一种新型片上级联光谱仪结构

1.本申请涉及光谱仪结构，具体涉及一种新型片上级联光谱仪结构。


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，通常因体积庞大、价格昂贵限制了其应用范围。而集成化、小型化、便携化与价格低廉的片上光谱仪能够突破应用局限，同时有效降低相关领域产品价格，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。其中，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。
3.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，其关键技术在于干涉两臂光程差的产生。目前在光谱仪结构设计中常用多个臂长差不同的mzi构成一个阵列，从物理上引入不同的光程差，但这种方法需要大量的探测器，器件集成尺寸较大、复杂度较高。此外，使用热光效应引入光程差的方式也很难控制，其在实时响应方面也存在明显不足。因此，实现高分辨率、大带宽等性能指标的同时进行片上集成是当前片上光谱仪结构研究的重点。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种新型片上级联光谱仪结构。该结构的核心部件为离散光程差光谱仪和连续光程差光谱仪，通过离散光程差串联连续光程差的方法实现超窄间隔光程差可调，从而有效提高光谱仪的测量范围和分辨率。其输出端仅需要一个光电探测器即可完成干涉图样的测量，能够有效减少片上光谱仪的尺寸和复杂度。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型片上级联光谱仪结构，包括：
6.—输入，用于导入信号光；
7.—离散光谱仪，用于对导入信号光的光程差进行离散调节；
8.—连续光谱仪，用于对导入信号光的光程差进行连续调节；
9.—光电探测器，用于对信号光的光程差变化形成的干涉图样进行测量。
10.进一步的，所述离散光谱仪和所述连续光谱仪都包括功分器、上下臂、合束器。
11.进一步的，所述离散光谱仪与所述连续光谱仪通过串联方式连接。
12.进一步的，所述离散光谱仪的上下臂各包括两个路径选择开关、合束器和传输通道。
13.进一步的，通过所述离散光谱仪上下臂的路径选择开关和路径长度的设置，可使所述离散光谱仪的光程差等间隔变化且有效增加等间隔光程差个数。
14.进一步的，所述连续光谱仪的上臂包含一个加热器。
15.进一步的，通过所述加热器对所述连续光谱仪上臂的加热，可使上臂有效折射率发生改变，从而使得所述连续光谱仪的光程差连续变化。
16.进一步的，所述离散光谱仪与所述连续光谱仪通过串联方式连接，可使离散光程差和连续光程差进行叠加，使得总光程差增大且可提高可变光程差的分辨率。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点：
18.该新型片上级联光谱仪结构采用离散光程差串联连续光程差的方法实现超窄间隔光程差可调，从而有效增大光谱仪的测量范围；该种串联方式也能够增加最大光程差范围，提高了光谱仪的分辨率，提高光谱测量效率；其输出端仅需要一个光电探测器即可完成干涉图样的测量，能够有效减少片上光谱仪的尺寸和复杂度。
附图说明
19.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：
20.图1示出了本发明实施例中一种新型片上级联光谱仪的结构示意图。
21.图中：100为输入；200为离散光谱仪；300为连续光谱仪；400为光电探测器。210为组成离散光谱仪的功分器；220为组成离散光谱仪的上臂；230为组成离散光谱仪的下臂，与220结构一致；240为组成离散光谱仪的合束器。310为组成连续光谱仪的功分器；320为组成连续光谱仪的上臂；330为组成连续光谱仪的下臂；340为组成连续光谱仪的合束器。221和222为组成离散光谱仪上臂的路径选择器，223为组成离散光谱仪上臂的合束器。321为组成连续光谱仪上臂的加热器。
22.图2示出了运用新型片上级联光谱仪进行光程差调节的示意图。
具体实施方式
23.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。
24.如图1所示，一种新型片上级联光谱仪结构，包括输入、离散光谱仪、连续光谱仪和光电探测器；所述离散光谱仪和所述连续光谱仪都包括功分器、上下臂、合束器。
25.进一步的，所述离散光谱仪与所述连续光谱仪通过串联方式连接。
26.进一步的，所述离散光谱仪的上下臂各包括两个路径选择开关、合束器和传输通道。
27.进一步的，通过所述离散光谱仪上下臂的路径选择开关和路径长度的设置，可使所述离散光谱仪的光程差等间隔变化且有效增加等间隔光程差个数。
28.进一步的，所述连续光谱仪的上臂包含一个加热器。
29.进一步的，通过所述加热器对所述连续光谱仪上臂的加热，可使上臂有效折射率发生改变，从而使得所述连续光谱仪的光程差连续变化。
30.进一步的，所述离散光谱仪与所述连续光谱仪通过串联方式连接，可使数字光程差和连续光程差进行叠加，使得总光程差增大且提高可变光程差的分辨率。
31.以下结合实施例对本申请中提出的新型片上级联光谱仪的具体结构进行描述：
32.实施例1：运用新型片上级联光谱仪进行光程差的调节
33.如图2所示，通过上下两臂4个不同路径长度(-δl(负值为相对于参考长度)、-4δ
l、2δl和8δl)可以产生间隔为δl的15个光程差，以此类推，当上下两臂路径选择开关个数为2n时，能够产生的等间隔光程差个数为2
2n-1。具体分析如下：对于上臂来说，通过路径选择开关，从功分器到合束器的路径长度分别为0、-δl、-4δl和-5δl，下臂的长度分别为0、2δl、8δl和10δl，于是上下两臂的光程差可以通过控制上下两臂的路径选择开关实现如下表所示的δl到15δl。
34.上下两臂光程差0-δl-4δl-5δl00δl4δl5δl2δl2δl3δl6δl7δl8δl8δl9δl12δl13δl10δl10δl11δl14δl15δl
35.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，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。


