CN103528679A - 一种微型混合分光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型混合分光装置，其特征在于它包括一基板，该基板上具有一阵列波导光栅，该阵列波导光栅具有一输入光纤和n个输出波导；一反射镜阵列，位于该基板上，具有n个反射镜体，各自与所述输出波导对应；一棱镜组件，置于所述反射镜阵列的出射区域中，将来自所述反射镜阵列的n股光线各自进行分光处理为m股后输出；以及一光电探测器阵列，置于所述棱镜组件后级。本方案采用棱镜组件作为在多衍射级次工作的阵列波导光栅的后级元件，使由该阵列波导光栅的输出波导中输出的多衍射级次的光信号能够进一步纵向色散,在光电探测器阵列所在的焦平面上形成光斑阵列，并通过光电探测器阵列转化为数字信号。该装置可以在较小的体积内实现宽波长范围、高波长分辨率的分光。

Description

一种微型混合分光装置

技术领域

本发明涉及一种用于各种类型光谱仪的具有分光功能的分光装置。

背景技术

光谱仪能够测定特定的化学成分，在食品安全、医疗卫生、环境检测等领域具有广阔的应用前景。目前光谱仪已有很多商用产品，但这些产品在应用中还存在着普遍的价格高、波长分辨率低、体积重量大等缺点，因此，光谱仪面临微型化和降低成本的需求，才能在很大程度上推动化学分析仪器的便携化和扩大应用，在测试技术的层面上有效提升食品和环境安全。

目前常用的光谱仪大多采用光栅或棱镜分光，由于光栅和棱镜都是角色散元件，焦距越大，波长分辨率越高，体积缩小会直接降低焦距，进而降低光谱仪的性能。因此微型光谱仪必须采用一些新技术在实现小尺寸的同时保持其分辨率。在此基础上阵列波导光栅（AWG）得到发展和运用，它是光纤通讯中通用的分光芯片，采用使光信号沿弯曲波导传导的方法,在减小尺寸的同时维持了原有的光程差,从而保持了原有的波长分辨率,有效地克服了采用光栅、棱镜等分光元件在微型化时遇到的问题，具有体积小、成本低和芯片可批量生产的优点。这类产品中特别是多衍射级次设计的阵列波导光栅，可以有效减小芯片面积，例如N.Ismail制造了波长范围为859nm-957nm、分辨率为0.2nm的多衍射级次AWG。

不过，在各种光谱仪的应用中，单单使用AWG装置的产品，例如具有m衍射级次的AWG，其同衍射级次的光谱相互重叠，并未进行进一步分光，其每个输出通道内的出射光均包含m个彼此间隔的波长成分，需要进一步分光才能达到和光栅、棱镜光谱仪同样的分光效果。如此一来，此后级分光的部分仍然是一个问题，制约了整个分光装置的体积。

发明内容

针对上述分光装置的问题，本发明提出一种微型混合分光装置，旨在充分利用多级衍射级次的阵列波导光栅的优点，设计出适合于小体积、工艺简单、结构紧凑以及成本容易控制的产品。其技术方案如下：

一种微型混合分光装置，它包括：一基板，该基板上具有一阵列波导光栅，该阵列波导光栅具有一输入光纤和n个输出波导；来自所述输入光纤的光输入，通过所述阵列波导光栅后，从其每一个输出波导得到的光输出具有多个波长成分；

一反射镜阵列，位于该基板上，具有多个反射镜体，各自与所述输出波导对应；该反射镜体将来自该输出波导的光输出分别朝向该基板的法向区域射出；

一棱镜组件，置于所述反射镜阵列的出射区域中，将来自所述反射镜阵列的n股光线各自进行分光处理为多股后输出；且彼此独立无混叠；以及，

一光电探测器阵列，置于所述棱镜组件后级，具有与来自该棱镜组件的多股光线投影对应的光电探测器；

其中，所述棱镜组件、光电探测器阵列与该基板相互固定。复合分光装置的厚度由棱镜的高度决定，面积由阵列波导光栅的芯片面积决定。

作为本方案的一些优选者，可以有如下方面的特征：

在较佳实施例中，所述阵列波导光栅芯片具有m个衍射级次，其中m>1，且使每个所述输出波导的光输出包含m个彼此分隔的波长成分.

