一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪制造技术

本发明专利技术属于光谱分析仪技术领域，具体涉及一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，包括衬底、非线性半导体纳米线、锥形光纤、透镜和CCD阵列相机，所述衬底上设置有非线性半导体纳米线，所述非线性半导体纳米线上设置有锥形光纤，所述非线性半导体纳米线的光路方向上设置有透镜，所述透镜的光路方向上设置有CCD阵列相机。本发明专利技术无需光栅、反射镜、棱镜等光学元件，待测光束不经过空间传输，具有光路简单、体积小、集成度高等优点。本发明专利技术可以植入光纤或硅基光学系统，通过改变标准光波长可获得较宽的适用工作波长范围，适用于波分复用、激光光谱检测等片上光通信应用。激光光谱检测等片上光通信应用。激光光谱检测等片上光通信应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪


[0001]本专利技术属于光谱分析仪
，具体涉及一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪。

技术介绍

[0002]近年来，片上光通信、光互连等领域的快速发展对于光子器件的小型化提出了更高的要求。其中，光谱分析器件(如，光谱仪等)作为光学波长、频谱的基本分析仪器，是波分复用、光学传感等光学信息系统中的关键器件。其体积、功耗等直接影响了光学信息系统的性能。目前，传统的光谱仪主要基于光栅或棱镜等空间色散元件，利用其在特定波长范围内的色散特性，基于衍射或反射等光学效应，实现不同频率的光分量空间上的分离，最终利用光电探测器件对不同频率的光分量进行强度检测，实现光谱检测功能。该方法需要光栅、棱镜、反射镜等大量光学元件，需要进行多次衍射或反射过程，系统内部光路较为复杂、所需空间体积较大、难以实现片上集成，不利于片上光通信应用。

