RU187697U1 - Поляритонное устройство для измерения градиента температуры - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для измерения температуры, а именно к оптическим интерференционным устройствам для измерения температуры, и может быть использована для измерения градиента температуры, а также иных физических величин, измерение которых сводится к измерению этого градиента на расстояниях, не превышающих десятой доли миллиметра, для таких областей применения, как оптические вычисления, микроэлектроника и научные исследования. Заявлено поляритонное устройство для измерения градиента температуры, выполненное в виде двух волноводов, один из которых является сигнальным, а другой является опорным. Оба волновода по обеим концам объединены общими входным и выходным оптическими волноводами. Волноводы выполнены из трехслойной наноструктуры, поверхностные слои которой выполнены в виде распределенных брэгговских отражателей, между которыми расположен слой с квантовыми ямами. Технический результат – увеличение пространственного разрешения определения градиента температуры. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к устройствам для измерения температуры, а именно к оптическим интерференционным устройствам для измерения температуры, и может быть использована для измерения градиента температуры, а также иных физических величин, измерение которых сводится к измерению этого градиента, с пространственным разрешением, не превышающим десятых долей миллиметра, для таких областей применения, как оптические вычисления, микроэлектроника и научные исследования.

Известно устройство[1], представляющее собой волоконно-оптическое устройство, включающее в себя вводный волновод, два оптических волновода, одного сигнального, а другого опорного, и выводного волновода. Известное устройство позволяет определять изменения температуры и детектировать внешнее электромагнитное излучение через нагрев в одном из каналов относительно другого посредством наблюдения сдвига интерференционных полос в выводном волноводе. Чувствительность определяется длиной плеч интерферометра, что ограничивает минимальный размер устройства не менее чем несколькими сантиметрами.

Известен волоконно-оптический термометр [2], состоящий из оптического волновода, один конец которого соединен с источником света, а на другой конец нанесено металлическое зеркало. Также внутри волновода помещены полупрозрачные зеркала, ограничивающие область, чувствительную к изменению температуры. Нагрев этой области, представляющей собой интерферометр Фабри-Перо, приводит к изменению ее оптической длины и, тем самым, коэффициента отражения и пропускания. Чувствительность определяется длиной волновода, расположенной между полупрозрачными зеркалами, что также ограничивает минимальный размер устройства не менее чем несколькими сантиметрами.

Техническим решением, наиболее близким к заявленному устройству, является устройство для точного детектирования изменений температуры и давления [3], принятое в качестве прототипа. Устройство состоит из волоконно-оптического интерферометра Маха-Зендера, которое включает в себя источник оптического излучения, соединенного с вводным оптическим волноводом, двух каналов сигнального и опорного, и выводного оптического волновода. Интенсивность детектируемого оптического излучения, выходящего из выходного волновода, определяется взаимной фазой света, прошедшего через сигнальный и опорный каналы. Изменение температуры или механического давления в сигнальном канале, приводит к изменению фазы света, выходящего из сигнального канала по отношению к фазе света, прошедшего через опорный канал. Изменение взаимной фазы детектируется, как изменение интенсивности детектируемого излучения, выходящего из выходного оптического волновода. Общим у известного устройства и заявляемой полезной модели является то, что они представляют собой интерферометр Маха-Зендера, в котором изменение температуры в одном из плечей из-за физического эффекта температурного расширения и изменения показателя преломления приводит к изменению выходной интенсивности излучения. В качестве областей применения системы указываются области, в которых применение иных средств измерения температуры затруднены из-за наличия неблагоприятного химического или электромагнитного окружения.

Основным недостатком прототипа является его малое пространственное разрешение определения градиента температуры, ограниченное минимум несколькими сантиметрами, что не позволяет использовать его в микроэлектронике, нанофотонике и оптических вычислениях.

Заявленная полезная модель свободна от указанных выше недостатков, и ее технический результат состоит в увеличении пространственного разрешения определения градиента температуры.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленной полезной модели используется физический эффект изменения ширины запрещенной зоны полупроводникового кристалла, причем проявление этого явления усилено благодаря использованию полупроводниковой наноструктуры.

Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется Фиг.

