PDF version - Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny

PDF version - Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny

ELEKTRYKA
Zeszyt 2 (234)
2015
Rok LXI
Artur SZEWCZUK, Marek BŁAHUT
Katedra Optoelektroniki, Politechnika Śląska w Gliwicach
MODEL CZUJNIKA ŚWIATŁOWODOWEGO NA BAZIE
WIELOMODOWYCH STRUKTUR INTERFERENCYJNYCH
Streszczenie. W pracy został zaprezentowany model czujnika światłowodowego na
bazie wielomodowych struktur interferencyjnych. Analizowano teoretycznie struktury
o gradientowym profilu współczynnika załamania uzyskanym w procesie wymiany
jonowej K-Na. Przeprowadzoną analizę wykonano opierając się na numerycznej
metodzie propagacji światła BPM (ang. beam propagation method). Otrzymane wyniki
wykazują, że zmiana parametrów pokrycia sekcji MMI prowadzi do zmiany natężenia
sygnału wyjściowego.
Słowa kluczowe: czujnik światłowodowy, optoelektronika, interferencja międzymodowa
MODEL OF WAVEGUIDE SENSOR BASED ON MULTIMODE
INTERFERENCE STRUCTURES
Summary. Model of sensor based on multimode interference structures is presented
in the paper. The gradient index waveguide structures obtained in the K-Na ion-exchange
process are analyzed theoretically. Analysis were carried out on the basis of a BPM
method (beam propagation method). The obtained results show that changes of MMI
section cladding parameters lead to changes in the output signal intensity.
Keywords: waveguide sensor, optoelectronics, multimode interference
1. WPROWADZENIE
Sensory wykonane w technologii optyki zintegrowanej mają wiele zalet. Przede
wszystkim charakteryzują się małymi rozmiarami, są lekkie, odporne na zakłócenia
elektromagnetyczne oraz cechują się bardzo szybką odpowiedzią [1, 2]. Ponadto sygnał
sensorowy może być przesyłany za pomocą światłowodów, co w wielu przypadkach znacząco
upraszcza konstrukcje i pozwala zastosować sieć czujników, która może monitorować różne
parametry fizyczne z większego obszaru.
56
A. Szewczuk, M. Błahut
Bardzo perspektywicznie przedstawia się możliwość rozwoju nowej klasy sensorów
optycznych – wielomodowych światłowodowych czujników interferencyjnych. Pobudzając
falowód wielomodowy, obserwujemy efekty dopasowywania pola wejściowego do pól
modowych falowodu wielomodowego, a następnie interferencję powstałych fal. Interferencji
międzymodowej towarzyszą efekty tzw. samoobrazowania pola wejściowego, pobudzającego
falowód wielomodowy. W wyniku tych efektów pole wejściowe jest odtwarzane w obrazach
prostych, odbitych i wielokrotnych. Zjawisko interferencji międzymodowej jest podstawą
działania wielomodowych struktur interferencyjnych MMI (multimode interference
structures) [3, 4]. Zmiany zewnętrznych warunków propagacji sygnału optycznego,
wpływające na własności modowe sekcji MMI, mogą być rejestrowane w zmianach
rozkładów pola w obrazie interferencyjnym.
Sensory takie analizowane były w pracach [5-9] przez autorów publikacji. W pracy [5]
analizowano wpływ geometrii i rozmiarów struktur MMI na otrzymywane charakterytyki
pracy projektowanych czujników. Podobne rozważania, ale odnosząca się do cienkich warstw
sensorowych o wysokim współczynniku załmania zostały przedstawione w artykule [6].
Pokazano, że przy zastosowaniu takiej konfiguracji otrzymuje się znacznie wyższe czułości,
niż ma to miejsce w przypadku wcześniej rozważanych grubszych warstw pokrywających
sekcję MMI. W pracach [7, 8] analizowano struktury MMI pokrywane cienkimi warstwami
tlenków metali. W takich konfiguracjach wpływ na sygnał wyjściowy ma głównie zmiana
wartości współczynnika ekstynkcji. W pracy [9] został zaprezentowany czujnik amoniaku
opierający się na warstwie sensorowej na bazie cienkiej warstwy purpury bromokrezolowej.
