EA025868B1 - Dispersing element for a spectrometer - Google Patents

Dispersing element for a spectrometer Download PDF

Info

Publication number
EA025868B1
EA025868B1 EA201301215A EA201301215A EA025868B1 EA 025868 B1 EA025868 B1 EA 025868B1 EA 201301215 A EA201301215 A EA 201301215A EA 201301215 A EA201301215 A EA 201301215A EA 025868 B1 EA025868 B1 EA 025868B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
spectrometer
resonator
waveguide
fragment
dispersing element
Prior art date
Application number
EA201301215A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201301215A1 (en
Inventor
Николай Львович Казанский
Павел Григорьевич Серафимович
Сергей Иванович Харитонов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ)
Priority to EA201301215A priority Critical patent/EA025868B1/en
Publication of EA201301215A1 publication Critical patent/EA201301215A1/en
Publication of EA025868B1 publication Critical patent/EA025868B1/en

Links

Landscapes

  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

The proposed invention is related to optical spectrometry and optical instruments integrated on a crystal, and is industrially applicable to measurement of spectral composition of radiation, in particular, in analyzers of liquid and gaseous media, in the field of biomedicine, in the field of analysis of hyperspectral data. The essence of the invention: resonators in the massif used as a dispersing element in a spectrometer consist of two components: first, a ridged photon-crystal waveguide where the period of structure does not vary; second, the resonator includes a fragment of an additive material having an area of several periods of the photon crystal. As the two components are combined, a defect is formed where a resonant mode can be excited. The invention makes it possible to broaden functional capabilities of the dispersing element in a spectrometer and thereby to improve the spectrometer quality and to increase Q-factor of the resonator in the spectrometer to values of ~10.

Description

Предполагаемое изобретение относится к оптической спектрометрии и интегрированному на кристалле оптическому приборостроению и промышленно применимо для измерения спектрального состава излучения в анализаторах жидких и газообразных сред, в области биомедицины, например, носимые на теле анализаторы, когда важны массогабаритные характеристики устройств, в области анализа гиперспектральных данных, например, при решении задач дистанционного зондирования Земли.The alleged invention relates to optical spectrometry and integrated on-chip optical instrumentation and is industrially applicable for measuring the spectral composition of radiation in analyzers of liquid and gaseous media, in the field of biomedicine, for example, body-worn analyzers, when mass and dimensional characteristics of devices are important, in the field of analysis of hyperspectral data, for example, when solving problems of remote sensing of the Earth.

Известен диспергирующий элемент для спектрометра, в котором используется вогнутая голографическая дифракционная решетка для разделения света по длине волны. Вогнутая дифракционная решетка обеспечивает достижение лучшей фокусировки, большей яркости и меньших аберраций в широком диапазоне длин волн. (8рес1тоте1ег щшд сопсауе Ьо1одтарЫс ФГГтасИоп дгаИпд, Не\\1еи-Раскагб Сотрапу, ЕР 0322654 В1, МПК ООП 3/02, 30.03.1994 г.).A dispersing element for a spectrometer is known in which a concave holographic diffraction grating is used to separate light by wavelength. The concave diffraction grating provides better focusing, greater brightness and less aberration over a wide range of wavelengths. (8protection1), which is related to Lobodaris FGTacIop dgaIpd, He \\ 1ey-Raskagb Sotrapu, EP 0322654 B1, IPC OOP 3/02, 03/30/1994).

Недостатками известного диспергирующего элемента для спектрометра являются следующие обстоятельства:The disadvantages of the known dispersing element for the spectrometer are the following circumstances:

низкое спектральное разрешение анализа светового излучения;low spectral resolution of light analysis;

ограниченность рабочего частотного диапазона дифракционной решетки, обусловленная геометрией и характеристиками материала;limited operating frequency range of the diffraction grating due to the geometry and characteristics of the material;

возможность наводки помех, обусловленных засветкой дифракционной решетки паразитными источниками излучения.the possibility of inducing interference due to exposure of the diffraction grating to spurious radiation sources.

Известен диспергирующий элемент для спектрометра, в котором сделана попытка улучшить параметры предыдущего изобретения. Для повышения спектрального разрешения анализа светового излучения до ~1 нм реализован спектрометр на основе микрокольцевого резонатора комбинированного с дифракционной решеткой. (Куо1оки, В.В.С., Ь. Сйеп, апб М. Ыркоп, 8иЪ-пт гс8о1и1юп сауйу епкапсеб т1сго8рес1готе1ег, ОрИск Ехргекк, 18(1): р. 102-107 (2010)).A dispersing element for a spectrometer is known in which an attempt is made to improve the parameters of the previous invention. To increase the spectral resolution of the analysis of light radiation to ~ 1 nm, a spectrometer based on a micro-ring resonator combined with a diffraction grating was implemented. (Kuooki, V.V.S., L. Syep, apb M. Yrkop, 8b-ft rs8o1i1yup sauyu epkapseb t1sg8res1gote1eg, Orisk Exp, 18 (1): pp. 102-107 (2010)).

