专利名称：基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明属于微光机电系统(M0EMQ加工技术、集成光波导传感技术和光谱测量技术领域，涉及一种基于集成光波导技术的傅里叶变换光谱仪，特别涉及一种把消逝波表面敏感元件与傅里叶变换光波导光谱仪集成于同一芯片的新型片上光谱仪。
背景技术：
光谱仪是分析物质成份、结构和含量的强有力工具，在大气监测、水环境监测、食品安全检测、产品质量检测、防化反恐、生物医学、石油化工、空间探测、材料研发等众多领域有着广泛应用。不同于现有实验室大型的光谱分析设备，小型化、便携式光谱仪，特别是微型片上光谱仪更能够满足现场实时快速检测的要求，因此具有更加广阔的应用前景和巨大的市场需求及良好的发展趋势。光谱仪有多种分类方法。首先根据工作原理可分为三类棱镜色散式光谱仪、光栅分光式光谱仪、以及调制变换式光谱仪。棱镜色散式和光栅分光式光谱仪是建立在几何光学原理上的经典的光谱仪，而调制变换式光谱仪是建立在调制计算原理基础上的光谱分析仪器。前者需要使用狭缝和CCD探测器直接获取入射光谱。这类光谱仪的性能直接受制于 CCD器件，对光谱探测窗口和光谱分辨率难以同时兼顾光谱探测窗口越宽，则光谱分辨率越低；而后者是基于光学调制来完成光谱成份检测的仪器，主要基于干涉调制来完成色散。 与前者不同的是，调制变换式光谱仪所采集得到的结果必须再经过相应的函数变换计算才能得到实际的测量光谱。常见的调制变换式光谱仪包括傅里叶变换光谱仪和阿达玛变换光谱仪。调制变换式光谱仪在系统组成上较经典色散光谱仪复杂，通常包含运动部件，但调制变换式光谱仪不受入射狭缝的限制，能够通过扩散的入射孔径或者干涉调制得到信噪比大、分辨率高窗口宽的光谱信号，适用于精确光谱测量。常见的调制变换式光谱仪是基于动镜迈克尔逊干涉仪结构的桌上型傅里叶变换光谱仪。这种商业化光谱仪由分离光学元件构成，各元件需精确定位，需要一套高精度的动镜驱动装置和良好的减震环境，系统内部的空间自由光束很容易受到环境温度、湿度、气压及气氛变化的干扰，体积大，价格高，抗震性差，不适合携带和现场快速检测，这极大地限制了光谱仪的使用范围。目前，MOEMS技术、光电探测技术和精密加工技术已经成熟，这为研发微小型调制式傅里叶变换光谱仪提供了越来越多的机会。一个典型的实例是1999年瑞士 Neuchatel大学微技术研究所Omar Manzardo等人采用MOEMS技术研制了一种微型 fl- M Bf ^ ^ 7 if Χ [ο. Manzardo, H. P. Herzig, C. R. Marxer, and N. F. de Rooij, Opt. Lett. 24(1999) 1705-1707.]。该光谱仪使用微型硅反射镜作为Michelson干涉计的扫描动镜，使用静电驱动器驱动微型硅反射镜，可以实现对微镜系统的精确扫描。最大驱动电压是 10V,最大位移可达39 μ m,重复误差为士 13nm，可以在可见光波段获得IOnm的光谱分辨力， 同时该光谱仪结构紧凑，尺寸仅为5mmX4mm。但是这种微型光谱仪仍然采用空间自由光束进行干涉调制，因此同样容易受到外界环境变化的干扰。基于采用集成光波导技术的微小型傅里叶变换光谱仪将全程采用导波光，因此能够有效提高仪器的抗干扰力。除了抗干扰能力的增强外，基于集成光技术的傅里叶变换光谱仪还能够与消逝波表面敏感元件集成在同一芯片上形成具有敏感功能的片上光谱仪。利用这种片上光谱仪可直接进行高灵敏度的衰减全反射(ATR)光谱测量。与现有各种光谱仪相比，这种片上光谱仪具有四个明显优势优势之一是调制方式不同。采用动镜Michelson干涉仪结构的傅里叶变换光谱仪是通过改变动镜与定镜的相对位置对空间自由光束的位相进行线性调制。而本发明所涉及的光谱仪是基于电光调制效应，通过在芯片调制电极间施加斜坡电压改变导波光有效折射率来实现线性调制的。因此，与动镜Michelson干涉计结构的傅里叶变换光谱仪相比，本发明提出的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪的优势在于不存在运动部件，同时导波光的使用克服了空间自由光束易受干扰的缺点。优势之二是这种片上光谱仪同时具备敏感功能。