ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДНЫЕ СХЕМЫ ГЕТЕРОДИННОГО СПЕКТРОМЕТРА ДЛЯ СРЕДНЕГО ИК ДИАПАЗОНА Игнатов А.И. Лаборатория ИСПАВР (МФТИ) ОБЩАЯ СХЕМА СПЕКТРОМЕТРА signal signal-WG coupler WG-WG coupler LO-WG coupler Antenna Detector • Волноводный coupler • Устройство эффективного ввода в волноводы LO излучения LO и некогерентного излучения • Антенна/резонатор для детектора MID-IR МАТЕРИАЛЫ (с-Si,c-Ge,GaAs) Материал n α, 1/мм c-Si 3.4214 0.148 c-Ge 4.004 (λ=10.5um) 0.017 (λ=10.0 um) 0.015 (λ=10.9 um) GaAs 3.2727 (λ=10.3um) 3.2671 (λ=11.3um) 3.038 (λ=10.33um) 0.0009 0.276 (λ=12.0 um) Al0.14Ga 0.86 As 3.215 (λ=10.64um) 0.368 (λ=10.64 um) InP ВОЛНОВОДЫ Цели: • Малые потери в материалах. • Большое сечение, желательно много больше дифракционного пятна. • Одно- или двухмодовость, моды возбуждаются статистически независимо. • Отсутствие оболочечных мод. • Малые потери на изгибах. • Технологическое удобство изготовления, малая чувствительность к дефектам изготовления. ВОЛНОВОДЫ (ПОЛЫЙ) Плюсы: • Отсутствие потерь в коре. • Большая апертура. • Поле волновода с большой апертурой сконцентрировано в коре волновода – малое влияние потерь в оболочке. Минусы: • Принципиальная многомодовость волновода. • Все моды являются затухающими (однако, скорость их затухания существенно снижается с ростом размера сечения волновода). RIB-ВОЛНОВОДЫ Условие одномодовости (без учета поляризации) в приближении большого b: и . R.A. Soref, J. Schmidtchen, and K. Petermann “Large Single-Mode Rib Waveguides in GeSi-Si and Si-on-SO2” // IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS. VOL. 27. NO. 8. 1971 (1991). J. Xia, J. Yu, Y. Li, S. Chen “Single-mode condition for silicon rib waveguides with large cross sections” // Opt. Eng. Lett. 43(9) 1953–1954 (2004) RIB-ВОЛНОВОДЫ Плюсы: • Возможно создание волновода большого сечения при сохранении одномодовости. • Поле сконцентрировано в коре волновода – малое влияние потерь в подложке. • Базовые моды взаимно перпендикулярно поляризованы. Минусы: • Довольно большие потери на изгибах волновода. • Наличие оболочечных мод (которые, однако не локализованы вблизи кора волновода, но могут распространяться в плоскости подложки). ГЕТЕРОДИННЫЙ СПЕКТРОМЕТР НА ПОЛЫХ ВОЛНОВОДАХ Полые волноводы в стекло-керамическом материале Macor. Вариант, предложенный в работе D. Weidmann, B.J. Perrett et al. “Hollow waveguide photomixing for quantum cascade laser heterodyne spectro-radiometry” // OPTICS EXPRESS V. 19, No. 10, 9074 (2011). Плюсы: • Большая апертура волновода. • Относительно малые потери (на излучение наружу от волновода – около 0.3%/см при сечении волновода 1мм x 1мм) • Нет потерь на изгибах волноводов. Минусы: • Принципиальная многомодовость используемых волноводов. • Высокие требования к точности изготовления и установки делительной пластинки. ПРЕДЛАГАЕМАЯ НАМИ PIC СПЕКТРОМЕТРА • Для создания интегральной схемы предлагается использовать rib-волноводы из GaAs на подложке из InP либо rib-волноводы из c-Ge на подложке из c-Si. • Размеры сечения используемых двухмодовых rib-волноводов 15-20 um. • Для сведения полезного сигнала и излучения LO осциллятора в один волновод предлагается использовать directional coupler. • Размеры PIC – около 5x10 мм. DIRECTIONAL COUPLER Симметричный DC: резонансное взаимодействие двух волноводов через ближнее поле. Четная и нечетная моды. ike z 1 e 1 iko z ike z ikz ( z ) e e e e 1 (0) o e 1 o e o 2 2 2 1 2 2 При kL 1 ( L) o e 0 в 1-м волноводе. 2 DIRECTIONAL COUPLER Двухмодовые волноводы: detector signal LO ВВОД ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ РУПОР Работа рупора на примере волновода из Si на подложке из сапфира. Эффективность передачи энергии базовых мод – 96% ЭСКИЗ ПРЕДЛАГАЕМОЙ PIC Размеры порядка 5x10 мм СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!