CN113418902B - 片上拉曼检测系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种片上拉曼检测系统，属于拉曼光谱检测技术领域，所述系统包括：激励光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器，所述激励光源用于发出激励光，所述拉曼传感单元包括槽型波导和金属纳米光栅，可同时实现局域电场增强和波导增强拉曼信号；光谱采集单元，采用双可调MZI和非对称分布的金属纳米线阵列来采集干涉条纹信号，结合频谱分析实现高分辨率、宽解调范围的光谱重构。所述激励光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器均集成在硅片上。本申请具有体积小，重量轻，低功耗，光耦合效率高。

Description

片上拉曼检测系统
技术领域
本发明涉及拉曼光谱检测技术领域，尤其涉及一种片上拉曼检测系统。
背景技术
随着人类社会的高速发展，在疾病诊断、食品安全、环境监测、缉毒、防 暴反恐和军事等领域，对物质的成分进行快速检测的需求日益增长；分子快速 检测技术成为化学、物理、生命科学和纳米科技等学科快速增长的研究热点。 分子在不同条件下吸收或发射的光波长、强度、偏振态等与该分子的结构特征 有着固有关系，因此，光谱方法被认为是探测和研究分子的有力工具，也是目 前现场快检的重要手段。但现有光谱检测仪器多以高性能的大型台式仪器为主， 价格昂贵，环境适应性差，难以适应现场快检的需求；特别是以指纹光谱分析 为主的拉曼光谱技术模型相对简单，定性准确，但是通常拉曼散射截面和荧光散射截面相比非常小(10-6)，使得微弱的拉曼信号淹没在强的荧光信号里面， 检测灵敏度低。
面对以5G技术为基础的物联网时代，拉曼光谱检测器有望作为物联网的前 端/触角，其应用规模(特别是在痕量水质污染物监测领域)将会出现前所未有 的增长，这对光谱检测器的分辨率、频响速度和范围、信噪比、体积功耗、与 无线通讯高度融合的能力提出了新的要求，片上拉曼光谱检测是相对最有潜力 的解决方案。然而，虽然在硅基材料上可以制作性能优良的光波导，但硅在 785nm附近吸收较强，在性能上无法满足常规Raman光带宽的要求(以785nm 激光作为激励光源，0～2000cm-1的拉曼频移范围对应波长785～931nm的光谱 范围)；氮化硅在一定程度上能够满足带宽的要求，但是用于光谱增强和光谱 探测，在性能和集成工艺上仍无法满足高性能片上光谱检测的要求。例如：基 于氮化硅波导的光谱增强和传感单元需利用复杂工艺在氮化硅局部选择性沉积 金属等材料；而利用环形微型腔可缩小光谱解调单元的尺寸，但需精确调控耦 合波长且热稳定性差。
因此，为解决以上问题，需要一种在性能和集成工艺上满足高性能片上光 谱检测的要求的拉曼检测系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种片上拉曼检测系统，其特征在于：包括：激励 光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器；
所述激励光源用于产生激励光并通过耦合光栅、第一波导和第一波导转换 器将激励光传入拉曼传感单元；
所述拉曼传感单元用于增强局域电场和拉曼信号，所述拉曼传感单元包括 槽型波导和设置于槽型波导横截面的金属光栅，所述槽型波导的输入端与所述 波导转换器的输出端连接，所述槽型波导的输出端与第二波导转换器的输入端 连接，第二波导转换器的输出端与第二波导输入端连接；
所述滤波单元用于滤除接收的光波的激励光波和瑞利散射光波，所述滤波 单元的输入端与第二波导的输出端连接，所述滤波单元的输出端与Y型波导的 主管连接；
所述光谱采集单元用于采集拉曼光信号，所述光谱采集单元包括第一MZI、 第二MZI和第三波导，所述第一MZI的输入端与Y型波导的第一支管的输出端 连接，第二MZI的输入端与Y型波导的第二支管的输出端连接，第一MZI和第 二MZI输出的光波矢量叠加在第三波导上，第三波导上设置有使其内传播的光 信号散射的散射组件；
所述探测器用于探测从第三波导中散射的拉曼信号光并转换成电信号供输 出处理；
其中，所述激励光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器 均集成在硅片上。
进一步，所述第一MZI和第二MZI以二者输出的光信号以光程差零点值为 中心对称分布于第三波导的两端，所述第一MZI输出的光信号和第二MZI输出 的光信号均包括静态条纹光信号和动态条纹光信号。
