一种基于微环和阵列波导光栅的片上光谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及片上光谱仪技术，利用微环谐振器通道带宽小和阵列波导光栅输出信道数目多等特点，采用半导体工艺实现一种基于微环和阵列波导光栅的高分辨率片上光谱仪。它属于光谱分析技术领域。
【背景技术】
[0002]光谱仪是指将复杂光谱分解为光谱线的科学仪器。传统光谱仪一般由一个入射狭缝，一个色散元件，一个成像系统和一个或多个出射狭缝构成。色散元件由棱镜或衍射光栅等构成，由该色散元件将输入光谱分离出所需要的波长，并由光电倍增管等光电探测器对选定的波长进行强度测定。广泛应用于环境监测、生物医学检测、食品安全等领域。传统光谱仪存在结构复杂、体积大、价格昂贵等问题。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的就是为了克服上述问题，解决实际难题，提出一种基于微环谐振器和阵列波导光栅的片上光谱仪。该片上光谱仪具有波长分辨率高、工作波长范围宽、集成度高、小型化可便携、结构简单等优点，应用前景广阔。
[0004]为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是:一种基于微环和阵列波导光栅的片上光谱仪，其特征是:在集成的硅片上由光源或是待测目标物发出的待测光谱首先从一个微环谐振器的输入端输入，经过微环谐振器的传输后在下载端输出时变为梳状光谱，之后由阵列波导光栅的输入波导输入，经过阵列波导光栅的传输后不同波长信号从阵列波导光栅的相应输出波导输出，完成不同波长信号的分离，最后由光电探测器阵列同时接收各个波长信号，进行强度测定，从而实现光谱测定的功能。
[0005]本实用新型所述微环谐振器、阵列波导光栅及光电探测器阵列都可以采用半导体工艺集成在同一片娃片上。
[0006]本实用新型所述微环谐振器的自由光谱范围与阵列波导光栅的波长信道间隔相等。
[0007]本实用新型所述至少一个阵列波导光栅的总输出通道数目即该片上光谱仪的波长信道数。
[0008]本实用新型所述片上光谱仪的波长分辨率为微环谐振器的自由光谱范围。
[0009]本实用新型所具有的特点优势为:1.结构简单、体积小，可随身携带；2.所采用的微环谐振器通道带宽小，阵列波导光栅输出信道数目多，并利用级联或热调谐方式，可以实现波长分辨率高、工作波长范围宽的片上光谱仪；3.利用半导体工艺在大批量规模化生产时的优势，所述片上光谱仪体积小成本低。
【附图说明】
[0010]图1为本实用新型的结构示意图
[0011]图2为理论计算得到的本实用新型所述片上光谱仪中微环谐振器下载端的输出光谱图，其中微环谐振器的自由光谱范围设计为lnm。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0013]如图1所示，它是一种基于微环和阵列波导光栅的片上光谱仪，由光源或是待测目标物发出的待测光谱首先从一个微环谐振器的输入端(I)输入，经过微环谐振器(2)的传输后在下载端(3)输出时变为梳状光谱，之后由阵列波导光栅的输入波导(4)输入，经过阵列波导光栅(5)的传输后不同波长信号从阵列波导光栅的相应输出波导(6)输出，完成不同波长信号的分离，最后由光电探测器阵列(7)同时接收各个波长信号，进行强度测定，从而实现光谱测定的功能；所述微环谐振器(2)、阵列波导光栅(5)及光电探测器阵列(7)都可以采用半导体工艺集成在同一片硅片(8)上。
[0014]如图2所示，它是所述片上光谱仪中微环谐振器(2)的理论计算得到的从下载端
(3)输出的光谱图。该光谱图为间隔均匀的梳状光谱。各个谐振峰之间的波长间隔即为微环谐振器的自由光谱范围FSR。该梳状光谱从阵列波导光栅的输入波导(4)输入，经过阵列波导光栅(5)的解复用功能后，各个谐振峰将分别从阵列波导光栅的不同输出波导输出，实现不同波长信号的分离。这里微环谐振器采用硅纳米线光波导的结构设计，芯层为硅材料，包层为二氧化娃材料，微环谐振器的半径R设计为92.8 μ m，中心波长λ =1.55μηι，娃纳米线光波导的群折射率Hg= 4.12，由公式FSR= λ 2/(2 3iR*ng)可以计算得到自由光谱范围FSR为lnm。阵列波导光栅的波长信道间隔也为Inm0
[0015]本领域技术人员清楚地知道，根据本实用新型的方法，可以对结构布局重新编排规划，结构中的元器件进行优化选择，本实用新型的保护范围并不局限于以上实施例。
【主权项】
1.一种基于微环和阵列波导光栅的片上光谱仪，其特征是:在集成的硅片(8)上由光源或是待测目标物发出的待测光谱首先从微环谐振器(2)的输入端(I)输入，经过微环谐振器(2)的传输后在下载端(3)输出时变为梳状光谱，之后由阵列波导光栅(5)的输入波导(4)输入，经过阵列波导光栅(5)的传输后不同波长信号从相应的输出波导(6)输出，完成不同波长信号的分离，最后由光电探测器阵列(7)同时接收各个波长信号，进行强度测定，从而实现光谱测定的功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于微环和阵列波导光栅的片上光谱仪，其特征是:所述微环谐振器(2)、阵列波导光栅(5)及光电探测器阵列(7)都采用半导体工艺集成在同一片硅片⑶上。
3.根据权利要求1所述的一种基于微环和阵列波导光栅的片上光谱仪，其特征是:所述微环谐振器(2)的自由光谱范围与阵列波导光栅(5)的波长信道间隔相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于微环和阵列波导光栅的片上光谱仪，其特征是:所述阵列波导光栅(5)的总输出通道数目即该片上光谱仪的波长信道数。
5.根据权利要求1所述的一种基于微环和阵列波导光栅的片上光谱仪，其特征是:所述片上光谱仪的波长分辨率为微环谐振器的自由光谱范围。
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于微环和阵列波导光栅的片上光谱仪。与普通光谱仪相比，所述的片上光谱仪是由微环谐振器、阵列波导光栅以及光电探测器阵列构成，由光源或是待测目标物发出的待测光谱首先从微环谐振器的输入端输入，经过微环谐振器的传输后在下载端输出时变为梳状光谱，之后由阵列波导光栅的输入波导输入，经过阵列波导光栅的传输后不同波长信号从阵列波导光栅的相应输出波导输出，完成不同波长信号的分离，最后由光电探测器阵列同时接收各个波长信号，进行强度测定，从而实现光谱测定的功能。所述微环谐振器、阵列波导光栅及光电探测器阵列都可以采用半导体工艺集成在同一片硅片上。该片上光谱仪具有波长分辨率高、工作波长范围宽、集成度高、小型化可便携、结构简单等优点。
【IPC分类】G01J3-28
【公开号】CN204594579
【申请号】CN201520200485
【发明人】郎婷婷, 卞继城, 孔文, 俞文杰
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月2日