Применение цифровой планарной голографии для спектрометрии источников излучения высокой яркости в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

иь

КОШЕЛЕВ Александр Юрьевич

Применение цифровой пленарной голографии для спектрометрии источников излучения высокой яркости в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн

Специальность: 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

2 0 НОЯ 2014

Москва-2014

005555303

005555303

Работа выполнена на кафедре прикладной физики факультета проблем физики и энергетики Московского физико-технического института

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор

ГОЛЬЦОВ Александр Юрьевич,

ГНЦ РФ ТРИНИТИ, начальник отдела оптических исследований

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук,

БАРОНОВА Елена Олеговна,

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», ведущий научный сотрудник

доктор физ.-мат. наук,

НУРЛИГАРЕЕВ Джамиль Хайдарович,

Московский государственный университет приборостроения и информатики, профессор кафедры физики

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Защита диссертации состоится "18" декабря 2014 г. в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.014.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении наук Институте спектроскопии Российской академии наук (ИСАН) по адресу: 142190, г. Москва, г.Троицк, ул. Физическая, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института спектроскопии и на сайте ИСАН по адресу: http://isan.troitsk.ru/ru/diss_sovet.php.

Отзывы на автореферат (два заверенных экземпляра) просим направлять на адрес диссертационного совета.

В отзыве указываются фамилия, имя, отчество лица, представившего отзыв, почтовый адрес, телефон, адрес электронной почты, наименование организации, работником которой является указанное лицо, и должность в этой организации (выдержка из Положения о порядке присуждения ученых степеней).

Автореферат разослан " )Ъ " 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук 7 Каримуллин К.Р.

Общая характеристика работы Актуальность исследований

В настоящее время уделяется большое внимание миниатюризации спектральных приборов. Эта задача становится особенно важной в связи с развитием портативных оптических сенсоров и микрофлюидики [1]. Уменьшение размеров классических спектрометров на основе дифракционной решетки приводит к ухудшению разрешения, поэтому идет активный поиск других решений. Существуют попытки применять для решения этой задачи массивы фильтров и MEMS [2], однако технические трудности не позволяют добиться сравнимых в классическими спектрометрами параметров. Более перспективным методом является применение интегральной оптики. Подходы для создания интегрально-оптических спектрометров включают в себя AWG [3], фотонные кристалы, спиральные волноводы, интерферометры Маха-Цендера, кольцевые резонаторы, дифракционные решетки на планарных волноводах, эшель решетки [4]. При этом все эти подходы обладают одним общим недостатком -малым числом спектральных каналов, что приводит либо к ограниченному разрешению либо к малому спектральному диапазону. Перспективным подходом, позволяющим преодолеть это ограничение и создать интегрально-оптический спектрометр, не уступающий по своим характеристикам классическим спектрометрам на основе трехмерной оптики является цифровая планарная голография (ЦПГ) [5]. ЦГТГ основана на идее использования резонансного отражения от эллиптических решеток, однако в голограмме решетки для всех спектральных каналов перекрываются в одном и том же месте пространства, по аналогии с объемными голограммами. Такой метод делает возможным изготовление приборов с большим числом спектральных каналов.

Стоит заметить, что большинство приборов интегральной оптики обладает существенным ограничением, а именно — возможность работы только с пространственно одномодовым излучением. Это ограничивает область применения интегрально-оптических спектрометров источниками высокой яркости. Например, такие спектрометры можно применять, для оптической когерентной томографии [6], волоконно-брэговских сенсоров [7], телекоммуникаций [8], SERS [9], биосенсоров [10] и т.д.

Резюмируя сказанное выше можно сделать вывод о том, что тематика диссертации соответствует актуальным научно-техническим проблемам, которые стоят перед современной нанофотоникой и интегральной оптикой.

Цель работы

Цель работы состоит в создании на основе цифровой планарной голографии интегрально-оптических спектрометров с наилучшими возможными параметрами. Работа включает в себя расчет и конструирование интегрально-оптических элементов, являющихся составной частью спектрометра. К таким элементам

относятся, помимо собственно цифровой планарной голограммы, модовый конвертер, поляризационный делитель, поляризатор. К целям работы относится создание практического руководства но выбору параметров голограмм и учету влияния различных эффектов, в том числе рассеяния света в голограмме, на параметры спектрометра.

