一种缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪

本发明涉及光谱仪，具体涉及一种缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪。

背景技术：

1、光谱分析技术通过发射吸收和散射等方式实现准确迅速的非接触式传感检测，在生化传感和材料分析等方面有着无可比拟的优势。传统的分立器件光谱仪或因光束控制单元、或因频谱分光单元或者干涉单元，不可避免具有体积大、质量重、成本高问题。光谱仪的应用范围极广，现有的商用光谱仪受限于使用环境的瓶颈问题，而片上光谱仪作为光谱仪小型化的重要一环，具有体积小，更便携等优点，因此微型化和芯片化是光谱仪的必然发展趋势。经过30年的发展，目前片上光子集成已经成为光谱仪小型化的重要技术途径。

2、目前，空间光谱仪多为基于光栅分光的色散型光谱仪，该类型的分立器件由于必须要通过一定的光程来积累色散，体积通常很大。现有的片上集成光谱仪根据原理大致可以分为四大类：分别是色散型光谱仪、滤波型光谱仪、傅里叶变换型光谱仪、计算重构型光谱仪。基于色散和滤波型的光谱仪最早被提出，这两种光谱仪分光依赖于一对一的光谱－空间映射，常见的技术路径有阵列波导光栅、浅刻蚀光栅、微环阵列。这种映射方式虽然直观，但想要获得较高的分辨率，往往需要较大的器件尺寸。

3、2000年前后，开始出现片上傅里叶光谱仪，该类型光谱仪扫描速度比色散型快得多，光学元件也比较少，主要依赖于干涉仪器件，因此信噪比较好。片上傅里叶变换光谱仪，尺寸主要受限于光程差和干涉仪的个数，尺寸在前述基础上有改进，但进一步降低有一定挑战性。与前述光谱仪相比，计算重构型光谱仪的显著特点为具有更加复杂的一对多光谱－空间映射。与前述色散或滤波型光谱仪可以直接获得原始光谱不同，计算光谱仪需要复杂的重构算法来解码原始光谱，但可以大大提高空间的利用率，提高器件的集成度。这种一对多的光谱－空间映射关系在数学上可以表示为一个光谱空间与物理空间转换的矩阵，常见的技术路线有片上无序散射结构、多模螺旋波导。多数的散射结构都是固定的输入未知，对散射结构的利用率较低，因此都在带宽方面有所限制。

4、但是，多数的散射结构都是固定的输入未知，对散射结构的利用率较低，因此都在带宽方面有所限制；而且这种无序散射结构所形的散斑来自于结构中多次的散射，会导致光谱仪在垂直方向损耗较大；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，需要较长的尺寸和路径提供足够的无序度。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的问题，本发明提供一种缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，能够在缩小高分辨率片上集成计算光谱仪尺寸的同时，实现少数电极控制加热程度进而实现对光输出位置的精准调控；能够在有限的尺寸内极大限度地提高缺陷多模波导中光波的散射无序度，解决了现有技术中无序散射结构会导致光谱仪在垂直方向损耗较大、多模螺旋波导需要较长的尺寸和路径提供足够的无序度、无序散射结构利用率较低导致在带宽方面较小的问题。

2、本发明提供的一种缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，包括芯片平台和设置于所述芯片平台内的输入波导模块、缺陷多模波导和输出波导阵列，所述输入波导模块、所述缺陷多模波导和所述输出波导阵列沿光照方向按顺序依次连接设置，所述输入波导模块内设有相互配合的狭缝聚焦透镜组件和电热调光开关组件，所述缺陷多模波导边缘设有多处位置分布均匀、形状随机、深度和宽度随机的散射缺陷结构，所述缺陷多模波导的宽度＞高分辨率片上集成计算光谱仪工作波长的一倍或多倍，所述输出波导阵列内设有由多个单模光波导组成的单模光波导阵列，所述狭缝聚焦透镜组件和所述电热调光开关组件能够通过加热和聚焦的方式调整所述输入波导模块输出至所述缺陷多模波导的光波位置，所述散射缺陷结构能够提高穿过所述缺陷多模波导的光波的散射无序度。

3、本发明作进一步改进，所述芯片平台为绝缘体上硅平台，包括从上而下的二氧化硅包覆层、波导安置硅层、二氧化硅层和硅衬底层，所述电热调光开关组件设置于所述二氧化硅包覆层内，所述狭缝聚焦透镜组件、所述缺陷多模波导和所述输出波导阵列均设置于所述波导安置硅层内。

4、本发明作进一步改进，所述波导安置硅层的厚度为220nm。

5、本发明作进一步改进，所述电热调光开关组件包括金属电极和蛇形热电阻，所述金属电极与所述蛇形热电阻电连接，所述蛇形热电阻呈蛇形平铺设置于所述二氧化硅层包覆层内，所述蛇形热电阻整体组成两组相适配的类三角形加热区域。

6、本发明作进一步改进，所述狭缝聚焦透镜组件包括两组沿光照方向分别设置于所述蛇形热电阻两侧的调光狭缝组，所述调光狭缝组整体呈单侧凹面型，所述调光狭缝组由多条平行排列、宽度一致的调光狭缝组成，所述调光狭缝长度从所述调光狭缝组的两端至中间逐渐减小，两组所述调光狭缝组与所述蛇形热电阻整体呈凹透镜型。