Недостатками известного диспергирующего элемента для спектрометра являются следующие обстоятельства:The disadvantages of the known dispersing element for the spectrometer are the following circumstances:

сложность изготовления устройства;the complexity of manufacturing the device;

ограниченность рабочего частотного диапазона дифракционной решетки, обусловленная геометрией и характеристиками материала.limited operating frequency range of the diffraction grating, due to the geometry and characteristics of the material.

Известен диспергирующий элемент для спектрометра, в котором используется интерферометр Фабри-Перо. Интерферометр Фабри-Перо создает интерференционную картину входного света. Изображение интерференционной картины фиксируется детектором, который связан с процессором. Процессор выполняет обработку изображения интерференционной картины, чтобы определить информацию о спектральном составе входного света. (РаЪту-рето! Гоипег (гашГогт 8рес1готе1ег, Раи1 Ьисеу, И8 Ра1еп1 20110228279 А1, МПЖ О0Н 3/45, 22.09.2011 г.).A known dispersing element for a spectrometer in which a Fabry-Perot interferometer is used. The Fabry-Perot interferometer creates an interference pattern of the input light. The image of the interference pattern is captured by the detector, which is connected to the processor. The processor performs image processing of the interference pattern to determine information about the spectral composition of the input light. (RaTu-reto! Goipeg (gashGogt 8res1gote1eg, Rai1 Liceu, I8 Ra1ep1 20110228279 A1, MPZH ON 3/45, 09/22/2011).

Недостатками известного диспергирующего элемента для спектрометра являются следующие обстоятельства:The disadvantages of the known dispersing element for the spectrometer are the following circumstances:

ограниченность рабочего частотного диапазона интерферометра Фабри-Перо, что вызывает необходимость сканирования рабочей частоты во времени и, таким образом, замедляет анализ спектрального состава.the limited working frequency range of the Fabry-Perot interferometer, which makes it necessary to scan the working frequency in time and, thus, slows down the analysis of the spectral composition.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является диспергирующий элемент для спектрометра, заключающийся в формировании на кристалле массива связанных фотонно-кристаллических (ФК) резонаторов, каждый из которых настроен на различную резонансную частоту. Резонатор, используемый в спектрометре, состоит из гребенчатого ФК волновода, в котором период структуры изменяется. Изменение периода структуры ФК волновода формирует дефект, в котором может быть возбуждена резонансная мода.The closest in its technical essence and the achieved result is a dispersing element for the spectrometer, which consists in the formation on the crystal of an array of coupled photonic crystal (FC) resonators, each of which is tuned to a different resonant frequency. The resonator used in the spectrometer consists of a comb-type FC waveguide in which the period of the structure changes. A change in the period of the PC structure of the waveguide forms a defect in which the resonance mode can be excited.

Спектрометр на основе такого диспергирующего элемента сочетает лучшие качества Фабри-Перо спектрометров (их высокое разрешение) и спектрометров на основе дифракционных решеток (их быстродействие). Кроме этого, преимуществом таких спектрометров являются компактность и потенциал для интеграции фотонной и электронной функциональности на одной подложке. С помощью спектрометра на основе ФК резонаторов дискретный спектр входного оптического сигнала может быть оценен с очень высоким разрешением в разных точках. Спектр сигнала между дискретными точками может быть получен путем сканирования резонанса в узком диапазоне длин волн с помощью, например, изменения температуры или инъекции заряда. ФК резонатор может иметь добротность более 106, что определяет разрешение до одной миллионной длины волны. Это гораздо лучше, чем разрешение спектрометров на основе дифракционных решеток и, что более важно, это достигается на чипе, размер которого составляет порядка 1 мм2. В известном диспергирующем элементе для спектрометра рабочая резонансная частота каждого ФК резонатора может быть изменена механически, изменением температуры, инъекцией зарядов, или нелинейно-оптическими процессами. Разветвители волноводов используются для подведения входного сигнала к каждому резонатору. Спектр неизвестного входного сигнал получается путем сбора сигнала от каждого резонатора в массиве (1п1едта1еб папоЪеат сауйу аггау 8рес1тоте1ег, Натуатб Со11еде,A spectrometer based on such a dispersing element combines the best qualities of Fabry-Perot spectrometers (their high resolution) and diffraction grating spectrometers (their speed). In addition, the advantage of such spectrometers is their compactness and the potential for integrating photonic and electronic functionality on one substrate. Using a spectrometer based on FC resonators, the discrete spectrum of the input optical signal can be estimated with very high resolution at different points. The spectrum of the signal between discrete points can be obtained by scanning the resonance in a narrow wavelength range using, for example, a temperature change or charge injection. A FC resonator can have a quality factor of more than 10 6 , which determines the resolution of up to one millionth wavelength. This is much better than the resolution of spectrometers based on diffraction gratings and, more importantly, this is achieved on a chip whose size is about 1 mm 2 . In a known dispersing element for a spectrometer, the working resonant frequency of each FC resonator can be changed mechanically, by temperature, by injection of charges, or by nonlinear optical processes. Waveguide splitters are used to supply an input signal to each resonator. The spectrum of the unknown input signal is obtained by collecting the signal from each resonator in the array (1n1dta1eb papoeat sauyu aggau 8res1tote1eg, Natuatb Co11ede,