Цели работы состоят в получении экспериментальных результатов. Вместе с тем, в работе нами установлены основные закономерности, связывающие между собой конструкцию ЦПГ и их спектральные свойства. Подчеркнём, что нами не ставилось целью развитие строгой теории цифровой планарной голографии, и, в частности, анализ влияния бинаризации на параметры спектральных голограмм. Данный вопрос исследуется экспериментально, а итогом работы являются результаты измерения параметров оптических чипов ЦПГ-спектрометров.

Практическая значимость

Результаты проведенных исследований легли в основу коммерческого миниатюрного спектрометра высокого разрешения. Этот прибор был представлен на 4 международных технических выставках: "CLEO 2013" (Сан-Хосе, США, июнь 2013), "SPIE Photonics West" (Сан-Франциско, США, февраль 2014), "PITTCON" (Чикаго, США, март 2014), "9-я международная специализированная выставка лазерной, оптической и оптоэлектронной техники" (Москва, Россия, март 2014).

Структура диссертационной работы

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 101 странице машинописного текста, включая 77 рисунков. Библиографический список содержит 64 наименования.

Основные положения, выноснмые на защиту

1. Разработаны физические основы построения спектрометров на основе цифровой планарной голографии и интегрально-оптической системы подвода излучения, включающей устройства для ввода света в планарный волновод, контроля поляризации и разделения спектральных полос.

2. Выполнен расчетно-теоретический и экспериментальный анализ световых потерь в интегрально-оптических приборах с цифровыми планарными голограммами. Предложен и экспериментально подтвержден метод оценки и расчета влияния рассеяния света на параметры спектральных цифровых планарных голограмм.

3. Разработан устойчивый к погрешностям изготовления интегрально-оптический поляризационный делитель на основе каскада интерферометров Маха-Цендера, увеличивающий допустимую погрешность ширины канального волновода в 2 раза для ТЕ поляризации и в 3 раза для ТМ поляризации по сравнению с отдельным интерферометром (по уровню коэффицииента экстинкции 20 дБ).

4. Продемонстрирована применимость цифровой планарной голографии для создания спектрометров со спектральным диапазоном до 250 им и разрешением до 0.15 нм. Разработаны и исследованы спектрометры на чипе (двухполосный с разрешением 0.15 нм и спектральным диапазоном 630-694 и 766-850 нм: широкополосный с разрешением 0.2 нм и спектральным диапазоном 550-800 нм).

5. Предложена концепция спектрометра на чипе для мониторинга лазерного излучения на основе комбинации массива интерферометров Юнга и цифровой планарной голограммы. Экспериментально показано, что точность определения ширины линии узкополосного излучения составляет 10% при ширине линии более 6 пм.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично. Постановка задач, интерпретация полученных результатов и формулировка выводов осуществлялись совместно с научным руководителем и другими исполнителями работы и соавторами публикаций. Непосредственное изготовление приборов осуществлялось совместно с Национальной лабораторией им. Лоуренса в Беркли.

Научная новизна работы

1. Впервые создан спектрометр на чипе для мониторинга лазерного света на основе комбинации массива интерферометров Юнга и цифровой планарной голограммы. Точность определения ширины линии узкополосного излучения составляет 10% при ширине линии более 5 пм.

2. Разработан устойчивый к погрешностям изготовления интегрально-оптический поляризационный делитель на основе каскада интерферометров Маха-Цендера, увеличивающий допустимую погрешность ширины канального волновода в 2 раза для ТЕ поляризации и в 3 раза для ТМ поляризации по сравнению с отдельным интерферометром.

3. Реализован спектрометр на чипе с разрешением 0.2 нм и рекордным спектральным диапазоном 550-800 нм.

Апробация работы

По материалу, вошедшему в данную диссертацию, опубликовано 8 статей в российских и иностранных реферируемых журналах [А1-А8]. Результаты исследований, представленные в диссертации, доложены и опубликованы в сборниках трудов 3 международных научных конференций: «Conference on Lasers and Electro-Optics 2012» (Сан-Хосе. США, май 2012), «SPIE Photonics West MOEMS-MEMS» (Сан-Франциско, США, февраль 2014), «SPIE Alternative Lithographie Technologies VI» (Сан-Хосе, США, февраль 2014).

