CN112798103A - 一种基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于布拉格光栅的定制化光谱仪。本发明包含端面耦合输入口、第一输入波导、第一级滤波通道A1、第二级滤波通道A2...第N级滤波通道AN、加热电极、第一焊盘、第二焊盘、输出波导以及输出端口。第一级滤波通道A1、第二级滤波通道A2...第N级滤波通道AN依次级联，前一级滤波通道的输出端和后一级的滤波通道的输入端之间均通过连接输入波导连接，端面耦合输入口经第一输入波导连接到第一级滤波通道A1的输入端，第N级滤波通道AN的输出端经输出波导和输出端口连接。本发明具有体积小、功耗低、传输损耗小、串扰小、分辨率高、超大带宽、系统完整、易于使用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分辨率、超大带宽的片上光谱仪，更具体的涉及一种基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪，该光谱仪是多级基于反对称布拉格光栅设计的粗滤波器和基于宽波导微环谐振腔设计的精密滤波器组成的片上光谱仪。
背景技术
光谱仪是光谱分析中不可或缺的工具。传统光谱仪有着体积庞大、成本高、设备复杂等缺点，光谱仪微型化已是大势所趋。其中，硅基光子技术具有良好的集成性能以及成熟的加工工艺，为片上光谱仪的发展提供了低成本、高集成度的解决方案。片上光谱仪将设备尺寸缩小至芯片量级，具有移植性高、功耗低、成本低等优点。片上光谱仪在生活健康、安防监测等方面有着广阔的应用前景，当集成到手机时，消费者可以随时检测食物、药品等的安全成分，也能能够分析空气质量和自身体脂信息，能极大的改善人们的生活质量。
在光谱分析中，分辨率和工作带宽时十分重要的指标，高分辨率能保证检测的精确度，大带宽则是为了适应不同的工作环境。目前，片上光谱仪主要包含色散型片上光谱仪和傅里叶变换型片上光谱仪。对于色散型片上光谱仪，主要包括刻蚀衍射光栅型硅基片上光谱仪、阵列波导光栅型硅基片上光谱仪和硅基多模波导片上光谱仪。对于刻蚀衍射光栅型硅基片上光谱仪，虽然具有光谱仪尺寸小、齿面间距小且数量多、单边输入输出等优点，但易激发高阶模且通道间串扰大。对于阵列波导光栅型硅基片上光谱仪，虽然重复性好、集成度和稳定度高，但必须需要考虑损耗和通道间串扰。而对于硅基多模波导片上光谱仪，目前还处于研究阶段。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪，从而实现高分辨率、超大带宽、低串扰、低损耗、低功耗的片上光谱测试。
本发明所采用的技术方案是：
本发明包含端面耦合输入口、第一输入波导、第一级滤波通道A1、第二级滤波通道A2…第N级滤波通道AN、加热电极、第一焊盘、第二焊盘、输出波导以及输出端口；其余各级滤波通道A2、A3…AN结构与第一级滤波通道A1一致。
第一级滤波通道A1、第二级滤波通道A2…第N级滤波通道AN依次级联，前一级滤波通道的输出端和后一级的滤波通道的输入端之间均通过连接输入波导连接，端面耦合输入口经第一输入波导连接到第一级滤波通道A1的输入端，第N级滤波通道AN的输出端经输出波导和输出端口连接。
加热电极覆盖在第一级滤波通道A1～第N级滤波通道AN的宽波导微环谐振腔中，并依次串联。加热电极的两端分别电连接第一焊盘和第二焊盘，第一焊盘和第二焊盘分别连接到外部的电压源的两极。
所述的第一级滤波通道A1包括第一级高阶模滤波器、第一连接波导、第一级粗滤波器、第二连接波导、第一级精密滤波器、第三连接波导、第四连接波导、第五连接波导、第一探测器、第一测试端口和第二测试端口。
第一级高阶模滤波器的输入端作为第一级滤波通道A1的输入端，第一级高阶模滤波器的输出端经第一连接波导和第一级粗滤波器的输入端连接。
第一级粗滤波器的一个输出端作为第一级滤波通道A1的输出端，第一级粗滤波器的另一个输出端经第二连接波导连接到第一级精密滤波器的第一传输端，第一级精密滤波器的第一传输端经第三连接波导和第一测试端口连接，第一级精密滤波器的第三传输端经第四连接波导和第一探测器连接，第一级精密滤波器的第四传输端经第五连接波导和第二测试端口连接。
所述的第一级高阶模滤波器采用弯曲波导结构，具体主要由依次连接的第一90°弯曲波导、180°弯曲波导和第二90°弯曲波导构成，180°弯曲波导两端分别连接在第一90°弯曲波导、第二90°弯曲波导，未与180°弯曲波导连接的第一90°弯曲波导一端作为第一级高阶模滤波器的输入端并和第一输入波导连接，未与180°弯曲波导连接的第二90°弯曲波导一端作为第一级高阶模滤波器的输出端并和第一连接波导连接；各级滤波通道的各级高阶模滤波器能有效消除相应级输入光中的高阶模，降低各通道间的串扰，保证光的低损耗传输，利于实现低串扰的光谱测试。
