CN108323181B - 用于片上导数光谱学的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于在解析输入光信号(380)的光谱分量(328)中获得2nm或更小的可调谐分辨率的导数光谱学系统(300)，以基于解析的光谱分量(328)估计输入光信号(380)的导数光谱。在该导数光谱学系统(300)中，第一色散元件结构(310)将输入光信号(380)光谱分解成子带信号(318)。第二色散元件结构(320)接收部分或全部的子带信号(318)，并将接收到的子带信号(318)光谱分解成多个光谱分量(328)。使用具有温度变化折射率的材料来构建第二色散元件结构(320)，使得在改变第二色散元件结构(320)的温度时每个光谱分量(328)的中心波长移位小至2nm或更小。通过获得在中心波长移位为2nm或更小的三个不同的预定温度下获得的三个光谱分量组，可以高精度地获得一阶和二阶导数光谱。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年1月26日提交的美国临时专利申请第62/450,889号的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明大体上涉及使用导数光谱学的化学和生物传感器，并且更具体地涉及紧凑的片上集成电路导数光谱学方法和装置。
背景技术
在能够高效且可靠地识别化学和生物制剂的便携式设备领域中，片上光谱仪提供了有利的解决方案。紧凑的片上光谱仪可以以不同的配置实现，如谐振波长滤波器，如微环谐振器或马赫-曾德尔(Mach-Zender)干涉仪，以及色散组件，如中阶梯光栅、蚀刻衍射光栅和阵列波导光栅(AWG)。随着AWG用于光通信应用以及片上光谱仪传感器应用的波分复用，AWG制造和器件设计一直在稳步提高。已经进行了使用不同的材料和工作波长的AWG设计来覆盖光谱测量的宽光谱范围。
然而，光谱技术中的挑战之一是真实化学系统的吸收光谱通常包含多个不同化合物的宽且紧密定位的谱带。因此，总光谱曲线是相当复杂和广泛的，并且在光谱分辨率不足以实现更好的光谱分辨率(例如，≤2nm)的光谱中，可能只是部分且微弱地显示一些化学成分。
导数光谱法通过利用吸收光谱数据的导数进行定性和定量分析来测量吸收光谱中较高强度谱带重叠的低强度谱带。在过去的几十年中，微型计算机的快速发展使得高灵敏度、高分辨率和低噪声的高阶导数光谱的生成变得简单快速，因此导数光谱学有越来越广泛的实际应用。
根据比尔-朗伯定律(Beer-Lambert law)，被物质层吸收的光由下式描述：
I＝I0×10-εCd (1)
其中I0和I分别是输入和透射光强度，ε是波长相关系数，C是物质的浓度，d是物质层的厚度。吸光率被定义为
A=log10(I0/I) (2)
并且作为波长λ的函数的吸光率表示为
A＝f(λ)， (3)
其可以用各种函数近似，如高斯方程和洛伦兹方程。然而，如前所述，光谱技术的挑战在于，真实化学系统的吸收光谱通常包含多个不同化合物的宽且紧密定位的谱带，并且每种形式的吸收谱带可以与已知的功能不同。因此，总光谱曲线相当复杂，可能只是部分或微弱地显示一些成分。一个这样的光谱曲线100在图1A中被描述，其中两个紧密定位的吸收谱带102、104不能在总吸收曲线100中被解析。
导数光谱学提供了解决上述问题的有力工具。首先，考虑具有高斯曲线形状200的单个吸收谱带，N阶导数光谱具有N+1个谱带，如图2所示(其中零阶导数光谱202(即原始高斯光谱200)具有一个谱带204，一阶导数光谱210具有两个谱带212、214，二阶导数光谱220具有三个谱带222、224、226，三阶导数光谱230具有四个谱带232、234、236、238，并且四阶导数光谱240具有五个谱带242、244、246、248、250)。导数光谱中增加的复杂度可以为材料的定性分析提供许多有用的信息。其次，导数光谱可以解析吸收模式中不能解析的紧密排布的吸收谱带。在图1A的光谱曲线100中，吸光率102、104的两个分量不能从吸收光谱中解析。然而，从图1B所示的四阶导数光谱150中，两个吸收谱带152、154可以清晰可见。第三，吸收光谱的导数可以用来区分具有不同带宽但具有相同幅度的吸收谱带。N阶高斯谱带导数光谱的幅度与原始光谱的带宽在N的程度上成反比。因此，较窄光谱的N阶导数具有比较宽光谱的N阶导数更大的幅度。