Основное содержание диссертации

Во введении дан обзор литературы, посвященной интегрально-оптическим спектрометрам и их применению. Продемонстрирована актуальность исследований, поставлены цели и сформулированы задачи а также представлены структура и содержание работы. Перечислены положения, определяющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту.

В главе 1 приведены основные уравнения применяемые для генерации спектральных цифровых планарных голограмм. На основе этих уравнений и некоторых ограничений связанных со спектрометрическим применением голограмм получены основные соотношения между параметрами спектральных голограмм. В частности показано, что

где Я - полная ширина на полувысоте спектральной функции отражения канала голограммы, т.е. величина, обратная разрешению, 8 [им] - спектральный диапазон, ргох - дополнительное расстояние между штрихами голограммы. Таким образом, при фиксированной глубине травления разрешение спектрометра можно улучшить либо за счет увеличения спектрального диапазона, либо за счет искусственного разрежения голограммы.

В конце главы 1 приведен метод оценки и расчета потерь на рассеяние в третье измерение на элементах голограммы. В основе метода расчета лежит 20-1Т)ТЦ код, который позволяет рассчитать зависимость потерь на рассеяние в сечении голограммы в отсутствии отражения. Результаты такого расчета закладываются в код для расчета отражения в виде коэффициента затухания. Оценка потерь на примере равномерных решеток, с учетом полученных ранее соотношений между параметрами голограмм дает следующую зависимость потерь:

где К [дБ] - коэффициент, характеризующий долю света, доходящую до конца голограммы в отсутствии отражения, Ки(ргох) - коэффициент, зависящий только от проксимити, Б[нм] - спектральный диапазон. Таким образом, потери на рассеяние в спектральной голограмме при номинальных параметрах зависят только от проксимити и от спектрального диапазона.

На Рис. 1 приведен результат расчета потерь на рассеяние для голограммы с проксимити 1 и спектральным диапазоном 90 нм. Рассчитанный с учетом потерь на рассеяние коэффициент отражения от голограммы хорошо совпадает с экспериментально измеренным (Рис. 2). Рассеяние является основным источником потерь, в частности в данной голограмме номинальное отражение составляло ~2дБ,

(1)

К = К^ ргох) * Б * (1 + ргох)2,

(2)

материальные потери на пути до голограммы и обратно — 4 дБ. а потери на рассеяние — 6 дБ.

Рис. I. Удельные потери на рассеяние в зависимости от длины волны и расстояния вдоль голограммы

10

го

о. »-

о о

его 640 бво ево

Длина волны, нм

Рис. 2. Отражение от голограммы в швисимости от длины волны

Во второй главе дано описание интегрально-оптической системы подвода света к голограмме. Система ввода света упрощает сборку спектрометра, позволяет объединять несколько спектральных голограмм на одном чипе, осуществляет управление поляризацией и позволяет увеличить эффективность ввода света в голограмму.

В разделе 2.2 описываются расчеты и экспериментальные результаты, полученные для модовых конвертеров, увеличивающих коэффициент ввода света из волокна в волновод. Для модового конвертера на основе обратного тэйпера измеренный коэффициент ввода света составил 53%.

В разделе 2.3 описываются конструкции и экспериментальные результаты для нескольких интегрально-оптических поляризаторов и поляризационных делителей, испольующихся в спектральных приборах на основе цифровой пленарной голографии. Необходимость контроля поляризации в подобных приборах объясняется тем, что голограмма отражает в одно и то же место на торце чипа свет

с одной и той же длиной волны в среде. Однако, эффективный показатель преломления волноводной моды зависит от ее поляризации. Таким образом, чтобы избежать необределенности при восстановлении спектра в вакууме необходимо знать поляризацию света на входе в голограмму.