Badany sensor charakteryzował się wysoką czułością już przy niskich stężeniach amoniaku.
W niniejszym artykule omówione zostały wyniki badań uzyskane dla czujnika
światłowodowego na bazie struktur MMI, których sekcja wielomodowa została pokryta
dielektryczną warstwą sensorową. Badania teoretyczne wykonano na podstawie numerycznej
analizy propagacji światła przy wykorzystaniu metody BPM.
2. WIELOMODOWE STRUKTURY INTERFERENCYJNE
Wielomodowe struktury interferencyjne składają się z trzech grup falowodów:
jednomodowych falowodów wejściowych i wyjściowych oraz umieszczonego między nimi
falowodu wielomodowego (rys. 1).
Model czujnika światłowodowego...
57
Rys. 1. Schemat struktury MMI 2x2: a) jednomodowe falowody wejściowe, b) sekcja wielomodowa,
c) jednomodowe falowody wyjściowe
Fig. 1. Scheme of MMI 2x2 structure: a) singlemodes input waveguides, b)multimode section, c)
single modes output waveguides
Pole pochodzące od jednomodowych falowodów wejściowych w sekcji wielomodowej
rozkłada się na pola modowe [6]. Poszczególne mody propagują się wewnątrz sekcji
wielomodowej z różnymi prędkościami fazowymi. Różne prędkości propagacji powodują
różnice faz poszczególnych modów, co wpływa na występowanie konstruktywnej bądź
destruktywnej interferencji. Rozkład pola w sekcji MMI jest wynikiem interferencji pól
modowych wzdłuż drogi propagacji. W punkcie z od miejsca wprowadzenia pola
wejściowego powstaje wypadkowe pole, będące superpozycją pól modowych.
Rozkład w wybranych punktach sekcji wielomodowej odpowiada rozkładowi pola
wejściowego. Odtwarzanie pola wejściowego jest charakterystycznym zjawiskiem
występującym w strukturach MMI [6].
Rozkład pola elektromagnetycznego wewnątrz sekcji MMI zależy od sposobu pobudzenia
falowodu wielomodowego (rys. 2). W zależności od umiejscowienia sygnału wejściowego,
wyróżnia się tutaj trzy typy interferencji. Interferencja ogólna występuje w przypadku
pobudzenia wszystkich modów mogących się propagować w danym falowodzie. Interferencję
par modów uzyskuje się w przypadku pobudzenia sekcji wielomodowej w 2/3 bądź 1/3
szerokości. W takiej sytuacji wzbudzane są tylko mody rzędów 0,1, 3,4, 6,7 itd. W przypadku
pobudzenia struktury w połowie szerokości wzbudzone zostaną tylko mody parzyste – do
czynienia mamy z tzw. interferencją symetryczną. Jest to konfiguracja, która była
wykorzystywana w ramach badań przedstawionych w artykule.
58
A. Szewczuk, M. Błahut
Rys. 2. Rozkład pola w falowodzie wielomodowym
Fig. 2. Field distribution in multimode waveguide
3. KONFIGURACJA UKŁADU OPTYCZNEGO
Model czujnika światłowodowego na bazie struktur MMI składa się z sekcji
wielomodowej pokrytej warstwą dielektryczną, która zmienia wartość współczynnika
załamania w trakcie kontaktu z badanym analitem (rys. 3).
Rys. 3. Konfiguracja struktury sensorowej
Fig. 3. Configuration of sensor structure
Rozpatrywane struktury bazowały na gradientowych falowodach wykonanych
w technologii wymiany jonowej K+ - Na+. Parametry procesu oraz geometria falowodów
Model czujnika światłowodowego...
