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

ОБЩАЯ СХЕМА СПЕКТРОМЕТРА LO LO-WG coupler signal-WG coupler signal WG-WG coupler Antenna Detector Волноводный coupler Устройство эффективного ввода в волноводы излучения LO и некогерентного излучения Антенна/резонатор для детектора

MID-IR МАТЕРИАЛЫ (с-Si,c-Ge,GaAs) Материалnα, 1/мм c-Si c-Ge4.004 (λ=10.5um)0.017 (λ=10.0 um) (λ=10.9 um) GaAs (λ=10.3um) (λ=11.3um) InP3.038 (λ=10.33um)0.276 (λ=12.0 um) (λ=10.64um)0.368 (λ=10.64 um)

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 (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 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. При в 1-м волноводе.

DIRECTIONAL COUPLER Двухмодовые волноводы: LO signal detector

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!