Основное внимание в разделе 2.3 уделено предложенной конструкции устойчивого к погрешностям изготовления поляризационного делителя. За основу конструкции был взят поляризационный делитель на основе интерферометра Маха-Цендера, в котором поляризации разделяются за счет разной зависимости эффективного коэффициента преломления от ширины волновода для ТЕ и ТМ поляризованного света. Данный поляризатор позволяет получать большие коэффициенты экстинкции (более 20 дБ), однако чувствителен к погрешности изготовления из-за изменения разности набега фаз в плечах интерферометра. Чувствительность поляризационного делителя была уменьшена за счет объединения четырех интерферометров в каскад и соответствующего подбора параметров составляющих их направленных огветвителей. Это позволило увеличить допустимую погрешность ширины канального волновода в 2 раза для ТЕ поляризованного света и в 3 раза для ТМ поляризованного света (по уровню 20 дБ).

а)

Перекрестный

»— Прямой

Рис. 3. Результаты расчета распространения света по поляризационному делителю.

а) Стандартный поляризационный делитель с номинальными параметрами. Стрелками указаны перекрестный и прямой каналы поляризационного делителя.

б) Каскад интерферометров с номинальными параметрами, в) Стандартный поляризационный делитель, все ширины уменьшены на 20%. г) Каскад интерферометров, все ширины уменьшены на 20%

На Рис. 3 представлены результаты расчета распространения света по стандартному и устойчивому к погрешностям изготовления поляризаторам для номинальной ширины и ширины, увеличенной на 20% по сравнению с расчетом.

Для экспериментальной проверки предложенной концепции данный поляризатор был изготовлен в двух вариантах: с номинальной шириной и со всеми ширинами, увеличенными на 20%. Измеренная зависимость коэффициента экстинкции от длины волны приведена на Рис. 4. Из рисунка видно, что оптимальная длина волны поляризационного делителя с номинальными параметрами сместилась относительно расчетной (650 нм) из-за погрешностей изготовления. Несмотря на это. его коэффициент экстинкции превышает 15 дБ для обеих поляризаций. Коэффициент экстинкции поляризационного делителя с ширинами увеличенными на 20% превышает 15 дБ для ТМ поляризации и 10 дБ для ТЕ поляризации. Таким образом, предложенная конструкция действительно устойчива к погрешностям изготовления за счет того, что каскады интерферометра взаимно компенсируют влияние изменения ширины волновода на пропускание всего прибора.

Длины волны, нм

Рис. 4. Измеренная зависимость коэффициента экстинкции от длины волны. Сплошная линия соответствует поляризационному делителю с номинальными параметрами, тогда как штриховая - поляризационному делителю со всеми ширинами, увеличенными на 20%

Из рисунка также можно видеть, что коэффициент экстинкции для ТМ поляризации зависит от длины волны сильнее, чем для ТЕ поляризации. Спектральная чувствительность прибора определяется в основном спектральной чувствительностью входящих в него направленных ответвителей. так как чувствительность к изменению набега фаз скомпенсирована конструкцией. При этом изменение коэффициента деления направленных ответвителей не оказывает влияния на коэффициент экстинкции ТЕ поляризованного света, так как ТЕ поляризованный свет остается в прямом канале прибора. Таким образом, для высокого коэффициента экстинкции ТЕ поляризованного света достаточно, чтобы

все коэффициенты деления менялись одинаково. Напротив, так как ТМ поляризованный свет уходит в перекрестный канал, для его эффективного отделения необходимо, чтобы все коэффициенты деления в сумме дали 1. Данное условие строго выполняется только при расчетной длине волны.

В третьей главе приведено описание использованных методов измерения и оптических схем, а также результаты измерений параметров спектральных голограмм.

На Рис. 5 представлена оптическая схема для тестирования чипов. Свет из одномодового волокна фокусируется при помощи системы микрообъективов на торец чипа. Волокно расположено на трехкоординатном столе, обеспечивающем точность позиционирования ~10 нм. Система микрообъективов работает с уменьшением, что упрощает ввод света в чип, т.к. смещение волокна на 2.5 мкм приводит к смещению изображения волокна на торце на 1 мкм. Светоделитель направляет часть света на калиброванный спектрометр для мониторинга спектра излучения.