导数光谱主要由光学或电学方法生成。对于光学方法，入射光的频率通过诸如振荡或旋转镜子的机电方法或光源调制以窄的频率ω被调制，以获得一阶和二阶导数光谱。对于双波长方法，具有固定中心波长差的两个光谱仪同时扫描以获得一阶导数光谱。电气方法使用由模拟电阻和电容器件组成的差分电路来处理来自光谱仪读数的测量信号，以获得导数数据。然而，这两种方法都需要高成本的设备和复杂的光学设计，并且这样的系统通常非常庞大。另外，为了根据原始吸收光谱估计导数光谱，原始吸收光谱需要2nm或更小的分辨率。提供吸收光谱的许多现有光谱仪不能达到如此高的分辨率。
具有提供具有2nm或更小分辨率的吸收光谱用于进一步的光谱导数估计并且尺寸可以小型化的光谱仪是有利的，优选地能够作为片上光谱仪来实现。基于该光谱仪和所获得的高分辨率吸收光谱，用于产生一个或多个导数光谱的光谱测量系统可容易地以小尺寸实现。本领域需要有这样的光谱测量系统。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种用于生成输入光信号的一个或多个导数光谱的导数光谱学系统。
该系统包括用于将输入光信号光谱分解成多个子带信号的第一色散元件结构。第一色散元件结构包括一个或多个第一色散元件。单独的第一色散元件可以被实现为例如AWG、中阶梯光栅或蚀刻衍射光栅。
该系统还包括用于接收一个或多个子带信号并将接收的一个或多个子带信号光谱分解成多个光谱分量的第二色散元件结构。第二色散元件结构包括一个或多个第二色散元件。单独的第二色散元件可以被实现为例如AWG、中阶梯光栅或蚀刻衍射光栅。单独的光谱分量的谱宽比单独的子带信号的谱宽窄。有利地，用于构建一个或多个第二色散元件的光学透射材料具有温度变化的折射率。第二色散元件结构被配置为在第二色散元件结构的温度改变时利用温度变化的折射率来移位所述单独的光谱分量的中心波长。
在该系统中，使用加热结构来改变第二分散元件结构的温度。优选地，加热结构包括温度传感器，用于监测第二分散元件结构的温度并且用作加热结构的反馈控制。
系统中的多个光学检测器用于将多个光谱分量转换成多个强度信号。
该系统还包括一个或多个处理器。所述一个或多个处理器经配置以根据光谱分量组估计所述一个或多个导数光谱，每个所述光谱分量组是在所述第二色散元件结构的一个预定温度下获得的多个强度信号。另外，所述一个或多个处理器还被配置为控制所述加热结构以将所述第二色散元件结构依次改变为多个预定温度，以获得所述光谱分量组。
优选地，该系统还包括用于改变第一分散元件结构的温度的附加加热结构。所述一个或多个处理器进一步配置为控制所述附加加热结构以将所述第一和第二色散元件结构之间的温差维持在预定值内，用于减少由于第二色散元件结构的热量流入引起的所述第一色散元件结构的光学性质的随机干扰。
在一个实施例中，由第二色散元件结构接收的一个或多个子带信号排除输入光信号的指纹空白光谱。这种布置在使用近红外吸收光谱法分析化学或生物样品时是有用的。另外，该系统可以被进一步配置为使得第一色散元件结构被配置为处理具有波长为1150nm至1550nm的光谱范围的输入光信号，并且指纹空白光谱具有波长为1250nm至1350nm的光谱范围。
为了获得输入光信号的一阶和二阶导数光谱，所述一个或多个处理器可以进一步被配置为根据在所述第二色散元件结构的三个不同的预定温度下获得的三个光谱分量组来估计这些导数光谱。具体地，所述一个或多个处理器可以进一步配置如下。首先，控制加热结构以将第二色散元件结构依次改变为预定温度T0、T1和T2，以获得第一光谱分量组、第二光谱分量组和第三光谱分量组。预定温度T0、T1和T2被选择为使得λT1-λT0＝λT2-λT1，其中λT0、λT1和λT2分别是在T0、T1和T2处获得的相同光谱分量的中心波长。其次，利用下式估计在λT0处的一阶和二阶导数光谱的值，分别表示为I′T0和I″T0：I′T0＝(IT1-IT0)/(λT1-λT0)并且I″T0＝(IT0+IT2-2IT1)/(λT1-λT0)2，其中IT0、IT1和IT2是如分别记录在第一、第二和第三光谱分量组中的所述相同光谱分量的强度信号的值。