- 1 025868- 1 025868

И8 Ра!еп! 20130176554 Α1, МПК ООН 3/26, 11.07.2013 г.).I8 Ra! Ep! 20130176554 Α1, UN IGC 3/26, 07/11/2013).

Недостатками известного диспергирующего элемента для спектрометра являются следующие обстоятельства:The disadvantages of the known dispersing element for the spectrometer are the following circumstances:

сложность привнесения в рабочую область резонатора нелинейного оптического материала; сложность реализации электронной накачки резонатора. В работе |δα1ιιηίάΙ. В., е! а1., Сотрас! е1есίτο-орйс тойи1а!от оп 8Шсоп-оп-1П8и1а1от 8иЬ81та1е8 И8шд сауйез \νίθι и11та-8та11 тойа1 уо1ите8, Орйс8 Ехрге88, 15(6): р. 3140-3148 (2007)] описана возможность горизонтальной электронной накачки ФК резонатора. Однако такая реализация существенно ограничивает добротность резонатора величинами ~102;the difficulty of introducing a nonlinear optical material into the working region of the resonator; the complexity of the implementation of the electronic pumping of the resonator. In the paper | δα1ιιηίάΙ. V., e! A1., Sotras! e1esίτο-ries toyi1a! from op 8Schsop-op-1P8i1a1ot 8i81n1a1e8 i8shd sauyez νίθι u11ta-8ta11 toya uo1ite8, Oris8 Exrge88, 15 (6): p. 3140-3148 (2007)] describes the possibility of horizontal electron pumping of a PC resonator. However, such an implementation substantially limits the quality factor of the resonator to ~ 10 2 ;

два предыдущих недостатка приводят к тому, что ранее предложенный диспергирующий элемент для спектрометра обладает малым диапазоном изменения рабочей резонансной частоты ФК резонаторов.the two previous drawbacks lead to the fact that the previously proposed dispersing element for the spectrometer has a small range of variation of the working resonant frequency of the FC resonators.

В основу изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей диспергирующего элемента в спектрометре и, таким образом, повышения качества спектрометра, а также повышение добротности резонатора в спектрометре до величин ~105.The basis of the invention is the task of expanding the functionality of the dispersing element in the spectrometer and, thus, improving the quality of the spectrometer, as well as increasing the quality factor of the resonator in the spectrometer to values of ~ 10 5 .

Задача решается за счет того, что диспергирующий элемент для спектрометра состоит из массива фотонно-кристаллических резонаторов, каждый из которых настроен на различную резонансную частоту и включает фотонно-кристаллический гребенчатый волновод с отверстиями, согласно изобретению отверстия равноотстоят друг от друга и имеют одинаковый радиус, на волноводе симметрично относительно его осей симметрии расположен фрагмент эллиптической формы из материала, совпадающего с материалом волновода, шириной в диапазоне от половины величины до двух величин ширины волновода и длиной в диапазоне от 2 до 30 периодов фотонного кристалла.The problem is solved due to the fact that the dispersing element for the spectrometer consists of an array of photonic crystal resonators, each of which is tuned to a different resonant frequency and includes a photonic crystal comb waveguide with holes, according to the invention, the holes are equally spaced from each other and have the same radius, a waveguide symmetrically relative to its axis of symmetry is a fragment of an elliptical shape made of a material that matches the material of the waveguide, with a width in the range from half the value d about two values of the width of the waveguide and a length in the range from 2 to 30 periods of the photonic crystal.

Кроме того, фотонно-кристаллический волновод расположен на подложке. Над фрагментом нанесен слой дополнительного материала. Фрагмент дополняющего материала выполнен из оптически нелинейного материала, например из халькогенидного стекла. Отверстия заполнены воздухом.In addition, a photonic crystal waveguide is located on the substrate. A layer of additional material is applied over the fragment. A fragment of the complementary material is made of optically non-linear material, for example, chalcogenide glass. The holes are filled with air.