пзс

jij Спектрометр

Рис. 5. Схема измерении параметров голограммы. Излучение перестраиваемого лазера или лазерного диода, выпущенное из одномодового волокна, фокусируется на вход канального волновода системой микрообъективов. Поляризатор пропускает ТЕ поляризацию. Полупрозрачное зеркало ответвляет часть света на калиброванный спектрометр. Для нормировки используется свет, отраженный от торна

Для измерения спектральной формы каналов использовалась схема эксперимента, изображенная на Рис. 6. Свет суперлюминесцентного диода (СЛД) вводится в оптический чип с голограммой при помощи одномодового волокна. Использование СЛД вместо лазерного диода является важным моментом, т.к. в спектре лазерного диода, как правило, присутствуют ярко выраженные продольные моды, что существенно усложняет обработку и интерпретацию результатов. Свет из выходных каналов голограммы фокусируется на торце второго одномодового

волокна с увеличением 2 при помощи телескопа, согласовывая в медленном направлении профиль изображения канала с профилем моды волокна. Торец волокна изображен на ПЗС камеру с увеличением при помощи системы из 20- и 4-кратного объективов. Если ввести свет в противоположный торец волокна, то положение сердечника волокна можно видеть на ПЗС камере. При этом на торце волокна можно также наблюдать изображения выходных каналов голограммы (Рис. 7). Таким образом облегчается задача ввода света одиночного канала голограммы в одномодовое волокно. По этому волокну свет поступает в спектроанализатор Thorlabs OSA 202 с разрешением -10 пм. Спектральный отклик канала голограммы определяется как отношение измеренного спектра к входному спектру. Так как входной спектр СЛД намного шире чем спектральный отклик отдельного канала голограммы, делить на него не обязательно. Таким образом, сигнал, измеренный анализатором OSA 202, является спектральным откликом канала.

Рис. 6. Схема измерения спектрального отклика каналов голограммы

Граница оболочки волокна

Выходные каналы

Сердцевина волокна

Рис. 7. Отражение каналов голограммы от горца волокна, полученное при помощи ПЗС камеры

На Рис. 8 представлена схема двухполосного спектрометра с разрешением 0.15 нм и спектральным диапазоном 630-694; 766-850 нм. Свет вводится в чип при помощи модового конвертера с мелким травлением. Коэффициент ввода света из волокна 630НР составляет -20% для коротковолновой полосы и 19% для длинноволновой. После этого свет проходит через поляризатор, описанный в разделе 2.3.1 (коэффициент экстинкции >20 дБ). Благодаря изгибу канального волновода. ТМ-поляризованная компонента входного излучения, выпадающяя из волновода, попадает на противоположный выходному торец и, таким образом, не приводит к увеличению рассеянного света на торце с детектором. Чтобы ослабить отражение света от противоположного выходному торца на него наносится иммерсионная паста с коэффициентом преломления 1.5. После этого свет разделяется между голограммами при помощи направленного ответвителя так, что коротковолновая компонента спектра идет в основном на соответствующую ей голограмму. От каждого из волноводов, направляющих свет на голограмму, ответвляется небольшая часть света при помощи направленного ответвителя в калибровочный канал. Сигнал в этом канале используется для определения коэффициента отражения от голограммы и для юстировки детектора.

Цифровая голограмма

ответвитель

Выходные каналы

Волокно

Направленный

Поляризатор

Капибровочныи

Рис. 8. Схема оптического чипа двухполосиого спектрометра с одной глубиной травления

На Рис. 9 приведены результаты тестирования прибора. На Рис. 9а представлена фотография прибора сверху в оптический микроскоп при подаче на вход прибора излучения лазерного диода. Отметим, что большая часть света распространяется внутри чипа, а микроскопом захватывается только свет, рассеиваемый на неоднородностях волновода и на структуре голограммы. На фотографии можно видеть, как свет распространяется по волноводам и отражается от голограммы. Можно также видеть, что за счет использования направленного ответвителя большая часть излучения лазера попадает на соответствующую ей ближнюю ко входу, коротковолновую голограмму. На Рис. 96 показан отклик голограммы на излучение He-Ne лазера. При это видно, что светится только один канал голограммы и величина перекрестных помех в соседних каналах не

превышает 10%. На Рис. 9г представлена дисперсионная кривая прибора. Дисперсионная кривая прибора состоит из двух частей, каждая из которых линейна в пространстве волновых векторов с точностью лучше, чем 20% от межканального расстояния.

