WO2014209155A1 - Способ расширения спектрального диапазона интегрального цифрового голографического наноспектрометра - Google Patents

Способ расширения спектрального диапазона интегрального цифрового голографического наноспектрометра Download PDF

Info

Publication number
WO2014209155A1
WO2014209155A1 PCT/RU2013/000548 RU2013000548W WO2014209155A1 WO 2014209155 A1 WO2014209155 A1 WO 2014209155A1 RU 2013000548 W RU2013000548 W RU 2013000548W WO 2014209155 A1 WO2014209155 A1 WO 2014209155A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
waveguide
planar
radiation
channel
channels
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000548
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Александр Юрьевич ГОЛЬЦОВ
Александр Юрьевич КОШЕЛЕВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Нанооптика" (Ооо "Нанооптика")
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 Общество С Ограниченной Ответственностью "Нанооптика" (Ооо "Нанооптика") filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Нанооптика" (Ооо "Нанооптика")
Priority to PCT/RU2013/000548 priority Critical patent/WO2014209155A1/ru
Publication of WO2014209155A1 publication Critical patent/WO2014209155A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • G01J3/0221—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers the fibers defining an entry slit
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1838—Holographic gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer

Definitions

  • the present invention generally relates to optical spectrometry for detecting small amounts of analytes and for other related applications.
  • the present invention relates to miniature integrated optical nano-spectrometers based on nano-structures embedded in planar waveguides, and is directed to a method for expanding the spectral range of said nanospectrometer in comparison with known devices of this type.
  • optical spectrometers have been a continuous improvement of optical spectrometers in the direction of improving their design and reducing their size. This allows the use of optical spectrometers as the main component of spectral sensors, for example, in areas such as medicine, environmental monitoring, monitoring of various technological processes, as well as in aviation and astronautics, where compactness, strength, reliability and low cost are crucial.
  • the ideal miniature spectrometer is a spectrometer-chip, which can be manufactured using technologies traditionally used in the semiconductor industry for provided that the spectrometer chip provides the characteristics required by the user.
  • Known optical multiplexer / demultiplexer [1] which includes cascading elliptical Bragg reflectors (gratings). All gratings are formed by microlithography in a plane waveguide. Each grating is tuned to a specific wavelength of light corresponding to one of the working channels. The gratings have one common focal point, but different elliptical connections, so that the location of the remaining foci can be chosen to provide an adequate distance between the input and output.
  • the elliptical Bragg gratings are arranged so that the grating associated with the shortest wavelength is located closest to the input of the device.
  • this type of optical spectrometer can be used as a spectral device for a limited number of wavelengths, however, it is unsuitable for devices with a large number of channels, and this is the main disadvantage of the approach described above.
  • Lattices are spatially separated for sequential processing of light. As the number of channels increases, the number of wavelengths, the dimensions of the device, the optical path of the light, and therefore the internal optical loss, increase accordingly.
  • a common disadvantage of the known optical spectrometers is their relatively large size, the complexity of their manufacture and the limited spectral range.
  • the authors described miniature spectrometers with a volume of 0.135 cm 3 and dimensions of 3 x 3 x 11 mm, which are formed directly on the surface of a charge-coupled device (CCD).
  • the components of the spectrometer are two plane diffraction gratings that perform the function of dispersion item.
  • Such a spectrometer provides a resolution of 3 nm in the spectral range of 450 to 750 nm, which is not a satisfactory parameter. Therefore, such a spectrometer is suitable for applications where the miniature dimensions of the device are the main criterion. That is, the fee for miniaturization of the device is inevitably a deterioration in its performance.
  • a new method for creating spectral planar integrated devices was developed by one of the authors of the present invention. This method allows you to create high-resolution digital spectrometers in the form of a microchip, or chip spectrometer and is based on the superposition of several sub-gratings on top of each other. Each sub-grating resonates with a fixed wavelength, while super-gratings, consisting of many of the aforementioned sub-gratings, can be used as a spectral device. It is clear that each channel of such a chip spectrometer corresponds to one sub-grating.
  • a device based on this new method is described, for example, in US patent [2], issued to Vladimir Yankov for a planar optical nanospectrometer, which is a separate chip containing many elements having nanoscale and forming a diffraction structure. These elements are located in a certain configuration relative to each other and collectively control the course of light rays, determining their resonant reflection, focusing and direction to the detectors in accordance with the initially specified general geometry of the course of rays in the nanospectrometer.
  • the indicated diffraction structure can be defined as a digital planar hologram, the many elements of which are formed by electron beam nanolithography, for example, in the form of recesses in the surface of the light guide layer (core) of a planar optical waveguide.
  • the number of these elements may exceed 10 6 .
  • the hardware function of such a structure is similar to the hardware function of the superposition of many elliptic gratings superimposed on one another on the same area of a planar waveguide. Each of the gratings selectively (resonantly) reflects radiation with a specific wavelength, while different wavelengths are reflected in different spatially separated output channels located on the end surface of the planar waveguide.
  • the aforementioned planar optical nanospectrometer is the closest prototype of the device of the present invention.
