集成薄膜铌酸锂宽带光谱仪

时间:2019-11-29 10:25来源:中国光学期刊网作者:laserline 点击:
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光学光谱法是研究与波长相关的光与物质相互作用的一种工具,在天文学、物理学和化学中有着广泛的应用。光学光谱仪的小型化因对众多应用有着巨大的影响,是一个活跃的研究领域,特别是对于航空航天天光子传感应用,通过紧凑的集成来减小光谱仪的尺寸,重量和复杂性至关重要。近几十年来,人们研究了许多实现小型光谱仪的方法,包括基于微电子机械系统的器件、使用阵列波导光栅或微环谐振器的色散光谱仪和数字平面全息图。另一种主要用于红外光谱的光谱仪是傅里叶变换光谱仪(FTS)。在FTS中,光谱是从相应的干涉图中推导出来的,干涉图是由光信号与自身的时间或空间延迟的干涉形成的。不含任何移动部件的FTSs可以大致分为经典FTSs(测量时间干涉图)、空间外差光谱仪(SHS)或驻波积分傅里叶变换谱仪(SWIFTS)系统。在SWIFTS中,空间干涉图是由光信号的反向传播模式在波导中形成的。波导顶部的光学纳米采样器探测干涉图的消失场。这项技术使高分辨率光谱仪具有紧凑和稳健的设计。基于SWIFTS原理的集成光谱仪已经在包括硅、氮化硅、石英和聚合物在内的各种材料平台上进行了演示。然而,由于驻波模式不可避免地存在极低的采样率,根据奈奎斯特-香农准则,基于SWIFTS的器件在630–1100–nm波长下的可分辨带宽被限制在5–14 nm。已经有研究人员尝试通过多路复用,通过外部光路延迟,通过包括移动镜和使用板条波导来克服欠采样的问题。近年来,瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家研究了一端带有金属反射镜的大块铌酸锂(LN)中钛非扩散波导电光光谱仪的概念。由于折射率对比度较低(Δn≈0.02),光学模式在未扩散波导中受到弱限制,因此干涉图的采样具有挑战性,并且电光效率受到限制。近期瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家提出了一种基于混合薄膜铌酸锂-氮化硅(LN-SiN)平台的集成宽带FTS。该装置利用LN中的线性电光效应,在不需要任何运动或外部元件的情况下,获得完全采样的干涉图。LN-SiN平台允许严格的模式限制,从而提高电光效率,并实现紧凑的光子集成。在近红外和短波红外波段(近红外和短波红外)中,原型装置在500 nm的宽频带上实验验证了工作原理。在1550 nm波长下测得的5.5 nm光谱分辨率(对应于0.69 THz或22.9 cm-1的分辨率),分辨率是受器件设计影响,不受基本光谱原理的内在限制。线性扩展干涉图的采样长度可提高分辨率。因此,使用该技术可以实现低至皮米尺度的波长分辨率。

图1 宽带干涉图的电光采样。a,从两个输入面耦合到波导的宽带光在波导内形成一个固定的空间干涉图。波导顶部的EFS局部探测干涉图的近场。通过LN波导中的线性电光效应,利用外加电压控制反向传播模的相对相位φ。b,zOPD周围宽带干涉图(蓝色曲线)的放大图。黑线表示在没有外加电压的情况下,由EFSs的离散阵列探测的欠采样强度分布.c,电光引起的相对相位差使干涉图沿波导移动。EFS的静态阵列现在采样不同的强度分布。

 

集成电光FTS依赖于对单模波导中形成的驻波的检测。光信号在波导内反向传播,由此产生的驻波叠加干涉图由波导顶部的离散倏逝场采样器(EFSs)采样(示意图见图1a)。EFS通常是覆盖波导宽度的金属纳米线,它将一部分局部能量从倏逝场散射到可以探测到的远场。然而,为了实现奈奎斯特-香农采样定理,该定理保证离散采样不会因混叠而丢失光谱信息,EFS之间的间隔需要足够小。对于单色光,驻波周期由∧ = λ/2n给出,其中n是波长λ处导模的有效折射率。为避免欠采样所需的最大采样间隔为215nm(对于λ=1550 nm,n=1.8),其低于光学衍射极限。因此,间距为d = 3 μm的等间距EFS阵列对干涉图进行欠采样,可恢复的光谱带宽受到很大限制。这在图1b中示出,其中将分析干涉图(蓝色曲线;补充部分1)与欠采样干涉图(黑色曲线)进行比较,后者将从经典的驻波FTS获得,而无需文中提出的电光相移。科学家使用LN中的强电光效应来克服欠采样带来的带宽限制。借助于电光引起的折射率变化,反向传播模式的相位可以相对于彼此延迟。因此,通过不断增加模式之间的相位差,零光程差(zOPD)会沿着波导移动(图1c)。相反,这可以看作是将干涉图移动到EFS固定阵列下方,并且通过空间和时间采样的组合获得完整的干涉图。为了与使用迈克尔逊干涉仪的经典FTS进行类比,通过观察单个EFS的采样强度并同时改变OPD,可以在该EFS的位置获得时间干涉图。但是,用覆盖波导总长度L的等距EFS阵列对干涉图进行采样是有益的。对于N个EFS 和固定的总相位差,干涉图是在OPD上采样的,在大于单个EFS N倍的OPD上对干涉图进行采样,导致光谱分辨率增加N倍。傅里叶变换光谱法中的光谱分辨率由取样干涉图的长度决定,定义为R = λ/Δλ = nL/λ,其中,L是围绕zOPD的对称干涉图。因此,该空间采样原理本质上不受分辨率限制。L的增加线性地转化为光谱分辨率的提高。


