CN102914503A - 光谱分析仪及其g-t谐振腔阵列的制作方法 - Google Patents

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邱伟彬
王加贤
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Abstract

本发明公开一种光谱分析仪，包括一个二维的G-T谐振腔阵列和与之对应的二维CCD型探测器，该G-T谐振腔阵列前端反射率梯度变化，后端固定高反射率，调整G-T谐振腔阵列和CCD型探测器之间的相对位置，使得二维的G-T谐振腔阵列的第一级衍射图样成像在CCD型探测器中，最后由CCD型探测器读出信号光的波长与强度。这样就可以在两个维度上扫描CCD型探测器，大大拓宽了光谱分析仪的测量范围和分辨率，增加了其扫描速度，并且光谱分析仪制作尺寸可以大大地缩小，有效地减少了其制作成本，有利于批量生产。

Description

光谱分析仪及其G-T谐振腔阵列的制作方法
技术领域
本发明涉及光谱分析仪领域技术，尤其是指一种超宽带波长范围超高分辨率的光谱分析仪及其G-T谐振腔阵列的制作方法。
背景技术
不同的扫描光谱范围和分辨本领的光谱分析仪几乎可以应用各个领域。军事系统的导弹巡航，商用的密集波分复用(DWDM)系统中的信号传输误码率与光信号波长的稳定性密切相关。在科学仪器如激光器和那些工作波长敏感的传感器的生产中很多时候需要对其工作波长进行定标。而其中最关键的是有一个小型的、易搬移的、低成本、低功耗、和高分辨率的光谱分析仪。
目前市场上最常见的光谱分析仪是基于光栅结构的自由空间频谱仪或法布里-波罗干涉型的光谱分析仪。这两种光谱分析仪的主要特点是，体积大而不易于大批量生产，Agilent Technology和Thorlab等公司的产品说明书都明确说明这点。而且，这些产品中都有一个需要机械移动的光栅和转镜，这样就使得整个光谱分析仪的扫描时间变得冗长，同时需要多次的光学对准和再定标。这些缺点是导致目前市场上常见的光谱分析仪没有方法进一步小型化和降低成本的无法克服的技术瓶颈。
近年来，人们利用阵列波导光栅来解决实时采集数据问题。但是其一维结构的性质导致了这样的光谱分析仪只能工作在极短的波长范围以内。而且因为其相邻两个信道的相位色散本领
Figure BDA00002194809700011
是与其光学路径成正比的，阵列波导光栅的分辨本领很有限。如果需要大的光谱分辨本领，其光学路径就必须很长，从而不利于整个系统的小型化，文献（IEEE Photon.Tech.Lett.,17,pp.432-434，2005）对此有详细的描述。
如果能够有一种新型的光学结构可以解决上面所述的所有问题和缺点，将对科学研究，军事和日常工业生产和生活具有深远的影响，其市场前景将是无可限量的。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种光谱分析仪，其可以在两个维度上扫描CCD型探测器，大大拓宽了光谱分析仪的测量范围和分辨率，增加了其扫描速度，并且光谱分析仪制作尺寸可以大大地缩小，有效地减少了其制作成本，有利于批量生产。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案
一种光谱分析仪，包括一个二维的G-T谐振腔阵列和与之对应的二维CCD型探测器，该G-T谐振腔阵列前端反射率梯度变化，后端固定高反射率，调整G-T谐振腔阵列和CCD型探测器之间的相对位置，使得二维的G-T谐振腔阵列的第一级衍射图样成像在CCD型探测器中，最后由CCD型探测器读出信号光的波长与强度。
一种二维的G-T谐振腔阵列的制作方法，该方法包括如下的制作步骤：
（1）选用两面抛光的半导体或者电介质作为集成光子器件衬底；
（2）在集成光子器件衬底正面沉积上宽带的抗反射膜；
（3）在抗反射膜上面利用灰度掩模曝光，加上干法刻蚀的方法来加工出反射率随着位置变化的抗反射膜；
（4）在集成光子器件衬底的背面沉积宽带的高反射膜；
（5）将集成光子器件衬底和支撑衬底的键合在一起；
（6）在抗反射膜上定义出G-T二维相调制谐振腔；
（7）利用干法刻蚀的方法腐蚀出二维谐振腔阵列。