所述的第一级粗滤波器包括第一渐变波导、第二渐变波导、第三渐变波导、第一模式解复用器和第一反对称布拉格光栅；第一渐变波导和第一模式解复用器一侧的输入端连接，第一模式解复用器另一侧的输出端经第二渐变波导和第一反对称布拉格光栅的一端连接，第一反对称布拉格光栅的另一端经第三渐变波导输出作为滤波通道的输出端，第一模式解复用器一侧的输出端和第二连接波导连接，第一模式解复用器另一侧的输入端空置。
所述的第一模式解复用器包括输入多模光波导、演化区宽锥形光波导、输出多模波导、前S型弯曲光波导、演化区窄锥形光波导和后S型弯曲光波导；输入多模光波导的一端作为第一模式解复用器一侧的输入端，输入多模光波导的另一端经演化区宽锥形光波导和输出多模波导的一端连接，输出多模波导的另一端作为第一模式解复用器另一侧的输出端，前S型弯曲光波导的一端经演化区窄锥形光波导和后S型弯曲光波导的一端连接，前S型弯曲光波导的另一端作为第一模式解复用器另一侧的输入端空置，后S型弯曲光波导的另一端作为第一模式解复用器一侧的输出端；前S型弯曲光波导位于输出多模波导旁并耦合连接，演化区窄锥形光波导位于演化区宽锥形光波导旁并耦合连接，后S型弯曲光波导位于输入多模光波导旁并耦合连接。
所述的第二连接波导包括依次连接的第一单模波导、第一锥形波导、第三90°弯曲波导、第二单模波导、第四90°弯曲波导、第三单模波导和第二锥形波导；第一单模波导的一端作为第二连接波导的输入端，第一单模波导的另一端依次经第一锥形波导、第三90°弯曲波导、第二单模波导、第四90°弯曲波导、第三单模波导和第二锥形波导的一端连接，第二锥形波导的另一端作为第二连接波导的输出端。
所述的第一级精密滤波器包括第一级输入/输出弯曲耦合波导、第一级宽波导微环谐振腔、第一级输出/输入弯曲耦合波导；第一级输入/输出弯曲耦合波导和第一级输出/输入弯曲耦合波导分别位于第一级宽波导微环谐振腔的两侧旁并耦合，第一级输入/输出弯曲耦合波导的两端分别作为第一级精密滤波器的第一传输端和第二传输端，第一级输出/输入弯曲耦合波导的两端分别作为第一级精密滤波器的第三传输端和第四传输端，作为第一级精密滤波器第一传输端的第一级输入/输出弯曲耦合波导的一端和作为第一级精密滤波器第三传输端的第一级输出/输入弯曲耦合波导的一端位于同一侧。
所述的第三连接波导包括第三锥形波导、第四单模波导、第五90°弯曲波导、第五单模波导、第六90°弯曲波导和第六单模波导；第三锥形波导的一端作为第三连接波导的输入端，第三锥形波导的另一端依次经第四单模波导、第五90°弯曲波导、第五单模波导、第六90°弯曲波导后和第六单模波导的一端连接，第六单模波导的另一端作为第三连接波导的输出端；第三连接波导的输出端和第一测试端口连接。
所述的第四连接波导包括第四锥形波导、第七单模波导、第七90°弯曲波导和第八单模波导；第四锥形波导的一端作为第四连接波导的输入端，第四锥形波导的另一端依次经第七单模波导、第七90°弯曲波导后和第八单模波导的一端连接，第八单模波导的另一端作为第四连接波导的输出端。
所述的第五连接波导包括第九单模波导、第八90°弯曲波导、第十单模波导、第九90°弯曲波导、第十一单模波导和第五锥形波导；第五锥形波导的一端作为第四连接波导的输入端，第五锥形波导的另一端依次经第十一单模波导、第九90°弯曲波导、第十单模波导、第八90°弯曲波导后和第九单模波导的一端连接，第九单模波导的另一端作为第四连接波导的输出端。
所述的滤波通道A1、A2…AN中的各级粗滤波器均采用反对称布拉格光栅设计结构。通过优化设计各级布拉格光栅的参数得到不同工作带宽、有效工作范围和工作波段的粗滤波器。
各级布拉格光栅沿滤波通道级联方向横向排列，采用级联结构，级联的通道数目根据带宽需求而设计，灵活性高。通过增加滤波通道数目能够大大扩展光谱仪的工作带宽。
所述的滤波通道A1、A2…AN具有波段选择特征，根据测试波段的需求选择独立的滤波通道A1或A2…或AN，当测试波段范围超过某一独立滤波通道波段范围时，也可以组合使用多级滤波通道以拓展系统的工作带宽，能实现超大带宽范围的光谱测试，满足特殊定制化的要求。系统的灵活性高，实用性好。
所述的滤波通道A1、A2…AN中的各级粗滤波器均包括对应级数的模式解复用器，各级模式解复用器将经过对应级数的反对称布拉格光栅的高阶模反射光抑制掉，确保了输入光以低阶模式传输。
所述的加热电极经过特殊设计，串联每级滤波通道，使得加热一次便可完成所有滤波通道的光谱测试，使得系统的功耗降低。加热电极经过每级滤波通道的宽波导微环谐振腔时，在宽波导微环谐振腔上面设置环形电极，加热电极在环形电极处分隔，并和环形电极对称的两侧连接。
所述的端面耦合输入口采用端面耦合的方式，可以满足超大带宽范围的波长输入需求。
滤波通道A1、A2…AN中的所有探测器构成探测器阵列，外接采集设备，方便提高系统的完整性，实现即插即用。
本发明包含多级滤波通道，每级滤波通道采用先粗滤波后精密滤波的设计方案，各级滤波通道之间通过单模输入波导设计为级联结构。对于每个滤波通道，各通道的粗滤波器采用布拉格光栅结构设计方案，为解决经布拉格光栅反射回来的高阶模，本发明在各级粗滤波器中加入模式解复用器，从而将高阶模式的反射光转化为低阶模式。同时在各级输入波导后加入高阶模过滤器，以消除上级滤波通道中输入光经布拉格光栅后高阶模反射不完全带来的影响。优化各级布拉格光栅的参数，可以在各级滤波通道设计出工作在不同波长范围内的粗滤波器，实现定制化要求。
