CN113375802A - 一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法及系统，在维持高度紧凑的硅基光谱器件尺寸的基础上，利用多模波导各个模式间的传播常数差异，通过多种波导模式干涉信号的同时产生与探测，大幅提高干涉调制信号的采样率，遵循采样定律，提升复原光谱性能，实现高分辨宽带的高性能硅基光谱测量。
Description
技术领域
本发明属于傅里叶变换光谱检测领域，具体涉及一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法及系统。
背景技术
光谱检测已经成为物质成分定性和定量分析的重要手段，包括红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱等，具有快速、多参数、高特异性、无损等突出的检测优势，在医疗诊断、化学化工、材料发展、食品安全、环境保护等众多领域中得到了应用。
傅里叶变换光谱仪器(Fourier-transform Spectrometer，FTS)具有光谱分辨率高和信噪比高的原理性优势，是公认的能够实施高性能光谱检测的重要器件，为了进一步提高光谱检测在各种复杂场景中的通用性和适用性，FTS的微型化发展备受关注。基于硅基光子集成技术，兼容互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)加工工艺，通过光刻加工构造完全固化的硅基硬件结构，构建高度紧凑的集成光子回路，可以实现芯片级微型化FTS，形成突出的多平台集成优势，具有出色的稳定性和抗干扰能力，同时能够批量生产，推进光谱检测的普及应用。
硅基空间外差型FTS基于简单且稳定的马赫-曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer，MZI)阵列结构，其中各个MZI具有不同的光程差(Optical PathDifference，OPD)设置，为了构建线性增加的OPD采样序列，实施傅里叶变换光谱测量所必需的干涉调制。不同于其他两种主要类型，即主动扫描型和驻波集成型，无需主动的物理调制，无需复杂的硬件结构，体现出更好的实际应用潜力，但是，严重受制于光谱性能与器件尺寸间的相互矛盾。为了避免硅基矩形波导固有的模间色散以及偏振敏感性的干扰，硅基空间外差型FTS的核心MZI阵列通常只工作在横电(Transverse Electric，TE)或横磁(Transverse Magnetic，TM)基本模式下，即TE0或TM0模式，实施单模式干涉调制，此时每个MZI只提供1个有效OPD采样点。
为了突破硅基空间外差型FTS中器件尺寸对光谱性能的限制，目前主要形成两种方案，仍然基于单模式干涉调制。第一，利用压缩感知等光谱重建方法突破采样定律(Rayleigh判据)，但是要求待测光谱具有稀疏性，适用场景有限，详见Podmore H,Scott A,Cheben P,et al.Demonstration of a compressive-sensing Fourier-transform on-chip spectrometer[J].Optics Letters,2017,42(7):1440-1443；第二，遵守Rayleigh判据，通过主动的热光效应物理调制改变OPD，增加OPD采样点，但是不利于系统稳定性和时间分辨率，详见Montesinos-Ballester M,Liu Q,Vakarin V,et al.On-chip Fourier-transform spectrometer based on spatial heterodyning tuned by thermo-opticeffect[J].Scientific Reports,2019,9:14633。
发明内容
发明目的：为解决基于硅基光子集成技术的傅里叶变换光谱仪器微型化严重受制于光谱性能与器件尺寸间相互矛盾的关键问题，本发明提出了一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法及系统，推进硅基微型化光谱仪器在复杂场景中的实际应用。
技术方案：一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法，包括以下步骤：
