本发明专利技术提供一种微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构，包括入射波导、微环谐振腔、出射波导、加载波导、下载波导、微型加热电极、接触电极、光谱重建分析模块，微环谐振腔包括第一波导、第二波导和环形波导，第一波导设有Input端口和Through端口，第二波导设有Drop端口和Add端口；入射波导与Input端口连接，出射波导与Through端口连接；加载波导与Add端口连接，下载波导与Drop端口连接；下载波导输出端口与光谱重建分析模块输入端口连接；微环谐振腔上方设有微型加热电极，微型加热电极与接触电极连接。本发明专利技术同时实现高分辨率、大光谱范围的光谱分析，这在可穿戴医疗和光传感方面有着极大的应用价值。大的应用价值。大的应用价值。
【技术实现步骤摘要】
一种微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构
[0001]本专利技术涉及光谱仪领域，具体涉及一种微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构。
技术介绍
[0002]光谱仪可以在生物化学传感、材料分析、高光谱成像和光源表征等广泛领域提供机会。开发高性能芯片光谱仪有望激活从消费者到工业技术的众多新应用，包括现场成分分析、即时健康监测，甚至大规模农作物监测。传统的集成光谱仪利用色散光学或窄带滤波器将入射信号的光谱内容分离到光电探测器阵列中。色散光学光谱仪的光谱分辨率受到光程长度的限制，因为它与光程成反比。选择特定波长光的窄带滤波器使光谱仪更加紧凑。通过引入具有窄通道间距的多个滤波器，可以实现高光谱分辨率。然而，光谱带宽基本上受到自由光谱范围(FSR)的限制。对于弯曲损耗可接受的硅环形谐振器，弯曲半径应大于5微米，表明1550nm左右的FSR不大于19nm。另一个挑战在于大规模滤波器阵列不可避免的制造缺陷，这对于小通道间距至关重要。与传统集成光谱仪相比，傅立叶变换光谱仪(FTS)可以提供更高的信噪比(SNR)，这是因为其具有更高的接收光功率或Fellgett优势。然而，FTS有几个缺点，包括高功耗、大驱动电压、长测量时间和相对较大的占地面积。在过去十年中，重建光谱仪方兴未艾，该光谱仪使用散射介质为每个入射光波长提供唯一的指纹散斑，然后使用计算技术重建入射光谱。稀疏频谱可以显著减少物理信道数和设备占用，分析复杂光谱的适用性需要更高的计算能力，且算法鲁棒性随着光谱复杂度增加而降低。
技术实现思路
[0003]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构，该光谱仪利用微环谐振腔将任何复杂光谱分解为一系列简单的梳状光谱，从而在硬件上实现压缩感知。由于微环谐振腔共振的预稀疏操作，需要通过校准构建具有已知线型的稀疏梳状谱，只需求解每个共振峰的振幅。后续的普通光谱重建型光谱仪只需要测量梳状光谱，通过凸优化算法重建，具有很高的鲁棒性。
[0004]本专利技术的目的通过如下的技术方案来实现：
[0005]一种微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构，包括入射波导、微环谐振腔、出射波导、加载波导、下载波导、微型加热电极、接触电极、光谱重建分析模块，其中：
[0006]微环谐振腔是采用上传/下载型微环谐振腔，上传/下载型微环谐振腔包括第一波导、第二波导和环形波导，在第一波导上设置有Input端口和Through端口，第二波导上设置有Drop端口和Add端口；
[0007]所述入射波导与第一波导上的Input端口连接，所述出射波导与第一波导上的Through端口连接；
[0008]所述加载波导与第二波导上的Add端口连接，所述下载波导与第二波导上的Drop端口连接；
[0009]所述下载波导输出端口与所述光谱重建分析模块输入端口连接；
[0010]所述微环谐振腔上方设有微型加热电极，微型加热电极与接触电极连接。
[0011]进一步地，所述入射波导、所述微环谐振腔、所述出射波导、所述加载波导和所述下载波导均为单模波导。
[0012]进一步地，所述微环谐振腔的第一波导、第二波导分别位于环形波导的两侧边；环形波导与第一波导之间的耦合距离与环形波导与第二波导之间的耦合距离相等。
[0013]进一步地，所述微环谐振腔可以是上传下载法布里珀罗谐振腔，支持多个谐振模式。
[0014]进一步地，所述微环谐振腔的自由光谱范围要大于所述光谱重建分析模块的光谱分辨率。
[0015]进一步地，通过在所述接触电极施加驱动功率，对所述微环谐振腔进行加热，可以改变所述微环谐振腔的谐振波长。
[0016]进一步地，通过在所述接触电极施加驱动功率，从所述加载波导输入光，在所述出射波导接收光，可以得到不同驱动功率的所述微环谐振腔的响应光谱，从而获取驱动功率和所述微环谐振腔的谐振峰的中心波长和带宽信息。
[0017]进一步地，从所述加载波导输入光，在所述光谱重建分析模块输出端口接收光，可以得到所述光谱重建分析模块的响应矩阵1，但是该响应矩阵带有所述微环谐振腔的直通光谱信息，需要去除。通过在所述接触电极施加合适的驱动功率可以得到所述光谱重建分析模块的响应矩阵2。通过比较响应矩阵1和响应矩阵2，可以去除所述微环谐振腔的直通光谱信息，得到真正的所述光谱重建分析模块的响应矩阵3。最后，在所述入射波导输入未知光，通过在所述光谱重建分析模块输出端口接收光功率。根据接收光功率和所述光谱重建分析模块的响应矩阵3可以恢复每个驱动功率下对应的所述微环谐振腔的下载光谱。结合所有的所述微环谐振腔的下载光谱，可以重建输入的未知光谱。
[0018]本专利技术的有益效果如下：
[0019]本专利技术的微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构可以同时实现高分辨率(<1nm)、大光谱(>100nm)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