本发明的各级精密滤波器设计为宽波导微环谐振腔结构，光经过宽波导微环的输入输出均采用弯曲耦合的方式，以抑制高阶模的激发。
本发明滤波采用多级粗滤波加精密滤波的结构，各级粗滤波器中的布拉格光栅可以分别设计，得到工作在不同波段范围内的粗滤波器。由于粗滤波器的有效工作范围可以设计到很大，故在1.1um～4um内可以扩展粗滤波器的数量，实现超大带宽的光谱仪。在测试使用时，任意选择一个或多个粗滤波器，便在相应波段内测试光谱信息，实现定制化的要求。
本发明的电极结构经过特殊设计，串联每个滤波通道，这样经过一次加热扫描，便能得到所有通道的测试数据。
本发明具有的有益效果是：
本发明设计了多级基于布拉格光栅的粗滤波器，各级滤波器采用级联结构，易于扩展，能实现超大带宽范围的光谱检测。优化布拉格光栅的各项参数，各级粗滤波器都能设定到特定的工作波段范围。当测试时，对于测试波段，只需选择该波长范围内对应的特定的一个或多个滤波通道，便能完成光谱分析，无需关注其余通道，具有定制化效果。当测试波段范围较大时，可以选择性组合多个滤波通道，拓展了系统的工作带宽，灵活性高。基于布拉格光栅的粗滤波器的级联数目可以根据需求设计，能在超大带宽范围内合理安排滤波通道数。通道数越多，光谱仪的定制化程度越高。
本发明的各级粗滤波器包括相应级数的模式复用器，输入光经过布拉格光栅反射回来的高阶模在模式解复用器中被转化为低阶模，确保光以低阶模式传输。在各级输入波导后还连接了相应级数的高阶模滤波器，高阶模滤波器的加入有效消除前级高阶模反射不完全带来的影响，保证光在各级滤波通道间的低损耗、低串扰传输。
本发明的精密滤波器采用宽波导微环谐振腔结构，能有效降低波导传输损耗，并且宽波导微环谐振腔的输入输出采用弯曲耦合的方式，避免高阶模的激发，滤波效果提升。
本发明只需加热一次电极，便能完成测试、得到所有的光谱数据，系统的可靠性高，功耗低。
本发明的光谱仪集成了探测器阵列，系统完整，工作稳定，有利于实现即插即用。
总述，本发明具有分辨率高、超大带宽、功耗低、传输损耗小、串扰小、系统完整、易于使用等优点。
附图说明
图1是基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪的结构示意图；
图2是滤波通道A1的示意图；
图3是粗滤波器的示意图；
图4是滤波通道A1的粗滤波仿真结果图；
图5是滤波通道A2、A3组合在一起时的粗滤波仿真结果图；
图6是滤波通道A4的粗滤波仿真结果图；
图7是滤波通道A1的精密滤波仿真结果图；
图8是滤波通道A2的精密滤波仿真结果图；
图9是滤波通道A3的精密滤波仿真结果图。
图中：A1为第一级滤波通道、1为端面耦合输入口、2为第一输入波导、3为第一90°弯曲波导、4为180°弯曲波导、5为第二90°弯曲波导、19为第三90°弯曲波导、21为第四90°弯曲波导、27为第五90°弯曲波导、29为第六90°弯曲波导、36为第七90°弯曲波导、41为第八90°弯曲波导、43为第九90°弯曲波导、6为第一连接波导、7为第一渐变波导、11为第二渐变波导、13为第三渐变波导、8为输入多模光波导、9为演化区宽锥形光波导、10为输出多模波导、14为前S型弯曲光波导、15为演化区窄锥形光波导、16为后S型弯曲光波导、12为第一反对称布拉格光栅、17为第一单模波导、20为第二单模波导、22为第三单模波导、26为第四单模波导、28为第五单模波导、30为第六单模波导、35为第七单模波导、37为第八单模波导、40为第九单模波导、42为第十单模波导、44为第十一单模波导、18为第一锥形波导、23为第二锥形波导、25为第三锥形波导、34为第四锥形波导、45为第五锥形波导、24为第一级输入/输出弯曲耦合波导、33为第一级输出/输入弯曲耦合波导、32为第一级宽波导微环谐振腔、38为第一探测器、31为第一测试端口、39为第二测试端口、46为连接输入波导、47为电极、48为第一焊盘、49为第二焊盘、50为输出波导、51为输出端口；
对于其余A2、A3…AN通道结构类似，不具体阐述。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包含端面耦合输入口1、第一输入波导2、第一级滤波通道A1、第二级滤波通道A2…第N级滤波通道AN、加热电极47、第一焊盘48、第二焊盘49、输出波导50以及输出端口51；其余各级滤波通道A2、A3…AN结构与第一级滤波通道A1一致。
如图1所示，第一级滤波通道A1、第二级滤波通道A2…第N级滤波通道AN依次级联，前一级滤波通道的输出端和后一级的滤波通道的输入端之间均通过连接输入波导46连接，端面耦合输入口1经第一输入波导2连接到第一级滤波通道A1的输入端，第N级滤波通道AN的输出端经输出波导50和输出端口51连接。