С помощью областей Р и N типа реализована вертикальная электронная накачка резонансной камеры.Using the P and N type regions, a vertical electronic pumping of the resonance chamber is realized.

Согласно данному изобретению резонатор, используемый в массиве резонаторов в спектрометре, состоит из двух компонентов. Во-первых, из гребенчатого ФК волновода, в котором период структуры не изменяется. Во-вторых, резонатор содержит фрагмент дополняющего материала площадью несколько периодов фотонного кристалла. При совмещении двух компонентов формируется дефект, в котором может быть возбуждена резонансная мода.According to this invention, the resonator used in the array of resonators in the spectrometer consists of two components. Firstly, from a comb FC waveguide in which the period of the structure does not change. Secondly, the resonator contains a fragment of the complementary material with an area of several periods of the photonic crystal. When two components are combined, a defect is formed in which the resonance mode can be excited.

Такая структура резонатора упрощает создание устройств с нелинейными свойствами. Второй компонент структуры может быть использован для привнесения оптически нелинейного материала непосредственно в область нанорезонатора. Кроме этого, двухкомпонентная структура резонатора позволяет реализовать вертикальную электронную накачку резонансной камеры без существенного уменьшения добротности резонатора.This resonator structure simplifies the creation of devices with nonlinear properties. The second component of the structure can be used to introduce an optically nonlinear material directly into the nanoresonator region. In addition, the two-component structure of the resonator makes it possible to realize vertical electronic pumping of the resonance chamber without significantly reducing the Q-factor of the resonator.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен ФК резонатор: 1 - ФК волновод; 2 - фрагмент дополняющего материала; на фиг. 2 изображен вид сверху ФК резонатора: 1 - ФК волновод; 2 - фрагмент дополняющего материала; 3 - отверстия в ФК волноводе 1;The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a FC resonator: 1 - FC waveguide; 2 - a fragment of the complementary material; in FIG. 2 shows a top view of the FC resonator: 1 - FC waveguide; 2 - a fragment of the complementary material; 3 - holes in the FC waveguide 1;

на фиг. 3 изображен вид сбоку ФК резонатора: 1 - ФК волновод; 2 - фрагмент дополняющего материала; 3 - отверстия в ФК волноводе 1; 4 - слой материала над фрагментом дополняющего материала 2; 5 слой материала (подложка) под ФК волноводом 1;in FIG. 3 shows a side view of the FC resonator: 1 - FC waveguide; 2 - a fragment of the complementary material; 3 - holes in the FC waveguide 1; 4 - a layer of material over a fragment of the complementary material 2; 5 layer of material (substrate) under the FC waveguide 1;

на фиг. 4 изображено распределение компоненты электромагнитного поля Еу в вертикальной плоскости, проходящей через ось волновода;in FIG. 4 shows the distribution of the electromagnetic field component Eu in a vertical plane passing through the axis of the waveguide;

на фиг. 5 изображено распределение компоненты электромагнитного поля Еу в горизонтальной плоскости непосредственно над эллиптическим фрагментом (в кварце);in FIG. 5 shows the distribution of the component of the electromagnetic field Eu in the horizontal plane directly above the elliptical fragment (in quartz);

на фиг. 6 изображены следующие графики: точечная линия - значения Еу вдоль линии пересечения двух плоскостей изображенных на фиг. 3 и 4, пунктирная линия - значения Еу вдоль центральной линии непосредственно под ФК волноводом (в кварце), сплошная линия - функция со8(пх/а)ехр(-п,х2) при σ = 0,23; а= 0,34 мкм;in FIG. 6 shows the following graphs: dotted line — values of Eu along the line of intersection of two planes shown in FIG. 3 and 4, the dashed line is the Eu value along the center line directly below the PC waveguide (in quartz), the solid line is the function co8 (nx / a) exp (-n, x 2 ) at σ = 0.23; a = 0.34 μm;

на фиг. 7 изображена зависимость добротности резонатора от параметра эллипса А на фиг. 2 для различных значений В;in FIG. 7 shows the dependence of the Q factor of the resonator on the ellipse parameter A in FIG. 2 for various values of B;

на фиг. 8 изображена зависимость резонансной частоты от параметра эллипса А на фиг. 2 для различных значений В;in FIG. 8 shows the dependence of the resonant frequency on the parameter of the ellipse A in FIG. 2 for various values of B;

на фиг. 9 изображена зависимость добротности резонатора от параметра эллипса А на фиг. 2 для нескольких значений сдвига эллиптического фрагмента в поперечном направлении и в продольном направлениях;in FIG. 9 shows the dependence of the Q factor of the resonator on the ellipse parameter A in FIG. 2 for several shear values of an elliptical fragment in the transverse direction and in the longitudinal directions;

на фиг. 10 изображен пример геометрии зон Р и N типа для реализации вертикальной электронной накачки.in FIG. 10 shows an example of the geometry of the P and N type zones for the implementation of vertical electron pumping.