[0020]图1为本专利技术的微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构的平面示意图；
[0021]图2为本专利技术的微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构光谱恢复原理示意图；
[0022]图3为微环谐振腔的谐振峰以及相应的洛伦兹拟合；
[0023]图4为微环谐振腔的梳状光谱和重建的权重因子；
[0024]图5为输入光谱和重建的宽谱；
[0025]图6为实施例1微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构的结构示意图；
[0026]图7为实施例2微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构的结构示意图。
[0027]附图标注：入射波101、微环谐振腔102、第一波导102
‑
1、第二波导102
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3、环形波导102
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2、出射波导103、加载波导104、下载波导105、微型加热电极106、接触电极107、光谱重建分析模块108。
具体实施方式
[0028]下面将结合示意图对本专利技术的微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构进行更详细的描述，其中示意图表示了本专利技术的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本专利技术，而仍然实现本专利技术的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本专利技术的限制。
[0029]在本专利技术的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本专利技术的具体保护范围。
[0030]在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本专利技术。根据下面说明，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构，其特征在于，包括入射波导(101)、微环谐振腔(102)、出射波导(103)、加载波导(104)、下载波导(105)、微型加热电极(106)、接触电极(107)、光谱重建分析模块(108)，其中：微环谐振腔(102)是采用上传/下载型微环谐振腔，上传/下载型微环谐振腔包括第一波导(102
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1)、第二波导(102
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3)和环形波导(102
‑
2)，在第一波导(102
‑
1)上设置有Input端口和Through端口，第二波导(102
‑
3)上设置有Drop端口和Add端口；所述入射波导(101)与第一波导(102
‑
1)上的Input端口连接，所述出射波导(103)与第一波导(102
‑
1)上的Through端口连接；所述加载波导(104)与第二波导(102
‑
3上的Add端口连接，所述下载波导(105)与第二波导(102
‑
3)上的Drop端口连接；所述下载波导(105)输出端口与光谱重建分析模块(108)输入端口连接；所述微环谐振腔(102)上方设有微型加热电极(106)，微型加热电极(106)与接触电极(107)连接。2.根据权利要求1所述的微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构，其特征在于，所述入射波导(101)、微环谐振腔(102)、出射波导(103)、加载波导(104)和下载波导(105)均为单模波导。3.根据权利要求1所述的微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构，其特征在于，所述微环谐振腔(102)的第一波导(102
‑
1)、第二波导(102
‑
3)分别位于环形波导(102
‑
2)的两侧边；环形波导(102
‑
2)与第一波导(102
‑
1)之间的耦合距离与环形波导(102
‑
2)与第二波导(102
‑
3)之间的耦合距离相等。4.根据权利要求1、2或3所述的微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构，其特征在于，所述微环谐振腔(102)是采用上传下载法布里珀罗谐振腔，支持多个谐振模式。5.根据权利要求1、2或3所述的微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构，其特征在于，所述微环谐振腔(102)的自由光谱范围要大于所述光谱重建分析模块(108)的光谱分辨率。6.根据权利要求1、2或3所述的微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构，其特征在于，通过在所述接触电极(107)施加驱动功率，对所述微环谐振腔(102)进行加热，改变所述微环谐振腔(102)的谐振波长。7.根据权利要求1、2或3所述的微环辅助的集成光谱重建型光谱仪结构，其特征在于，通过在所述接触电极(107)施加驱动功率，从所述加载波导(104)输入光s(λ)，在所述出射波导(103)接收光，得到不同驱动功率的所述微环谐振...
【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：
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