CN113701884B - 基于亚波长结构的宽带滤波型片上的光谱或频谱分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光子芯片的光谱或频谱分析技术领域，具体涉及一种宽带滤波型光谱或频谱分析系统。基于亚波长结构的宽带滤波型片上的光谱或频谱分析系统，包括依次布置在芯片上的光耦合器、功分器、亚波长结构宽带滤波器阵列、集成光波导和光电探测器；亚波长结构宽带滤波器包含若干微纳结构，任意两个不同的亚波长结构宽带滤波器的微纳结构参数均不相同。本发明是在光子芯片上实现的，可将光耦合器、分光器和亚波长结构宽带滤波器都集成在一个芯片上，亚波长结构宽带滤波器尺寸非常小，与传统光谱或频谱探测系统相比，体积大幅度减小，且功耗和质量也有很大降低，使系统更稳定。
Description
技术领域
本发明涉及光子芯片的光谱或频谱分析技术领域，具体涉及一种宽带滤波型光谱/频谱分析系统。
背景技术
光谱仪、频谱仪如今应用领域已十分广泛，比如在传感技术、材料科学、法医学、天文学、农业等领域。目前，先进的高性能的光谱仪由于存在体积大、成本高、系统难实现的问题，使其在各领域中的大规模部署和应用受到限制。便携式的频谱仪因体积小功耗低在监测频谱信息时更便捷，所以在教学、军事领域、国防科技中也被广泛需求。在实现光谱仪、频谱仪小型化的各种方法中，光子芯片器件属于前景良好的发展领域，因为它与低成本的CMOS制造技术兼容。此外，基于不同材料体系的光子芯片可以覆盖不同的工作波长，实现不同光谱/频谱范围的相关测量。可以在极小面积的器件上实现高集成度的功能结构。
减小光谱仪尺寸面临的一个问题是：相似波长的光需要较长的传播路径才能积累到可检测到的相位差。在典型的单色仪或傅里叶变换光谱仪中，光只通过一到两次，光路长度受器件物理尺寸的限制。减小光谱仪尺寸的一种有效的办法是利用微腔的多次反射，微腔可以将光路长度增加到其物理尺寸的数万倍。目前，基于光子晶体腔、微环谐振器的光谱仪具有小型化、应用场景广的特点。改进的片上傅里叶变换光谱仪使用马赫-曾德尔干涉仪，入射信号的两个路径之间存在光路延迟，可以测量每个光路延迟处的干涉强度检测入射信号的自相关函数。但是这种光谱仪要集成加热结构，通过改变波导的有效折射率控制光路延迟的时间，这种方式存在热光效应引起反应慢、加热器功耗高和测量时间较长的问题。
在宽带滤波光谱或频谱仪设计领域，如何实现体积小、功耗低、获得理想正交的光谱或频谱响应曲线是本领域需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的宽带滤波光谱或频谱仪存在的问题，提供一种体积小、功耗低、能够获得理想正交的光谱或频谱响应曲线的光谱或频谱分析系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于亚波长结构的宽带滤波型片上的光谱或频谱分析系统，包括依次布置在芯片上的光耦合器、功分器、亚波长结构宽带滤波器阵列、集成光波导和光电探测器；亚波长结构宽带滤波器包含若干微纳结构，任意两个不同的亚波长结构宽带滤波器的微纳结构参数均不相同。
进一步地，所述亚波长结构宽带滤波器根据所需要的采样响应曲线，采用逆设计算法，计算出所述微纳结构的位置、尺寸大小。
进一步优选地，所述的微纳结构的形状选自圆孔、矩形、十字形、无规则形状中的任一种。
进一步优选地，所述的宽带滤波器的微纳结构位于集成光波导相同的平面层，或者位于其上或其下的平面层，或以浅刻蚀的方式集成于光波导所在的平面层。
进一步优选地，所述的光耦合器为耦合光栅或端面耦合器。
