一种多级阶梯结构的温度变化扫描微型光谱仪的制作方法

1.本实用新型涉及光纤通讯及光学领域，尤其涉及一种多级阶梯结构的温度变化扫描微型光谱仪。


背景技术：

2.aegis专利us6985281及us7304799，釆用热硅标准具，腔体厚度为2～4波长；反射膜的对数为4～5对，通常约200度左右温度变化，扫描透过波长约15nm。实际使用时釆用瞬间加热方式，温度或许可达几百度，以实现40nm左右c或者l一个波段的光谱扫描。若是要提高光谱分辨率，则反射膜层对数需要增加——其承受瞬间温度变化范围必须降低，这样就需要二组或者二组以上热标准具的组合，这就大大提高了制作成本；另外若是要求一次性测量c+l波段，即使不提高光谱分辨率，则亦是需要两组或者两组以上同一类产品的组合，同样的是面临成本增加的问题和压力。
3.中国专利201010607065.4“一种多波长输出的标准具及其制作方法”中，提出了一种在标准具腔体上镀与腔体同一材质的多台阶的膜层，使腔体腔长有微小变化，从而实现不改变入射光方向，可以同时透过多个不同波长的标准具。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种多级阶梯结构的温度变化扫描微型光谱仪。
5.本实用新型采用的技术方案是：
6.一种多级阶梯结构的温度变化扫描微型光谱仪，其包括沿光路依次设置的光纤输入单元、准直器、多级阶梯标准具结构和探测接收单元，光纤输入单元接收光纤输出设备输出的一路或者多路激光信号，并将激光信号输出至准直器，准直器将激光信号出射至多级阶梯标准具结构，多级阶梯标准具结构包括至少一个具有台阶标准具的台阶标准具，台阶标准具的台阶标准具的高度逐级增加，多级阶梯标准具结构将线宽内光谱在空间中分割为多波段；探测接收单元包括聚焦透镜和pd阵列；多级阶梯标准具结构输出的激光信号通过聚焦透镜入射至pd阵列中。
7.进一步地，光纤输出设备为现有常规的热硅标准具微型光谱仪或者mems光栅微型光谱仪。
8.进一步地，光纤输入单元包括光纤输入端和隔离器，光纤输入端通过隔离器与准直器连接。
9.进一步地，光纤输入单元包括光纤输入端、分光器和隔离器；光纤输入端连接分光器，分光器具有至少两路输出端，分光器的一路输出端连接第一pd，第一pd获取原始光谱；分光器的其他路输出端通过隔离器与准直器连接。
10.进一步地，多级阶梯标准具结构采用单一台阶标准具，台阶标准具具有一多级台阶面和一平坦底面，底面背离台阶面设置；或者多级阶梯标准具结构采用由两个台阶标准具的底面连接形成对称的台阶式双腔标准具；
11.具体地，当采用单一台阶标准具时，台阶标准具的底面与准直器的输出端相对设置，或者台阶标准具的底面与聚焦透镜的入射端相对设置。
12.进一步地，多级阶梯标准具结构包括依次设置的cwdm模块和台阶型热硅标准具，台阶型热硅标准具具有一加热层上并由加热层进行加热控温。
13.进一步地，cwdm模块包括玻璃基片以及设于玻璃基片出射底面的若干不同波长的阶跃台阶型膜片，玻璃基片背离膜片的一面设有反射层，每个膜片透射一定带宽的光并反射其余光至玻璃基片，玻璃基片上的反射层将对应的光反射至下一级的膜片，在不同位置透射出不同波长的光。
14.进一步地，每个膜片的台阶斜坡谱型波段位于其后一级膜片的透射波段，使得相邻两组膜片在台阶斜坡部分均有扫描光谱，以便拼接出完整谱型。
15.具体地，准直器光输入到cwdm模块内，入射到第一个膜片，透射出第一波段的光，其余光反射回玻璃基片，经由玻璃基片上的反射层反射后进入第二个膜片；透射出第二波段光
…
依次类推，最后将在不同位置透射出具有不同波段的光，每束光的带宽约为15nm。
16.进一步地，台阶型热硅标准具由腔体介质先镀相同的基础厚度后再采用掩膜的方式镀出不同厚度差的同质膜腔体，标准具腔体内的上下表面均设有反射层，入射光零角度入射台阶型热硅标准具。
17.进一步地，腔体介质为a-si、a-sih、a-sigeh或a-geh。
18.进一步地，基础厚度对应4.5波长。
19.进一步地，聚焦透镜为柱形聚焦透镜阵列。
20.本实用新型采用以上技术方案，设置多级阶梯标准具结构，多级阶梯标准具结构包括至少一个具有台阶标准具的台阶标准具，台阶标准具的台阶标准具的高度逐级增加，多级阶梯标准具结构将线宽内光谱在空间中分割为多波段；配置对应的pd阵列或者cmos传感器，从而提高其光谱分辨率。
附图说明
21.以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明；
22.图1为本实用新型一种多级阶梯结构的温度变化扫描微型光谱仪的结构原理示意图；