作为一种优选方案，所述步骤（1）中的集成光子器件衬底为没有本征光吸收的硅、砷化镓、磷化铟、石英、氧化锌、氮化镓或碳化硅。
作为一种优选方案，所述步骤（2）中的抗反射膜是单层介质膜或者是多层介质膜。
作为一种优选方案，所述步骤（3）中的灰度掩模曝光制作方法是利用不同位置不同的曝光量对光刻胶掩模进行曝光，经过显影后得到不同的位置有不同的光刻胶坡度，经过干法刻蚀方法将光刻胶的坡度转移给介质膜使得介质膜的厚道随着位置变化。
作为一种优选方案，所述干法刻蚀方法为反应离子腐蚀法、电感耦合离子体耦合法或者深反应离子刻蚀法。
作为一种优选方案，所述步骤（4）中的高反射膜是多层介质膜或是金属，该高反射膜为一种反射率恒定、波动幅度不大于百分之一的反射膜。
作为一种优选方案，所述步骤（5）中的键合是直接键合或者是利用粘合剂辅助的键合。
作为一种优选方案，所述步骤（6）中定义出二维谐振腔是利用光刻的方法或是电子束曝光的方法。
作为一种优选方案，所述步骤（7）中的干法刻蚀的方法是反应离子腐蚀或是电感耦合等离子体腐蚀。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，在二维CCD型探测器的相对位置上利用一种前端反射率连续变化的二维G-T谐振腔阵列，从而可以在两个维度上扫描CCD型探测器，大大拓宽了光谱分析仪的测量范围和分辨率，使光谱分析仪的分辨率高，工作波长范围宽，解决传统利用光栅结构的自由空间频谱仪或法布里-波罗干涉型光谱仪扫描速度慢，需要多次的再对准和再定标，不能同时满足大波长范围和高分辨率的要求的问题。
并且CCD型探测器及G-T谐振腔阵列的配合结构避免传统光谱分析仪中的运动部分，从而在光谱分析仪工作过程中不必进行多次的光学对准和再定标。一方面增加了其扫描速度，机械稳定性好，另一方面大大地缩小了整个光谱分析仪的尺寸，使光谱分析仪体积小，有效地减少了其制作成本，有利于批量生产。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：
附图说明
图1是本发明之实施例中M×M像素G-T谐振腔阵列的原理示意图
图2是本发明之实施例中衍射光斑在CCD型探测器成像的示意图；
图3是本发明之实施例中衍射光斑在CCD型探测器上做二维扫描示意图；
图4是本发明之实施例中集成光子器件衬底正面淀积一层宽带的抗反射膜（低反射膜）的示意图；
图5是本发明之实施例中经过加工后的灰度反射率的示意图；
图6是本发明之实施例中加上背面高反射膜淀积的器件衬底的示意图；
图7是本发明之实施例中集成光子器件衬底和支撑衬底键合后的示意图；
图8是本发明之实施例中干法腐蚀过后的谐振腔阵列示意图。
附图标识说明：
10、G-T谐振腔阵列               11、集成光子器件衬底
12、抗反射膜                    13、高反射膜
14、支撑衬底                    20、CCD型探测器
具体实施方式
请参照图1至图3所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，该超宽带宽、超高分辨率的光谱分析仪包括一个二维的Gires-Tournois相调制谐振腔阵列（以下简称G-T谐振腔阵列10）和与之对应的二维电荷耦合器件型探测器（以下简称CCD型探测器20）。通过调整G-T谐振腔阵列10和CCD型探测器20之间的相对位置，使得二维的G-T谐振腔阵列10的第一级衍射图样成像在CCD型探测器20中，最后由CCD型探测器20读出信号光的波长与强度。所以整个集成光子器件的波长范围和分辨本领由G-T谐振腔阵列10与CCD型探测器20共同决定。