在较佳实施例中，所述反射镜体为轴对称的抛物面镜，成型于该基板的表面，其开口朝上；所述输出波导的输出端位于该反射镜体的焦点。特别地，在某较佳实施例中，所述反射镜体的对称轴相互平行。

在较佳实施例中，所述输出波导从该反射镜体的侧面伸入，其末端在该反射镜体的焦点。

在较佳实施例中，所述棱镜组件包括一个轴线横卧的棱镜，其入光面朝向所述反射镜阵列，其出光面朝上设置；该入光面接收来自所述反射镜阵列的出射光线，将其折射后从所述出光面出射。

在较佳实施例中，另有一平面反射装置，设置于所述棱镜的出光面，将来自棱镜出光面的出射光线进行反射处理后，再投射到所述光电探测器阵列。

作为使用抛物面镜作为反射镜体的方案，其制造方法包括以下步骤：

1）采用硅片形态的所述基板,在其上用化学气相沉积的方法生长两层氮氧化硅层分别作为一下包层和一芯层，通过光刻及刻蚀芯层形成所述阵列波导光栅的图形结构；

2）在上述芯层上再通过化学气相沉积氮氧化硅形成上包层。通过控制化学气相沉积过程中不同反应气体的流量比使作为下包层、芯层、上包层的氮氧化硅的光学折射率在一定范围内变化并可控，按照所述阵列波导光栅的设计参数决定所述下包层、芯层、上包层的光学折射率；

3）通过光刻、金属淀积和剥离工艺仅在输出波导上覆盖金属层，然后在基板的上表面通过旋转涂覆一层感光聚合物，并通过光刻以所述输出波导的末端为圆心留下一个圆；以固化后的该感光聚合物为掩膜刻蚀作为上下包层的氮氧化硅和其下的硅，获得一凹槽；由于输出波导上覆盖有抗刻蚀的金属层，因此不被刻蚀；

4）在上包层的表面上旋转涂覆聚合物并固化，然后淀积金属，通过控制旋涂时的转速和涂覆次数获得抛物面型的所述反射镜体。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1、采用具有多衍射级次的阵列波导光栅作为分光元件，和相同芯片面积的单衍射级次阵列波导光栅相比，有效提高了工作波长范围和波长分辨率。

2、采用制作在（基板）芯片上的抛物线型微反射镜体阵列实现光的折射和准直。采用光刻、刻蚀和金属溅射等微细加工技术制造出n个面型为抛物面的微反射镜，其位置与阵列波导光栅的n个输出波导一一对应，并且输出波导的输出端位于抛物面微反射镜的焦点上。利用抛物面反射镜的原理，从阵列波导光栅的输出波导出射的光将形成准直的平行光，且方向垂直于芯片所在的平面。这种方法较背景技术相比，不需要使用准直透镜，减小了尺寸，降低了成本。

3、采用高折射率棱镜，并用光学胶固定于AWG芯片上，使得由抛物线型微反射镜阵列准直的光信号能够进一步纵向色散。可以形成光斑阵列，并有光电探测器阵列接收，形成数字信号。这种方式与背景技术相比，可以在较小的体积内实现宽波长范围，高波长分辨率的分光。

附图说明

以下结合附图实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例一的立体示意图；

图2是图1所示实施例反射镜阵列的立体示意图；

图3是图2的工作状态示意图；

图4是图1所示实施例其单个的输出波导23中其光信号其光谱示意图；

图5是图1所示实施例阵列波导光栅20的输出光谱示意图；

图6是光电探测器阵列50接收到的光斑示意图；

图7是本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1至图6所示，本发明实施例一的系列示意图，其中，图1、图2和图3展示了其主要结构及其放大的立体图；图4和图5则展示了输出波导23的输出光谱，图6展示了最终分光得到的光斑投影。

本实施例一种微型混合分光装置，它包括一个基板10，该基板10上具有一阵列波导光栅20，该阵列波导光栅具有一输入光纤和40个输出波导23。

该基板10上具有一个反射镜阵列30，此反射镜阵列30具有40个反射镜体31，反射镜体31各自与输出波导23一一对应。反射镜阵列30的出射区域具有一棱镜组件40，此棱镜组件40后级具有一光电探测器阵列50，光电探测器阵列50具有光电探头；其中，棱镜组件40、光电探测器阵列50与该基板10相互固定。

