宽光谱高分辨率波导分光芯片结构制造技术

一种宽光谱高分辨率波导分光芯片结构，包括级联MZI波导宽谱分光模块，用于将输入光进行宽光谱预分光，并将输出的多路预分光传输至阵列波导分光模块；阵列波导分光模块，用于将级联MZI波导分光模块的输出的多路预分光进行精细分光，输出更多路窄带宽的光波；调相模块，用于对所述阵列波导分光模块进行调相，调制所述阵列波导分光模块输出的中心波长。本发明专利技术将具有较宽带宽的级联MZI结构和较高分辨率的AWG结构相结合，在实现较大光谱范围的同时可实现较高的光谱分辨率，引入光谱差分分析技术，可进一步提高光谱分辨率，可基于成熟的硅光工艺进行批量生产，实现低成本制作。

Wide Spectrum and High Resolution Waveguide Spectroscopic Chip Structure

A wide-spectrum and high-resolution waveguide splitter chip structure includes a cascaded MZI waveguide broad-spectrum splitter module, which is used to pre-splitting the input light broadly and transmit the output multi-channel pre-splitter to the arrayed waveguide splitter module; an arrayed waveguide splitter module, which is used to fine splitting the output multi-channel pre-splitter of the cascaded MZI waveguide splitter module to output more narrow-bandwidth light. A wave; a phase modulation module is used to phase the array waveguide splitting module and modulate the central wavelength of the output of the array waveguide splitting module. The invention combines a cascaded MZI structure with a wider bandwidth and a higher resolution AWG structure, achieves a higher spectral resolution while achieving a larger spectral range. The introduction of spectral difference analysis technology can further improve the spectral resolution, and can be mass-produced based on mature silicon optical technology to achieve low-cost fabrication.