在实现该系统时，可以将第一和第二色散元件结构、加热结构、多个光学检测器以及可选的附加加热结构集成在一起，以形成片上光谱仪。
本发明的其它方面如下文实施例所说明的进行了公开。
附图说明
附图被并入说明书并且形成说明书的一部分，附图中相同的附图标记在整个分开的视图中指代相同的或功能上类似的元件，并且其与下面的详细描述一起用于说明各种实施例，并且解释根据本发明的各种原理和优点。
图1A和1B都描绘了总吸收光谱具有两个吸收谱带的典型情况，吸收谱带具有非常接近的中心波长，图1A描绘了总吸收光谱，图1B描绘了总吸收光谱的四阶导数。
图2描绘了典型的高斯吸收光谱及其导数光谱。
图3描绘了根据本发明的示例性实施例的用于导数光谱学的系统的示意图，其中系统采用第一和第二色散元件结构来将输入光信号分解成多个输出光谱分量。
图4描绘了图3的系统的第一和第二色散元件结构的一个实现方式，其中这两个结构中的每个色散元件被实现为AWG。
图5示出了由图4的第一和第二色散元件结构进行化学或生物传感的输入光信号的两级光谱分解。
图6描绘了示出不同化学物质的吸收区域的图，其中在吸收区域中识别第一泛音区域、第二泛音区域以及第一泛音区域和第二泛音区域之间的指纹空白区域。
图7A描绘了具有在图4的第二色散元件结构的八个输出光谱分量中的每一个的温度T0和中心波长λc，0处的强度信号的原始光谱的说明性示例。
图7B基于图7A的原始光谱描绘了具有在图4的第二色散元件结构的八个通道中的每一个的温度T0、T1和T2以及中心波长λc，0处获得的强度信号的光谱，用于说明通过加热第二色散元件结构使各个光谱分量的中心波长移位。
图8描绘了根据本发明的一个实施方式的图3的系统的操作的流程图，用于估计一阶和二阶导数光谱。
本领域技术人员将认识到，为了简单和清楚，图中的元件被示出并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
如本文所使用的，色散元件是指光学装置，其将由多个光谱分量组成的输入光束分散成多个输出光束，每个输出光束具有光谱分量的一部分，其中输出光束的光谱分量部分是基本上不重叠的。
以下详细描述在本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，不旨在受到在本发明的前述背景或以下详细描述中呈现的任何理论的限制。
本公开的目的是提供一种基于具有可调谐色散元件结构的光子集成电路的光谱仪，使得该光谱仪是小型的，并且提供精确到2nm甚至更精细的分辨光谱分量的可调谐分辨率。如此高的可调谐分辨率使得能够以高精度从所解析的光谱分量计算光信号的导数光谱。在一个实施例中，描述了一种包括两个色散元件结构的片上微谱仪，用于对输入光信号进行光谱分解以输出覆盖从1150nm到1550nm的光谱范围的光谱分量。输出光谱分量被用于估计一个或多个导数光谱。在用于感测的实际化学和生物样品中，并不是整个光谱范围对于识别样品中的化学物质是有意义的。在1150nm至1550nm的光谱范围内存在指纹空白光谱，其中指纹空白光谱对于鉴定化合物是无用的。使用两个色散元件结构能够在光谱范围内丢弃指纹空白光谱以用于进一步处理，从而可以实现的复杂度能够一定程度地降低。
近年来，随着集成光子学的迅速发展，微光谱仪及其应用的发展也有了进展。基于光子集成电路的超紧凑片上光谱仪系统可以在批量生产时以较低的成本实现小样本量的快速处理。通过使用谐振波长滤波器(如微环谐振器和Mach-Zender干涉仪)和色散元件(如中阶梯光栅、蚀刻衍射光栅和阵列波导光栅(AWG))，可以实现不同配置的集成微型光谱仪。AWG已被广泛用于光通信的波分复用，有助于开发基于AWG的高度可扩展的片上折射率传感器和光谱传感器。
如本文所提供的光谱仪通过有利地使用在形成色散元件中使用的光学透射材料的特性来实现高的、可调谐的光谱分辨率。该材料的折射率随外部因素而变化，例如施加电场、磁场、电子空穴浓度的变化和温度的变化。当使用这种材料来构建包括中阶梯光栅、蚀刻衍射光栅和AWG的某些色散元件时，可以利用材料中折射率的变化来产生这些色散元件的色散特性的微小变化。本发明人有利地利用由具有温度变化折射率的这种材料实现的色散元件的温度变化，以给出由色散元件解析的光谱分量的中心波长的小的、可调的移位。这个小的移位低至2nm或更低，使得这里提供的光谱仪能够提供用于计算导数光谱的解析光谱分量的高的、可调谐光谱分辨率。
