CN112326027A - 基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，包括光学分束器、马赫‑增德尔干涉仪、光学耦合器和光电探测器，光学分束器用于将输入光信号分配为第一光信号和第二光信号；马赫‑增德尔干涉仪包括第一臂、第二臂和光开关阵列，第一臂用于传送第一光信号，第二臂用于传送第二光信号，光开关阵列级联在第一臂和第二臂中的至少一个臂上，用于形成延迟光程差，实现从0、ΔL、2ΔL、3ΔL、到(2N‑1)ΔL的光延迟控制；光学耦合器用于将第一臂传送的第一光信号和第二臂传送的第二光信号组合成干涉信号，光电探测器用于基于干涉信号的光学功率提供输出信号。本发明能实现大范围、高精度的傅里叶光谱移相控制，提高集成度和精度，减少芯片占用面积。
Description
技术领域
本发明涉及光谱检测技术领域，更为具体来说，本发明为一种基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪。
背景技术
光谱仪是用来检测光谱信息的仪器，是分析物质成分、结构和含量的强有力工具，在光学传感与检测领域比如气体检测、化学物质探测等有着较大的用处。传统的光谱仪的运作原理大致可以分为色散法和傅里叶变换法这两种。不管哪种方式，实现它都是需要复杂的结构以及不可避免的体积庞大。现有的光谱器件大部分都是由几何光学器件来制作，很难把体积缩小，而且容易受到外界震动等因素的影响，造成基准度上的偏差。
如果能够把光谱仪集成到一片芯片上，不仅能提高集成度和精度，还能增强器件的可靠性。
发明内容
为解决现有傅里叶变换光谱仪体积庞大、容易受外界影响、精准度低等问题，本发明提供了一种基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，在马赫-增德尔干涉仪(MZI)的两个臂上级联光开关阵列，来实现大范围、高精度的傅里叶光谱移相控制，所获得的光延迟量大大增加，提高集成度和精度，减少芯片占用面积。
为实现上述技术目的，本发明提供一种基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，包括光学分束器、马赫-增德尔干涉仪、光学耦合器和光电探测器，
所述光学分束器用于将输入光信号分配为第一光信号和第二光信号；
所述马赫-增德尔干涉仪包括第一臂、第二臂和光开关阵列，所述第一臂用于传送所述第一光信号，所述第二臂用于传送所述第二光信号，所述光开关阵列级联在第一臂和第二臂中的至少一个臂上，用于形成延迟光程差；所述光开关阵列包括N个光开关，N为正整数；所述光开关阵列的延迟光程差OL的表达式为：
其中，S(i)为光开关的开关函数，
ΔL为最小单位延迟光程；
所述光学耦合器用于将所述第一臂传送的第一光信号和所述第二臂传送的第二光信号组合成干涉信号；
所述光电探测器用于基于干涉信号的光学功率提供输出信号。
进一步地，所述光开关阵列级联在所述第一臂上，N个光开关依次排列在所述第一臂上；所述第一臂上设置有第一光学耦合器，用于组合第一臂上的第一光信号。
进一步地，所述第二臂上设有与所述第一臂上数量相同的光开关，用于平衡所述第一臂和所述第二臂的相位差；所述第二臂上设有第二光学耦合器，用于组合第二臂上的第二光信号。
进一步地，所述光开关阵列级联在所述第一臂和所述第二臂上，所述第一臂上设有依次排列的N个光开关，所述第二臂上设有依次排列的N个光开关，所述第一臂上的光开关和所述第二臂上的光开关位置一一对应。
进一步地，所述第一臂上设有第三光学耦合器，用于组合第一臂上的第一光信号；所述第二臂上设有第四光学耦合器，用于组合第二臂上的第二光信号。
进一步地，所述光开关为电光学切换方向耦合器。
进一步地，所述傅里叶变换光谱仪集成在芯片上，包括从下到上依次设置的基底、氧化埋层、生长氧化层、波导层和包层，所述波导层用于输入波导以及排列光开关阵列，所述波导层内设有光栅，所述光电探测器设置在所述生长氧化层内，所述光栅用于将所述波导层经过所述光开关阵列延迟的光反射到光电探测器。
进一步地，所述傅里叶变换光谱仪集成在芯片上，包括从下到上依次设置的基底、氧化埋层、生长氧化层、波导层和包层，所述波导层用于输入波导以及排列光开关阵列，所述波导层内设有taper耦合器，所述光电探测器设置在所述生长氧化层内，所述taper耦合器用于将波导层经过所述光开关阵列延迟的光导入到光电探测器。