加热电极47覆盖在第一级滤波通道A1～第N级滤波通道AN的宽波导微环谐振腔中，并依次串联。加热电极47的两端分别电连接第一焊盘48和第二焊盘49，第一焊盘48和第二焊盘49分别连接到外部的电压源的两极。
不同的滤波通道A1、A2…AN可以单独测试，也可以结合在一起测试。通过滤波通道内部的第一探测器38的是否探测控制滤波通道的是否测试工作。
不同的滤波通道对应不同的波段，针对不同波段进行测试。具体实施中，不同的滤波通道内的宽波导微环谐振腔32和布拉格光栅12的尺寸不同进而调控在不同的波段进行工作。
如图2所示，第一级滤波通道A1包括第一级高阶模滤波器、第一连接波导6、第一级粗滤波器、第二连接波导、第一级精密滤波器、第三连接波导、第四连接波导、第五连接波导、第一探测器38、第一测试端口31和第二测试端口39。
第一级高阶模滤波器的输入端作为第一级滤波通道A1的输入端，第一级高阶模滤波器的输出端经第一连接波导6和第一级粗滤波器的输入端连接。
第一级粗滤波器的一个输出端作为第一级滤波通道A1的输出端，第一级粗滤波器的另一个输出端经第二连接波导连接到第一级精密滤波器的第一传输端，第一级精密滤波器的第二传输端经第三连接波导和第一测试端口31连接，第一级精密滤波器的第三传输端经第四连接波导和第一探测器38连接，第一级精密滤波器的第四传输端经第五连接波导和第二测试端口39连接。
第一级高阶模滤波器采用弯曲波导结构，具体主要由依次连接的第一90°弯曲波导3、180°弯曲波导4和第二90°弯曲波导5构成，180°弯曲波导4两端分别连接在第一90°弯曲波导3、第二90°弯曲波导5，未与180°弯曲波导4连接的第一90°弯曲波导3一端作为第一级高阶模滤波器的输入端并和第一输入波导2连接，未与180°弯曲波导4连接的第二90°弯曲波导5一端作为第一级高阶模滤波器的输出端并和第一连接波导6连接；各级滤波通道的各级高阶模滤波器能有效消除相应级输入光中的高阶模，降低各通道间的串扰，保证光的低损耗传输，利于实现低串扰的光谱测试。
如图3所示，第一级粗滤波器包括第一渐变波导7、第二渐变波导11、第三渐变波导13、第一模式解复用器和第一反对称布拉格光栅12；第一渐变波导7和第一模式解复用器一侧的输入端连接，第一模式解复用器另一侧的输出端经第二渐变波导11和第一反对称布拉格光栅12的一端连接，第一反对称布拉格光栅12另一端经第三渐变波导13输出作为滤波通道的输出端，第一模式解复用器一侧的输出端和第二连接波导连接，第一模式解复用器另一侧的输入端空置。
如图3所示，第一模式解复用器包括输入多模光波导8、演化区宽锥形光波导9、输出多模波导10、前S型弯曲光波导14、演化区窄锥形光波导15和后S型弯曲光波导16；输入多模光波导8的一端作为第一模式解复用器一侧的输入端，输入多模光波导8的另一端经演化区宽锥形光波导9和输出多模波导10的一端连接，输出多模波导10的另一端作为第一模式解复用器另一侧的输出端，前S型弯曲光波导14的一端经演化区窄锥形光波导15和后S型弯曲光波导16的一端连接，前S型弯曲光波导14的另一端作为第一模式解复用器另一侧的输入端空置，后S型弯曲光波导16的另一端作为第一模式解复用器一侧的输出端；前S型弯曲光波导14位于输出多模波导10旁并耦合连接，演化区窄锥形光波导15位于演化区宽锥形光波导9旁并耦合连接，后S型弯曲光波导16位于输入多模光波导8旁并耦合连接。
如图2所示，第二连接波导包括依次连接的第一单模波导17、第一锥形波导18、第三90°弯曲波导19、第二单模波导20、第四90°弯曲波导21、第三单模波导22和第二锥形波导23；第一单模波导17的一端作为第二连接波导的输入端，第一单模波导17的另一端依次经第一锥形波导18、第三90°弯曲波导19、第二单模波导20、第四90°弯曲波导21、第三单模波导22和第二锥形波导23的一端连接，第二锥形波导23的另一端作为第二连接波导的输出端。
第一级精密滤波器包括第一级输入/输出弯曲耦合波导24、第一级宽波导微环谐振腔32、第一级输出/输入弯曲耦合波导33；第一级输入/输出弯曲耦合波导24和第一级输出/输入弯曲耦合波导33分别位于第一级宽波导微环谐振腔32的两侧旁并耦合，第一级输入/输出弯曲耦合波导24的两端分别作为第一级精密滤波器的第一传输端和第二传输端，第一级输出/输入弯曲耦合波导33的两端分别作为第一级精密滤波器的第三传输端和第四传输端，作为第一级精密滤波器第一传输端的第一级输入/输出弯曲耦合波导24的一端和作为第一级精密滤波器第三传输端的第一级输出/输入弯曲耦合波导33的一端位于同一侧。
如图2所示，第三连接波导包括第三锥形波导25、第四单模波导26、第五90°弯曲波导27、第五单模波导28、第六90°弯曲波导29和第六单模波导30；第三锥形波导25的一端作为第三连接波导的输入端，第三锥形波导25的另一端依次经第四单模波导26、第五90°弯曲波导27、第五单模波导28、第六90°弯曲波导29后和第六单模波导30的一端连接，第六单模波导30的另一端作为第三连接波导的输出端；第三连接波导的输出端和第一测试端口31连接。
