Matryca 12 kryształów fotonicznych została scharakteryzowana eksperymentalnie pod kątem charakterystyk intensywności. Schemat wykorzystanego stanowiska pomiarowego został zaprezentowany na poniższym rysunku (Rys. 8.12). Pierwotne założenie autora prezentowanych badań obejmowało wykorzystanie fotodetektora do detekcji sygnału wyjściowego z kryształów fotonicznych (Rozdz. 7.2). Jednakże, wyjściowa strona matrycy została złamana w niepożądany sposób, pod pewnym kątem, co w konsekwencji spowodowało, iż odległość pomiędzy poszczególnymi wyjściowymi falowodami kryształów fotonicznych, a końcem matrycy wynosi od 88 do 264 (Rozdz. 7.2). W związku z tym, iż falowody te posiadają pewne apertury numeryczne, wyjściowa wiązka światła, po propagacji przez wyżej wymienione odległości, ulega poszerzeniu oraz wymieszaniu wraz z pasożytniczymi sygnałami, których nie było możliwości wyeliminowania ze względu na kątowe złamanie matrycy. Obszar detekcji fotodetektora wynosi 1,4 i nawet jego bardzo bliskie ustawienie w stosunku do krawędzi matrycy skutkuje detekcją dodatkowych sygnałów pasożytniczych. W związku z tym, autor badań zdecydował się na wykorzystanie kamery XS-1.7-320 firmy Xenics o zakresie czułości od 0,9 do 1,7 . Dodatkowym atutem zastosowania kamery jest jej liniowość w zakresie pomiarowym, w przeciwieństwie do dostępnego fotodetektora.
145
Rys. 8.12 Schemat stanowiska pomiarowego wykorzystywanego do pomiarów charakterystyk intensywności kryształów fotonicznych.
Zestawione stanowisko pomiarowe obejmuje źródło światła stanowiące laser przestrajalny, kontroler polaryzacji, taper światłowodowy, matrycę kryształów fotonicznych oraz obiektyw o 40-krotnym powiększeniu wraz z kamerą o zakresie czułości w pobliżu trzeciego okna telekomunikacyjnego. Źródło światła przestrajane było w pełnym dostępnym zakresie, tj. od 1530 do 1630 . Moc generowanej wiązki światła wynosiła 10 . Kontroler polaryzacji został wykorzystany w celu osiągnięcia polaryzacji TE wiązki światła. Taper światłowodowy, podobnie jak w przypadku procesu sprzęgania do cienki warstw (Rozdz. 8.3) został ustawiony pod kątem około 22°, podobnie jak wykorzystywana kamera z obiektywem. Matryca kryształów fotonicznych została umieszczona na specjalnie zaprojektowanym oraz wykonanym grzejniku, który z kolei został zamontowany na stoliku mechanicznych o rozdzielczości przesuwu na poziomie 1 . Opis wykorzystanego grzejnika oraz jego przeznaczenie zostało zaprezentowane w następnym rozdziale (Rozdz. 8.6). Pomiary zostały przeprowadzone w sposób automatyczny dzięki zsynchronizowanemu zarządzaniu laserem przestrajalnym oraz kamerą. Program został stworzony w oprogramowaniu LabView (Rozdz. 8.1.1).
Eksperymentalną charakteryzację matrycy kryształów fotonicznych rozpoczęto od sprzęgnięcia się do falowodu kryształu fotonicznego, którego grubość wynosiła 218 , a szerokość 10 . W tym celu, taper światłowodowy został ustawiony w odległości 4 od krawędzi matrycy. Takie ustawienie gwarantuję minimalną średnicę plamki w ognisku na poziomie 1,6 . Na poniższym rysunku (Rys. 8.13) zaprezentowano proces sprzęgnięcia wiązki światła, do omawianego falowodu wejściowego oraz krzemu znajdującego się pomiędzy poszczególnymi falowodami kryształów fotonicznych, zaobserwowany za pomocą wykorzystywanej kamery.
146
Rys. 8.13 Proces sprzęgnięcia wiązki świtała do: a) oraz c) warstwy krzemu znajdującej się pomiędzy poszczególnymi falowodami kryształów fotonicznych, b) falowodu wejściowego.