其中，该G-T谐振腔阵列10分为前后两部分，其前端反射率梯度变化，后端为固定的高反射率。通过前端部分反射率线性变化的结构特性，该G-T谐振腔阵列10之微分色散本领可以大大的扩展，如果再加上一个维度，其光谱范围还可以几倍的增加。图1、图2显示了前端部分反射率连续变化的G-T谐振腔阵列10的原理图，假设G-T谐振腔阵列10的腔长为L，折射率是n,其周期为d，横向的谐振器个数（像素）M，纵向谐振器个数（像素）N。在λ附近各个谐振器的自由光谱范围（FSR）=λ2/2nL。对于整个二维G-T谐振腔阵列10来说，相邻的行（或者列）之间的波长差距就是一个自由波长范围。同时，对于每一个列或者行来说，又是一个独立的多缝衍射光栅，第m级衍射光谱的分辨本领为δλ=λ/mM皮米。这样，这个G-T谐振腔阵列10在理论上就可以分辨出的λ2/2mMnL波长差距。同时其波长范围可以覆盖到(λ2/2mMnL)MN=Nλ2/2mnL。根据这个原理，用户可以根据自己所需要的分辨率和波长范围来选择腔长和阵列像数。最后利用透镜的聚焦原理把不同的衍射光斑成像在CCD型探测器20上，如图3所示。因此，在首次使用光谱分析仪之前，必须利用CCD型探测器20对G-T谐振腔阵列10进行定标。图2是衍射光斑在CCD阵列上的扫描示意图。
对于二维G-T谐振腔阵列10来说，其主要的制作步骤为：
1、如图4所示，在两面抛光的集成光子器件衬底11的正面淀积上宽带的抗反射膜12（低反射膜），其中该集成光子器件衬底11的材料根据集成光子器件的要求可以是各类半导体衬底，如硅，砷化镓，磷化铟，碳化硅等，也可以是各类电介质材料，如石英，红宝石，蓝宝石等，其基本要求是集成光子器件衬底11的材料在集成光子器件工作的波长范围内没有本征吸收。而所述抗反射膜12可以是单层介质层，也可以是多层介质层，或是其它光学结构，其基本要求是满足在集成光子器件工作波长范围内反射率恒定；
2、如图5所示，在抗反射膜12上面利用灰度曝光，加上干法刻蚀的方法来加工出与位置相关的抗反射膜12；其中，所述的干法刻蚀可以是反应离子刻蚀法，也可以是电感耦合等离子体耦合法，或者是深反应离子刻蚀法。
3、如图6所示，在衬底的背面镀上宽带的高反射膜13；其中，所述的高反射膜13可以是金属，也可以是多层介质膜，其基本要求是在集成光子器件工作范围内具有高的恒定的反射率，反射率波动幅度不大于百分之
4、如图7所示，利用键合的方法将衬底与支撑衬底14粘合在一起；其中，所述的键合方法可以是直接键合的方法，也可以是由粘合剂粘合的键合方法。
5、在集成光子器件衬底11的正面（抗反射膜12的一面）上利用光刻的方法定义出G-T谐振腔阵列10的图形，阵列的个数由最终光谱分析仪的带宽与分辨本领所决定，其中所述的光刻的方法可以是紫外曝光的光刻方法，也可以是电子书曝光，或者是其他的印刷式光刻方法。
6、如图8所示，利用干法刻蚀的方法，腐蚀出谐振腔阵列，其中，所述的干法刻蚀可以是反应离子刻蚀法，也可以是电感耦合等离子体耦合法，或者是深反应离子刻蚀法。
7、如图2所示，调整与固定G-T谐振腔阵列10与CCD型探测器20之间的位置，该二维G-T谐振腔阵列和二维CCD型探测器的光学对准是满足二维谐振腔阵列的1级或者-1级衍射光斑在电荷耦合器件阵列上做二维的扫描，以使G-T谐振腔阵列10的一级衍射光栅在CCD型探测器20上聚焦成像。
以实际为基础，下面将详细介绍一种波长范围是1100nm-2000nm，分辨率为1.5皮米的光谱分析仪的设计和制作。
其设计步骤如下：因为硅材料在波长大于1100纳米的光没有本征吸收，因此，可以选择Si材料作为谐振腔材料。考虑波长在1.5微米的情况，如果，G-T谐振腔阵列10的阵列像数是1000*1000，腔长是300微米，折射率是3.5。其自由光谱范围是λ2/2nL＝1.52/2×3.5×300＝1.07纳米。这样相邻的两个列（或者行）的波长差距就是1.07纳米。对于每一个列（或者行）来说，在第一级衍射级的分辨本领是δλ/M=1.07/1000=1.07皮米，这样就满足分辨率的要求。同样对于每一列（或者行）来说，各个像素谐振器的前端反射率从4%均增加到10%，如图1所示。其波长覆盖范围是1.07*1000*1000=1.07微米。如果取1.5微米作为中心波长，则可以工作在1微米到两微米之间。但是考虑到硅材料的本征吸收，所以只能工作在1100纳米到2微米之间。
具体工艺步骤为：
1、在两面抛光300微米厚的硅衬底的正面淀积上宽带的抗反射膜12（低反射膜）；
2、在抗反射膜12上面利用灰度曝光，加上干法刻蚀的方法来加工出与位置相关的抗反射膜12的反射率从4%均匀增加到10%；
3、在衬底的背面镀上宽带的高反射膜13，其反射率接近100%。
4、利用键合的方法将集成光子器件衬底11与支撑衬底14粘合在一起。
5、在集成光子器件衬底11的正面（抗反射面）上利用光刻的方法定义出1000*1000像素G-T谐振腔阵列10的图形，其周期是4微米。