进一步地，所述波导层为铌酸锂波导层或氮化硅波导层。
进一步地，所述光电探测器采用硅或者锗制作。
本发明的有益效果为：
(1)与现有技术相比，本发明提供的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪在马赫-增德尔干涉仪(MZI)的两个臂上级联光开关阵列，基于N个片上光开关和延迟光程差
阵列组合，可以仅仅通过N个小的光程差的延迟开关阵列实现从0·ΔL到(2N-1)·ΔL的长范围移相扫描，实现大范围、高精度的傅里叶光谱移相控制，所获得的光延迟量大大增加，提高集成度和精度，减少芯片占用面积。
(2)本发明的光开关的移相大部分是在1个周期内，采用光开关的开关闭合来实现干涉仪的臂长差控制，可以实现很小的功耗带来很高的移相周期。
(3)本发明采用铌酸锂或者氮化硅进行波导传输和光开关切换，然后在其他层制作探测器结构，从而实现可见光波段到近红外波段的探测，实现了宽光谱范围的傅里叶转换光谱测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对各个实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明下面具体描述中的这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪的结构示意图。
图2为本发明另一实施例的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪的结构示意图。
图3为本发明实施例的光开关的结构示意图。
图4为本发明实施例的芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明提供的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪的技术方案进行清楚、完整地描述，显然地，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，所以不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能将其理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本发明中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，本发明为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，即使在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它的实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是应与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。
本发明实施例提供一种基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，包括光学分束器、马赫-增德尔干涉仪、光学耦合器和光电探测器。
光学分束器为1×2光学分束器，用于将输入光信号分配为第一光信号和第二光信号。
马赫-增德尔干涉仪包括第一臂、第二臂和光开关阵列，第一臂用于传送第一光信号，第二臂用于传送第二光信号，光开关阵列级联在第一臂和第二臂中的至少一个臂上，用于形成延迟光程差；光开关阵列包括N个光开关，N为正整数；光开关阵列的延迟光程差OL的表达式为：
其中，S(i)为光开关的开关函数，
ΔL为最小单位延迟光程；
通过在马赫-增德尔干涉仪的臂上级联光开关，能实现0、ΔL、2ΔL、3ΔL、……、(2N-1)ΔL的步进移相扫描。
光学耦合器用于将第一臂传送的第一光信号和第二臂传送的第二光信号组合成干涉信号。
光电探测器用于基于干涉信号的光学功率提供输出信号。