23.图2为本实用新型实施例1的结构原理示意图；
24.图3为本实用新型实施例2的结构原理示意图；
25.图4为本实用新型单一台阶标准具的安装状态示意图之一
26.图5为本实用新型单一台阶标准具的安装状态示意图之二
27.图6为本实用新型台阶式双腔标准具的结构示意图；
28.图7为本实用新型实施例3的结构示意图；
29.图8为本实用新型实施例3的台阶cwdm模块的结构示意图；
30.图9为本实用新型实施例3的台阶型热硅标准具的结构示意图。
具体实施方式
31.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例
中的附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
32.如图1至9之一所示，本实用新型公开了一种多级阶梯结构的温度变化扫描微型光谱仪，其包括沿光路依次设置的光纤输入单元、准直器、多级阶梯标准具结构和探测接收单元，光纤输入单元接收光纤输出设备输出的一路或者多路激光信号，并将激光信号输出至准直器，准直器将激光信号出射至多级阶梯标准具结构，多级阶梯标准具结构包括至少一个具有台阶标准具的台阶标准具，台阶标准具的高度逐级增加，多级阶梯标准具结构将线宽内光谱在空间中分割为多波段；探测接收单元包括聚焦透镜和pd阵列；多级阶梯标准具结构输出的激光信号通过聚焦透镜入射至pd阵列中。
33.进一步地，光纤输出设备为现有常规的热硅标准具微型光谱仪或者mems光栅微型光谱仪。
34.进一步地，光纤输入单元包括光纤输入端和隔离器，光纤输入端通过隔离器与准直器连接。
35.进一步地，光纤输入单元包括光纤输入端、分光器和隔离器；光纤输入端连接分光器，分光器具有至少两路输出端，分光器的一路输出端连接第一pd，第一pd获取原始光谱；分光器的其他路输出端通过隔离器与准直器连接。
36.进一步地，多级阶梯标准具结构采用单一台阶标准具，台阶标准具具有一多级台阶面和一平坦底面，底面背离台阶面设置；或者多级阶梯标准具结构采用由两个台阶标准具的底面连接形成对称的台阶式双腔标准具；
37.具体地，当采用单一台阶标准具时，台阶标准具的底面与准直器的输出端相对设置，或者台阶标准具的底面与聚焦透镜的入射端相对设置。
38.进一步地，多级阶梯标准具结构包括依次设置的cwdm模块和台阶型热硅标准具，台阶型热硅标准具具有一加热层上并由加热层进行加热控温。
39.进一步地，cwdm模块包括玻璃基片以及设于玻璃基片出射底面的若干不同波长的阶跃台阶型膜片，玻璃基片背离膜片的一面设有反射层，每个膜片透射一定带宽的光并反射其余光至玻璃基片，玻璃基片上的反射层将对应的光反射至下一级的膜片，在不同位置透射出不同波长的光。
40.进一步地，每个膜片的台阶斜坡谱型波段位于其后一级膜片的透射波段，使得相邻两组膜片在台阶斜坡部分均有扫描光谱，以便拼接出完整谱型。
41.具体地，准直器光输入到cwdm模块内，入射到第一个膜片，透射出第一波段的光，其余光反射回玻璃基片，经由玻璃基片上的反射层反射后进入第二个膜片；透射出第二波段光
…
依次类推，最后将在不同位置透射出具有不同波段的光，每束光的带宽约为15nm。
42.进一步地，台阶型热硅标准具由腔体介质先镀相同的基础厚度后再采用掩膜的方式镀出不同厚度差的同质膜腔体，标准具腔体内的上下表面分别设有反射层，入射光零角度入射台阶型热硅标准具。
43.进一步地，腔体介质为a-si、a-sih、a-sigeh或a-geh。
44.进一步地，基础厚度对应4.5波长。
45.进一步地，聚焦透镜为柱形聚焦透镜阵列。
46.下面就具体的实施例对本实用新型的具体结构做详细说明。
47.实施例1：
48.如图2所示，光纤输出设备为现有常规的热硅标准具微型光谱仪或者mems光栅微型光谱仪，光纤输出设备输出多路的激光信号至光纤输入单元，光纤输入单元包括光纤输入端和隔离器，光纤输入端通过隔离器与准直器1连接。 作为一种可行实施方式，光纤输入端通过微型光谱仪（micro ocm）连接隔离器，微型光谱仪用于监测信道功率。
49.多级阶梯标准具结构采用单一台阶标准具2，台阶标准具2具有一多级台阶面和一平坦底面，底面背离台阶面设置；如图4或5所示，当采用单一台阶标准具2时，台阶标准具2的底面与准直器1的输出端相对设置，或者台阶标准具2的底面与聚焦透镜3的入射端相对设置。多级阶梯标准具结构输出的激光信号通过聚焦透镜3入射至pd阵列4中。
50.如图6所示，作为另一中可行实施方式，提出一种新的台阶式双腔标准具设计，即多级阶梯标准具结构采用由两个台阶标准具2的底面连接形成对称的台阶式双腔标准具；台阶式双腔标准具可以改善光谱的波型更接近方形，台阶双腔标准具可以是一维的，也可以是正交的二维。
