TY  - THES
A1  - Stoll, Andreas
T1  - Advanced spectroscopic instruments enabled by integrated optics
N2  - The aim of this work is the study of silica Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) in the context of applications in astronomy. The specific focus lies on the investigation of the feasibility and technology limits of customized silica AWG devices for high resolution near-infrared spectroscopy. In a series of theoretical and experimental studies, AWG devices of varying geometry, foot-print and spectral resolution are constructed, simulated using a combination of a numerical beam propagation method and Fraunhofer diffraction and fabricated devices are characterized with respect to transmission efficiency, spectral resolution and polarization sensitivity. The impact of effective index non-uniformities on the performance of high-resolution AWG devices is studied numerically. Characterization results of fabricated devices are used to extrapolate the technology limits of the silica platform. The important issues of waveguide birefringence and defocus aberration are discussed theoretically and addressed experimentally by selection of an appropriate aberration-minimizing anastigmatic AWG layout structure. The drawbacks of the anastigmatic AWG geometry are discussed theoretically. From the results of the experimental studies, it is concluded that fabrication-related phase errors and waveguide birefringence are the primary limiting factors for the growth of AWG spectral resolution. It is shown that, without post-processing, the spectral resolving power is phase-error-limited to R < 40, 000 and, in the case of unpolarized light, birefringence-limited to R < 30, 000 in the AWG devices presented in this work. Necessary measures, such as special waveguide geometries and post-fabrication phase error correction are proposed for future designs. The elimination of defocus aberration using an anastigmatic AWG geometry is successfully demonstrated in experiment. Finally, a novel, non-planar dispersive in-fibre waveguide structure is proposed, discussed and studied theoretically.
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) auf SiO2-Basis im Kontext von Anwendungen in der Astronomie. Der besondere Fokus liegt auf der Untersuchung der Machbarkeit und der technologischen Grenzen von spezialisierten AWGs für die hochauflösende Nahinfrarot-Spektroskopie. In einer Reihe von theoretischen und experimentellen Studien werden AWGs unterschiedlicher Geometrie, Größe und spektraler Auflösung konstruiert, unter Verwendung einer numerischen Beam-Propagation-Methode (BPM) und Fraunhofer-Beugung simuliert und hinsichtlich Effizienz, spektraler Auflösung und Polarisationsempfindlichkeit charakterisiert. Der Einfluss von Variationen des effektiven Brechungsindex auf die Leistung von hochauflösenden AWGs wird numerisch untersucht. Mit hergestellten AWGs gewonnene Messergebnisse werden verwendet, um die technologischen Grenzen der SiO2-Plattform zu extrapolieren. Die relevanten Probleme der Polarisationsempfindlichkeit und der in kanonischen Rowland-Geometrien auftretenden Defokusaberration werden theoretisch diskutiert und experimentell durch die Auswahl einer geeigneten aberrationsminimierenden AWG-Struktur angegangen. Die Nachteile anastigmatischer AWGs werden theoretisch diskutiert. Aus den Ergebnissen der experimentellen Studien wird geschlossen, dass herstellungsbedingte Phasenfehler und Wellenleiter-Doppelbrechung die primären begrenzenden Faktoren für die Erhöhung der AWG-Spektralauflösung sind. Es wird gezeigt, dass das spektrale Auflösungsvermögen der in dieser Arbeit präsentierten AWGs ohne Phasenfehlerkorrektur auf R < 40, 000 und durch Doppelbrechung auf R < 30, 000 im Fall unpolarisierten Lichtes begrenzt ist. Notwendige Maßnahmen wie spezielle Wellenleitergeometrien und Phasenfehlerkorrektur nach der Herstellung werden für zukünftige AWG-Designs empfohlen. Die Eliminierung von Defokussierungsfehlern unter Verwendung einer anastigmatischen AWG-Geometrie wird erfolgreich im Experiment demonstriert. Schließlich wird eine neuartige, in eine optische Faser eingebettete, nicht-planare dispersive Wellenleiterstruktur vorgeschlagen, diskutiert und theoretisch untersucht.
KW  - Astrophotonics
KW  - Integrated spectrograph
KW  - planar lightwave circuit
KW  - arrayed waveguide grating
KW  - silica-on-silicon
KW  - Astrophotonik
KW  - integrierter Spektrograph
KW  - planare Lichtwellenleiter
KW  - Siliziumdioxid-auf-Silizium
Y1  - 2022
ER  -