图2  电光LN波导光谱仪。带有金电极的闭环LN–SiN波导结构的光学显微镜图像。由EFSs阵列(黑色虚线矩形)采样的强度由焦平面阵列探测器(FPA)从顶部监测。为了得到研究的结果,使用了一个1厘米长的电极装置。然而,为了便于说明,在该图中显示了较短的设备。b,SiN–LN脊形波导输入的扫描电子显微镜(SEM)图像。c,波导-电极配置的横截面示意图。TE基模和电场分布(蓝色箭头)叠加。d,波导顶部的四个铂金EFS的扫描电镜图像。e,f,不同外加电压下1550 nm处欠采样干涉图的图像。由87个EFS阵列探测的强度模式会随着电压的变化沿波导方向移动。

 

对于集成电光FTS,选择了一种混合LN-SiN平台。采用电子束光刻(EBL)和反应离子刻蚀(RIE)技术,在300纳米x切LN薄膜上制备了1300纳米宽、200纳米厚的SiN脊波导。闭环波导结构的光学显微镜图像如图2a所示。光从单个输入(图2b)分开并通过两个平行臂传播,每个平行臂都被金电极紧密包围。通过标准的金属溅射工艺将金电极制造在脊形波导附近(电极与波导之间的距离为3μm)。选择LN薄膜的晶体取向,使晶体Z轴经历最大的电光效应,与外部电场对准。电极以推挽配置连接到电压源(参见图2a中的+和-符号)。在这种配置中,由于电场的方向相反,施加的电压在闭环电路的两个臂中感应出相反的相位差。在图2c中,1550 nm(n = 1.8)处的模拟TE基模和外部电场与波导电极结构的横截面叠加。在这个相位控制区域之后,波导被重新组合成一个直线段(L = 250 μm),其中干涉图围绕中心对称地形成,即zOPD。沿该干涉区,87个间距为d = 3 μm的EFS以铂沉积模式由聚焦离子束(FIB)工具沉积在波导顶部(图2d)。这些15-20nm厚的金属条纹的宽度为60 nm,小于SWIR中波长的驻波周期(对于1550 nm的耦合波长,驻波周期约为400 nm)。实验测量了1550 nm波长下单个EFS的散射效率为波导中局域功率的0.36%。对于宽带应用,光信号的相关光谱信息,即干涉图的主瓣通常位于zOPD周围的几微米范围内(图1b)。因此,与使用反射或共传播光谱仪的设备相比,闭环设计提供了一个优势,在这些设备中,纳米采样器无法测量到接近zOPD的区域。此外,所选择的混合LN-SiN波导平台具有多种优点。由于LN薄膜和SiN脊的亚波长尺寸,使得光学模式受到严格限制,从而可以让电极间距很小,提高了电光效率。

图3 单色和双波长测量。a,在1550 nm处,在250 μm的总OPD上,对单色源进行实验采样的干涉图。通过拼接来自87个EFS的采样强度可获得完整的干涉图。b,对于在1550 nm和1040 nm处进行单色照明的zOPD周围测得的干涉图的放大视图。不同EFS采样的干涉图部分以灰色和白色突出显示。c,在1550 nm和1040 nm处测量的重建光谱。FT,傅立叶变换。d,e,两个同时耦合的光源1480 nm和1550 nm(d)和1540 nm和1550 nm(e),以及zOPD周围的放大图。对于所有测量的干涉图,可以看到OPD为-120 µm时EFS出现故障。f,g,从d和e中的双波长干涉图重建傅立叶变换光谱。

 