现有傅里叶变换光谱仪不管采用透射测量方式还是采用ATR测量方式，都没有实现样品池与光谱仪主机的集成，因此设备体积大、测试过程中易受干扰。而本发明所涉及的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪实现了样品分析窗口与光谱仪的核心部件-光波导干涉计的片上集成，是一种典型的芯片光谱仪，因此该光谱仪具有体积小、质量轻、抗干扰能力强的优势。优势之三是光谱灵敏度高。现有傅里叶变换光谱仪在进行ATR吸收谱测量时，由于ATR晶片厚度大，使得消逝场与样品的作用次数都在十余次以下，因此ATR谱吸收峰强度较弱，信噪比较差，灵敏度较低。而本发明提出的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪利用在同一芯片上的敏感波导进行消逝波吸收谱测量，导波光的全反射次数要远远大于ATR晶片中的全反射次数，从而使得这种片上光谱仪吸收峰强度更高，信噪比更大，灵敏度更高；优势之四是采用MOEMS技术很容易在同一芯片上制成多通道光谱仪，实现片上光谱仪阵列。从目前公开的文献中尚未发现与本发明提出的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪相类似的方法和装置。
发明内容
本发明的目的是公开一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，以克服现有动镜Michelson干涉仪结构的傅里叶变换光谱仪以及ATR光谱测量方法中的不足，是一种高速、高灵敏度、结构简单、抗环境干扰、无需运动部件的全导波光芯片光谱仪。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，包括一个集成光波导芯片，一个光源、一个光电探测器，一个电压函数发生器，两根传输光纤，一个信号处理芯片；其集成光波导芯片，包括光纤输入耦合端口，光纤输出耦合端口，敏感窗口，敏感光波导，光波导干涉计，电光调制电极，以及低折射率惰性介质保护层；敏感光波导的一端连接光纤输入耦合端口，中间区段位于敏感窗口内，另一端连接光波导干涉计，光波导干涉计的输出端与光纤输出耦合端口连接；调制电极位于光波导干涉计区间；除敏感窗口外，其余光波导表面被低折射率惰性介质层覆盖；一根传输光纤连接光源和集成光波导芯片输入耦合端口，另一根传输光纤连接集成光波导芯片输出耦合端口与光电探测器；电压函数发生器与集成光波导芯片上的电极相连，用于调制集成光波导芯片内的导波光位相；信号处理芯片分别与光电探测器、电压函数发生器电连接，对探测器产生的电信号进行傅里叶变换处理。所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其所述集成光波导芯片，为铌酸锂基光波导芯片、钽酸锂基光波导芯片、砷化镓基光波导芯片、磷化铟基光波导芯片其中之一；或集成光波导芯片的干涉计区间淀积有氧化锌或钛酸钡的具有电光效应的薄膜。所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其所述光波导干涉计具有电光调制功能，为光波导马赫-曾德尔(Mach-khnder)干涉计、光波导杨氏Woung)干涉计、光波导偏振极化干涉计、光波导迈克尔逊(Michelson)干涉计、光波导法布里-珀罗 (Fabry-Perot)干涉计其中之一，或上述干涉计的变形结构。所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其所述低折射率惰性介质层， 为二氧化硅膜、三氧化二铝膜、聚四氟乙烯膜，或氟化镁膜其中之一。所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其利用电压函数发生器在光波导干涉计的两调制电极间施加随时间线性变化的电压，同时利用光电探测器实时测量干涉计信号强度随调制电压的变化，然后利用信号处理芯片对测得的干涉计信号进行快速傅里叶变换(FFT)处理，获取从敏感光波导传导进入干涉计的导波光光谱。