一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪制造技术

一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪，包括光谱粗分割单元A、可调谐环形滤波器B、采样光谱记录与还原单元C以及参考单元D，所述粗分割单元A的上输出端和所述可调谐环形滤波器B的输入端相连接，所述粗分割单元A的下输出端和所述参考单元D连接，所述可调谐环形滤波器B的输出端和所述采样光谱记录与还原单元C通过一个1×2的分束器相连接。本发明专利技术具有大带宽、分辨率可调、功耗低、适用于各种材料平台。

A microchip spectrometer with large bandwidth and adjustable resolution

【技术实现步骤摘要】
一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪
本专利技术涉及芯片光谱仪，尤其涉及一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪。
技术介绍
光谱仪通过对检测样品的光谱分析来反馈该样品的重要信息，在环境保护、生物和化学检测、工业和农业生产、医疗诊断和天文探索等方面具有广泛应用。而光子集成光谱仪具有尺寸小，成本低、稳定性好、功耗低等优点，在小型化和便携式的光谱分析仪器中具有非常重要的应用前景。目前主要有三类芯片光谱仪，第一种是基于片上马赫增德尔干涉仪(MZI)阵列的傅里叶变化光谱仪(FPS)(文献[1]PrzemekJ.Bock,etal,"High-resolutionFourier-transformspectrometerchipwithmicrophotonicsiliconspiralwaveguides,"Opt.Lett.38,706-708(2013)；文献[2]MarioC.M.M.Souza,etal,“Fouriertransformspectrometeronsiliconwiththermo-opticnon-linearityanddispersioncorrection”,NatureComm.9,665(2018))，它具有高的信噪比和光通量大等优点，但是其光谱带宽和分辨率之间有一个权衡，即高的分辨率对应的光谱带宽较小，反之亦然。第二类是基于光波导的色散器件，比如阵列波导光栅(文献[3]P.Cheben,etal,"Ahigh-resolutionsilicon-on-insulatorarrayedwaveguidegratingmicrospectrometerwithsub-micrometeraperturewaveguides,"Opt.Express15,2299-2306(2007)；文献[4]J.Zou,etal,"Ultracompactsilicon-on-insulator-basedreflectivearrayedwaveguidegratingsforspectroscopicapplications,"Appl.Opt.55,3531-3536(2016).)，蚀刻衍射光栅(文献[5]P.Pottier,etal,“IntegratedMicrospectrometerwithEllipticalBraggMirrorEnhancedDiffractionGratingonSilicononInsulator”ACSPhotonics1,430-436(2014)；文献[6]BernardoB.C.Kyotoku,etal,"Sub-nmresolutioncavityenhancedmicro-spectrometer,"Opt.Express18,102-107(2010))等，它们面临的问题就是随着光谱仪分辨率的提升，器件的尺寸将会大大增加，同时利用现有的工艺水平很难制作出性能良好且具有亚纳米分辨率的片上光谱仪；第三类是利用级联微环阵列(文献[7]Z.Xia,etal,"Highresolutionon-chipspectroscopybasedonminiaturizedmicrodonutresonators,"Opt.Express19,12356-12364(2011))，但由于微环的Q值较高，使其对工艺偏差非常敏感，也很难制作出性能良好的光谱仪。因此，一种能同时解决上述三类光谱仪中存在的问题的芯片光谱仪变得尤为重要，特别是随着近年来便携式传感器和片上小型化检测系统的发展，该类芯片光谱仪需求迫切。同时，如果该芯片光谱仪的分辨率可调将更具应用潜力。
技术实现思路