步骤1：将待测光谱信号输入至多模式MZI阵列，产生多模式干涉信号；其中，所述多模式MZI阵列由多个具有不同干涉臂长差的多模式MZI组成；
步骤2：基于多模式MZI阵列的光谱响应特性，即光谱信号到干涉信号的固有映射关系，利用光谱重建算法，对步骤1产生的多模式干涉信号实施干涉信号到光谱信号的转换，并补偿原理性干涉信号采样偏差以及实际加工造成的随机误差，得到准确的实测光谱。
进一步的，所述光谱重建算法由根据多模式干涉调制的物理规则以及多模式MZI阵列光谱响应的数据特征定制得到。
进一步的，所述多模式MZI包括依次连接的输入单模波导阵列、模式复用器、分束器、多模波导对、合束器、模式解复用器、输出单模波导阵列和探测器阵列；
待测光谱信号通过输入单模波导阵列导入至模式复用器由多种波导模式同时承载，并同步传输至分束器后分别进入多模波导对中传输，经过具有固定臂长差的双通道传输后，在合束器处汇合产生各个波导模式干涉信号，形成多个不同采样OPD，所述模式解复用器分开各个波导模式干涉信号，由输出单模波导阵列和探测器阵列探测各个波导模式干涉信号。
进一步的，所述多种波导模式包括波导基本模式和高阶模式。进一步的，所述多模波导对存在固定臂长差。
进一步的，所述探测器阵列包括偏振分束器，所述偏振分束器用于分开TE和TM偏振。
进一步的，每个多模式MZI能提供的采样OPD的数量NOPD,Single等于每个多模式MZI能够承载并产生干涉的波导模式数量Nmode。
本发明还公开了一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量系统，包括：
多模式MZI阵列，用于同时产生待测光谱信号对应的多模式干涉信号；
光谱重建模块，用于基于光谱重建算法，对多模式MZI阵列产生的多模式干涉信号实施光谱转换，并进行原理性干涉信号采样偏差补偿和随机误差补偿，得到实测光谱。
进一步的，所述多模式MZI阵列由多个具有不同干涉臂长差的多模式MZI组成；所述多模式MZI包括依次连接的输入单模波导阵列、模式复用器、分束器、多模波导对、合束器、模式解复用器、输出单模波导阵列和探测器阵列；所述多模波导对存在固定臂长差；
待测光谱信号通过输入单模波导阵列导入至模式复用器由多种波导模式承载，并同步传输至分束器后分别进入多模波导对中传输，经过具有固定臂长差的双通道传输后，在合束器处汇合产生各个波导模式干涉信号，形成多个不同采样OPD，所述模式解复用器分开各个波导模式干涉信号，由输出单模波导阵列和探测器阵列探测各个波导模式干涉信号。
进一步的，所述多种波导模式包括波导基本模式和高阶模式。
有益效果：与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用本发明的方法及系统，可以突破硅基空间外差型FTS中器件尺寸对光谱性能的限制，基于硅基多模波导固有的模间色散特性，利用波导基本模式(TE0、TM0)和高阶模式(TE1、TM1、TE2、TM2等)的传播常数差异，即有效折射率(Effective Index，neff)差异，通过多种波导模式干涉信号的同时产生与探测，大幅增加同等尺寸MZI阵列的有效OPD采样点，大幅提高干涉调制信号的采样率，显著增加干涉信息量，无需约束待测光谱特性突破采样定律限制，无需实施主动物理调制增加采样点，具有更好的光谱测量普适性和稳定性；
(2)采用本发明的方法及系统，提升复原光谱的性能，提高硅基平台上傅里叶变换光谱测量的性能，实现高分辨宽带的高性能硅基光谱测量，推进硅基微型化光谱仪器在复杂场景中的实际应用。
附图说明
图1为本发明的实施流程框图；
图2为多模式MZI的原理结构图。
具体实施方式
现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
由于光程差OPD等于有效折射率neff与臂长差ΔL的乘积，每个MZI能够提供的有效OPD采样点数量NOPD,Single等于每个MZI能够承载并产生干涉的波导模式数量Nmode。根据Rayleigh判据，傅里叶变换光谱测量的光谱带宽正比于干涉调制信号采样率，采样OPD间隔越小，即干涉调制信号采样率越高，光谱带宽越大；傅里叶变换光谱测量的光谱分辨率正比于干涉调制信号最大采样OPD，最大采样OPD越大，光谱分辨率越高。当硅基光谱器件尺寸一定时，MZI阵列规模受限，即MZI数量NMZI受限，有效OPD采样点数量NOPD,Array有限，采样OPD间隔与最大采样OPD相互制约，需要光谱带宽与光谱分辨率的权衡，造成器件尺寸对光谱性能的严重限制。针对基于硅基光子集成技术的傅里叶变换光谱仪器微型化严重受制于光谱性能与器件尺寸间相互矛盾的关键问题，本发明在维持高度紧凑的硅基光谱器件尺寸的基础上，利用硅基多模波导各个模式间固有的传播常数差异，即有效折射率neff差异，通过多种波导模式干涉信号的同时产生与探测，允许每个具有特定臂长差ΔL的MZI均提供多个有效OPD采样点，大幅提高MZI阵列的干涉调制信号的采样率，遵循采样定律Rayleigh判据的要求，提升复原光谱性能，实现高分辨宽带的高性能硅基光谱测量。
