Содержание к диссертации
Введение
Введение 5
1.1 Актуальность исследований 5
1.2 Цель работы 6
1.3 Практическая значимость 6
1.4 Структура диссертационной работы 6
1.5 Основные положения, выносимые на защиту 6
1.6 Научная новизна работы 7
1.7 Апробация работы 7
Глава 1. Дисперсионный элемент на основе цифровой планарной голограммы 9
1.1 Методика генерации голограмм 9
1.2 Связь между параметрами голограмм 11
1.3 Выбор планарного волновода 13
1.3.1 Структура планарного волновода 13
1.3.2 Материальные потери 15
1.4 Рассеяние света на голограмме 19
1.4.1 Рассеяние света на регулярных решетках 20
1.4.2 Симуляция рассеяния света на голограмме 25
1.5 Результаты и выводы 27
Глава 2. Система подвода света к голограмме 28
2.1 Общая концепция 28
2.2 Модовый конвертер 29
2.2.1 Модовый конвертер в приборах с мелким травлением 30
2.2.2 Модовый конвертер в приборах с глубоким травлением 32
2.3 Контроль поляризации 36
2.3.1 Поляризатор на основе TE-TM конверсии в волноводах с мелким травлением 36
2.3.2 Делитель поляризации в волноводах с глубоким травлением 39
2.3.3 Устойчивый к погрешностям изготовления делитель поляризации с глубоким травлением. 41
2.4 Результаты и выводы 52
Глава 3. Исследование спектрометров на основе числовой планарной голографии 53
3.1 Изготовление оптических чипов 53
3.2 Описание использовавшихся экспериментальных методик и оптических схем 56
3.2.1 Методика тестирования спектральных чипов 56
3.2.2 Измерение спектрального отклика канала голограммы 58
3.2.3 Сборка спектрометра 60
3.2.4 Стенд для тестирования собранных спектрометров 63
3.3 Температурная зависимость показаний спектрометра 65
3.4 Калибровка спектрометров 68
3.5 Двухполосный спектрометр на чипе, изготовленный с использованием одной глубины травления 70
3.6 Спектрометр на чипе с рекордным спектральным диапазоном, изготовленный с использованием одной глубины травления 76
3.7 Результаты и выводы 80
Глава 4. Комбинация спектрометра на чипе с массивом интерферометров Юнга для измерения спектра узкополосных источников света 82
4.1 Описание конструкции 82
4.2 Экспериментальные результаты 87
4.3 Результаты и выводы 91
Заключение 93
Список работ автора по теме диссертации 95
Литература 96
- Структура диссертационной работы
- Структура планарного волновода
- Модовый конвертер в приборах с мелким травлением
- Стенд для тестирования собранных спектрометров
Структура диссертационной работы
Следующим шагом после бинаризации идет разрежение. Разрежение представляет собой искусственное выбрасывание части штрихов голограммы для того, чтобы изменить удельную интенсивность отражения. Одной из задач разрежения голограммы является введение аподизации на краях голограммы для уменьшения перекрестных помех между каналами. В этом случае доля выбрасываемых штрихов плавно убывает от края к центру голограммы. Второй задачей является уменьшение коэффициента отражения голограммы при фиксированной глубине травления голограммы. В этом случае выбрасывается фиксированная доля штрихов. Отношение количества выброшенных штрихов к количеству оставшихся называется проксимити. В случае одноканальной голограммы (регулярной решетки) проксимити совпадает с порядком отражения в котором работает решетка.