精密滤波器中的宽波导微环谐振腔能够有效降低传输损耗，同时设计了弯曲耦合波导，能够有效避免高阶模的激发，保证了片上光谱仪的高分辨率。各滤波通道采用精密滤波和粗滤波结合的方式，先经过粗滤波后精密滤波，系统的可靠性高。
如图2所示，第四连接波导包括第四锥形波导34、第七单模波导35、第七90°弯曲波导36和第八单模波导37；第四锥形波导34的一端作为第四连接波导的输入端，第四锥形波导34的另一端依次经第七单模波导35、第七90°弯曲波导36后和第八单模波导37的一端连接，第八单模波导37的另一端作为第四连接波导的输出端。
第五连接波导包括第九单模波导40、第八90°弯曲波导41、第十单模波导42、第九90°弯曲波导43、第十一单模波导44和第五锥形波导45；第五锥形波导45的一端作为第四连接波导的输入端，第五锥形波导45的另一端依次经第十一单模波导44、第九90°弯曲波导43、第十单模波导42、第八90°弯曲波导41后和第九单模波导40的一端连接，第九单模波导40的另一端作为第四连接波导的输出端。
滤波通道A1、A2…AN中的各级粗滤波器均采用反对称布拉格光栅设计结构。通过优化设计各级布拉格光栅的参数得到不同工作带宽、有效工作范围和工作波段的粗滤波器。
各级布拉格光栅沿滤波通道级联方向横向排列，采用级联结构，级联的通道数目根据带宽需求而设计，灵活性高。通过增加滤波通道数目能够大大扩展光谱仪的工作带宽。
滤波通道A1、A2…AN具有波段选择特征，根据测试波段的需求选择独立的滤波通道A1或A2…或AN，满足特殊定制化的要求。当测试波段范围超过某一独立滤波通道波段范围时，也可以组合使用多级滤波通道以拓展系统的工作带宽，能实现超大带宽范围的光谱测试。系统的灵活性高，实用性好。
滤波通道A1、A2…AN中的各级粗滤波器均包括对应级数的模式解复用器，各级模式解复用器将经过对应级数的反对称布拉格光栅的高阶模反射光抑制掉，确保了输入光以低阶模式传输。
具体实施中，加热电极47经过特殊设计，串联每级滤波通道，使得加热一次便可完成所有滤波通道的光谱测试，使得系统的功耗降低。加热电极47经过每级滤波通道的宽波导微环谐振腔32时，在宽波导微环谐振腔32上面设置环形电极，加热电极47在环形电极处分隔，并和环形电极对称的两侧连接。
端面耦合输入口1采用端面耦合的方式，可以满足超大带宽范围的波长输入需求。
滤波通道A1、A2…AN中的所有探测器构成探测器阵列，外接采集设备，方便提高系统的完整性，实现即插即用。
下面说明本发明作为基于布拉格光栅的定制化光谱仪的工作过程：
在光谱测试分析前，本发明需要先对各滤波通道A1、A2…AN的工作电压范围进行标定。对于第一级滤波通道A1，光从端面耦合输入口1输入，经过第一级输入波导2、第一级高阶模滤波器，第一级高阶模滤波器将输入光中的高阶模抑制掉，以确保光以低阶模式传输。输入光接着经过第一连接波导6后进入第一渐变波导7、第一模式解复用器的输入多模光波导8、第一模式解复用器的演化区宽锥形光波导9、第一模式解复用器的输出多模波导10、第二渐变波导11、第一反对称布拉格光栅12。从第一反对称布拉格光栅12反射回来的高阶模进入第一级模式解复用器后，高阶模转换为基模，从而将基模下载下来，这样经过第一反对称布拉格光栅12粗滤波反射回来的光波便不包含高阶模，实现了低损耗、低串扰、高精度的粗滤波过程。经过第一反对称布拉格光栅12反射回来的光经过第一级模式解复用器后，通过第二连接波导进入第一级精密滤波器。由于第一级精密滤波器中的第一级宽波导微环谐振腔32采用了宽波导结构，故光在微环谐振过程中易于激发高阶模，而第一级输入/输出弯曲耦合波导24、第一级输出/输入弯曲耦合波导33的加入能有效保证高阶模不被激发出来。输入光经过锥形波导23后，一部分输入光通过第一级输入/输出弯曲耦合波导24耦合进入第一级宽波导微环谐振腔32。光波在第一级宽波导微环谐振腔32中谐振，完成精密滤波。另一部分输入光未被耦合进入第一级宽波导微环谐振腔32，经过锥形波导25、单模波导26、90°弯曲波导27、单模波导28、90°弯曲波导29、单模波导30后到达第一测试端口31。给焊盘48、焊盘49加电压，在加热的状态下，依据所加温度的不同，输入光经第一级精密滤波器32产生的谐振峰会发生相应的位移。第一测试端口31外接采集设备，观察谐振峰在第一级粗滤波通道工作带宽范围内的漂移，此时给焊盘所加的电压范围就是第一级滤波通道A的标定电压范围。第一级粗滤波通道指的是输入光经过第一级粗滤波器后形成的波形。
对于第二级滤波通道A2的电压标定，输入光从端面耦合输入口1输入，经由第一级输入波导2、第一级高阶模滤波器、第一连接波导6、第一渐变波导7、第一模式解复用器的输入多模光波导8、第一模式解复用器的演化区宽锥形光波导9、第一模式解复用器的输出多模波导10、第二渐变波导11后进入第一反对称布拉格光栅12，其中经第一反对称布拉格光栅12反射回去的光实现第一级粗滤波，而不满足布拉格反射条件的光则透射出来，经过直波导46后进入第二级滤波通道A2，形成第二级滤波通道A2的输入光。后续标定过程与第一级滤波通道A1类似，不再赘述。依次标定滤波通道A1、A2…AN的加热电压，便得到光谱测试所需的所有滤波通道的标定电压范围。
