一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪的制作方法

本发明涉及芯片光谱仪，尤其涉及一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪。

背景技术：

光谱仪通过对检测样品的光谱分析来反馈该样品的重要信息，在环境保护、生物和化学检测、工业和农业生产、医疗诊断和天文探索等方面具有广泛应用。而光子集成光谱仪具有尺寸小，成本低、稳定性好、功耗低等优点，在小型化和便携式的光谱分析仪器中具有非常重要的应用前景。目前主要有三类芯片光谱仪，第一种是基于片上马赫增德尔干涉仪(mzi)阵列的傅里叶变化光谱仪(fps)(文献[1]przemekj.bock,etal,"high-resolutionfourier-transformspectrometerchipwithmicrophotonicsiliconspiralwaveguides,"opt.lett.38,706-708(2013)；文献[2]marioc.m.m.souza,etal,“fouriertransformspectrometeronsiliconwiththermo-opticnon-linearityanddispersioncorrection”,naturecomm.9,665(2018))，它具有高的信噪比和光通量大等优点，但是其光谱带宽和分辨率之间有一个权衡，即高的分辨率对应的光谱带宽较小，反之亦然。第二类是基于光波导的色散器件，比如阵列波导光栅(文献[3]p.cheben,etal,"ahigh-resolutionsilicon-on-insulatorarrayedwaveguidegratingmicrospectrometerwithsub-micrometeraperturewaveguides,"opt.express15,2299-2306(2007)；

文献[4]j.zou,etal,"ultracompactsilicon-on-insulator-basedreflectivearrayedwaveguidegratingsforspectroscopicapplications,"appl.opt.55,3531-3536(2016).)，蚀刻衍射光栅(文献[5]p.pottier,etal,“integratedmicrospectrometerwithellipticalbraggmirrorenhanceddiffractiongratingonsilicononinsulator”acsphotonics1,430-436(2014)；文献[6]bernardob.c.kyotoku,etal,"sub-nmresolutioncavityenhancedmicro-spectrometer,"opt.express18,102-107(2010))等，它们面临的问题就是随着光谱仪分辨率的提升，器件的尺寸将会大大增加，同时利用现有的工艺水平很难制作出性能良好且具有亚纳米分辨率的片上光谱仪；第三类是利用级联微环阵列(文献[7]z.xia,etal,"highresolutionon-chipspectroscopybasedonminiaturizedmicrodonutresonators,"opt.express19,12356-12364(2011))，但由于微环的q值较高，使其对工艺偏差非常敏感，也很难制作出性能良好的光谱仪。

因此，一种能同时解决上述三类光谱仪中存在的问题的芯片光谱仪变得尤为重要，特别是随着近年来便携式传感器和片上小型化检测系统的发展，该类芯片光谱仪需求迫切。同时，如果该芯片光谱仪的分辨率可调将更具应用潜力。

技术实现要素：

为了能够克服传统芯片光谱仪中分辨率和带宽之间的制约、芯片尺寸和分辨率的制约以及工艺偏差的影响，本发明提出了一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪，包括光谱粗分割单元a、可调谐环形滤波器b、采样光谱记录与还原单元c以及参考单元d，所述粗分割单元a的上输出端和所述可调谐环形滤波器b的输入端相连接，所述粗分割单元a的下输出端和所述参考单元d连接，所述可调谐环形滤波器b的输出端和所述采样光谱记录与还原单元c通过一个1×2的分束器相连接。

进一步，所述光谱粗分割单元a包括一个1×m的光开关、一个m×2的波分复用器、一个2×2的3db耦合器，且1×m的光开关的m个输出端口分别连接于m×2的波分复用器的m个输入端口，m×2的波分复用器的两个输出端口分别连接于2×2的3db耦合器的两个输入端口。

再进一步，所述可调谐环形滤波器b的谐振波长位置由波导上方的加热器来调谐，可调谐环形滤波器b的调谐区域包含一个环或者是多个级联环。

再进一步，所述采样光谱记录与还原单元c包含一个1×n功分器、n个1×1mzi、n个探测器，其中相邻mzi之间具有固定长度差δl。n个探测器也可以是一个能接收所有mzi阵列输出光的相机。