Связь между параметрами голограмм Цифровая планарная голограмма - это прибор с дискретной дисперсией. Это означает, что спектр отражения голограммы состоит конечного числа пиков (спектральных каналов голограммы), расстояние между которыми может быть произвольным. Ширина отдельного спектрального пика в основном определяется длиной голограммы. Таким образом, вполне возможна ситуация, при которой расстояние между соседними пиками отражения голограммы превышает ширины отдельного пика отражения. В этом случае найдутся такие длины волн внутри спектрального диапазона, при которых свет не будет отражаться от голограммы. Для спектрометра общего назначения это нежелательно. Это накладывает первое ограничение на параметры спектральной голограммы: при изменении длины волны узкополосного источника в пределах, превышающих расстояние между соседними каналами голограммы, суммарное отражение от не должно меняться минимально. Отсюда следует, что расстояние между соседними каналами в спектральном пространстве должно примерно совпадать с FWHM спектра отражения канала.
Пусть теперь требуется рассчитать голограмму, имеющую спектральный диапазон S [нм] и спектральное разрешение (FWHM) R [нм]. Найдем глубину травления данной голограммы Н [нм]. Учитывая предыдущее ограничение данная голограмма должна иметь n=S/R каналов. Как было показано в предыдущем разделе, глубина травления голограммы равна глубине травления одноканальной голограммы (решетки), умноженной на квадратный корень из количества каналов: Vn (см. выражение (6)). В свою очередь, Но зависит от количества отражающих штрихов N: Ho N=const. Количество штрихов зависит от длины голограммы, т.е. от разрешения, и от порядка отражения решетки (проксимити): Н0 У1 + ргох) (1 + prox) R Таким образом, 0 Л— (1 + prox) R = K0 JS R (1 + prox) H = K0J— (1 +prox) R = K0y/S R (1 +prox) (7) Коэффициент Ко можно рассчитать, например, для регулярной решетки. Он зависит от требуемой величины отражения голограммы и величины перекрестных помех. В интересных с практической точки зрения голограммах:
С практической точки зрения глубина травления Н зачастую является ограниченным снизу параметром. Во-первых, относительная точность глубины травления при травлении менее 10 нм становится недостаточной. Во-вторых, как будет показано ниже (раздел 2.3.1), в приборах с одной глубиной травления для голограммы и системы подвода света глубина травления не может быть менее -15 нм. Т.к. глубина травления не является свободным параметром, выразим разрешение голограммы R из уравнения (8).
Планарный волновод, использующийся для создания спектрометра на чипе должен соответствовать следующим условиям: Одномодовость Высокий контраст между волноводной модой и модами подложки Постоянство параметров волновода по площади Рассмотрим более подробно эти условия. Требование одномодовости волноводного слоя связано с тем, что спектрометр-на-чипе разделяет свет по длинам волн в среде планарного волновода. Целью спектрометрических измерений, однако, является измерение длины волны в вакууме. В случае, если волноводный слой поддерживает единственную моду с коэффициентом преломления neff, существует однозначное соответствие между длиной волны в среде и длиной волны в вакууме. Однако, если волноводный слой содержит несколько мод, то свет, приходящий в один и тот же канал голограммы в разных модах будет иметь различную длину волны в вакууме, что значительно затрудняет воссоздание спектра.
Длина волны Лclad отразится в тот же канал голограммы, что и Лcore, создавая неопределенность в восстановлении спектра. Таким образом, выражение (10) определяет максимальный спектральный диапазон, который можно покрыть одной голограммой. Этот спектральный диапазон возрастает с ростом контраста между волноводной модой и модами подложки.
Стоит заметить, что данное ограничение на спектральный диапазон не всегда является строгим. Так как моды подложки являются утекающими, при некоторых структурах волновода отражение в подложку не приводит к перекрестным помехам, так как свет в модах подложки не доходит до детектора излучения. Однако даже в этом случае отражение в моды подложи приводит к потерям излучения.
Постоянство параметров волновода по площади определяет максимально возможное разрешение голограммы. В самом деле, если неоднородность эффективного коэффициента преломления п\п составляяет [мм" ], то длины волн излучения, отраженного от начала и конца решетки будет отличаться, что наложит ограничение на спектральное разрешение: канала равна — 4Ла, т.е. пропорциональна корню из удельной неоднородности Л планарного волновода.