51.本实用新型在可见光波段亦可以采用cmos传感器，作为二维台阶标准具的探测。
52.作为较优实施方式，本实用新型采用球关节空心玻璃管连接，以保证高度温度稳定性。
53.进一步地，聚焦透镜3为柱形聚焦透镜阵列。
54.实施例2：
55.如图3所示，作为一种改进实施方式，实施例2采用分光器和第一pd获得原始最初的光谱，以作为通过标准具分段光谱对比图。即光纤输出设备为现有常规的热硅标准具微型光谱仪或者mems光栅微型光谱仪，光纤输出设备输出激光信号至光纤输入单元；
56.光纤输入单元包括光纤输入端、分光器和隔离器；光纤输入端连接分光器，分光器具有至少两路输出端，分光器的一路输出端连接第一pd，第一pd获取原始光谱；分光器的其他路输出端通过隔离器与准直器1连接。
57.多级阶梯标准具结构采用单一台阶标准具2，台阶标准具2具有一多级台阶面和一平坦底面，底面背离台阶面设置；当采用单一台阶标准具2时，台阶标准具2的底面与准直器1的输出端相对设置，或者台阶标准具2的底面与聚焦透镜3的入射端相对设置。多级阶梯标准具结构输出的激光信号通过聚焦透镜3入射至pd阵列4中。
58.进一步地，聚焦透镜3为柱形聚焦透镜。
59.本实施例2中在光纤输出端加隔离器和分光检测，并重新准直主要输出激光，放置fsr为其光谱线宽的含一组一维或微台阶单腔或者双腔标准具，将微型光谱仪输出线宽内光谱在空间中分割为多波段标准具，配置对应的pd阵列4或者cmos传感器，从而提高其光谱分辨率。实施例3：
60.如图7至9之一所示，作为另一种改进实施方式，光纤输出设备为现有常规的热硅标准具微型光谱仪或者mems光栅微型光谱仪，光纤输出设备输出激光信号至光纤输入端；
61.光纤输入端将多路激光信号入射至一隔离器与准直器1连接；或者光纤输入端连接一分光器，分光器具有至少两路输出端，分光器的一路输出端连接第一pd，第一pd获取原始光谱；分光器的其他路输出端通过一隔离器与准直器1连接。
62.多级阶梯标准具结构包括依次设置的cwdm模块50和台阶型热硅标准具，台阶型热硅标准具包括多阶梯的介质腔7和加热层8，并由加热层进行加热控温；
63.准直器光输入到cwdm模块内，入射到第一个膜片，透射出第一波段的光，其余光反射回玻璃基片，经由玻璃基片上的反射层反射后进入第二个膜片；透射出第二波段光
…
依次类推，最后将在不同位置透射出具有不同波段的光，每束光的带宽约为15nm。
64.进一步地，台阶型热硅标准具由腔体介质先镀相同的基础厚度后再采用掩膜的方式镀出不同厚度差的同质膜腔体。
65.进一步地，腔体介质为a-si、a-sih、a-sigeh或a-geh。
66.进一步地，基础厚度对应4.5波长。
67.如图9所示，台阶型热硅标准具包括多阶梯a-si,a—si:h,a-sige:h,a-ge:h介质腔7和加热层8，标准具的介质腔7体上下表面分别设有反射层，每级台阶对应不同的介质腔7厚度，光经过各个台阶的介质腔7标准具后，对应透射出不同中心波长的光，每束光的带宽理论可达8pm。加热层8可以将介质腔7温度提高到几百度，使得单个台阶对应的介质腔7在一次温度变化内即可扫描约20nm带宽的光。两者之间的配合过程：假设有150nm带宽的光从准直器1输入，经cwdm模块后在空间内分割出10束带宽约15nm的光，再经由台阶型硅热标准具后，在空间内分割出10束带宽约8pm的光，经由透镜阵列聚焦到pd探测器阵列逐个探测。通过加热层8控制温度变化，可一次性将所有150nm带宽的光按每8pm的带宽依次滤出探测，极大提高光谱仪的分辨率和工作效率。
68.进一步地，聚焦透镜为柱形聚焦透镜阵列。
69.进一步地，准直器1的出射面为球面，透镜阵列靠近台阶型热硅标准具一侧为球面阵列。
70.实施例3釆用镀膜技术并制作a-si,a—si:h,a-sige:h,a-ge:h膜层为温变标准具中间腔体介质，釆用逐段掩膜方式形成腔体厚度逐段微小变化的多级阶梯结构，形成同一温度透过不同中心波长、相邻两级中心波长差值小于温度变化范围内单级标准具扫描波长范围。
71.本实用新型采用以上技术方案，设置多级阶梯标准具结构，多级阶梯标准具结构包括至少一个具有台阶标准具的台阶标准具，台阶标准具的台阶标准具的高度逐级增加，多级阶梯标准具结构将线宽内光谱在空间中分割为多波段；配置对应的pd阵列或者cmos传感器，从而提高其光谱分辨率。
72.显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。