为了能够克服传统芯片光谱仪中分辨率和带宽之间的制约、芯片尺寸和分辨率的制约以及工艺偏差的影响，本专利技术提出了一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪。本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪，包括光谱粗分割单元A、可调谐环形滤波器B、采样光谱记录与还原单元C以及参考单元D，所述粗分割单元A的上输出端和所述可调谐环形滤波器B的输入端相连接，所述粗分割单元A的下输出端和所述参考单元D连接，所述可调谐环形滤波器B的输出端和所述采样光谱记录与还原单元C通过一个1×2的分束器相连接。进一步，所述光谱粗分割单元A包括一个1×M的光开关、一个M×2的波分复用器、一个2×2的3dB耦合器，且1×M的光开关的M个输出端口分别连接于M×2的波分复用器的M个输入端口，M×2的波分复用器的两个输出端口分别连接于2×2的3dB耦合器的两个输入端口。再进一步，所述可调谐环形滤波器B的谐振波长位置由波导上方的加热器来调谐，可调谐环形滤波器B的调谐区域包含一个环或者是多个级联环。再进一步，所述采样光谱记录与还原单元C包含一个1×N功分器、N个1×1MZI、N个探测器，其中相邻MZI之间具有固定长度差ΔL。N个探测器也可以是一个能接收所有MZI阵列输出光的相机。再进一步，所述参考单元D包含一个探测器。更进一步，所述大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪的分辨率最小值ΔλR_min由可调谐环形滤波器B中的微环的3dB带宽值Δλ3dB决定，实际使用的分辨率值ΔλR由对加热器的调谐步长确定，介于Δλ3dB和微环的自由光谱范围ΔλFSR之间，即Δλ3dB≤ΔλR<ΔλFSR。本专利技术的有益效果主要表现在：1、具有大带宽；2、分辨率可调；3、功耗低；4、适用于各种材料平台，比如氮化硅(Si3N4)、硅(Si)和GeSi等材料平台。附图说明图1是本专利技术提出的一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪的示意图；图2是图1中光谱粗分割单元A的一个实施范例；图3是图2中的2×2的3dB耦合器的一个实施范例；图4是图2中M×2波分复用器的布局范例和工作示意图，其中M＝4；图5是图1中可调谐环形滤波器B的一个设计范例；图6是图1中1×2分束器的一个设计范例；图7是图1中采样光谱记录与还原单元C的设计范例，其中N＝16；图8是利用图1的结构实现输入未知光谱还原的工作流程示意图。图中：1、光谱仪的输入端，2、光谱粗分割单元A，3、可调谐环形滤波器B，4、采样光谱记录与还原单元C，5、参考单元D，6、1×2分束器，7、6的下输出端，8、输入待检测光谱，9、1×M光开关，10、M×2波分复用器，11、2×2的3dB耦合器，12、带电调谐的1×2MZI，13、12的电调谐区，14、9的上半部分各输出端口Iu，15、9的下半部分各输出端口Id，16、10的上输出端口Od，17、10的下输出端口Ou，18、11的上输出端口，19、11的下输出端口，20、3中微环上方的电调谐加热器，21、3的输出端，22、6的上输出端，23、1×N的分束器，24、N个具有固定长度差的MZI阵列，25、探测器阵列。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图8，一种大带本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪，其特征在于，所述微型芯片光谱仪包括光谱粗分割单元A、可调谐环形滤波器B、采样光谱记录与还原单元C以及参考单元D，所述粗分割单元A的上输出端和所述可调谐环形滤波器B的输入端相连接，所述粗分割单元A的下输出端和所述参考单元D连接，所述可调谐环形滤波器B的输出端和采样光谱记录与所述还原单元C通过一个1×2的分束器相连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪，其特征在于，所述微型芯片光谱仪包括光谱粗分割单元A、可调谐环形滤波器B、采样光谱记录与还原单元C以及参考单元D，所述粗分割单元A的上输出端和所述可调谐环形滤波器B的输入端相连接，所述粗分割单元A的下输出端和所述参考单元D连接，所述可调谐环形滤波器B的输出端和采样光谱记录与所述还原单元C通过一个1×2的分束器相连接。


2.如权利要求1所述的大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪，其特征在于，所述光谱粗分割单元A包括一个1×M的光开关、一个M×2的波分复用器、一个2×2的3dB耦合器，且1×M的光开关的M个输出端口分别连接于M×2的波分复用器的M个输入端口，M×2的波分复用器的两个输出端口分别连接于2×2的3dB耦合器的两个输入端口。


3.如权利要求1或2所述的大带宽且分辨率可调的微型芯片光谱仪，其特征在于，所述可调谐环形滤波器...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹俊，王昌辉，张明，乐孜纯，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33