В качестве материала для волноводного слоя планарного волновода был выбран Si3N4. Этот материал имеет большой коэффициент преломления ( 2), что увеличивает контраст между волноводной модой и модами подложки. Кроме того данный материал достаточно прозрачен в области видимого света и ближнем инфракрасном диапазоне [50, 51]. Был выбран планарный волновод, изготовленный компанией Lionix BV[52]. Толщина волноводного слоя составляет 160 нм. Подложка состоит из БіОг толщиной 10 мкм на подложке из кремния толщиной 1 мм. При изготовлении большинства приборов на поверхность волновода наносился верхний кладинг толщиной 2 мкм для защиты волноводного слоя. Расчет для данной структуры дает длину волны отсечки 460 нм. Максимальный спектральный диапазон отдельной голограммы, определенный по формуле (10), составляет -50 нм (см. Рис. 1).
Структура планарного волновода
Результаты измерений приведены на Рис. 5. При длине волны 633 нм потери составляют 2дБ\см, что сходится с результатами, полученными при помощи рассеивающих решеток. По техническим причинам мы не производили измерений в диапазоне 660 нм – 750 нм. Однако известно, что при увеличении длины волны потери падают и асимптотически стремятся к величине 2 dB/см, что близко к данным производителя. При более коротких длинах волн, однако, потери начинают возрастать, что противоречит результатам, приведенным на Рис. 3. Разница в потерях для коротких длин волн объясняется наличием верхнего кладинга на планарном волноводе с канальными волноводами. Несмотря на то, что наличие верхнего кладинга заметно увеличивает материальные потери, его наличие обязательно в приборах с канальными волноводами. В отсутствие верхнего кладинга даже небольшие частички пыли, попавшие на канальный волновод приводят к потерям большей части света. Рис. 5. Зависимость потерь в планарном волноводе от длины волны, измеренная при помощи канальных волноводов.
Вычислительный код, применяющийся для расчета и симуляции голограммы является двумерным и предполагает распространение света только в планарном волноводе. Это положительно влияет на скорость расчета голограммы, однако не учитывает рассеяние света в третье измерение на элементах голограммы. Эксперименты показали, что при большом числе каналов голограммы потери света из-за рассеяния могут быть значительны и приводить не только к уменьшению коэффициента отражения от голограммы, но и к ухудшению разрешения прибора за счет уменьшения эффективной длины голограммы. Таким образом необходимо оценивать величину данного эффекта при выборе параметров голограммы.
Для расчетов подобных структур обычно применяется FDTD код [53, 54]. Данный код, однако, является требовательным к ресурсам компьютера, поэтому его обычно используют в двумерном варианте. В данном случае, однако, для правильного учета рассеяния требуется проводить расчет в плоскости перпендикулярной плоскости планарного волновода, тогда как для правильного расчета отражения от голограммы – в плоскости планарного волновода. В связи с этим, полученные результаты носят оценочный характер. 1.4.1 Рассеяние света на регулярных решетках
Для проверки корректности применения данного кода было проведено сравнение между расчитанным и измеренным пропусканием волновода с нанесенной на него рассеивающей решеткой. Был изготовлен канальный волновод в котором свет разделялся Y-сплиттером на равные части и распространялся по двум одинаковым волноводам. На один из волноводов была нанесена рассеивающая вверх решетка (период 374 нм, длина 400 мкм, глубина травления 15 нм). По отношению сигналов на выходе двух волноводов определялись потери на решетке.
При расчете использовался двумерный FDTD код в плоскости перпендикулярной планарному волноводу. При этом рассчитываемая структура включала в себя также подложку из кремния, так как интерференция отраженного от нее сигнала влияет на величину потерь. Верхний кладинг, однако, считался бесконечным. Отражение от границы верхний кладинг\воздух также вносит вклад в потери, однако толщина верхнего кладинга меняется от волновода к волноводу более чем на /4 = 100 нм.
