, pp. 133-148, Jan. 2006.

[16] W. Kuang, C. Kim, A. Stapleton, and J. D. O'Brien, "Grating-assisted coupling of optical fibers and photonic crystal waveguides.," Opt. Lett., vol. 27, no. 18, pp. 1604-6, Sep. 2002.

[17] K. Ogawa, W. Chang, B. Sopori, and F. Rosenbaum, "A theoretical analysis of etched grating couplers for integrated optics," IEEE J. Quantum Electron., vol. 9, no. 1, pp. 29-42, Jan. 1973.

[18] "Thorlabs catalog, single mode fibers," 2013..

[19] K. Shiraishi, II. Ohnuki, N. Hiraguri, K. Matsumura, and S. Member, "A Lensed-Fiber Coupling Scheme Utilizing a Graded-Index Fiber and a Hemispherically Ended Coreless Fiber Tip," J. Light. Technol., vol. 15, no. 2, pp. 356-363, 1997.

[20] D. Taillaert, F. Van Laere, M. Ayre, W. Bogaerts, D. Van Thourhout, P. Bienstman, and R. Baets, "Grating Couplers for Coupling between Optical Fibers and Nanophotonic Waveguides," Jpn. J. Appl. Phys., vol. 45, no. 8A, pp. 6071-6077, Aug. 2006.

[21] T. Tamir and S. T. Peng, "Applied Physics Analysis and Design of Grating Couplers," Appl. Phys., vol. 254, pp. 235-254, 1977.

[22] F. van Laere, G. Roelkens, J. Schrauwen, D. Taillaert, P. Dumon, W. Bogaerts, D. van Thourhout, R. Baets, and F. Van Laere, "Compact grating couplers between optical fibers and Silicon-on-Insulator photonic wire waveguides with 69% coupling efficiency," 2006 Opt. Fiber Commim. Conf. Natl. Fiber Opt. Eng. Conf., pp. 1-3,2006.

[23] C. Kopp, S. Bernabe, and B. Bakir, "Silicon photonic circuits: on-CMOS integration, fiber optical coupling, and packaging," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 17, no. 3, pp. 498509,2011.

[24] R. Orobtchouk, a Layadi, H. Gualous, D. Pascal, a Koster, and S. Laval, "High-Efficiency Light Coupling in a Submicrometric Silicon-on-Insulator Waveguide.," Appl. Opt., vol. 39, no. 31, pp. 5773-7, Nov. 2000.

[25] V. R. Almeida, R. R. Panepucci, and M. Lipson, "Nanotaper for compact mode conversion.," Opt. Lett., vol. 28, no. 15, pp. 1302-4, Aug. 2003.

[26] K. K. Lee, D. R. Lim, D. Pan, C. Hoepfner, W.-Y. Oh, K. Wada, L. C. Kimerling, K. P. Yap, and M. T. Doan, "Mode transformer for miniaturized optical circuits.," Opt. Lett., vol. 30, no. 5, pp. 498-500, Mar. 2005.

[27] II. S. N, S. Waveguides, L. Chen, C. R. Doerr, Y. Chen, and T. Liow, "Low-Loss and Broadband Cantilever Couplers Between Standard Cleaved Fibers and," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 22, no. 23, pp. 1744-1746, 2010.

[28] G. Roelkens and P. Dumon, "Efficient silicon-on-insulator fiber coupler fabricated using 248-nm-deep UV lithography," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 17, no. 12, pp. 2613-2615, 2005.

[29] T. Shoji and T. Tsuchizawa, "Low loss mode size converter from 0.3 pm square Si wire waveguides to singlemode fibres," Electron. Lett., vol. 38, no. 25, pp. 1669-1670, 2002.

[30] T. Brenner and H. Melchior, "Integrated optical modeshape adapters in InGaAsP/InP for efficient fiber-to-waveguide coupling," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 5, no. 9, pp. 1053-1056,Sep. 1993.

