CN113790800B - 一种波导阵列型高分辨光谱检测芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导阵列型高分辨光谱检测芯片，包括光纤‑波导耦合装置、星型耦合器、等间距等长度差波导重排结构、级联型长度重排结构和间距重排结构。本发明的波导阵列型高分辨光谱探测芯片，利用新型波导重排结构及级联相位调制等创新设计，极大地提高了相同尺寸下波导间长度差，并在端面形成等间距等长度差波导阵列，方便实现高级次多光束干涉，从而获取高分辨率及连续光谱探测。本发明为光谱检测提供了一种基于直接色散过程获取高光谱分辨率的有效器件。
Description
技术领域
本发明实施涉及光谱检测技术领域，更具体的，涉及一种波导阵列型色散芯片。
背景技术
光谱检测技术是一种能够将待测物体吸收或发射的光以一定波长间隔分离并进行强度探测的检测技术，能够识别物体的运动状态与物质组成，广泛应用于科学和工业领域。随着待测物体、环境的愈加精密和复杂，更小的波长间隔探测即高分辨光谱检测的需求日益增长。
随着半导体工艺的日趋成熟，光子芯片在光谱检测领域的应用也逐步受到重视。能够实现光谱检测的光子芯片主要分为两种：直接色散型芯片和计算型芯片。其中，直接色散型芯片能将不同波长的信号光在空间上直接分开并探测，因此，具有更高的鲁棒性、时效性和准确性，成为光谱检测的首选。
现阶段，最具代表性的直接色散型芯片为阵列波导光栅(Arrayed WaveguideGrating,AWG)。其利用具有不同长度的多根波导来获得相位阵列，并基于相位阵列的多光束干涉来实现光的空间色散。截止目前，AWG是直接色散型光子芯片中光谱分辨率最高的器件，并且，基于AWG的光谱装置也已在8米级望远镜Subaru上进行了试观测，且各项性能指标均表现良好。
但是，以AWG为代表的直接色散型芯片目前存在两个问题。
第一个问题，光谱分辨率依旧较低。
目前，直接色散型光子芯片中色散能力最高的器件AWG能实现的光谱分辨率也不超过0.4nm，还无法满足高分辨光谱检测应用。
第二个问题，AWG通用结构会导致探测光谱离散且探测通道数量受限，或需要引入更多光学器件对AWG输出端面进行重新成像从而使光学系统变得复杂。
常规AWG芯片一般面向光通信波分复用功能，其输出一般为离散的光谱带，无法支持连续光谱信息的获取，这限制了其在光谱检测中的应用范围。而要获得连续光谱探测，一般选择将AWG输出端的光纤摘除并对端面抛光，紧接着或对端面进行直接探测获取一维连续光谱，或以端面为物象搭建交叉色散的再成像光学系统获取二维光谱。但这两种解决方案都会极大的降低AWG原本拥有的分辨本领，其原因在于AWG芯片是存在焦面的且焦面的形状是一个曲率半径极小的罗兰圆曲面，无论是对AWG芯片焦面直接探测还是再成像探测都会引入焦面与探测面不能重合(离焦)的新问题。
为解决光谱分辨率低的问题，需要增加波导阵列中相邻波导间的长度差及波导数量，从而提高相位阵列多光束干涉的干涉级次及参与干涉的光束数目，两者的乘积可以用来表征理论上的分辨率极限，这个乘积也可以用波导阵列的总长度差表示。而增加波导阵列的总长度差，一般会导致芯片尺寸大大增加，进而提高芯片加工难度及成本。以最通用的AWG芯片结构为例，当总长度差达到2cm(对应光谱分辨率约为0.1nm)，芯片的尺寸就会大于100cm2，甚至随着总长度差的进一步增加，会出现尺寸大于制作晶圆和波导交叉，这些实际上不能加工的问题。另一方面，大大增加的尺寸在实际加工中会显著降低芯片成品率。