进一步，所述第一MZI的上臂和第二MZI的上臂均可调节。
进一步，所述第三波导上的组件包括若干设置于第三波导上的金属纳米线。
进一步，所述第三波导上的组件包括若干设置于第三波导上的纳米凹槽。
进一步，所述第三波导为直波导。
进一步，所述金属纳米线或纳米凹槽以光程差零点值为中心的第三波导的 两侧壁。
进一步，设置于以光程差零点值为中心的第三波导的两侧壁的金属纳米线 或纳米凹槽的数量相等，且两侧的金属纳米线或纳米凹槽两两间的间距不相等。
进一步，所述激励光源为片上激光器。
本发明的有益技术效果：本申请提供一种片上拉曼检测系统，在本申请中， 拉曼传感单元，采用“槽型波导和金属纳米光栅复合结构”，可同时实现局域 电场增强和波导增强拉曼信号；光谱采集单元，采用“双可调MZI和非对称分 布的金属纳米线阵列”采集干涉条纹信号，结合频谱分析实现高分辨率、宽解 调范围的光谱重构。拉曼传感单元和光谱采集单元通过硅基波导的工艺集成在 一起，可以保证拉曼光信号从传感部分到解调部分的高效率耦合全波导传感和 光谱采集系统，具有体积小，重量轻，低功耗，光耦合效率高的特点；采用金 属纳米光栅修饰槽型波导作为传感单元，可同时实现金属局域电场增强和拉曼信号收集效率提高；利用双可调MZI输出光波的矢量叠加，可以实现动态干涉 信号的对称分布(OPD＝0两侧)；采用非对称设置的金属纳米线散射动态干涉 光信号，可减少MZI相位调谐范围(温控范围)；可容许探测器之间的间隔为 ～10微米量级，降低了探测器的实现难度，同时避免探测信号串扰，克服传统 驻波集成傅里叶变换光谱技术欠采样带来的信号重构误差大的问题，可提高系 统的光谱分辨率和增大解调频带范围。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本申请的系统结构示意图。
图2为本申请的拉曼信号传感单元结构示意图。
图3为本申请的拉曼信号采集单元结构示意图。
图4为本申请的具体实施一的结果示意图。
图5为本申请的具体实施二的结果示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：
本发明提供一种片上拉曼检测系统，其特征在于：包括：如图1所示，激 励光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器；
所述激励光源用于产生激励光并通过耦合光栅、第一波导和第一波导转换 器将激励光传入拉曼传感单元；在本实施例中，所述激励光源采用片上激光器， 所述片上激光器的输出端与所述耦合光栅的输入端连接，所述耦合光栅的输出 端与第一波导的输入端连接，第一波导的输出端与第一波导转换器的输入端连 接，第一波导转换器的输出端与拉曼传感单元的输入端连接。
所述拉曼传感单元用于增强局域电场和拉曼信号，所述拉曼传感单元包括 槽型波导和设置于槽型波导横截面的金属光栅，所述槽型波导的输入端与所述 波导转换器的输出端连接，所述槽型波导的输出端与第二波导转换器的输入端 连接，第二波导转换器的输出端与第二波导输入端连接；如图2所示，其中箭 头所指方向为光信号传播方向，在本实施例中，待测物体设置于拉曼传感单元 中。在本实施例中，拉曼信号上述技术方案，采用“槽型波导和金属纳米光栅 复合结构”，可同时实现局域电场增强，同时，可增强波导拉曼信号。
所述滤波单元用于滤除接收的光波的激励光波和瑞利散射光波，所述滤波 单元的输入端与第二波导的输出端连接，所述滤波单元的输出端与Y型波导的 主管连接；滤波单元使放置于拉曼传感单元内的待测物体的产生的光信号中的 激励光波和瑞利散射光波截止，输出激励光波经待测物体后的光信号，便于后 续光信号采集和探测。
所述光谱采集单元用于采集拉曼光信号，如图3所示，所述光谱采集单元 包括第一MZI、第二MZI和第三波导，所述第一MZI的输入端与Y型波导的第 一支管的输出端连接，第二MZI的输入端与Y型波导的第二支管的输出端连接， 第一MZI和第二MZI输出的光波矢量叠加在第三波导上，第三波导上设置有使 其内传播的光信号散射的散射组件；光谱采集单元，采用“双可调MZI和非对 称分布的金属纳米线阵列”采集金属纳米线阵散射的干涉条纹信号，结合频谱 分析实现高分辨率、宽解调范围的光谱重构。其中，MZI表示马赫曾德干涉仪 的简写。
所述探测器用于探测从第三波导中散射的拉曼信号光并转换成电信号供输 出处理；在本实施例中，探测器的数量与探测点一一对应。
