CN103630239B - 分辨率增强傅里叶微光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分辨率增强傅立叶微光谱仪，其包括：干涉仪：其用于借助电光效应对待测光信号进行位相调制，且其光输出端设置有光反射装置，使得进入所述干涉仪的待测光信号被反射后按原路返回；光波传输装置：其为二分支结构，待测光信号通过所述二分支结构的第一分支输入，通过所述二分支结构的主干枝耦合进入所述干涉仪的光输入端；而所述二分支结构的第二分支用于接收经所述干涉仪上的光反射装置反射后的待测光信号；光电探测器：其用于测量进入所述二分支结构的第二分支的待测光信号的强度变化，并获得待测光信号的干涉图谱。待测光信号在光波导电光调制器内的往返传播增大了光程差变化量，进而提高了光谱分辨率。

Description

分辨率增强傅里叶微光谱仪

技术领域

本发明属于光波导传感技术、光谱测量技术和微光机电系统(MOEMS)加工技术领域，特别涉及一种基于集成光波导电光调制器端面反射的分辨率增强傅里叶微光谱仪。

背景技术

光谱仪是分析物质组成成份及其结构的强有力工具，在环境监测、化学分析、生物医学、空间探测、军事科技和功能材料等众多领域有着广泛应用，尤其是小型化、便携式光谱仪在这些领域有着巨大的市场需求。傅里叶微光谱仪由于具有较高的信噪比和较快的扫描速度，同时，仅需要一个光电探测器，避免使用昂贵的CCD探测器，成为了微小型便携式光谱仪的一个研究热点。但大多数傅里叶微光谱仪仍然使用动镜迈克尔逊干涉仪对光程差进行调制，而这种运动部件则会削弱微光谱仪的抗环境干扰能力。为了克服常规傅里叶微光谱仪的上述缺点，本发明的同一申请人提出利用集成光波导电光调制技术实现对光程差的静态调制，在此基础上提出了傅里叶变换芯片光谱仪(申请号：201010138943.2)和衰减全反射测量式傅里叶微光谱仪(申请号：201010263095.8)以及一种获取光源光谱的方法(申请号：201210506070.5)。这些发明公开的傅里叶微光谱仪不包含运动部件，不需要精密的驱动系统，不需要特殊的减震环境，同时导波光的使用克服了空间自由光束易受干扰的缺点。

基于集成光波导电光调制技术的各种傅里叶微光谱仪虽然消除了运动部件，使得其抗干扰能力获得极大提高，但是其光谱分辨率仍然面临挑战。光谱分辨率的不足已经成为限制光波导傅里叶微光谱仪进一步发展和广泛应用的瓶颈。在保持或进一步减小光波导傅里叶微光谱仪尺寸的同时，提高其光谱分辨率具有重要的科研意义和实用价值。傅里叶光谱仪的光谱分辨率随干涉仪两臂光程差变化量的增大而提高。增大光波导傅里叶微光谱仪的光程差变化量，是提高微光谱仪光谱分辨率的主要方法。由于光程差变化量正比于电光调制区间长度，通过提高电光调制区间的长度可以增大光程差的变化量，但这会导致光波导傅里叶微光谱仪尺寸的增大，不利于光谱仪的微型化。

发明内容

在保持或缩小基于电光调制的光波导傅里叶微光谱仪尺寸的同时，为进一步提高光波导傅里叶微光谱仪的光谱分辨率，本发明提出了一种利用端面反射使待测光信号在电光调制区域往返传播，进而增大干涉仪两臂光程差的变化范围，以提高光谱分辨率的光谱仪。

本发明公开了一种分辨率增强傅里叶微光谱仪，其包括：

干涉仪：其用于借助电光效应对待测光信号进行位相调制，且其光输出端设置有光反射装置，使得进入所述干涉仪的待测光信号被反射后按原路返回；

光波传输装置：其为二分支结构，待测光信号通过所述二分支结构的第一分支输入，通过所述二分支结构的主干枝耦合进入所述干涉仪的光输入端；而所述二分支结构的第二分支用于接收经所述干涉仪上的光反射装置反射后的待测光信号；

