一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪的制作方法

本实用新型属于光学技术领域，具体涉及一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪。

背景技术：

光谱仪在化学和生物传感、材料分析和光源表征方面具有十分重要的意义，高分辨率的片上光谱仪为便携式传感提供了低成本和结构紧凑的光谱分析技术。近年来，绝缘体上硅(SOI， Silicon-On-Insulator)集成平台以其紧凑、性能可靠、灵敏度高等优点备受关注，成为实现片上光谱仪和片上实验室系统的理想平台。

现有技术中，片上基于EDG(Etched Diffraction Grating，蚀刻衍射光栅)结构的光谱仪一般采用传统的等宽度的阵列波导作为输出波导，输出波导的每个输出通道宽度相同，相邻输出通道间距可达到2.5um，当继续减小间距时，输出通道之间的串扰现象，影响分辨率。当输出通道之间的间距越小时，片上光谱仪的分辨率越高，而等宽输出通道的间距要求使提高器件分辨率变的较为困难。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪，使得在相同光谱仪器件尺寸的条件下，可增加输出通道个数，进一步减小输出通道间距，提高光谱仪分辨率。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型的技术方案为，提供了一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪，包括：

基片，输入波导、自由传输区、反射光栅和输出波导集成于基片上；

输入波导，用于接收待测光信号，并传输到自由传输区；

自由传输区，传输从输入波导出射的待测光和被反射光栅反射的待测光；

反射光栅，用于反射待测光信号至输出波导入射端，使反射光在输出波导的入射端满足干涉相长的条件；

输出波导，所述输出波导为密集阵列波导，密集阵列波导由多个不同宽度的波导循环排列组成，每个波导为一个输出通道，每个输出通道输出不同波长的光。

进一步的，所述基片为SOI基片，通过光刻方法将所述输入波导、反射光栅和输出波导制备到基片上。

进一步的，所述反射光栅为布拉格光栅，其位置通过双完美成像点法计算得到，使反射光在输出波导的不同输出通道入射端满足干涉相长的条件。

进一步的，所述密集阵列波导可以由多个不同宽度的波导循环排列组成，优先选择为由3种宽度的波导循环排列组成，波导数量由所需的分辨率和测量光谱带宽确定。

本实用新型的有益效果在于，本实用新型将输出波导设计为密集阵列波导，与传统的等宽度的阵列波导相比，密集阵列波导的输出通道间距可以缩小到亚波长范围，并且相互之间保持较低的串扰，在器件尺寸相同的情况下，输出通道的个数更多，可以达到更高的分辨率。

附图说明

图1为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪优选实施例结构示意图；

图2为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪优选实施例侧视图；

图3为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪优选实施例输入波导、输出波导局部放大图；

图4为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪优选实施例输出波导输入端局部放大图；

图5为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪优选实施例反射光栅局部放大图；

图6为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪分光原理图；

图7为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪输出结果计算图；

图8为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪输出结果测试图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1和图2所示，一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪，包括基片1，输入波导2，自由传输区3，反射光栅4和输出波导5。输入波导2，自由传输区3，反射光栅4和输出波导5集成在基片1 上。在本实施例中，基片1为SOI基片，基片厚度优选为220nm，尺寸优选为3x3mm²通过光刻方法将输入波导2、反射光栅3和输出波导 5制备到基片上，其余区域为自由传输区3。

图3为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪优选实施例输入波导、输出波导局部放大图，如图所示，输出波导31 为密集阵列波导，由多个波导组成，每个波导为一个输出通道，每个输出通道输出不同波长的光。待测光从输入波导入射端34导入，从输入波导出射端35进入自由传输区，在自由传输区末端被反射光栅反射，反射光从输出波导入射端32处入射，不同波长的反射光在不同的输出通道出满足干涉相长的条件，从而从不同的输出通道输出端输出33，达到分光的效果。

图4为本实用新型输出波导的局部放大图，如图所示，输出波导由多个不同宽度的波导循环排列组成，在本实施例中，输出波导由3 种不同宽度的波导循环排列组成，波导宽度分别为w1,w2和w3，波导数量由所需的分辨率和测量带宽确定，波导数量越多，得到的测量带宽越大。实用新型：波导宽度优选为w1＝420nm，w2＝480nm，w3＝590nm，波导个数优选为121个，即为121个输出通道。输出波导采取宽度不同的阵列波导设计可以使得波导间距处于亚波长间距时，相互之间保持较低的串扰，在本实施例中，波导间距为1um。

图6为本实用新型反射光栅局部放大图，如图所示，反射光栅由多个光栅单元按周期排列组合而成，反射光栅位置根据双完美成像法设计，使得反射光在输出波导处满足干涉相长的条件，从而从输出波导输出。在本实施例中，输出通道的个数优选为121个，根据双完美成像法，光谱仪的两个完美成像点位于第30与第90个通道处，将输入波导与第30根输出波导作为第一组椭圆的两个焦点，将输入波导与第60根输出波导作为第二组椭圆的两个焦点，根据干涉相长条件与干涉级次决定各个椭圆的长轴长度，EDG(Etched Diffraction Grating，蚀刻衍射光栅)干涉级次为15。据此得到一系列椭圆，取两组椭圆的交点得到反射光栅的位置。

如图6所示，波长为λ的待测光经输入波导进入自由传输区，在自由传输区的等效折射率为neff(λ)，经不同路径Lini，Lini+j被不同位置的光栅反射，反射光经路径Louti和Louti+j到达输出波导位置，不同波长的反射光在不同的输出波导位置满足干涉相长的条件：

neff(λ)(Lini+j+Louti+j-Lini-Louti)＝jmλ(m为整数)

当反射光在输出通道入射端满足干涉相长的条件时，可从该输出通道输出。

图7为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪输出结果计算图，可以得到0.5nm分辨率的情况下串扰为-20dB。图8 为本实用新型一种基于刻蚀衍射光栅的高分辨率光谱仪输出结果测试图，利用本发明对中心波长为1550nm的待测光进行光谱分析，实现了0.5nm的光谱分辨率，串扰为-4.3dB。

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本实用新型专利的优选实施例进行描述，并非对本实用新型专利的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本实用新型专利的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本实用新型的保护范围。