一种基于皮亚诺曲线的片上光谱仪

1.本发明属于集成硅光子技术领域，尤其涉及一种基于皮亚诺曲线的片上光谱仪。


背景技术：

2.近年来，由于微纳加工技术的发展，用于小体积、低成本、便携集成的小型化光谱仪取得了快速的进展。现有的商用光谱仪受限于使用环境以及不够便携等瓶颈问题，在许多应用领域都受到来限制。与传统光谱仪相比，片上光谱仪具有体积小，成本低，更便携等优点，这些优点有望解决前述的光谱分析难题。
3.片上光谱仪按照类型可以分为四大类：(1)色散型光谱仪；(2)滤波型光谱仪；(3)傅里叶变换型光谱仪；(4)计算重构型光谱仪。常见的色散或者滤波型光谱仪都是基于一对一的光谱—空间映射，而常见的技术路径有阵列波导光栅、光子晶体等。这种映射方式虽然直观，但由于其分辨率直接与色散路径相关，因此想要获得较高的分辨率，往往需要较大的器件尺寸。常见的滤波型光谱仪多为mzi结构，该类型光谱仪主要依赖于干涉仪器件，若仅考虑无源类型的片上器件，其尺寸主要受限于光程差和干涉仪的个数，因此除了微机系统外，一般的片上无源滤波形光谱仪尺寸会比较大。与前述光谱仪相比，计算重构型光谱仪的显著特点是具有更加复杂的光谱－空间映射。常见的片上技术路线有无序散射结构、渐变纳米线、多模螺旋波导等。虽然较为复杂的光谱-空间映射意味着需要更复杂的重构算法来解码重构原始光谱，但可以大大提高空间的利用率，缩小器件尺寸。这种复杂的光谱－空间映射关系通常的表现形式为一个光谱空间与物理空间转换的矩阵。
4.目前片上计算重构光谱仪常见的一种结构为无序散射结构，其所形的散斑主要来源于结构中无序介质带来的多次散射的叠加，但这种结构往往会导致光谱仪在垂直方向损耗较大；而另一种多模螺旋波导结构的散斑无序度主要来自于波导间的倏逝耦合以及模式混叠，这种结构的光谱仪垂直损耗不大，但螺旋波导固有的结构的导致其空间利用率不高，倏逝耦合仅能发生在临近波导之间，其效率可以进一步提高。


