一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪及其检测方法技术

本发明专利技术公开了一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪及其检测方法，微盘谐振腔两端分别设有入射波导与出射波导，入射波导与出射波导通过一段弯曲波导相连并构成边耦合波导；弯曲波导靠近微盘并存在间隙，构成边耦合型微盘谐振腔；入射波导、弯曲波导和出射波导均为单模波导；微盘谐振腔上方有微型加热电极，并于接触电极相连。这种基于单个可调谐微盘谐振腔的光谱仪只有一个物理通道，可以以紧凑的尺寸接收所有光谱成分。本发明专利技术将波导耦合器、微盘谐振腔与微型加热电极结合，利用微盘谐振腔密集、无序的响应光谱，且敏感于波长和加热电极温度变化的特性，通过向微加热器施加外部驱动功率来调谐微盘谐振腔的响应光谱，从其实现对未知光谱的分析。对未知光谱的分析。对未知光谱的分析。

【技术实现步骤摘要】
一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪及其检测方法


[0001]本专利技术涉及光谱仪领域，具体涉及一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪及其检测方法。

技术介绍

[0002]光谱仪是基础科学研究和工业过程监测等领域的基础仪器。随着用于医疗和食品监测的可穿戴设备和物联网(IoT)设备中对高级应用的需求不断增加，对光谱仪的集成和小型化以实现快速现场检查的需求不断增加。未来的创新光谱仪需要紧凑、高分辨率、大光谱范围、低功耗、低光学插入损耗以及与大规模制造兼容。受传统台式光谱仪的启发，基于色散光学、窄带滤波器和傅里叶变换干涉仪的原理，开发了各种紧凑型便携式光谱仪，减少了器件尺寸和重量。由于光谱分辨率与其尺寸成反比，因此与台式光谱仪具有相同设计原理的集成光谱仪分辨率大大降低。近年来，基于光谱到空间映射的计算算法的重建光谱仪因其优越的分辨率、光谱范围和器件尺寸等性能而得到了广泛的研究。纳米光子结构的引入可以增强光与物质的相互作用，增加光程长度，因此这些光谱仪具有紧凑的尺寸和高光谱分辨率。然而，由于在多个物理探测通道上分离输入光，光谱到空间映射技术发展到更大规模中经常面临许多难题。重建误差将受到每个通道的功率和每个相应光电探测器的信噪比的影响。低功率的检测信道会导致重构频谱的动态范围变差。此外，由于每个通道都需要一个光电探测器，因此系统的尺寸和复杂性随物理通道的数量线性增加。随着器件尺寸的增加，强散射介质中会产生高损耗，从而限制对微弱信号的灵敏度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪及其检测方法，该微盘谐振腔具有快速、密集、无序的响应谱。这种光谱仪只有一个物理通道，可以以紧凑的尺寸接收所有光谱成分，克服了光学损耗、光谱分辨率、光谱范围和动态范围之间的相互制约的难题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0005]一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪，包括位于衬底上的入射波导、连接件、出射波导、微盘谐振腔、微型加热电极、接触电极；
[0006]所述入射波导与所述出射波导通过所述连接件相连，并组成一个物理通道，用于接收所有光谱成分；
[0007]所述连接件与微盘谐振腔相近或相连，用于将激光耦合到微盘谐振腔中；
[0008]所述微盘谐振腔上设有所述微型加热电极，所述微型加热电极与所述接触电极相连，所述接触电极施加偏压来使加热电极温度升高，进而对微盘谐振腔进行加热。
[0009]所述连接件包括弯曲波导，所述光谱仪的两端分别设有所述入射波导与所述出射波导，所述入射波导与所述出射波导通过所述弯曲波导相连并构成边耦合波导。
[0010]所述弯曲波导与所述微盘谐振腔靠近并存在间隙。
[0011]所述入射波导、所述弯曲波导和所述出射波导均为单模波导。
[0012]所述弯曲波导与所述微盘谐振腔存在一个耦合的包裹角度，所述包裹角度为0
°‑
360
°
，其中优选90
°‑
180
°
。
[0013]优选地，所述连接件包括耦合器，入射波导和出射波导与耦合器一侧相连；耦合器另一侧的波导插入到微盘谐振腔中。
[0014]优选地，所述入射波导的一端与一个可调谐上传下载微环谐振腔相连。
[0015]优选地，所述入射波导的一端与波分复用器相连，所述波分复用器包括1个输入端口、多个输出端口，所述入射波导的一端与波分复用器的输出端口相连。
[0016]所述微盘谐振腔支持多种回音壁模式，多种回音壁模式产生不同的光强变化，所述微盘谐振腔的形状为圆形，方形或多边形。
[0017]本专利技术还包括一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪检测方法，采用如上所述的一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪，具体方法包括：