使用透镜光纤将波长为1550 nm的单色光耦合到波导中。从顶部通过物镜和FPA监控EFS的采样强度模式。图2e显示了在5 V电压下采样的强度模式图像。驻波的极端欠采样表现为周期性模式的出现,周期约为7 个EFSs(~20 μm),这与实际驻波周期(预计约为400 nm)有很大偏差。通过逐渐改变外加电压并同时观察EFSs,在zOPD的进行位置记录采样的干涉图。因此,空间采样率不再由EFSs的间距给出,而是由电压增量给出。如图2f所示,在6.4 V下拍摄的图像说明了这种干涉图偏移。通过提取作为电压函数的单个EFS的采样强度,可以在EFS的位置周围部分获取驻波。被覆盖的OPD与电压成线性关系,因此一个EFS就足以对干涉图进行采样。然而,由于希望中等电压完成测试,所以使用等距采样阵列。实验发现,对于给定的电极设计和3μm的采样间隔,需要约20 V的电压差才能将干涉图的特定点从一个采样器转移到另一个采样器。通过使用散射效率对每个采样器进行归一化,将各个EFS的驻波缝合在一起,以获得覆盖总OPD为87×3μm的干涉图(图3a)。图3b中 zOPD周围的放大图显示了过采样的驻波。对于1040 nm处的单色源,重复相同的步骤,并且图3b中的橙色曲线描绘了相应的测量驻波。实验结果表明,该装置能够在500 nm的带宽范围内对驻波信号进行完全采样。通过傅里叶变换采样的干涉图,恢复驻波的空间频率,然后通过考虑波导色散将其转换为波长(图3c)。图3c中的光谱中的旁瓣在空间频率上是等距的,其产生于拼接过程的缺陷。这引入了频率约为1/3μm-1的周期性失真,导致由于光学频率的混合项而产生的旁瓣。单色测量用于通过提取精确的采样器间距并因此通过微调电压与OPD的关系来校准设备。为了测试校准后的装置并证明在宽光谱范围内同时检测波长,将两种不同的单色光源组合在透镜光纤中并耦合到波导。不同波长的空间干涉图根据波长差显示一个跳动包络。图3d,e显示了1480 nm和1550 nm以及1540 nm和1550 nm的检索到的干涉图。在图3f,g中绘制了相应的光谱图。采样的干涉图仅通过利用对单个EFS的散射效率进行归一化,通过干涉图的插值和通过校正波导色散进行处理。没有进行进一步的数字信号处理技术,如补零,变迹或相位误差的校正。

 

图4:宽带频谱。a,SLED宽带光信号的测量干涉图(中心波长,1,555 nm;半峰全宽(FWHM),50 nm)。插图以橙色突出显示,是zOPD周围区域的放大图。黑色曲线是分析计算出的干涉图。b,在干涉的重构光谱(红色曲线)与来自光学频谱分析仪(黑色曲线)的参考光谱进行比较。c,相同的宽带光源用带通滤波器(FWHM,12纳米)滤波使光谱变窄的空间干涉图。插图更详细地显示了突出显示的区域,黑色曲线再次是分析干涉图。d,重建带通滤波后的SLED的窄带光谱(蓝色曲线)以及参考测量值(黑色曲线)。

 

研究人员还使用中心波长为1555nm、3dB带宽为50nm的宽带非相干超辐射发光二极管(SLED)测试了该设备。通过叠加单色驻波来计算分析干涉图,每个驻波都用其各自的光信号比例加权。一般来说,可以确定较宽的光谱会导致较窄的空间干涉图,因此对zOPD周围区域进行采样至关重要。实验获得的裸SLED的干涉图如图4a所示,干涉图的主瓣距zOPD的每一侧仅约10μm。在检测到的干涉图中,zOPD的轻微偏移很可能是由于制造缺陷引起的闭环光谱仪的轻微不平衡造成的。与SLED光谱相关的分析计算的干涉图以黑色显示,如图4a的插图所示。在考虑到单色校准的情况下,傅里叶变换提取光信号的光谱连同用光谱分析仪记录的参考测量如图4b所示。通过使用带通滤波器(中心1550nm;带宽12nm)缩小SLED的光谱,证明了光谱带宽与干涉图宽度之间的逆关系。图4c,d显示了测量的干涉图和相应的光谱。尽管实验光谱在波长和整体形状上都适合参考光谱,但是可以看到轻微的偏差。这些很可能是所检测干涉图的有限长度的伪影。在图4c中,探测的OPD不足以使干涉图衰减到零,从而导致频谱中的旁瓣。相关内容以《An integrated broadband spectrometer on thin-film lithium niobate》为题发表在《Nature Photonics》杂志上。

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