CN111947780B - 硅基片上傅里叶变换光谱仪及光谱重构方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅基片上傅里叶变换光谱仪及获得光源重构光谱的方法，所述的光谱仪包括波导输入耦合器、级联光开关、非等臂亚波长光栅(SWG)波导对和锗硅探测器，所述的级联光开关通过非等臂SWG波导对连接。通过调节光开关状态选通光路，构成具有不同光程差的一系列非等臂马赫‑增德尔干涉器(MZI)阵列，实现基于空间外差相干的傅里叶变换光谱仪，并利用压缩感知算法对光谱进行重构。相比于传统无源MZI阵列结构，可以有效降低芯片尺寸、提高采样点数；非等臂SWG波导对可以有效提高芯片温度稳定性、扩大工作带宽。本发明能够满足傅里叶变换光谱仪对于小型化、便携化的应用需求，并能够解决现有硅基片上光谱仪普遍对温度敏感的问题。
Description
技术领域
本发明属于光检测和传感领域，特别是一种硅基片上傅里叶变换光谱仪及获得光源重构光谱的方法。
背景技术
红外光谱仪利用物质对不同波长的红外辐射吸收特性来实现分子结构和化学组成的分析和识别，是化学分析的最有效手段之一。传统傅里叶变换光谱仪，例如迈克尔逊干涉仪，通过移动反射镜改变两束光的光程差来产生干涉条纹，并利用快速傅里叶变换进行解码。光程差越长，光谱测量精度越高。传统的台式傅里叶变换光谱仪一般需要工作在实验室环境中，且系统中的光学机械运动模块需要高精度对准，因此存在成本高、尺寸大、携带和使用不方便等缺点。随着红外光谱仪的应用范围进一步拓展，对于便携性、环境鲁棒性的需求使得傅里叶变换光谱仪朝小型化、集成化的方向发展。已报道的基于微机电系统(MEMS)的傅里叶变换光谱仪实现了系统小型化，但仍旧包含相对脆弱的移动组件，最好方案是无任何可移动组件(参见Opt.Lett.,vol.24,no.23,pp.1705-1707,1999)。
近来年，随着集成光电子技术的不断进步，尤其是硅基光电子技术的高速发展，光电子芯片中器件集成度和功能复杂度不断增长，集成光电子芯片的应用领域也不再局限于光通信，更是拓展至自动驾驶、光子神经网络、量子信号处理、生物传感等领域。对片上傅里叶变换光谱仪的研究逐渐成为热点，它无任何运动部件，具有尺寸小、重量轻、功耗和低成本等优点，可以满足未来生物检测、宇宙粒子检测等领域的芯片实验室(Lab-on-a-chip)应用需求。
现有片上傅里叶变换光谱仪主要可以分为两类：驻波集成傅里叶变换(以下简称为SWIFT)光谱仪和空间外差光谱仪(以下简称为SHS)。
基于SWIFT的光谱仪通过波导中两个对向传输的光束来产生驻波干涉条纹，通过在波导上方排布探测器阵列来接收波导散射光的干涉图谱。该类器件只需要较小的芯片尺寸就可实现高精度。但是根据E.Coarer等人的研究工作表明，干涉条纹的间距为λ/2neff，远小于现有探测器阵列的间距。因此，测得的干涉图是欠采样的，导致光谱带宽受限(参见Nat.Photon.,vol.1,p.473-478,2007.)。并且，现有方案都是通过在波导上方放置红外相机来接收干涉条纹，因此很难实现整个系统的小型化。
基于SHS结构的光谱仪，一般上通过改变非对称马赫-增德尔干涉器(以下简称为MZI)的臂长差或者光程差来产生空间变换的干涉图样。目前主要有两种方式来实现光程差调制：一种是通过电光效应或热光效应来改变其中一个臂的有效光程，另一种是通过一系列不同光程差的MZI阵列来产生干涉图样。基于第一种方式，由于利用热光或电光效应对波导折射率和长度的变化较小，一般所需的功耗较大，分辨率也相对较低。第二种方式虽然可以增加给定光谱带宽的分辨率，但所需的MZI数目很大，这也意味器件测尺寸随着光谱分辨率的提高而快速增大，可以通过利用亚波长光栅结构来改善器件尺寸。
此外，近年来，诸多科研人员提出了不同的方案来提高片上傅里叶变换光谱仪的性能，如在MZI干涉臂上分别集成光开关以实现光程差的数字式调制，利用波导的偏振来减少MZI的数目，利用温度相关校准矩阵来减低温度敏感性等。
可以看出，基于集成光波导的片上傅里叶变换光谱仪自2007年提出以来，近几年已经成为研究热点。从目前研究进展看，片上空间外差光谱仪最高可以实现pm量级的分辨率，且研究成果相对较多。但是，基于有源光程差调制的SHS功耗较高，分辨率仅为nm量级；基于非对称MZI阵列的SHS，光谱有效分辨点数跟MZI的数目相关，因此很难兼顾大带宽和高分辨率。此外，环境温度对片上傅里叶变换光谱仪的影响也大大限制其实际应用。总之，现有的片上傅里叶变换光谱仪在有效分辨点数、光谱范围以及实际性等方面，都与现有先进台式傅里叶变换光谱仪有较大的差距。