本发明的一个方面是提供用于生成输入光信号的一个或多个导数光谱的导数光谱学系统。该系统可实现为片上光谱仪。该系统也可以被实现为封装在一起以形成合成的光谱仪的多个芯片。可替代地，在该系统中，可以将来自输入光信号的测量光谱分量的一个或多个导数光谱的计算委托给独立处理器或计算机，而主要包含光学组件和电路元件的片上光谱仪被制造用于从输入光信号产生光谱分量。片上光谱仪还可以用无线通信电路来实现，以将测量的光谱分量无线传输到计算机。
在图3中描绘了根据本发明的系统的示例性实施例。导数光谱学系统300接收输入光信号380以产生一个或多个导数光谱。系统300包括第一色散元件结构310、第二色散元件结构320、加热结构340、多个光学检测器330以及一个或多个处理器360。
第一色散元件结构310用于将输入光信号380光谱分解成多个子带信号318。每个子带信号318具有中心波长和谱宽。第一色散元件结构310包括一个或多个第一色散元件(在图3中由前导的第一色散元件311和可选的第一色散元件312表示)。单个第一色散元件的示例包括AWG、中阶梯光栅和蚀刻衍射光栅。第一色散元件结构310通过将输入光信号380馈送到前导第一色散元件311来接收输入光信号380。如果系统300旨在分析已知包含对于如上所述的对化学成分确定没有用的指纹空白光谱的输入光信号380，位于指纹空白光谱中的一些子带信号318可以被丢弃。
在系统300中，选择一个或多个子带信号318以形成到第二色散元件结构320的一个输入或多个输入327。可能的是，选择所有的子带信号318。第二色散元件结构320用于将所述一个输入或多个输入327光谱分解成多个光谱分量328。每个光谱分量328具有中心波长和谱宽。单个光谱分量在谱宽上比单个子带信号窄。第二色散元件结构320通过包括一个或多个第二色散元件(在图3中由第二色散元件321,322,323表示)而形成。单个第二色散元件的示例包括AWG、中阶梯光栅和蚀刻衍射光栅。一个或多个第二色散元件321,322,323和一个或多个第一色散元件311,312可以或不可以用相同类型的色散元件来实现。多个光谱分量328被多个光学检测器330感测并转换成多个强度信号335。多个强度信号335可由一个或多个处理器360读取。
第二色散元件结构320的一个主要特征是用于构建一个或多个第二色散元件321,322,323的光学透射材料具有温度变化的折射率。第二色散元件结构320有利地利用温度变化的折射率，以在第二色散元件结构320的温度改变时产生单个光谱分量的中心波长的移位。
包括一个或多个加热元件(由图3中的第一线圈345表示)的加热结构340被用于改变第二色散元件结构320的温度。在该系统300的集成电路的实现中，一个或多个加热元件345通常被实现为位于一个或多个第二色散元件321,322,323附近的一个或多个电阻器。优选地，加热结构340还包括温度传感器342，用于监测第二色散元件结构320的温度并用作加热结构340的反馈控制。
期望系统300生成输入光信号380的一个或多个导数光谱。一个或多个处理器360被配置为根据多个光谱分量组来估计一个或多个导数光谱，其中，每个光谱分量组是在第二色散元件结构320的一个预定温度下获得的多个强度信号335。一个或多个处理器360还被配置为将第二色散元件结构320逐一地改变到多个预定温度以获得光谱分量组。在下文的各种实施例和说明性示例中将提供关于获得光谱分量组和估计一个或多个导数光谱的进一步详述。
