基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片制造技术

本发明专利技术提供一种基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片，包括：由多个并排设置的傅里叶变换光谱仪芯片单元形成的傅里叶变换光谱仪芯片和图像传感器芯片封装在一起的封装体，以及与其机械连接的复合抛物面聚光镜及透镜；傅里叶变换光谱仪芯片单元包括依次连接的光耦入结构、偏振分光器及干涉仪结构。通过将复合抛物面聚光镜设置于傅里叶变换光谱仪芯片侧端面，并通过透镜的聚光效果，使光全部聚焦在芯片侧面进入光谱仪芯片，端面耦合没有偏振选择性并且耦入结构大小与光斑大小匹配，大大提高光的耦合效率；另外，偏振分光器可对所有拉曼信号光进行收集，提高光的收集效率；再者，通过一维结构的子干涉仪结构实现光的干涉，有效减小芯片体积，降低芯片成本。降低芯片成本。降低芯片成本。

【技术实现步骤摘要】
基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片


[0001]本专利技术涉及拉曼光谱探测领域，特别是涉及一种基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片。

技术介绍

[0002]拉曼散射是一种非弹性散射，它是由光照射在物质上时，光子由于物质分子的振动而受到相互作用，产生与激发光本身频率不同的散射，因此不同分子，甚至不同化学键之间都有着不同的拉曼峰位，且拉曼光谱具有非破坏性、非侵入性、不用进行样品加工，信息丰富、分析效率高等特点，因此已被广泛应用于生物、化学、医疗、食品安全、航天航空、环境保护等领域。
[0003]然而，拉曼散射本身的发光强度非常弱，常规拉曼信号的强度只有入射光强度的10
‑6～10
‑
12
，要探测拉曼信号十分困难，因此如何使仪器尽可能多地接收拉曼信号，始终是拉曼光谱检测仪器的一项设计重点。目前成熟的拉曼光谱仪设计，受限于器件结构所允许的最大光通量限制，难以在保持高光谱分辨率的前提下接收到足够多的信号，这就对后续的拉曼信号提取在数据处理和拟合算法方面提出了更高的要求。
[0004]芯片式拉曼光谱仪具有很小的体积，能够实现光谱仪的小型化和便携化，甚至能够实现可穿戴设备，用于疾病和健康的管理与监控。但目前芯片式拉曼光谱仪产品非常少，几乎没有，且均存在输入光通量低，且光在传输过程中的收集效率低等问题。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片，用于解决现有技术中的拉曼光谱仪芯片的输入光通量较低及输入信号光的收集效率较低等的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片，所述拉曼光谱仪芯片包括：傅里叶变换光谱仪芯片和图像传感器芯片封装在一起的封装体，以及与所述封装体机械连接的复合抛物面聚光镜及透镜；
[0007]所述傅里叶变换光谱仪芯片包括多个并排设置的傅里叶变换光谱仪芯片单元；
[0008]每个所述傅里叶变换光谱仪芯片单元包括依次连接的光耦入结构、偏振分光器及干涉仪结构；所述光耦入结构包括依次连接的耦入波导及第一楔形波导，以实现输入光的芯片耦入；所述偏振分光器包括依次连接的输入直波导、第二楔形波导及输出直波导，和依次连接的耦合直波导、输出弯曲波导及连接直波导，其中，所述第一楔形波导与所述输入直波导连接，所述耦合直波导设置于所述输出直波导的旁边，以实现将所述输入光分解成分别沿所述耦合直波导及所述输出直波导传输的两束互相垂直的偏振光；所述干涉仪结构包括两个子干涉仪结构，分别与所述输出直波导及所述连接直波导连接以传输两束互相垂直的所述偏振光，每个所述子干涉仪结构包括依次连接的第三楔形波导、耦出光栅、直波导及反射镜；
[0009]所述复合抛物面聚光镜设置于所述傅里叶变换光谱仪芯片的端面，并通过所述透镜的聚焦将所述输入光耦入所述光耦入结构的所述耦入波导中；
[0010]所述图像传感器芯片设置于所述干涉仪结构的上方，以接收所述干涉仪结构散射出的干涉光。
[0011]可选地，所述复合抛物面聚光镜后还设置有滤光片，以滤除前置系统中引入的激发光。
[0012]可选地，所述透镜为柱透镜。
[0013]可选地，所述子干涉仪结构的所述反射镜为金属平面反射镜或平面反射光栅。
[0014]可选地，所述图像传感器芯片为CCD芯片、CMOS图像传感器芯片、PD阵列、SPAD阵列、PMT阵列及SiPM阵列中的一个。
[0015]可选地，所述图像传感器芯片为一维阵列。
[0016]可选地，述耦合直波导与所述输出直波导之间的距离小于500nm。
[0017]可选地，每个所述干涉仪结构中的所述直波导的长度沿其排列方向逐渐增加。