技术实现要素：

5.针对以上技术问题，本发明公开了一种基于皮亚诺曲线的片上光谱仪，具有低损耗高分辨率的优点，且结构紧凑，可大规模集成。
6.对此，本发明采用的技术方案为：
7.一种基于皮亚诺曲线的片上光谱仪，其包括光波导，所述光波导包括依次相连的单模输入波导、多模波导和渐变输出波导，所述多模波导的线形为皮亚诺曲线。其中，渐变输出波导部分不改变输出模式，主要功能是将较小范围的功率分布图扩展到一个更大范围，以匹配对应探测器的需求。
8.采用此技术方案，将分形几何概念中的皮亚诺曲线引入片上波导结构，降低了多模波导中相邻波导之间的距离，增大了波导之间的倏逝耦合强度和耦合效率，进一步提高了最终散斑的波长特异性，从而提高光谱仪的分辨率。
9.作为本发明的进一步改进，所述多模波导的线形为皮亚诺曲线的一个单元，后续设计可直接通过阵列扩展出更大尺寸、更高分辨率的光谱仪。
10.作为本发明的进一步改进，所述单模输入波导为至少两个，至少两个单模输入波导沿多模波导的轴线对称设置。
11.作为本发明的进一步改进，所述多模波导包括若干个弯曲部分，所述弯曲部分为45
°
全反射型波导。如果选择常规的弯曲波导，若波导间距为100nm，单个弯曲波导内径仅为50nm，会造成较大损耗。采用此技术方案，弯曲部分即转折部分采用45
°
全反射型，减小损耗，可以平衡器件整体损耗和尺寸。
12.所述多模波导的间距以及宽度选择可以根据需要综合最终尺寸和分辨率要求进行确定。多模波导的宽度越宽，越有利于多种模式并存，进而形成杂乱度更高的散斑，提高光谱仪的分辨率；而此时若要获得更强的倏逝耦合，则需要减小多模波导的间距或者提高单元内多模波导的长度，这会造成整体尺寸的增加。
13.作为本发明的进一步改进，所述多模波导的相邻波导之间的间距至少为100nm，可以保证较强的倏逝耦合，提高散斑的无序度。
14.作为本发明的进一步改进，所述单模输入波导的宽度为450nm。
15.作为本发明的进一步改进，所述多模波导的宽度至少为工作波长的3倍。进一步的，所述多模波导的宽度不小于5μm。采用此技术方案，通过选取大于工作波长数倍的波导宽度作为多模波导区域的宽度，使光谱仪的多模波导可以产生更多的模式，提高散斑的波长特异性。
16.作为本发明的进一步改进，所述基于皮亚诺曲线的片上光谱仪的制作材料为绝缘体上硅(soi)；具体而言，所述的基于皮亚诺曲线的片上光谱仪采用的芯片平台从上到下依次为顶层硅层、sio2氧化层和si衬底，所述光波导位于顶层硅层。进一步的，所述顶层硅层的厚度为220nm。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
18.本发明的技术方案通过引入皮亚诺曲线波导作为多模波导的线形，利用分形几何能充满空间的特点，在不增加器件整体尺寸的情况下，提高倏逝耦合给散斑带来的波长特异性，从而提高光谱仪的分辨率，且损耗低；同时基于分形几何的特点，该器件具有器件结构紧凑、尺寸小、可大规模集成等优点。
附图说明
19.图1为本发明实施例中的基于皮亚诺曲线波导的片上光谱仪的俯视图。
20.图2为本发明实施例中的基于皮亚诺曲线波导的片上光谱仪的三维视图。
21.图3为本发明实施例的单元传输的模拟光场分布图；其中(a)为基于皮亚诺曲线波导的片上光谱仪的俯视图，(b)为(a)中i部分的模拟光场分布图。
22.图4为本发明实施例输出的模拟散斑图。
23.图5为本发明实施例与常见螺旋多模波导的光谱相关函数曲线对比图；其中(a)为两者的光谱相关函数曲线对比图，(b)为采用常见螺旋多模波导的光谱仪的俯视图，(c)为本实施例的片上光谱仪的俯视图。
24.图6为本发明实施例对不同强度分立光谱的恢复情况。
25.图7为本发明实施例对连续光谱的恢复情况。
26.附图标记包括：
27.1-单模输入波导，2-多皮亚诺曲线多模波导，3-渐变输出波导，4-顶层硅，5-sio2氧化层，6-si衬底；
28.21-多模波导的宽度，22-多模波导的间距。
具体实施方式
29.下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
30.如图1所示，一种基于皮亚诺曲线波导的片上光谱仪，该光谱仪包括光波导，所述光波导包括：多个单模输入波导1、皮亚诺曲线多模波导2、渐变输出波导3。其中，皮亚诺曲线多模波导2即轮廓形状为皮亚诺曲线的多模波导。