Сравнение полученных в эксперименте результатов с расчетом приведено на Рис. 6. Модуляции кривой с периодом 15 нм связаны с интерференцией отраженного от кремния света со светом в волноводе. Экспериментальная точка с низким пропусканием в районе 645 нм связана с отражением от решетки назад.
Пропускание волновода с рассеивающей решеткой периодом 374 нм, длиной 400 мкм и глубиной травления 15 нм.
На Рис. 7 приведена зависимость удельных потерь от длины волны для решеток, отражающих в различных порядках. Видно, что если решетка отражает в нулевом порядке, то существует диапазон длин волн ( 50 нм в сторону коротких волн), при котором потери на рассеяние отсутствуют. Это связано с отсутствием направления конструктивной интерференции вне планарного волновода для данной структуры.
Однако, при , потери возрастают значительно. Это соответствует началу рассеяния излучения в кладинговые моды планарного волновода. Рис. 7. Зависимость удельных потерь на равномерной рассеивающей решетке от длины волны. Глубина травления 20 нм.
В случае если решетка отражает в первом порядке и выше, потери есть всегда. При этом с ростом номера порядка отражения заметного падения в рассеянии не наблюдается, тогда как необходимая длина решетки для получения заданного коэффициента отражения возрастает как N+1, где N-номер порядка отражения.
Посмотрим, какие параметры влияют на долю рассеянного света. Сначала предположим, что свет не отражается от решетки, а только рассеивается. В этом случае интенсивность света спадает вдоль длины голограммы как 1(a) = I0 exp(-kaL), где а = х/L, х- координата вдоль голограммы, L-длина голограммы, к - удельный коэффициент затухания. Выразим коэффициент затухания, вызванный рассеянием света, К = кЬ, через параметры голограммы. При фиксированной структуре планарного волновода коэффициент рассеяния к зависит от проксимити (Рис. 7). Кроме того, при малых глубинах травления этот коэффициент квадратично зависит от глубины [55]. Длина решетки обратно пропорционально FWHM спектра отражения L = L0/R.
Как видно из Табл. 1, для уменьшения потерь на рассеяние требуется использовать минимально возможный проксимити, в идеале – 0. Кроме того, желательно, чтобы спектральный диапазон голограммы не превышал 50 нм. Ограничение на глубину травления, однако, не всегда позволяет выполнять данные рекомендации. В самом деле, как видно из уравнения (9), разрешение спектрометра улучшается при увеличении проксимити и спектрального диапазона. Таким образом, параметры реального прибора должны выбираться исходя из предполагаемого применения. Например, в случае спектроскопии ярких источников света, таких как лазер, высокое спектральное разрешение прибора имеет большее значение, чем коэффициент отражения голограммы. Кроме того, как будет показано ниже, потери в решетке оказывают влияние в первую очередь на коэффициент отражения, а е спектральные свойства меняются незначительно.
Для оценки влияния потерь был проведен следующий численный эксперимент. Был взят стандартный планарный волновод Si3N4 c верхним кладингом, с решеткой, глубина травления которой была выбрана 10 нм. Длина решетки увеличивалась с шагом 1 мкм, и при каждой длине рассчитывалась линия отражения от решетки. Этот расчет был повторен в трех вариантах. Первый раз – без потерь, второй раз – были добавлены небольшие материальные потери, третий раз – материальные потери были добавлены значительные. Во всех трх вариантах проксимити был выбран равным 0, так что потери определяются только искусственно введенным затуханием. Результаты приведены на Рис. 8 и Рис. 9.
Рис. 8. Коэффициент отражения и ширина линии отражения решетки с небольшими серыми потерями. Рис. 9. Коэффициент отражения и ширина кривой отражения решетки с большими серыми потерями.
Из этих результатов следует, что даже при заметных потерях (Рис. 8, 80% вне резонанса) ухудшения разрешения не наблюдается. Чтобы увеличение ширины линии отражения стало заметным, потери должны быть заметно больше (Рис. 9), и даже в этом случае влияние на коэффициент отражения намного сильнее, чем на ширину линии. Как видно из Табл. 2, если потери приводят к уменьшению пропускания решетки в 5000 раз, то отражение уменьшается только в 50 раз, а ширина линии увеличивается только в 2.7 раза.
