一种基于互质调制的硅基双偏振傅里叶变换光谱检测方法技术

本发明专利技术涉及傅里叶变换光谱检测技术领域，公开了一种基于互质调制的硅基双偏振傅里叶变换光谱检测方法。所述方法允许每个MZI均工作在TE0和TM0模式下，提供两个有效的OPD采样点，减半维持相同光谱性能所需的MZI数量。同时，无需改变波导宽度构造线性增加的OPD采样点，仅依赖各个MZI不同的臂长差采集干涉图，提供了比常规双偏振片上傅里叶变换光谱仪设计更灵活、成本更低的优势。针对双偏振MZI阵列难以构建理想的线性增加的OPD采样序列问题，以及硅基器件加工中不可避免的随机误差干扰，发展基于神经网络的硅基傅里叶变换光谱重建方法，实现光谱信息的准确提取，为实现超紧凑、高性能的光谱检测系统拓宽了道路。性能的光谱检测系统拓宽了道路。性能的光谱检测系统拓宽了道路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于互质调制的硅基双偏振傅里叶变换光谱检测方法


[0001]本专利技术涉及傅里叶变换光谱检测


技术介绍

[0002]光学光谱仪是迄今为止用于材料表征和化学成分分析的最重要的仪器之一。传统的台式光谱仪通常由体积庞大的色散光学器件、较长的光路、探测器阵列以及机械运动部件组成，能够提供无与伦比的超高分辨率和宽光谱范围。然而在光谱分析领域的某些应用场景，减小物理尺寸、降低成本或功耗的需求优先于对高性能的需求。传统台式光谱仪的结构组成严重降低了它们部署的灵活性并增加了成本，阻碍了它们在尺寸、成本和功耗方面的小型化发展。近年来，小型化光谱仪系统得到了广泛的发展，已用于各种手持式、便携式和集成式应用，包括光网络性能监测、高光谱成像、非侵入性医学诊断以及生物和环境传感等。更进一步，缩小至亚毫米长度尺寸的微型化光谱仪将为原位分析提供更好的解决方案，有望应用到片上实验室系统、智能手机和可穿戴设备等集成应用中。
[0003]新兴的硅基光子集成技术提供了一种将光谱仪微型化到芯片级的解决方案。大多数片上光谱仪都依赖于色散元件，例如阵列波导光栅、阶梯光栅、全息元件等。当应用于高分辨率光谱采集时，输入光被扩展到许多光谱通道，这些光谱仪会遭受严重的信噪比(SNR)损失。此外，由于光谱分辨率与光路长度(OPL)成反比，且每个通道都需要专用的光电探测器，因此设备占地面积和系统复杂性随频谱通道的数量线性增加。不同于色散光谱仪，傅里叶变换光谱仪(FTS)获益于多路传输的优势(Fellgett优势)，克服了SNR和光谱分辨率之间的矛盾，是公认的具有高光谱分辨率和高SNR的先进红外光谱检测设备。片上FTS在平面波导中可以用马赫
‑
曾德尔干涉(MZI)阵列实现，这些MZI阵列通常具有线性增加的光路差(OPD)，也称为空间外差型傅里叶变换光谱仪(SH
‑
FTS)。在SH
‑
FTS中，空间干涉图中的每个点(对应于特定MZI的输出)由线性探测器阵列独立捕获，从而实现在一次捕获中采集整个干涉图。这样的系统受到最大OPD和MZI数量的限制，存在器件尺寸、光谱分辨率和光谱带宽之间的折衷问题。例如，波导最小弯曲半径、探测器尺寸和制造能力都会限制可集成在光子芯片上的MZI数量，最终限制了SH
‑
FTS设备的带宽和分辨率。
[0004]为解决SH
‑
FTS光谱性能与器件尺寸之间的折衷问题，目前有以下三种方法：
①
引入压缩感知技术，对一组来自MZI的欠采样离散傅里叶干涉信号进行反演以检索稀疏输入光谱，在保持光谱性能不变的情况下，可以将平面波导芯片上的单个干涉仪数量减少至四分之一，但是要求待测光谱具有稀疏性，适用场景有限。
②
使用连续调整单个MZI特性的机制，依靠热光或电光调制改变波导的OPL，增加OPD采样点，减小OPD采样间隔，扩大光谱带宽。然而由这些效应产生的微小折射率变化会导致较大的设备占地面积，并将实际可达到的光谱分辨率限制在几十cm
‑1，远低于台式光谱仪。上述两种方法均是将光波导设计为单模，仅使用波导的某一种基态传播模式。
③
利用单模矩形波导的双折射效应，提出双偏振检测SH
‑
FTS。不同于常规的单模态MZI阵列，双偏振检测方案充分利用波导横电基态模(TE0)和横磁基态模(TM0)有效折射率差异，允许每个MZI均同时工作在TE0和TM0模式下，提供两个
有效的OPD采样点，减半维持相同光谱性能所需的MZI数量。但是为了构造线性增加的OPD采样序列，需要同时改变波导的长度和宽度，增加了系统的复杂性和硅光子器件的制造成本。基于以上方法的缺陷，本专利技术提出基于互质调制的硅基双偏振傅里叶变换光谱检测方法，无需改变波导宽度构造线性增加的OPD采样点，仅依赖各个MZI不同的臂长差采集干涉图。由于两种模态下的干涉信号是同时探测的，实际上是对入射光谱进行了一个非均匀的空域欠采样操作。看似非均匀的干涉采样序列实际上是由一对满足互质条件的稀疏均匀间隔采样点组合而来的，分别对应于TE和TM偏振态，其所包含的互质特性可以在后续光谱重建中得到应用。

