CN110044484B - 一种级联双环增强的傅里叶变换光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种级联双环增强的傅里叶变换光谱仪，包括一个可调谐的级联双环滤波器和一个傅里叶变换光谱仪。可调谐的级联双环滤波器由两个光学长度不相同的环形谐振腔级联构成；两个环形谐振腔均可通过各自的加热电极调谐谐振腔的光学长度。傅里叶变换光谱仪可以由一个臂长可调的MZI构成；也可由一系列不同臂长差的MZI阵列构成；也可由一个带有光栅结构的光波导构成；也可由两个宽度不同且相互耦合的波导构成，两个波导之间有光栅。本发明利用环形谐振腔的高Q值特性以及级联后增大自由光谱范围的优点，与傅里叶变换光谱仪大的测试范围相结合，实现了高光谱分辨率和大带宽的芯片光谱仪。此芯片光谱仪在化学和生物传感器领域有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱仪，尤其涉及一种级联双环增强的傅里叶变换光谱仪。
背景技术
芯片光谱仪在光学传感器和芯片光谱技术等光谱分析的应用中十分重要。基于芯片的光谱仪有多种结构，如阵列波导光栅，光子晶体，微环阵列和芯片的傅里叶变换光谱仪。这些光谱仪在设计中需要平衡光谱分辨率和测试带宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种级联双环增强的傅里叶变换光谱仪。利用环形谐振腔Q值高的特点，提高了光谱仪的分辨率。将两个环形谐振腔级联后的滤波器与单环滤波器相比，可以大大增加滤波器的自由光谱范围，同时利用游标效应，将滤波器的移调谐速度大大增加。级联的傅里叶变换光谱仪分辨率仅需要小于级联双环滤波器的自由光谱范围，从而降低了傅里叶变换光谱对分辨率的要求，同时使增加傅里叶变换光谱仪带宽的设计变得容易。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种级联双环增强的傅里叶变换光谱仪，包括一个可调谐的级联双环滤波器和一个傅里叶变换光谱仪；
所述可调谐的级联双环滤波器包括输入波导、第一环形谐振腔、第二环形谐振腔、第一加热金属电极、第二加热金属电极、耦合直波导和输出波导；所述输入波导与第一环形谐振腔相耦合，第一环形谐振腔有第一加热金属电极；第一环形谐振腔通过耦合直波导与第二环形谐振腔级联；第二环形谐振腔有第二加热金属电极；第二环形谐振腔与输出波导相耦合，输出波导与傅里叶变换光谱仪的输入端相连接；
所述可调谐的级联双环滤波器的第一环形谐振腔和第二环形谐振腔具有不同的光学长度，产生游标效应；第一加热金属电极和第二加热金属电极在调谐的过程中，始终保持第一环形谐振腔和第二环形谐振腔在一个可调谐的级联双环滤波器的自由光谱范围内只有一个重合的谐振峰为主峰，且主峰与次主峰的比大于30dB。
进一步地，所述傅里叶变换光谱仪由马赫-曾德尔干涉仪(MZI)构成，其一个臂有加热金属电极，另外一个臂没有加热金属电极，光从傅里叶变换光谱仪的输出端输出。
进一步地，所述傅里叶变换光谱仪由一系列臂长差不等的马赫-曾德尔干涉仪阵列构成，光从傅里叶变换光谱仪的输出波导阵列输出。
进一步地，所述傅里叶变换光谱仪由一个带有光栅结构的光波导构成，光栅把平面内的光从垂直方向射出，光波导端面镀有反射率大于99％的反射膜。
进一步地，所述傅里叶变换光谱仪由一个多模耦合器和两个宽度不同且相互耦合的第一波导、第二波导构成，第一波导和第二波导之间有光栅，把平面内的光从垂直方向射出。
本发明具有的有益效果是：本发明的级联双环增强的傅里叶变换光谱仪，利用环的高Q特性，可以大大提高滤波器的隔离度；将双环级联，与单环滤波器相比，大大增加了滤波器的自由光谱范围的同时，利用游标效应，将滤波器的移调谐速度大大增加；级联双环增强的傅里叶变换光谱仪，可以大大降低对傅里叶变换光谱仪分辨率的要求，减少傅里叶变换光谱仪的最大光程差。
附图说明
图1为一种级联双环增强的傅里叶变换光谱仪示意图；
图2为一个可调谐的MZI构成的傅里叶变换光谱仪示意图；
图3为一个由不同臂长程差的MZI阵列构成的傅里叶变换光谱仪示意图；
图4为一个带有光栅结构的光波导构成的傅里叶变换光谱仪示意图；
图5为一个多模耦合器和两个宽度不同且相互耦合的波导构成的傅里叶变换光谱仪示意图；