Модовый конвертер в приборах с мелким травлением
Коэффициент ввода света из одномодового волокна в одномодовый канальный волновод, без учета потерь на отражение, определяется как интеграл перекрытия между двумя модами. Контраст канального волновода, как правило, заметно больше контраста волокна, что приводит к большому рассогласованию размеров мод. Так, например, диаметр моды стандартного одномодового волокна 630HP составляет 4 мкм по уровню 1/e амплитуды поля [56], в то время, как размер моды одномодового канального волновода (300х160 нм) составляет 0.5х0.38 мкм. Это приводит к коэффициенту ввода света, равному 7.5%. Существует несколько способов повысить данный коэффициент. Одним из способов является использование волокна с торцевой линзой [57]. Этот способ, однако, усложняет юстировку волокна, ограничивает набор допустимых длин волн и увеличивает стоимость прибора. Другие способы основаны на модификации моды волновода, а не моды входящего света. Для этой цели в планарном волноводе создаются так называемые модовые конвертеры. Их задачей является создание на входном конце планарного волновода моды максимально близкой к моде волокна и последующая конвертация этой моды, как правило, при помощи адиабатического тэйпера, в моду канального волновода.
Модовые конвертеры можно разделить на поверхностные и торцевые. В поверхностных конвертерах [58–60] свет вводится при помощи решетки из волновода, расположенного близко к перпендикулярному к поверхности волновода направлению. Этот способ ввода привлекателен тем, что позволяет обойтись без полировки входного торца. Сложностью является то, что на коэффициент ввода также влияет интерференция света со светом отраженным от подложки (эффект, аналогичный представленному на Рис. 6)[61]. Кроме того, для получения коэффициентов ввода света больше 50% необходимо использовать отражающее зеркало под волноводным слоем [60, 62]. Наконец, коэффициент ввода при использовании решеток является спектрально-чувствительным и ширина спектральной полосы обычно не превышает 50 нм. Таким образом, поверхностный модовый конвертер подходит для телекоммуникационных приборов с ограниченным спектральным диапазоном, но не для использования в спектрометрах, где спектральный диапазон может достигать нескольких сотен нанометров.
Торцевой модовый конвертер представляет собой канальный волновод, в котором согласование мод осуществляется за счет изменения его геометрических размеров [63, 64] и, возможно, структуры [65–68]. Основным ограничением при использовании торцевых конвертеров является сложность их изготовления. Несмотря на это, данные структуры обладают значительным спектральным диапазоном, что делает их идеальными для ввода света в спектрометры.
Модовый конвертер в приборах с мелким травлением
В случае интегрально-оптических структур с малым травлением размер моды в быстром направлении определяется планарным волноводом и не зависит от вытравленной структуры. Таким образом, в данном случае задачей является простое согласование размеров моды волновода и оптоволокна в медленном направлении. Для этого ширину входного волновода увеличивают, а потом при помощи тэйпера адиабатически уменьшают до ширины одномодового волновода. Зависимость коэффициента каплинга от ширины входного участка представлена на Рис. 14. Рис. 14. Зависимость эффективности ввода света в волновод от ширины волновода при глубине травления 20 нм без учета потерь на отражение.
