CC BY
12ВКВ0-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
ДИНАМИКА КРЕМНИЕВОЙ ТЕРМООПТИКИ В ИНТЕГРАЛЬНОМ МИКРОСПЕКТРОМЕТРЕ
Земцов Д.С.*, Смирнов А.С., Земцова А.К., Тазиев К.Р., Жигунов Д.М., Гарбузов К.Н., Косолобов С.С., Драчёв В.П.
Сколковский институт науки и технологий, г. Москва * E-mail: D.Zemtsov@skoltech.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-110-111
Термооптическое изменение показателя преломления- это самый популярный способ перестройки резонансной длины волны интегрально-оптического фильтра, например, кольцевого резонатора. Популярность интегральной термооптики обусловлена в первую очередь простотой изготовления и использования нагревателей на чипе по сравнению с альтернативными методами. Также сильной чертой кремниевой термооптики является диапазон изменения резонансной длины волны, который может составлять более десяти нанометров. Применение одиночного кольцевого резонатора для анализа сигнала, отраженного от волоконно-оптического датчика, на скоростях до 2 нм/мкс было продемонстрировано, например, в [1] при диапазоне сканирования около 8 нм. В нашей работе исследуется динамика и диапазон термооптичекой перестройки длины волны кольцевого резонатора в составе кремниевого интегрального микроспектрометра, предназначенного для измерения узкополосного спектра излучения, например, отраженного от волоконно-оптической решетки Брэгга.
Изготовленный по совместимой с металл-оксид-полупроводник (МОП) технологией [2] микроспектрометр представляет собой четырехканальную упорядоченную волноводную решетку (УВР), на входе которой расположены температурно перестраиваемые титановыми нагревателями кольцевые резонаторы. Область свободной дисперсии (ОСД) кольцевого резонатора соответствует спектральному расстоянию между центральными длинами волн каналов УВР, которое составляет 10 нм. Температурный сдвиг резонансных длин волн кольцевого резонатора происходит в каждом канале УВР, обеспечивая синхронное сканирование. Ввод и вывод излучения осуществляется равномерными дифракционными решетками неполного травления, которые в паре с линзованными волоконными зондами FormFactor LWP обеспечивают эффективность связи моды интегрального волновода с излучательной модой зонда более -3 дБ [2,3]. Решетки связаны с температурно перестраиваемыми кольцевыми резонаторами на входе микроспектрометра и с УВР на выходе.
Для исследования динамики термооптической перестройки кольцевых резонаторов на вход системы подавалось излучение лазерного модуля Thorlabs TLX1 с возможностью выбора длины волны в оптическом C-диапазоне. Длина волны лазера согласована с каналом УВР в окрестности 1539 нм. Сигнал на выходе системы детектировался при помощи фотодетектора Finisar XPDV2150R, радиочастотный выход которого в свою очередь был подключен к осциллографу Tektronix MDO3012. Управляющее напряжение подводилось к нагревателю резонатора при помощи модуля генерации сигналов произвольной формы Keysight B1531A, обеспечивающего длительность фронта импульса не более 10 нс.
В эксперименте использовалась конфигурация обращенного резонанса кольцевого фильтра, для которой характерен провал в спектре пропускания. При подаче на нагреватель прямоугольного импульса резонансная длина волны начинает перестраиваться из-за термооптического эффекта в кольцевом волноводе. Когда резонансная длина волны совпадает с лазерной, в интенсивности на выходе системы наблюдается острый минимум оптической мощности, регистрируемый при помощи фотодетектора на осциллографе. Проанализировав положение резонансного минимума по отношению к управляющему нагревом сигналу для различных длин волн лазера можно определить скорость и диапазон перестройки кольцевого резонатора. На рисунке 1 изображены результаты эксперимента по исследованию динамики и диапазона температурной перестройки кольцевого фильтра в составе интегрального микроспектрометра.
ВКВО-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
Время, мкс
Рис. 1. Управляющее напряжение и сигнал фотодетектора при перестройке кольцевого фильтра в составе интегрального микроспектрометра при различных длинах волн входного лазерного излучения
Напряжение на нагревателе, обозначенное черной кривой, представляет собой меандр с частотой следования 25 кГц и амплитудой 8 В. На каждой из четырех цветных кривых, соответствующих различным лазерным длинам волн, заметно по три провала, что означает, что лазерная линия была согласована с резонансом фильтра трижды при его нагреве. Это возможно лишь при диапазоне сканирования более 22 нм, принимая во внимание точные значения лазерных длин волн и ОСД резонатора. Минимумы, соответствующие моментам времени, когда лазерная линия и резонанс кольца согласованы, укладываются в интервал 10 мкс, что определяет минимальную среднюю скорость перестройки в 2.2 нм/мкс. Важно отметить, что за 10 мкс микроспектрометр осуществил троекратное измерение спектра входного сигнала, что с учетом измеренной симметричной динамики остывания соответствует измерению прибором спектров изучаемого оптического сигнала в среднем с частотой до 150 кГц. При этом скорость сканирования первой ОСД резонатора превышает 4 нм/мкс. Представленные экспериментальные данные согласуются с численным решением уравнения теплопроводности для параметризованной по экспериментальным данным модели.
Важно понимать, что информация о спектре входного сигнала нелинейно транслируется в сигнал на выходе спектрометра во временной области, который требуется измерять с высокой скоростью, чтобы обеспечить разрешение узкополосных спектральных компонент. Например, в этой работе при выборке со скоростью 2.5 Гвыб/с на лазерную линию приходилось около 80 точек. Проектирование компактного устройства, обеспечивающего синхронное аналого-цифровое преобразование на гигагерцовых частотах сигнала во всех четырех каналах микроспектрометра является актуальной инженерной задачей, как и алгоритм высокоскоростного извлечения спектра из результирующего цифрового сигнала.
Продемонстрированный в работе уникальный четырехканальный прибор способен измерять оптический спектр в диапазоне до 40 нм с частотами до 150 кГц. При этом скорость термооптической перестройки кольцевого резонатора оказывается в среднем не менее 2.2 нм/мкс, достигая значений в 4.2 нм/мкс в начальные моменты периодически повторяемого на частоте 25 кГц нагрева и остывания.
Литература
1. Kim H, et al, Opt. Lett. 42, 1305-1308 (2017)
2. Земцов Д., и др., Фот. Эксп. 6, 173-174 (2021)
3. Zemtsov D., et al, Opt. Lett. 47, 3339-3342 (2022)