如图1所示，光开关阵列级联在第一臂上，N个光开关依次排列在第一臂上，第一臂对应图1中的上臂；第一臂上设置有第一光学耦合器，用于组合第一臂上的经过光开关处理的第一光信号。第二臂上设有与第一臂上数量相同的光开关，用于平衡第一臂和第二臂的相位差，第二臂对应图1中的下臂；第二臂上设有第二光学耦合器，用于组合第二臂上经过光开关处理的第二光信号。只有第一臂进行调制，第二臂的光开关仅仅用来保持两个臂初始相位平衡。每个光开关对应于两路，其中一路为延迟路，另外一路为非延迟路。图1所示的在马赫-增德尔干涉仪的单臂上设置光开关阵列，光开关的延迟路都是基于ΔL的延迟关系，其能通过N个小的光程差实现从0·ΔL到(2N-1)·ΔL的长范围移相扫描。通过N个光开关的切换组合来实现从0到(2N-1)ΔL的2N个步进，具有很小的芯片空间占用。大范围小步进的延迟范围可以实现高精度的探测。
如图2所示，光开关阵列级联在第一臂和第二臂上，第一臂上设有依次排列的N个光开关，第二臂上设有依次排列的N个光开关，第一臂上的光开关和第二臂上的光开关位置一一对应。第一臂对应图2中的下臂，第二臂对应图2中的上臂。MZI的两个臂都进行调制，两个臂的光开关上下对应为一组。第一臂上设有第三光学耦合器，用于组合第一臂上经过光开关处理的第一光信号；第二臂上设有第四光学耦合器，用于组合第二臂上经过光开关处理的第二光信号。即在马赫-增德尔干涉仪的双臂上设置光开关阵列，每个光开关对应于两路，其中一路为延迟路，另外一路为非延迟路，第一臂的延迟路是基于ΔL的延迟关系，第二臂的延迟路是基于-ΔL的延迟关系，即第二臂的延迟路为负延迟路。因此，双臂上设置有光开关的非延迟路必须具有一定的长度，以便于负延迟路有足够的空间来做延迟。第一臂的延迟路是基于ΔL的延迟关系，第二臂的延迟路是基于-ΔL的延迟关系，其能通过N个小的光程差实现从0·ΔL到(2N-1)·ΔL的长范围移相扫描。通过N个光开关的切换组合来实现从0到(2N-1)·ΔL的2N个步进，具有很小的芯片空间占用。大范围小步进的延迟范围可以实现高精度的探测。
本发明采用光开关和延迟线阵列的组合，相比于传统的直接对MZI的一个臂进行移相控制，比如热光移相、电光移相等，可以获得更大的光延迟效果，所获得的光延迟量比热光、电光造成的折射率变化造成的光延迟量要大很多。而且由于采用了特定的延迟线组合，可以获得大范围的移相扫描。
光开关为电光学切换方向耦合器。光开关的结构如图3所示，包括两个输入端口或者一个输入端口，前端连接一个耦合光学分束器，在两个臂或者一个臂上面有移相控制器，最后通过后端耦合光学分束器分成两路。
当光场从第一输入端输入时，输出光场第一输出端分别由两路光叠加组成，分别为：
其中，A为光场幅度，c为光速，λ为光波长，τ为所经过臂的延迟，φ为耦合相位改变。对于τ，可以如下表示：
其中，n为波导折射率，Δn为移相器改变的折射率。
由于经过一次耦合，光场的相位变为
由于E2光路经过两次耦合，所以φ为π。假如此时MZI两个臂相等，即L1＝L2，移相器相移为零，则：
此时，E1与E2之间的相位差为φ＝π，则此时两个走不同光路汇聚到第一输出端处的光场相干叠加，输出功率为0。
同时，此时在第二输出端处的光场为：
此时，由于E3、E4都经过一次耦合，且L1＝L2。光场在第二输出端处的光场相位一致，在此处叠加增强，有光功率输出。
对于如何进行光开关的切换，可以对其中一个臂或者两个臂进行移相控制，使得满足光场叠加在第一输出端输出，在第二输出端不输出，则就可以实现光路切换，在此不再赘述。
本发明实施例的傅里叶变换光谱仪集成在芯片上，如图4所示，包括从下到上依次设置的基底101、氧化埋层102、生长氧化层103、波导层104和包层105，波导层104用于输入波导以及排列光开关阵列，波导层内设有光栅106，光电探测器107设置在生长氧化层103内，光栅106用于将波导层经过光开关阵列延迟的光反射到光电探测器107。
在一些实施例中，傅里叶变换光谱仪集成在芯片上，包括从下到上依次设置的基底、氧化埋层、生长氧化层、波导层和包层，波导层用于输入波导以及排列光开关阵列，波导层内设有taper耦合器，光电探测器设置在生长氧化层内，taper耦合器用于将波导层经过光开关阵列延迟的光导入到光电探测器。
波导层为铌酸锂波导层或氮化硅波导层。由于铌酸锂材料具有很好的传输光谱范围、光学损耗小、电光系数高的优点，可以使得光开关实现一个宽的光谱范围的传输。由于光开关需要用到波导层材料的电光效应，所以铌酸锂薄膜的电光系数高的特性可以降低光开关的开关功耗。此外，铌酸锂材料相对于硅具有很小的热光系数，所以整个器件具有很小的热光稳定性。波导层采用氮化硅材料时，也能实现宽光谱范围的傅里叶转换光谱测量。