技术实现思路

[0005]目的：本专利技术提供了一种基于互质调制的硅基双偏振傅里叶变换光谱检测方法，以解决片上傅里叶变换光谱仪存在的器件尺寸、光谱分辨率和光谱带宽相互制约问题。
[0006]设计方案：本专利技术实施例解决技术问题所采用的技术方案是：一种基于互质调制的硅基双偏振傅里叶变换光谱检测方法，包括以下步骤：
[0007]选择中心波长为1550nm的带宽光源作为输入光谱，通过光栅耦合器将空间中携带光谱信息的光耦合至波导中，经过分束器分别进入双偏振MZI中固定臂长差ΔL的双通道后在合束器处产生干涉，并由探测器阵列同时探测，然后再由偏振分束器将TE和TM偏振分开。对分离出来的TE模态采样序列和TM模态采样序列进行计算得到Nyquist间隔下信号的自相关函数，由此极大地增长采样间距。对估计出的自相关函数进行快速傅里叶变换(FFT)得到信号的功率谱估计，进而得到幅值谱，也即重建光谱的初始光谱S
init
。将初始光谱输入至条件生成对抗网络(cGAN)模型中，在理想光谱的指导下联合训练生成器和判别器，逐步优化参数设置。当模型处于纳什均衡状态时，训练结束，得到准确的重建光谱S
out
。
[0008]有益效果：本专利技术提供的一种基于互质调制的硅基双偏振傅里叶变换光谱检测方法，具有以下优点：
[0009]①
采用本专利技术提供的方法可以缓解硅基SH
‑
FTS器件尺寸和光谱性能相互制约的问题。本专利技术利用单模矩形波导的双折射效应，提出基于互质调制的双偏振检测SH
‑
FTS，允许每个MZI均工作在TE0和TM0模式下，提供两个有效的OPD采样点，减半维持相同光谱性能所需的MZI数量。
[0010]②
提高硅光子器件设计的灵活性，降低制造成本。不同于常规SH
‑
FTS需同时改变波导的长度和宽度以构建线性增加的OPD采样序列，本专利技术所述方法无需改变波导宽度以构造线性增加的OPD采样点，仅依赖各个MZI不同的臂长差采集干涉图，提供了比常规双偏振片上傅里叶变换光谱仪设计更灵活、成本更低的优势。
[0011]③
发展基于神经网络的硅基SH
‑
FTS光谱重建方法。针对双偏振MZI阵列难以构建理想的线性增加的OPD采样序列问题，以及硅基器件加工中不可避免的随机误差干扰，考虑通过神经网络搭建光谱重建模型，实现光谱信息的准确提取，为实现超紧凑、高性能的光谱检测系统拓宽了道路。
附图说明
[0012]图1是本专利技术提供的基于互质调制的硅基双偏振傅里叶变换光谱检测方法的流程
图。
具体实施方式
[0013]现结合实施例和附图对本专利技术的技术方案做进一步的阐述。
[0014]硅基SH
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于互质调制的硅基双偏振傅里叶变换光谱检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：本专利选用双偏振空间外差型傅里叶变换光谱仪(SH
‑
FTS)作为实施主体，以马赫
‑
曾德尔干涉(MZI)阵列形式实现，每个MZI均同时工作在横电基态模(TE0)和横磁基态模(TM0)两个模式下，提供两个有效的光程差(OPD)采样点；在实际采样过程中，探测器阵列同时探测两种模式的干涉信号，在一次捕获中采集整个干涉图作为所述双偏振SH
‑
FTS的输出信号；对于采集到的输出信号，本专利采用条件生成对抗网络方法进行光谱重建；首先对TM0和TE0两种模式下的干涉信号进行计算得到Nyquist采样间隔下信号的自相关函数其次，对进行快速傅里叶变换得到功率谱函数再次，对乘以样本序列长度的结果开根号得到重建光谱的初始光谱S
init
；最后，将S
init
输入到条件生成对抗网络进行光谱优化，优化结果S
out
即为本专利的最终输出结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的双偏振SH
‑
FTS由32个不平衡MZI组成，相邻臂长差为一个最小臂长差ΔL1。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MZI生成的TM0和TE0偏振态下的OPD序列分别为：0，n1ΔL1，2n1ΔL1，3n1ΔL1，...，32n1ΔL1；0，n2ΔL1，2n2ΔL1，3n2ΔL1，...，32n2ΔL1，其中TM0和...

【专利技术属性】
技术研发人员：李奇峰，马莹莹，马翔云，王慧捷，杨云鹏，韩阳光，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：