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 см ³ 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 10 ⁶ . 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' 10 ⁵ и выше. При этом размер прибора не превышает 1 см ³ .

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 Si0 ₂ - (Si0 ₂ +Ge) - Si0 ₂ на стандартной кремниевой подложке, применяемой в полупроводниковой промышленности для производства микрочипов . Средний слой (Si0 ₂ +Ge) трёхслойной структуры планарного волновода (кор) имеет показатель преломления, превосходящий показатели преломления слоёв Si0 ₂ (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 а ¹ , 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 Si0 ₂ 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)