К, мкм

О 10 20 30

—Интенсивност»

и.,.,

632 2 632 л 632.6 632.8 633 0 633.2 633 Л Длина волны, мм

ЦП г

Выходной канал

Входной лазер

Калибровочные -каналы

Длина волны лазера, мм

в)

320 330 МО 350

Номер канала

Номер канала

Рис. 9. я) Оптическая фотография прибора с введенным в него излучением лазерного диода с длиной волны 660 нм в ТЕ поляризации, б) Изображение и профиль отклика голограммы на излучение Не№ лазера, в) Отклик прибора на 6 различных длин волн, испускаемых перестраиваемым лазером с Р\\'ММ (полная ширина на полувысоте) -0.15 нм. г) Кривая дисперсии прибора

В четвертой главе приведено описание предложенной конструкции спектрометра для мониторинга лазерного света на основе комбинации спектрометра на чипе с массивом интерферометров Маха-Цендера. Схема прибора приведена на Рис. 10. Основные параметры, описывающие спектральную линию лазера - это длина волны и её 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 большой шириной спектрального диапазона и высоким спектральным разрешением, присутствующий в традиционных спектрометрах.

Интерференционная Выходной канал Калибровочный картина голограммы канал

Рис. 10. Схема прибора для мониторинга лазерного света

Голограмма в данном приборе имела спектральное разрешение 0.15 нм и спектральный диапазон 719-861 нм (для двух поляризаций). Спектральный отклик первых 15 каналов показан на Рис. 11. Средняя Р\УНМ кривой отклика составляет -145 пм для ТЕ поляризации и -130 пм для ТМ поляризации. Этот результат совпадает с расчетным значением (145 пм для ТЕ поляризованного излучения). Из рисунка также видно, что расстояние между сигналами в одном и том же канале для разных поляризаций составляет ~45 нм в пространстве длин волн.

а) б)

Рис. 11. Нормализованный спектральный отклик первых 15 каналов, а) ТМ поляризация б) ТЕ поляризация

Для демонстрации работы массива интерферометров, были измерены спектры лазерного диода с брэгговской решёткой. Спектр данного лазера весьма узкий (~1 МГц). Однако, из-за изменений во внешней температуре, время от времени возникает двумодовый режим (Рис. 12а). Расстояние между модами (23 пм) много меньше разрешения ЦПГ (145 пм). что делает невозможным различить эти два режима при помощи одной только голограммы. Однако, эта разница между этими режимами очевидна из сигналов интерферометров (Рис. 12). Из рисунка видно, что для одномодового режима видности всех трёх сигналов близки к 1. В случае двумодового режима, однако, все видности уменьшаются. Видность интерференционной картины на выходе интерферометра с наибольшей разностью

оптических путей (АЛ = — = 20 пм) больше, чем у следующего по длине, т.к. его разность хода кратна длине когерентности, соответствующей данному расстоянию между модами.

а) б)

| — ОдномоАо ¿5 ПМ г «I, — Двумодсв

,: ! ;

Г19.6 7/9.7 779.8

Длина волны, нм

X, мкм

X, мкм

Рне. 12. а) Спектр, измеренный спектроанализатором (разрешение одномодового и двумодового режима лазера с ВНР б), в), г) Интерфере картина на выходе интерферометров с А).=20, 60, 180 соответственно, кривая соответсвует профилю интенсивности одномодового режима, профилю интенсиности двумодового режима.

II) 1IM) иционная Красная Сипим -

Для расчета видности интерференционной картины сигнал апроксимировался кривой

у(х) = Аех р

2*1с2

1 Г 2л-(дг-дг„)

—+ соэ —1-—

V I Т

(3)

где А, хс, х„, и; V, Т- параметры, и параметр V соответствует видности интерференционной картины. Неточность в измерении темнового тока может привести к появлению значений видности несколько больше 1. Измеренные видности согласуются с расчетом (см. Табл. 1.).