将阵列波导光栅20的输入光纤接入一个待处理的光输入，然后，阵列波导光栅20中对此光输入进行40个衍射级次处理，从每一个输出波导23得到包含40个彼此分隔波长成分的光输出，如图5所示，相邻通道的波长差约为0.5纳米。每一个输出波导23内的光谱如图4所示，其光信号包含具有周期性的11个波长成分，相邻光信号的波长相差20纳米，都通过一个反射镜体31将来自该输出波导23的光输出分别朝向该基板10的法向区域p射出；以至于被棱镜组件40继续处理，每个反射镜体31的光线各自进行分光处理为11股后输出；其中，该40*11股光线彼此独立无混叠，最终投影在光电探测器阵列50的表面，如图6所示，每一个光斑均照射一个光电探头，不同填充的光斑代表不同的波长范围，因此在光电探测器阵列50的光电探头表面获得440个光斑，各自得到捕捉和检测。

本方案采用棱镜组件40作为阵列波导光栅20的后级元件，使已经多级衍射的光信号能够进一步纵向色散。可以形成光斑阵列，并通过光电探测器阵列50接收，形成数字信号。这种方式将阵列波导光栅20得到的多股光输出在基板10的法向立体空间进行折射分光，可以节省大量的装置空间，以至于在较小的体积内实现宽波长范围、高波长分辨率的分光。

本实施例还具有其他一些特点：

作为反射镜阵列30的主要部件反射镜体31，其形态为轴对称的抛物面镜，此抛物面镜成型于该基板10的表面，其开口朝上；同时，输出波导23的输出端位于该反射镜体31的焦点f。

如此采用制作在基板上的抛物线型反射镜体31，作为反光部件，同时实现了光的反射和准直。输出波导23出射的光只要投射到反射镜体31的反光内壁，必然会沿着直线出射，并且，其方向与反射镜体31的对称轴相同，可控性好，准直效果明显，省略了各种准直透镜等光学器件，减小了尺寸，降低了成本。当40个反射镜体31的对称轴相互平行时，可以从基板10的法向获得相互平行的多束准直光线，利于小型空间中的后级分光处理，输出波导23从该反射镜体31的侧面伸入，其末端在该反射镜体31的焦点f横向出射，该结构有利于利用蚀刻、淀积金属和旋涂工艺成型反射镜体31。

本实施例的棱镜组件40包括一个轴线横卧的棱镜42，其入光面朝向反射镜阵列30，其出光面朝上设置，朝向光电探测器阵列50；入光面接收来自反射镜阵列30的出射光线，将其折射后从出光面出射，此结构充分利用了基板10法向p的空间作为分光区域。同时可以采用高折射率的棱镜42实现微型化。

本实施例采用以下的方法制成：

首先采用硅片形态的基板10,在其上用化学气相沉积的方法生长两层氮氧化硅层分别作为一下包层11和一芯层12，通过光刻刻蚀芯层形成阵列波导光栅20的图形结构；

然后在上述芯层12上再通过化学气相沉积氮氧化硅形成上包层13。通过控制化学气相沉积过程中不同反应气体的流量比使作为下包层11、芯层12、上包层13的氮氧化硅的光学折射率在一定范围内变化并可控，按照阵列波导光栅30的设计参数决定下包层11、芯层12、上包层13的光学折射率；本实施例的上包层13、上包层11的厚度为4-5微米，折射率为1.45-1.48，芯层12的厚度为1.2-1.5微米.折射率为1.48-1.5.

完成上述阵列波导光栅的制造后，通过光刻、金属淀积和剥离工艺仅在输出波导上覆盖金属层，然后在基板10上通过旋转涂覆一层感光聚合物，如Microchem公司生产的SU-82015型光刻胶，并通过光刻以所述输出波导的末端为圆心留下一个圆，直径为20-40微米，厚度为10-15微米；以固化后的该感光聚合物为掩膜刻蚀作为上下包层的氮氧化硅和其下的硅，获得一凹槽；由于输出波导上覆盖有抗刻蚀的金属层，因此不被刻蚀；最后在上包层的表面上旋转涂覆聚合物并固化，如SU-82015型光刻胶，然后淀积金属，通过控制旋涂时的转速和涂覆次数获得抛物面型的所述反射镜体，旋涂时的转速为2000-7000rmp，涂覆次数为1-5次。