  • a digital planar hologram serves as a dispersing element of a traditional spectrometer (prism, spectral gratings).
  • This spectrometer contains a planar waveguide 12 and a fiber waveguide 14 with a collimator 15 for introducing the analyzed radiation I into the planar waveguide 12.
  • the planar waveguide can be made in the form, for example, of a three-layer structure Si0 2 - (Si0 2 + Ge) - Si0 2 on standard silicon a substrate used in the semiconductor industry for the production of microchips.
  • the middle layer (Si0 2 + Ge) of the three-layer structure of the planar waveguide (core) has a refractive index that exceeds the refractive indices of the Si0 2 layers (upper and lower claddings).
  • Position 16 denotes rays showing the propagation of radiation.
  • the dispersing element 18 is a digital planar hologram made by electronic nanolithography, as described above. For this reason, this type of spectrometer is called a nanospectrometer.
  • Position 20 shows the output channels a, b, c, ... of the nanospectrometer 10 located at the end face 22 of the planar waveguide 12.
  • the output channels a, b, c, ... are equidistant and are located at a distance d from each other.
  • the radiation frequency in each channel has a spectral width ⁇ , much smaller than the width of the analyzed spectrum of an external radiation source. This spectrum can be overlapped by a certain number of spectrometer channels, and the number of channels can reach several hundreds and thousands.
  • Radiation I enters the planar waveguide from an external laser source, which is not shown in the figure and the determination of the spectral characteristics of which is the purpose of this nanospectrometer.
  • Figure 2 shows the modified spectrometer 30 of the prototype [2]. This figure shows a planar waveguide 32 and a channel waveguide 34 for inputting radiation. Position 36 denotes rays showing the propagation of radiation.
  • the dispersion element 38 based on digital planar holography is a digital planar hologram. Positions a ', b 1 , c', ... show the output channels of the spectrometer at the end of the planar waveguide 30.
  • the disadvantage of the device shown in Figures 1 and 2 is the limited spectral range.
  • a planar waveguide in addition to waveguide radiation modes, namely, modes propagating mainly in the cortex of a waveguide structure, there are radiation modes propagating mainly in cladding.
  • there is an acceptable spectral range of wavelengths which depends on the materials and design of the planar waveguide and is proportional to the difference between the effective refractive indices of the core and cladding. If the spectral range of the hologram exceeds the permissible spectral range, the radiation modes propagating mainly in the cortex begin to transform into radiation modes propagating mainly in the cladding. This leads to significant loss of light, as well as to distortion of the measured signal (sprout).
  • the allowable spectral range is usually from 5 to 200 nm, for example 50 nm.
  • an increase in the spectral range of the device even within the allowable range is associated with an increase in the size of the hologram, which, in turn, leads to an increase in the cost of its manufacture, as well as to an increase in the light loss due to scattering in the device itself.
  • the dispersing element in existing spectrum analyzers based on digital planar holography has a single radiation input point. If the radiation input point is displaced perpendicular to the optical axis by a small distance (1-200 ⁇ m, for example 2 ⁇ m), the spectral properties of the spectrum analyzer will not change, however, the output channels will shift by a distance proportional to the offset value of the radiation input point.
  • the method of the present invention allows to modify the nanospectrometer described above. Such a modification allows one to increase the number of spectral channels at the output of the nanospectrometer and significantly (twice) expand its spectral range without changing the design of the hologram itself.
  • the nanospectrometer in this invention proposes the radiation supplied to the input of the nanospectrometer is spatially divided in a planar waveguide into two radiation components with TE and TM polarization, using a channel-waveguide splitter-polarizer (polarization splitter) formed in a planar waveguide.
  • a channel-waveguide splitter-polarizer polarization splitter
  • Two open ends of the channel waveguides of the channel-waveguide splitter-polarizer, lying in the plane of the planar waveguide, are located at a distance d 'from one another.
  • the polarized components of TE and TM radiation from the open ends of the channel waveguides of the channel-waveguide splitter-polarizer are sent to the input of a dispersing element, for example, a digital planar hologram lying in a planar waveguide, which spatially separates the TE and TM radiation components into spectral components, or the components of the analyzed spectrum.
  • a dispersing element for example, a digital planar hologram lying in a planar waveguide, which spatially separates the TE and TM radiation components into spectral components, or the components of the analyzed spectrum.
  • the indicated digital planar hologram localizes the spectral components of the TE and TM radiation of the initial spectrum at the output end of the planar waveguide, that is, it forms the output channels of the nanospectrometer.
  • the indicated output channels are separated from each other by distances equivalent to the spatial separation of the output channels of the spectrometer by half the period for the case of propagation in a planar waveguide of radiation with only one polarization, for example, TM.
  • the equality of the periods of the output channels of the spectral components of TE and TM radiation of the initial spectrum at the output end of the planar waveguide and their mutual non-overlap is ensured by the choice of the distance d 'between the open ends of the channel waveguides of the channel waveguide polarizer on the plane of the planar waveguide.
  • This method of radiation separation allows you to get the number of channels doubled compared with the prototype, and double the spectrum analyzed by the nanospectrometer.
  • Fig. 1 is a plan view of a known nanospectrometer with a dispersing element in the form of a digital planar hologram, illustrating the course of rays when using the known method for obtaining the spectral range;
