WO2014209156A1 - Интегральный цифровой голографический наноспектрометр с расширенным спектральным диапазоном - Google Patents

Интегральный цифровой голографический наноспектрометр с расширенным спектральным диапазоном Download PDF

Info

Publication number
WO2014209156A1
WO2014209156A1 PCT/RU2013/000549 RU2013000549W WO2014209156A1 WO 2014209156 A1 WO2014209156 A1 WO 2014209156A1 RU 2013000549 W RU2013000549 W RU 2013000549W WO 2014209156 A1 WO2014209156 A1 WO 2014209156A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
waveguide
nanospectrometer
channel
radiation
planar
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000549
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/RU2013/000549 priority Critical patent/WO2014209156A1/ru
Publication of WO2014209156A1 publication Critical patent/WO2014209156A1/ru

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light 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
    • G02B6/12004Combinations of two or more optical elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0256Compact construction
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1838Holographic gratings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/2803Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light 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
    • G02B6/12007Light 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 the detection of 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 aimed at expanding the spectral range 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 according to technologies traditionally used in the semiconductor industry, provided that the spectrometer chip provides the characteristics necessary for the user.
  • 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 the device with charge coupling (CCD).
  • the components of the spectrometer are two plane diffraction gratings that serve as a dispersion element.
  • 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.
  • a new approach to spectral planar integrated devices developed by one of the authors of the present invention and allowing to create high-resolution numerical spectrometers in the form of a microchip, or chip spectrometer, 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 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 principle 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 arranged in a certain configuration relative to each other and collectively control the course of light rays, determining their resonance reflection, focusing, and direction to the detectors in accordance with the initially specified general geometry of the course of the rays in the nanospectrometer.
  • the specified diffraction structure may 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 inputting the analyzed radiation I into the planar waveguide 12.
  • a planar waveguide can be made in the form, for example, of a three-layer structure of Si0 2 - (Si0 2 + Ge) - Si0 2 on a standard silicon substrate used in the semiconductor industry for the production of microarrays.
  • 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 blocked by a certain number of channels of the spectrometer, and the number of channels can reach several hundreds.
  • 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 1 , b
  • b ', c', ... show the output channels of the spectrometer at the end of the planar waveguide 30.
  • the radiation enters the channel waveguide 34 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 device.
  • the disadvantage of the device shown in figures 1 and 2 is the limited spectral range. The reason for this is that in a planar waveguide, in addition to waveguide radiation modes, namely, modes propagating mainly in the cortex of the waveguide structure, there are radiation modes propagating mainly in the substrate (cladding).
  • 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.
  • Dispersing element in existing spectrum analyzers based on digital planar holography has a single radiation input point. If the radiation input point is shifted 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 present invention proposes a planar optical nanospectrometer, in which radiation that contains polarized TE and TM components and in which polarized TE and TM radiation components, propagating in a planar waveguide, are separated in space by a digital planar hologram at 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.
  • TM polarization
  • Fig. 1 is a plan view of a known nanospectrometer with a dispersing element in the form of a digital planar hologram
  • 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;
  • Fig. 3 is a plan view of a nanospectrometer of the present invention with a dispersing element in the form of a digital planar hologram, a channel waveguide for inputting the analyzed radiation, and polarization separation of the output channels.
  • 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 investigated radiation is introduced at two different points in the vicinity of the initial one, so that the polarized component of the TE radiation is introduced at one point, and another is the polarized component of the TM radiation.
  • the starting point the point at which the open end of the channel waveguide of the nanospectrometer 30, located in Fig. 2 (point A).
  • the distance between the input points of radiation with different polarizations in the planar waveguide should be chosen so that the output the channels for the polarized TE and TM components are shifted relative to each other by half the sequence period of the multiple output channels of the nanospectrometer.
  • 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, 6], 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 makes it possible to fabricate channel waveguides and a polarization splitter for separating polarization components on the same planar waveguide as the main dispersing element, a digital planar hologram, using compatible or the same technological processes.
  • the radiation When introduced into a planar waveguide, 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 is perpendicular planar waveguide planes.
  • 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.
  • 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 and the existing ones is that both polarization components previously separated in space.
  • planar waveguide consist of a waveguide layer representing S13N4 with a thickness of 160 nm with an upper and lower cladding of Si0 2 with a thickness of 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 polarized 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.
  • TM nm
  • the dispersing element remains the same.
  • the distance between the open ends of the channel waveguides of the polarization splitter should be selected so that the distance between adjacent output channels of different polarizations is equal to the half-period. It is also clear that the real quantities the spectral components in the sequence of points of the output channels at the end of the planar waveguide 42 (for example, p, a, q, b, c, r, ...) 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)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Интегральный цифровой голографический наноспектрометр, который для удвоения спектрального диапазона на выходном торце оптического волновода снабжен поляризационным сплиттером, установленным на пути света от лазерного источника к планарному оптическому волноводу. В результате разложения оптического сигнала сплиттером на поляризованные компоненты ТЕ и ТМ и пространственного разделения этих компонент диспергирующим элементом наноспектрометра на расстояния, эквивалентные разделению выходных каналов на половину периода на выходной торцевой плоскости волновода, удается удвоить спектральный диапазон наноспектрометра.