完成标定后，便可测试分析，下面阐述光谱测试的工作过程。对于第一级滤波通道A1，光从端面耦合输入口1输入，经过第一级输入波导2、第一级高阶模滤波器，再经过直波导6、第一连接波导6、第一渐变波导7、第一模式解复用器的输入多模光波导8、第一模式解复用器的演化区宽锥形光波导9、第一模式解复用器的输出多模波导10、第二渐变波导11后，进入第一反对称布拉格光栅12。输入光经过布拉格光栅后，反射回来的高阶模耦合进入第一模式解复用器的前S型弯曲光波导14、第一模式解复用器的演化区窄锥形光波导15、第一模式解复用器的后S型弯曲光波导16，将高阶模转化为基模，完成粗滤波。经过粗滤波后的输入光经过单模波导17、锥形波导18后，进入90°弯曲波导19、直波导20、90°弯曲波导21、单模波导22、锥形波导23后，经第一级输入/输出弯曲耦合波导24后耦合进入第一级宽波导微环谐振腔32。光波在第一级宽波导微环谐振腔32中振荡后经第一级输出/输入弯曲耦合波导33耦合输出，由此完成了粗滤波后的精密滤波。耦合输出的光经过锥形波导34、单模波导35、90°弯曲波导36、单模波导37后，被第一探测器38接收，探测器38外接采集设备。
对于第二级滤波通道A2，输入光从端面耦合输入口1输入，经由第一级输入波导2、第一级高阶模滤波器，再经过直波导6、第一连接波导6、第一渐变波导7、第一模式解复用器的输入多模光波导8、第一模式解复用器的演化区宽锥形光波导9、第一模式解复用器的输出多模波导10、第二渐变波导11后，进入第一反对称布拉格光栅12。其中经第一反对称布拉格光栅12反射回去的光实现第一级粗滤波，而不满足布拉格反射条件的光则透射出来，经过直波导46后进入第二级滤波通道A2，形成第二级滤波通道A2的输入光。后续工作过程与第一级滤波通道A1一致，不再赘述。后级滤波通道A3、A4…AN的工作过程与第一级滤波通道A1、第二级滤波通道A2一致，也不再赘述。
值得一提的是，在标定电压范围内，对焊盘48、焊盘49扫描一次电压值，探测器阵列接收数据，便得到所有滤波通道A1、A2…AN的光谱信息。
为检测精密滤波器的输出特性，当输入光从第二测试端口39进入时，经过第五连接波导后通过第一级输出/输入弯曲耦合波导33耦合进入宽波导微环谐振腔32，在微环里谐振后通过第一级输入/输出弯曲耦合波导24耦合输出，经过第三连接波导，在第一测试端口31便可观察到精密滤波器输出滤波特性。
本发明实施例如下：
选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料均为SiO2，厚度为2μm、折射率为1.4404；上包层材料均为SiO2，厚度为1μm、折射率为1.4404；加热电极的金属材料选用钛金。
滤波通道数选择N＝4。具体实施的光栅均采用反对称布拉格光栅结构。第一级滤波通道A1的布拉格光栅的总长度为100μm、光栅齿深度为160nm、光栅周期为259nm,占空比为0.5，上下光栅之间的宽度为800nm，设计的第一级粗滤波器的工作波段范围1298nm～1312nm。第二级滤波通道A2的布拉格光栅的总长度为100μm、光栅齿深度为205nm、光栅周期为320.5nm,占空比为0.5，上下光栅之间的宽度为1100nm，设计的第二级粗滤波器的工作波段范围1564nm～1574nm。第三级滤波通道A3的布拉格光栅的总长度为100μm、光栅齿深度为205nm、光栅周期为323.6nm，占空比0.5，上下光栅之间的宽度为1100nm，设计的第三级粗滤波器的工作波段范围1574nm～1584nm。第四级滤波通道A4的布拉格光栅的总长度为100μm、光栅齿深度为200nm、光栅周期为446nm，占空比0.5，上下光栅之间的宽度为1200nm，设计的第四级粗滤波器的工作波段范围为1912nm～1922nm。
第一、二、三、四级宽波导微环谐振腔的环形宽度分别为：530nm、730nm、730nm、880nm，内环直径分别为9.5μm、12.6μm、12.6μm、19.1μm；
对于第一级滤波通道A1，其中90°弯曲波导3/5/19/21/27/36和180°弯曲波导4的半径10μm、宽度320nm。第一连接波导6的长度10μm、宽度320nm，第一渐变波导7的长度10μm、窄波导宽度320nm、宽波导宽度430nm。第一模式解复用器的输入多模光波导8的长度12μm、宽度430nm。第一模式解复用器的演化区宽锥形光波导9的长度46μm、窄波导宽度430nm、宽波导宽度530nm。第一模式解复用器的输出多模波导10的长度10um、宽度530nm。第二渐变光波导11的长度15μm、窄波导宽度530nm、宽波导宽度830nm。第三渐变光波导13的长度15μm、窄波导宽度320nm、宽波导宽度830nm。第一模式解复用器的演化区窄锥形光波导15的长度46μm、窄波导宽度180nm、宽波导宽度230nm，在46μm的长度范围内，与演化区宽锥形光波导的间距保持为200nm。第一模式解复用器的前S型弯曲光波导14横向长度10μm、与上光波导的最大间隔为1.2μm。第一模式解复用器的后S型弯曲光波导16横向长度12um、与上光波导的最大间隔为1.2μm。单模波导17的长度3μm、宽度230nm；锥形波导18的长度5μm、窄波导宽度230nm、宽波导宽度320nm；单模波导22的长度100μm、宽度320nm；锥形波导23/25/34/45的长度10μm、窄波导宽度308nm、宽波导宽度320nm；第一级输入/输出弯曲耦合波导24/33的横向长度为12.3μm、与第一级宽波导微环谐振腔32的间距保持为225nm。