Чтобы проиллюстрировать предложенный подход к созданию ФК резонаторов, за основу принята структура, изображенная на фиг. 2. Первый компонент данного резонатора является гребенчатым ФК волноводом. Волновод состоит из кремния и расположен на кварцевой подложке. Отверстия в волноводеIn order to illustrate the proposed approach to the creation of FC resonators, the structure shown in FIG. 2. The first component of this resonator is a comb FC waveguide. The waveguide consists of silicon and is located on a quartz substrate. Waveguide Holes

- 2 025868 имеют одинаковый радиус, равноотстоят друг от друга и могут быть заполнены воздухом или какимлибо материалом. Параметры структуры, которая приведена в качестве примера, следующие: ФК волновод (п=3,46) лежит на подложке (п=1,45). Ширина ФК волновода составляет 6=0,5 мкм, толщина 1,,,=0,26 мкм. Круглые отверстия имеют радиус К=75 нм и заполнены воздухом, период ФК структуры а=0,34 мкм. Фрагмент эллиптической формы (параметры эллипса А и В) (п=3,46) лежит на подложке (п=1,45). Толщина фрагмента С= 100 нм. При таких параметрах ФК волновода создается запрещенная зона для излучения с преобладающей ТЕ-поляризацией в диапазоне от 1,4 до 1,7 мкм. Второй компонент резонатора является кремниевым фрагментом эллиптической формы, расположенным на кварцевой подложке.- 2 025868 have the same radius, are equally spaced from each other and can be filled with air or any material. The parameters of the structure, which is given as an example, are as follows: the FC waveguide (n = 3.46) lies on the substrate (n = 1.45). The width of the FC waveguide is 6 = 0.5 μm, the thickness 1 ,,, = 0.26 μm. The round holes have a radius of K = 75 nm and are filled with air; the period of the PC structure is a = 0.34 μm. A fragment of an elliptical shape (parameters of the ellipse A and B) (n = 3.46) lies on the substrate (n = 1.45). Fragment thickness C = 100 nm. With such parameters of the FC waveguide, a band gap is created for radiation with a predominant TE polarization in the range from 1.4 to 1.7 μm. The second component of the resonator is an elliptical silicon fragment located on a quartz substrate.

Для создания высокодобротного резонатора необходимо уменьшить излучение резонансной моды в пространство. Это достигается оптимизацией формы огибающей резонансной моды. Спектр распределения электромагнитного поля непосредственно над волноводом определяет распределение поля в дальней зоне. Этот спектр состоит из двух пиков.To create a high-Q resonator, it is necessary to reduce the radiation of the resonant mode into space. This is achieved by optimizing the shape of the envelope of the resonant mode. The distribution spectrum of the electromagnetic field directly above the waveguide determines the distribution of the field in the far zone. This spectrum consists of two peaks.

Энергия рассеивается из резонатора через световой конус волновода, который находится между спектральными пиками. Следовательно, ширина спектральных пиков определяет потери в резонаторе на рассеяние. Поэтому имеет смысл формировать резонансную моду с огибающей, которая соответствует функции Гаусса. Форма огибающей резонансной моды зависит, в частности, от мнимой части у волнового вектора периодической структуры. Гауссова форма огибающей обеспечивается ФК волноводом, в котором γ меняется линейно от периода к периоду фотонного кристалла. Можно показать, что резонансная мода с огибающей в виде функции Гаусса может быть реализована квадратичным изменением коэффициента заполнения материалом (КЗМ) ФК волновода. Эллиптическая форма дефекта предлагаемого в данной работе резонатора позволяет уменьшать КЗМ ФК волновода по квадратичной зависимости от центра к краям резонатора. В дальнейших расчетах толщины ФК волновода и дефекта полагались равными 260 и 100 нм соответственно. Такие величины толщин позволяют достичь оптимального изменения КЗМ в области резонатора.Energy is dissipated from the resonator through the light cone of the waveguide, which is located between the spectral peaks. Consequently, the width of the spectral peaks determines the scattering loss in the resonator. Therefore, it makes sense to form a resonant mode with an envelope that corresponds to the Gauss function. The shape of the envelope of the resonance mode depends, in particular, on the imaginary part of the wave vector of the periodic structure. The Gaussian shape of the envelope is provided by the PC waveguide, in which γ varies linearly from period to period of the photonic crystal. It can be shown that a resonant mode with an envelope in the form of a Gaussian function can be realized by a quadratic change in the material filling factor (CMM) of the FC waveguide. The elliptical shape of the defect of the resonator proposed in this work makes it possible to reduce the SCM of the FC waveguide in a quadratic dependence on the center to the edges of the resonator. In further calculations, the thicknesses of the PC of the waveguide and the defect were assumed to be 260 and 100 nm, respectively. Such thicknesses make it possible to achieve an optimal change in the SCM in the cavity region.