6、利用干法刻蚀的方法，腐蚀出300微米的G-T谐振腔阵列10。
7、调整与固定G-T谐振腔阵列10与CCD型探测器20之间的位置，以及对光谱分析仪的定标。
综上所述，本发明的设计重点在于，其主要是在二维CCD型探测器的相对位置上利用一种前端反射率连续变化的二维G-T谐振腔阵列，从而可以在两个维度上扫描CCD型探测器，大大拓宽了光谱分析仪的测量范围和分辨率，使光谱分析仪的分辨率高，工作波长范围宽，解决传统利用光栅结构的自由空间频谱仪或法布里-波罗干涉型光谱仪扫描速度慢，需要多次的再对准和再定标，不能同时满足大波长范围和高分辨率的要求的问题。
并且CCD型探测器及G-T谐振腔阵列的配合结构避免传统光谱分析仪中的运动部分，从而在光谱分析仪工作过程中不必进行多次的光学对准和再定标。一方面增加了其扫描速度，机械稳定性好，另一方面大大地缩小了整个光谱分析仪的尺寸，使光谱分析仪体积小，有效地减少了其制作成本，有利于批量生产。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光谱分析仪，其特征在于：包括一个二维的G-T谐振腔阵列和与之对应的二维CCD型探测器，该G-T谐振腔阵列前端反射率梯度变化，后端固定高反射率，调整G-T谐振腔阵列和CCD型探测器之间的相对位置，使得二维的G-T谐振腔阵列的第一级衍射图样成像在CCD型探测器中，最后由CCD型探测器读出信号光的波长与强度。
2.一种二维的G-T谐振腔阵列的制作方法，其特征在于：该方法包括如下的制作步骤：
（1）选用两面抛光的半导体或者电介质作为集成光子器件衬底；
（2）在集成光子器件衬底正面沉积上宽带的抗反射膜；
（3）在抗反射膜上面利用灰度掩模曝光，加上干法刻蚀的方法来加工出反射率随着位置变化的抗反射膜；
（4）在集成光子器件衬底的背面沉积宽带的高反射膜；
（5）将集成光子器件衬底和支撑衬底的键合在一起；
（6）在抗反射膜上定义出G-T二维相调制谐振腔；
（7）利用干法刻蚀的方法腐蚀出二维谐振腔阵列。
3.根据权利2所述的二维的G-T谐振腔阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）中的集成光子器件衬底为没有本征光吸收的硅、砷化镓、磷化铟、石英、氧化锌、氮化镓或碳化硅。
4.根据权利2所述的二维的G-T谐振腔阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中的抗反射膜是单层介质膜或者是多层介质膜。
5.根据权利2所述的二维的G-T谐振腔阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）中的灰度掩模曝光制作方法是利用不同位置不同的曝光量对光刻胶掩模进行曝光，经过显影后得到不同的位置有不同的光刻胶坡度，经过干法刻蚀方法将光刻胶的坡度转移给介质膜使得介质膜的厚道随着位置变化。
6.根据权利5所述的二维的G-T谐振腔阵列的制作方法，其特征在于：所述干法刻蚀方法为反应离子腐蚀法、电感耦合离子体耦合法或者深反应离子刻蚀法。
7.根据权利2所述的二维的G-T谐振腔阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）中的高反射膜是多层介质膜或是金属，该高反射膜为一种反射率恒定、波动幅度不大于百分之一的反射膜。
8.根据权利2所述的二维的G-T谐振腔阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤（5）中的键合是直接键合或者是利用粘合剂辅助的键合。
9.根据权利2所述的二维的G-T谐振腔阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤（6）中定义出二维谐振腔是利用光刻的方法或是电子束曝光的方法。
10.根据权利2所述的二维的G-T谐振腔阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤（7）中的干法刻蚀的方法是反应离子腐蚀或是电感耦合等离子体腐蚀。
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