发明内容
针对上述现有实现方案中存在的缺陷，本发明提供一种硅基片上傅里叶变换光谱仪及获得光源重构光谱的方法。其芯片部分，基于空间外差相干的片上傅里叶变换光谱仪的物理模型，主要包括波导输入耦合器、级联光开关、非等臂亚波长光栅(SWG)波导对和锗硅探测器。本发明通过光开关的光路数字化选通技术和非等臂的SWG波导对结合，实现具有不同光程差的一系列非等臂MZI阵列，具有降低芯片尺寸、提高采样点数的优点。通过对SWG波导对的结构进行设计优化，在较宽波长范围内有效消除MZI中的温度相关相移差，从而提高芯片温度稳定性。此外，通过压缩采样技术和光谱重构算法，有效提高芯片的分辨率。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种硅基片上傅里叶变换光谱仪，其特点在于，包括波导输入耦合器，级联光开关，非等臂亚波长光栅(SWG)波导对)、锗硅探测器和外部多通道电源，所述的波导输入耦合器，级联光开关，非等臂亚波长光栅(SWG)波导对和锗硅探测器制备在绝缘体上硅(SOI)材料上；
所述的级联光开关由N+1个2×2光开关构成，所述的2×2光开关，包含2个3-dB耦合器、2个等臂波导和一个移相器，前一个3-dB耦合器的两个输出端各连接一个等臂波导，其中一个等臂波导上设置所述的移相器，2个等臂波导的另一端接后一个3-dB耦合器的两个输入端；
所述的非等臂SWG波导对共有N对，每一对非等臂SWG波导对包含两个非等臂SWG波导，两个波导具有不同的宽度和长度，第i非等臂SWG波导对的光程差为OPDi＝2i-1OPD1，而温度相关相移差为0；
所述的波导输入耦合器的输出端与所述的级联光开关的第一级光开关的一个输入端相连，前一级光开关的输出波导和后一级光开关的输入波导通过所述的非等臂SWG波导对相连；所述的锗硅探测器采用PIN结构，与所述的级联光开关的最后一级2×2光开关的一个输出端口相连，所述的N+1个2×2光开关的控制端与所述的外部多通道电源相连。
所述的波导输入耦合器，采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构，待测光谱信号通过光纤耦合输入芯片中。
所述的级联个数N+1与光谱仪的分辨点数相关。
所述的2×2光开关采用2×2等臂马赫-增德尔(MZI)结构，所述的3-dB耦合器采用多模干涉(MMI)结构或者定向耦合器结构；所述的移相器基于热光效应，采用金属热电阻或者波导热电阻结构。
所述的不同的非等臂SWG波导对，采用相同的波导结构，长度进行等比例增加，使得第i对非等臂SWG波导对的光程差OPDi＝2i-1OPD1。
所述SWG波导和2×2光开关连接处，设置一个模斑转换器，减少器件反射损耗。
所述的2×2光开关通过外部多通道电源控制，实现3-dB分光、交叉或直通等状态，使得链路中2个光开关处于3-dB分光状态，其余都为直通或者交叉状态，从而构成具有不同光程差的非等臂MZI结构，光程差变化为(1～2N-1)OPD1。
利用上述硅基片上傅里叶变换光谱仪获得光源重构光谱的方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：
首先在不同光程差下输入待测波长范围内单色光信号，通过光电转换形成干涉图谱，并构成校准矩阵A；
接着，输入待测光信号x，测得不同光程差下锗硅探测器的输出信号y；
最后利用重构算法，通过设置合理的正则惩罚项和相应的超参数来重构原始光谱，提高光谱的分辨率。
本发明和现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：
1、通过调节级联光开关的状态重构出不同光程差的MZI，有效增加采样点数。相对于其他方案，该结构具有设计简单、芯片尺寸小、可扩展性强的优点，并且与温度不敏感设计兼容。
2、通过设计不同结构和长度的SWG波导来平衡温度引起的额外相移，消除器件中心波长的温漂，通过调节亚波长光栅结构的波导色散，扩大工作带宽。具有无需引入其他材料、温度不敏感工作带宽大、制备与CMOS工艺兼容等优点。