再进一步，所述参考单元d包含一个探测器。

更进一步，所述大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪的分辨率最小值δλr_min由可调谐环形滤波器b中的微环的3db带宽值δλ3db决定，实际使用的分辨率值δλr由对加热器的调谐步长确定，介于δλ3db和微环的自由光谱范围δλfsr之间，即δλ3db≤δλr<δλfsr。

本发明的有益效果主要表现在：1、具有大带宽；2、分辨率可调；3、功耗低；4、适用于各种材料平台，比如氮化硅(si3n4)、硅(si)和gesi等材料平台。

附图说明

图1是本发明提出的一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪的示意图；

图2是图1中光谱粗分割单元a的一个实施范例；

图3是图2中的2×2的3db耦合器的一个实施范例；

图4是图2中m×2波分复用器的布局范例和工作示意图，其中m＝4；

图5是图1中可调谐环形滤波器b的一个设计范例；

图6是图1中1×2分束器的一个设计范例；

图7是图1中采样光谱记录与还原单元c的设计范例，其中n＝16；

图8是利用图1的结构实现输入未知光谱还原的工作流程示意图。

图中：1、光谱仪的输入端，2、光谱粗分割单元a，3、可调谐环形滤波器b，4、采样光谱记录与还原单元c，5、参考单元d，6、1×2分束器，7、6的下输出端，8、输入待检测光谱，9、1×m光开关，10、m×2波分复用器，11、2×2的3db耦合器，12、带电调谐的1×2mzi，13、12的电调谐区，14、9的上半部分各输出端口iu，15、9的下半部分各输出端口id，16、10的上输出端口od，17、10的下输出端口ou，18、11的上输出端口，19、11的下输出端口，20、3中微环上方的电调谐加热器，21、3的输出端，22、6的上输出端，23、1×n的分束器，24、n个具有固定长度差的mzi阵列，25、探测器阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪，包括光谱粗分割单元a2、可调谐环形滤波器b3、采样光谱记录与还原单元c4以及参考单元d5，所述光谱粗分割单元a2的上输出端18和所述可调谐环形滤波器b3的输入端18相连接，所述光谱粗分割单元a2的下输出端19和所述参考单元d5连接，所述可调谐环形滤波器b3的输出端21和所述采样光谱记录与还原单元c4的输入端22通过一个1×2的分束器6相连接。

所述光谱粗分割单元a2包括一个1×m的光开关9、一个m×2的波分复用器10、一个2×2的3db耦合器11，1×m的光开关9的m个输出端口分别连接于m×2的波分复用器10的m个输入端口，m×2的波分复用器10的两个输出端口16和17分别连接于2×2的3db耦合器11的两个输入端口。

所述可调谐环形滤波器b3的谐振波长位置由波导上方的加热器20来调谐，所述可调谐环形滤波器b3的调谐区域包含一个环或者是多个级联环。

所述采样光谱记录与还原单元c4包含一个1×n功分器23、n个1×1mzi24、n个探测器25，其中相邻mzi之间具有固定长度差δl。n个探测器也可以是一个能接收所有mzi阵列输出光的相机。

所述参考单元d5包含一个探测器。

该光谱仪的分辨率最小值δλr_min由可调谐环形滤波器b3中的微环的3db带宽值δλ3db决定，实际使用的分辨率值δλr由对加热器20的调谐步长确定，介于δλ3db和微环的自由光谱范围δλfsr之间，即δλ3db≤δλr<δλfsr。