设计中包含四个滤波通道，可以测试四个不同波段范围内的光谱信息。四个滤波通道A1、A2、A3、A4既可以独立使用，也能够组合使用。当选择使用A1通道时，是对1298nm～1312nm波段范围内的测试；当选择使用A2通道时，是对1564nm～1574nm波段范围内的测试；当选择使用A3通道时，是对1574nm～1584nm波段范围内的测试；当选择使用A4通道时，是对1912nm～1922nm波段范围内的测试；通道也可组合在一起测试，对A2、A3通道同时探测时，工作波段为1564nm～1584nm，相比于单独探测A2或A3通道，工作带宽得以拓展。当A1、A2、A3、A4四个滤波通道同时使用时，实现了超大带宽范围的光谱探测。由此可见，本光谱仪的设计灵活性高、既能满足超大带宽的探测要求，也能满足特定波段范围的定制化要求，具有很好的实用性。
在MATLAB软件里采用传输矩阵法仿真第一、二、三、四级宽波导微环谐振腔的输出光谱特性。每级输入光乘以耦合系数矩阵后进入宽波导微环谐振腔，乘以包含光谱频率和相位信息的传输矩阵，输出时再乘以输出耦合系数矩阵，便得到各级的输出光谱数据。对于A1、A2、A3、A4滤波通道，宽波导微环谐振腔的精密滤波特性分别如图7-图9所示。
在仿真软件Lumerical 3D-FDTD中对四个通道的粗滤波特性进行了仿真。即对A1、A2、A3、A4滤波通道中从各级布拉格光栅反射回来，经过各级模式解复用器后转化为基模后完成粗滤波的光谱进行了仿真。仿真结果如图4-图6所示，图4为滤波通道A1的粗滤波特性，可以看到其滤波范围为1298nm～1312nm；图5为滤波通道A2和A3组合使用时的滤波效果，可以看到滤波通道A2的滤波波段为1564nm～1574nm，滤波通道A3的滤波波段为1574nm～1584nm，组合在一起时扩大滤波范围到1564nm～1584nm；图6是滤波通道A4的粗滤波特性，滤波范围是1912nm～1922nm。
Claims (7)
1.一种基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪，其特征在于：
包含端面耦合输入口(1)、第一输入波导(2)、第一级滤波通道A1、第二级滤波通道A2…第N级滤波通道AN、加热电极(47)、第一焊盘(48)、第二焊盘(49)、输出波导(50)以及输出端口(51)；
第一级滤波通道A1、第二级滤波通道A2…第N级滤波通道AN依次级联，前一级滤波通道的输出端和后一级的滤波通道的输入端之间均通过连接输入波导(46)连接，端面耦合输入口(1)经第一输入波导(2)连接到第一级滤波通道A1的输入端，第N级滤波通道AN的输出端经输出波导(50)和输出端口(51)连接；
加热电极(47)覆盖在第一级滤波通道A1～第N级滤波通道AN的宽波导微环谐振腔中，并依次串联，加热电极(47)的两端分别电连接第一焊盘(48)和第二焊盘(49)，第一焊盘(48)和第二焊盘(49)分别连接到外部的电压源的两极。
2.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪，其特征在于：
所述的第一级滤波通道A1包括第一级高阶模滤波器、第一连接波导(6)、第一级粗滤波器、第二连接波导、第一级精密滤波器、第三连接波导、第四连接波导、第五连接波导、第一探测器(38)、第一测试端口(31)和第二测试端口(39)；第一级高阶模滤波器的输入端作为第一级滤波通道A1的输入端，第一级高阶模滤波器的输出端经第一连接波导(6)和第一级粗滤波器的输入端连接；第一级粗滤波器的一个输出端作为第一级滤波通道A1的输出端，第一级粗滤波器的另一个输出端经第二连接波导连接到第一级精密滤波器的第一传输端，第一级精密滤波器的第二传输端经第三连接波导和第一测试端口(31)连接，第一级精密滤波器的第三传输端经第四连接波导和第一探测器(38)连接，第一级精密滤波器的第四传输端经第五连接波导和第二测试端口(39)连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪，其特征在于：所述的第一级高阶模滤波器采用弯曲波导结构，具体主要由依次连接的第一90°弯曲波导(3)、180°弯曲波导(4)和第二90°弯曲波导(5)构成，未与180°弯曲波导(4)连接的第一90°弯曲波导(3)一端作为第一级高阶模滤波器的输入端并和第一输入波导(2)连接，未与180°弯曲波导(4)连接的第二90°弯曲波导(5)一端作为第一级高阶模滤波器的输出端并和第一连接波导(6)连接；