加热第二色散元件结构320来影响第一色散元件结构310的操作是不期望的。然而，第一色散元件结构310和第二色散元件结构320之间的温差产生从第二色散元件结构320到第一色散元件结构310的热流。由于第二色散元件结构320需要时常达到不同的温度，所以热流可能进而产生横跨第一色散元件结构310的温度梯度，其中温度梯度随时间变化，导致对第一色散元件结构310的光学性质造成随机干扰(诸如一个或多个第一色散元件311,312中的折射率的变化)。尽管理想的解决方案是防止热量从第二色散元件结构320流向第一色散元件结构310，但是在两个结构310,320之间制造热绝缘屏障与常用的集成电路制造工艺不兼容。为了减少对光学性质的随机干扰，可以减小两个结构310,320之间的温差，从而减少从第二色散元件结构320到第一色散元件结构310的热量流入。在一个实施例中，将包括一个或多个第二加热元件(由图3中的第二线圈355表示)的附加加热结构350引入到系统300以改变第一色散元件结构310的温度。类似于加热结构340，一个或多个第二加热元件355可以被实现为与一个或多个第一色散元件311,312相邻定位的一个或多个电阻器。优选地，附加加热结构350还包括第二温度传感器352，用于监测第一色散元件结构310的温度。一个或多个处理器360还被配置成控制附加加热结构350以维持第一和第二色散元件结构310,320之间的温差在一定值内。该值是为了减小由于来自第二色散元件结构320的热量的流入而引起的上述第一色散元件结构310的光学特性的随机干扰而预先确定的。
系统300通常用于通过吸收光谱测量来确定样品392的化学组成。在操作中，可以使用光源390来在样品392上照射探测光束。光源390通常是具有覆盖用于测量样品392的感兴趣的光谱的发射光谱的宽带光源。反射的光信号396可以通过诸如透镜之类的辅助光学器件398聚焦，以形成输入光信号380。系统300处理输入光信号380以产生诸如二阶导数光谱的一个或多个导数光谱。基于由系统300产生的一个或多个导数光谱，本领域技术人员可以确定存在于样本392中的化学物质。注意，将第二色散元件结构320加热到每个预定温度需要时间。因此，样品392需要至少在加热发生的总持续时间内化学稳定。
图4描绘了通过放置加热结构340和附加加热结构350而由AWG实现的第一和第二色散元件结构310,320的一个实际实现和布置方式。第一色散元件结构310具有第一级AWG411，作为唯一的第一色散元件(充当前导第一色散元件311)。第二色散元件结构320具有三个第二级AWG 421,422,423。加热结构340包括三个加热器441,442,443。加热器441,442,443分别直接定位在第二色散元件结构320的三个第二级AWG 421,422,423上并且与其紧密靠近，使得加热结构340能够均匀地加热三个第二级AWG 421,422,423，其有利之处在于第二色散元件结构320在三个第二级AWG 421,422,423之间的温度变化可以忽略不计的情况下达到目标温度。为了类似的优点，附加加热结构350的加热器451位于第一级AWG 411上。通常，加热器441,442,443,451中的每一个被实现为用于在片上光谱仪上简单实现的制造优点的电阻器。对电阻器施加电流会产生热量。尽管上面提到的所有加热器441,442,443,451都示于图4中定位在它们各自的第一级AWG或第二级AWG上以保持与其紧密靠近，但加热器441,442,443,451的用于保持紧密靠近它们各自的第一级或第二级AWG的其他位置布置也是可能的，例如将加热器441,442,443,451放置在它们各自的第一级AWG或第二级AWG周围。
在用于分析化学或生物样品的一个应用中，具有由根据图4的AWG实现的第一和第二色散元件结构310,320的系统300被用于通过近红外(NIR)吸收光谱分析样品392，感兴趣的光谱在1150nm至1550nm的范围内，不包括1250nm至1350nm的指纹空白光谱。图6描绘了不同化学键在波长λ605处的吸收区域，简要解释了指纹空白光谱的发生。化学键的光吸收发生在为某个基频(或波长)的泛音的频率处。而且，诸如CH、CH2和CH3的许多化学键的泛音频率接近在一起，形成了诸如第一泛音区域610和第二泛音区域620的感兴趣的聚集区域。在第一泛音区域610和第二泛音区域620之间许多化学键的光吸收的缺少产生了指纹空白光谱630。图5描绘了用于上述应用的由第一级AWG 411和三个第二级AWG 421,422,423提供的光谱分解的布置。第一级AWG 411和三个第二级AWG 421,422,423中的每一个是单输入八输出AWG。
第一级AWG 411被配置为接收具有1350nm的中心波长λc和400nm的谱宽Δλ的光输入501。光输入501是输入光信号380。第一级AWG 411将光输入501分散到八个输出通道，每个输出通道具有50nm的谱宽δλch。