针对光谱探测应用的新型波导阵列结构可以显著降低高分辨探测的芯片尺寸，最为直观的是高分辨的波导阵列型芯片尺寸与中低分辨AWG芯片相仿并且提供了制作超高分辨率色散芯片的可能性。在光谱探测方面，不同波长的信号光进入波导阵列型芯片输出的是不同发射角的干涉平面波，可以通过后置透镜实现连续光谱探测，避免了焦面与探测面不匹配的问题。此外，这种孔径和角度可控的干涉平面波输出可以应用于很多领域，例如位置检测等。
发明内容
示例实施例至少解决了上述问题以及以上未描述的其他问题。此外，示例实施例不需要克服上述缺点，并且可以不克服上述任何问题。
通过本发明公开的一个或多个实施例实现的色散型芯片的结构设计是确保波导阵列型色散芯片使用新型的色散结构，使得在同样尺寸的芯片上拥有优于已知色散型芯片的分辨本领，其效果在于能够提供不亚于商用光纤光栅光谱仪约0.1nm的分辨本领。
通过本发明公开的一个或多个实施例实现的色散型芯片的技术效果是确保波导阵列型色散芯片的输出是等间隔且相位等差增长的光束阵列，表现出的输出效果在于不同波长以不同的发射角输出，从而解决了不能连续光谱检测的问题。
本发明的技术方案如下：
一种波导阵列型高分辨光谱检测芯片，包括光纤-波导耦合装置、星型耦合器、等间距等长度差波导重排结构、级联型长度重排结构和间距重排结构，所述级联型长度重排结构和间距重排结构组成长度间距重排单元；其中：
所述光纤-波导耦合装置的波导端口与星型耦合器的输入端相连；所述星型耦合器的输出端具有N条呈星状分布的锥形波导，N≥2，N条锥形波导输出端的宽度相等，信号光以等相位耦合进多路星状分布的锥形波导内；
所述星型耦合器的N条锥形波导的输出端与等间距等长度差波导重排结构的输入端相连；所述等间距等长度差波导重排结构将星状分布的波导阵列调整成等间距等长度差的平行波导阵列结构；
所述等间距等长度差波导重排结构的输出端与长度间距重排单元相连，其中，所述级联型长度重排结构被设置成增大或减小平行波导阵列结构中相邻波导间的长度差，且所述级联型长度重排结构为一个或相互级联多个；所述间距重排结构被设置成增大或减小平行波导阵列结构中相邻波导的间距；
所述间距重排结构的输出即为波导阵列型高分辨光谱探测芯片的输出，其输出端面为等间隔且相位等差增长的光束阵列，不同波长以不同的发射角输出。
进一步的，所述星型耦合器包括输入波导、自由传播区域和锥形波导，所述光纤-波导耦合装置的波导端口与星型耦合器的输入波导一端相连。
进一步的，所述等间距等长度差波导重排结构包括直波导A1、弧形波导R1和直波导A2，所述星型耦合器的N条锥形波导的输出端与等间距等长度差波导重排结构的N条直波导A1的输入端相连。
进一步的，所述等间距等长度差波导重排结构的输出端与级联型长度重排结构的输入端相连；所述级联型长度重排结构的输出端与间距重排结构的输入端相连。
进一步的，所述级联型长度重排结构包括直波导B1、半圆波导R2、直波导B2，所述等间距等长度差波导重排结构的N条直波导A2的输出端与级联型长度重排结构的N条直波导B1的输入端相连；当所述级联型长度重排结构设置有多个时，还包括半圆波导R3，通过半圆波导R3使相邻级联型长度重排结构相互级联。
进一步的，所述级联型长度重排结构通过等差增大或减小N条直波导B1和N条直波导B2的长度使N条波导间的长度差以等差数列增大或减小。
进一步的，所述级联型长度重排结构通过多次级联使N条波导间的长度差等比增大或减小。
进一步的，所述间距重排结构包括依次连接的弧形波导R4和直波导C，所述级联型长度重排结构的N条直波导B2的输出端与间距重排结构的N条具有不同曲率半径的弧形波导R4的输入端相连。
进一步的，还包括芯层，所述芯层的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅和聚合物的一种或多种；所述锥形波导的输入端宽度的最大值与芯层的材料相关，宽度最大不超过200um。