本发明方法利用多模式干涉调制，MZI阵列能够提供的有效OPD采样点数量NOPD,Array等于MZI数量NMZI与波导模式数量Nmode的乘积。相对于单模式干涉调制，NOPD,Array可以提高(Nmode-1)倍。现结合图1对本发明的硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法进行说明。
多模式MZI阵列是实施多模式干涉调制的硬件基础，由一组多模式MZI组成，每个多模式MZI具有相似的原理结构设计和功能实现机制，具有相同的波导模式数量Nmode，区别仅在于具有不同的臂长差ΔLi设置。根据硅基多模波导的模式数量、模式neff分布以及传输性能等特性，配备相应的多模器件，能够承载并产生多种波导模式的干涉，实现多模式干涉调制功能。现结合图2对本发明的多模式MZI进行说明。
如图2所示，多模式MZI包括输入单模波导阵列1、模式复用器2、分束器3、多模波导对4、合束器5、模式解复用器6、输出单模波导阵列7和探测器阵列8；待测光束由输入单模波导阵列1导入，经过模式复用器2后形成6种波导模式(TE0、TM0、TE1、TM1、TE2、TM2)的同步传输，通过分束器3分别进入多模式MZI中存在固定臂长差ΔLi的多模波导对4中传输，经过双通道传输后，在合束器5处汇合产生干涉信号，形成6个不同的采样OPD，再由模式解复用器6分开各个波导模式干涉信号，经过输出单模波导阵列7，由探测器阵列8同时探测各个波导模式干涉信号，其中，TE和TM偏振由探测器阵列8中集成的偏振分束器分开。
光谱测量过程中，待测光谱信号输入多模式MZI阵列后被分割，由不同的波导模式承载并同步传输，经过多模式MZI阵列中的每个多模式MZI时，能够同时产生干涉信号并被探测。利用硅基多模波导固有的模间色散特性，由于波导模式间neff差异而每个MZI臂长差ΔL固定，每个多模式MZI中基于波导基本模式和多个高阶模式的neff差异形成多个采样OPD，构成OPD采样序列，实施多模式干涉调制，大幅增加傅里叶变换光谱测量所必需的干涉信息量，提升复原光谱性能，实现高分辨宽带的硅基光谱测量。
硅基多模波导的TE0、TM0、TE1、TM1、TE2和TM2模式对应的neff分布通常是非线性的，难以构建理想的线性增加的OPD采样序列，多模式干涉信号存在原理性偏差，此时通过傅里叶变换复原光谱不可行。需光谱重建算法的配合，实现光谱信息的准确提取，通过提取多模式MZI阵列的“光谱-干涉图”系统响应数据矩阵，根据多模式干涉调制的物理规则及多模式MZI阵列光谱响应的数据特征，定制光谱重建算法，例如构建神经网络预测模型，实施干涉调制信号到光谱信号的转换，并补偿干涉调制信号采样的原理性偏差以及难以避免的实际加工随机误差，实现准确的光谱复原。
现以由32个多模式MZI组成的多模式MZI阵列为例，对本发明方法的技术效果进行说明。多模式MZI阵列中每个MZI具有不同的臂长差ΔLi(i＝1,…,32)，且均允许承载6种波导模式，包括：TE0、TM0、TE1、TM1、TE2和TM2，6种波导模式具有不同的传播常数，存在neff差异，产生干涉并被同时探测，实现有效的多模式干涉调制。此时，每个多模式MZI能够提供6个有效OPD采样点，多模式MZI阵列共提供192个有效OPD采样点，相对于常规的单模式干涉调制，能够提高MZI阵列的干涉调制信号采样率5倍，根据Rayleigh判据，在维持光谱分辨率不变的前提下，可以扩大光谱带宽5倍。
Claims (10)
1.一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将待测光谱信号输入至多模式MZI阵列，产生多模式干涉信号；其中，所述多模式MZI阵列由多个具有不同干涉臂长差的多模式MZI组成；