共同提供1150nm至1250nm范围内的子带信号的第一级AWG 411的两个输出通道514聚集在一起以向第二级AWG 421提供输入520。该第二级AWG 421被配置为处理具有1200nm的中心波长λc的输入520并且使每个输出通道具有12.5nm的谱宽δλch。该第二级AWG421在第一组八个输出通道540处产生输入光信号380的光谱分量。
第一级AWG 411的接下来的两个输出通道530落入1250nm至1350nm的指纹空白光谱中，并被丢弃。因此，通过消除用于处理两个输出通道530的子带信号的附加的第二级AWG来简化第二色散元件结构320的实现。
第一级AWG 411的随后的两个输出通道516聚集在一起以提供在1350nm至1450nm范围内的合成子带信号。该合成子带信号被提供给第二级AWG 422的输入522。该第二级AWG422被配置为处理具有1400nm的中心波长λc的输入522并且使每个输出信道具有12.5nm的谱宽δλch，从而在第二组八个输出通道542处产生输入光信号380的光谱分量。
类似地，第一级AWG 411的最后两个输出通道518共同提供1450nm至1550nm范围内的合成子带信号，并被聚集在一起以提供第二级AWG 423的输入524。该第二级AWG 423被配置为处理具有1500nm的中心波长λc的输入524，并且使得每个输出通道具有12.5nm的谱宽δλch，从而在第三组八个输出通道544处产生输入光信号380的光谱分量。
在三个输出通道组540,542,544处获得的光谱分量328由多个光学检测器330处理，以检测每个光谱分量328的信号强度I。
图7A和7B示出了随后用于估计一个或多个导数光谱的光谱分量组的生成。图7A描绘了显示在从三个第二级AWG 421,422,423中选择的单个AWG的八个输出通道中的每一个的温度T0和中心波长(被表示为λc，0)处获得的强度信号的原始光谱。光谱导数是根据AWG与中心波长λc的下列关系，在不同温度T0,、T1和T2下减去光谱而确定的：
λc＝(na/m)ΔL (4)
其中na是第二级AWG的波导模式的有效折射率，m是衍射级数，ΔL是波导光栅的长度差。有效折射率被用来描述受限结构内电磁波的传播行为。有效折射率na与第二级AWG的波导结构(几何形状)以及用于构建第二级AWG的光学透射材料的折射率有关。对于本实施例中描述的系统300，三个第二级AWG 421,422,423中的每一个的结构被假定为不变的，使得通过加热导致的光学透射材料的折射率变化导致有效折射率na的改变，然后是中心波长的移位。有关详情，请参阅M.K.Smit和C.Van Dam，“PHASAR-based WDM-devices:Principles,design and applications(基于PHASAR的WDM设备：原理，设计和应用)”，IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics，第2卷，第2期，第236-250页，1996年6月。
为了产生光谱导数，加热三个第二级AWG 421,422,423被用于同时调谐每个输出通道的波长。当电流被施加到加热结构340时，三个第二级AWG 421,422,423的温度变化产生三个第二级AWG 421,422,423的有效折射率na的变化，由此移位中心波长λc，0。
如图7B所示的示例那样，在三个第二级AWG 421,422,423之一处的中心波长702分别在温度T1和T2处被移位到λc，1704和λc，2706。波长差约为2纳米，即，|λc，0-λc，1|≤2nm。记录温度T0、T1和T2处的光谱。然后可以由一个或多个处理器360基于在三个温度值处捕获的光谱分量组来计算一阶和二阶导数光谱。温度T0,、T1和T2取决于波导结构和材料；例如，T0,、T1和T2可以分别是300K、350K和400K。
尽管在本实施例中使用加热作为产生折射率变化的手段，但是在本发明的其它实施例中，折射率的变化可以通过其它方式实现。第二色散元件结构320的中心波长可以通过对三个第二级AWG 421,422,423施加电场、磁场、电子空穴浓度的变化或加热中的一个以产生折射率改变以便移位每个光谱分量328的中心波长来配置。