本发明提供的片上亚波长结构宽带滤波型光谱或频谱分析系统，不同的亚波长结构宽带滤波器上的微纳结构设置不同，任意两个不同的亚波长结构宽带滤波器的输出光谱或频谱响应曲线接近独立或正交，每个亚波长结构宽带滤波器产生光谱/频谱响应曲线不同，自相关很小，在对输入信号采样时可以获得高分辨率，从而实现有效的信号计算重建。
本发明是在光子芯片上实现的，可将光耦合器、分光器和亚波长结构宽带滤波器都集成在一个芯片上，亚波长结构宽带滤波器尺寸非常小。本发明与传统光谱/频谱探测系统相比，体积大幅度减小，且功耗和质量也有很大降低，可以使系统更稳定。
附图说明
图1示出了本发明所提供的一种片上亚波长结构宽带滤波器光谱或频谱分析系统的示意图；
图2示出了本发明所提供的一种光耦合器的结构示意图；
图3示出了本发明所提供的一种1×N功分器结构示意图；
图4示出了本发明提供的一种亚波长结构宽带滤波器结构示意图；
图5示出了本发明提供的一种光经过亚波长结构宽带滤波器得到的光谱曲线；
图6示出了本发明提供的亚波长宽带滤波器的截面示意图；
图7示出了本发明提供的一种亚波长结构宽带滤波器的空间耦合方式的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。
本实施例提供的片上亚波长结构宽带滤波型的光谱或频谱分析系统的结构如图1所示，包括光耦合器100、功分器200、亚波长结构宽带滤波阵列300、集成光波导400、和光电探测器500。
光耦合器100用于将输入光耦合至功分器200的输入端口。本事实例中，光耦合器100以耦合光栅为例，期间结构如图2所示，包括刻蚀部分101和宽度渐变部分102。刻蚀部分101用于完成输入光的模式匹配，通过衍射改变光的传播方向，将垂直入射的光纤的光耦合至光子芯片上。宽度渐变部分102是一种taper结构，用于将模式匹配的输入光耦合至功分器的输入端。因为本实施例使用的单模光纤的纤芯直径在10 um左右，它的直径远大于只有500nm宽的波导，因此需要光耦合器完成模式匹配和传输，减小损耗。
功分器200用于将输入光分成多个光束，并将多个光束分别通过功分器的输出波导203传输至亚波长结构宽带滤波器的输入端。具体的，以绝缘衬底上硅(Silicon-On-Insulator,简称SOI)和多模干涉仪MMI(multi-mode interference)为例，如图3所示，在220nm的顶层硅SOI片上刻蚀出功分器的结构，可以是片上多模干涉仪或片上星型分束器等。有一个输入波导201、分光结构202和多个输出波导203。通过功分器200，可以得到需要的分光比，并分配到不同的宽带滤波器。
功分器200可以使用片上MMI或片上星型分束器结构以及级联等方式。也可以用本文设计亚波长结构宽带滤波器采用的逆设计方法对结构进行设计。材料的选择可以选择SiC、SiN、silicon-on-sapphire(SOS)等。此外，波长的选择不仅限于常用的1310nm和1550nm，设计可以扩展到可见光波段(400nm-700nm)、近红外、中红外等波段。
亚波长结构宽带滤波阵列300由若干个亚波长结构宽带滤波器组成。单个亚波长结构宽带滤波器的结构如图4所示，由周期远小于材料等效波长的微纳阵列结构组成，属于亚波长结构(Sub-Wavelength Structure, SWS)。在亚波长结构器件里，光在介质中传输的过程属于折射率引导型。
本实施例中的亚波长结构宽带滤波器，是在光子芯片的光场传输区域刻蚀出微纳结构，其几何形状包括但不限于圆形、矩形、十字星等，通过微纳结构来调制传输介质的有效折射率，实现特定的传输函数。
