CN112857570A - 一种硅基波导分光芯片及光谱分析系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种硅基波导分光芯片及光谱分析系统，其中硅基波导分光芯片包括：耦合光栅、分束器、热光调相MZI模块、合束器和和光电探测器；热光调相MZI模块包括第一分光臂和第二分光臂；耦合光栅将输入光耦合至分束器的输入端；分束器将输入光分成第一光束和第二光束；热光调相MZI模块通过热光调相使第一分光臂中的第一光束和第二分光臂中的第二光束产生光程差，以对输入光进行干涉分光；合束器将第一分光臂输出的第一光束和第二分光臂输出的第二光束进行合束；光电探测器将合束器输出的光信号进行光电转换输出电信号，相较于现有技术，通过热光调相可灵活改变MZI两臂间光程差的大小，实现高分辨率、宽光谱范围的光谱探测。
Description
技术领域
本公开涉及硅基波导光谱分析技术领域，具体涉及一种硅基波导分光芯片及光谱分析系统。
背景技术
光谱分析技术具有非接触、无损、实施检测等优势，被广泛应用于食药检测、气体检测和生物医学等众多应用领域。传统的光谱仪体积庞大，重量较大，造价昂贵，无法直接面对消费者服务。
硅光技术为光谱仪的小型化提供了一种有效的解决手段，例如SOI（绝缘衬底上的硅）波导可用于制作近红外波段的器件，同时SOI工艺可和CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺兼容，进一步降低了工艺成本。同时，硅光集成技术的发展，为片上光谱仪的实现提供了可能的途径，硅光集成技术可将探测器和分光结构进行片上集成，光源通过异构集成的方式进行集成，极大缩小了光谱仪的体积和重量。
硅基光谱分光芯片的主要实现方式包括色散波导元件和干涉型结构，色散型波导分光结构包括阵列波导光栅、刻蚀衍射光栅等结构，干涉型波导分光结构包括空间外差光谱分光结构、傅里叶变换型光谱分光结构等。色散型波导分光结构光谱分辨率的提升主要依靠版图面积的增大，而光谱范围受限，信噪比较低；干涉型波导光谱分光结构信噪比高，抗干扰能力强，同时可通过增大光程差来提升光谱分辨率，光谱范围受限于波导分光器件的带宽，但仍远大于色散型的光谱分光结构。因此，选择干涉型波导光谱分光结构可获得较好的光谱分光性能。
在干涉型光谱分光结构的设计中，如何获得高的光谱分辨率和大的光谱范围，是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本公开的目的是提供一种硅基波导分光芯片及光谱分析系统，以实现高分辨率、宽光谱范围的光谱探测。
本公开第一方面实施例提供一种硅基波导分光芯片，包括：
耦合光栅、分束器、热光调相马赫曾德尔干涉仪（MZI）模块、合束器和光电探测器；所述热光调相MZI模块包括第一分光臂和第二分光臂；
所述耦合光栅，用于将输入光耦合至所述分束器的输入端；
所述分束器，用于将输入光分成第一光束和第二光束，并将所述第一光束传输至所述第一分光臂的输入端，将所述第二光束传输至所述第二分光臂的输入端；
所述热光调相MZI模块，用于通过热光调相使第一分光臂中的第一光束和第二分光臂中的第二光束产生光程差，以对所述输入光进行干涉分光；
所述合束器，用于将所述第一分光臂输出的第一光束和所述第二分光臂输出的第二光束进行合束，并将合束后的光信号传输至所述光电探测器；
所述光电探测器，用于将所述合束器输出的光信号进行光电转换输出电信号。
根据本公开的一些实施方式中，所述耦合光栅包括：
宽度渐变波导，用于接收输入光并完成输入光的模式匹配；
弯曲光栅，用于将模式匹配的输入光耦合至所述分束器的输入端。
根据本公开的一些实施方式中，所述分束器和合束器均采用1×2多模干涉耦合器。
根据本公开的一些实施方式中，所述多模干涉耦合器包括浅刻蚀结构和深刻蚀结构。
