Интегральный волноводные схемы для гетеродинного

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
ikz

(
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!