所述的第一级粗滤波器包括第一渐变波导(7)、第二渐变波导(11)、第三渐变波导(13)、第一模式解复用器和第一反对称布拉格光栅(12)；第一渐变波导(7)和第一模式解复用器一侧的输入端连接，第一模式解复用器另一侧的输出端经第二渐变波导(11)和第一反对称布拉格光栅(12)的一端连接，第一反对称布拉格光栅(12)的另一端经第三渐变波导(13)输出作为滤波通道的输出端，第一模式解复用器一侧的输出端和第二连接波导连接；
所述的第一模式解复用器包括输入多模光波导(8)、演化区宽锥形光波导(9)、输出多模波导(10)、前S型弯曲光波导(14)、演化区窄锥形光波导(15)和后S型弯曲光波导(16)；输入多模光波导(8)的一端作为第一模式解复用器一侧的输入端，输入多模光波导(8)的另一端经演化区宽锥形光波导(9)和输出多模波导(10)的一端连接，输出多模波导(10)的另一端作为第一模式解复用器另一侧的输出端，前S型弯曲光波导(14)的一端经演化区窄锥形光波导(15)和后S型弯曲光波导(16)的一端连接，后S型弯曲光波导(16)的另一端作为第一模式解复用器一侧的输出端；前S型弯曲光波导(14)位于输出多模波导(10)旁并耦合连接，演化区窄锥形光波导(15)位于演化区宽锥形光波导(9)旁并耦合连接，后S型弯曲光波导(16)位于输入多模光波导(8)旁并耦合连接；
所述的第二连接波导包括依次连接的第一单模波导(17)、第一锥形波导(18)、第三90°弯曲波导(19)、第二单模波导(20)、第四90°弯曲波导(21)、第三单模波导(22)和第二锥形波导(23)；第一单模波导(17)的一端作为第二连接波导的输入端，第一单模波导(17)的另一端依次经第一锥形波导(18)、第三90°弯曲波导(19)、第二单模波导(20)、第四90°弯曲波导(21)、第三单模波导(22)和第二锥形波导(23)的一端连接，第二锥形波导(23)的另一端作为第二连接波导的输出端；
所述的第一级精密滤波器包括第一级输入/输出弯曲耦合波导(24)、第一级宽波导微环谐振腔(32)、第一级输出/输入弯曲耦合波导(33)；第一级输入/输出弯曲耦合波导(24)和第一级输出/输入弯曲耦合波导(33)分别位于第一级宽波导微环谐振腔(32)的两侧旁并耦合，第一级输入/输出弯曲耦合波导(24)的两端分别作为第一级精密滤波器的第一传输端和第二传输端，第一级输出/输入弯曲耦合波导(33)的两端分别作为第一级精密滤波器的第三传输端和第四传输端。
4.根据权利要求2所述的一种基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪，其特征在于：
所述的第三连接波导包括第三锥形波导(25)、第四单模波导(26)、第五90°弯曲波导(27)、第五单模波导(28)、第六90°弯曲波导(29)和第六单模波导(30)；第三锥形波导(25)的一端作为第三连接波导的输入端，第三锥形波导(25)的另一端依次经第四单模波导(26)、第五90°弯曲波导(27)、第五单模波导(28)、第六90°弯曲波导(29)后和第六单模波导(30)的一端连接，第六单模波导(30)的另一端作为第三连接波导的输出端。
5.根据权利要求2所述的一种基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪，其特征在于：
所述的第四连接波导包括第四锥形波导(34)、第七单模波导(35)、第七90°弯曲波导(36)和第八单模波导(37)；第四锥形波导(34)的一端作为第四连接波导的输入端，第四锥形波导(34)的另一端依次经第七单模波导(35)、第七90°弯曲波导(36)后和第八单模波导(37)的一端连接，第八单模波导(37)的另一端作为第四连接波导的输出端。
6.根据权利要求2所述的一种基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪，其特征在于：
所述的第五连接波导包括第九单模波导(40)、第八90°弯曲波导(41)、第十单模波导(42)、第九90°弯曲波导(43)、第十一单模波导(44)和第五锥形波导(45)；第五锥形波导(45)的一端作为第四连接波导的输入端，第五锥形波导(45)的另一端依次经第十一单模波导(44)、第九90°弯曲波导(43)、第十单模波导(42)、第八90°弯曲波导(41)后和第九单模波导(40)的一端连接，第九单模波导(40)的另一端作为第四连接波导的输出端。
7.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅的定制化片上光谱仪，其特征在于：
所述的滤波通道A1、A2…AN中的各级粗滤波器均采用反对称布拉格光栅设计结构。
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