其中，所述激励光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器 均集成在硅片上。二者采用硅基波导的工艺集成在一起，可以保证拉曼光信号 从传感部分到解调部分的高效率耦合。
上述技术方案，体积小，重量轻，低功耗，光耦合效率高的特点；采用金 属纳米光栅修饰槽型波导作为传感单元，可同时实现金属局域电场增强和拉曼 信号收集效率提高；利用双可调MZI输出光波的矢量叠加，可以实现动态干涉 信号的对称分布(OPD＝0两侧)；采用非对称设置的金属纳米线散射动态干涉 光信号，可减少MZI相位调谐范围(温控范围)；可容许探测器之间的间隔为 ～10微米量级，降低了探测器的实现难度，同时避免探测信号串扰，克服传统 驻波集成傅里叶变换光谱技术欠采样带来的信号重构误差大的问题，可提高系 统的光谱分辨率和增大解调频带范围。
在本实施例中，所述第一MZI和第二MZI以二者输出的光信号以光程差零 点值为中心对称分布与第三波导两端，如图3所示，所述第一MZI输出的光信 号和第二MZI输出的光信号均包括静态条纹光信号和动态条纹光信号。所述第 一MZI的上臂和第二MZI的上臂均可调节。其中，所述静态条纹光信号为调整 MZI的上臂时在MZI输出的光信号中不会因MZI上臂移动而导致光信号位置移 动的条纹光信号，所述动态条纹光信号为调整MZI上臂时输出的光信号中会因 为MZI上臂移动而移动的条纹光信号。两个对称的且上臂均可调节的MZI可增 加第三波导上散射的光信号的分辨率，且对探测器的性能需求低。
在本实施例中，所述第三波导上的组件包括若干设置于第三波导上的金属 纳米线。所述第三波导上的组件包括若干设置于第三波导上的纳米凹槽。所述 第三波导为直波导。经第三波导上的散射组件散射后的光信号可有效避免光信 号的串扰，提高光信号分辨率。
在本实施例中，所述金属纳米线或纳米凹槽以光程差零点值为中心的第三 波导的两侧壁，如图3所示，在本实施例中，散射组件可通过在第三波导上设 置纳米凹槽，也可通过在第三波导上粘粘金属纳米线。
在本实施例中，设置于以光程差零点值为中心的第三波导的两侧金属纳米 线或纳米凹槽的数量相等，且两侧的金属纳米线或纳米凹槽两两间的间距不相 等。如图3所示，OPD表示光程差零点值，即OPD＝0，在OPD等于0的两侧，在 图示上方为上侧，图示下方为下侧，上侧自OPD＝0向上依次设置的散射组件距 离OPD＝0的距离分别为：13μm、21μm、29μm，下侧自OPD＝0向下依次设置的 散射组件距离OPD＝0的距离分别为：17μm、25μm、33μm。其中，向上和向下为 图3所示的方向。上述技术方案采用非对称设置的金属纳米线或纳米凹槽散射 动态干涉光信号，可减少MZI相位调谐范围(温控范围)；可容许探测器之间 的间隔为～10微米量级，降低了探测器的实现难度，同时避免探测信号串扰， 克服传统驻波集成傅里叶变换光谱技术欠采样带来的信号重构误差大的问题， 可提高系统的光谱分辨率和增大解调频带范围。
现从本申请的具体实施例来印证本申请的系统的有效性。
根据分辨率R＝1/(2nzmax)(R为分辨率，n为折射率，zmax为直波导上离0 点光程差的最远可采集光谱的位置)，设置zmax＝24μm，在785nm处可实现6nm 的分辨率。根据抽样(Nyquist-Shannon)准则以及光谱范围△λ＝λ2/(4n△z)(△z 为采样间隔，λ为波长，△λ为光谱范围)，设置△z＝40nm的采样间隔。为避免 采样到静态条纹数据以影响最终FT还原结果，可通过设置初始相位差△φ1,2来确 定动态条纹的初始检测位置和中心位置。在忽略色散的影响，只考虑热温度系 数的一阶特性，结合初始相位差△φ＝2π(ns△L)/λ(ns为折射率，△L为MZI上下臂 的波导初始长度差)，条纹的移动距离与MZI两臂的长度差及折射率差几乎呈 现良好的线性关系:△zcentral＝0.5△L≈2.6667×10-3△n(△zcentral为条纹移动的距离 差，△n为折射率差)。设定MZI两臂的长度差值△L＝32μm来实现初始检测位 置9μm(根据λ2/△λ得来，λ为中心波长，△λ为非0值光谱宽度),动态条纹峰值 位置16μm,经验证此参数下可避免采集到静态条纹。
结合条纹移动距离和折射率的线性关系，Si3N4的一阶TOC(热光系数)， 在300K室温下其约为6.2×10-5K-1。在条纹移动z＝40nm时其温度变化量 0.242K，符合传统CCD的7μm像元尺寸大小，可采用6个非对称的金属纳米线 阵列，分别置于直波导L5上，距离波导中心OPD＝0的位置为：左侧13μm、21μm、 29μm，右侧17μm、25μm、33μm。各个金属纳米线在相位变换过程，还原后的光 谱和原始入射光谱如图4(b)所示，图4(c)为局部放大图。