59
zostały tak dobrane, aby falowód wejściowy i wyjściowy były jednomodowe. Na skutek
interferencji międzymodowej tworzył się charakterystyczny dla struktur wielomodowych
rozkład pola, a w szczególności w wybranych odległościach od początku sekcji odtwarzane
były obrazy pola wejściowego. Długość sekcji tak dobrano, aby na wyjściu uzyskać
pojedynczy obraz pola wejściowego. W miejscu formowania się obrazu pola wejściowego
umieszczono jednomodowy falowód wyjściowy.
Pokrycie sekcji MMI stanowiła warstwa zmieniająca wartość współczynnika załamania.
Grubość tej warstwy była na tyle duża, iż mogła być traktowana jako warstwa pół
nieskończona dla propagującego się sygnału. Warstwa sensorowa, zmieniając współczynnik
załamania i tym samym własności modowe falowodu wielomodowego, wpływa w rezultacie
na położenie obrazu pola wejściowego, co zostało pokazane na rys. 4. Widoczne jest dla
pokrycia o wyższym współczynniku załamania wydłużenie drogi propagacji, dla której
tworzy się obraz pola wejściowego. Zmiany położenia obrazu rejestruje jednomodowy
falowód wyjściowy.
Rys. 4. Zmiana położenia obrazu pola wejściowego wywołana przez zmianę współczynnika załamania
pokrycia dla współczynników załamania spełniających warunek n1>n2
Fig. 4. Changes of input field image position caused by changes of cladding refractive index for the
refractive indices n1>n2
4. CHARAKTERYSTYKI PRACY
Na podstawie numerycznej analizy propagacji światła sporządzono charakterystyki
transmisyjne badanych struktur w funkcji współczynnika załamania pokrycia. Analiza została
wykonana na bazie metody propagacji wiązki BPM. Współczynnik załamania pokrycia
zmieniano w zakresie 1,33 - 1,51. Długości sekcji MMI każdej analizowanej szerokości
odpowiadają formowaniu się obrazu pola wejściowego dla współczynnika załamania pokrycia
n = 1,33. Dla analizowanych sekcji MMI, długości wynosiły 333, 2390, 5240 um dla
szerokości odpowiednio 15, 30, 45 um.
60
A. Szewczuk, M. Błahut
(b)
(a)
1.2
1.0
Moc, j.u.
Moc, j.u.
1.0
0.8
0.6
15um
30um
45um
0.8
15um
30um
45um
0.6
0.4
1.32
1.38
1.44
1.50
n
1.32
1.38
1.44
1.50
n
Rys. 5. Zależność mocy sygnału wyjściowego w funkcji współczynnika załamania pokrycia dla
polaryzacji TE i TM
Fig. 5. Changes of input signal as a function of the refractive index for TE and TM polarization
Modelowane struktury były pobudzane sygnałem wejściowym o rozkładzie pola
opisanym funkcją Gaussa. Taki rozkład dobrze odzwierciedla parametry sygnału
wejściowego w przypadku pobudzania rzeczywistej struktury za pomocą jednomodowego
światłowodu włóknistego. Otrzymane charakterystyki przedstawiono na rys. 5a i 5b
odpowiednio dla polaryzacji TE i TM.
Rys. 6. Rozkład pola w sekcji wielomodowej
Fig. 6. Field distribution in multimode waveguide
Analizowane struktury zapewniają zadowalającą czułość tylko w pewnym wybranym
zakresie zmian parametrów pokrycia. Czułości uzyskiwane dla każdej z polaryzacji są na
zbliżonym poziomie. W przypadku zmian współczynnika załamania w zakresie wartości
1.33 - 1.45 wartość sygnału wyjściowego niewiele się zmienia. Czułość takich struktur można
łatwo zwiększyć przez wydłużenie sekcji MMI. Jeśli dla pewnej ustalonej długości sekcji
MMI uzyskujemy na jej końcu obraz pola wejściowego, to dla długości N razy większej na
końcu sekcji odtworzony będzie obraz N-krotny (rys. 6).