图6为第一环形谐振腔和第二环形谐振腔的透射谱；
图7为级联双环滤波器的透射谱示意图；
图8为傅里叶变换光谱仪还原的级联双环滤波器的透射谱；
图中，级联双环滤波器1、傅里叶变换光谱仪2、输入波导3、第一环形谐振腔71、第一加热金属电极61、耦合直波导4、第二环形谐振腔72、第二加热金属电极62、输出波导5、傅里叶变换光谱仪2的输入端21、MZI的一个臂23、加热金属电极24、MZI的另外一个臂22，傅里叶变换光谱仪2的输出端25、傅里叶变换光谱仪2的输出波导阵列26、带有光栅结构的光波导27、反射膜28、多模耦合器32、第一波导29、第二波导30、光栅31。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例
如图1所示，本发明提供的一种级联双环增强的傅里叶变换光谱仪，包括一个可调谐的级联双环滤波器1和一个傅里叶变换光谱仪2；可调谐的级联双环滤波器1包括输入波导3、第一环形谐振腔71、第二环形谐振腔72、第一加热金属电极61、第二加热金属电极62、耦合直波导4和输出波导5；输入波导3与第一环形谐振腔71相耦合，第一环形谐振腔71有第一加热金属电极61；第一环形谐振腔71通过耦合直波导4与第二环形谐振腔72级联；第二环形谐振腔72有第二加热金属电极62；第二环形谐振腔72与输出波导5相耦合，输出波导5与傅里叶变换光谱仪2的输入端21相连接。
被测光经过输入波导3进入可调谐的级联双环滤波器1，与第一环形谐振腔71谐振的光进入耦合直波导4，同时与第二环形谐振腔72谐振的光，经过输出波导5，进入傅里叶变换光谱仪2。可调谐的级联双环滤波器1的第一环形谐振腔71和第二环形谐振腔72具有不同的光学长度，并且每个环的自由光谱范围远远大于一个谐振峰的半高全宽(3倍以上)；第一加热金属电极61和第二加热金属电极62在调谐的过程中，始终保持两个环形谐振腔在可调谐的级联双环滤波器1的自由光谱范围内只有一个重合的谐振峰为主峰，且主峰与次主峰的比大于30dB。
如图2所示，经过可调谐的级联双环滤波器1的被测光，通过傅里叶变换光谱仪2的输入端21进入傅里叶变换光谱仪2，通过加热金属电极24的调谐，改变MZI的两个臂22和23的光程差，最终从傅里叶变换光谱仪2的输出端25接收到不同光程差的光强，进而还原经过可调谐的级联双环滤波器1的被测光的光谱信息。结合可调谐的级联双环滤波器1在第一加热金属电极61和第二加热金属电极62扫描过程中的光谱信息，可以还原被测光的光谱信息。
本发明级联双环增强的傅里叶变换光谱仪与传统的由不同臂长程差的MZI阵列构成的傅里叶变换光谱仪相比，无需大范围加热电极的电压变化范围。
如图3所示，经过可调谐的级联双环滤波器1的被测光，通过傅里叶变换光谱仪2的输入端21进入傅里叶变换光谱仪2，通过不同光程差的MZI阵列，最后从傅里叶变换光谱仪2的输出波导阵列26接收到不同光程差的光强，进而还原经过可调谐的级联双环滤波器1的被测光的光谱信息。结合可调谐的级联双环滤波器1在第一加热金属电极61和第二加热金属电极62扫描过程中的光谱信息，可以还原被测光的光谱信息。
本发明级联双环增强的傅里叶变换光谱仪与传统的可调谐的MZI构成的傅里叶变换光谱仪相比，大大减少了马赫-曾德尔干涉仪的数量。
如图4所示，经过可调谐的级联双环滤波器1的被测光，通过傅里叶变换光谱仪2的输入端21进入傅里叶变换光谱仪2，正向传播的光一部分通过有带光栅结构的光波导27，从垂直波导平面的方向输出，另外一部分的光经过光波导27端面的反射率大于99％的反射膜28反射后回来，反向传播的光也经过带有光栅结构的光波导27，从垂直波导平面的方向输出。在带有光栅结构的波导27的不同位置，从垂直波导平面的方向上可接收到正反两个方向传播的具有不同光程差的光强，进而还原经过可调谐的级联双环滤波器1的被测光的光谱信息。结合可调谐的级联双环滤波器1在第一加热金属电极61和第二加热金属电极62扫描过程中的光谱信息，可以还原被测光的光谱信息。
本发明级联双环增强的傅里叶变换光谱仪与传统的带有光栅结构的光波导构成的傅里叶变换光谱仪相比，可以大大减少光栅和波导的长度。