Табл. 1. Сравнение междл измеренными и рассчитанными видностямн интерференционной картины, в предположении узости отдельной спектральной моды

Интерферометр Одномодовын Двумодовый

Расчет Эксперимент Расчет Эксперимент

Д).=20 нм 1 0.99 0.94 0.92

АХ=60 нм 1 1.02 0.38 0.39

АХ.=180 нм 1 0.98 0.92 0.87

Основные результаты и выводы

Основные научные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы состоят в следующем:

1. Изложена методика генерации цифровых планарных голограмм (ЦПГ) и установлены основные ограничения, накладываемые на параметры спектроанализирующих приборов на основе ЦПГ. Показано, что улучшения спектрального разрешения голограммы можно добиться только за счет увеличения спектрального диапазона или фактора проксимити. Установлено, что расширение спектрального диапазона и увеличение фактора проксимити приводят к увеличению потерь на рассеяние на структурах голограммы. Предложен и экспериментально подтверждён метод для оценки этих потерь.

2. Экспериментально установлен диапазон длин волн, достижимый для измерений с помощью ЦПГ спектрометров на основе планарных волноводов с волноводным слоем.

3. Разработана общая концепция интегрально-оптической системы подвода света к спектральной голограмме. Рассмотрены способы повышения эффективности ввода света при сопряжении одномодовых оптоволкон и одномодовых планарных волноводов.Расчётно-теоретически и экспериментально показано, что при умеренных глубинах травления канальных волноводов использование обычного тейпированного волновода на входе в чип обеспечивает эффективность ввода света до -20%. Для приборов с глубоким травлением волноводов предложен и расчитан «инвертированный тейпер». Показано, что при его использовании эффективность ввода света в планарный волновода может достигать-90%. Экспериментально измеренная эффективность составила -53%.

4. Рассмотрены способы управления состоянием поляризации в ЦПГ-приборах. Для приборов с одной глубиной травления предложена конструкция поляризатора, основанная на конверсии поляризаций в волноводах с мелким травлением. Расчёты и эксперименты свидетельствуют о работоспособности поляризаторов в широком диапазоне длин волн. Разработана и экспериментально испытана конструкция устойчивого к погрешностям изготовления поляризатора.

5. Описана методика изготовления спектроанализирующих ЦПГ-чипов и результаты измерений их параметров. Созданы экспериментальные стенды и разработаны методы для тестирования и калибровок ЦПГ чипов и спектрометров на их основе.

6. Изготовлены и протестированы два спектрометра: двухполосный (спектральный диапазон 630-694, 766-850 нм; разрешение 0.16 нм) и широкополосный (спектральный диапазон 550-800 нм; разрешение 0.2 нм).

Показано, что дисперсионная кривая спектрометров с высокой точностью линейна в пространстве волновых чисел. Измерена температурная зависимость показаний приборов. Показано, что при помощи измерений температуры детектора эта зависимость может быть эффективно компенсирована.

7. Предложена концепция спектрометра для мониторинга лазерного света на основе комбинации ЦПГ-спектрометра и массива интерферометров Юнга. Изготовлен ЦПГ-спектрометр, дополненный массивом интерферометров Юнга. Показано, что для спектральных линий с шириной больше 6 пм прибор обеспечивает точность определения ширины порядка 10% и точность положения линии -1.5 пм.

Список литературы

[1] D. Psaltis, S. R. Quake, and C. Yang, "Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics.," Nature, vol. 442, no. 7101, pp. 381-6, (2006).

[2] S.-W. Wang, X. Chen, W. Lu. L. Wang, Y. Wu, and Z. Wang, "Integrated optical filter arrays fabricated by using the combinatorial etching technique.," Optics letters, vol. 31, no. 3, pp. 332^1, (2006).

[3] Y. Barbarin, X. J. M. Leijtens, E. a. J. M. Bente, C. M. Louzao, J. R. Kooiman, and M. K. Smit, "Extremely Small AWG Demultiplexer Fabricated on InP by Using a Double-Etch Process," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 16, no. 11, pp. 2478-2480, (2004).

[4] X. Ma, M. Li, and J.-J. He, "CMOS-Compatible Integrated Spectrometer Based on Echelle Diffraction Grating and MSM Photodetector Array," IEEE Photonics Journal, vol. 5, no. 2, (2013).

[5] C. Peroz, a. Goltsov, S. Dhuey, P. Sasorov, B. Harteneck, I. Ivonin, S. Kopyatev, S. Cabrini, S. Babin, and V. Yankov, "High-Resolution Spectrometer-on-Chip Based on Digital Planar Holography," IEEE Photonics Journal, vol. 3, no. 5, pp. 888-896, (2011).