Model czujnika światłowodowego...
61
Moc, j.u.
0.9
0.6
45 um pierwszy obraz
45 um piaty obraz
0.3
1.32
1.38
1.44
1.50
n
Rys. 7. Zależność mocy sygnału wyjściowego w funkcji współczynnika załamania pokrycia dla
polaryzacji TE
Fig. 7. Changes of input signal as a function of the refractive index for TE polarization
W takiej sytuacji przesunięcie N-tego obrazu będzie N razy większe od przesunięcia
pierwszego obrazu. Zostało to potwierdzone na dołączonej charakterystyce (rys. 7), na której
zestawiono wyniki otrzymane dla struktur MMI o sekcjach długości zapewniającej powstanie
na jej końcu pierwszego i piątego obrazu pola wejściowego.
5. PODSUMOWANIE
Przedstawiona w artykule koncepcja czujnika światłowodowego bazowała na sekcji
wielomodowej, której pokrycie stanowiła dielektryczna warstwa zmieniająca wartość części
rzeczywistej współczynnika załamania w przypadku kontaktu z mierzonym analitem.
W trakcie analiz numerycznych współczynnik załamania pokrycia mieści się w zakresie 1.33
- 1.51. Zmianie wartości współczynnika załamania pokrycia towarzyszy zmiana wartości
sygnału wyjściowego. Obserwowane zmiany nie są wielkie. Zastosowanie tej konfiguracji do
celów sensorowych możliwe jest dla zakresu zmian współczynnika załamania w pobliżu
punktów odcięcia modów, bliskich współczynnika załamania podłoża szklanego. Jak
pokazano w pracy, czułość takich struktur można łatwo zwiększyć przez odpowiednią zmianę
długości sekcji MMI, odpowiadającą drodze formowania się obrazu n-krotnego.
62
A. Szewczuk, M. Błahut
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Brandenburg A., Hinkov V. Konz W.: Integrated optic sensors. “Sensors Set: A
Comprehensive Survey” 1992, p. 399-420.
Lukosz W.: Integrated optical chemical and direct biochemical sensors. “Sensors and
Actuators B: Chemical 29”, 1995, No. 1, p. 37-50.
Bryngdahl O.: Image formation using self-imaging techniques. “JOSA” 1973, No. 4,
p. 416-419.
Soldano L. B., Pennings E. C.: Optical multi-mode interference devices based on selfimaging: principles and applications. “The Journal of Lightwave Technology” 1995,
No. 4, p. 615-627.
Szewczuk A., Błahut M.: Model of optical sensor on the base of MMI structures. “Acta
Physica Polonica A” 2010, No. 6, p. 1250-1253.
Szewczuk A., Błahut M., Pyka W.: Multimode interference structures of variable
geometry for optical sensor application. “Acta Physica Polonica A” 2010, No. 6, p. 12541258.
Szewczuk A., Błahut M.: Applications of Gradient Index Multimode Interference
Structures in the Technology of Optical Sensor, “Acta Physica Polonica A” 2011, No. 4,
p. 740-743.
Szewczuk A., Błahut M.: MMI structures covered by bromocresol Purple for amonia
detection, “Acta Physica Polonica A” 2013, No. 3, p. 570-573.
Szewczuk A., Błahut M.: Polarization effects in K+-Na+ ion exchanged MMI structures
with absorption cover, “Optica Applicata” 2013, No. 3, p. 441-452.
Dr inż. Artur SZEWCZUK
Dr hab. inż. Marek BŁAHUT, prof. Pol. Śl.
Politechnika Śląska
Wydział Elektryczny, Katedra Optoelektroniki
ul. Akademicka 2
44-100, Gliwice
Tel. (32) 237 1472; [email protected]
Tel. (32) 237 2540; marek.bł[email protected]