一种可调式单通道时域采样滤波器和光谱仪的制作方法

本技术涉及计算重建式光谱仪，具体涉及一种可调式单通道时域采样滤波器和光谱仪。

背景技术：

1、光谱仪作为最基本的探测设备之一，能够有效地利用物质的光谱信息来分析其物理属性和化学组成，因此在众多领域得到广泛应用。

2、传统的光谱检测技术主要包括基于棱镜或窄带滤波器的色散式光谱仪和基于迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换式光谱仪。然而，这些光谱仪在能量损耗、体积、成本和计算复杂度等方面存在不足，难以满足当前市场对小型化和低成本光谱探测装置的需求。

3、近年来，计算式光谱仪作为一种全新的光谱探测方法受到学术界和工业界的广泛关注。其基本原理是将未知的光谱输入预先校准好的多个采样滤波器中，然后利用光电探测器逐个探测经过滤波后的光强信号。基于这些预先标定的滤波器和探测到的强度信号，可以构建一个欠定方程组，并通过相关算法来反向求解输入的光谱。与传统色散式光谱仪每个像素点都需要单独采样不同，计算式光谱仪的核心优势在于通过合适的采样滤波器组合，可以利用较少的采样次数来求解光谱频域上的大量像素点，从而极大地提高了探测效率。

4、然而，目前常见的计算式光谱仪都是在空间域上构建多个独立的采样通道，即将入射光谱的功率均匀分成多份，然后逐个输入对应的采样通道进行检测。这不可避免地导致分配到每个通道上的功率非常有限，从而降低了系统的信噪比。此外，构建多个空间采样通道会占用更大的体积，并消耗更多的资源，不利于器件的小型化。这些缺点对于片上集成器件来说尤为明显，因此需要研制一种占用体积小、易于集成且信噪比高的采样滤波器和光谱仪。

技术实现思路

1、本实用新型旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型提供了一种可调式单通道时域采样滤波器和光谱仪，具有占用体积小，集成度高、信噪比高、探测精度高和探测速度快的优点。

2、为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

3、一种可调式单通道时域采样滤波器，在使用时被配置于片上计算重建式光谱仪中，包括n级级联的非对称干涉单元，n≥3；所述非对称干涉单元包括：

4、第一波导分光元件，设置于输入端，用于将输入光按照预设的分光比分成两路输出；

5、两个干涉臂，分别接收所述第一波导分光元件两路输出的光；两个干涉臂分别具有不同长度的臂长；以及，

6、第二波导分光元件，用于将两个干涉臂的输出光合并以发生光学干涉；

7、其中，至少有三个非对称干涉单元在干涉臂上设有相位调制器；

8、相邻的两级非对称干涉单元中，上一级中第二波导分光元件的输出光作为下一级中第一波导分光元件的输入光；

9、所述可调式单通道时域采样滤波器在使用时通过调谐位于不同级联非对称干涉单元中的相位调制器以在时序上形成具有不同频谱响应的光通道。

10、上述方案，可调式单通道时域采样滤波器由于采用单通道结构，不仅可以减少空间体积，提高集成度，而且入射光谱的功率无需再分，可以完全进入单通道的滤波器，除去传输过程中的损耗，最后输出的光谱功率相比于现有输入功率被多通道均分的方案，仍得到很大地提高。如此，在采用同样的光电探测器来接收时，其信噪比会增加，从而可以提高探测精度。同时，由于片上波导的相位调制可以轻易做到毫秒甚至微秒级别，拥有极高的探测速度。

11、本实用新型进一步优选为，所述相位调制器设置在所述非对称干涉单元中的一个或者两个干涉臂上。

12、本实用新型进一步优选为，所述相位调制器至少具有三个不相同的相位调节状态。

13、通过相位调制器，可以调整该干涉臂上的光谱相位，改变其光谱响应；而控制位于多个不同联级的非对称干涉单元中相位调制器，就可以实现更多的组合，也能够增加输出光谱的随机性。

14、本实用新型进一步优选为，所述第一波导分光元件和第二波导分光元件的分光比在0.05到0.3。

15、由于波导分光元件均具有两个输入端口和两个输出端口，其分光比即为其两个输出端口的功率之比。光谱在从上一级非对称干涉单元传输到下一非对称干涉单元中时会存在衰减，随着级数的增加，衰减会逐步累积。经过实验和仿真，本方案中将分光比设计在0.05到0.3，仅能够保证每一级联中的两个干涉臂都能分到光并在滤波器输出端产生随机扰动光谱，又能够将光谱在多级传输过程中的损耗控制在可接受范围。

16、本实用新型进一步优选为，在相邻的两级非对称干涉单元中，前一级非对称干涉单元中的第二波导分光元件与后一级非对称干涉单元中的第一波导分光元件复用同一个波导分光元件。