所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其将少量待测固体或液体样品置于芯片敏感窗口表面，借助消逝波与表面物质的相互作用，芯片光谱仪能够快速灵敏地测定样品的吸收光谱。所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其利用该芯片光谱仪对在芯片敏感窗口表面形成的单分子吸附层的消逝波吸收光谱进行实时测量，进一步借助分子特有的光谱指纹，实现对待测气体和生化物质的识辨性探测。所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其利用消逝波激发置于芯片敏感窗口内的荧光物质，再利用敏感光波导收集荧光，然后利用该芯片光谱仪对荧光物质的发射谱进行测量分析。所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，利用具有分子识别本领的生化试剂对芯片敏感窗口进行表面修饰，增强表面对待测溶液样品中靶标分子的选择性吸附， 然后利用该芯片光谱仪对在芯片敏感窗口表面形成的单分子吸附层进行光谱分析，实现对生化物质的识辨性痕量探测。所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其在同一集成光波导芯片上制备多个敏感窗口、多个敏感光波导、多个光波导干涉计、多组调制电极和多个光纤输入/输出耦合端口，使用多对传输光纤，多个发射不同频谱的光源，多个探测频谱范围不同的光电探测器，一个或多个电压函数发生器，一个或多个信号处理芯片，由此构成多通道芯片光谱仪，每一通道测量的光谱范围不同，从而扩展整个片上光谱仪的光谱测量范围，提高光谱分辨率。本发明的一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，能够灵敏地测定在消逝波敏感窗口内的固体、液体、甚至单分子吸附层的可见-红外吸收光谱，还可用于测定置于敏感窗口内的物质的荧光光谱。该芯片光谱仪结构简单新颖，制作容易，造价低，体积小，重量轻，便于携带，使用方便，光谱范围宽，分辨率高，测量时间短，灵敏度高，抗干扰能力强， 用途广泛，尤其适合于现场快速识辨探测与定量检测。
图1为本发明的第一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪结构示意图，为单通道芯片光谱仪，图中1为光源，2为传输光纤，3为集成光波导芯片，4为消逝波敏感窗口，5为敏感光波导，6为光波导干涉计，7为电光调制电极，8为低折射率惰性介质保护层，9 为电压函数发生器，10为金丝导线，11为光电探测器，12为信号处理芯片；图2为本发明的第二种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪结构示意图，为单通道芯片光谱仪，图中1为光源，2为传输光纤，3为集成光波导芯片，4为消逝波敏感窗口，5为敏感光波导，6为光波导干涉计，7为电光调制电极，8为低折射率惰性介质保护层，9 为电压函数发生器，10为金丝导线，11为光电探测器，12为信号处理芯片；图3为本发明的第三种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪结构示意图，为多通道芯片光谱仪，具有可探测波长范围宽和波长分辨率高的优点，图中1 为光源，2为传输光纤，3为集成光波导芯片，4为消逝波敏感窗口，5为敏感光波导，6为光波导干涉计阵列，7为电光调制电极，8为低折射率惰性介质保护层，9为电压函数发生器，10为金丝导线， 11为光电探测器，12为信号处理芯片；图4为本发明的第四种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪结构示意图，为单通道芯片光谱仪，包含弯曲波导，具有波长分辨率高的优点，图中1为光源，2为传输光纤，3为集成光波导芯片，4为消逝波敏感窗口，5为敏感光波导，6为光波导干涉计，7为电光调制电极，8为低折射率惰性介质保护层，9为电压函数发生器，10为金丝导线，11为光电探测器，12为信号处理芯片；图5为本发明给出的一个具体实施方式