Для экспериментальной проверки был изготовлен тестовый чип с обычным одномодовым канальным волноводом шириной 0.7 мкм (глубина травления 20 нм) и с аналогичным канальным волноводом, отличающимся наличием модового конвертера на входе. Экспериментальная схема приведена на Рис. 15. Коэффициент ввода света определялся как отношение сигнала на ПЗС камере для света, выходящего из канального волновода к свету, выходящему из волокна. Следует обратить внимание на необходимость использовать волокно, сохраняющее поляризацию, для ввода света. Кроме того, угол расходимости света из волокна намного меньше угла расходимости света из канального волновода. Угол захвата 20х объектива недостаточен для захвата всего света, выходящего из канального волновода. Измеренное отношение сигналов, таким образом, отличается от реального в меньшую сторону. Для того чтобы измерить этот поправочный коэффициент был изготовлен специальный тестовый чип с глубоким травлением. Свет, идущий по канальному волноводу, разделялся пополам при помощи Y-сплиттера. Половина света выходила на торец чипа по обычному канальному волноводу, а вторая половина заканчивалась модовым конвертером с модой, соответствующей моде волокна. Отношение этих двух сигналов, являющееся поправочным коэффициентом, измеренное при помощи 20х объектива составило 1.6 (в пользу волновода с модовым конвертером). Рис. 15. Схема для измерения коэффициента ввода света в волновод с мелким травлением при помощи модового конвертера. Коэффициент ввода света для канального волновода с модовым конвертером оказался примерно в 1,7 больше, чем для волновода без модового конвертера. Это хорошо согласуется с расчетом (1.66 согласно расчету). Абсолютное значение коэффициента ввода света с учетом материальных потерь в волноводе, однако, составило 12%. С учетом поправочного коэффициента (учитывает конечную угловую аперетуру измерительной оптики) это дает коэффициент ввода света равный 19%, что примерно соответствует расчеты (20% с учетом потерь на отражение).
Модовый конвертер в приборах с глубоким травлением Схема модового конвертера изображена на Рис. 16. В отличии от описаной выше ситуации, в случае глубокого травления изменение ширины канального волновода оказывает влияние на размер моды в обоих направлениях (Рис. 17). При этом, согласно расчтам, коэффициент ввода света, без учета потерь на отражение, может достигать 90%. Зависимость размеров моды канального волновода и коэффициента каплинга в волокно 630HP от ширины волновода. Расчет проведен для длины волны 660 нм.
Такой модовый конвертер был изготовлен и испытан. При измерении коэффициента ввода света использовалась схема, изображенная на Рис. 18. Учет потерь в канальном волноводе с глубоким травлением представляет некоторую сложность, так как потери в волноводе определяются не только материальными потерями, но и рассеянием на стенках волновода, которые, в свою очередь, зависят от ширины волновода. Для того, чтобы избежать ошибки, связанной с неточностью измерения потерь при измерении коэффициента ввода света, в предложенной схеме измерялся коэффициент ввода света из модового конвертера в волокно. Для двух одномодовых волноводов коэффициент ввода света не зависит от направления.
а) б) Рис. 18. Схема измерений коэффициента ввода света. Количество света, выходящее из модового конвертера(а), сравнивается с количеством света, выходящем из волокна, присоединенного к модовому конвертеру (б). Количество света измеряется при помощи одной и той же комбинации из 40х микрообъектива и ПЗС камеры.
Измеренный таким образом коэффициент ввода света составил 61% для ТЕ-поляризованного света с длиной волны 660 нм. Одной из причин того, что коэффициент ввода света меньше расчетного, является несимметричность моды модового конвертера в быстром направлении (Рис. 19). Несимметричность вызвана тем, что коэффициент преломления верхнего кладинга больше, чем нижнего. Расчеты показывают, что падение коэффициента ввода света до 61% может быть вызвано превышением коэффициента преломления верхнего кладинга над нижнем всего на 0.015 ( 1%). а)
Интеграл перекрытия, вычисленный по результатам, представленным на Рис. 19 составляет 73%, что с учетом потерь на отражение дает коэффициент ввода света, равный 68%. Это превышает измеренный 61%, из-за ограниченной разрешающей способности микрообъектива, что приводит к завышению размера моды. Рис. 20. Интеграл перекрытия между измеренным профилем моды волокна и моды модового конвертера в зависимости от относительного смещения.