Схема заявленного устройства пояснена на Фиг. Устройство, выполнено в виде двух волноводов, один из которых является сигнальным (1), а другой является опорным (2), оба волновода по обеим концам объединены общими входным (3) и выходным (4) оптическими волноводами, отличающееся тем, что волноводы выполнены из трехслойной наноструктуры, верхний (5) и нижний (6) слои которой выполнены в виде распределенных Брэгговских отражателей (РБО), между которыми расположен слой с квантовыми ямами (7). Слой (7) имеет толщину L=N/2 λ_с/n, где N - целое число, n - эффективный показатель преломления материала из которого сделан слой с квантовыми ямами, λ_с - длина волны света. Для света с такой длиной волны выполняются условия стоячей электромагнитной волны, локализованной между распределенными Брэгговскими отражателями. Параметры квантовых ям (ширина и состав) подбираются такими, чтобы энергия экситонного оптического перехода, E_QW, в них равнялась энергии фотонов, Е_с, стоячей электромагнитной волны, E_QW =Е_с=hc/λ_с, где h - постоянная планка, с - скорость света. В условиях резонанса экситонного перехода и стоячей электромагнитной волны сильное светоэкситонное взаимодействие приводит к перенормировке состояний и образованию гибридных возбуждений, называемых экситонными поляритонами. Фазовый набег для поляритонной волны, распространяющейся по опорному волноводу при температуре волновода Т_o, и имеющему длину L, определяется выражением ϕ_o=2πL/λ, а фазовый набег поляритонной волны, распространяющейся по сигнальному волноводу, и имеющему длину L, при температуре Т_с, ϕ_с=2πL(λ+δλ), где λ и λ+δλ - длины поляритонных волн, распространяющихся в опорном и сигнальном волноводах соответственно. Разность фаз между поляритонными волнами, распространяющимися из входного волновода к выходному, но прошедших через опорный и сигнальный волноводы, Δϕ ≈ 2πL(δλ)λ²=2πL(αΔТ)/λ², где ΔТ=Т_o - Т_с - разность температур опорного и сигнального волноводов, а α - коэффициент пропорциональности изменения длины поляритонной волны при изменении температуры. При этом длина поляритонной волны зависит от множества параметров, но в главную очередь от отстройки энергии δ(T)= E_QW(T)-E_c, где энергия стоячей световой волны Е_с практически не зависит от температуры, тогда как энергия экситонного оптического перехода E_QW существенно зависит от температуры, и тем самым изменяет значение отстройки δ(T) и длину поляритонной волны. Реальные значения величин λ и α зависят от конкретной реализации устройства и должны быть определены экспериментально при калибровке устройства.

Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. На устройство из верхнего полупространства на оптический вход падает оптическое излучение. Это излучение, попадая в оптический вход, возбуждает поляритонные волны. Поляритонные волны распространяясь далее по устройству в сторону оптического выхода, проходят через опорный и сигнальные волноводы и интерферируют в выходном волноводе. В результате интерференции поляритонных волн, интенсивность оптического излучения, выходящего из выходного волновода зависит от разницы температур ΔТ опорного и сигнального волноводов I=I₀cos(2πLαΔТ)/λ²), т.е. при изменении значения градиента температуры интенсивность выходного излучения будет осциллировать. Причем для устройства, опорный и сигнальный волноводы которого выполнены в виде полуколец радиуса 50 мкм, и имеющего типичные параметры длины поляритонной волны λ=5 мкм и α=1 мкм/К период осцилляции будет соответствовать изменению температуры на 6,8К. В реальных условиях удается определить изменение интенсивности, составляющее 10^-3 от максимального, что позволяет оценить чувствительность к изменению температуры как 0,0068 К. Такая чувствительность определения абсолютного значения разности температур соответствует заявленной в прототипе. При этом предлагаемое устройство позволяет определять разницу температур для двух областей пространства удаленных друг от друга на 100 мкм.

Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени, что иллюстрируется примерами, представленными ниже. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: было достигнуто высокое пространственное разрешение определении градиента температуры, составляющее 100 мкм.

Пример 1.