【技术实现步骤摘要】
宽光谱高分辨率波导分光芯片结构
本专利技术涉及波导光谱分析器件领域，具体而言，涉及一种基于级联MZI技术、AWG技术和调相技术的波导集成的分光芯片结构。
技术介绍
光谱分析技术作为一种重要的光探测感知手段，可广泛应用于食品物质成分检测、气体检测、生物医学应用等众多领域。相较于传统的化学滴定、色谱、质谱以及核磁等方案有着预处理复杂、样品难以循环使用、大多需要使用有毒溶剂辅助等缺陷，而光谱检测具有非接触、无损、实时检测的优势。基于此优势，光谱检测技术具有较大的市场应用潜力和广阔的应用前景。传统的光谱检测技术是基于分立的光机元器件，仪器体积庞大，虽精度较高，但造价昂贵(几十万-上百万)，灵活性差，限制了此种光谱仪只能在实验室、物品检验室中使用，难以进入市场直接为消费者服务。微型光谱分光技术，通过紧凑的光路设计和新型的加工工艺将传统光谱仪的体积、重量和价格大大降低。虽然微型光谱仪可测量的光谱范围和光谱分辨率相较于传统大型的光谱仪而言，有所降低，但是针对特定范围内的用途已足够。芯片级光谱分光技术，是利用微纳加工工艺将将光谱仪的体积和重量进一步减小，产品小而薄。芯片级的光谱分析技术不仅改变了光谱仪的结构形态，也改变了其应用场景，使其可直接被集成在智能手机和设计好的移动产品等微小平台上，直接服务于消费者。目前，芯片级光谱分光技术的实现方式主要有微环谐振结构、马赫曾德尔干涉仪结构(MZI)、阶梯光栅(EDG)、阵列波导光栅(AWG)等结构。微环谐振结构的分光器件分光的带宽较窄，无法直接应用。并联的MZI结构可以实现较宽的光谱带宽，但如果同时实现较高的分辨率时，则需要较大的阵列数，整个分光器件的版图面积将会十分之大，实际加工工艺较难实现。EDG结构和AWG结构的通道数扩展性较强，适用于多通道的光谱分光，可实现较窄的谱带范围内的高光谱分辨率。但EDG结构是在平板波导的边缘处刻蚀阶梯光栅，其相位差产生在平板波导内，由于工艺的限制，无法保证刻蚀侧壁的垂直度，则会在光栅槽面反射后激发出高阶模，从而产生较严重的串扰。AWG结构具有较好的波长特性，重复性和稳定性较高，且便于集成。实际中，可应用的光谱分光芯片需要同时满足较宽的光谱范围和较高的光谱分辨率，以上单个器件都无法满足此种应用需求，因此如何实现宽带宽、高分辨率的光谱分光成为现有技术亟需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种宽谱带高分辨率波导分光芯片，同时可实现较大的光谱范围和较高的光谱分辨率。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种宽光谱高分辨率波导分光芯片结构，其特征在于：包括级联MZI波导宽谱分光模块，阵列波导分光模块和调相模块；所述级联MZI波导宽谱分光模块，用于将输入光进行宽光谱预分光，并将输出的多路预分光传输至阵列波导分光模块；所述阵列波导分光模块，用于将级联MZI波导分光模块的输出的多路预分光进行精细分光，输出更多路窄带宽的光波；调相模块，用于对所述阵列波导分光模块进行调相，调制所述阵列波导分光模块输出的中心波长。可选的，所述级联MZI波导宽谱分光模块为串并联设计的多级MZI结构，和/或；所述阵列波导分光模块为多个中心波长不同的阵列波导光栅(AWG)和/或；所述调相模块，为热光调相模块或载流子色散效应调相模块和/或；波导分光芯片的波导选用硅材料，聚合物材料或Ⅲ-Ⅴ族材料。可选的，所述级联MZI波导宽谱分光模块为两级结构，其中第一级MZI结构为单一的MZI结构，用于实现第一级分光，第二级MZI结构为两个并联的MZI结构，第一级分光分出的两束光，传输至并联的第二级MZI结构中。可选的，所述阵列波导光栅(AWG)为8通道的AWG结构。可选的，所述调相模块，为热光调相模块，针对AWG结构引入热电极，进行热光调相。可选的，第一级MZI结构，自由光谱范围为200nm，中心波长为1350nm，用于将输入的带宽为1150nm-1550nm的光进行第一级分光，分光后经耦合器输出为带宽为200nm的两束宽光谱光，并传输至并联的第二级MZI结构中；第二级MZI结构，自由光谱范围为400nm，用于将第一级MZI结构的两束输出光进行再分光，分光后为带宽为100nm的四束输出光，得到中心波长为1200nm，1300nm，1400nm，1500nm的四路预分光；所述多个中心波长不同的8通道的AWG结构为四个8通道AWG结构，中心波长分别为1200nm，1300nm，1400nm，1500nm，用于将级联MZI波导分光模块的四路带宽为100nm的光进一步分为通道间隔为12.5nm的光；所述波导分光芯片的波导选用硅材料。可选的，级联MZI波导分光模块中的MZI结构是由两个方向耦合器和一对光学延迟线构成的，单个MZI结构的自由光谱范围Δλ和两条延迟线的光程差ΔL成反比例的关系：其中λc为MZI结构的中心波长；ΔL为MZI结构的两臂的物理臂长差；ng为波导结构的群折射率，可以表示为：其中ne为等效折射率。可选的，每个AWG结构的中心波长λc和自由光谱范围Δλ满足：其中ΔL‘为AWG结构中阵列波导两相邻波导的长度差；na为AWG结构的等效折射率；m为衍射级次；ng为阵列波导结构的群折射率。可选的，对于所述热光调相模块，对热电极施加电压，引起温度的变化，当温度变化为ΔT时，引起的AWG结构中心波长的变化表示为：其中na为AWG结构的等效折射率；nsi和分别为Si和SiO2的等效折射率。可选的，AWG结构引入热光调相前，输出的光强为I1，引入热光调相后输出的光强为I2，引入热光调相前后中心波长的偏移量为对光谱分布进行差分计算，表示为：通过对光谱分布进行差分计算，可实现≤2nm的光谱分辨率。本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术提出了诸如硅基的波导分光芯片结构，将具有较宽带宽的级联MZI结构和较高分辨率的AWG结构相结合，在实现较大光谱范围的同时可实现较高的光谱分辨率。(2)本专利技术提出使用调相技术，特别是热光调相技术对AWG结构的通道间光程差进行调整，引入光谱差分分析技术，可进一步提高光谱分辨率。(3)本专利技术的波导分光芯片可基于成熟的硅光工艺进行批量生产，降低制作生产成本。附图说明图1是根据本专利技术具体实施例的宽谱带高分辨率波导分光芯片结构的架构原理图；图2是根据本专利技术具体实施例的宽谱带高分辨率波导分光芯片结构的结构设计图；图3是根据本专利技术具体实施例的级联MZI的结构设计图；图4是根据本专利技术具体实施例的级联MZI分光效果仿真结果图；图5是根据本专利技术具体实施例的中心波长为1500nm的AWG结构设计图；图6是根据本专利技术具体实施例的中心波长为1500nm的AWG结构分光效果仿真结果图；图7是根据本专利技术具体实施例的AWG结构加上热光调相模块后的结构图；图8是根据本专利技术具体实施例的热光调相对中心波长偏移的影响图；图9是根据本专利技术具体实施例的宽谱带高分辨率波导分光芯片实物图。图10是根据本专利技术具体实施例的宽谱带高分辨率波导分光芯片光谱范围为1450-1550nm的分光效果测试结果图。图中的附图标记所分别指代的技术特征为：1、级联MZI波导宽谱分光模块；2、阵列波导分光模块；3、热光调相模块；11、第一级MZI结构；12、第二级MZI结构；21、阵列波导光栅。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽光谱高分辨率波导分光芯片结构，其特征在于：包括级联MZI波导宽谱分光模块，阵列波导分光模块和调相模块；所述级联MZI波导宽谱分光模块，用于将输入光进行宽光谱预分光，并将输出的多路预分光传输至阵列波导分光模块；所述阵列波导分光模块，用于将级联MZI波导分光模块的输出的多路预分光进行精细分光，输出更多路窄带宽的光波；调相模块，用于对所述阵列波导分光模块进行调相，调制所述阵列波导分光模块输出的中心波长。