[6] V. D. Nguyen, B. I. Akca, K. Worhoff, R. M. de Ridder, M. Pollnau, T. G. van Leeuvven, and J. Kalkman, "Spectral domain optical coherence tomography imaging with an integrated optics spectrometer.," Optics letters, vol. 36, no. 7, pp. 1293-5, (2011).

[7] G. Z. Xiao, P. Zhao, F. G. Sun, Z. G. Lu, Z. Zhang, and C. P. Grover, "Interrogating fiber Bragg grating sensors by thermally scanning a demultiplexer based on arrayed waveguide gratings.," Optics letters, vol. 29, no. 19, pp. 2222—4, (2004).

[8] H. Uetsuka, "AWG Technologies for Dense WDM Applications," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 10, no. 2, pp. 393^102, (2004).

[9] J. Hubner and T. Anhoj, "Surface enhanced Raman spectroscopy on chip," Eleventh International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, pp. 1071-1073, (2008).

[10] K. Cottier, M. Wiki, G. Voirin, H. Gao, and R. E. Kunz, "Label-free highly sensitive detection of (small) molecules by wavelength interrogation of integrated optical chips," Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 91, no. 1-3, pp. 241-251, (2003).

Список работ автора по теме диссертации

Al. A. Koshelev. G. Calafiore, С. Peroz, S. Cabrini, P. Sasorov, A. Goltsov, V. Yankov, and S. Dhuey, "Combination of a spectrometer-on-chip and an array of Young's interferometers for laser spectrum monitoring", Optics Letters, Vol. 39, Issue 19, pp. 5645-5648 (2014).

A2. C. Pina-Hernandez, A. Koshelev. L. Digianantonio, S. Dhuey, A. Polyakov, G. Calafiore, A. Goltsov, V. Yankov, S. Babin, S. Cabrini, C. Peroz, "Printable planar lightwave circuits with a high refractive index", Nanotechnology 25 325302 (2014).

A3. G. Calafiore , A. Koshelev. S. Dhuey, A. Goltsov, P. Sasorov, S. Babin, V. Yankov, S. Cabrini and C. Peroz, "Holographic planar lightwave circuit for on-chip spectroscopy" Light Sci. Appl. 3, e203 (2014).

A4. А.Ю. Кошелев. А.Ю. Гольцов, "Устойчивый к погрешностям изготовления интегральный поляризационный делитель на основе каскада интерферометров Маха-Цендера", Квант, электроника, 2013,43(12), 11541158.

А5. С. Calo, V. Lacatena, S. D. Dhuey, S. Cabrini, S. Babin, C. Peroz, A. Koshelev. I. Ivonin, A. Goltsov, and V. Yankov, "Fabrication of digital planar holograms into high refractive index waveguide core for spectroscopy-on-chip applications," J. Vac. Sci. Technol. B30, 06FE01 (2012).

A6. C. Peroz, C. Calo, A. Goltsov, S. Dhuey, A. Koshelev. P. Sasorov, I. Ivonin, S. Babin, S. Cabrini, and V. Yankov, "Multiband wavelength demultiplexer based on digital planar holography for on-chip spectroscopy applications," Opt. Lett. 37, 695-697(2012).

A7. A. Bugrov, C. Peroz, S. Dhuey, A. Goltsov, C. Calo, I. Ivonin, A. Koshelev. P. Sasorov, S. Cabrini, S. Babin, and V. Yankov, "High Resolution Digital Spectrometers-on-Chip," in Conference on Lasers and Electro-Optics 2012, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2012), paper JTh2A.49.

A8. V. Svetikov, I. Ivonin, A. Koshelev. et al., "Suppression of lateral modes in wide aperture laser diodes by digital planar holograms", Proc. SPIE 7918, 79180P (2011).

Подписано в печать 14.10.2014г. Бумага офсетная. Печать цифровая. Заказ № 114 Тираж 100 экз. Типография «КОПИЦЕНТР» 119234, г. Москва, Ломоносовский пр-т, д.20 Тел. 8 (495) 213-88-17