Брэгговский кольцевой резонатор

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Гончаренко Игорь Андреевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Брэгговский кольцевой резонатор, содержащий расположенную на подложке первую резонаторную структуру, представляющую собой, по меньшей мере, две брэгговские решетки, между которыми расположен замкнутый направляющий канал, отличающийся тем, что содержит светодиод, вторую, аналогичную первой, резонаторную структуру, оптически связанную через входной волновод со светодиодом, а через промежуточный волновод - с первой резонаторной структурой, оптически связанной с выходным волноводом, причем оптические длины первой и второй резонаторных структур выбраны из условия обеспечения смещения их собственных резонансных полос пропусканияотносительно друг друга на величину,равную /4, при этом под волноводами расположены буферные слои. 2. Резонатор по п. 1, отличающийся тем, что резонансные структуры и волноводы выполнены одномодовыми. 12677 1 2009.12.30 Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при построении высокочувствительных сенсоров концентрации газов, примесей в жидкостях и т.д. Известен сенсор 1, содержащий оптически последовательно связанные перестраиваемый лазер, оптическое входное волокно, конический наконечник, полосовой волновод,модовый конвертер, щелевой волновод, замкнутый в кольцо, которые располагаются на подложке, имеющей тепловой контакт с термостатом. Данное устройство имеет низкую достоверность и надежность работы в широком диапазоне температуры окружающей среды, т.к. основной исследуемый параметр (показатель преломления измеряемой жидкости), а также косвенный параметр (спектр пропускания щелевого волновода) зависят от изменения температуры и других параметров устройства. Наиболее близким по технической сущности является брэгговский кольцевой резонатор 2, который содержит полупроводниковую структуру, состоящую из двух брэгговских решеток, расположенных на подложке, направляющего (щелевого) канала,расположенного между ними, причем период брэгговских решеток или их показатель преломления непостоянны в пространстве, а направляющий канал замкнут. Устройство не обладает достаточной достоверностью и надежностью работы из-за изменения оптических свойств направляющего канала в диапазоне температур от -60 до 50 С. Техническая задача - повышение достоверности и надежности работы брэгговского кольцевого резонатора в диапазоне температур от -60 до 50 С. Поставленная техническая задача достигается тем, что брэгговский кольцевой резонатор, содержащий расположенные на подложке первую резонаторную структуру, представляющую собой, по меньшей мере, две брэгговские решетки, между которыми расположен первый замкнутый направляющий канал, содержит светодиод, вторую, аналогичную первой, резонаторную структуру, оптически связанную через входной волновод со светодиодом, а через промежуточный волновод - с первой резонаторной структурой,оптически связанной с выходным волноводом, причем оптические длины первой и второй резонаторных структур выбраны из условия обеспечения смещения их собственных резонансных полос пропусканияотносительно друг друга на величину, равную /4, при этом под волноводами расположены буферные слои. Для эффективного решения поставленной технической задачи резонансные структуры и все волноводы выполнены одномодовыми. В предлагаемом изобретении совокупность указанных признаков позволяет обеспечить стабилизацию светопропускания устройства (от входного к выходному волноводу) в диапазоне изменения температуры от -60 до 50 С за счет компенсации изменений оптических свойств первой и второй резонаторных структур в указанном температурном диапазоне. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2, где 1 - светодиод,2 - входной волновод,3 - второй замкнутый направляющий канал,4, 5, 7, 9 - брэгговские решетки,6 - промежуточный волновод,8 - первый замкнутый направляющий канал,10 - выходной волновод,11 - подложка,12 - первая резонаторная структура,13 - вторая резонаторная структура,14 - буферные слои. На фиг. 2 приведен разрез предлагаемого устройства. 