基于马赫曾德尔干涉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马赫曾德尔干涉的拉曼光谱仪芯片，通过使用马赫曾德尔干涉原理并结合第一至第四定向耦合器的两次反射以及其的排布方式实现对输入光方向的360

【技术实现步骤摘要】
基于马赫曾德尔干涉的拉曼光谱仪芯片


[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马赫曾德尔干涉的拉曼光谱仪芯片。

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，且均存在体积不够小，收光效率低以及信噪比低等问题。

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马赫曾德尔干涉的拉曼光谱仪芯片，用于解决现有技术中的拉曼光谱仪芯片的体积较大、收光效率及信噪比低等的问题。
[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马赫曾德尔干涉的拉曼光谱仪芯片，所述拉曼光谱仪芯片包括：基于马赫曾德尔干涉的光谱仪芯片与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]所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪芯片包括多个上下并排设置的基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元；
[0008]每个所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元包括依次连接的光耦入结构、第一50/50分束器、与所述第一50/50分束器两个输出端分别连接的第一定向耦合器及第二定向耦合器、与所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器的输出端分别连接的第三定向耦合器及第四定向耦合器、与所述第三定向耦合器和所述第四定向耦合器的输出端连接的第二50/50分束器；
[0009]每个所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元的光程差沿其排布方向依次增大或减小；
[0010]所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器、所述第三定向耦合器及所述第四定
向耦合器上下并排设置；所述第一定向耦合器及所述第三定向耦合器设置于所述第一50/50分束器一个输出端的上侧且左右交错，所述第二定向耦合器及所述第四定向耦合器设置于所述第一50/50分束器另一个输出端的下侧且左右交错；
[0011]所述复合抛物面聚光镜设置于所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪芯片的端面，并通过所述透镜的聚焦将输入光耦入所述光耦入结构中；
[0012]所述图像传感器芯片设置于所述第二50/50分束器的输出端后，以接收所述第二50/50分束器输出的干涉光。
[0013]可选地，每个所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元的光程差沿其排布方向等差递增或递减。
[0014]可选地，所述第一50/50分束器为1
×
2MMI光分束器或50/50耦合器。
[0015]可选地，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器、所述第三定向耦合器及所述第四定向耦合器均为50/50定向耦合器。
[0016]可选地，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器、所述第三定向耦合器及所述第四定向耦合器均为四端口元件，包括一个输入端、一个输出端及设有反射镜的两个反射端，四个端口之间为耦合波导区。
[0017]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。
[0018]可选地，所述光耦入结构包括依次连接的耦入波导及楔形波导，以实现输入光的芯片耦入。
[0019]可选地，所述透镜为柱透镜。
[0020]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；所述图像传感器芯片为一维阵列。
[0021]可选地，所述基于马赫曾德尔干涉的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。
[0022]如上所述，本专利技术的基于马赫曾德尔干涉的拉曼光谱仪芯片，通过使用马赫曾德尔干涉原理并结合第一至第四定向耦合器的两次反射以及其的排布方式实现对输入光方向的360
°
转折并使其经过不同长度的光程实现干涉，不需要使用180
°
弯曲波导，可有效减小芯片的体积，降低成本；另外，将所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元上下并排设置，对应可使所述图像传感器芯片设置为一维阵列，以提高信噪比并降低成本；再者，通过将所述复合抛物面聚光镜设置于所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪芯片侧端面，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，光斑通过透镜全部进入芯片，大大提高了光的耦合效率。
附图说明
[0023]图1显示为本专利技术的基于马赫曾德尔干涉的拉曼光谱仪芯片的结构示意图。
[0024]图2显示为本专利技术的基于马赫曾德尔干涉的光谱仪芯片的结构示意图。
[0025]图3及图4显示为本专利技术的基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元中的马赫曾德尔干涉部分的结构示意图。
[0026]图5显示为本专利技术的基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元中一示例的第一50/50分
束器的结构示意图。
[0027]图6显示为本专利技术的基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元中另一示例的第一50/50分束器的结构示意图。
[0028]图7显示为本专利技术的基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元中第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器及第四定向耦合器的结构示意图。
[0029]图8至图10显示为本专利技术的基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元中第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器及第四定向耦合器对输入光的光耦合过程原理图。
[0030]元件标号说明
[0031]10
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基于马赫曾德尔干涉的光谱仪芯片
[0032]101
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基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元
[0033]11
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图像传感器芯片
[0034]12
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复合抛物面聚光镜
[0035]13
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于马赫曾德尔干涉的拉曼光谱仪芯片，其特征在于，所述拉曼光谱仪芯片包括：基于马赫曾德尔干涉的光谱仪芯片与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；所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪芯片包括多个上下并排设置的基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元；每个所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元包括依次连接的光耦入结构、第一50/50分束器、与所述第一50/50分束器两个输出端分别连接的第一定向耦合器及第二定向耦合器、与所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器的输出端分别连接的第三定向耦合器及第四定向耦合器、与所述第三定向耦合器和所述第四定向耦合器的输出端连接的第二50/50分束器；每个所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元的光程差沿其排布方向依次增大或减小；所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器、所述第三定向耦合器及所述第四定向耦合器上下并排设置；所述第一定向耦合器及所述第三定向耦合器设置于所述第一50/50分束器一个输出端的上侧且左右交错，所述第二定向耦合器及所述第四定向耦合器设置于所述第一50/50分束器另一个输出端的下侧且左右交错；所述复合抛物面聚光镜设置于所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪芯片的端面，并通过所述透镜的聚焦将输入光耦入所述光耦入结构中；所述图像传感器芯片设置于所述第二50/50分束器的输出端后，以接收所述第二50/50分束器输出的干涉光。2.根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干涉的拉曼光谱仪芯片，其特征在于：每个所述基于马赫曾德尔干涉的光谱仪单元的光程差沿其排布方向等差递增或递减。3.根据权利要求1所述的...

【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：