3、利用正则化回归算法重构出待测光谱，有效降低芯片对采样点数的要求，提高光谱测量分辨率。
附图说明
图1为本发明硅基片上傅里叶变换光谱仪的结构示意图。
图2为本发明实施例的硅基光开关的结构示意图。
图3为本发明非等臂SWG波导对的结构示意图。
图4为本发明实施例的4级可重构片上傅里叶变换光谱仪的工作原理图。
图5为本发明实施例的典型的校准矩阵A的示意图
具体实施方式
为了进一步阐明本方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。请注意，下述具体实施例仅起解释目的，并不用于限定本发明。同时，各个实施例涉及到的技术特征只要彼此未构成冲突，就可以相互结合。
参考图1所示，本发明硅基片上傅里叶变换光谱仪，包括波导输入耦合器101，级联光开关102，非等臂SWG波导对103、锗硅探测器104和外部多通道电源，所述的波导输入耦合器101、级联光开关102、非等臂SWG波导对103和锗硅探测器104制备在绝缘体上硅材料上；
所述的级联光开关(102)由N+1个2×2光开关构成，所述的2×2光开关，包含2个3-dB耦合器102a、2个等臂波导102b和一个移相器102c，前一个3-dB耦合器102a的两个输出端各连接一个等臂波导102b，其中一个等臂波导102b上设置所述的移相器102c，2个等臂波导102b的另一端接后一个3-dB耦合器102a两个输入端；
所述的非等臂SWG波导对103共有N对，每一对非等臂SWG波导对包含两个非等臂SWG波导，两个波导具有不同的宽度和长度，第i非等臂SWG波导对的光程差为OPDi＝2i- 1OPD1，而温度相关相移差为0；
所述的波导输入耦合器101的输出端与所述的级联光开关102的第一级光开关的一个输入端相连，前一级光开关的输出波导和后一级光开关的输入波导通过所述的非等臂SWG波导对103相连；所述的锗硅探测器104采用PIN结构，与所述的级联光开关102的最后一级2×2光开关的一个输出端口相连，所述的N+1个2×2光开关的控制端与所述的外部多通道电源相连。
所述的波导输入耦合器101，采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构，待测光谱信号通过光纤耦合输入芯片中。
所述的级联个数N+1与光谱仪的分辨点数相关。
所述的2×2光开关采用2×2等臂马赫-增德尔(MZI)结构，所述的3-dB耦合器102a采用多模干涉(MMI)结构或者定向耦合器结构；所述的移相器102c基于热光效应，采用金属热电阻或者波导热电阻结构。
所述的不同的非等臂SWG波导对103，采用相同的波导结构，长度进行等比例增加，使得第i对非等臂SWG波导对的光程差OPDi＝2i-1OPD1。
所述SWG波导和2×2光开关连接处，设置一个模斑转换器，减少器件反射损耗。
所述的2×2光开关通过外部多通道电源控制，实现3-dB分光、交叉或直通等状态，使得链路中2个光开关处于3-dB分光状态，其余都为直通或者交叉状态，从而构成具有不同光程差的非等臂MZI结构，光程差变化为(1～2N-1)OPD1。
利用上述硅基片上傅里叶变换光谱仪获得光源重构光谱的方法，该方法包括下列步骤：
首先在不同光程差下输入待测波长范围内单色光信号，通过光电转换形成干涉图谱，并构成校准矩阵A；
接着，输入待测光信号x，测得不同光程差下锗硅探测器的输出信号y；
最后利用重构算法，通过设置合理的正则惩罚项和相应的超参数来重构原始光谱，提高光谱的分辨率。
实施例
所述的级联光开关102由N+1个2×2光开关构成，级联个数N+1与光谱仪的分辨点数相关。每个级的级联光开关都采用2×2等臂马赫-增德尔(MZI)结构，其结构如图2所示，包含2个3-dB耦合器102a、2个等臂波导102b和移相器102c。通过外部电源给光开关上的移相器加电，改变两臂的相位差，开关状态可以切换成交叉(cross)状态、直通(bar)状态和3-dB分光状态。前一级光开关的输出波导和后一级光开关的输出波导通过非等臂SWG波导对103相连。
因此，非等臂SWG波导对103共有N对，每一对包含两个非等臂SWG波导，两个波导具有不同的宽度和长度，使得两个波导具有光程差OPDi(i为非等臂SWG波导对序号)。因此，通过改变光开关的状态，可以对光路进行数字化选通，和非等臂SWG波导对相结合，可以重构成具有不同光程差的MZI结构。