Измеренное число в 61%, однако, не учитывает потери при конверсии моды в моду стандартного одномодового волновода. Расчет показывает, что данные потери составляют 13% (Рис. 21). Рис. 21. Эволюция моды вдоль модового конвертера. Интеграл перекрытия рассчитан между полем в данной точке конвертера и модой конечного канального волновода.
Стенд для тестирования собранных спектрометров
Одним из применений спектрометров является мониторинг спектра лазеров. Эта информация необходима во многихприложениях, как, например, интерферометрия, голография, метрология, калибровка перестраиваемых лазеров и т.д. При этом высокая яркость лазеров позволяет эффективно использовать измерительные приборы с одномодовым входом, что делает приборы интегральной оптики идеальными для решения данной задачи.
Основные параметры, описывающие спектральную линию лазера - это длина волны и е ширина. При этом ширина спектра может быть очень малой, что требует высокого спектрального разрешения. Вместо того, чтобы измерять весь спектр с разрешением в несколько пикометров в данном приборе две данные величины измеряются отдельно. Ширина спектра определяется по видности интерференционной картины, полученной от массива интерферометров Юнга, тогда как длина волны определяется при помощи ЦПГ спектрометра. Фазовая информация, полученная из положения интерференционной картины в дальнейшем используется для уточнения длины волны. Данный подход позволяет исключить компромисс между спектральным диапазоном и разрешением присутствующий в спектрометрах общего назначения.
Благодаря их высокой чувствительности и простоте изготовления, интегральные интерферометры Юнга ранее использовались в оптических сенсорах [96, 97] для измерения эффективного коэффициента преломления. В отличии от других интегральных интерференционных методов измерения спектра [98, 99], интерферометры Юнга не требуют высокой точности изготовления. Кроме того, наличие в приборе голограммы позволяет уменьшить количество используемых интерферометров, уменьшая таким образом площадь писания при литографии. Другим достоинством данного прибора по сравнению с широко использующимися для измерения лазерных спектров сканирующих интерферометров Фабри-Перо [100, 101] является отсутствие подвижных элементов. Это позволяет использовать его для измерения спектров импульсных лазеров.
На Рис. 7 представлен общий вид прибора. Размер оптического чипа - 13х13 мм2. Свет, введенный в канальный волновод, разделяется на две части при помощи Y-сплиттера. Часть света направляется на массив интерферометров, а другая часть - на ЦПГ. Ширина волновода, ведущего к массиву интерферометров, выбрана так, что через него проходит только ТЕ-поляризованное излучение [69, 70]. Это необходимо для увеличения видности интерференционной картины. Ширина волновода, ведущего к ЦПГ выбрана иначе - так чтобы обе компоненты поляризации доходили до голограммы. ЦПГ поляризационно-чувствительна, т.е. свет с одной и той же длиной волны, но разной поляризацией отразится в разные каналы на торце. Эти каналы разделены 40 нм в спектральном пространстве (для планарного волновода, использованного в эксперименте). В спектрометре общего назначения это привело бы к сложности восстановления исходного спектра. Однако, т.к. предполагается, что измеряемый спектр узкий, сигналы в разных поляризациях не перекрываются, что позволяет разделить их.
В каждом из интерферометров Юнга свет разделяется на две части. В одно из плеч каждого интерферометра вставлена линия задержки. Выходы обоих плеч расположены на некотором расстоянии от края чипа, так что свет, выходящий из них, образует интерференционную картину на выходном торце. Видность интерференционной картины зависит от разности длин хода интерферометра и от длины когерентности источника. В отличие от массива интерферометров Маха-Цендера [98], даже один интерферометр Юнга позволяет оценить ширину спектра. В данном приборе использовался массив из четырх интерферометров с разной разностью хода для увеличения точности определения ширины спектра.