7、本发明作进一步改进，所述输入波导模块的入射波导为单模波导，其中，单模波导的宽度为500nm。

8、本发明作进一步改进，所述缺陷多模波导沿光照方向的长度≥10um。

9、本发明作进一步改进，所述散射缺陷结构的形状包括弧线凹槽型和多边形。

10、本发明作进一步改进，所述散射缺陷结构的深度和宽度均小于所述缺陷多模波导的宽度的一半。

11、本发明作进一步改进，所述输出波导阵列内还设有绝热锥形波导，所述缺陷多模波导通过所述绝热锥形波导与所述单模光波导阵列连通。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，通过在高分辨率片上集成计算光谱仪内设置互相配合的输入波导模块、缺陷多模波导和输出波导阵列，输入波导模块内的狭缝聚焦透镜组件和电热调光开关组件，狭缝聚焦透镜组件和电热调光开关组件能够通过加热和聚焦的方式调整输入波导模块输出至缺陷多模波导的光波位置，散射缺陷结构能够提高穿过缺陷多模波导的光波的散射无序度，能够在缩小高分辨率片上集成计算光谱仪尺寸的同时，实现少数电极控制加热程度进而实现对光输出位置的精准调控，在保证分辨率和降低损耗的基础上通过电极调控光输出位置，还能够实现高分辨率片上集成计算光谱仪工作带宽的展宽；而且在缺陷多模波导内设置的散射缺陷结构，能够在有限的尺寸内极大限度地提高缺陷多模波导中光波的散射无序度，也可以较大幅度的缩小高分辨率片上集成计算光谱仪尺寸；输出波导阵列内设有由多个单模光波导组成的单模光波导阵列，能够采集不同位置的光强；解决了现有技术中无序散射结构会导致光谱仪在垂直方向损耗较大、多模螺旋波导需要较长的尺寸和路径提供足够的无序度、无序散射结构利用率较低导致在带宽方面较小的问题。

技术特征：

1.一种缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，其特征在于：包括芯片平台和设置于所述芯片平台内的输入波导模块、缺陷多模波导和输出波导阵列，所述输入波导模块、所述缺陷多模波导和所述输出波导阵列沿光照方向按顺序依次连接设置，所述输入波导模块内设有相互配合的狭缝聚焦透镜组件和电热调光开关组件，所述缺陷多模波导边缘设有多处位置分布均匀、形状随机、深度和宽度随机的散射缺陷结构，所述缺陷多模波导的宽度＞高分辨率片上集成计算光谱仪工作波长的一倍或多倍，所述输出波导阵列内设有由多个单模光波导组成的单模光波导阵列，所述狭缝聚焦透镜组件和所述电热调光开关组件能够通过加热和聚焦的方式调整所述输入波导模块输出至所述缺陷多模波导的光波位置，所述散射缺陷结构能够提高穿过所述缺陷多模波导的光波的散射无序度。

2.根据权利要求1所述的缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，其特征在于：所述芯片平台为绝缘体上硅平台，包括从上而下的二氧化硅包覆层、波导安置硅层、二氧化硅层和硅衬底层，所述电热调光开关组件设置于所述二氧化硅包覆层内，所述狭缝聚焦透镜组件、所述缺陷多模波导和所述输出波导阵列均设置于所述波导安置硅层内。

3.根据权利要求2所述的缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，其特征在于：所述波导安置硅层的厚度为220nm。

4.根据权利要求2或3所述的缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，其特征在于：所述电热调光开关组件包括金属电极和蛇形热电阻，所述金属电极与所述蛇形热电阻电连接，所述蛇形热电阻呈蛇形平铺设置于所述二氧化硅层包覆层内，所述蛇形热电阻整体组成两组相适配的类三角形加热区域。

5.根据权利要求4所述的缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，其特征在于：所述狭缝聚焦透镜组件包括两组沿光照方向分别设置于所述蛇形热电阻两侧的调光狭缝组，所述调光狭缝组整体呈单侧凹面型，所述调光狭缝组由多条平行排列、宽度一致的调光狭缝组成，所述调光狭缝长度从所述调光狭缝组的两端至中间逐渐减小，两组所述调光狭缝组与所述蛇形热电阻整体呈凹透镜型。

6.根据权利要求5所述的缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，其特征在于：所述输入波导模块的入射波导为单模波导，其中，单模波导的宽度为500nm。

7.根据权利要求6所述的缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，其特征在于：所述缺陷多模波导沿光照方向的长度≥10um。

8.根据权利要求7所述的缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，其特征在于：所述散射缺陷结构的形状包括弧线凹槽型和多边形。

9.根据权利要求8所述的缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，其特征在于：所述散射缺陷结构的深度和宽度均小于所述缺陷多模波导的宽度的一半。

10.根据权利要求9所述的缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，其特征在于：所述输出波导阵列内还设有绝热锥形波导，所述缺陷多模波导通过所述绝热锥形波导与所述单模光波导阵列连通。

技术总结
本发明提供一种缺陷多模波导的高分辨率片上集成计算光谱仪，包括输入波导模块、缺陷多模波导和输出波导阵列沿光照方向按顺序依次连接设置，输入波导模块内设有狭缝聚焦透镜组件和电热调光开关组件，缺陷多模波导边缘设有多处位置分布均匀、形状随机、深度和宽度随机的散射缺陷结构，缺陷多模波导的宽度＞高分辨率片上集成计算光谱仪工作波长的一倍或多倍，输出波导阵列内设有由多个单模光波导组成的单模光波导阵列。本发明的有益效果为：能够缩小尺寸，能够实现少数电极控制对光输出位置的精准调控，能够在有限的尺寸内提高光波的散射无序度。

技术研发人员：徐科,张子萌
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15