[0018]进一步地，每个所述干涉仪结构中的所述直波导的长度沿其排列方向等差递增。
[0019]可选地，所述傅里叶变换光谱仪芯片形成于硅基底上或形成于氮化硅基底上或形成于铌酸锂基底上或形成于玻璃基底上。
[0020]如上所述，本专利技术的基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片，通过将所述复合抛物面聚光镜设置于所述傅里叶变换光谱仪芯片侧端面，端面耦合没有偏振选择性，并通过透镜的聚光效果，光斑大小与耦入结构大小匹配，使光全部聚焦在芯片侧面进入光谱仪芯片，且光斑通过透镜全部进入芯片，大大提高了光的耦合效率；另外，采用偏振分光器可对所有拉曼信号光进行收集，提高了光的收集效率；再者，通过一维结构的所述子干涉仪结构实现了光的干涉，有效减小了芯片体积，降低芯片成本。
附图说明
[0021]图1显示为本专利技术的基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片的立体结构示意图。
[0022]图2显示为本专利技术的基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片中傅里叶变换光谱仪芯片的结构示意图。
[0023]图3显示为本专利技术的傅里叶变换光谱仪芯片中一个傅里叶变换光谱仪芯片单元的结构示意图。
[0024]图4显示为本专利技术的傅里叶变换光谱仪芯片单元中偏振分光器的结构示意图。
[0025]图5显示为本专利技术的傅里叶变换光谱仪芯片单元中子干涉仪结构的结构示意图。
[0026]元件标号说明
[0027]10傅里叶变换光谱仪芯片
[0028]101傅里叶变换光谱仪芯片单元
[0029]11图像传感器芯片
[0030]12复合抛物面聚光镜
[0031]121滤光片
[0032]13透镜
[0033]14光耦入结构
[0034]141耦入波导
[0035]142第一楔形波导
[0036]15偏振分光器
[0037]151输入直波导
[0038]152第二楔形波导
[0039]153输出直波导
[0040]154耦合直波导
[0041]155输出弯曲波导
[0042]156连接直波导
[0043]16干涉仪结构
[0044]160子干涉仪结构
[0045]161第三楔形波导
[0046]162耦出光栅
[0047]163直波导
[0048]164反射镜
[0049]D直波导的长度
具体实施方式
[0050]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。
[0051]请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图示中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0052]如图1至图5所示，本实施例提供一种基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片，所述拉曼光谱仪芯片包括：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于端面耦合的拉曼光谱仪芯片，其特征在于，所述拉曼光谱仪芯片包括：傅里叶变换光谱仪芯片和图像传感器芯片封装在一起的封装体，以及与所述封装体机械连接的复合抛物面聚光镜及透镜；所述傅里叶变换光谱仪芯片包括多个并排设置的傅里叶变换光谱仪芯片单元；每个所述傅里叶变换光谱仪芯片单元包括依次连接的光耦入结构、偏振分光器及干涉仪结构；所述光耦入结构包括依次连接的耦入波导及第一楔形波导，以实现输入光的芯片耦入；所述偏振分光器包括依次连接的输入直波导、第二楔形波导及输出直波导，和依次连接的耦合直波导、输出弯曲波导及连接直波导，其中，所述第一楔形波导与所述输入直波导连接，所述耦合直波导设置于所述输出直波导的旁边，以实现将所述输入光分解成分别沿所述耦合直波导及所述输出直波导传输的两束互相垂直的偏振光；所述干涉仪结构包括两个子干涉仪结构，分别与所述输出直波导及所述连接直波导连接以传输两束互相垂直的所述偏振光，每个所述子干涉仪结构包括依次连接的第三楔形波导、耦出光栅、直波导及反射镜；所述复合抛物面聚光镜设置于所述傅里叶变换光谱仪芯片的端面，并通过所述透镜的聚焦将所述输入光耦入所述光耦入结构的所述耦入波导中；所述图像传感器芯片设置于所述干涉仪结构的上方，以接收所述干涉仪结构散射出的干涉光。2.根据权利要求1所述的基于端面耦合的拉曼...

【专利技术属性】
技术研发人员：张哲炜，陈昌，
申请(专利权)人：上海近观科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：