  • Fig. 2 is a plan view of a known nanospectrometer with a dispersing element in the form of a digital planar hologram and a channel waveguide for inputting the analyzed radiation, illustrating an alternative known method for obtaining the spectral range;
  • Fig. 3 is a plan view illustrating the path of rays in a nanospectrometer made according to the method of the present invention with a spatial separation of the output rays of two different polarizations obtained using a channel-waveguide splitter-polarizer and a digital planar hologram.
  • a similar (with the same characteristics) structure 42 is used as the planar waveguide of the spectrometer 40 as in the nanospectrometer 30 shown in Fig. 2.
  • the dispersing element 48 in its characteristics is also similar to the dispersing element 38 of the nanospectrometer 30.
  • the test radiation is introduced at two different points in the vicinity of the source one, so that at one point the polarized radiation component TE and the polarized radiation component TM are introduced. Beyond the starting point the point at which the open end of the channel waveguide of the nanospectrometer 30 is located, shown in Fig. 2.
  • the distance d 'between the points of entry of radiation with different polarizations into the planar waveguide should be selected so that the output channels for the polarized components TE and TM are shifted at the output end of the planar waveguide relative to each other for half the period of the sequence of the multiple output channels of the nanospectrometer (period d in Fig. 1).
  • a channel waveguide 44 and a polarization splitter 50 based on channel waveguides 50a and 50b are used.
  • Such devices — polarization splitters (PS) —are described in the scientific literature, are often used in integrated optical circuits [4, 5, b] and are not themselves the subject of the present invention.
  • a channel waveguide is a structure made on a planar waveguide in which light can propagate only along one direction, which is the longitudinal axis of the channel waveguide.
  • the radiation in the channel waveguide is kept due to the fact that the effective refractive index in the channel waveguide exceeds the effective refractive index in the neighboring regions of the planar waveguide. This excess of the refractive index can be created, for example, due to etched grooves on the sides of the channel waveguide or implantation of its core. This allows the formation of channel waveguides and a polarization splitter to separate the polarization components on the same planar waveguide as the main dispersing element
  • the radiation decays into the polarized components TE and TM.
  • the electric field vector oscillates in the plane of the planar waveguide, while in the TM component it oscillates perpendicular to the plane of the planar waveguide.
  • the effective refractive index for the radiation components TE and TM will differ.
  • the effective refractive index is the ratio of the radiation wavelength in vacuum to the radiation wavelength in a planar waveguide.
  • the reflection of radiation by a digital planar hologram occurs in the plane of a planar waveguide; therefore, it is the value of the radiation wavelength in a planar waveguide that is important for understanding the principle of spatial separation of the radiation spectrum in the described nanospectrometer. It is clear that if TE and TM radiation components with the same wavelength in a planar waveguide arrive at each of the outputs of the spectrum analyzer, then in vacuum these components will have different wavelengths. It is also clear that in order to obtain a complete spectral picture, it is necessary to separate the outputs for TE and TM radiation on the end surface of a nanospectrometer. This task is performed by a polarization radiation splitter with a special geometry of the mutual arrangement of the open ends of the channel waveguides introducing the radiation into the planar waveguide.
  • the difference in wavelengths in vacuum for two polarization components can be from 3 to 200 nm, for example 40 nm. Since the purpose of a nanospectrometer is to determine the radiation wavelength in a vacuum, in existing nanospectrometers based on planar waveguides, the radiation supplied to the input of the dispersing element must be pre-polarized so that only one polarization component of the radiation is excited in the planar waveguide. The difference between the nanospectrometer of the present invention from the existing one is that both polarization components, previously separated in space, are fed to the input.
  • planar waveguide consist of a waveguide layer, which is S13 4 160 nm thick with upper and lower cladding of Si0 2 thickness from 1 to several tens of microns.
  • This structure is placed on a substrate, for example, of silicon.
  • the dispersing element have a spectral range of 620 - 660 nm, which is less than the allowable spectral range for a given planar waveguide (610 - 660 nm) and a spectral resolution of 1 nm.
  • the polarization components will have the same wavelength if the wavelength in vacuum of the polarization component of the TM is 40 nm less than that of the polarization component of TE.
  • the polarization splitter separate the non-polarized radiation so that the polarization component TE with a wavelength in vacuum of 640 + 20 nm goes to one channel waveguide, and the TM with the wavelength in vacuum of 600 ⁇ 20 nm goes to another channel waveguide. Then, if unpolarized light containing all wavelengths is fed to the input of the channel waveguide, the output channels will look as follows: 620 (TE), 580 (TM), 621 (TE), 581 (TM), 660 (TE), 620 (TM). Thus, using polarization separation of the channels, it will be possible to double the spectral range from 40 nm (620-660 nm) to 80 nm (580-660 nm). The dispersing element remains the same. The mutual arrangement of the spectral channels for the TE and TM components of the analyzed radiation and the order of their alternation on the end surface of the panear waveguide of the nanospectrometer is shown in Fig. 3.
  • the distance c between the open ends of the channel waveguides of the polarizing splitter should be selected so that the distance between adjacent output channels of different polarizations was equal to half-cycle. It is also clear that the distribution of points of the output channels at the end of the planar waveguide 42 will not correspond to the real spectrum and that the true spectrum is restored using another device, for example, a computer. However, this task is not the subject of the present invention.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