图8是示出根据本发明的一个实施例的基于在三个温度下捕获的光谱分量组估计一阶和二阶导数光谱的步骤的流程图800。首先在第二色散元件结构320的三个不同温度下获得三个光谱分量组。然后基于三个获得的光谱分量组估计一阶导数光谱和二阶导数光谱。
在步骤802中，一个或多个处理器360控制加热结构340以将第二色散元件结构320的温度设置为第一预定温度T0。在达到温度T0之后，一个或多个处理器360从多个光学检测器330接收多个强度信号335，所接收的多个强度信号335被记录为第一光谱分量组(步骤804)。
在步骤806中，一个或多个处理器360控制加热结构340以将第二色散元件结构320的温度从T0改变到第二预定温度T1。在达到温度T1之后，一个或多个处理器360再次从多个光学检测器330接收多个强度信号335，其中所接收的多个强度信号335被记录为第二光谱分量组(步骤808)。
在步骤810中，一个或多个处理器360控制加热结构340以将第二色散元件结构320的温度从T1改变到第三预定温度T2。在达到温度T2之后，一个或多个处理器360再次从多个光学检测器330接收多个强度信号335，其中所接收的多个强度信号335被记录为第三光谱分量组(步骤812)。
在步骤802、806和810中，选择三个预定温度T0、T1和T2，使得λT1-λT0＝λT2-λT1，其中λT0、λT1和λT2分别是在T0、T1和T2处获得的相同光谱分量的中心波长。也就是说，对于从T0到T1以及从T1到T2改变的温度，获得表示为Δλ的中心波长的相等移位。如上所述，希望Δλ≤2nm。
在步骤814中，通过从所获得的三个光谱分量组的算术计算来估计一阶和二阶导数光谱。三个光谱分量组中的每一个包含多个光谱分量328的强度信号。在三个光谱分量组中，能够识别属于相同光谱分量的三个强度值，每个强度值来自其中一个组。作为说明的一个示例，这个相同的光谱分量可以是第一组八个输出通道540中的第一输出通道。不失一般性，将IT0,、IT1和IT2表示为如在第一、第二和第三光谱分量组中记录的某一相同光谱分量的强度信号的值。此外，这个相同的光谱分量在T0、T1和T2处分别具有中心波长λT0、λT1和λT2。还将在λT0处的一阶和二阶导数光谱的值分别表示为I′T0和I″T0。类似地，在λT1处将I′T1表示为一阶导数光谱的值。根据数学中的有限差分法，I′T0、I′T1和I″T0分别为
以及
由于Δλ＝λT2-λT1＝λT1-λT0，所以由式(7)给出的I″T0减小到
因此，可以看出，本实施例提供了一种导数光谱学的方法、系统和设备，其基于在三个温度值处捕获的三个光谱分量组来估计一阶和二阶导数光谱。
本领域技术人员将认识到，根据流程图800详述的过程是可扩展的，用于估计输入光信号380的高阶导数光谱。特别地，可以通过使用在m+1个温度下获得的m+1个光谱分量组来估计m阶导数光谱。
在系统300的一个实现方式中，第一和第二色散元件结构310,320、加热结构340、多个光学检测器330以及可选的附加加热结构350可以被集成在一起以形成片上光谱仪。还可以将一个或多个处理器360进一步集成到片上光谱仪中。然而，在一些情况下，根据所获得的光谱分量组计算一个或多个导数光谱可以由独立的处理器(例如，高速处理器)或计算机更好地处理(例如由于提供一个用户界面)。在这些情况下，将一个或多个处理器360集成到片上光谱仪中可能不是优选的。然而，在一些情况下，一个或多个处理器360用多个处理器来实现，其中一些处理器专用于控制加热结构340和/或附加加热结构350，其他处理器用于计算一个或多个导数光谱。在系统300的一个实现方式时，可以将专用于控制片上组件的处理器集成到片上光谱仪中。
尽管在本发明的前述详细描述中已经给出了示例性实施例，但是应该认识到，存在大量的变型。应该进一步理解的是，示例性实施例仅是示例，并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性、操作或配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的示例性实施例的便利的路线图，应当理解的是，可以对在示例性实施例中所描述的步骤和操作方法的功能和布置进行各种改变而不背离所附权利要求书中所阐述的本发明的范围。