进一步的，所述级联型长度重排结构单次增加或减小的长度差不超过制作芯片所用晶圆直径的2倍；所述间距重排结构增大或减小平行波导阵列结构中相邻波导的间距的最大值不超过制作芯片所用晶圆的直径。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种新的波导阵列排布结构，极大的提高了相同尺寸下波导间可能形成的长度差，从而使得高分辨率的波长探测成为可能，另一方面也意味着减小了获取相同分辨本领所需的芯片尺寸。
2、本发明解决了光芯片现阶段不能连续光谱探测的缺点，波导阵列型高分辨光谱探测芯片的输出面是不同波长拥有不同的发射角的干涉平面波。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为实施例的1:1设计图；
图3为实施例的实物图；
图4为等间距等长度差波导重排结构40的放大示意图；
图5为1550nm单色光源作为输入并使用200mm透镜聚焦获得的图样；
图6为表征实施例分辨本领的结果图；
图7为同时输入3个相隔0.1nm的单色光实测得到的光谱；
图8为分辨本领最强的商用色散型芯片的实物图。
图9为实施例的单模传输波导的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
如图1，一种波导阵列型高分辨光谱探测芯片，它包括光纤-波导耦合装置20、星型耦合器30、等间距等长度差波导重排结构40、级联型长度重排结构50和间距重排结构60。其中：
光纤-波导耦合装置20用于高效耦合传输光纤里的信号光进入芯片。
星型耦合器30用于将信号光以等相位耦合进多路星状分布的波导内，通过设计N条(N为大于1的整数)输出锥形波导33的输入端相对应的宽度实现1分N路的功率分光。图3为本实施例的实物图。如图2所示，本实施例中，星型耦合器30实现了1分40路的高斯分布的功率分光。
等间距等长度差波导重排结构40用于重新排布星状发散的N路波导，将星状发散分布的波导阵列调整成等间距等长度差的平行波导阵列。
级联型长度重排结构50用于增大或减小波导阵列间的长度差，单次增加或减小的长度差最好不超过制作芯片所用晶圆直径的2倍。
间距重排结构60用于增大或减小波导阵列间的间距，增大或减小平行波导阵列结构中相邻波导的间距的最大值最好不超过制作芯片所用晶圆的直径，间距重排结构60的输出即为波导阵列型高分辨光谱探测芯片的输出，其输出端面为等间隔且相位等差增长的光束阵列，不同波长以不同的发射角输出。
本发明中，级联型长度重排结构50中的级联单元可以仅是一个，也可以是两个、三个或多个，本实施例仅以两个级联单元为例进行说明；本发明中级联型长度重排结构50与间距重排结构60的排序可以互换，本实施例仅以等间距等长度差波导重排结构40、级联型长度重排结构50和间距重排结构60依次顺序连接为例进行说明。
本实施例中，光纤接口被设置成支持光纤输出，光纤-波导耦合装置20被设置成将光纤里传输的信号光耦合进波导阵列型色散芯片。光纤接口与光纤-波导耦合装置20的光纤端口相连，待测光源通过光纤接口进入光纤-波导耦合装置20的光纤部分，端面耦合使用对准并粘合的方法，耦合光效率高于90％。
芯层70的材料选用但不限于二氧化硅、硅、氮化硅和聚合物等类型。每条波导的输入端宽度的最大值与芯层70材料相关，宽度最好不超过200um。本实施例中，如图9，选用掺锗二氧化硅作为芯层70，二氧化硅作为基底和覆盖层，折射率差为0.3％，单模传输波导尺寸为6.5um*6.5um。
本实施例中，星型耦合器30包括输入波导31、自由传播区域32和N条锥形波导33，光纤-波导耦合装置20的波导端口与星型耦合器30的输入波导31一端相连。星型耦合器30的N条锥形波导33输出端的宽度相等，星型耦合器30可以通过设计N条(N为大于1的整数)输出锥形波导33的输入端相对应的宽度实现了N路自由分光。
