EA025868B1

EA025868B1 - Диспергирующий элемент для спектрометра

Info

Publication number: EA025868B1
Application number: EA201301215A
Authority: EA
Inventors: Николай Львович Казанский; Павел Григорьевич Серафимович; Сергей Иванович Харитонов
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2017-02-28
Also published as: EA201301215A1

Abstract

Предполагаемое изобретение относится к оптической спектрометрии и интегрированному на кристалле оптическому приборостроению и промышленно применимо для измерения спектрального состава излучения, в частности, в анализаторах жидких и газообразных сред, в области биомедицины, в области анализа гиперспектральных данных. Сущность изобретения: резонаторы в массиве, используемом в спектрометре в качестве диспергирующего элемента, состоят 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. Данное изобретение позволяет расширить функциональные возможности диспергирующего элемента в спектрометре и, таким образом, повысить качество спектрометра, а также повысить добротность резонатора в спектрометре до величин ~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.

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.).

Недостатками известного диспергирующего элемента для спектрометра являются следующие обстоятельства:

низкое спектральное разрешение анализа светового излучения;

ограниченность рабочего частотного диапазона дифракционной решетки, обусловленная геометрией и характеристиками материала;

возможность наводки помех, обусловленных засветкой дифракционной решетки паразитными источниками излучения.

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)).

сложность изготовления устройства;

ограниченность рабочего частотного диапазона дифракционной решетки, обусловленная геометрией и характеристиками материала.

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.).

ограниченность рабочего частотного диапазона интерферометра Фабри-Перо, что вызывает необходимость сканирования рабочей частоты во времени и, таким образом, замедляет анализ спектрального состава.

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.

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,

- 1 025868

И8 Ра!еп! 20130176554 Α1, МПК ООН 3/26, 11.07.2013 г.).

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;

два предыдущих недостатка приводят к тому, что ранее предложенный диспергирующий элемент для спектрометра обладает малым диапазоном изменения рабочей резонансной частоты ФК резонаторов.

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.

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.

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.

С помощью областей Р и N типа реализована вертикальная электронная накачка резонансной камеры.

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.

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.

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;

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;

на фиг. 4 изображено распределение компоненты электромагнитного поля Еу в вертикальной плоскости, проходящей через ось волновода;

на фиг. 5 изображено распределение компоненты электромагнитного поля Еу в горизонтальной плоскости непосредственно над эллиптическим фрагментом (в кварце);

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;

на фиг. 7 изображена зависимость добротности резонатора от параметра эллипса А на фиг. 2 для различных значений В;

на фиг. 8 изображена зависимость резонансной частоты от параметра эллипса А на фиг. 2 для различных значений В;

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;

на фиг. 10 изображен пример геометрии зон Р и N типа для реализации вертикальной электронной накачки.

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 волноводе

- 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.

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.

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.

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.

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 получить

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.

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.

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.

- 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.

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).

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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.
2. Диспергирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что фотонно-кристаллический волновод расположен на подложке.
3. Диспергирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что над фрагментом нанесен слой дополнительного материала.
4. Диспергирующий элемент по п.3, отличающийся тем, что слой дополнительного материала выполнен из оптически нелинейного материала, например из халькогенидного стекла.
5. Диспергирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что отверстия заполнены воздухом.
6. Диспергирующий элемент по п.1, отличающийся тем, что с помощью областей Р и N типа реализована вертикальная электронная накачка резонансной камеры.