光电探测器：其用于测量进入所述二分支结构的第二分支的待测光信号的强度变化，并获得待测光信号的干涉图谱。

本发明公开的分辨率增强傅里叶微光谱仪能有效提高光波导傅里叶微光谱仪的光谱分辨率，在保持电光调制区域长度不变的情况下，本发明提出的光波导傅里叶微光谱仪的光谱分辨率能较传统的具有马赫-曾德尔干涉仪结构的光波导傅里叶微光谱仪提高一倍。同时，还可以避免传统的光波导傅里叶微光谱仪中马赫-曾德尔干涉仪的双Y形3dB分歧波导结构；单Y形3dB分歧波导结构使微光谱仪的尺寸进一步减小，或使得其电光调制区域长度有进一步增大的空间，从而可以进一步提高光谱分辨率；单Y形3dB分歧波导结构同时也降低了光波导傅里叶微光谱仪的加工难度。另一方面，该微光谱仪与多种样品池，如具有消逝波敏感窗口的光纤、芯片消逝波敏感窗口，具有良好的兼容性，用途广泛，结构简单新颖。

附图说明

图1是本发明中基于光波导电光调制器端面反射的分辨率增强傅里叶微光谱仪结构示意图；

图2是本发明中基于单Y形3dB铌酸锂分歧光波导端面反射的分辨率增强傅里叶微光谱仪结构示意图；

图3是本发明中用作分辨率增强傅里叶微光谱仪消逝波敏感窗口的光纤结构示意图；

图4是本发明中基于双Y形3dB铌酸锂分歧光波导端面反射的分辨率增强傅里叶微光谱仪结构示意图；

图5是本发明中基于铌酸锂光波导电光调制器得到的仿真干涉图谱；

图6是利用铌酸锂光波导电光调制器和利用本发明中分辨率增强傅里叶微光谱仪得到的光信号光谱的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中各部分的尺寸并不与真实尺寸成比例以方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，提出了一种基于光波导电光调制器端面反射的分辨率增强傅里叶微光谱仪，其包括：光波导电光调制器1、二分支光纤5、光隔离器6、光源8、光电探测器9、电压函数发生器10和信号处理芯片11。所述光波导电光调制器1的光输出端口光连接有反射镜2，用于端面反射。光波导电光调制器1具有在x切割y传输铌酸锂基底上，由钛扩散铌酸锂波导3构成的马赫-曾德尔干涉仪结构，该干涉仪用于借助电光效应对待测光信号进行位相调制；干涉仪两臂两侧设置有推挽电极4，用于电光调制，进而使干涉仪产生随调制电压变化的干涉图谱。二分支光纤5的主光纤枝5a与光波导电光调制器1的光输入端口光连接；第一光纤枝5b用于接收待测光信号，与光隔离器6、光源8依次光连接，所述光隔离器6用于消除反射光对待侧光信号的影响；第二光纤枝5c与光电探测器9光连接。电压函数发生器10与光波导电光调制器1的调制电极端口电连接，信号处理芯片11分别与光电探测器9和电压函数发生器10电连接。待测光信号从二分支光纤5的第一光纤枝5b输入，通过主光纤枝5a耦合进入光波导电光调制器1，并经与光输出端光连接的反射镜2端面反射沿原路返回至光波导电光调制器1光输入端后，固定比例的待测光信号进入二分支光纤5的第二光纤枝5c，并由光电探测器9接收。利用电压函数发生器10给光波导电光调制器1施加随时间线性变化的三角波电压，同时用光电探测器9探测待测光信号的光强变化，获得干涉图谱，再用与光电探测器9、电压函数发生器10相连的信号处理芯片11对干涉图谱进行傅里叶变换和后续处理，得到待测光信号光谱。其中，所述光波导电光调制器的光输入端和光输出端可以是构成光波导电光调制器的光波导两端面，也可以是分别与光波导两端面光连接的两根光纤的端面。