棱镜42采用美国Thorlabs公司出产的PS851高折射率棱镜，并用光学胶固定于基板10上，本实施例之中，光学胶41采用Norland公司的NOA13685。棱镜42的安装位置和光学胶41角度由设计参数确定。

实施例二：

如图7所示，本发明实施例二的示意图。

本实施例的基板10、阵列波导光栅20、光学胶41、棱镜42与实施例一类似，不同的是，另有一平面反射装置60，该平面反射装置60设置于棱镜42的出光面，将来自棱镜42出光面的出射光线进行反射处理后，再投射到光电探测器阵列50，此结构进一步地改善了最终的分光效果，使光电探测器阵列50上获得的光斑独立性更佳。本实施例实现了更紧凑型的安装。整个装置通过可安装通用光纤接头输入光纤连接，无需繁琐的光学对准就可和外界的探头对接，实现紧凑模块化的方案。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种微型混合分光装置，其特征在于，它包括： 

一基板，该基板上具有一阵列波导光栅，该阵列波导光栅具有一输入光纤和n个输出波导；来自所述输入光纤的光输入，通过所述阵列波导光栅后，从其每一个输出波导得到的光输出具有多个波长成分； 

一反射镜阵列，位于该基板上，具有多个反射镜体，各自与所述输出波导对应；该反射镜体将来自该输出波导的光输出分别朝向该基板的法向区域射出； 

一棱镜组件，置于所述反射镜阵列的出射区域中，将来自所述反射镜阵列的n股光线各自进行分光处理为多股后输出；且彼此独立无混叠；以及， 

一光电探测器阵列，置于所述棱镜组件后级，具有与来自该棱镜组件的多股光线投影对应的光电探测器； 

其中，所述棱镜组件、光电探测器阵列与该基板相互固定。 

2.据权利要求1所述的混合分光装置，其特征在于：所述阵列波导光栅芯片具有m个衍射级次，其中m>1，且使每个所述输出波导的光输出包含m个彼此分隔的波长成分。

3.根据权利要求1所述一种微型混合分光装置，其特征在于：所述反射镜体为轴对称的抛物面镜，成型于该基板的表面，其开口朝上；所述输出波导的输出端位于该反射镜体的焦点。 

4.根据权利要求2所述一种微型混合分光装置，其特征在于：所述反射镜体的对称轴相互平行。 

5.根据权利要求2所述一种微型混合分光装置，其特征在于：所述输出波导从该反射镜体的侧面伸入，其末端在该反射镜体的焦点。5.根据权利要求1或2或3或4所述一种微型混合分光装置，其特征在于：所述棱镜组件包括一个轴线横卧的棱镜，其入光面朝向所述反射镜阵列，其出光面朝上设置；该入光面接收来自所述反射镜阵列的出射光线，将其折射后从所述出光面出射。 

6.根据权利要求5所述一种微型混合分光装置，其特征在于：另有一平面反射装置，设置于所述棱镜的出光面，将来自棱镜出光面的出射光线进行反射处理后，再投射到所述光电探测器阵列。 

7.根据权利要求3所述一种微型混合分光装置的制造方法，其特征在于：包括以下步骤： 

1）采用硅片形态的所述基板,在其上用化学气相沉积的方法生长两层氮氧化硅层分别作为一下包层和一芯层，通过光刻及刻蚀芯层形成所述阵列波导光栅的图形结构； 

2）在上述芯层上再通过化学气相沉积氮氧化硅形成上包层。通过控制化学气相沉积过程中不同反应气体的流量比使作为下包层、芯层、上包层的氮氧化硅的光学折射率在一定范围内变化并可控，按照所述阵列波导光栅的设计参数决定所述下包层、芯层、上包层的光学折射率； 

3）通过光刻、金属淀积和剥离工艺仅在输出波导上覆盖金属层，然后在基板的上表面通过旋转涂覆一层感光聚合物，并通过光刻以所述输出波导的末端为圆 心留下一个圆；以固化后的该感光聚合物为掩膜刻蚀作为上下包层的氮氧化硅和其下的硅，获得一凹槽；由于输出波导上覆盖有抗刻蚀的金属层，因此不被刻蚀； 

4）在上包层的表面上旋转涂覆聚合物并固化，然后淀积金属，通过控制旋涂时的转速和涂覆次数获得抛物面型的所述反射镜体。 

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