[0018]使用时，通过施加不同的驱动功率在微型加热电极上，得到不同驱动功率下微盘谐振腔的响应光谱R
P，λ
，对于未知输入光谱，通过施加与校准过程中相同的驱动功率，在出射波导处得到不同的探测功率I
P
，因此有
[0019]I
P
＝R
P，λ
·
S
λ
[0020]然后通过线性回归算法和正则化可以恢复出未知的光谱
[0021]Minimize||I
P
‑
R
P，λ
·
S
λ
||2+α||S
λ
||2subject to 0≤S
λ
≤1。
[0022]专利技术提供的一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪及其检测方法有益效果在于：
[0023]1、该微盘谐振腔具有快速、密集、无序的响应谱。这种光谱仪只有一个物理通道即出射波导，可以以紧凑的尺寸接收所有光谱成分，克服了光学损耗、光谱分辨率、光谱范围和动态范围之间相互制约的难题。利用波长和温度相关的响应矩阵，通过向微型加热电极施加外部驱动功率来调谐微盘谐振腔，从其相应的输出光强度矢量来重建未知光谱。
[0024]2、可以同时实现高分辨率、大光谱范围，大动态范围的光谱分析，这在可穿戴医疗和光传感方面有着极大的应用价值。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本专利技术的实施例一的集成的基于单个可调谐微盘谐振腔的光谱仪结构的示意图；
[0027]图2为本专利技术的实施例一的可调谐微盘谐振腔在不同电压下的响应光谱，其中横坐标为波长，纵坐标为驱动功率；
[0028]图3为本专利技术的实施例一的可调谐微盘谐振腔响应光谱的自相关函数，其中横坐标为波长偏移量，其中纵坐标为自相关系数；
[0029]图4为本专利技术的实施例一的可调谐微盘谐振腔响应光谱的互相关函数，其中横坐
标为波长偏移量，其中纵坐标为互相关系数；
[0030]图5为本专利技术的实施例一的可调谐微盘谐振腔响应光谱的光谱仪重构的双峰窄带光谱，其中横坐标为波长，其中纵坐标为归一化的光功率，其中reconstruction代表重建后光谱，其中reference代表参考线；
[0031]图6为本专利技术的实施例一的可调谐微盘谐振腔响应光谱的光谱仪重构的宽带光谱，其中横坐标为波长，其中纵坐标为归一化的光功率；
[0032]图7为本专利技术的实施例二的集成的基于单个可调谐微盘谐振腔的光谱仪结构的示意图；
[0033]图8为本专利技术的实施例三的集成的基于单个可调谐微盘谐振腔的光谱仪结构的示意图；
[0034]图9为本专利技术的实施例四的集成的基于波分复用器的光谱仪系统的示意图；
[0035]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪，其特征在于，包括入射波导(101)、连接件、出射波导(103)、微盘谐振腔(104)、微型加热电极(105)、接触电极(106)；所述入射波导(101)与所述出射波导(103)通过所述连接件相连，所述出射波导(103)为一个物理通道，用于接收所有光谱成分；所述连接件与微盘谐振腔(104)相近或相连，用于将激光耦合到微盘谐振腔(104)中；所述微盘谐振腔(104)上设有所述微型加热电极(105)，所述微型加热电极(105)与所述接触电极(106)相连，所述接触电极(106)通过施加偏压来使微型加热电极(105)温度升高，进而对微盘谐振腔进行加热。2.根据权利要求1所述的一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪，其特征在于，所述连接件包括弯曲波导(102)，所述微盘谐振腔(104)的两端分别设有所述入射波导(101)与所述出射波导(103)，所述入射波导(101)与所述出射波导(103)通过所述弯曲波导(102)相连并构成边耦合波导。3.根据权利要求2所述的一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪，其特征在于，所述弯曲波导(102)与所述微盘谐振腔(104)靠近并存在间隙，构成边耦合型微盘谐振腔。4.根据权利要求2或3所述的一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪，其特征在于，所述入射波导(101)、所述弯曲波导(102)和所述出射波导(103)均为单模波导。5.根据权利要求2或3所述的一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪，其特征在于，所述弯曲波导(102)与所述微盘谐振腔(104)存在一个耦合的包裹角度，所述包裹角度为0
°‑
360
°
。6.根据权利要求1所述的一种集成的基于可调谐微盘谐振腔的光谱仪，其特征在于，所述连接件包括耦合器(107)，入射波导(101)和出射波导(103)与耦合器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兰，孙春雷，林宏焘，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：