Способ удвоения спектрального диапазона на выходном торце оптического волновода спектрального цифрового наноспектрометра состоящий в том, что спектрометр снабжают поляризационным сплиттером, установленным на пути света от лазерного источника к планарному оптическому волноводу, в результате чего исследуемое излучение разлагают на компоненты ТЕ и ТМ. Разложенные компоненты затем пространственно разделяют с помощью цифровой планарной голограммы на расстояния, эквивалентные разделению выходных каналов на половину периода для случая неразделенной поляризации.

Description

СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА ИНТЕГРАЛЬНОГО ЦИФРОВОГО ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО НАНОСПЕКТРОМЕТРА
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в целом относится к оптической спектрометрии для обнаружения малых количеств аналитов и для других, связанных с этой областью применений. В частности, настоящее изобретение относится к миниатюрным интегральным оптическим нано-спектрометрам на основе нано-структур, встроенных в планарные волноводы, и направлено на способ расширения спектрального диапазона указанного наноспектрометра по сравнению с известными устройствами этого типа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В последнее время происходит постоянное усовершенствование оптических спектрометров в направлении улучшения их конструкции и уменьшения их размеров. Это позволяет использовать оптические спектрометры как основной компонент спектральных датчиков, например, в таких областях, как медицина, контроль состояния окружающей среды, мониторинг различных технологических процессов, а также в авиации и космонавтике, где компактность, прочность, надежность и низкая стоимость имеют решающее значение.
Некоторые компании, такие как Hamamatsu Photonics Со, Ltd и Ocean Optics, поставляют компактные спектрометры традиционной конфигурации, которые работают в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Однако, последние достижения в области нанотехнологий создали предпосылки для миниатюризации спектральных приборов и улучшения их характеристик.
Очевидно, что идеальным миниатюрным спектрометром является спектрометр-чип, который может изготовляться по технологиям, традиционно применяемым в полупроводниковой промышленности при условии, что спектрометр-чип обеспечивает характеристики, необходимые пользователю.
Известен оптический мультиплексор/демультиплексор [1], включающий в себя каскадные эллиптические брэгговские отражатели (решетки) . Все решетки формируются методом микролитографии в плоском волноводе. Каждая решетка настроена на определенную длину волны света, соответствующую одному из рабочих каналов. Решетки имеют одну общую фокусную точку, но различные эллиптические связи, так что расположение оставшихся фокусов может быть выбрано с обеспечением адекватного расстояния между входом и выходом. Предпочтительно, эллиптические брэгговские решетки располагаются таким образом, что решетка, связанная с самой короткой длиной волны, расположена ближе всего к входу устройства. В принципе, оптический спектрометер такого типа может быть использован в качестве спектрального прибора для ограниченного количества длин волн, однако, он непригоден для приборов с большим числом каналов, и это является основным недостатком описанного выше подхода .
Решетки разделены пространственно для последовательной обработки света. По мере увеличения числа каналов, соответственно увеличивается число длин волн, размеры устройства, длина оптического пути света, и следовательно, внутренние оптические потери.
Общим недостатком известных оптических спектрометров являются их относительно большие размеры, сложность их изготовления и ограниченность спектрального диапазона.
В работе [3] авторы описали миниатюрные спектрометры с объемом 0,135 см3 и размерами 3 х 3 х 11 мм, которые формируются непосредственно на поверхности прибора с зарядовой связью (ПЗС) . Компонентами спектрометра являются две плоские дифракционные решетки, которые выполняют функцию дисперсионного элемента. Подобный спектрометр обеспечивает разрешающую способность 3 нм в спектральном диапазоне 450 до 750 нм, что не является достаточно удовлетворительным параметром. Поэтому такой спектрометр пригоден для применений, где основным критерием являются миниатюрные габариты прибора. То есть, платой за миниатюризацию прибора неизбежно является ухудшение его рабочих характеристик.
Новый метод создания спектральных планарных интегральных устройств был развит одним из авторов настоящего изобретения. Этот метод позволяет создавать высокоразрешающие цифровые спектрометры в виде микрочипа, или чип-спектрометра и основан на наложении нескольких суб-решеток друг на друга на одной подложке. Каждая суб-решетка резонирует с фиксированной длиной волны, при этом супер-решетки, состоящие из множества вышеупомянутых суб-решеток, могут быть использованы как спектральный прибор. Понятно, что каждому каналу такого чип- спектрометра соответствует одна суб-решетка.