Был рассчитан резонатор с параметрами эллипса А=6,8 мкм (20 отверстий под эллипсом) и В=0,5 мкм. По краям резонатора располагалось еще по 5 отверстий, т.е. общая длина резонатора составила (20+5х2)х0,34=10,2 мкм.A resonator with the ellipse parameters A = 6.8 μm (20 holes under the ellipse) and B = 0.5 μm was calculated. At the edges of the resonator, 5 more holes were located, i.e. the total cavity length was (20 + 5x2) x 0.34 = 10.2 μm.

Хорошее соответствие между распределениями Еу и аналитической функцией на фиг. 6 свидетельствует о гауссовой форме огибающей резонансной моды. Полагая линейной зависимость γ от х можно получитьA good correspondence between the distributions Eu and the analytic function in FIG. 6 indicates the Gaussian shape of the envelope of the resonance mode. Assuming a linear dependence of γ on x, we can obtain

На фиг. 7 и 8 приведены результаты моделирования предложенного резонатора для различных параметров эллиптического фрагмента. Для всех рассчитанных резонаторов по краям располагалось еще по 5 отверстий, не лежащих под эллиптическим фрагментом. Из фиг. 7 видно, что при увеличении длины резонатора добротность возрастает. Для резонатора длиной 12,24 мкм (36 отверстий - из них 26 отверстий находятся под эллиптическим фрагментом, т.е. А=8,84 мкм) и В=0,5 мкм добротность составила ~1,4х105.In FIG. Figures 7 and 8 show the results of modeling the proposed resonator for various parameters of the elliptic fragment. For all calculated resonators, 5 more holes were located at the edges, not lying under the elliptic fragment. From FIG. 7 shows that with an increase in the length of the resonator, the Q factor increases. For a resonator with a length of 12.24 μm (36 holes - of which 26 holes are under an elliptical fragment, i.e., A = 8.84 μm) and B = 0.5 μm, the Q factor was ~ 1.4 × 10 5 .

Минимальное значение А, при котором еще возбуждается резонансная мода с добротностью выше 103, составляет 3,4 мкм (10 отверстий под эллипсом), В=0,65 мкм. Добротность такого резонатора составила 2,5х103. Значения В, при котором достигается максимальная добротность резонатора, различны для каждого значения А. Оптимальные величины В составляют 650, 600, 550 и 500 нм для значений А равным 3400, 4080, 6800 и 8840 нм соответственно. Оптимальная величина В для каждого А соответствует частоте возбуждаемой резонансной моды. Горизонтальная серая линия на фиг. 7 соответствует 1,525 мкм. Это значение резонансной частоты для А=3400 нм, В=650 нм. Другие оптимальные соотношения величин А и В на фиг. 7 и 8 также примерно соответствуют значению этой резонансной частоты. Изменение значения В можно использовать для настройки резонансной частоты резонатора в массиве. Например, при А=4,08 мкм и изменении величины В в диапазоне от 0,4 до 0,7 мкм значение резонансной частоты меняется от 1,485 до 1,535 мкм.The minimum value of A, at which the resonance mode with a Q factor of more than 10 3 , is still excited, is 3.4 μm (10 holes under the ellipse), B = 0.65 μm. The quality factor of such a resonator was 2.5 × 10 3 . The values of B at which the maximum figure of merit of the resonator is achieved are different for each value of A. The optimal values of B are 650, 600, 550, and 500 nm for values of A equal to 3400, 4080, 6800, and 8840 nm, respectively. The optimal value of B for each A corresponds to the frequency of the excited resonant mode. The horizontal gray line in FIG. 7 corresponds to 1.525 μm. This is the value of the resonant frequency for A = 3400 nm, B = 650 nm. Other optimal ratios of values A and B in FIG. 7 and 8 also roughly correspond to the value of this resonant frequency. Changing the value of B can be used to adjust the resonant frequency of the resonator in the array. For example, with A = 4.08 μm and a change in the value of B in the range from 0.4 to 0.7 μm, the value of the resonant frequency varies from 1.485 to 1.535 μm.

