Микроволноводный оптический интерферометр Юнга для сенсорных систем Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.383

МИКРОВОЛНОВОДНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ЮНГА ДЛЯ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ

Михаил Михайлович Векшин

Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптоэлектроники, тел. (861)219-95-66, e-mail: [email protected]

Валерий Александрович Никитин

Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, кандидат технических наук, профессор кафедры оптоэлектроники, тел. (861)219-95-66, e-mail: [email protected]

Николай Андреевич Яковенко

Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, доктор технических наук, зав. кафедрой оптоэлектроники, тел. (861)219-95-65, e-mail: [email protected]

Андрей Дмитриевич Кузьменко

Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, магистрант кафедры оптоэлектроники, тел. (861)219-95-66, e-mail: [email protected]

Разработан, изготовлен и исследован двулучевой интегрально-оптический полностью монолитный интерферометр Юнга для датчиков химико-биологических реагентов и взаимодействий.

Ключевые слова: интегральная оптика, ионный обмен в стекле, оптические датчики. INTEGRATED-OPTIC YOUNG INTERFEROMETER FOR SENSOR SYSTEMS Mikhail M. Vekshin

Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropolskaya St., associate professor of Optoelectronics Department, tel. (861)219-95-66, e-mail: [email protected]

Valery A. Nikitin

Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropolskaya St., professor of Optoelectronics Department, tel. (861)219-95-66, e-mail: [email protected]

Nickolay A. Yakovenko

Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropolskaya St., Ph. D., head of Optoelectronics Department, tel. (861)219-95 65, e-mail: [email protected]

Andrey D. Kuzmenko

Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropolskaya St., master student of Optoelectronics Department, tel. (861)219-95 65, e-mail: [email protected]

Two-beam integrated-optic fully monolithic interferometer for chemo-biological components and interactions has been designed, fabricated and studied.

Key words: integrated optics, ion exchange in glass, optical sensors.

Для создания высокочувствительной сенсорной системы с целью регистрации концентраций химико-биологических компонентов и взаимодействий может быть использован интегрально-оптический вариант интерферометра Юнга на основе ионообменных волноводов в стекле. В одном из вариантов своего построения сенсор представляет собой двулучевой волноводный интерферометр, в котором оптические волны на выходе обоих плеч интерферометра выводятся в широкий планарный волновод (рис. 1). Таким образом, на выходном торце интегрально-оптической схемы формируется интерференционная картина. Возможность влияния на разность хода оптического излучения между плечами интерферометра может быть использована для создания химико-биологического сенсора рефрактометрического типа. Конструкция интерферометра была впервые предложена в работе [1].

ПЗС-камера

Рис. 1. Модифицированная схема датчика на основе волноводного интерферометра Юнга с выходным планарным волноводом

Целью работы является создание и исследование интегрально-оптического интерферометра Юнга в стекле К-8, полученного путем ионного обмена Ыа+.

В одном из выходных плеч интерферометра формируется область взаимодействия исследуемого вещества (раствора или газа) со специально подготовленной поверхностью волновода. Изменение показателя преломления покровной среды в этом плече интерферометра приводит к изменению разности фаз между интерферирующими волнами, что приводит к смещению полос интерференционной картины, имеющей некоторый период р. Путем Фурье-анализа интерференционной картины определяют этот сдвиг фазы, и по нему находят величину изменения показателя преломления покровной среды. Сдвиг полос интерференционной картины на некоторую величину Д. будет зафиксирован с помощью фотоприемной ПЗС-матрицы, пристыкованной к торцу интегрально-оптической схемы. Оптическая часть конструкции является интегральной, со всеми вытекающими из этого достоинствами, очень важными для обработки интерференционной картины, в первую очередь большей устойчивостью к воздействию различных паразитных вибраций и т.д.

Для разработки фотошаблона схемы использовались параметры одномодо-вых волноводов, полученных путем обмена К+<-^Ыа+ в стекле К-8. Приращение показателя преломления волновода относительно стеклянной подложки равно

0.0072, рабочая длина волны 0.63 мкм. Показатель преломления покровного слоя в активной области сенсора - 1.33-1.37, в остальной области (защитный слой тефлона) - 1.3. Основные задачи расчета оптимальной топологии схемы сводились к расчету энергетических потерь во входном разветвителе (от этого параметра зависит требуемая чувствительность электронной фотоприемной системы) и построению интерференционной картины взаимодействия направленных волн.

Для достижения наибольшей чувствительности сенсора область взаимодействия должна быть максимальных геометрических размеров, которые ограничиваются лишь технологическими факторами. В соответствии с расчетами, для изготовления волноводной схемы проект фотошаблон был построен со следующими параметрами: общая длина всей схемы - 40 мм; угол разветвления волноводов Y-разветвителя - 0,8°; угол наклона выходных канальных волноводов - 0,1°; длина планарного волновода 5 мм; ширина планарного волновода -75 мкм. Ширина щелей в маске для проведения ионного обмена - 2 мкм. Для расчета параметров сенсора использовался метод распространяющегося пучка.

Фотошаблон для изготовления волноводного интерферометра был получен методом электронно-лучевой литографии. Волноводная схема была сформирована путем ионного обмена №+<-»К+ в оптическом стекле К-8, погруженном в расплав соли KNOз. Температура расплава соли - 380°С, время диффузии было экспериментально подобрано для формирования одномодовых каналов. Оно составило 80 минут.

Исследование изготовленного интерферометра проводилось на основе специального стенда для измерения характеристик элементов интегральной оптики. Были измерены эффективные размеры поля моды одномодовых каналов, которые составили при длине волны оптического излучения 0,63 мкм 4*6 мкм вдоль вертикальной и горизонтальной оси, соответственно. Доля мощности в покровной среде, взятая от мощности, переносимой всей волноводной модой, составила 0,012%. Представляется целесообразным повысить эту величину в области взаимодействия и в противоположном плече интерферометра за счет нанесения дополнительного высокопреломляющего тонкого слоя диэлектрического материала. Это приведет к увеличению чувствительности датчика.

На рис. 2 показана интерференционная картина с торца выходного планар-ного волновода. В качестве источника излучения использовался гелий-неоновый лазер ЛГН-208.

Рис. 2. Интерференционная картина на выходе планарного волновода

109

Таким образом, проведена разработка оптической схемы волноводного микрооптического сенсора на основе интерферометра Юнга, доведенная до стадии практического изготовления физической основы сенсора. Сенсоры на основе волноводных интерферометров Юнга обладают определенными преимуществами по сравнению с оптическими сенсорами на основе интерферометров Маха-Цендера, так как обладают более высокой чувствительностью и по сдвигу полос позволяют регистрировать направление изменения показателя преломления (в большую или меньшую сторону).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Helmers H., Greco P., Rustad R., Kherrat R., Bouvier G., Benech P. Performance of a compact, hybrid optical evanescent-wave sensor for chemical and biological applications// Applied Optics. 1996. - № 4. - P. 676-680.

© М. М. Векшин, В. А. Никитин, Н. А. Яковенко, А. Д. Кузьменко, 2015