图1是本发明的整体构架图。

图2是针对图1中光谱粗分割单元a2所举的一个实施例，假设m＝4。其中，1×4光开关9由3个1×2的对称mzi12通过级联来实现；4×2波分复用器10由一个双向工作的阵列波导光栅awg来实现，且其上面的两个输入波导iu中的光经过awg传输后从其下面的输出波导17输出，类似地，其下面两个输入波导id经过awg传输后从其上面的输出波导16输出；awg的两个输出端16和17与一个2×2的3db耦合器11相连接，经过3db耦合器后均分的功率分别从其输出端18和19输出。在光开关9中，每一个mzi12的一个臂上放置有一个金属加热器13，通过调节金属加热器13上的电压可以实现对mzi的两个输出端之一进行选择。合适的调节各mzi上的加热电压可以选择1×4光开关9的某一个输出，进而激活4×2波分复用器10中对应于该输出端的输入端口。改变光开关中各mzi的加热电压可以实现对另一个输出端口的光输出，并激活4×2波分复用器10的另一个输入端。当具有光谱8的输入光从输入端口1进入光谱粗分割单元a2后，调节1×4光开关的输出，使其选择其中之一的输出端输出光并激活与之相连接的4×2波分复用器10的的对应端口，对于从端口iu进入的光将从下输出端口ou17输出，同样地，从端口id进入的光将从上输出端口ou16输出，经过2×2的3db耦合器11后，一路光从输出端口18输出到级联的下一级可调谐环形滤波器b3，而另一路光从输出端口19输出到参考单元d5进行监控，作为参考。

图3给出了图2中2×2的3db耦合器11的两种实施例，它可以由图3(a)的多模干涉器mmi来实现，或者由图3(b)的方向耦合器来实现，亦可以采用其他结构来实现2×2的3db耦合器，比如亚波长光栅等。

图4是图2中4×2波分复用器10的具体实施示意。将其4个输入波导分为两组，即上面两个输入波导14iu1和iu2，下面两个输入波导15id1和id2，且对应的4个信道中心波长之间的间隔如图4(b)所示。当光从上面波导14输入时，将会从下面输出波导17输出；当光从下面波导15输入时，将会从上面输出波导16输出。

图5给出了图1中可调谐环形滤波器b3的一个实施例，它由一个add-drop型的微环构成，其上方加有金属波导电调谐加热器20。通过改变金属波导上的施加电压可以调谐微环的谐振波长位置，当一个经过光谱粗分割单元a2分割后的子波带输入到微环时，微环输出波导21中将会产生一组离散的谐振峰，相邻峰之间的间隔为微环的自由光谱范围fsr；改变微环上的加热电压，输出波导21中将会产生另一组离散的谐振峰。

图6给出了图1中1×2分束器6的一个实施例，它的输出端之一22接入采样光谱记录与还原单元c4的输入端，另一个输出端7作为可调谐环形滤波器b3的一个参考端，该分束器6的功率分束比可以等分也可以不等分。

图7给出了采样光谱记录与还原单元c4的一个实施例，它由16个mzi24组成，相邻mzi之间的长度差为δl，同时1分16的分束器23可以是1分16的mmi组成或者由组成单元是图6所示的1分2的均分分束器构成。探测器阵列25也可以换成一个能接受所有mzi阵列输出光的相机。图7中mzi阵列的主要功能是记录来自于可调谐环形滤波器b3的采样光谱b(σ)的信息并对其进行还原，利用图7中探测器阵列25中接收到的光功率，结合傅里叶变换，可以推算出输入到采样光谱记录与还原单元c4的光谱为

其中σ＝1/λ是波数，n是mzi阵列的个数，在这里n＝16，υi是第i个探测器中接收到的光功率，每一个阵列波导的延迟线长度差δli＝ng×[δl0+(i-1)×δl]，δl0是第一个mzi中两臂的长度差，ng＝neff-λ×dneff/dλ和neff分别是两臂波导的群折射率和有效折射率，在这里δl0＝0，δlmax＝15×ng×δl。该mzi阵列的分辨率和自由光谱范围分别为

在这里，λ0是还原光谱的中心波长。为了能够保证该mzi阵列能够完全还原出来自于可调谐环形滤波器b3的采样光谱b(σ)，分辨率δλ应满足δλ<fsrmrr，fsrmrr是可调谐环形滤波器b3中微环的相邻两个谐振峰之间的波长差。同时，该mzi阵列的自由光谱范围fsrft应大于采样光谱b(σ)的波长范围，即fsrft>λb(σ)。由于实际检测光谱相对于mzi的自由光谱范围fsrft较大，利用光谱粗分割单元a2将检测光谱先进行分割使分割后的子光谱都能被采样光谱记录和还原单元c4所检测和还原，故大大提高了该芯片光谱仪的工作带宽。