На фиг. 9 приведены результаты моделирования погрешностей горизонтального смещения двух компонентов резонатора относительно друг друга. Чем больше длина резонатора, тем точнее должны быть совмещены два компонента. При этом погрешность смещения эллипса в направлении перпендикулярном оси волновода наиболее критична. Современные технологии позволяют совмещать структурные слои с точностью ~10 нм. Из фиг. 9 видно, что при поперечном смещении всего в 20 нм добротность резонатора не превышает 103 для А=4,08 мкм. Продольное направление менее критично к погрешностям совмещения компонентов резонатора. Фиг. 4 также показывает, что при продольном смещении 100 нм значение добротности резонатора изменяется слабо. Такая асимметрия допустимых погрешностей по осям X и Υ полезна, например, при использовании относительно недорогой технологии совмещения, описанной в работе [Аи, Α. ΝαποίιηρππΙ ШЬодгарйу \νί11ι <60 пт оусг1ау ргсеМоп/А. Аи, К.О. АаНпбсу. Α.-Ό. Ы, X. Ы, Κ.δ. АШ1ат8//Арр11е6 РЬу81С8 А. - 2012. V. 106(4), Р. 767-772]. При использовании данной технологии совмещения средняя погрешность по одной из осей не превышает 60 нм, при этом по другой оси погрешность составляет менее 10 нм.In FIG. Figure 9 shows the results of modeling errors of horizontal displacement of two components of the resonator relative to each other. The longer the cavity, the more precisely the two components must be aligned. In this case, the ellipse shift error in the direction perpendicular to the waveguide axis is most critical. Modern technologies make it possible to combine structural layers with an accuracy of ~ 10 nm. From FIG. Figure 9 shows that with a transverse displacement of only 20 nm, the Q factor of the resonator does not exceed 10 3 for A = 4.08 μm. The longitudinal direction is less critical to the errors of combining the components of the resonator. FIG. 4 also shows that with a longitudinal displacement of 100 nm, the value of the Q factor of the resonator changes slightly. Such an asymmetry of permissible errors along the X and ям axes is useful, for example, when using the relatively inexpensive matching technology described in [Au, Α. ΝαποίιηρππΙ Шодгарыю \ νί11ι <60 fr ousg1au rgseMop / A. Ai, K.O. AaNpbsu. Α.-Ό. S, X. S, Κ.δ. ASh1at8 // Arr11e6 Pb81C8 A. - 2012. V. 106 (4), P. 767-772]. When using this combination technology, the average error in one of the axes does not exceed 60 nm, while the error in the other axis is less than 10 nm.

- 3 025868- 3 025868

Фиг. 10 демонстрирует геометрию вертикальной электронной накачки резонансной камеры. Такая геометрия позволяет расположить зоны Р и N так, чтобы они оказывали минимальное воздействие на добротность резонатора.FIG. 10 shows the vertical electron pump geometry of a resonance chamber. This geometry allows you to arrange the zone P and N so that they have a minimal impact on the quality factor of the resonator.

ФК резонатор, описываемый данным изобретением, может быть рассчитан для различных диапазонов длин волн. Например, для диапазона волн используемых в телекоммуникации (1,30-1,65 мкм). Также это может быть оптический диапазон длин волн (0,39-0,75 мкм).The FC resonator described by this invention can be calculated for different wavelength ranges. For example, for the wavelength range used in telecommunications (1.30-1.65 microns). It can also be an optical wavelength range (0.39-0.75 microns).

Claims (6)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Диспергирующий элемент для спектрометра, состоящий из массива фотонно-кристаллических резонаторов, каждый из которых настроен на различную резонансную частоту и включает фотоннокристаллический гребенчатый волновод с отверстиями, отличающийся тем, что отверстия равноотстоят друг от друга и имеют одинаковый радиус, на волноводе симметрично относительно его осей симметрии расположен фрагмент эллиптической формы из материала, совпадающего с материалом волновода, шириной в диапазоне от половины величины до двух величин ширины волновода и длиной в диапазоне от 2 до 30 периодов фотонного кристалла.1. Dispersing element for the spectrometer, consisting of an array of photonic crystal resonators, each of which is tuned to a different resonant frequency and includes a photonic-crystal comb waveguide with holes, characterized in that the holes are equidistant from each other and have the same radius, symmetrically on the waveguide axes of symmetry, there is a fragment of an elliptical shape made of a material that coincides with the material of the waveguide, with a width in the range from half the magnitude to two magnitudes of the width and the length in the range from 2 to 30 periods of the photonic crystal. 2. Диспергирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что фотонно-кристаллический волновод расположен на подложке.2. Dispersant element according to claim 1, characterized in that the photonic crystal waveguide is located on the substrate. 3. Диспергирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что над фрагментом нанесен слой дополнительного материала.3. Dispersant element according to claim 1, characterized in that a layer of additional material is applied above the fragment. 4. Диспергирующий элемент по п.3, отличающийся тем, что слой дополнительного материала выполнен из оптически нелинейного материала, например из халькогенидного стекла.4. Dispersant element according to claim 3, characterized in that the layer of additional material is made of optically non-linear material, for example, of chalcogenide glass. 5. Диспергирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что отверстия заполнены воздухом.5. Dispersant element according to claim 1, characterized in that the holes are filled with air. 6. Диспергирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что с помощью областей Р и N типа реализована вертикальная электронная накачка резонансной камеры.6. Dispersant element according to claim 1, characterized in that vertical electron pumping of the resonant chamber is implemented using the P and N type regions.
EA201301215A 2013-11-29 2013-11-29 Dispersing element for a spectrometer EA025868B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201301215A EA025868B1 (en) 2013-11-29 2013-11-29 Dispersing element for a spectrometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201301215A EA025868B1 (en) 2013-11-29 2013-11-29 Dispersing element for a spectrometer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201301215A1 EA201301215A1 (en) 2015-06-30
EA025868B1 true EA025868B1 (en) 2017-02-28

