基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法

本发明涉及光谱传感，特别是涉及一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法。

背景技术：

1、光学光谱仪是通过光辐射和吸收分析物质组成的基本仪器，在生物化学传感、材料分析、高光谱成像和光源表征等领域有着重要应用。传统的台式光谱仪可以在较宽的带宽上提供高分辨率。然而，它们庞大的体积、高昂的成本和复杂的设备使它们不适合在实验室外使用。在对实时和低成本光谱分析日益增长的需求的推动下，集成光谱仪吸引了极大地的关注。光谱仪的芯片级小型化可以为需要原位表征或高密度集成的应用开辟新的机会，例如食品安全检测、生物化学分析、高光谱成像，智能健康监测等，对改善人们的生活质量有着极大的帮助。

2、目前已经在二氧化硅、氮化硅(sin)以及硅光子平台上成功开发了各种片上光谱仪。其中，绝缘体上硅(soi)平台因其具有的高折射率对比度和互补金属氧化物半导体(cmos)兼容性，被认为是制造低成本、高集成度片上光谱仪的理想解决方案。此外，硅的超宽透明窗口(1.1-8μm)涵盖了近红外和中红外光谱中常用的光谱范围。目前已经证明了一些基于soi平台的高分辨率片上光谱仪，同时具有亚厘米级的面积。

3、微型片上光谱仪在生物化学分析和气体传感等方面的应用常需要高分辨率以进行精细的光谱识别。同时还需要覆盖适当的工作带宽以实现足够的测量工作范围。目前，片上光谱仪按照其工作原理可分为色散型、窄带滤波型、傅里叶变换型和重建型四种类型。色散型片上光谱仪具有尺寸小、重复性好、集成度高等优点，但其通道间串扰大且对制造缺陷有高灵敏度，最终影响了信噪比。窄带滤波型光谱仪可以通过窄带滤波器选择性地传输特定波长的光，之后通过探测器同时测量滤波后所有光谱分量的输出。然而，窄带滤波型光谱仪的分辨率固有的受到窄带滤波器的限制，限制了其进一步发展。傅里叶变换型光谱仪(fts)主要原理是基于光的干涉，利用干涉仪来调制入射到单个探测器上的光，并在探测器处收集“干涉图”(信号强度随时间或光程差的函数)，然后通过傅里叶变换转换为波长相关的光谱。然而，最先进的硅光子shfts仅显示出1.55μm附近的窄带工作，因此在当前公开的技术中，光谱仪无法做到同时拥有高分辨率和大宽带。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法，能够通过对波导布拉格光栅阵列进行预校准来获得合适的传输矩阵，并在光谱重建算法的帮助下对入射的未知光谱进行重建，得到同时拥有高分辨率和大带宽的片上重建型光谱仪。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，包括：输入耦合器、输入波导、功率分配模块和多个波导布拉格光栅滤波模块；

4、其中，所述波导布拉格光栅滤波模块包括依次连接的波导布拉格光栅滤波器、输出波导和输出耦合器；

5、所述输入耦合器的输出端与所述输入波导的输入端连接；所述输入波导的输出端与所述功率分配模块的输入端连接；所述功率分配模块包括多个输出端，且各所述输出端与一个所述波导布拉格光栅滤波器的输入端连接。

6、可选地，所述输入耦合器采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构。

7、可选地，所述功率分配模块采用定向耦合器阵列或级联y分支结构；所述定向耦合器阵列是由多个定向耦合器根据对应的功率耦合系数组成的。

8、可选地，所述定向耦合器，具体包括：传输总线波导、条形耦合波导和耦合输出波导；

9、所述条形耦合波导相对所述传输总线波导设置；所述耦合输出波导的输入端与所述条形耦合波导的输出端连接；所述耦合输出波导的输出端为所述定向耦合器的输出端。

10、可选地，所述波导布拉格光栅滤波器由级联的两个或多个波导布拉格光栅组成；所述波导布拉格光栅采用均匀布拉格光栅或相移布拉格光栅。

11、可选地，所述相移布拉格光栅由两个普通波导布拉格光栅及两所述普通波导布拉格光栅中间的相移波导区域组成。

12、可选地，所述波导布拉格光栅滤波器的基础传输波导采用基于soi平台的满足单模传输条件的条型si波导。

13、本发明还提供了一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪光谱分析方法，包括：

14、将波导布拉格光栅滤波器的输出端连接功率计或光电探测器，利用可调谐激光器向各所述波导布拉格光栅滤波器输入不同波长的激光信号，获得多个波导布拉格光栅滤波器的透射光谱，并构建光谱仪的传输矩阵；