图8是针对图1的结构实现一个输入光谱的还原示意过程图，其中m＝4。输入光首先耦合到光谱仪的输入端1，进入光谱粗分割单元a2，控制1×4光开光9的输出，使输入光每次从其中一个输出通道输出并耦合到4×2波分复用器10的对应输入端，经过4×2波分复用器10后得到一个分割后的子光谱i，子光谱i传输到2×2的3db耦合器11后，一端输出到参考单元d5进行监控，另一端进入可调谐环形滤波器b3被其中的微环谐振器采样并输出一组离散后的谐振峰，这一组离散的谐振峰再进入采样光谱记录与还原单元c4，并被探测器阵列接收。最后利用公式(1-3)可以还原出输入到采样光谱记录与还原单元c4的输入光谱，调节可调谐环形滤波器b3中微环谐振器上方的加热器来调谐微环谐振峰的位置得到另一组离散的谐振峰，并将其输入到采样光谱记录与还原单元c4，利用同样的数据处理，可以还原出此时的输入各谐振峰。类似地，再次调谐微环上方的加热器直到完成微环在一个自由光谱范围内的调谐，每一次调谐后的采用光谱均被采样光谱记录与还原单元c4记录和还原，这样就可以实现对光谱粗分割单元a2的一个输出子光谱进行还原，其还原光谱为i’，假设微环的调谐步长为δλstep，则一个子光谱还原所需的调谐次数为nt＝fsrmrr/δλstep。紧接着改变光谱粗分割单元a2中的1×4光开光9，使其输出另一个子光谱ii，并利用相同的方法使其被还原，然后再输出子光谱iii和iv并被还原。在对所有的子光谱还原后，将得到的还原谱i’、ii’、iii’、iv’合并就得到完整的还原光谱。改变可调谐环形滤波器b3中微环谐振器的调谐步长δλstep就可以改变还原光谱的分辨率δλr，最小的光谱分辨率δλrmin与微环谐振峰的半高全宽δλ3db有关，所以该光谱仪的分辨率范围为δλ3db≤δλr<δλfsr。一般来说微环的q值较高，其半高全宽小于0.5nm，故该光谱仪的分辨率可以<0.5nm。而在实际检测中，可以根据需要选择合适的分辨率来满足不同的应用需求。

在图1中，利用参考单元5并结合一个已知的光源可以使该光谱仪变成一个测量物质吸收光谱的光谱仪，它的工作方式如下：首先，利用已知光谱直接输入到该光谱仪对还原光谱进行校准，得到该光谱仪的传输曲线。参考单元5作为参考端，监控从光谱粗分割单元a2中输出的特定子光谱强度变化情况。利用已知的输入光源光谱，将待检测物质置于输入光源和光谱仪芯片之间，得到被物质吸收后的输入光谱，将其输入到本发明提出的芯片光谱仪，调节光谱粗分割单元a2使其输出一个子光谱，观测参考单元5中探测器接收到的光功率和没有检测物质接入时对应的光功率变化，如果没变化说明该子光谱区域没有光吸收，再调节光谱粗分割单元a2使其输出另一个子光谱，继续观察参考单元5中的光功率变化情况，如果有功率变化，说明该子光谱内有光吸收，紧接着再利用可调谐环形滤波器b3对该子光谱进行采样得到一系列谐振峰，并将这些谐振峰输入到采样光谱记录与还原单元c4进行分析处理，最后与该光谱仪的归一化传输曲线进行比较得到还原出来的光谱。依次地，再检测另一个子光谱，观察参考单元5，并进行同样地操作，得到所有子光谱的还原谱。最后将这些还原子光谱结合起来与已知光源光谱进行比对，就得到待检测物质的吸收光谱。

此外，虽然本发明提出了一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪，并给出了关键器件的一些实施例，但对于其中关键器件的其他设计和修改均属于本发明的范畴，它包括但不限于：使用一个片外的光开关，一个不同类型的m×2波分复用器比如基于蚀刻衍射光栅、mzi级联阵列、薄膜滤波器等，使用一个新颖的2×2耦合器和分束器，使用一个不同个数的1×1mzi阵列或者一个新颖的傅里叶光谱变换单元。它们最终实现的功能是一致的，故均属于本发明方案的范畴。