技术特征：
1.一种新型片上级联光谱仪结构，其特征在于，包括—输入(100)，用于导入信号光；—离散光谱仪(200)，用于对导入信号光的光程差进行离散调节；—连续光谱仪(300)，用于对导入信号光的光程差进行连续调节；—光电探测器(400)，用于对信号光的光程差变化形成的干涉图样进行测量。2.根据权利要求1所述的新型片上级联光谱仪结构，其特征在于，所述离散光谱仪和所述连续光谱仪都包括功分器、上下臂、合束器。3.根据权利要求1所述的新型片上级联光谱仪结构，其特征在于，所述离散光谱仪与所述连续光谱仪通过串联方式连接。4.根据权利要求2所述的离散光谱仪结构，其特征在于，所述离散光谱仪的上下臂各包括两个路径选择开关、合束器和传输通道。5.根据权利要求4所述的离散光谱仪结构，其特征在于，通过所述离散光谱仪上下臂的路径选择开关和路径长度的设置，可使所述离散光谱仪的光程差等间隔变化且有效增加等间隔光程差个数。6.根据权利要求2所述的新型片上级联光谱仪结构，其特征在于，所述连续光谱仪的上臂包含一个加热器。7.根据权利要求6所述的新型片上级联光谱仪结构，其特征在于，通过所述加热器对所述连续光谱仪上臂的加热，可使上臂有效折射率发生改变，从而使得所述连续光谱仪的光程差连续变化。8.根据权利要求1所述的新型片上级联光谱仪结构，其特征在于，所述离散光谱仪与所述连续光谱仪通过串联方式连接，可使数字光程差和连续光程差进行叠加，使得总光程差增大且提高可变光程差的分辨率。

技术总结
本发明公开了一种新型片上级联光谱仪结构，包括输入、离散光谱仪、连续光谱仪和光电探测器。所述离散光谱仪和所述连续光谱仪都包括功分器、上下臂、合束器。所述离散光谱仪的上下臂各包括两个路径选择开关、合束器和传输通道。所述连续光谱仪的上臂包含一个加热器。所述离散光谱仪与所述连续光谱仪通过串联方式连接。该新型片上级联光谱仪结构采用离散光程差串联连续光程差的方法实现超窄间隔光程差可调，从而有效增大光谱仪的测量范围，提高了光谱仪的分辨率，提高光谱测量效率；其输出端仅需要一个光电探测器即可完成干涉图样的测量，能够有效减少片上光谱仪的尺寸和复杂度，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。


技术研发人员：刘玉菲 黄缀利 龙晓静 韩亚琴
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.10.27
技术公布日：2023/2/3