Na zaprezentowanym rysunku (Rys. 8.13) można zauważyć, oprócz pożądanego procesu sprzęgnięcia się wiązki światła do poszczególnych elementów matrycy, również dodatkowe, niepożądane obszary pasożytnicze, które z pewnością zostały by poddane detekcji w przypadku wykorzystania fotodetektora. Zaletą wykorzystania kamery jest możliwość programowego powiększenia interesującego obszaru oraz dodatkowo wykorzystanie tzw. obszarów zainteresowania ROI (ang. „region of interest”). Koncepcja zastosowania ROI została zaprezentowana na poniższym rysunku (Rys. 8.14).
Rys. 8.14 Koncepcja zastosowania obszarów zainteresowania ROI.
Użytkownik ma możliwość wyboru dowolnego kształtu ROI z panelu znajdującego się po lewej stronie obrazu kamery. Dzięki wykorzystaniu oprogramowania LabView pobierane są tylko i wyłącznie wartości intensywności wiązki światła z zaznaczonego obszaru ROI
147
w funkcji numeru danego piksela. Wartości te, dla danego obszaru ROI były wstępnie uśredniane, a następnie każdy obraz z kamery był 200-krotnie pobierany i uśredniany w dziedzinie czasu w celu uzyskania ostatecznej wartości intensywności dla każdej, poszczególnej długości fali. W konsekwencji uzyskano spektralną charakterystykę wartości intensywności wiązki światła wypropagowanej z falowodów wyjściowych kryształów fotonicznych. W konsekwencji przeprowadzono pomiar 12 struktur kryształów fotonicznych. Poniżej zostały zaprezentowane wyniki uzyskane dla 3 z nich, charakteryzujące się minimalną, pośrednią oraz maksymalną wartością promienia otworów z zaprojektowanych, tzn. = 146, 151 oraz 156 (Rys. 8.15).
a)
148
Rys. 8.15 Zestawienie wyników analiz numerycznych oraz pomiarów eksperymentalnych kryształów fotonicznych, których promień otworów wynosi: a) 146 nm, b) 151 nm, c) 156 nm.
Na powyższych charakterystykach (Rys. 8.15) kolorem niebieskim oznaczono wyniki analiz numerycznych, a kolorem czerwonym wyniki pomiarów eksperymentalnych. Pomiędzy tymi krzywymi występuje zadawalająca zgodność. Niewielkie rozbieżności mogą wynikać z faktu, iż analizy numeryczne zostały przeprowadzone w dwóch wymiarach z wykorzystaniem efektywnego współczynnika załamania. Zgodnie z literaturą przedmiotu, podczas zastosowania tej metody, rozbieżność pomiędzy wynikami uzyskanymi dla analiz dwu i trójwymiarowych wynosi około 3% [45]–[47]. Nie bez znaczenia pozostaje również aspekt stabilności przeprowadzanych pomiarów w czasie.
Na zaprezentowanych charakterystykach (Rys. 8.15) można zaobserwować dwa interesujące obszary. Pierwszy z nich, dla początkowych wartości długości fal, dla których zarejestrowano piki interferencyjne Fabry-Perota. Drugi obszar to fotoniczne pasmo wzbronione. Szerokość poszczególnych pików Fabry-Perota wynosi około 4 i odpowiada długości struktury kryształu fotonicznego. Wartość ta została zweryfikowana za pomocą ogólnodostępnego kalkulatora wnęk rezonansowych [136]. Brak idealnego pokrycia się pików interferencyjnych pomiędzy analizami numerycznymi i pomiarami eksperymentalnymi jest wynikiem faktu, iż podczas analiz numerycznych nie uwzględniano specjalnie zaprojektowanych planarnych taperów falowodowych pełniących funkcję falowodów wejściowych oraz wyjściowych kryształów fotonicznych. Sytuacja ta wynika z faktu, iż tapery te są długie, co w konsekwencji powoduje, że analizy numeryczne stają się bardzo czasochłonne, a przez to i nie efektywne. Wraz ze wzrostem wartości promienia otworów następuje przesunięcie poszczególnych charakterystyk intensywności w zakres krótszych długości fal. Wzrost promienia otworów o 1 skutkuje przesunięciem charakterystyki intensywności o około 3 .
149