Было апробировано устройство, выполненное из полупроводниковой наноструктуры, выращенной методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs. Нижний распределенный Брэгговский отражатель был выполнен из 35 чередующихся пар слоев AlAs/Al_0.15Ga_0.85As, верхний распределенный Брэгговский отражатель был выполнен из 32 чередующихся пар слоев AlAs/Al_0.15Ga_0.85As. Толщина слоя с квантовыми ямами, расположенного между распределенными Брэгговскими отражателями, была выбрана 5/2*λ_с/n, где λ_с=808 нм, а n=3,6215. Между распределенными Брэгговскими отражателями в пучностях стоячей электромагнитной волны было помещено 12 квантовых ям Al_0.15GaAs/GaAs шириной 10 нм. Энергия экситонных оптических переходов квантовых ям для используемой при апробации температуры 10К составляла 1,5335 эВ и совпадала с энергией фотонов стоячей электромагнитной волны. Для не резонансного возбуждения поляритонных волн во входном волноводе использовалось лазерное излучение с энергией фотонов 1,635 эВ (длина волны 750 нм). Методом вертикального химического травления из описанной выше наноструктуры было изготовлено устройство форма которого, указана на Фигуре. При этом входной и выводной волноводы имели ширину 20 мкм, а длину 40 мкм, а сигнальный и опорный волноводы были выполены в виде полуколец с внешним радиусом 60 мкм и внутренним радиусом 40 мкм, так что радиус центральной части полуколец составлял 50 мкм. Устройство было приклеено к пластине GaAs толщиной 400 мкм, шириной 10 мм и длиной 5 мм, градиент температуры которой определялся при апробации. Градиент температуры пластины GaAs создавался при помощи дополнительного лазерного луча с энергией фотонов 2,33 эВ (532 нм), который был сфокусирован в пятно диаметром 20 мкм вблизи сигнального волновода и нагревал облучаемую область в результате поглощения лазерного излучения. При изменении мощности нагревающего лазерного луча было зарегистрировано изменение интенсивности излучения, выходящего из выходного волновода, что явно демонстрирует возможность определения градиента температуры с пространственным разрешением 100 мкм при помощи заявленного поляритонного устройства, ширина которого составляла 120 мкм и длина 180 мкм. Как показывают результаты испытаний, заявленное устройство позволяет зарегистрировать градиент температуры с увеличенным пространственным разрешением в десятки и/или сотни микрон.

Пример 2.

Для апробации температурной чувствительности и демонстрации того, что заявленная полезная модель имеет схожую температурную чувствительность с прототипом, но со значительно большим пространственным разрешением, была проведена температурная калибровка. Для калибровки методом вертикального химического травления из той же наноструктуры было изготовлено калибровочное устройство, выполненное в виде прямоугольника шириной 20 мкм и длиной 300 мкм. При облучении левого края калибровочного устройства сфокусированным лазерным лучом создавались поляритонные волны, которые распространялись по калибровочному устройству к его правому краю. Достигнув правого края устройства, поляритонные волны отражались от него и распространялись обратно к левому. В результате в калибровочном устройстве наблюдались интерференционные полосы, возникающие при интерференции поляритонных волн распространяющихся в различных направлениях. При этом пространственный период интерференционных полос равняется длине поляритонной волны λ. Калибровка, апробируемого устройства сводилась к определению температурной зависимости длины поляритонной волны λ(Т), и нахождению коэффициента пропорциональности изменения длины поляритонной волны при изменении температуры α. Для апробируемого устройства результаты калибровки дали значение λ=4 мкм для Т=10K, а α=1,1 мкм/К. Для таких параметров чувствительность 10^-2К.

Как показали примеры апробации заявленной полезной модели, представленные выше, технико-экономическая эффективность ее состоит в том, что предлагается устройство, позволяющее детектировать градиент температуры с точностью 10^-2 К в областях пространства размером в десятые доли миллиметра за счет использования полупроводниковой наноструктуры. Такое увеличение пространственного разрешения измерения градиента температуры позволяет проводить прецизионные измерения и осуществлять эффективное использование устройства в ранее недоступных областях, таких как микроэлектроника, нанофотоника и оптические вычисления.

Список использованной литературы:

1. Mark L. Wilson; Vadnais Height; // Traveling wave fiber optic interferometric sensor and method of polarization poling fiber optic // Патент США US 004929050, 29.05.1990.

2. Charles M. Davis; // Fiber optic interferometric thermometer // Патент США US 004868381, 19.09.1989.

3. Victor Vail; David B. Chang; Patrick C. Brownigg; // System for accurately detecting changes in temperature and pressure // Патент США

US US 005270538 A, 14.12.1993.// (Прототип)

Claims (1)

1. Поляритонное устройство для измерения градиента температуры, выполненное в виде двух волноводов, один из которых является сигнальным, а другой является опорным, оба волновода по обеим концам объединены общими входным и выходным оптическими волноводами, отличающееся тем, что волноводы выполнены из трехслойной наноструктуры, поверхностные слои которой выполнены в виде распределенных брэгговских отражателей, между которыми расположен слой с квантовыми ямами.

Images