[31] D. Dai, Z. Wang, N. Julian, and J. Bowers, "Compact broadband polarizer based on shallowly-etched silicon-on-insulator ridge optical waveguides," Opt. Express, 2010.

[32] R. S. Tummidi, T. G. Nguyen, A. Mitchell, and T. L. Koch, "An ultra-compact waveguide polarizer based on 'anti-magic widths,'" 8th IEEE Int. Conf. Gr. IVPhotonics, pp. 104—106, 2011.

[33] I. Kiyat, S. Member, A. Aydinli, and N. Dagli, "A Compact Silicon-on-Insulator Polarization Splitter," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 17, no. 1, pp. 100-102, 2005.

[34] D. Dai and J. E. Bowers, "Novel ultra-short and ultra-broadband polarization beam splitter based on a bent directional coupler.," Opt. Express, vol. 19, no. 19, pp. 18614—20, Sep. 2011.

[35] A. N. Miliou, R. Srivastava, and R. V Ramaswamy, "Polarization Splitter by Ion Exchange," J. Light. Technol., vol. 11, no. 2, pp. 220-225, 1993.

[36] L. Augustin, J. van der Toi, E. Gcluk, and M. Smit, "Short 2x2 polarization splitter in InPflnGaAsP using polarization converters," Proc. Symp. IEEE/LEOS Benelux Chapter, pp. 7174, 2007.

[37] M. R. Watts, H. a Haus, and E. P. Ippen, "Integrated mode-evolution-based polarization splitter.," Opt. Lett., vol. 30, no. 9, pp. 967-9, May 2005.

[38] D. Dai and J. E. Bowers, "Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires.," Opt. Express, vol. 19, no. 11, pp. 10940-9, May 2011.

[39] a Hosseini, S. Rahimi, X. Xu, D. Kwong, J. Covey, and R. T. Chen, "Ultracompact and fabrication-tolerant integrated polarization splitter.," Opt. Lett., vol. 36, no. 20, pp. 4047-9, Oct. 2011.

[40] B. M. a. Rahman, N. Somasiri, C. Themistos, and K. T. V. Grattan, "Design of optical polarization splitters in a single-section deeply etched MMI waveguide,"¿l/?/>/. Phys. B, vol. 73, no. 5, pp. 613-618, Oct. 2001.

[41] B. Yang, S. Shin, and D. Zhang, "Ultrashort Polarization Splitter Using Two-Mode Interference in Silicon Photonic Wires," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 21, no. 7, pp. 432^434, Apr. 2009.

[42] D. Dai, Z. Wang, J. Peters, and J. E. Bowers, "Compact Polarization Beam Splitter Using an Asymmetrical Mach-Zehnder Interferometer Based on Silicon-on-Insulator Waveguides," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 24, no. 8, pp. 673-675, Apr. 2012.

[43] S.-J. Chang and K.-W. Liu, "Design and analysis of optical coupler with a stable splitting ratio based on cascaded multistage directional couplers," Opt. Eng., vol. 51, no. 9, pp. 094603-1, Sep. 2012.

[44] M. Cherchi, "Design scheme for Mach-Zehnder interferometric coarse wavelength division multiplexing splitters and combiners," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 23, no. 9, p. 1752, 2006.

[45] Q. Wang and S. He, "Optimal design of a flat-top interleaver based on cascaded M-Z interferometers by using a genetic algorithm," Opt. Commun., vol. 224, no. 4-6, pp. 229-236, Sep. 2003.

[46] D. Dai, Z. Wang, and J. E. Bowers, "Considerations for the Design of Asymmetrical Mach -Zehnder Interferometers Used as Polarization Beam Splitters on a Submicrometer," J. Light. Technol., vol. 29, no. 12, pp. 1808-1817, 2011.

[47] D. Pérez-Galacho and R. Halir, "Integrated polarization beam splitter with relaxed fabrication tolerances," Opt. Express, vol. 21, no. 12, pp. 2884-2889, 2013.