Family

ID=53488001

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201301215A EA025868B1 (en) 2013-11-29 2013-11-29 Dispersing element for a spectrometer

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA025868B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120044489A1 (en) * 2010-08-23 2012-02-23 Omega Optics Inc. Photonic crystal slot waveguide miniature on-chip absorption spectrometer
US20120206726A1 (en) * 2009-10-12 2012-08-16 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Photonic crystal spectrometer
US20130176554A1 (en) * 2010-05-07 2013-07-11 Marko Loncar Integrated Nanobeam Cavity Array Spectrometer

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120206726A1 (en) * 2009-10-12 2012-08-16 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Photonic crystal spectrometer
US20130176554A1 (en) * 2010-05-07 2013-07-11 Marko Loncar Integrated Nanobeam Cavity Array Spectrometer
US20120044489A1 (en) * 2010-08-23 2012-02-23 Omega Optics Inc. Photonic crystal slot waveguide miniature on-chip absorption spectrometer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
СЕРАФИМОВИЧ П.Г. Двухкомпонентные нанорезонаторы на основе регулярных гребенчатых фотонно-кристаллических волноводов. Компьютерная оптика, 2013, т. 37, № 2, с. 155-159 *

Also Published As

Publication number Publication date
EA201301215A1 (en) 2015-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12055439B2 (en) Quantum absorption spectroscopy system and quantum absorption spectroscopy method
Savchenkov et al. Kerr combs with selectable central frequency
US9207121B2 (en) Cavity-enhanced frequency comb spectroscopy system employing a prism cavity
CN108731806B (en) Optical filter, spectrometer and optical device
Maleki et al. Crystalline whispering gallery mode resonators in optics and photonics
US7990540B2 (en) Apparatus and methods using highly optically dispersive media
US20220334058A1 (en) A sensor device and method for detection of a component in a fluid
US20020009251A1 (en) Electro-optically tunable filter
US20150103343A1 (en) Tunable optical filter
US10969276B2 (en) Dual-frequency-comb spectrometer and spectroscopy method for spectroscopic investigation of a sample
Lin et al. An arrayed liquid crystal Fabry–Perot infrared filter for electrically tunable spectral imaging detection
Baker et al. Fabry-Perot interferometers for use at submillimetre wavelengths
Wang et al. Mid-infrared optical frequency combs based on crystalline microresonators
US9945666B2 (en) Narrowband transmission filter
Tsukanov Quantum dots in photonic molecules and quantum informatics. Part I
JP5200848B2 (en) Spectrometer
EA025868B1 (en) Dispersing element for a spectrometer
Andueza et al. Strong angular dependence of resonant states in 2D dielectric cylinder rings
Singh Stabilization of $866 $ nm laser with Pound-Drever-Hall (PDH) technique for quantum manipulation of Ca+ ion in Paul trap
WO2023053896A1 (en) Quantum absorption spectroscopy system, and quantum absorption spectroscopy method
Jones On the use of a Fabry-Pérot interferometer for the study of Raman spectra of gases under high resolution
Serafimovich et al. Compact multichannel spectrometer based on the array of two-component photonic crystal cavities
Koompai et al. Racetrack resonator based-on SiGe waveguide for long-wave infrared range
Andueza Unanua et al. Strong angular dependence of resonant states in 2D dielectric cylinder rings
Krelman et al. Laser Offset Stabilization with Chip-Scale Atomic Diffractive Elements

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ KG TJ TM

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): BY KZ RU