根据本公开的一些实施方式中，所述第一分光臂和第二分光臂为螺旋线波导结构。
根据本公开的一些实施方式中，所述螺旋线波导结构中的每条线包括直波导结构、弯曲波导结构、以及所述直波导结构和所述弯曲波导结构之间用于过渡的宽度渐变波导结构。
根据本公开的一些实施方式中，所述直波导结构为多模宽波导，所述弯曲波导结构为单模直波导。
本公开第二方面实施例提供一种光谱分析系统，包括第一方面中所述的硅基波导分光芯片。
本公开与现有技术相比的优点在于：
本公开提供的硅基波导分光芯片，包括：耦合光栅、分束器、热光调相MZI模块、合束器和和光电探测器；热光调相MZI模块包括第一分光臂和第二分光臂；耦合光栅，用于将输入光耦合至分束器的输入端；分束器，用于将输入光分成第一光束和第二光束，并将第一光束传输至第一分光臂的输入端，将第二光束传输至第二分光臂的输入端；热光调相MZI模块，用于通过热光调相使第一分光臂中的第一光束和第二分光臂中的第二光束产生光程差，以对输入光进行干涉分光；合束器，用于将第一分光臂输出的第一光束和第二分光臂输出的第二光束进行合束，并将合束后的光信号传输至光电探测器；光电探测器，用于将合束器输出的光信号进行光电转换输出电信号，相较于现有技术，通过热光调相可灵活改变MZI两臂间光程差的大小，实现高分辨率、宽光谱范围的光谱探测。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本公开所提供的一种硅基波导分光芯片的示意图；
图2示出了本公开所提供的耦合光栅的结构示意图；
图3示出了本公开所提供的1×2MMI的结构示意图；
图4示出了本公开所提供的热光调相MZI模块300的结构示意图；
图5示出了本公开所提供的螺旋线波导结构的示意图；
图6示出了本公开中热光调相MZI模块300中加热器的结构示意图；
图7示出了本公开所提供的单波长输入光的输出光强随热功率变化曲线；
图8示出了本公开所提供的去包络和归一化后单波长输入光的输出光强随热功率变化曲线。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本公开实施例提供一种硅基波导分光芯片，下面结合附图进行说明。
图1示出了本公开所提供的一种硅基波导分光芯片的示意图；如图1所示，本公开提供的上述硅基波导分光芯片，包括：耦合光栅100、分束器200、热光调相MZI模块300、合束器400和光电探测器500；所述热光调相MZI模块300包括第一分光臂310和第二分光臂320；
耦合光栅100，用于将输入光耦合至分束器200的输入端；
如图2所示，耦合光栅包括：宽度渐变波导110和弯曲光栅120。其中，宽度渐变波导110用于接收输入光并完成输入光的模式匹配；弯曲光栅120用于将模式匹配的输入光耦合至分束器的输入端。
具体的，宽度渐变波导110是一种taper结构，用于完成光纤和波导中光的模式匹配，由于光纤的纤芯直径大于波导宽度，需要设计taper结构对光进行会聚，完成输入光的模式匹配，以减小损耗。弯曲光栅120用于将输入光耦合至波导分光芯片中，通过衍射改变光的传输方向，将垂直入射的光纤中的光耦合至波导分光芯片中。
分束器200，用于将输入光分成第一光束和第二光束，并将第一光束传输至第一分光臂310的输入端，将第二光束传输至第二分光臂320的输入端；
热光调相MZI模块300，用于通过热光调相使第一分光臂中的第一光束和第二分光臂中的第二光束产生光程差，以对输入光进行干涉分光；
具体的，如图1所示，热光调相MZI模块300的每个分光臂周围都覆盖加热器（或者加热电极），通过加热器进行加热，使得分光臂周围温度发生变化，进而改变分光臂的折射率，使上下两分光臂产生光程差，对输入光进行干涉分光。
合束器400，用于将第一分光臂输出的第一光束和第二分光臂输出的第二光束进行合束，并将合束后的光信号传输至光电探测器；