【技术特征摘要】
1.一种宽光谱高分辨率波导分光芯片结构，其特征在于：包括级联MZI波导宽谱分光模块，阵列波导分光模块和调相模块；所述级联MZI波导宽谱分光模块，用于将输入光进行宽光谱预分光，并将输出的多路预分光传输至阵列波导分光模块；所述阵列波导分光模块，用于将级联MZI波导分光模块的输出的多路预分光进行精细分光，输出更多路窄带宽的光波；调相模块，用于对所述阵列波导分光模块进行调相，调制所述阵列波导分光模块输出的中心波长。2.根据权利要求1所述的波导分光芯片结构，其特征在于：所述级联MZI波导宽谱分光模块为串并联设计的多级MZI结构，和/或；所述阵列波导分光模块为多个中心波长不同的阵列波导光栅(AWG)和/或；所述调相模块，为热光调相模块或载流子色散效应调相模块和/或；波导分光芯片的波导选用硅材料，聚合物材料或Ⅲ-Ⅴ族材料。3.根据权利要求2所述的波导分光芯片结构，其特征在于：所述级联MZI波导宽谱分光模块为两级结构，其中第一级MZI结构为单一的MZI结构，用于实现第一级分光，第二级MZI结构为两个并联的MZI结构，第一级分光分出的两束光，传输至并联的第二级MZI结构中。4.根据权利要求3所述的波导分光芯片结构，其特征在于：所述阵列波导光栅(AWG)为8通道的AWG结构。5.根据权利要求4所述的波导分光芯片结构，其特征在于：所述调相模块，为热光调相模块，针对AWG结构引入热电极，进行热光调相。6.根据权利要求5所述的波导分光芯片结构，其特征在于：所述级联MZI波导宽谱分光模块中，第一级MZI结构，自由光谱范围为200nm，中心波长为1350nm，用于将输入的带宽为1150nm-1550nm的光进行第一级分光，分光后经耦合器输出为带宽为200nm的两束宽光谱光，并传输至并联的第二级MZI结构中；第二级MZI结构，自...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟平，胡小燕，赵少宇，张东亮，林霄，刘大川，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司信息科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11