31.该片上光谱仪的整体结构形成于位于绝缘体上硅(soi)平台的顶层硅4中。为了增大传输矩阵的维度，选择多个单模光波导作为输入，对应的输出散斑按序组合成一个新的更大维度的散斑，以提高光谱仪的整体性能。为了容纳多个模式，增大散斑无序度，多模波导的宽度应大于工作波长的倍数。多模波导的弯曲部分采用45
°
全反射型波导，满足大角度小尺寸的波导转折的同时，降低不必要的损耗。该结构具有可扩展性，若需要更高的分辨率，可以进一步增加皮亚诺曲线单元波导，但由于探测通道数量不变，工作带宽会相应地有所降低。如图1所示，在模拟仿真时，选择了三个输入单模波导；多模波导的宽度21设置为5μm；为了增强倏逝耦合同时考虑制备的精度，多模波导的间距22设置为100nm。
32.如图2所示，在上述具体实施例的实施过程中，芯片平台采用绝缘体上硅(soi)平台，该平台为三层结构，由上到下，分别为顶层硅4、sio2氧化层5和si衬底6。其中，光波导位于顶层硅4部分。
33.如图3所示，为本发明在te0模式输入、1550nm波段输入时皮亚诺曲线多模波导单元内的模拟光场分布图。可见，当单模入射光进入多模区域时，会激发出不同的模式。因为弯曲部分采用的是45
°
直角刻蚀，损耗相较于同尺度的弯曲波导有显著降低。皮亚诺曲线多模波导间距设计得很小，因此在传播过程中，由于模间色散和倏逝耦合的作用，其传输路径和最终散斑会产生一定程度的波长特异性。这种特异性使得我们可以利用算法将对应的散斑分布还原成波长分布，也就是光谱信息。
34.如图4所示，该图模拟在皮亚诺多模波导内传播后，输出端形成的功率散斑分布图。其横坐标为光谱通道，纵坐标为探测通道，颜色深浅代表光功率的大小。该散斑图直接与光谱仪的性能相关。根据光谱相关函数，可以画出光谱仪的光谱相关函数曲线，如图5所示。
35.上式中，c(δλ)表示光谱相关度，δλ表示光谱间隔，ci表示探测器通道，i(λ，ci)表示波长通道为λ探测通道为ci时的功率大小，i(λ+δλ，ci)为距离选定波长δλ距离处的另一个波长，在探测通道ci的功率大小，《
…
》
λ
为波长取平均符号，《
…
》i为探测通道取平均符号。光谱仪的分辨率可以通过光谱相关函数的半高全宽来估计，表示相关性减小一半所需要的最小波长分离程度。
36.本发明实施例的光谱相关函数曲线如图5(a)所示，从图5(a)可以看出，本发明实施例片上光谱仪的光谱相关函数下降至0.5时，所需要的波长间隔四舍五入为1.1nm。由图4和图5可知，该光谱仪在尺寸为50x60μm时预计可达1.1nm的分辨率。
37.另外，从现有的其他曲线多模波导中选取了最常见为阿基米德螺旋多模波导的光谱仪作为对比，选取的阿基米德螺旋多模波导与本实施例的皮亚诺曲线多模波导具有相同尺寸、相同波导宽度以及相同的波导间距，两者俯视图对比分别如图5(b)和图5(c)，阿基米德螺旋多模波导的光谱仪的光谱相关函数曲线如图5(a)所示。
38.考虑损耗原因，阿基米德线形内部半圆，半径不能过小。图5(a)中的实线代表尺寸为50x60μm，3个入射单模波导，多模波导的波导宽度为5μm，多模波导间距为100nm时的皮亚诺线形多模波导计算光谱仪的光谱相关函数；图5(a)中的虚线代表尺寸为60x60μm，3个入射单模波导，多模波导宽度为5μm，多模波导间距100nm，最小弯曲波导的内径为5μm的阿基米德螺旋线形多模波导计算光谱仪的光谱相关函数。二者均为仿真数据，通过图5对比可知，相同尺寸、相同波导宽度以及相同的波导间距下，螺旋波导最终输出的指纹，其光谱分辨率仅能达到8.6nm，而同样尺寸下皮亚诺曲线多模波导的散斑计算出的分辨率可达1.1nm。可见，相较于相同尺寸的阿基米德螺旋线多模波导，本实施例的皮亚诺线形的多模波导光谱仪空间利用率更高，可以获得更佳的光谱分辨率。
39.为了重建任意入射光谱，首先要提取并记录输出波导中波长相关的强度分布，得到特殊的指纹矩阵i。如图4所示，我们记录不同单色光入射光谱仪后的光强分布输出，并排列为一个矩阵，称之为传输矩阵t。图4的每一行表示不同探测通道的光谱输出，每一列表示特定波长下的探测阵列光强分布。传输矩阵t不是一个方阵，因此需要使用压缩感知算法计算最小化的其中s即为待求的重构光谱。如图6和图7所示，这两幅图均表示该光谱仪对预设的光谱信号的恢复情况。从结果可以看出，本实施例的光谱仪在尺寸为50x60μm时，已经可以对分立光谱和连续光谱进行重构恢复，并且能够较为精确地恢复不同强度的光谱信息，其操作带宽为1530nm至1570nm。
40.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。