ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДНЫЕ СХЕМЫ ГЕТЕРОДИННОГО СПЕКТРОМЕТРА ДЛЯ СРЕДНЕГО ИК

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДНЫЕ СХЕМЫ ГЕТЕРОДИННОГО СПЕКТРОМЕТРА ДЛЯ СРЕДНЕГО ИК ДИАПАЗОНА Игнатов А. И. Лаборатория ИСПАВР (МФТИ)

ОБЩАЯ СХЕМА СПЕКТРОМЕТРА 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, Ga. As) Материал n α, 1/мм c-Si 3. 4214 0. 148 c-Ge 4. 004 (λ=10. 5 um) 0. 017 (λ=10. 0 um) 0. 015 (λ=10. 9 um) Ga. As 3. 2727 (λ=10. 3 um) 3. 2671 (λ=11. 3 um) 3. 038 (λ=10. 33 um) 0. 0009 0. 276 (λ=12. 0 um) 3. 215 (λ=10. 64 um) 0. 368 (λ=10. 64 um) In. P

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 Ge. Si-Si and Si-on-SO 2” // 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 1 мм x 1 мм) • 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 Ga. As на подложке из In. P 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 5 x 10 мм.

DIRECTIONAL COUPLER Симметричный DC: резонансное взаимодействие двух волноводов через ближнее поле. Четная и нечетная моды. При в 1 -м волноводе.

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 5 x 10 мм

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!