Прибор для мониторинга лазерного спектра. а) Упрощенная схема прибора. б) Чертеж. Для получения наиболее точных результатов необходимо, чтобы мощность излучения в обоих каналах на выходе каждого из интерферометров была одинаковой. Разность хода в интерферометрах составляет до 17.5 мм, что приводит к заметным потерям на поглощение. Для того, чтобы компенсировать эти потери, мощность излучения на входе в плечи интерферометра должна быть различна. Для цели разделения света могут быть использованы асимметричные Y-сплиттеры [102], или многомодовыые интерферометры(MMI) [103], однако такие структуры вносят дополнительные потери. Несмотря на то, что потери как правило малы, они вносят вклад в рассеянный свет, который, интерферируя со светом, выходящим из интерферометра, искажает интерференционную картину и снижает точность измерений. Таким образом, наилучшим элементом для разделения света является направленный ответвитель, т.к. он не вносит дополнительных потерь. Однако, коэффициент деления направленного ответвителя чувствителен к длине волны и точности изготовления. В ряде работ каскад интерферометров Маха-Цендера использовался для минимизации как чувствительности к длине волны [104], так и к точности изготовления [81]. Однако, совместить в одном приборе эти два свойства не удается. В нашем случае, однако, не требуется, чтобы коэффициент деления каждого из сплиттеров оставался постоянным. Достаточно лишь, чтобы отношение сигналов на входе в интерферометры оставалось постоянным. Этого можно достичь организовав направленные ответвители особым образом, как показано на диаграмме на Рис. 68. Направленные ответвители скомбинированы таким образом, что любое изменение, приводящее к увеличению коэффициента деления в отдельном направленном ответвителе, приводит к одинаковому изменению количества света на входе в плечи интерферометра. Рис. 68. Диаграмма разделения света на каналы трех интерферометров. Один из 7 выходов используется в качестве юстировочного канала. На Рис. 69 приведены результаты расчета мощности излучения на выходах одного из интерферометров, соответствующего спектральной полосе 30 пм. Несмотря на то, что мощность в каждом из каналов интерферометра заметно отличается от расчетной (Рис. 69а), видно, что отношение мощностей в каналах интерферометра остается примерно равным 1 (Рис. 69б). Таким образом, взаимное расположение направленных ответвителей компенсирует зависимость коэффициента деления каждого отдельного ответвителя.
Расчет мощности излучения в каналах интерферометра, соответствующего полосе 30 пм в зависимости от длины волны и глубины травления. А) Отклонение мощности в канале от расчетной Б) Отношение мощностей на выходе из линии задержки 4.2 Экспериментальные результаты Прибор был изготовлен при помощи электронно-пучковой литографии. Фотография прибора, с введенным в него излучением лазерного диода, показана на Рис. 70. На фотографии можно легко видеть ТМ-поляризованный свет, утекающий из поляризующего волновода. Отражение от голограммы отсутствует, т.к. длина волны освещающего лазера (660 нм) находится за пределами спектрального диапазон прибора (719-861 нм).
Типичные изображения каналов и распределения интенсивности на выходе ЦПГ представлены на Рис. 71. Как уже было сказано, обе (взаимно ортогональные) компоненты поляризации отражаются от голограммы, однако их положения на торце различны. Для удобства сравнения сигналов, на рисунке ТМ поляризация была сдвинута относительно изначального положения, так, что она перекрывается с ТЕ поляризацией. Стоит заметить, что коэффициент отражения может отличаться от канала к каналу, так что сигналы с голограммы не обязаны в точности совпадать со спектром до дополнительной калибровки. а) б)
Рис. 71. Изображения каналов на выходе голограммы при освещении ее а)лазерным диодом б) лазерным диодом с волоконной брэговской решеткой. Изображение в ТМ поляризации было сдвинуто для сравнения с ТЕ поляризацией.
Спектральный отклик первых 15 каналов показан на Рис. 72. Средняя FWHM кривой отклика составляет 145 нм для ТЕ поляризации и 130 нм для ТМ поляризации. Этот результат совпадает с расчетным значением (145 нм). Из рисунка также видно, что расстояние между сигналами в одном и том же канале для разных поляризаций составляет 45 нм в спектральном пространстве.