通过设计亚波长宽带滤波器的微纳结构，可以为每个探测器定制不同的光谱/频谱响应曲线，如图5所示，采用逆设计的方法，先根据器件的目标功能，设置一个品质因数(Figure of merit, FOM)，然后通过逆向计算，在满足一定约束条件的基础上寻找一个能使品质因数最大化的器件结构。对于光子芯片来说，可选择的品质因数可以是器件的场强、光谱透射率、模场匹配度等，也可以根据需要选择不同的约束条件，常见的约束条件有器件最小尺寸、周期、材料组成等。
如图6所示，亚波长宽带滤波器由若干个微纳结构组成；相应微纳结构可以是通孔，位于集成光波导相同的平面层，也可以采用浅刻蚀的方式集成于光波导平面层，或者以浮雕等方式集成于其上或其下的平面层；各层材料根据待测光谱范围的折射率等特性，可以包括但不限于硅、锗、III-V族材料、氮化硅、蓝宝石等。
在本实施例中，在对亚波长宽带滤波阵列进行仿真时，使用拓扑优化、遗传算法、伴随法等算法，根据压缩感知原理，设计滤波器的微纳结构以获得所需的采样响应曲线。其思路是不依赖物理模型，针对目标函数，对器件区域的介电常数分布进行设计，即采用反向设计的方法。拓扑优化算法将器件区域划分为密集单元，设计域中每个组成单元赋予材料特性如介电常数，目标函数一般设为宽带滤波响应曲线以及互相关函数。基于目标函数对设计参数的梯度进行迭代，每次迭代可以获得器件区域内二值化的介电常数分布，通过梯度为算法提供改进方向，从而实现优化，得到最终介电常数分布，即硅层中空气结构的位置、尺寸、分布等信息。遗传算法将器件设计域进行简单亚波长二值像素化处理，对其进行基因编码，通过模拟基因进化对相关像素的状态进行反转获得问题的最优解，即器件设计域介电常数的二值化分布。
其中设计域，是算法中顶层硅分布的几何空间、孔的大小和距离等。在优化计算的过程中，处理的是离散变量的问题，它的取值只有0和1，并且非零即一，最终确定微纳结构的大小和位置。
在本实施例中，如图1所示，展示了包含至少4个亚波长宽带滤波器的光谱或频谱分析系统。宽带滤波器的数目是可以根据所需测量分辨率的改变而改变，需要的分辨率越高，宽带滤波器的个数应该越多。各个宽带滤波器的内部结构是互不同的，每个宽带滤波器的折射率调制微纳结构均不相同。这样，每个宽带滤波器的响应都不同，确保了它们的互相关性很小。亚波长结构宽带滤波器的尺寸非常小，在一个2mm×2mm的芯片上，仅占3um×4.5um的面积。
在本实施例中，通过对亚波长结构宽带滤波器的微纳结构进行设计，得到不同的光谱或频谱响应曲线，输入信号经该响应曲线采样后，由图1所示光电探测器500进行测量，根据压缩感知原理对输入信号进行计算重建。未知输入信号的光谱或频谱功率为P(λ)，将其通过亚波长宽带滤波器阵列，该阵列的透射率为T(λ)。在光电探测器上探测的输入信号的功率为：D=
。
理想情况下，这个过程中处理的是连续变量，但是在重建的过程中，将重建的是信号功率谱的离散数值。所以在本实施例中使用P(λm)和T(λm)矢量来表示未知信号光功率P(λ)和宽带滤波的透射率T(λ)，m=1，2，3，···M。M表示矢量的长度，通过它可以确定重建输入信号的频谱分辨率。T(λm)是一个[N×M]微的采样矩阵，N对应亚波长宽带滤波器的数量。离散化之后，在光电探测器上探测的输入信号的功率为：
。对于N个不同的亚波长宽带滤波器，将会有N 个相对应的