Description

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ НАНОСПЕКТРОМЕТР С АСШИРЕННЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ ДИАПАЗОНОМ
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 расширение спектрального диапазона 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/демуль иплексор [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 подход к спектральным планарным интегральным устройствам, развитый одним из авторов настоящего изобретения и позволяющий создавать высокоразрешающие числовые спектрометры в виде микрочипа, или чип-спектрометра, 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 суб-решеток, могут быть использованы как спектральный прибор. Понятно, что каждому каналу такого чип-спектрометра соответствует одна суб-решетка.
Устройство на основе этого нового принципа 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. Подобные спектрометры 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. 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 а1, б
b', с', ... показывают выходные каналы спектрометра на торце планарного волновода 30. Излучение поступает в канальный волновод 34 от внешнего лазерного источника, который не показан на рисунке и определение спектральных характеристик которого является назначением данного прибора. 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 подложке (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
Модификация данного наноспектрометра, осуществлённая в соответствии с настоящим изобретением, позволяет удвоить число спектральных каналов и существенно (в два раза) расширить его спектральный диапазон, не изменяя конструкции самой голограммы.
С целью расширения спектрального диапазона и удвоения числа спектральных каналов наноспектрометра в данном изобретении предлагается планарный оптический наноспектрометр, в котором на вход диспергирующего элемента на планарном волноводе, например, цифровой планарной голограммы, подается излучение, которое содержит поляризованные ТЕ и ТМ компоненты и в котором поляризованные ТЕ и ТМ компоненты излучения, распространяясь в планарном волноводе, разделяются в пространстве цифровой планарной голограммой на расстояния, эквивалентные пространственному разделению выходных каналов спектрометра на половину периода для случая распространения в планарном волноводе излучения только с одной поляризацией, например ТМ. Такая конструкция с одним входным каналом излучения и с выходными спектральными каналами 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;
Рис. 2 -вид в плане известного наноспектрометра с диспергирующим элементом в виде цифровой планарной голограммы и канальным волноводом для ввода анализируемого излучения; и
Рис. 3 - вид в плане наноспектрометра настоящего изобретения с диспергирующим элементом в виде цифровой планарной голограммы, канальным волноводом для ввода анализируемого излучения и поляризационным разделением выходных каналов .
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
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 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 (точка А). Причем расстояние между точками ввода излучений с различными поляризациями в планарный волновод должно быть выбрано так, чтобы выходные каналы для поляризованных компонент ТЕ и ТМ сместились относительно друг друга на половину периода последовательности множества выходных каналов наноспектрометра . Для доведения излучения от торца планарного волновода до точек его ввода А' и В' (Рис. 3) в планарный волновод 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, 6] 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, являюящегося 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 изготовить канальные волноводы и поляризационный сплиттер для разделения поляризационных компонент на том же планарном волноводе, что и основной диспергирующий элемент - цифровую планарную голограмму, используя совместимые или одни и те же технологические процессы.
При вводе в планарный 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 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 в том, что на вход подаются обе поляризационные компоненты, предварительно разделенные в пространстве .
Например, пусть планарный волновод состоит из волноводного слоя, представляющего собой S13N4 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 поляризованные 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 6 0±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), ббО(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.
Следует отметить, что расстояние 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 реальные величины спектральных составляющих в послеовательности точек выходных каналов на торце планарного волновода 42 (например, р, a, q, в, с, г, ...) не будет соответствовать реальному спектру и что истинный спектр восстанавливается с помощью другого устройства, например, компьютера. Однако эта задача не является предметом настоящего 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, N* 6, стр. 3581-3588, 2007
[4] A. Hosseini, S. Rahimi, X. Xu, D. K ong, 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 . Интегральный цифровой голографический наноспектрометр, содержащий 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 снабжен поляризационным сплиттером, установленным на пути света от лазерного источника к планарному оптическому волноводу, в результате чего на вход диспергирующего элемента на планарном волноводе подается излучение, которое содержит поляризованные компоненты ТЕ и ТМ и в котором поляризованные компоненты ТЕ и ТМ пространственно разделяются диспергирующим элементом на расстояния, эквивалентные разделению выходных каналов на половину периода на выходной торцевой плоскости волновода.
2 . Интегральный цифровой голографический наноспектрометр по пункту 1 , в котором диспергирующий элемент представляет собой цифровую планарную голограмму.
3. Интегральный цифровой голографический наноспектрометр по пункту 2 , который содержит канальный волновод для доведения излучения от входного канала излучения на торце планарного волновода до входа в диспергирующий элемент.
. Интегральный цифровой голографический наноспектрометр по пункту 3, в котором канальный волновод представляет собой структуру, изготовленную на планарном волноводе и в которой свет может распространяться только вдоль оси канального волновода .
5. Интегральный цифровой голографический наноспектрометр по пункту 4, который снабжен средствами для удержания излучения в канальном волноводе за счет того, что эффективный коэффициент в канальном волноводе превышает эффективный коэффициент в соседних с ним областях планарного волновода.
6. Интегральный цифровой голографический наноспектрометр по пункту 5, в котором указанные средства для удержания излучения в канальном волноводе представляют собой канавки, вытравленные по сторонам канального волновода.
7. Интегральный цифровой голографический наноспектрометр по пункту 1, в котором расстояние между открытыми концами канальных волноводов поляризационного сплиттера обеспечивает расстояние между соседними выходными каналами разных поляризаций на выходной торцевой плоскости волновода равное полупериоду последовательности каналов одинаковой поляризации .
8. Интегральный цифровой голографический наноспектрометр по пункту 7, в котором диспергирующий элемент представляет собой цифровую планарную голограмму.
9. Интегральный цифровой голографический наноспектрометр по пункту 8, который содержит канальный волновод для доведения излучения от входного канала излучения на торце планарного волновода до входа в диспергирующий элемент и в котором канальный волновод представляет собой структуру, изготовленную на планарном волноводе и в которой свет может распространяться только вдоль оси канального волновода.
10. Интегральный цифровой голографический наноспектрометр по пункту 9, который снабжен средствами для удержания излучения в канальном волноводе за счет того, что эффективный коэффициент в канальном волноводе превышает эффективный коэффициент в соседних с ним областях планарного волновода, при этом указанные средства для удержания излучения в канальном волноводе представляют собой канавки, вытравленные по сторонам канального волновода.
PCT/RU2013/000549 2013-06-27 2013-06-27 Интегральный цифровой голографический наноспектрометр с расширенным спектральным диапазоном WO2014209156A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2013/000549 WO2014209156A1 (ru) 2013-06-27 2013-06-27 Интегральный цифровой голографический наноспектрометр с расширенным спектральным диапазоном