技术实现思路

[0003]针对上述传统的光谱仪内部光路较为复杂、所需空间体积较大、难以实现片上集成，不利于片上光通信应用的技术问题，本专利技术提供了一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，该光谱仪无需光栅、反射镜、棱镜等光学元件，待测光束不经过空间传输，具有光路简单、体积小、集成度高等优点。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，包括衬底、非线性半导体纳米线、锥形光纤、透镜和CCD阵列相机，所述衬底上设置有非线性半导体纳米线，所述非线性半导体纳米线上设置有锥形光纤，所述非线性半导体纳米线的光路方向上设置有透镜，所述透镜的光路方向上设置有CCD阵列相机。
[0006]所述衬底采用MgF2衬底，所述衬底包括第一MgF2衬底、第二MgF2衬底，所述非线性半导体纳米线悬挂在第一MgF2衬底和第二MgF2衬底之间的狭缝上方。
[0007]所述锥形光纤包括第一锥形光纤、第二锥形光纤，所述第一锥形光纤和第二锥形光纤分别设置在非线性半导体纳米线的两端。
[0008]所述第一锥形光纤的光路方向上设置有窄带激光器，所述窄带激光器发出标准光进入第一锥形光纤。
[0009]所述第二锥形光纤的光路方向上设置有待测光。
[0010]所述非线性半导体纳米线采用直径为0.5μm～1μm的CdTe纳米线。
[0011]所述CCD阵列相机设置在透镜的焦点上。
[0012]一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪的分析方法，包括下列步骤：
[0013]S1、将一根非线性半导体纳米线放置在第一MgF2衬底、第二MgF2衬底组成的狭缝结构上方；
[0014]S2、从窄带激光器输出的标准光以及待测光分别通过第一锥形光纤、第二锥形光纤由一根非线性半导体纳米线的两端输入其中；
[0015]S3、两束光在非线性半导体纳米线内以导波形式相向传输并在空间上相互重合，在横向合频机理作用下，在偏离非线性半导体纳米线轴向的方向上会观测到合频光信号，根据动量守恒原理，所述合频光信号的频率等于纳米线两端输入光频率总和；
[0016]S4、利用透镜和CCD阵列相机组成的成像系统，将不同发射角度的光分量聚焦到CCD阵列相机上的不同位置处；
[0017]S5、通过分析CCD阵列相机图像中的光斑位置，实现合频光信号发射角度检测，进而推算出非线性半导体纳米线两端光信号频率差，最终根据标准光已知频率，计算得到待测光频率。
[0018]所述S5中推算出非线性半导体纳米线两端光信号频率差的方法为：
[0019]合频光信号发射角度随待测光频率变化而变化，标准光和待测光在单根纳米线中相向传输，假设二者基模的传播常数分别为β
ω
和β
ω
'，根据动量守恒定律，经由合频过程产生的合频光信号，在平行于非线性半导体纳米线轴向方向上应满足动量守恒；因此，合频光信号发射方向在平行于非线性半导体纳米线轴向方向上的传播常数分量，等于β
ω
和β
ω
'之差，因此，合频光信号的发射角θ由下式给出：
[0020][0021]所述θ为横向二次谐波的出射角度，所述k
2ω
是横向合频光信号的波矢量，所述β
ω
和β
ω
'分别是标准光的传播常数和待测光的传播常数，所述则即所述β为传播常数，所述ω为角频率，所述c为真空中的光速，所述n为有效折射率系数，所述λ为输入光波长，所述λ
2ω
为合频光波长；因此，当标准光的频率固定时，合频光信号的发射角度会随着待测信号频率的变化而变化。
[0022]所述S5中计算得到待测光频率的方法为：
[0023]在横向合频机理作用下，在偏离非线性半导体纳米线轴向的方向上会观测到合频光信号，根据透镜和CCD阵列相机组成的成像系统，将观测到的合频光信号聚焦到CCD阵列相机上的不同位置处；因此，CCD阵列相机上光斑位置x由下式给出：
[0024]f＝x tanα
[0025]所述f为透镜焦距，所述x为CCD阵列相机上光斑位置，所述α为合频光信号的入射角度，因此，由透镜焦距和入射角度得到CCD阵列相机上光斑的位置。
[0026]本专利技术与现有技术相比，具有的有益效果是：
[0027]本专利技术设计了一种单纳米线微型化光谱分析仪，基于单根非线性半导体纳米线横向合频效应，该光谱仪通过检测横向合频光束发射角度的方法实现光谱分析。本专利技术无需光栅、反射镜、棱镜等光学元件，待测光束不经过空间传输，具有光路简单、体积小、集成度高等优点。本专利技术可以植入光纤或硅基光学系统，通过改变标准光波长可获得较宽的适用
工作波长范围，适用于波分复用、激光光谱检测等片上光通信应用。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
[0029]本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
能涵盖的范围内。
[0030]图1为本实施例的结构示意图；
[0031]图2为本实施例直径为0.8μm的CdTe纳米线基模分析图；
[0032]图3为本实施例有效模场面积随CdTe纳米线直径变化关系图；
[0033]图4为本实施例有效非线性系数随CdTe纳米线直径变化关系图；
[0034]图5为本实施例直径约为400nm的CdTe纳米线横向二倍频实验图；
[0035]图6为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：包括衬底、非线性半导体纳米线(2)、锥形光纤、透镜(4)和CCD阵列相机(5)，所述衬底上设置有非线性半导体纳米线(2)，所述非线性半导体纳米线(2)上设置有锥形光纤，所述非线性半导体纳米线(2)的光路方向上设置有透镜(4)，所述透镜(4)的光路方向上设置有CCD阵列相机(5)。2.根据权利要求1所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述衬底采用MgF2衬底，所述衬底包括第一MgF2衬底(101)、第二MgF2衬底(102)，所述非线性半导体纳米线(2)悬挂在第一MgF2衬底(101)和第二MgF2衬底(102)之间的狭缝上方。3.根据权利要求1所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述锥形光纤包括第一锥形光纤(301)、第二锥形光纤(302)，所述第一锥形光纤(301)和第二锥形光纤(302)分别设置在非线性半导体纳米线(2)的两端。4.根据权利要求3所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述第一锥形光纤(301)的光路方向上设置有窄带激光器(6)，所述窄带激光器(6)发出标准光(7)进入第一锥形光纤(301)。5.根据权利要求3所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述第二锥形光纤(302)的光路方向上设置有待测光(8)。6.根据权利要求3所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述非线性半导体纳米线(2)采用直径为0.5μm～1μm的CdTe纳米线。7.根据权利要求1所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述CCD阵列相机(5)设置在透镜(4)的焦点上。8.根据权利要求1
‑
7任一项所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪的分析方法，其特征在于：包括下列步骤：S1、将一根非线性半导体纳米线放置在第一MgF2衬底、第二MgF2衬底组成的狭缝结构上方；S2、从窄带激光器输出的标准光以及待测光分别通过第一锥形光纤、第二锥形光纤由一根非线性半导体纳米线的两端输入其中；S3、两束光在非线性半导体纳米线内以导波形式相向传输并在空间上相互重合，在横向合频机理作用下，在偏离非线性半导体纳米线轴向的...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛晨光，郭丽君，范长江，李孟委，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：