值。这就提供了N个线性代数方程。通过对N个线性代数方程求解，可以得到输入信号P(λm)的值。根据压缩采样原理，可以使所需的亚波长宽带滤波器数目小于频谱分辨率的数目（N<M）。在宽带滤波器数目N小于频谱分辨率数目M时，也就是方程的个数小于未知数的个数时，这是一个欠定的线性代数问题。在矩阵中，求解欠定线性方程组的时候，通常加上正则约束来解决解不唯一的问题。
上述实施方式阐述了平面光子芯片式光谱仪，其中输入信号宽带滤波器平面层（XY平面）耦合进入经调制采样后从同一平面耦合输出。此外，该宽带滤波器的输入信号也可从垂直于其平面层的方向（Z方向）耦合输入及输出，从而实现一种空间耦合的光谱分析系统。在此模式下，从空间入射的光可以耦合到横向传播模式，其中光可在亚波长的微纳结构之间多次反射，产生导模共振、法诺共振以及法布里-珀罗共振等效应，实现丰富的光谱调制响应曲线。在空间耦合模式下，可把亚波长宽带滤波器直接集成在CMOS传感器像素单元之上，实现基于编码采样的光谱、成像等功能。如图7所示，亚波长结构宽带滤波器平面层叠加于CMOS像元结构层之上。
本公开提供的基于亚波长结构宽带滤波器的光谱或频谱测量系统具有以下优点：
这种亚波长宽带滤波器，在信噪比、集成度、成本、系统操作难易度等方面都优于之前的分体式的光谱或频谱仪。与傅里叶变换光谱或频谱仪技术相比，具有功耗极低和瞬时频谱重建的优点。
亚波长宽带滤波器具有两个特征，（1）每个宽带滤波器有不同的透射谱，也就是说，在波长范围内，相关度很小，在对输入信号进行采样时能获得高的光谱/频谱分辨率。（2）来自任意两个不同的亚波长结构宽带滤波器的透射谱近于独立，这样可以获得高秩的采样矩阵。
本本实施例的基于亚波长结构的宽带滤波型片上光谱或频谱分析系统，其分辨率高、体积小、功耗低，并且很多参数可以根据所需条件灵活调控。
Claims (3)
1.基于亚波长结构的宽带滤波型片上的光谱或频谱分析系统，包括依次布置在芯片上的光耦合器、功分器、亚波长结构宽带滤波器阵列、集成光波导和光电探测器；其特征在于，亚波长结构宽带滤波器包含若干微纳结构，任意两个不同的亚波长结构宽带滤波器的微纳结构参数均不相同；所述亚波长结构宽带滤波器根据所需要的采样响应曲线，采用逆设计算法，确定所述微纳结构的位置和尺寸大小，具体为：在对亚波长结构宽带滤波器阵列进行仿真时，使用拓扑优化算法，根据压缩感知原理，设计亚波长结构宽带滤波器的微纳结构以获得所需的采样响应曲线；针对目标函数，对器件区域的介电常数分布进行设计；拓扑优化算法将器件区域划分为密集单元，设计域中每个组成单元赋予介电常数，目标函数设为宽带滤波响应曲线以及互相关函数；基于目标函数对设计参数的梯度进行迭代，每次迭代可以获得器件区域内二值化的介电常数分布，通过梯度为算法提供改进方向，从而实现优化，得到最终介电常数分布，从而获得硅层中空气结构的位置、尺寸和分布信息；所述的亚波长结构宽带滤波器的微纳结构位于集成光波导相同的平面层，或者位于集成光波导上或集成光波导下的平面层，或以浅刻蚀的方式集成于集成光波导所在的平面层。
2.根据权利要求1所述的基于亚波长结构的宽带滤波型片上的光谱或频谱分析系统，其特征在于：所述微纳结构的形状选自圆孔形、矩形、十字形、无规则形状中的任一种。
3.根据权利要求1或2所述的基于亚波长结构的宽带滤波型片上的光谱或频谱分析系统，其特征在于：所述的光耦合器为耦合光栅或端面耦合器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 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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