17、本实用新型进一步优选为，在相邻的两级非对称干涉单元中被复用的波导分光元件的分光比为0.05到0.95。

18、对于复用型波导分光元件，由于其分光元件被相邻干涉仪(非对称干涉单元)复用，其系统响应无法在数学上用多个干涉仪的独立传输谱的累乘来描述。通过数值仿真手段，依然可以很容易的得到其系统传输响应。仿真结果表明，其分光比ρ在0.05到0.95的较大范围内，均能实现较理想的扰动效果。

19、本实用新型进一步优选为，在同一非对称干涉单元中，两个干涉臂的臂长差在1μm-600μm。

20、通过调整臂长差可以调整滤波器输出光谱的扰动效果，同时臂长差越大也会获得分辨率更小的光谱。当滤波器中有一个臂长差达到600μm时，在sin波导里的光速大约是1.5*108m/s，600um除以光速，就是0.004ns走完，所以光谱上的周期大约是它的倒数250ghz，在c波段100ghz大约是0.8nm，所以光谱周期大约是2nm。对应这个周期，的光谱仪能实现的分辨率大约是20pm～100pm。考虑到实际需求，目前这个分辨率是适用于所有物质含量的检测。

21、本实用新型进一步优选为，所述非对称干涉单元为马赫-增德尔干涉仪结构。

22、本实用新型进一步优选为，所述非对称干涉单元中至少有一个为无源马赫-增德尔干涉仪结构。

23、此外，本实用新型还提供了一种计算重建式光谱仪，所述计算重建式光谱仪包括光源、光电探测器以及前述所述的可调式单通道时域采样滤波器。本实用新型所提供的计算重建式光谱仪与前述可调式单通道时域采样滤波器的有益效果推理过程相似，在此不再赘述。

24、本实用新型的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式以及附图中进行详细的揭露。本实用新型最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本实用新型技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。

技术特征：

1.一种可调式单通道时域采样滤波器，在使用时被配置于片上计算重建式光谱仪中，其特征在于，包括n级级联的非对称干涉单元，n≥3；所述非对称干涉单元包括：

2.根据权利要求1所述的可调式单通道时域采样滤波器，其特征在于，所述相位调制器设置在所述非对称干涉单元中的一个或者两个干涉臂上。

3.根据权利要求1所述的可调式单通道时域采样滤波器，其特征在于，所述相位调制器至少具有三个不相同的相位调节状态。

4.根据权利要求1所述的可调式单通道时域采样滤波器，其特征在于，所述第一波导分光元件和第二波导分光元件的分光比在0.05到0.3。

5.根据权利要求1所述的可调式单通道时域采样滤波器，其特征在于，在相邻的两级非对称干涉单元中，前一级非对称干涉单元中的第二波导分光元件与后一级非对称干涉单元中的第一波导分光元件复用同一个波导分光元件。

6.根据权利要求5所述的可调式单通道时域采样滤波器，其特征在于，在相邻的两级非对称干涉单元中被复用的波导分光元件的分光比为0.05到0.95。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的可调式单通道时域采样滤波器，其特征在于，在同一非对称干涉单元中，两个干涉臂的臂长差在1μm-600μm。

8.根据权利要求1所述的可调式单通道时域采样滤波器，其特征在于，所述非对称干涉单元为马赫-增德尔干涉仪结构。

9.根据权利要求8所述的可调式单通道时域采样滤波器，其特征在于，所述非对称干涉单元中至少有一个为无源马赫-增德尔干涉仪结构。

10.一种片上计算重建式光谱仪，其特征在于，包括光源、光电探测器以及如权利要求1-9中任一项所述的可调式单通道时域采样滤波器。

技术总结
本技术公开了一种可调式单通道时域采样滤波器和光谱仪，涉及计算重建式光谱仪技术领域，包括N级级联的非对称干涉单元，非对称干涉单元包括：第一波导分光元件，设置于输入端，用于将输入光分成两路输出；两个干涉臂，分别接收第一波导分光元件两路输出的光；两个干涉臂分别具有不同长度的臂长；第二波导分光元件，用于将两个干涉臂的输出光合并以发生光学干涉；其中，至少有三个非对称干涉单元在干涉臂上设有相位调制器；可调式单通道时域采样滤波器在使用时通过调谐位于不同级联非对称干涉单元中的相位调制器以在时序上形成具有不同频谱响应的光通道。本技术具有占用体积小，集成度高、信噪比高、探测精度高和探测速度快的优点。

技术研发人员：姚春晖,严亭
受保护的技术使用者：徐州光引科技发展有限公司
技术研发日：20230608
技术公布日：2024/1/15