上述微光谱仪与未知光源8连接时，可以用于测量未知光源的发光光谱，而其还可以测量待测物质的衰减全反射吸收光谱。当该微光谱仪用于测量待测物质的衰减全反射吸收光谱时，第一光纤枝5b的一端与光源8连接，其中所述光源8为已知光源；且在第一光纤枝5b的另一端的局部区间还开设有放置待测物质的消逝波敏感窗口7，用于使经过该第一光纤的光与设置在该窗口的待测物质相互作用；其中，具有消逝波敏感窗口的光纤结构如图3所示，图3(a)，3(b)，3(c)，3(d)分别为用作消逝波敏感窗口的侧边抛光光纤区域、D型光纤区域、双锥形光纤区域、去包层光纤结构示意图；将待测物质放置在所述消逝波敏感窗口。

待测光信号在光波导电光调制器1中往返传播，由二分支光纤5的第二光纤枝5c输出的干涉图谱可以写作：

其中，B为待测光信号的功率系数，U为调制电压，V_π为光波导电光调制器半波电压，λ为待测光信号的波长，const为常数。干涉图谱的交流分量包括对应于单次传播的原基频信号和由光信号往返传播导致的二倍频信号。对于上式等号右侧第一项所表示的二倍频信号，可以认为，在相同调制电压变化范围ΔU下，波长为λ的光信号的光程差变化量由待测光信号在光波导电光调制器1中单次传播时的[ΔU/2V_π(λ)]λ，增大为[ΔU/V_π(λ)]λ。由于待测光信号在光波导电光调制器1中的往返传播，光程差变化量增大了一倍，进而提高了光谱分辨率。

在本发明的另一个实施例中，如图2所示，提出了一种基于单Y形3dB铌酸锂分歧光波导端面反射的分辨率增强傅里叶微光谱仪，其包括：铌酸锂集成光波导装置1、二分支光纤5、光隔离器6、光源8、光电探测器9、电压函数发生器10和信号处理芯片11。其中，所述铌酸锂集成光波导装置1包括在x切割y传输铌酸锂基底上，由钛扩散铌酸锂波导构成的一个Y形3dB分歧波导12。Y形3dB分歧波导12的两波导臂12b、12c相互平行，臂长大于10mm，两波导臂端面被抛光后镀上一定厚度的金膜，构成端面金属反射膜2；在两波导臂12b、12c两侧设置有推挽电极4，用于电光调制。Y形3dB分歧波导12的主波导12a端面被抛光后与二分支光纤5的主光纤枝5a光连接；二分支光纤5的第一光纤枝5b用于接收待测光信号，与光隔离器6和光源8依次光连接，所述光隔离器6用于消除反射光对待侧光信号的影响；第二光纤枝5c与光电探测器9光连接。电压函数发生器10与推挽电极4电连接，信号处理芯片11分别与光电探测器9和电压函数发生器10电连接。待测光信号从二分支光纤5第一光纤枝5b输入，通过主光纤枝5a耦合进入Y形3dB分歧波导12的主波导12a后被等强度分配进入两波导臂12b、12c，并经端面金属反射膜2反射后沿原路返回至Y形3dB分歧波导12主波导12a，固定比例的待测光信号进入二分支光纤5的第二光纤枝5c，并由光电探测器9接收。利用电压函数发生器10给推挽电极4施加随时间线性变化的三角波电压，同时用光电探测器9探测待测光信号的光强变化，获得干涉图谱，再用与光电探测器9、电压函数发生器10相连的信号处理芯片11对干涉图谱进行傅里叶变换和后续处理，得到待测光信号光谱。由于待测光信号在发生干涉前，在Y形3dB分歧波导12的两波导臂12b、12c内往返传播，两次经过电光调制区间，光程差变化量较待测光信号单次传播时增大了一倍，进而提高了光谱分辨率。