在本申请的一些实施方式中，分束器和合束器均采用1×2多模干涉耦合器，也就是1×2MMI。具体的，分束器包括一个输入端和两个输出端，合束器包括两个输入端和一个输出端。
具体的，分束器200和合束器400包括浅刻蚀结构和深刻蚀结构。如图3所示，示出了1×2MMI分束/合束器的结构，包括浅刻蚀结构10和深刻蚀结构20，采用深浅刻蚀相结合的结构设计，可减小1×2MMI器件的插入损耗。
光电探测器500，用于将合束器输出的光信号进行光电转换输出电信号。
具体的，经MZI两分光臂的光传输至MMI合束器进行合束，合束后的光强信号被光电探测器探测，转换为电信号，输出进行处理。
在本申请的一些实施方式中，对于热光调相MZI模块300，为了增加MZI分光臂的臂长，第一分光臂和第二分光臂为螺旋线波导结构，也就是MZI两分光臂采用螺旋线的结构设计，如图4所示，其示出了热光调相MZI模块300的结构示意图，其中30为螺旋线波导，40为加热器的电极。
具体的，如图5所示，螺旋线波导结构中的每条波导线包括直波导结构50、弯曲波导结构60、以及直波导结构50和弯曲波导结构60之间用于过渡的宽度渐变波导结构（taper结构）70。
在本申请的一些实施方式中，直波导结构50可以为多模宽波导，弯曲波导结构60可以为单模窄波导，如图5所示，直波导结构50中波导宽度为1μm，弯曲波导结构60的波导宽度为0.5μm。直波导采用多模宽波导，是为了减小损耗，增加波导的长度；弯曲波导采用单模窄波导是为了避免不需要的高阶模式的激发，同时也可确保结构的紧凑型。
参见图6，其示出了热光调相MZI模块300中加热器的结构示意图。加热器围绕MZI分光臂设计，通过电极40给加热器施加热电压。为了提高热效率，如图6所示，一个加热器可以覆盖7条波导。加热器的热电阻阻值可以表示为：
其中，Rs表示方阻；L和w分别为加热器的长度和宽度。增加加热器的宽度，可减小加热器的电阻，在同样热电压的情况下，提供更大的热功率。
干涉型分光模块（如本申请中的热光调相MZI模块300）的光谱分辨率取决于系统光程差的最大值，光谱分辨率和光程差之间的关系可以表示为：
其中，
为光谱分辨率；
为中心波长；ng为分光结构的群折射率；
为光程差的最大值。
分光模块可实现的最大光程差越大，结构的光谱分辨率越高。针对热光调相MZI模块300，MZI两分光臂的光程差是通过臂上的加热器来实现的，通过对加热器施加热电压使加热器发热，改变MZI分光臂的温度，进而改变MZI臂的等效折射率，使得MZI两分光臂之间的光程差发生变化。最大光程差与施加给加热器最大热功率之间的关系可以表示为：
其中，L为分光臂的臂长；
为分光臂等效折射率可改变的最大值；
其中，rs为热光效率，表征温度变化与折射率变化之间的关系，理想情况下，此关系为线性关系，例如Si，其热光系数rs=1.84×10-4K-1；
为分光臂温度变化的最大值；
其中，rt为热效率，表征热功率和温度变化之间的关系，理想情况下，此关系为线性关系，其和加热器的阻值相关；Pmax为施加在加热器上热功率的最大值。
若要增大光程差，需要增加热功率，热功率和热电阻之间的关系可以表示为：
其中，U为热电压；P为热功率，R为热电阻。
由以上公式可知，通过增大加热器的宽度，可以减小热电阻，提升热功率，进而增加最大光程差，提高分辨率。
参见图7，其示出了单波长输入光的输出光强随热功率变化曲线。如图7所示，在一个具体的实施例中，利用可调谐激光器输入波长为1550nm的输入光，对加热器施加0-4W的热功率，得到输出光强随热功率变化曲线。由于随着热功率的增加，硅基波导分光芯片会随温度的提升发生热膨胀，输出光强随热功率变化曲线包络幅值出现波动。参见图8，其示出了去包络和归一化后单波长输入光的输出光强随热功率变化曲线，经去包络和归一化处理后，输出光强曲线可用于后续光谱分析系统的误差标定。