光电探测器采用硅或者锗制作。采用硅制作光电探测器时，可以探测可见光波段；采用锗制作光电探测器时，可以探测红外波段；能实现宽光谱范围的傅里叶转换光谱测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，包括光学分束器、马赫-增德尔干涉仪、光学耦合器和光电探测器，
所述光学分束器用于将输入光信号分配为第一光信号和第二光信号；
所述马赫-增德尔干涉仪包括第一臂、第二臂和光开关阵列，所述第一臂用于传送所述第一光信号，所述第二臂用于传送所述第二光信号，所述光开关阵列级联在第一臂和第二臂中的至少一个臂上，用于形成延迟光程差；所述光开关阵列包括N个光开关，N为正整数；所述光开关阵列的延迟光程差OL的表达式为：
其中，S(i)为光开关的开关函数，
ΔL为最小单位延迟光程；
所述光学耦合器用于将所述第一臂传送的第一光信号和所述第二臂传送的第二光信号组合成干涉信号；
所述光电探测器用于基于干涉信号的光学功率提供输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述光开关阵列级联在所述第一臂上，N个光开关依次排列在所述第一臂上；所述第一臂上设置有第一光学耦合器，用于组合第一臂上的第一光信号。
3.根据权利要求2所述的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述第二臂上设有与所述第一臂上数量相同的光开关，用于平衡所述第一臂和所述第二臂的相位差；所述第二臂上设有第二光学耦合器，用于组合第二臂上的第二光信号。
4.根据权利要求1所述的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述光开关阵列级联在所述第一臂和所述第二臂上，所述第一臂上设有依次排列的N个光开关，所述第二臂上设有依次排列的N个光开关，所述第一臂上的光开关和所述第二臂上的光开关位置一一对应。
5.根据权利要求4所述的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述第一臂上设有第三光学耦合器，用于组合第一臂上的第一光信号；所述第二臂上设有第四光学耦合器，用于组合第二臂上的第二光信号。
6.根据权利要求1所述的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述光开关为电光学切换方向耦合器。
7.根据权利要求1所述的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述傅里叶变换光谱仪集成在芯片上，包括从下到上依次设置的基底、氧化埋层、生长氧化层、波导层和包层，所述波导层用于输入波导以及排列光开关阵列，所述波导层内设有光栅，所述光电探测器设置在所述生长氧化层内，所述光栅用于将所述波导层经过所述光开关阵列延迟的光反射到光电探测器。
8.根据权利要求1所述的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述傅里叶变换光谱仪集成在芯片上，包括从下到上依次设置的基底、氧化埋层、生长氧化层、波导层和包层，所述波导层用于输入波导以及排列光开关阵列，所述波导层内设有taper耦合器，所述光电探测器设置在所述生长氧化层内，所述taper耦合器用于将波导层经过所述光开关阵列延迟的光导入到光电探测器。
9.根据权利要求7或8所述的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述波导层为铌酸锂波导层或氮化硅波导层。
10.根据权利要求7或8所述的基于片上光开关和延迟线阵列的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述光电探测器采用硅或者锗制作。
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2020
- 2020-10-27 CN CN202011166605.XA patent/CN112326027B/zh active Active
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