Устройство на основе этого нового способа описано, например, в патенте США [2], выданном Владимиру Янькову на планарный оптический наноспектрометр, который представляет собой отдельный чип, содержащий множество элементов, имеющих наноразмеры и образующих дифракционную структуру. Эти элементы расположены в определенной конфигурации относительно друг друга и в совокупности управляют ходом световых лучей, определяя их резонансное отражение, фокусирование и направление на детекторы в соответствии с изначально заданной общей геометрией хода лучей в наноспектрометре . Указанная дифракционная структура может быть определена как цифровая планарная голограмма, множество элементов которой формируется методами электронно- лучевой нанолитографии, например, в виде углублений в поверхности светопроводящего слоя (кора) планарного оптического волновода. Число этих элементов может превосходить 106. Аппаратная функция подобной структуры аналогична аппаратной функции суперпозиции множества эллиптических решёток наложенных одна на другую на одной и той же площади планарного волновода. Каждая из решёток селективно (резонансно) отражает излучение с определённой длиной волны, при этом разные длины волн отражаются в разные пространственно разделённые выходные каналы, находящиеся на торцевой поверхности планарного волновода. Вышеупомянутый планарный оптический наноспектрометр является ближайшим прототипом устройства настоящего изобретения. Таким образом, цифровая планарная голограмма выполняет функцию диспергирующего элемента традиционного спектрометра (призма, спектральные решётки) . В сущности, как было отмечено выше, она образована множеством дифракционных решеток на рабочей поверхности планарного оптического волновода, выполненного с одним входным каналом излучения (вход спектрометра) и с множеством выходных спектральных каналов, расположенных с определенным периодом вдоль торцевой плоскости планарного волновода. В патенте [2] описаны несколько схем спектрометров, которые можно свести к схеме спектрометра, представленной на Рис. 1. Спектрометры, построенные на основе указанного метода, позволяют достичь спектрального разрешения λ/δλ = 2" 105 и выше. При этом размер прибора не превышает 1 см3.
Данный спектрометр содержит планарный волновод 12 и волоконный световод 14 с коллиматором 15 для ввода анализируемого излучения I в планарный волновод 12. Планарный волновод может быть изготовлен в виде, например, трёхслойной структуры Si02 - (Si02+Ge) - Si02 на стандартной кремниевой подложке, применяемой в полупроводниковой промышленности для производства микрочипов. Средний слой (Si02+Ge) трёхслойной структуры планарного волновода (кор) имеет показатель преломления, превосходящий показатели преломления слоёв Si02 (верхнего и нижнего кладингов) . Позиция 16 обозначает лучи, показывающие ход распространения излучения.
Диспергирующий элемент 18 представляет собой цифровую планарную голограмму, изготовленную методом электронной нанолитографии, как было описано выше. По этой причине спектрометр данного типа называют наноспектрометром. Позиция 20 показывает выходные каналы а, Ь, с, ... наноспектрометра 10, расположенные на торце 22 планарного волновода 12. Выходные каналы а, Ь, с, ... эквидистантны и расположены на расстоянии d друг от друга. Частота излучения в каждом канале имеет спектральную ширину Δν, много меньшую ширины анализируемого спектра внешнего источника излучения. Этот спектр может перекрываться определённым числом каналов спектрометра, и число каналов может достигать нескольких сотен и тысяч. Излучение I поступает в планарный волновод от внешнего лазерного источника, который не показан на рисунке и определение спектральных характеристик которого является назначением данного наноспектрометра. На рисунке 2 представлена изменённая схема спектрометра 30 прототипа [2] . На этом рисунке показан планарный волновод 32 и канальный волновод 34 для ввода излучения. Позиция 36 обозначает лучи, показывающие ход распространения излучения. Диспергирующий элемент 38 на основе цифровой планарной голографии представляет собой цифровую планарную голограмму. Позиции а', Ь1, с', ... показывают выходные каналы спектрометра на торце планарного волновода 30. Недостатком прибора, представленного на рисунках 1 и 2, является ограниченный спектральный диапазон. Причиной этого является то, что в планарном волноводе помимо волноводных мод излучения, а именно, мод, распространяющихся в основном в коре волноводной структуры, существуют моды излучения, распространяющиеся в основном в кладинге. В таких приборах существует допустимый спектральный диапазон длин волн, который зависит от материалов и конструкции планарного волновода и пропорционален разнице между эффективными показателями преломления кора и кладинга. В случае если спектральный диапазон голограммы превышает допустимый спектральный диапазон, моды излучения, распространяющиеся, главным образом, в коре, начинают переходить в моды излучения, распространяющиеся в основном в кладинге. Это приводит к значительным потерям света, а также к искажению измеряемого сигнала (кросток) .
В зависимости от материала и конструкции планарного волновода допустимый спектральный диапазон обычно составляет от 5 до 200 нм, например 50 нм. Кроме того, увеличение спектрального диапазона прибора даже внутри допустимого диапазона сопряжено с увеличением размера голограммы, что, в свою очередь, приводит к увеличению затрат на ее изготовление, а также к увеличению потерь света на рассеяние в самом приборе.
Диспергирующий элемент в существующих спектроанализаторах на основе цифровой планарной голографии имеет единственную точку ввода излучения. В случае если точку ввода излучения сместить перпендикулярно оптической оси на небольшое расстояние (1-200 мкм, например 2 мкм) , спектральные свойства спектроанализатора не изменятся, однако выходные каналы сместятся на расстояние, пропорциональное величине смещения точки ввода излучения.
