一种新型等离子共振调制的片上光谱仪结构

1.本技术涉及光谱仪，具体涉及一种新型等离子共振调制的片上光谱仪结构。


背景技术：

2.作为一种分析物质组成成分及其结构的重要分析仪器，光谱仪在环境监测、食品安全检测、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。传统基于自由空间光学技术的光谱仪，通常体积庞大、价格昂贵从而限制了其应用范围。而集成化、小型化、便携化与价格低廉的片上光谱仪能够极速扩大光谱仪的应用范围，有效减少相关领域产品价格，对安全生产、食品检测、医疗分析等事关国计民生的行业具有重要推动作用。
3.硅基制造与集成技术具有结构紧凑、兼容性好、成本低等优点，是实现芯片级光谱仪的一个重要平台，因此很多研究团队均在研究硅基集成片上傅里叶变换光谱仪。傅里叶变换光谱仪根据光的相干性原理设计，是一种干涉型光谱仪。首先通过探测器测量光源的干涉图，然后通过计算机对干涉图进行快速傅立叶变换计算，从而得到以波长或波数为函数的光谱图，因此干涉型光谱仪的关键技术在于干涉两臂相位差的产生。如在驻波集成傅里叶变换光谱仪中，使用一个固定的马赫-曾德尔干涉仪(mzi:mach
–
zehnder interferometer)实现了分辨率为4nm，带宽为96nm的片上光谱仪，该方案利用上下两臂到达脊型波导不同位置的路径不同从而产生上下两臂光路不同的相位差。在空间外差光谱仪中，利用静止mzi阵列从采样不足的离散空间干涉图中提取输入频谱，获得了相对较高的分辨率(～0.045nm)，但mzi阵列的使用增加了器件的尺寸和复杂度，且该类光谱仪的性能受到mzi数量和最大臂长差的限制。这两种方法均需要大量的探测器，器件集成尺寸较大、复杂度较高。此外，还可以使用热光效应或电光效应改变mzi干涉仪的上下两臂折射率差，从而引入相位差实现光谱干涉，然而使用热调或者电调的方式较难控制折射率的变化，从而相位差的变化也很难控制。此外，热传导改变折射率的方式在实时响应方面也存在明显不足，因此该方案的鲁棒性和实时性均很难保证。


技术实现要素：

4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型等离子共振调制的片上光谱仪结构，包括功分器
①
、多个相变单元
②
、耦合器
③
、探测器
④
四个部分，各部分相互连接实现该结构功能。利用所述功分器
①
产生上下臂光路，其中所述上臂光路作为参考臂
⑤
，所述下臂光路通过所述多个相变单元
②
与所述参考臂
⑤
产生相位差，再通过后一个所述耦合器
③
使得所述上下两臂光谱干涉输出，输出光谱通过所述探测器
④
即可得到探测干涉图样
⑨
，最后对所述干涉图样
⑨
进行傅里叶变换和相关补偿算法即可恢复出输入光谱
⑧
。
5.优选地，所述功分器
①
为1：1功分器。所述1：1功分器
①
与所述相变单元
②
和所述参考臂
⑤
相连，功能是将输入光谱等量地分成上下两臂，从而实现干涉输出。
6.优选地，所述多个相变单元
②
由所述金属电极
⑥
与所述相变材料
⑦
组合而成。
7.优选地，所述金属电极
⑥
为金电极或铬电极,形状为片状锥形，在同一个所述相变单元
②
中的上下所述金属电极
⑥
的尖端需对齐形成纳米间隙，以放电激发所述相变材料
⑦
。
8.优选地，所述相变材料
⑦
为五碲二锑化锗，其表面由二氧化硅进行包覆，以形成等离子存储单元。
9.优选地，所述多个相变单元
②
之间连接方式是由硅片进行单元串联，所述相变单元
②
用于改变所述下路的相位，从而使得所述上下两臂光谱产生相位差，且通过多个所述相变单元
②
的级联实现相位差的增加，从而放大所述上下两臂光谱产生的相位差。
10.优选地，所述耦合器
③
在结构末端连接所述相变单元
②
和所述参考臂
⑤
，用于耦合所述上下两路光从而产生干涉。
11.优选地，所述探测器
④
与所述耦合器
③
相连接，用于探测干涉光信号并将其转换为电信号，方便后续信号处理恢复出输入光谱。
12.本发明的有益效果是：所述金属电极
⑥
产生等离子与所述相变材料
⑦
作用能够有效产生相位差；所述多个相变单元
②
能够有效增加所述下臂与所述参考臂
⑤
的相位差；通过电信号控制所述金属电极
⑥
是否产生等离子体能够精确控制所述参考臂
⑤
和所述下臂的相位差；多个相位差产生的干涉光谱可通过同一个所述光电探测器
④
探测，能够有效减少片上光谱仪的尺寸和复杂度。
附图说明
13.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
14.图1示出了一种新型等离子共振调制的片上光谱仪结构及各器件单元。
具体实施方式
15.为了更详细地阐明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明的技术方案做进一步阐述。
16.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型等离子共振调制的片上光谱仪结构，包括功分器
①
、多个相变单元
②
、耦合器
③
、探测器
④
四个部分，各部分相互连接实现该结构功能。利用所述功分器
①
产生上下臂光路，其中所述上臂光路作为参考臂
⑤
，所述下臂光路通过所述多个相变单元
②
与所述参考臂
⑤
产生相位差，再通过后一个所述耦合器
③
使得所述上下两臂光谱干涉输出，输出光谱通过所述探测器
④
即可得到探测干涉图样
⑨
，最后对所述干涉图样
⑨
进行傅里叶变换和相关补偿算法即可恢复出输入光谱
⑧
。
17.优选地，所述功分器
①
为1：1功分器。所述1：1功分器
①
与所述相变单元
②
和所述参考臂
⑤
相连，功能是将输入光谱等量地分成上下两臂，从而实现干涉输出。
18.优选地，所述多个相变单元
②
由所述金属电极
⑥
与所述相变材料
⑦
组合而成。
19.优选地，所述金属电极
⑥
为金电极或铬电极,形状为片状锥形，在同一个所述相变单元
②
中的上下所述金属电极
⑥
的尖端需对齐形成纳米间隙，以放电激发所述相变材料
⑦
。
20.优选地，所述相变材料
⑦
为五碲二锑化锗，其表面由二氧化硅进行包覆，以形成等离子存储单元。
21.优选地，所述多个相变单元
②
之间连接方式是由硅片进行单元串联，所述相变单元
②
用于改变所述下路的相位，从而使得所述上下两臂光谱产生相位差，且通过所述多个相变单元
②
的级联实现相位差的增加，从而放大所述上下两臂光谱产生的相位差。
22.优选地，所述耦合器
③
在结构末端连接所述相变单元
②
和所述参考臂
⑤
，用于耦合所述上下两路光从而产生干涉。
23.优选地，所述探测器
④
与所述耦合器
③
相连接，用于探测干涉光信号并将其转换为电信号，方便后续信号处理恢复出输入光谱。
24.最后，应当予以说明的是：以上所述实施例仅仅是本发明为清楚地说明本发明所作的较佳举例，但这并不是对本发明的实施方案的限制，所属领域的普通技术人员应当理解，以上方案中技术特征可以任意组合，在上述具体实施方式的基础上还可以做出其它不同形式的修改或对部分技术特征进行同等替换，这里无法对所有的实施方式予以穷举，因而，凡在本发明的精神和原则之内，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的所有的任何修改、改进、等同替换等等，都应处于本发明请求保护的技术范围之内。