上述微光谱仪与未知光源8连接时，可以用于测量未知光源的发光光谱，而其还可以测量待测物质的衰减全反射吸收光谱。当该微光谱仪用于测量待测物质的衰减全反射吸收光谱时，第一光纤枝5b的一端与光源8连接，其中所述光源8为已知光源；且在第一光纤枝5b的另一端的局部区间还开设有放置待测物质的消逝波敏感窗口7，用于使经过该第一光纤的光与设置在该窗口的待测物质相互作用；其中，具有消逝波敏感窗口的光纤结构如图3所示，图3(a)，3(b)，3(c)，3(d)分别为用作消逝波敏感窗口的侧边抛光光纤区域、D型光纤区域、双锥形光纤区域、去包层光纤结构示意图；将待测物质放置在所述消逝波敏感窗口。

所述铌酸锂集成光波导芯片可以由具有相同波导结构的钽酸锂集成光波导芯片、砷化镓集成光波导芯片、磷化铟集成光波导芯片其中之一取代；或由包含氧化锌、钛酸钡等电光功能薄膜的集成光波导芯片取代。

在本发明的另一个实施例中，如图4所示，提出了一种基于双Y形3dB铌酸锂分歧光波导端面反射的分辨率增强傅里叶微光谱仪，其包括光波导电光调制器1、光源8、光电探测器9、电压函数发生器10和信号处理芯片11。其中，所述光波导电光调制器1具有在x切割y传输铌酸锂基底上，由钛扩散铌酸锂波导构成的第一Y形3dB分歧波导12和第二Y形3dB分歧波导14，两Y形3dB分歧波导由一个公共主波导13相连。Y形3dB分歧波导12的两波导臂12b、12c相互平行，端面被抛光后镀上一定厚度的金膜，构成端面金属反射膜2；在两波导臂12b、12c两侧设置推挽电极4，用于电光调制。第二Y形3dB分歧波导14的第一波导臂14a用于接收待测光信号，与具有光隔离器的光源8光连接，所述光隔离器6用于消除反射光对待侧光信号的影响；第二波导臂14b与光电探测器9光连接。电压函数发生器10与推挽电极4电连接，信号处理芯片11分别与光电探测器9和电压函数发生器10电连接。待测光信号从第二Y形3dB分歧波导14的第一波导臂14a输入，耦合进入公共主波导13后被等强度分配进入第一Y形3dB分歧波导12的两波导臂12b、12c，并经端面金属反射膜2反射后沿原路返回公共主波导13，固定比例的待测光信号进入第二Y形3dB分歧波导14的第二波导臂14b，并由光电探测器9接收。利用电压函数发生器10给推挽电极4施加随时间线性变化的三角波电压，同时用光电探测器9探测待测光信号的光强变化，获得干涉图谱，再用与光电探测器9、电压函数发生器10相连的信号处理芯片11对干涉图谱进行傅里叶变换和后续处理，得到待测光信号光谱。由于待测光信号在发生干涉前，在第一Y形3dB分歧波导12的两波导臂12b、12c内往返传播，两次经过电光调制区间，光程差变化量较单次传播时增大了一倍，进而提高了光谱分辨率。

上述微光谱仪与未知光源8连接时，可以用于测量未知光源的发光光谱，而其还可以测量待测物质的衰减全反射吸收光谱。当该微光谱仪用于测量待测物质的衰减全反射吸收光谱时，波导臂14a的一端与光源8连接，且所述光源8为已知光源；且在波导臂14a的另一端的局部区间还开设有一放置待测物质的消逝波敏感窗口7，用于使经过波导臂14a的光与设置在该窗口的待测物质相互作用，除敏感窗口之外的光波导区域被二氧化硅、三氧化二铝、聚四氟乙烯，氟化镁等低折射率介质层之一覆盖。