如图5所示，经过可调谐的级联双环滤波器1的被测光，通过傅里叶变换光谱仪2的输入端21进入傅里叶变换光谱仪2；经过多模耦合器32，一部分光进入第一波导29，一部分光进入第二波导30，因为第一波导29和第二波导30的宽度不同，所以有效折射率也不相同，在第一波导29和第二波导30相互耦合的区域有光栅31，因此在光栅31的不同位置，从垂直波导平面的方向上可接收，具到有不同光程差的光强，进而还原经过可调谐的级联双环滤波器1的被测光的光谱信息。结合可调谐的级联双环滤波器1在第一加热金属电极61和第二加热金属电极62扫描过程中的光谱信息，可以还原被测光的光谱信息。
本发明级联双环增强的傅里叶变换光谱仪与传统的多模耦合器和两个宽度不同且相互耦合的波导构成的傅里叶变换光谱仪相比，可以大大减少光栅和波导的长度。
本实例中采用SOI平台制作传感器芯片，以图2所示的傅里叶变换光谱仪结构为例。设计的中心波长为1.55μm，波导结构对于TM模式有效折射率为1.81，第一环形谐振腔71的半径为49μm，第二环形谐振的半径为54μm，两个环形谐振腔的透射谱如图6所示。每个环的谐振峰的半高全宽远远小于单环的自由光谱范围(FSR)。第一环形谐振腔的FSR1＝4.697nm，第二环形谐振腔的FSR2＝4.27nm。当第一环形谐振腔的电压V61变化ΔV时，第一环形谐振腔的谐振峰偏移了0.427nm。由图6和图7可见，当第一环形谐振腔的电压V61变化ΔV时，单环移动0.427nm，级联双环滤波器的谐振峰移动了4.697nm。级联双环滤波器的透射谱的FSR双环＝46.97nm比单环的自由光谱范围大大增加。通过在第一加热金属电极61和第二加热金属电极62的同步扫描，可以保持级联双环滤波器透射谱的波形不变，使主峰连续移动一个滤波器的自由光谱范围46.97nm，只需两个单环谐振腔的谐振峰分别移动4.697nm和4.27nm，大大降低了扫描电压。假设MZI的加热金属电极24的电压改变50次，每次改变增加1.81μm的光学长度变化。基于波导结构的傅里叶变换光谱仪，其分辨率δλ由下式决定：
式中，λ是工作中心波长，ng为波导群折射率，ΔLmax为干涉结构的最大光程差。根据以上参数计算，得到可调谐MZI的傅里叶变换光谱仪分辨率δλ为43.48nm。图8为傅里叶变换光谱仪还原的级联双环滤波器的透射谱。结合图7和图8的测量结果就可以测出被测光的光谱信息。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种级联双环增强的傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于，包括一个可调谐的级联双环滤波器(1)和一个傅里叶变换光谱仪(2)；
所述可调谐的级联双环滤波器(1)包括输入波导(3)、第一环形谐振腔(71)、第二环形谐振腔(72)、第一加热金属电极(61)、第二加热金属电极(62)、耦合直波导(4)和输出波导(5)；所述输入波导(3)与第一环形谐振腔(71)相耦合，第一环形谐振腔(71)有第一加热金属电极(61)；第一环形谐振腔(71)通过耦合直波导(4)与第二环形谐振腔(72)级联；第二环形谐振腔(72)有第二加热金属电极(62)；第二环形谐振腔(72)与输出波导(5)相耦合，输出波导(5)与傅里叶变换光谱仪(2)的输入端(21)相连接；
所述傅里叶变换光谱仪(2)由一系列臂长差不等的马赫-曾德尔干涉仪阵列构成，光从傅里叶变换光谱仪(2)的输出波导阵列(26)输出；或者由一个带有光栅结构的光波导(27)构成，光栅把平面内的光从垂直方向射出，光波导(27)端面镀有反射率大于99％的反射膜(28)；或者由一个多模耦合器(32)和两个宽度不同且相互耦合的第一波导(29)、第二波导(30)构成，第一波导(29)和第二波导(30)之间有光栅(31)，把平面内的光从垂直方向射出；
所述可调谐的级联双环滤波器(1)的第一环形谐振腔(71)和第二环形谐振腔(72)具有不同的光学长度，产生游标效应；第一加热金属电极(61)和第二加热金属电极(62)在调谐的过程中，始终保持第一环形谐振腔(71)和第二环形谐振腔(72)在一个可调谐的级联双环滤波器(1)的自由光谱范围内只有一个重合的谐振峰为主峰，且主峰与次主峰的比大于30dB。
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