最终输出的光信号由锗硅探测器104测得，其与级联光开关最后一级2×2光开关的一个输出端口相连，将光功率信号转换为电信号。
在上述方案的基础上，非等臂SWG波导对的结构如图3所示。为了消除温度敏感性，根据该器件的温度相关相位差
的表达式：
其中，Δneff表示两个宽度不同SWG波导的有效折射率差neff1-neff2，因此
为两个SWG波导的热光系数差，
为常规条形波导的热光系数。式中等号右边括号内的第一项大于0，而第二项中
可小于0。因此，通过调节两臂上的SWG波导的周期、占空比、波导宽度，在多维度来调节波导色散，可使得该器件的温度相关相位差为0，从而实现较宽波长范围内的无热化校准和测试。通过设计，使得第一级SWG波导对的光程差OPDi为：
OPDi＝ngΔL+(ng1-ng2)L
其中，ng1和ng2为上下两个SWG波导的群折射率。对于第i级，若要实现2i-1OPD1的光程差，只需要相应增加波导的长度满足相同尺寸波导长度差为2i-1ΔL，而宽度不同的波导长度为2i-1L即可。
在上述方案的基础上，以4级光开关为例说明傅里叶变换光谱仪的具体工作原理：
如图4所示。该结构包含4个级联2×2光开关，命名为SEk(k＝1,2,3,4)。两个光开关之间由两个非等臂的SWG波导连接，两个非等臂SWG的光程差分别为OPDi(i＝1,2,3,4)，其中OPDi＝2i-1OPD1。如图4(a)所示，当SE1和SE2工作在3-dB分光状态时，该器件等效为光程差为OPD1的MZI；
如图4(b)所示，当SE1工作在交叉状态，SE2和SE3工作在3-dB分光状态时，该器件等效为光程差为2OPD1的MZI；
如图4(c)所示，当SE1和SE3工作在3-dB分光状态，且SE2在直通状态，该器件等效为光程差为3OPD1的MZI；以此类推，最长的光程差如图4(d)所示，当SE1和SE4工作在3-dB分光状态，SE2和SE3工作在直通状态，这样该器件重构成光程差为7OPD1的MZI。对于此4级级联光开关结构，共可实现从(1～7)×OPD1的7种不同光程差的MZI。
从以上例子中，可以看到对于N+1级级联光开关和N级非等臂SWG波导对，通过对光路的数字化选通，共可重构成2N-1个不同光程差的MZI，光程差分别为(1～2N-1)OPD1。因此，该结构仅需要利用N对非等臂波导和N+1个2×2光开关，就可以实现与2N-1个非等臂MZI阵列相同的光谱采样功能，大大简化的芯片的设计复杂度和器件尺寸。
在上述方案的基础上，在进行正式测试前，需要对傅里叶变换光谱仪进行校准。调整所有光开关的状态，一共有2N-1个不同光程差的非等臂MZI。可调激光器逐点扫描待测光谱范围内的单色连续光，共有m个波长点。单色连续光输入到每个MZI中，经过干涉后的光信号通过片上锗硅探测器转换为电信号，再通过数据采集卡记录。这样就可以得到一个(2N-1)×m的校准矩阵A，其中矩阵中每一行代表传输的光谱，每一列代表干涉图谱的离散采样点。如图5所示，就是一个典型的校准矩阵。校准矩阵除了可用于光谱正则化重构外，还可以消除工艺制造、器件损耗等引入的相位误差和条纹对比度不同的问题。对于待测的多色光信号x，是一个具有m个元素的向量，每个元素代表对应波长上的功率，可以表示为y＝Ax，其中y为测得的干涉图谱，是一个具有2N-1个元素的向量。因此，只需要从y中求得x，就可以恢复出待测多色光的光谱信息。
在上述方案的基础上，由于m远大于2N-1，上述矩阵方程中x的解有很多，常规的伪逆矩阵法往往无法得到精确解。本发明采用机器学习算法来准确地重构出待测光谱。不同的正则化回归算法具有不同的优缺点和试用范围，表1列举了几种常见的重构算法。
表1
由于待测光谱有些是比较稀疏的(仅有若干离散波长分量)，有些是有大量连续光谱的，因此在选择算法时应考虑不同算法的适用性。其中，L1范数项主要用于增加稀疏性，L2范数项主要增加幅度的平滑性，上述两项对重构稀疏光谱具有较好的效果。但是由于缺乏对于光谱连续性的约束，仅包含L1和L2范数项无法准确恢复出连续光谱。引入光谱的一阶差分矩阵D1x的L2范数项可以在一定程度上增加光谱连续性。因此上述若干算法中，采用Elastic-D1算法能够较准确的重构出各类不同的光谱。但是，由于需要计算3个超参数α1～α3的值，计算复杂度有所增加。不过该算法中各项都大于0，可以用标准的凸优化工具来计算。