以典型Raman光谱为例，分辨率R＝1/2nzmax，当zmax＝500μm，可实现5cm-1的分辨率；根据奈奎斯特采样定律，采样间隔必须小于59nm，重构光谱范围 可大于1.88×104cm-1。设置采样间隔△z＝40nm，MZI两臂初始长度差值 △LRaman＝667μm，在波导中心OPD＝0左右两侧分别设置25个金属纳米线，其间距 40μm，左边第一个金属纳米线及右边第一个金属纳米线距离波导中心OPD＝0的 位置分别为145μm、165μm。当温度每次该变量为0.242K，改变500次，需要 的温度改变量为121K。根据Si3N4的一阶TOC(热光系数)，工艺上可实现。当 金属纳米线宽度不一样时，重构的拉曼信号如图5所示，其中，(a)不同金属 纳米线宽度Raman光谱还原强度信息与原始Raman强度信息；(b)典型特征峰 1365cm-1和1509cm-1还原光谱和原始光谱比较。各峰位处的光谱强度重构误差约 为1.36％～27.08％；光谱的峰位重构误差约为0.774～2.574cm-1。对于金属纳米 线的分布和设置还需要进一步的优化，以期得到良好的光谱重构效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的 宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种片上拉曼检测系统，其特征在于：包括：激励光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器；
所述激励光源用于产生激励光并通过耦合光栅、第一波导和第一波导转换器将激励光传入拉曼传感单元；
所述拉曼传感单元用于增强局域电场和拉曼信号，所述拉曼传感单元包括槽型波导和设置于槽型波导横截面的金属光栅，所述槽型波导的输入端与所述波导转换器的输出端连接，所述槽型波导的输出端与第二波导转换器的输入端连接，第二波导转换器的输出端与第二波导输入端连接；
所述滤波单元用于滤除接收的光波的激励光波和瑞利散射光波，所述滤波单元的输入端与第二波导的输出端连接，所述滤波单元的输出端与Y型波导的主管连接；
所述光谱采集单元用于采集拉曼光信号，所述光谱采集单元包括第一MZI、第二MZI和第三波导，所述第一MZI的输入端与Y型波导的第一支管的输出端连接，第二MZI的输入端与Y型波导的第二支管的输出端连接，第一MZI和第二MZI输出的光波矢量叠加在第三波导上，第三波导上设置有使其内传播的光信号散射的散射组件；
所述探测器用于探测从第三波导中散射的拉曼信号光并转换成电信号供输出处理；
其中，所述激励光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器均集成在硅片上；
所述第一MZI和第二MZI以二者输出的光信号以光程差零点值为中心对称分布于第三波导的两端，所述第一MZI输出的光信号和第二MZI输出的光信号均包括静态条纹光信号和动态条纹光信号。
2.根据权利要求1所述片上拉曼检测系统，其特征在于：所述第一MZI的上臂和第二MZI的上臂均可调节。
3.根据权利要求1所述片上拉曼检测系统，其特征在于：所述第三波导上的组件包括若干设置于第三波导上的金属纳米线。
4.根据权利要求3所述片上拉曼检测系统，其特征在于：所述第三波导上的组件包括若干设置于第三波导上的纳米凹槽。
5.根据权利要求4所述片上拉曼检测系统，其特征在于：所述第三波导为直波导。
6.根据权利要求5所述片上拉曼检测系统，其特征在于：所述金属纳米线或纳米凹槽设置于以光程差零点值为中心的第三波导的两侧壁。
7.根据权利要求6所述片上拉曼检测系统，其特征在于：设置于以光程差零点值为中心的第三波导的两侧壁的金属纳米线或纳米凹槽的数量相等，且两侧的金属纳米线或纳米凹槽两两间的间距不相等。
8.根据权利要求1所述片上拉曼检测系统，其特征在于：所述激励光源为片上激光器。
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张灿 等.槽型波导耦合纳米结构增强拉曼光谱.《光学学报》.2020,第1-7页. *

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