Claims (13)
1.一种用于生成输入光信号的一个或多个导数光谱的导数光谱学系统，包括：
第一色散元件结构，用于将所述输入光信号光谱分解成多个子带信号，所述第一色散元件结构包括一个或多个第一色散元件；
第二色散元件结构，用于接收所述多个子带信号中的一个或多个子带信号并将接收的所述一个或多个子带信号光谱分解成多个光谱分量，所述第二色散元件结构包括一个或多个第二色散元件，单独的光谱分量的谱宽比单独的子带信号的谱宽窄，所述单独的光谱分量具有中心波长，其中，用于构建所述一个或多个第二色散元件的光学透射材料具有随温度变化的折射率，并且所述第二色散元件结构被配置成在所述第二色散元件结构的温度改变时利用所述随温度变化的折射率来移位所述单独的光谱分量的中心波长；
用于改变所述第二色散元件结构的温度的加热结构；
多个光学检测器，用于将所述多个光谱分量转换成多个强度信号；以及
一个或多个处理器，被配置为：
根据光谱分量组估计所述一个或多个导数光谱，每个所述光谱分量组是在所述第二色散元件结构的一个预定温度下获得的多个强度信号；以及
控制所述加热结构以将所述第二色散元件结构依次改变为多个预定温度，以获得所述光谱分量组。
2.如权利要求1所述的导数光谱学系统，其中，单独的第二色散元件是阵列波导光栅(AWG)。
3.如权利要求1所述的导数光谱学系统，其中，单独的第二色散元件是中阶梯光栅。
4.如权利要求1所述的导数光谱学系统，其中，单独的第二色散元件是蚀刻衍射光栅。
5.如权利要求1所述的导数光谱学系统，其中，所述加热结构包括用于监测所述第二色散元件结构的温度并用作所述加热结构的反馈控制的温度传感器。
6.如权利要求1所述的导数光谱学系统，还包括：
用于改变所述第一色散元件结构的温度的附加加热结构；
其中，所述一个或多个处理器进一步被配置为控制所述附加加热结构以将所述第一色散元件结构和第二色散元件结构之间的温差维持在预定值内，以减少由于来自所述第二色散元件结构的热量流入而导致的所述第一色散元件结构的光学性质上的随机干扰。
7.如权利要求1所述的导数光谱学系统，其中，由所述第二色散元件结构接收的所述一个或多个子带信号排除所述输入光信号的指纹空白光谱。
8.如权利要求7所述的导数光谱学系统，其中：
所述第一色散元件结构被配置为处理具有波长为1150nm至1550nm的光谱范围的输入光信号；并且
所述指纹空白光谱具有波长为1250nm至1350nm的光谱范围。
9.如权利要求1所述的导数光谱学系统，其中，所述一个或多个处理器还被配置为根据在所述第二色散元件结构三个不同的预定温度下获得的三个光谱分量组来估计所述输入光信号的一阶导数光谱和二阶导数光谱。
10.如权利要求1所述的导数光谱学系统，其中，所述一个或多个导数光谱包括一阶导数光谱和二阶导数光谱，并且其中，所述一个或多个处理器还被配置为：
控制所述加热结构以将所述第二色散元件结构依次改变为预定温度T0、T1和T2，以获得第一光谱分量组、第二光谱分量组和第三光谱分量组，其中T0、T1和T2被选择为使得λT1-λT0＝λT2-λT1，其中λT0、λT1和λT2分别是在T0、T1和T2处获得的相同光谱分量的中心波长；以及
估计λT0处的一阶导数光谱和二阶导数光谱的值，分别由下式表示为I′T0和I″T0，
以及
其中IT0、IT1和IT2是分别记录在第一光谱分量组、第二光谱分量组和第三光谱分量组中的所述相同光谱分量的强度信号的值。
11.如权利要求1所述的导数光谱学系统，其中，所述第一色散元件结构由单个第一色散元件组成。
12.如权利要求1-5和7-11中任一项所述的导数光谱学系统，其中所述第一色散元件结构和第二色散元件结构、所述加热结构和所述多个光学检测器被集成以形成片上光谱仪。
13.如权利要求6所述的导数光谱学系统，其中，所述第一色散元件结构和第二色散元件结构、所述加热结构、所述附加加热结构和所述多个光学检测器被集成以形成片上光谱仪。
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