12677 1 2009.12.30 В заявленном устройстве светодиод 1 через входной волновод 2 оптически соединен со вторым замкнутым направляющим каналом 3, который через промежуточный волновод 6 оптически связан с первым замкнутым направляющим каналом 8, оптически соединенным с выходным волноводом 10. С двух сторон первого 8 и второго 3 замкнутых направляющих каналов размещены брэгговские решетки соответственно 7 и 9, которые составляют первую резонаторную структуру 12, а брэгговские решетки 4 и 5 - вторую резонаторную структуру 13. Буферные слои 14 расположены между всеми волноводами 2, 6,10 и первым 8 и вторым 3 замкнутыми направляющими каналами. В конкретном исполнении светодиод 1 - это бескорпусный светодиод ЗЛ 142 А-4, кристаллодержатель которого размещается на подложке 11. Входной 2, промежуточный 6 и выходной 10 волноводы - это планарные волноводы шириной 0,5 мкм, толщиной 0,3 мкм,выполненные из кремния на буферном слое 14 диэлектрика - 2. Первый 8 и второй 3 замкнутые направляющие каналы - это воздушные зазоры шириной 0,1 мкм между брэгговскими решетками соответственно 7, 9 и 4, 5. Брэгговские решетки 7, 9 и 4, 5 - это наборы кольцеобразных выступов из , заполненные в промежутках диэлектриком 2(фиг. 2, проекция А-А). Пространственный период расположения указанных выступов примерно 0,2 мкм и соответствует используемому источнику излучения - светодиоду ЗЛ 142 А-4 с максимальной мощностью на длине волны 1,5 мкм. Подложка 11 - это стандартная пластина высокоомного кремния толщиной 0,5 мм. Коэффициент оптической связи между волноводами устройства 2, 6, 10 и первым 8, вторым 3 замкнутыми направляющими каналами задается толщиной буферного слоя 14 (равной в нашем случае 0,2 мкм),выполненного из диэлектрика 2. Работает устройство следующим образом. В исходном состоянии все элементы устройства находятся при температуре окружающей среды Т 0. После подачи напряжения питания на светодиод 1 он начинает генерировать электромагнитное излучение ИК-диапазона с максимумом на длине волны 1,5 мкм, которое поступает во входной волновод 2. Часть этого излучения, соответствующая собственной резонансной длине волнывторого замкнутого направляющего канала 3, ответвляется в него. При прохождении электромагнитного излучения по второму замкнутому направляющему каналу 3 оно частично попадает в оптически связанный с ним промежуточный волновод 6. Так как собственные резонансные полосы пропускания первой 12 и второй 13 резонаторных структур в исходном состоянии смещены друг относительно друга на /4, то часть излучения из промежуточного волновода 6 попадает в первый замкнутый направляющий канал 8. Коэффициенты оптической связи первой 12 и второй 13 резонаторных структур с промежуточным волноводом 6 в исходном состоянии определяются длиной участков их оптического взаимодействия и расстоянием между указанными элементами, задаваемым толщиной буферного слоя 14. При изменении температуры окружающей среды от исходного значения Т 0 оптические свойства и геометрические размеры элементов первой 12 и второй 13 резонаторных структур изменяются совершенно идентично, т.к. они находятся на одной подложке 11 (в одинаковых условиях). Поэтому светопропускание двух оптически последовательно связанных первой 12 и второй 13 резонаторных структур не зависит от изменений температуры окружающей среды (так как их резонансные полосы пропускания сместятся сонаправленно на одну и ту же величину). Поэтому если первый замкнутый направляющий канал 8 окажется в исследуемой окружающей среде (жидкости или газе), то естественно, что его оптическая длина изменяется (так как исследуемое вещество заполнит первый замкнутый направляющий канал 8 и тем самым изменит его показатель преломления). Это приведет к смещению резонансной полосы пропускания первой резонаторной структуры 12 относительно резонансной полосы пропускания второй резонаторной структуры 13. В результате светопропускание всего устройства изменится. Изменение светопропускания устройства может использоваться для измерения истинных информационных оптических свойств исследуемой среды (например, показателя пре 3 12677 1 2009.12.30 ломления и т.д.). По известному коэффициенту преломления можно определить состав исследуемой среды, в которой оказался первый замкнутый направляющий канал 8. Источники информации 1. С , , В. , . . -.. - 2007. - . 32, . 21. - . 3080-3082. 2.. 7099549. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4