15、将未知入射光引入所述光谱仪的输入耦合器中，经所述功率计或所述光电探测器，测得多个检测功率；

16、利用光谱重建算法、所述传输矩阵和各所述检测功率，对未知入射光进行计算重构，从而得到所述未知入射光的光谱信息。

17、可选地，所述检测功率的计算公式为：

18、d＝∫t(λ)s(λ)dλ

19、其中，t(λ)为所述的波导布拉格光栅滤波器的透射光谱，s(λ)为未知入射光的光谱信息，λ表示为光波长，d为通过光电探测器或功率计探测到的检测功率；将未知入射光的光谱信息s(λ)、所述的波导布拉格光栅滤波器的透射光谱t(λ)和检测功率d进行离散化处理并转为矩阵表示，得到：

20、dn×1＝tn×msm×1

21、其中，m＝1，2...m，表示波长的采样点数，n＝1，2，...n，表示波导布拉格光栅滤波器的数量。

22、可选地，利用光谱重建算法以及所获得的传输矩阵和多个检测功率，对未知入射光进行计算重构，从而获得所述未知入射光的光谱信息的步骤，包括：

23、使用线性回归算法，通过最小化所述检测功率计算公式的l2范数，从而重建未知入射光谱：

24、minimize||d-ts||2+r||b×s||2subject to 0≤s≤1，d＝ts

25、其中，d为通过光电探测器或功率计探测到的检测功率；r是正则化参数，t为传输矩阵，s为重建的入射光谱，d为检测功率，||b×s||为平滑函数，b∈r(n-1)×(n)是双对角矩阵：

26、

27、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

28、本发明公开了一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法，所述光谱仪包括输入耦合器、输入波导、功率分配模块和多个波导布拉格光栅滤波模块；所述波导布拉格光栅滤波模块包括依次连接的波导布拉格光栅滤波器、输出波导和输出耦合器；所述输入耦合器的输出端与所述输入波导的输入端连接；所述输入波导的输出端与所述功率分配模块的输入端连接；所述功率分配模块包括多个输出端，且各所述输出端与一个所述波导布拉格光栅滤波器的输入端连接。本发明能够通过对波导布拉格光栅阵列进行预校准获得合适的传输矩阵，并在光谱重建算法的帮助下对入射的未知光谱进行重建，得到同时拥有高分辨率和大带宽的片上重建型光谱仪。

技术特征：

1.一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，包括：输入耦合器、输入波导、功率分配模块和多个波导布拉格光栅滤波模块；

2.根据权利要求1所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述输入耦合器采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构。

3.根据权利要求1所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述功率分配模块采用定向耦合器阵列或级联y分支结构；所述定向耦合器阵列是由多个定向耦合器根据对应的功率耦合系数组成的。

4.根据权利要求3所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述定向耦合器，具体包括：传输总线波导、条形耦合波导和耦合输出波导；

5.根据权利要求1所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述波导布拉格光栅滤波器由级联的两个或多个波导布拉格光栅组成；所述波导布拉格光栅采用均匀布拉格光栅或相移布拉格光栅。

6.根据权利要求5所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述相移布拉格光栅由两个普通波导布拉格光栅及两所述普通波导布拉格光栅中间的相移波导区域组成。

7.根据权利要求1所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述波导布拉格光栅滤波器的基础传输波导采用基于soi平台的满足单模传输条件的条型si波导。

8.一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪光谱分析方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪的光谱分析方法，其特征在于，所述检测功率的计算公式为：

10.根据权利要求8所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪的光谱分析方法，其特征在于，利用光谱重建算法以及所获得的传输矩阵和多个检测功率，对未知入射光进行计算重构，从而获得所述未知入射光的光谱信息的步骤，包括：

技术总结
本发明公开一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法，涉及光谱传感技术领域。所述光谱仪包括：输入耦合器、输入波导、功率分配模块和多个波导布拉格光栅滤波模块；所述波导布拉格光栅滤波模块包括依次连接的波导布拉格光栅滤波器、输出波导和输出耦合器；所述输入耦合器的输出端与所述输入波导的输入端连接；所述输入波导的输出端与所述功率分配模块的输入端连接；所述功率分配模块包括多个输出端，且各输出端与一个所述波导布拉格光栅滤波器的输入端连接。本发明通过对波导布拉格光栅阵列进行预校准获得合适的传输矩阵，并在光谱重建算法的帮助下对入射的未知光谱进行重建，得到同时拥有高分辨率和大带宽的片上重建型光谱仪。

技术研发人员：郑少南,崔浩祥,胡超,胡挺,钟其泽,董渊,邱阳,赵兴岩
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1