本申请中，基于热光调相的大臂长MZI结构采用平衡式的结构设计，即MZI两臂的物理长度一致，但也可以采用两臂臂长不相等的非平衡式结构设计；热光调相MZI分光结构的设计还可选用多个光开关和热光MZI的组合等，以进一步增大最大光程差，提升光谱分辨率。
本申请中，输入光经耦合光栅耦合输入至硅基波导分光芯片中，经MMI分束器分束后，分别传输至大臂长MZI分光结构的上、下两分光臂。MZI分光臂周围覆盖加热器，通过热电极进行加热，使得MZI分光臂周围温度发生变化，进而改变MZI分光臂的折射率，使上下两臂产生光程差，对输入光进行干涉分光。经MZI两分光臂的光传输至MMI合束器进行合束，合束后的光强信号被光电探测器探测，转换为电信号，输出进行处理。
本申请综合硅基热光调相技术和大臂长马赫曾德尔干涉仪（MZI）硅基波导分光技术，设计硅基波导分光芯片，探测信号由硅基探测器接收，采用SOI硅光加工工艺进行加工，构建基于热光调相的大臂长MZI硅基波导分光芯片。
本申请提供的硅基波导分光芯片及基于该芯片的光谱测量方法具有如下优点：
（1）基于热光调相的MZI硅基波导分光芯片，在大臂长设计的基础上，通过改变施加给MZI臂上加热器的热功率的大小，可灵活改变MZI两臂间光程差的大小，实现高分辨率、宽光谱范围的光谱探测；
（2）基于热光调相的MZI硅基波导分光芯片，基于SOI工艺，可和探测器实现片上集成，和光源实现异构集成，提升光谱分析系统的集成度；
（3）基于热光调相的MZI硅基波导分光芯片加工工艺可和CMOS工艺兼容，从而降低加工制作成本。
本公开还提供了一种光谱分析系统，该系统包括上述实施例中的硅基波导分光芯片。
本申请的光谱分析系统中，硅基波导分光芯片光程差灵活可调，光谱分辨率高、光谱探测范围大、信噪比高。
为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (8)
1.一种硅基波导分光芯片，其特征在于，包括：耦合光栅、分束器、热光调相MZI模块、合束器和光电探测器；所述热光调相MZI模块包括第一分光臂和第二分光臂；
所述耦合光栅，用于将输入光耦合至所述分束器的输入端；
所述分束器，用于将输入光分成第一光束和第二光束，并将所述第一光束传输至所述第一分光臂的输入端，将所述第二光束传输至所述第二分光臂的输入端；
所述热光调相MZI模块，用于通过热光调相使第一分光臂中的第一光束和第二分光臂中的第二光束产生光程差，以对所述输入光进行干涉分光；
所述合束器，用于将所述第一分光臂输出的第一光束和所述第二分光臂输出的第二光束进行合束，并将合束后的光信号传输至所述光电探测器；
所述光电探测器，用于将所述合束器输出的光信号进行光电转换输出电信号。
2.根据权利要求1所述的硅基波导分光芯片，其特征在于，所述耦合光栅包括：
宽度渐变波导，用于接收输入光并完成输入光的模式匹配；
弯曲光栅，用于将模式匹配的输入光耦合至所述分束器的输入端。
3.根据权利要求1所述的硅基波导分光芯片，其特征在于，所述分束器和合束器均采用1×2多模干涉耦合器。
4.根据权利要求3所述的硅基波导分光芯片，其特征在于，所述多模干涉耦合器包括浅刻蚀结构和深刻蚀结构。
5.根据权利要求1所述的硅基波导分光芯片，其特征在于，所述第一分光臂和第二分光臂为螺旋线波导结构。
6.根据权利要求5所述的硅基波导分光芯片，其特征在于，所述螺旋线波导结构中的每条线包括直波导结构、弯曲波导结构、以及所述直波导结构和所述弯曲波导结构之间用于过渡的宽度渐变波导结构。
7.根据权利要求6所述的硅基波导分光芯片，其特征在于，所述直波导结构为多模宽波导，所述弯曲波导结构为单模窄波导。
8.一种光谱分析系统，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的硅基波导分光芯片。
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