[48] C. Vieu, F. Carcenac, A. Pepin, and Y. Chen, "Electron beam lithography: resolution limits and applications," Appl. Surf. Sci., pp. 111-117, 2000.

[49] R. F. W. Pease, "Electron beam lithography," Contemp. Phys., vol. 22, no. 3, pp. 265-290, May 1981.

[50] L. J. Guo, "Recent progress in nanoimprint technology and its applications," J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 37, no. 11, pp. R123-R141, Jun. 2004.

[51] L. J. Guo, "Nanoimprint Lithography: Methods and Material Requirements," Adv. Mater., vol. 19, no. 4, pp. 495-513, Feb. 2007.

[52] S. Y. Chou, P. R. Krauss, and P. J. Renstrom, "Nanoimprint lithography," J. Vac. Sci. Technol. В Microelectron. Nanom. Struct., vol. 14, no. June, pp. 4129-4133, 1996.

[53] S. Spector and M. Geis, "Hybrid multi-mode/single-mode waveguides for low loss," Integr. Photonics Res., pp. 7-9, 2004.

[54] "Спецификация лазера LT-2215-OPG," http://www.lotis-tii.com/fdes/LT-2215-OPGrits.pdf.

[55] F.. Duarte, Tunable Lasers Handbook..

[56] a Brandenburg and R. Henninger, "Integrated optical Young interferometer.," Appl. Opt., vol. 33, no. 25, pp. 5941-7, Sep. 1994.

[57] A. Ymeti, J. S. Kanger, J. Greve, P. V Lambeck, R. Wijn, and R. G. Heideman, "Realization of a multichannel integrated Young interferometer chemical sensor.," Appl Opt., vol. 42, no. 28, pp. 5649-60, Oct. 2003.

[59]

[60] [61]

[62]

[63]

[64]

A. V Velasco, P. Cheben, M. L. Calvo, M. Florjañczyk, P. J. Bock, A. Delage, J. H. Schmid, J. Lapointe, S. Janz, D. Xu, and M. Vachon, "High Resolution Fourier-Transform Microspectroscopy Based on Spiral Silicon Waveguides," Transparent Opt. Networks, no. 3, pp.3-6, 2013.

E. le Coarer, S. Blaize, P. Benech, I. Stefanon, A. Morand, G. Lérondel, G. Leblond, P. Kern, J. M. Fedeli, and P. Royer, "Wavelength-scale stationary-wave integrated Fourier-transform spectrometry," Nat. Photonics, vol. 1, no. 8, pp. 473^78, Aug. 2007.

A. H. Ali, S. N. A. Wahid, and H. A. Mohammed, "Analysis of Laser Linewidth Measurements Based on Fabry Perot Interferometer System," Int. J. Eng. Comput. Sci. IJECS-IJENS, vol. 12, no. 06, 2012.

J. H. Correia, M. Bartek, and R. F. Wolffenbuttel, "Bulk-micromachined tunable Fabry-Perot microinterferometer for the visible spectral range," Sensors Actuators A Phys., vol. 76, no. 1-3, pp. 191-196, Aug. 1999.

X. Tang, J. Liao, H. Li, L. Zhang, R. Lu, and Y. Liu, "A novel scheme for 1 *N optical power splitter.," Opt. Express, vol. 18, no. 21, pp. 21697-704, Oct. 2010.

S.-Y. Tseng, C. Fuentes-Hernández, D. Owens, and B. Kippelen, "Variable splitting ratio 2x2 MMI couplers using multimode waveguide holograms.," Opt. Express, vol. 15, no. 14, pp. 9015-21, Jul. 2007.

B. E. Little, T. Murphy, and S. Member, "Design Rules for Maximally Flat Wavelength-Insensitive Optical Power Dividers Using Mach - Zehnder Structures," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 9, no. 12, pp. 1607-1609, 1997.