步骤2：基于多模式MZI阵列的光谱响应特性，利用光谱重建算法，对步骤1产生的多模式干涉信号实施多模式干涉信号到光谱信号的转换，并补偿原理性干涉信号采样偏差以及实际加工造成的随机误差，得到准确的实测光谱。
2.根据权利要求1所述的一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法，其特征在于：所述光谱重建算法由根据多模式干涉调制的物理规则以及多模式MZI阵列光谱响应的数据特征定制得到。
3.根据权利要求1所述的一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法，其特征在于：所述多模式MZI包括依次连接的输入单模波导阵列(1)、模式复用器(2)、分束器(3)、多模波导对(4)、合束器(5)、模式解复用器(6)、输出单模波导阵列(7)和探测器阵列(8)；
待测光谱信号通过输入单模波导阵列(1)导入，经过模式复用器(2)后由多种波导模式同时承载，并同步传输至分束器(3)后分别进入多模波导对(4)中传输，经过具有固定臂长差的双通道传输后，在合束器(5)处汇合产生各个波导模式干涉信号，所述各个波导模式干涉信号对应于不同的采样OPD，构成OPD采样序列，所述模式解复用器(6)分开各个波导模式干涉信号，由输出单模波导阵列(7)和探测器阵列(8)探测各个波导模式干涉信号。
4.根据权利要求3所述的一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法，其特征在于：所述多种波导模式包括波导基本模式和多个高阶模式，基于波导基本模式和多个高阶模式的有效折射率差异形成采样OPD，构成OPD采样序列。
5.根据权利要求3所述的一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法，其特征在于：所述多模波导对(4)存在固定臂长差。
6.根据权利要求3所述的一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法，其特征在于：所述探测器阵列(8)包括偏振分束器，所述偏振分束器用于分开TE和TM偏振。
7.根据权利要求1所述的一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量方法，其特征在于：每个多模式MZI能提供的采样OPD的数量NOPD,Single等于每个多模式MZI能够承载并产生干涉的波导模式数量Nmode。
8.一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于：包括：
多模式MZI阵列，用于同时产生待测光谱信号对应的多模式干涉信号；
光谱重建模块，用于基于光谱重建算法，实现干涉信号到光谱信号的转换，并对多模式MZI阵列产生的多模式干涉信号进行原理性干涉信号采样偏差补偿和随机误差补偿，得到准确的实测光谱。
9.根据权利要求8所述的一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于：所述多模式MZI阵列由多个具有不同干涉臂长差的多模式MZI组成；所述多模式MZI包括依次连接的输入单模波导阵列(1)、模式复用器(2)、分束器(3)、多模波导对(4)、合束器(5)、模式解复用器(6)、输出单模波导阵列(7)和探测器阵列(8)；所述多模波导对(4)存在固定臂长差；
待测光谱信号通过输入单模波导阵列(1)导入，经过模式复用器(2)后由多种波导模式同时承载，并同步传输至分束器(3)后分别进入多模波导对(4)中传输，经过具有固定臂长差的双通道传输后，在合束器(5)处汇合产生各个波导模式干涉信号，各个波导模式干涉信号对应于不同的采样OPD，构成OPD采样序列，所述模式解复用器(6)分开各个波导模式干涉信号，由输出单模波导阵列(7)和探测器阵列(8)探测各个波导模式干涉信号。
10.根据权利要求9所述的一种硅基多模式干涉调制傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于：所述多种波导模式包括波导基本模式和多个高阶模式，基于波导基本模式和多个高阶模式的有效折射率差异形成采样OPD，构成OPD采样序列。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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