ЦЕЛЬ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Метод данного изобретения позволяет модифицировать описанный выше наноспектрометр. Такая модификация позволяет увеличить число спектральных каналов на выходе наноспектрометра и существенно (в два раза) расширить его спектральный диапазон, не изменяя конструкции самой голограммы.
С целью расширения спектрального диапазона и удвоения числа спектральных каналов цифрового планарного оптического наноспектрометра в данном изобретении предлагается излучение, подаваемое на вход наноспектрометра пространственно разделить в планарном волноводе на две компоненты излучения с ТЕ и ТМ поляризацией, с помощью канально-волноводного сплиттера- поляризатора (поляризационного сплиттера) , сформированного в планарном волноводе . Два открытых конца канальных волноводов канально-волноводного сплиттера-поляризатора, лежащих в плоскости планарного волновода, располагаются на расстоянии d' один от другого. Поляризованные компоненты ТЕ и ТМ излучения с открытых концов канальных волноводов канально-волноводного сплиттера-поляризатора посылаются на вход диспергирующего элемента, например, цифровой планарной голограммы, лежащей в планарном волноводе, которая осуществляет пространственное разделение компонент ТЕ и ТМ излучения на спектральные составляющие, или компоненты анализируемого спектра. Указанная цифровая планарная голограмма локализует спектральные составляющие ТЕ и ТМ излучения исходного спектра на выходном торце планарного волновода, то есть формирует выходные каналы наноспектрометра. Указанные выходные каналы отстоят друг от друга на расстояния, эквивалентные пространственному разделению выходных каналов спектрометра на половину периода для случая распространения в планарном волноводе излучения только с одной поляризацией, например ТМ. Равенство периодов выходных каналов спектральных составляющих ТЕ и ТМ излучения исходного спектра на выходном торце планарного волновода и их взаимное не перекрытие обеспечивается выбором расстояния d' между открытыми концами канальных волноводов канально-волноводного поляризатора на плоскости планарного волновода. Такой метод разделения излучения позволяет получить число каналов, удвоенное по сравнению с прототипом, и в два раза расширить анализируемый наноспектрометром спектральный диапазон. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ
Изобретение поясняется рисунками, где:
Рис. 1 - вид в плане известного наноспектрометра с диспергирующим элементом в виде цифровой планарной голограммы, иллюстрирующий ход лучей при использовании известного метода получения спектрального диапазона;
Рис. 2 -вид в плане известного наноспектрометра с диспергирующим элементом в виде цифровой планарной голограммы и канальным волноводом для ввода анализируемого излучения, иллюстрирующим альтернативный известный метод получения спектрального диапазона; и
Рис. 3 - вид в плане, иллюстрирующий ход лучей в наноспектрометре, выполненном по методу настоящего изобретения с пространственным разделением выходных лучей двух различных поляризаций, полученных с помощью канально-волноводного сплиттера-поляризатора и цифровой планарной голограммы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для того, чтобы лучше понять способ настоящего изобретения, удобно рассмотреть оптический цифровой планарный наноспектрометр, построенный на основе предложенного способа.
В настоящем изобретении (Рис. 3 ) в качестве планарного волновода спектрометра 40 используется аналогичная (с теми же характеристиками) структура 42 , что и в наноспектрометре 30 , представленном на Рис. 2 . Диспергирующий элемент 48 по своим характеристикам также подобен диспергирующему элементу 38 наноспектрометра 30 . В отличие от наноспектрометра 30 в наноспектрометре 40 в соответствии с методом настоящего изобретения исследуемое излучение вводится в двух различных точках в окрестности исходной, причем так, что в одной точке вводится поляризованная компонента излучения ТЕ, а в другой - поляризованная компонента излучения ТМ. За исходную точку выбирается точка, в которой расположен открытый конец канального волновода наноспектрометра 30, представленного на Рис. 2. Причем по предлагаемому методу расстояние d' между точками ввода излучений с различными поляризациями в планарный волновод (то есть, расстояние между точками А' и В' на рисунке 3) должно быть выбрано так, чтобы выходные каналы для поляризованных компонент ТЕ и ТМ сместились на выходном торце планарного волновода относительно друг друга на половину периода последовательности множества выходных каналов наноспектрометра (период d на Рис. 1) . Для доведения излучения от торца планарного волновода до точек его ввода А' и В1 (Рис. 3) в планарном волноводе 42 используются канальный волновод 44 и поляризационный сплиттер 50 на основе канальных волноводов 50а и 50в. Подобные приборы - поляризационные сплиттеры (ПС) - описаны в научной литературе, часто используются в интегрально-оптических схемах [4, 5, б] и сами по себе не являются предметом настоящего изобретения.
Канальный волновод представляет собой структуру, изготовленную на планарном волноводе, в которой свет может распространяться только вдоль одного направления, являющегося продольной осью канального волновода. Излучение в канальном волноводе удерживается за счет того, что эффективный коэффициент преломления в канальном волноводе превышает эффективный коэффициент преломления в соседних с ним областях планарного волновода. Это превышение коэффициента преломления может быть создано, например, за счет вытравленных канавок по сторонам канального волновода или имплантации его кора. Это позволяет сформировать канальные волноводы и поляризационный сплиттер для разделения поляризационных компонент на том же планарном волноводе, что и основной диспергирующий элемент