图5是在铌酸锂光波导电光调制器(调制区域长度L＝10mm)内经端面反射而往返传播的光信号(波长为1450nm)随调制电压从-60V线性变化至+60V所产生的，在滤除低频成分后的干涉图谱仿真结果，以及光信号在单次传播的情况下得到的仿真干涉图谱。对于光信号在铌酸锂光波导电光调制器内往返传播时产生的原始干涉图谱，其交流分量包括对应于单次传播的原基频信号和由光信号往返传播导致的二倍频信号。通过对原始干涉图谱的高通滤波，可以得到滤除原基频信号等低频成分后的干涉图谱。可以看出，光信号往返传播时输出的干涉图谱周期数是光信号单次传播时输出的干涉图谱的两倍，采用端面反射的方法使光信号在光波导电光调制器内往返传播，使光程差的变化范围增大了一倍。

图6(a)是对光信号(波长为1450nm)在铌酸锂光波导电光调制器(调制区域长度分别为10mm、20mm和50mm)内单次传播产生的干涉图谱进行傅里叶变换得到的光信号光谱。图6(b)在同样的参数下利用本发明提出的分辨率增强傅里叶微光谱仪得到的光信号光谱。可以看出，分辨率增强傅里叶微光谱仪所得到的光谱，分辨率有明显增强。分辨率增强傅里叶微光谱仪采用端面反射的方法使光信号在电光调制区域往返传播，增大了光程差的变化范围，使光谱分辨能力提高了一倍。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分辨率增强傅里叶微光谱仪，其包括：

干涉仪：其用于借助电光效应对待测光信号进行位相调制，且其光输出端设置有光反射装置，所述光反射装置为端面金属反射膜，使得进入所述干涉仪的待测光信号被反射后按原路返回；

光波传输装置：其为二分支结构，待测光信号通过所述二分支结构的第一分支输入，通过所述二分支结构的主干枝耦合进入所述干涉仪的光输入端；而所述二分支结构的第二分支用于接收经所述干涉仪上的光反射装置反射后的待测光信号；

光隔离器，其与所述二分支结构的第一分支光连接，用于消除反射光对待测光信号的影响；

光电探测器：其用于测量进入所述二分支结构的第二分支的待测光信号的强度变化，并获得待测光信号的干涉图谱；

其中，所述干涉仪包括Y形分歧波导，所述Y形分歧波导具有两个相互平行波导臂，其端面被抛光后镀上金属膜，形成所述光反射装置；在所述两个相互平行的波导臂两侧设置有推挽电极，用于电光调制；所述待测光信号通过所述光波传输装置耦合进入所述Y形分歧波导的主波导后被等强度分配进入所述两波导臂，并经设置在其端面的反射装置反射后沿原路返回，因此所述待测光信号在发生干涉前两次经过电光调制区间，从而光程差变化量较单次传播时增大了一倍，提高了光谱分辨率。

2.如权利要求1所述的分辨率增强傅里叶微光谱仪，其特征在于：所述光波传输装置为光纤装置，所述二分支结构为二分支光纤。

3.如权利要求1所述的分辨率增强傅里叶微光谱仪，其特征在于：所述光波传输装置为Y形分歧波导装置，该Y形分歧波导装置的主波导与干涉仪的光输入端相连。

4.如权利要求1所述的分辨率增强傅里叶微光谱仪，其特征在于：所述分辨率增强傅里叶微光谱仪还包括电压函数发生器，该电压函数发生器向所述干涉仪施加随时间线性变化的三角波电压信号。

5.如权利要求1所述的分辨率增强傅里叶微光谱仪，其特征在于：所述分辨率增强傅里叶微光谱仪还包括信号处理装置，其用于对所述干涉图谱进行傅里叶变换以得到所述待测光信号的光谱。

6.如权利要求1所述的分辨率增强傅里叶微光谱仪，其特征在于：所述待测光信号为未知光源发出的光信号。

7.如权利要求1所述的分辨率增强傅里叶微光谱仪，其特征在于：所述待测光信号为已知光源发出的光经待测物质衰减后产生的光信号；其中，所述待测物质放置在所述二分支结构的第一分支的局部区间上开设的消逝波敏感窗口中，所述消逝波敏感窗口为侧边抛光区域、D型区域、双锥形区域、去包层区域其中之一。