本实施例中，等间距等长度差波导重排结构40包括直波导41、弧形波导42和直波导43。星型耦合器30的N条锥形波导33输出端与等间距等长度差波导重排结构40的N条直波导41输入端相连。等间距等长度差波导重排结构40将N条星状发散的波导排列成等间距等长度差的平行结构。如图4，等间距等长度差波导重排结构40形成了相邻波导长度差为35um和间距40um的40条平行波导阵列。
本实施例中，级联型长度重排结构50包括直波导51、半圆波导52、直波导53和半圆波导54。等间距等长度差波导重排结构40的N条直波导43的输出端与级联型长度重排结构5的N条直波导51输入端相连。本实施例的级联型长度重排结构50通过等差增大N条直波导51和N条直波导53的长度实现了N条波导间的长度差等差增长。级联型长度重排结构50可以通过多次级联本身实现N条波导间的长度差等比增长。如图2，级联型长度重排结构50将40条平行波导阵列的相邻波导长度差从35um扩大至743.76um。
本实施例中，间距重排结构60包括弧形波导61和直波导62。级联型长度重排结构50的N条直波导53输出端与间距重排结构60的N条弧形波导61输入端相连。间距重排结构60通过N条波导不同曲率半径的弧形波导61增大或较小N条波导间的间距。如图2，间距重排结构60将40条平行波导阵列的相邻波导间距从40um扩大至415.78um。
本实施例中，间距重排结构60的N条直波导62输出端是波导阵列型高分辨光谱探测芯片的输出，间距重排结构60的输出也是波导阵列型高分辨光谱探测芯片的输出，其输出端面是等间隔且相位等差增长的光束阵列，表现出的输出效果在于不同波长以不同的发射角输出。如图2，芯片的输出端是间距为415.78um，光程差为1084.4um的40条光束阵列输出。
本实施例中，如图5，单色光源作为输入且使用200mm透镜聚焦可以在焦平面处获得多个级次的点像。
本实施例中，如图6，使用200mm聚焦透镜获得了单个波长所形成的光斑半高全宽为3.6个像素，单个像素尺寸为15um，通过计算可以得到角分辨率达到2.7×10-4，对应波长分辨本领优于0.1nm。另外，如图6，通过后置聚焦透镜，不同的波长会聚焦在不同的空间位置，因此这种波导阵列型高分辨光谱探测芯片同样可以潜在应用在雷达上，即通过扫描输入光的波长实现空间区域上的逐步扫描。
本实施例中，如图7，同时输入3个相隔0.1nm的单色光，可以清晰的分辨出实测光谱中三个波长的峰，从而再次验证了波导阵列型高分辨光谱探测芯片的分辨能力能达到0.1nm。
本实施例中，通过对比图4和图8，近似相同尺寸下波导阵列型高分辨光谱探测芯片较商用色散型芯片有更高的分辨本领，并且达到了高分辨率商用光栅光谱仪的标准。
综上所述，本发明实施光谱检测技术领域，涉及一种波导阵列型光子芯片。本发明提供了一种新型波导阵列型高分辨光谱探测芯片，利用新型波导重排结构及级联相位调制等创新设计，极大地提高了相同尺寸下波导间长度差，并在端面形成等间距等长度差波导阵列，方便实现高级次多光束干涉，从而获取高分辨率及连续光谱探测。本发明为光谱检测提供了一种基于直接色散过程获取高光谱分辨率的有效器件。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种波导阵列型高分辨光谱检测芯片，其特征在于，包括光纤-波导耦合装置(20)、星型耦合器(30)、等间距等长度差波导重排结构(40)、级联型长度重排结构(50)和间距重排结构(60)，所述级联型长度重排结构(50)和间距重排结构(60)组成长度间距重排单元；其中：