(цифровая планарная голограмма) , используя совместимые или одни и те же технологические процессы. При вводе в пленарный волновод излучение распадается на поляризованные компоненты ТЕ и ТМ. В компоненте ТЕ вектор электрического поля колеблется в плоскости планарного волновода, тогда как в компоненте ТМ - перпендикулярно плоскости планарного волновода . При этом эффективный коэффициент преломления для компонент излучения ТЕ и ТМ будет различаться. Эффективным коэффициентом преломления называется отношение длины волны излучения в вакууме к длине волны излучения в планарном волноводе . Отражение излучения цифровой планарной голограммой происходит в плоскости планарного волновода, поэтому именно значение длины волны излучения в планарном волноводе важно для понимания принципа пространственного разделения спектра излучения в описываемом наноспектрометре . Понятно, что если в каждый из выходов спектроанализатора приходят компоненты излучения ТЕ и ТМ с одинаковой длиной волны в планарном волноводе, то в вакууме эти компоненты будут иметь различные длины волн. Также понятно, что для получения полной спектральной картины необходимо разделить выходы для ТЕ и ТМ излучения на торцевой поверхности наноспектрометра . Эту задачу и выполняет поляризационный сплиттер излучения со специальной геометрией взаимного расположения открытых концов канальных волноводов, вводящих излучение в планарный волновод.
Вышесказанное поясняет следующий пример. В зависимости от материала и структуры планарного волновода разница длин волн в вакууме для двух поляризационных компонент может составлять от 3 до 200 нм, например 40 нм. Так как целью наноспектрометра является именно определение длины волны излучения в вакууме, в существующих наноспектрометрах на основе планарных волноводов излучение, подаваемое на вход диспергирующего элемента, должно быть предварительно поляризовано, для того, чтобы в планарном волноводе возбуждалась только одна поляризационная компонента излучения. Отличие наноспектрометра настоящего изобретения от существующих состоит в том, что на вход подаются обе поляризационные компоненты, предварительно разделенные в пространстве .
Например, пусть планарный волновод состоит из волноводного слоя, представляющего собой S13 4 толщиной 160 нм с верхним и нижним кладингом из Si02 толщиной от 1 до нескольких десятков микрон. Данная структура размещена на подложке, например, из кремния. Пусть диспергирующий элемент имеет спектральный диапазон 620 - 660 нм, что меньше допустимого спектрального диапазона для данного планарного волновода (610 - 660 нм) и спектральное разрешение 1 нм. В таком планарном волноводе поляризационные компоненты будут иметь одинаковую длину волны в том случае, если длина волны в вакууме у поляризационной компоненты ТМ на 40 нм меньше, чем у поляризационной компоненты ТЕ. Пусть поляризационный сплиттер разделяет неполяризованное излучение так, что в один канальный волновод идет поляризационная компонента ТЕ с длиной волны в вакууме 640+20 нм, а в другой канальный волновод - ТМ с длиной волны в вакууме 600±20 нм. Тогда, если на вход канального волновода подать неполяризованный свет, содержащий все длины волн, то выходные каналы будут выглядеть следующим образом: 620 (ТЕ), 580 (ТМ) , 621 (ТЕ), 581 (ТМ), 660 (ТЕ), 620 (ТМ) . Таким образом, при помощи поляризационного разделения каналов можно будет добиться удвоения спектрального диапазона с 40 нм (620-660 нм) до 80 нм (580-660 нм) . Диспергирующий элемент при этом остается прежним. Взаимное расположение спектральных каналов для ТЕ и ТМ компонент анализируемого излучения и порядок их чередования на торцевой поверхности пданарного волновода наноспектрометра показан на Рис.3.
Следует еще раз отметить, что расстояние с между открытыми концами канальных волноводов поляризационного сплиттера должно подбираться таким образом, чтобы расстояние между соседними выходными каналами разных поляризаций было равно полупериоду. Понятно также, что распределение точек выходных каналов на торце планарного волновода 42 не будет соответствовать реальному спектру и что истинный спектр восстанавливается с помощью другого устройства, например, компьютера. Однако эта задача не является предметом настоящего изобретения .
Хотя изобретение было описано и проиллюстрировано конкретными рисунками, очевидно что изобретение не ограничивается этими примерами и допустимы любые изменения и модификации, которые не выходят за рамки формулы изобретения.
Литература [1] Патент США 4923271, Henry, et al., May 8, 1990
[2] Патент США 7,889,336, Yankov, February 15, 2011
[3] С. Grabarnik, et al. Optics Express, Vol. 15, ' 6, стр. 3581-3588, 2007
[4] A. Hosseini, S. Rahimi, X. Xu, D. Kwong, J. Covey, and R. T. Chen, "Ultracompact and fabrication-tolerant integrated polarization splitter," Opt. Lett. 36, 4047-4049 (2011)
[5] В . Yang, S. Shin, and D. Zhang, "Ultrashort Polarization Splitter Using Silicon Photonic Wires, " in Integrated Photonics and Nanophotonics Research and Applications, (Optical Society of America, 2008), paper IME6.
[6] Daoxin Dai and John E Bowers, "Novel ultra-short and ultra- broadband polarization beam splitter based on a bent
directional coupler," Opt. Express 19, 18614-18620 (2011)