上述内容即是本发明，硅基片上傅里叶变换光谱仪芯片的具体实施方案，同领域的科研或产业部门人员容易理解。以上内容仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种硅基片上傅里叶变换光谱仪，其特征在于，包括波导输入耦合器(101)，级联光开关(102)，非等臂亚波长光栅(SWG)波导对(103)、锗硅探测器(104)和外部多通道电源，所述的波导输入耦合器(101)，级联光开关(102)，非等臂亚波长光栅(SWG)波导对(103)和锗硅探测器(104)制备在绝缘体上硅(SOI)材料上；
所述的级联光开关(102)由N+1个2×2光开关构成，所述的2×2光开关，包含2个3-dB耦合器(102a)、2个等臂波导(102b)和一个移相器(102c)，前一个3-dB耦合器(102a)的两个输出端各连接一个等臂波导(102b)，其中一个等臂波导(102b)上设置所述的移相器(102c)，2个等臂波导(102b)的另一端接后一个3-dB耦合器(102a)两个输入端；
所述的非等臂SWG波导对(103)共有N对，每一对非等臂SWG波导对包含两个非等臂SWG波导，两个波导具有不同的宽度和长度，第i非等臂SWG波导对的光程差为OPDi＝2i-1OPD1，而温度相关相移差为0；
所述的波导输入耦合器(101)的输出端与所述的级联光开关(102)的第一级光开关的一个输入端相连，前一级光开关的输出波导和后一级光开关的输入波导通过所述的非等臂SWG波导对(103)相连；所述的锗硅探测器(104)采用PIN结构，与所述的级联光开关(102)的最后一级2×2光开关的一个输出端口相连，所述的N+1个2×2光开关的控制端与所述的外部多通道电源相连。
2.根据权利要求1所述的硅基片上傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述的波导输入耦合器(101)，采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构，待测光谱信号通过光纤耦合输入芯片中。
3.根据权利要求1所述的硅基片上傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述的级联个数N+1与光谱仪的分辨点数相关。
4.根据权利要求1所述的硅基片上傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述的2×2光开关采用2×2等臂马赫-增德尔(MZI)结构，所述的3-dB耦合器(102a)采用多模干涉(MMI)结构或者定向耦合器结构；所述的移相器(102c)基于热光效应，采用金属热电阻或者波导热电阻结构。
5.根据权利要求1所述的硅基片上傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述的不同的非等臂SWG波导对(103)，采用相同的波导结构，长度进行等比例增加，使得第i对非等臂SWG波导对的光程差OPDi＝2i-1OPD1。
6.根据权利要求1所述的硅基片上傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述SWG波导和2×2光开关连接处，设置一个模斑转换器，减少器件反射损耗。
7.根据权利要求1至6任一项所述的硅基片上傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述的2×2光开关通过外部多通道电源控制，实现3-dB分光、交叉或直通等状态，使得链路中2个光开关处于3-dB分光状态，其余都为直通或者交叉状态，从而构成具有不同光程差的非等臂MZI结构，光程差变化为(1～2N-1)OPD1。
8.利用权利要求1是所述的硅基片上傅里叶变换光谱仪获得光源重构光谱的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
首先在不同光程差下输入待测波长范围内单色光信号，通过光电转换形成干涉图谱，并构成校准矩阵A；
接着，输入待测光信号x，测得不同光程差下锗硅探测器的输出信号y；
最后利用重构算法，通过设置合理的正则惩罚项和相应的超参数来重构原始光谱，提高光谱的分辨率。
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