中，所使用的集成光波导芯片的结构示意图，图中所示，该芯片制作在X切割的LiNbO3晶片上，包括5个消逝波敏感窗口，5个敏感光波导，5个光波导Mach-Zehnder干涉计，5对推挽调制电极，以及低折射率惰性介质保护层 SiO2薄膜；图6为本发明给出的一个具体实施方式
中，实际测得的集成光波导芯片的输出光强度与调制电压的变化关系图；图7a为在上半电压调制周期内芯片输出光强度与调制电压的变化关系图；图7b在下半电压调制周期内芯片输出光强度与调制电压的变化关系图；图8a为对图7a所示的干涉图样进行离散傅里叶变换后得到的关于采样点与光功率的谱图；图8b为对图7b所示的干涉图样进行离散傅里叶变换后得到的关于采样点与光功率的谱图；图9a为把图8a横轴从取样点数转换为波长后得到的光源光谱图，它是关于波长与光功率的谱图；图9b为把图8b横轴从取样点数转换为波长后得到的光源光谱图，它是关于波长与光功率的谱图。
具体实施例方式本发明的一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，工作波长范围是由集成光波导芯片的光学透明度和光电探测器可探测波长范围共同决定的。其中具有电光调制效应的集成光波导芯片的光学透明度普遍较好(例如LiNbO3晶体的透射波长范围是 0. 4 μ m 5 μ m，LiTaO3晶体的透射波长范围是0. 45 μ m 5 μ m)，因此光电探测器的种类决定了本芯片光谱仪的工作波长范围，如Si光电探测器的灵敏区间为0. 4 μ m 1. 1 μ m， InGaAs光电探测器的灵敏区间为0. 8 μ m 1. 7 μ m等等。为了拓宽光谱仪的探测区间，如图3所示，我们在同一集成光波导芯片上制备了多个敏感窗口，多个敏感光波导，多个光波导干涉计和多组调制电极，使用多对传输光纤，多个发射不同频谱的光源，多个探测频谱范围不同的光电探测器，构成了多通道芯片光谱仪，该光谱仪具有探测波长范围宽、波长分辨率高的优点。本发明的一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，是一种全导波光傅里叶变换光谱仪，其调制方式是基于电光调制效应，通过在光波导干涉计的调制电极间施加斜坡电压改变导波光的有效折射率来实现干涉计光程差的线性调制。虽然这种调制方式与动镜Michelson干涉仪结构的傅里叶变换光谱仪的调制方式不同，但是两者具有类似的变换原理。对于给定波长的导波光，当其先后经过芯片的消逝波敏感窗口和光波导干涉计后，芯片的输出光强度可表示为Iout = Iin[l+cos(A φ)] = Iin[l+cos (2 Ji vl) ](1)其中，Iin为输入光强，Δ φ为干涉计中传播的导模的积分相位差，V = +为波数，1
为光程差。当芯片中的导波光为多色光时，芯片的输出光强度可表示如下
权利要求
1.一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，包括一个集成光波导芯片，一个光源、一个光电探测器，一个电压函数发生器，两根传输光纤，一个信号处理芯片；其特征在于，集成光波导芯片，包括光纤输入耦合端口，光纤输出耦合端口，敏感窗口，敏感光波导， 光波导干涉计，电光调制电极，以及低折射率惰性介质保护层；敏感光波导的一端连接光纤输入耦合端口，中间区段位于敏感窗口内，另一端连接光波导干涉计，光波导干涉计的输出端与光纤输出耦合端口连接；调制电极位于光波导干涉计区间；除敏感窗口外，其余光波导表面被低折射率惰性介质层覆盖；一根传输光纤连接光源和集成光波导芯片输入耦合端口，另一根传输光纤连接集成光波导芯片输出耦合端口与光电探测器；电压函数发生器与集成光波导芯片上的电极相连， 用于调制集成光波导干涉计的导波光位相差；信号处理芯片分别与光电探测器、电压函数发生器电连接，对探测器产生的电信号进行傅里叶变换处理。
2.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，所述集成光波导芯片，为铌酸锂基光波导芯片、钽酸锂基光波导芯片、砷化镓基光波导芯片、 磷化铟基光波导芯片其中之一；或集成光波导芯片的干涉计区间淀积有氧化锌或钛酸钡的具有电光效应的薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，所述光波导干涉计具有电光调制功能，为光波导马赫-曾德尔干涉计、光波导杨氏干涉计、光波导偏振极化干涉计、光波导迈克尔逊干涉计、光波导法布里-珀罗干涉计其中之一，或上述干涉计的变形结构。