Claims

ФОРМУЛА
1. Способ расширения спектрального диапазона интегрального цифрового голографического наноспектрометра, содержащего лазерный источник света, планарный оптический волновод и диспергирующий элемент, образованный дифракционными решетками на рабочей поверхности планарного оптического волновода, выполненного с одним входным каналом излучения и с множеством выходных спектральных каналов, расположенных с определенным периодом на выходной торцевой плоскости волновода, отличающийся тем, что с целью расширения спектрального диапазона,
наноспектрометр снабжают поляризационным сплиттером, установленным на пути света от лазерного источника к планарному оптическому волноводу, разделяют исследуемое излучение на компоненты с поляризацией ТЕ и ТМ, посылают поляризованные компоненты ТЕ и ТМ излучения на вход диспергирующего элемента, пространственно разделяют поляризованные компоненты ТЕ и ТМ излучения с помощью диспергирующего элемента, и
получают на выходном торце планарного волновода спектральные компоненты излучения локализованные в выходных каналах, которые разделены на расстояния, эквивалентные пространственному разделению выходных каналов спектрометра.
2. Способ по пункту 1, в котором каналы на выходном торце планарного волновода разделяют на расстояния половины периода, получаемого в случае распространения в планарном волноводе излучения только с одной поляризацией, и тем самым удваивают число каналов на выходном торце планарного волновода.
3. Способ по пункту 2, в котором в качестве дисперсионного элемента используют цифровую планарную голограмму.
4. Способ по пункту 3, в котором расстояние между открытыми концами канальных волноводов поляризационного сплиттера выбирается таким образом, чтобы за счет пространственного разделения исследуемого излучения с помощью цифровой планарной голограммы обеспечить расстояние между соседними выходными каналами разных поляризаций на выходном торце планарного волновода, равное полупериоду последовательности каналов одинаковой поляризации.
5. Способ по пункту 4, в котором исследуемое излучение доводится от входа в планарный волновод до цифровой планарной голограммы по канальному волноводу, причем канальный волновод выполняют со структурой, в которой свет может распространяться только вдоль оси канального волновода.
6. Способ по пункту 5, в котором условие распространения света только вдоль оси канального волновода обеспечивается тем, что эффективный коэффициент в канальном волноводе превышает эффективный коэффициент в соседних с ним областях планарного волновода .
7. Сопособ по пункту 6, в котором условие, по которому эффективный коэффициент в канальном волноводе превышает эффективный коэффициент в соседних с ним областях планарного волновода, обеспечивают вытравливанием канавок по сторонам канального волновода.
PCT/RU2013/000548 2013-06-27 2013-06-27 Способ расширения спектрального диапазона интегрального цифрового голографического наноспектрометра WO2014209155A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2013/000548 WO2014209155A1 (ru) 2013-06-27 2013-06-27 Способ расширения спектрального диапазона интегрального цифрового голографического наноспектрометра

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2013/000548 WO2014209155A1 (ru) 2013-06-27 2013-06-27 Способ расширения спектрального диапазона интегрального цифрового голографического наноспектрометра

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014209155A1 true WO2014209155A1 (ru) 2014-12-31

Family

ID=52142349

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000548 WO2014209155A1 (ru) 2013-06-27 2013-06-27 Способ расширения спектрального диапазона интегрального цифрового голографического наноспектрометра

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2014209155A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5946434A (en) * 1996-07-23 1999-08-31 Samsung Electronics Co., Ltd. Integrated optic polarization device and method
US20010052979A1 (en) * 2000-03-07 2001-12-20 Treado Patrick J. Simultaneous imaging and spectroscopy apparatus
US20050073679A1 (en) * 2002-07-25 2005-04-07 Gang He High optical rejection optical spectrum analyzer/monochromator
US7889336B2 (en) * 2008-02-01 2011-02-15 Vladimir Yankov Optical integrated nanospectrometer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5946434A (en) * 1996-07-23 1999-08-31 Samsung Electronics Co., Ltd. Integrated optic polarization device and method
US20010052979A1 (en) * 2000-03-07 2001-12-20 Treado Patrick J. Simultaneous imaging and spectroscopy apparatus
US20050073679A1 (en) * 2002-07-25 2005-04-07 Gang He High optical rejection optical spectrum analyzer/monochromator
US7889336B2 (en) * 2008-02-01 2011-02-15 Vladimir Yankov Optical integrated nanospectrometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9228900B2 (en) Multi-function spectrometer-on-chip with a single detector array
US7317535B2 (en) Wavelength dispersive fourier transform spectrometer
US20110000881A1 (en) Method of manufacturing an optical integrated nanospectrometer
US8977086B2 (en) Tapered waveguide coupler and spectrometer
US9819435B2 (en) Optical apparatus, method, and applications
Ma et al. High-resolution compact on-chip spectrometer based on an echelle grating with densely packed waveguide array
JP2004510172A (ja) 光ファイバ通信装置で使用する回折格子で偏光感度を低減する装置および方法
US20020027655A1 (en) Optical device and spectroscopic and polarization separating apparatus using the same
US7139128B2 (en) Diffraction grating having high throughput efficiency
JP2003255113A (ja) 光分離素子およびそれを用いた光学機器
Xie et al. Silicon nitride/silicon dioxide echelle grating spectrometer for operation near 1.55 μm
US20020122613A1 (en) Optical device and spectroscopic and integrated optical apparatus using the same
Ohtera et al. Photonic crystals for the application to spectrometers and wavelength filters
WO2010140998A1 (en) Optical integrated nanospectrometer and method of manufacturing thereof
Zou et al. Novel High‐Resolution and Large‐Bandwidth Micro‐Spectrometer Using Multi‐Input Counter‐Propagating Arrayed Waveguide Grating and Dual‐Wavelength Grating Coupler on Silicon on Insulator
Renilkumar et al. Properties of defect modes in geometrically chirped one-dimensional photonic crystals
JP4505313B2 (ja) 光装置および光制御方法
WO2014209155A1 (ru) Способ расширения спектрального диапазона интегрального цифрового голографического наноспектрометра
JP6497699B2 (ja) 光変調装置及び光変調システム
WO2014209156A1 (ru) Интегральный цифровой голографический наноспектрометр с расширенным спектральным диапазоном
Momeni et al. An on-chip silicon grating spectrometer using a photonic crystal reflector
WO2013129968A2 (ru) Оптический фильтр
JP2002267845A (ja) 光学素子およびそれを用いた分光装置及び偏光分離装置
Nezhadbadeh Integrated Chirped-grating Spectrometer-on-a-chip
CA2653710C (en) Tapered waveguide coupler and spectrometer

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13888178

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13888178

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1