所述光纤-波导耦合装置(20)的波导端口与星型耦合器(30)的输入端相连；所述星型耦合器(30)的输出端具有N条呈星状分布的锥形波导(33)，N≥2，N条锥形波导(33)输出端的宽度相等，信号光以等相位耦合进多路星状分布的锥形波导(33)内；
所述星型耦合器(30)的N条锥形波导(33)的输出端与等间距等长度差波导重排结构(40)的输入端相连；所述等间距等长度差波导重排结构(40)将星状分布的波导阵列调整成等间距等长度差的平行波导阵列结构；
所述等间距等长度差波导重排结构(40)的输出端与长度间距重排单元相连，其中，所述级联型长度重排结构(50)被设置成增大或减小平行波导阵列结构中相邻波导间的长度差，且所述级联型长度重排结构(50)为一个或相互级联多个；所述间距重排结构(60)被设置成增大或减小平行波导阵列结构中相邻波导的间距；
所述长度间距重排单元的输出即为波导阵列型高分辨光谱探测芯片的输出，其输出端面为等间隔且相位等差增长的光束阵列，不同波长以不同的发射角输出；
所述等间距等长度差波导重排结构(40)包括直波导A1(41)、弧形波导R1(42)和直波导A2(43)，所述星型耦合器(30)的N条锥形波导(33)的输出端与等间距等长度差波导重排结构(40)的N条直波导A1(41)的输入端相连；
所述级联型长度重排结构(50)包括直波导B1(51)、半圆波导R2(52)、直波导B2(53)，所述等间距等长度差波导重排结构(40)的N条直波导A2(43)的输出端与级联型长度重排结构(50)的N条直波导B1(51)的输入端相连；当所述级联型长度重排结构(50)设置有多个时，还包括半圆波导R3(54)，通过半圆波导R3(54)使相邻级联型长度重排结构(50)相互级联；
所述间距重排结构(60)包括依次连接的弧形波导R4(61)和直波导C(62)，所述级联型长度重排结构(50)的N条直波导B2(53)的输出端与间距重排结构(60)的N条具有不同曲率半径的弧形波导R4(61)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的波导阵列型高分辨光谱检测芯片，其特征在于，所述星型耦合器(30)包括输入波导(31)、自由传播区域(32)和锥形波导(33)，所述光纤-波导耦合装置(20)的波导端口与星型耦合器(30)的输入波导(31)一端相连。
3.根据权利要求1所述的波导阵列型高分辨光谱检测芯片，其特征在于，所述等间距等长度差波导重排结构(40)的输出端与级联型长度重排结构(50)的输入端相连；所述级联型长度重排结构(50)的输出端与间距重排结构(60)的输入端相连。
4.根据权利要求1所述的波导阵列型高分辨光谱检测芯片，其特征在于，所述级联型长度重排结构(50)通过等差增大或减小N条直波导B1(51)和N条直波导B2(53)的长度使N条波导间的长度差以等差数列增大或减小。
5.根据权利要求1所述的波导阵列型高分辨光谱检测芯片，其特征在于，所述级联型长度重排结构(50)通过多次级联使N条波导间的长度差等比增大或减小。
6.根据权利要求1所述的波导阵列型高分辨光谱检测芯片，其特征在于，还包括芯层(70)，所述芯层(70)的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅和聚合物的一种或多种；所述锥形波导(33)的输入端宽度的最大值与芯层(70)的材料相关，宽度最大不超过200um。
7.根据权利要求1所述的波导阵列型高分辨光谱检测芯片，其特征在于，所述级联型长度重排结构(50)单次增加或减小的长度差不超过制作芯片所用晶圆直径的2倍；所述间距重排结构(60)增大或减小平行波导阵列结构中相邻波导的间距的最大值不超过制作芯片所用晶圆的直径。
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