4.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，所述低折射率惰性介质层，为二氧化硅膜、三氧化二铝膜、聚四氟乙烯膜，或氟化镁膜其中之ο
5.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，利用电压函数发生器在光波导干涉计的两调制电极间施加随时间线性变化的电压，同时利用光电探测器实时测量干涉计信号强度随调制电压的变化，然后利用信号处理芯片对测得的干涉计信号进行快速傅里叶变换处理，获取从敏感光波导传导进入干涉计的导波光光谱。
6.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，将少量待测固体或液体样品置于芯片敏感窗口表面，借助敏感波导的消逝场波与物质的相互作用，芯片光谱仪能够快速灵敏地测定样品的吸收光谱。
7.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，利用该芯片光谱仪对在芯片敏感窗口表面形成的单分子吸附层的消逝波吸收光谱进行实时测量，进一步借助分子特有的光谱指纹，实现对待测气体和生化物质的识辨性探测。
8.根据权利要求1或6所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于， 利用外部体光束或敏感波导消逝场激发置于芯片敏感窗口内的荧光物质，再利用敏感光波导收集荧光，然后利用该芯片光谱仪对荧光物质的发射谱进行测量分析。
9.根据权利要求1或7所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于， 利用具有分子识别本领的生化试剂对芯片敏感窗口进行表面修饰，增强表面对待测溶液样品中靶标分子的选择性吸附，然后利用该芯片光谱仪对在芯片敏感窗口表面形成的单分子吸附层进行光谱分析，实现对生化物质的识辨性痕量探测。
10.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，在同一集成光波导芯片上制备多个敏感窗口、多个敏感光波导、多个光波导干涉计、多组调制电极和多个光纤输入/输出耦合端口，使用多对传输光纤，多个发射不同频谱的光源，多个探测频谱范围不同的光电探测器，一个或多个电压函数发生器，一个或多个信号处理芯片， 由此构成多通道芯片光谱仪，每一通道测量的光谱范围不同，从而扩展整个芯片光谱仪的光谱测量范围，提高光谱分辨率。
11.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，在集成光波导芯片上制备包含弯曲波导结构的光波导干涉计，利用弯曲波导加长用于电光调制的干涉臂长度，从而提高单通道傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率。
全文摘要
一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，包括一具有电光调制功能的集成光波导芯片。光源光经光纤传输耦合进入集成光波导芯片，芯片内的导波光穿过敏感窗口区间进入光波导干涉计。干涉计输出信号至光电探测器。电压函数发生器在光波导干涉计两调制电极间施加随时间变化的电压，用光电探测器实时测量干涉计信号强度随调制电压的变化，再用与光电探测器和电压函数发生器同时相连的信号处理芯片对测得的干涉计信号进行快速傅里叶变换处理，得到入射光光谱。本发明的芯片光谱仪能灵敏地测定在敏感窗口内的固体、液体、甚至单分子吸附层的可见-红外吸收光谱，还可测定置于敏感窗口内的荧光物质的荧光光谱，抗干扰能力强，适合现场快速定量检测。
文档编号G01N21/31GK102207459SQ20101013894
公开日2011年10月5日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者祁志美, 陈方 申请人:中国科学院电子学研究所