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2013/000549 WO2014209156A1 (ru) 2013-06-27 2013-06-27 Интегральный цифровой голографический наноспектрометр с расширенным спектральным диапазоном

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014209156A1 true WO2014209156A1 (ru) 2014-12-31

Family

ID=52142350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000549 WO2014209156A1 (ru) 2013-06-27 2013-06-27 Интегральный цифровой голографический наноспектрометр с расширенным спектральным диапазоном

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2014209156A1 (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
US8977086B2 (en) Tapered waveguide coupler and spectrometer
US20110000881A1 (en) Method of manufacturing an optical integrated nanospectrometer
US7317535B2 (en) Wavelength dispersive fourier transform spectrometer
US7120334B1 (en) Optical resonator formed in a planar optical waveguide with distributed optical structures
JPWO2004027493A1 (ja) 回折格子を用いた分光装置
US9819435B2 (en) Optical apparatus, method, and applications
US20020027655A1 (en) Optical device and spectroscopic and polarization separating apparatus using the same
JP2003255113A (ja) 光分離素子およびそれを用いた光学機器
US7139128B2 (en) Diffraction grating having high throughput efficiency
Xie et al. Silicon nitride/silicon dioxide echelle grating spectrometer for operation near 1.55 μm
JP4369256B2 (ja) 分光光学素子
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
Renilkumar et al. Properties of defect modes in geometrically chirped one-dimensional photonic crystals
WO2014209156A1 (ru) Интегральный цифровой голографический наноспектрометр с расширенным спектральным диапазоном
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
WO2013129968A2 (ru) Оптический фильтр
JP2006139088A (ja) 光装置および光制御方法
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
CA2653710C (en) Tapered waveguide coupler and spectrometer
Magnusson et al. Resonance-based nanophotonic device technology: Filters, reflectors, and absorbers
REDDING et al. On-chip spiral 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: 13888164

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: 13888164

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1