CN114858276B - 多端口宽谱整形器件及计算式光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多端口宽谱整形器件，用于计算式光谱测量的光谱全局采样；其包括：一个主环形谐振器和多个次级环形谐振器；主环形谐振器包括一个环形波导和设置于该环形波导外部并与环形波导分别耦合的多个线性波导；次级环形谐振器设置于环形波导的环内且与主环形耦合器分别耦合，次级环形谐振器顺次排列成一条曲线，任意相邻的两个次级环形谐振器相互耦合；线性波导的其中一个端口作为器件的输入端口，其余端口中的多个作为器件的输出端口；该多端口宽谱整形器件的整形参数被配置为使得输入端口到各输出端口的传输函数互不相同。本发明还公开了一种计算式光谱仪。本发明无需额外的多路分光器件，在保持性能的同时大幅降低器件尺寸和损耗。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量技术领域，尤其涉及一种用于计算式光谱测量的多端口宽谱整形器件。
背景技术
为了检测目标光谱的信息，光谱仪应运而生，它能够恢复出所输入的任意未知光谱。光谱仪广泛应用于通信、材料学、天文学、地理科学、遥感等领域。随着物联网和智能设备的发展，迫切需要能够单次测量即可重建光谱的集成光谱仪，如智能可穿戴设备、便携式医疗设备、无人机遥感等等。现有的集成光谱仪多采用窄带分光式，即利用窄带滤波器或分光光栅将待测光谱不同波长成分提取至不同通道进行单独测量。所需通道数量等于光谱仪带宽和精度的比值。这种方案原理简单，但是为了获得大带宽、高精度势必要提高分光通道数量，导致每个探测器接收到的信号能量下降，影响了系统尺寸和信噪比，因此难以兼顾带宽、精度、尺寸和信噪比。
而计算式光谱仪由于可有效解决上述问题而日益成为研究热点。计算式光谱仪的基本原理如下：首先将信号均匀分光至M路，随后分别通过M个具有不同传输函数的双端口宽带光谱整形器件（1个输入端、1个输出端）对信号进行光谱全局采样，采样结果经过光电转换为电信号在经过特定算法处理后即可重建未知光谱。在采用高性能宽带光谱整形器件时，产生同样性能（带宽、精度）时计算式光谱仪所需分光通道数量M（也即宽带光谱整形器件数量）可远远小于传统的光谱仪所需的分光通道数量，因此能够在保持光谱仪大带宽、高精度优点的同时，有效提升光谱仪信噪比、减小系统尺寸。
现有的计算式光谱仪均基于上述结构，即先分光至多路，然后每路连接一个双端口宽谱整形器如图1所示。而多路分光器件一般采用二叉树的结构，尺寸大、插损高、输出端口数量不灵活(只能为
)、扩展性差。尤其是当面向超高性能计算式光谱仪时，所需的分光通道数量M（也即宽带光谱整形器件数量）也较大，导致多路分光器件尺寸巨大，急需新结构解决分光器件带来的额外尺寸和损耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种多端口宽谱整形器件，用于计算式光谱测量时，无需额外的多路分光器件，在保持性能的同时大幅降低器件尺寸和损耗。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种多端口宽谱整形器件，用于计算式光谱测量的光谱全局采样；所述多端口宽谱整形器件包括：一个主环形谐振器和多个次级环形谐振器；所述主环形谐振器包括一个环形波导和设置于该环形波导外部并与环形波导分别耦合的多个线性波导；所述多个次级环形谐振器设置于所述环形波导的环内且与主环形耦合器分别耦合，所述多个次级环形谐振器顺次排列成一条曲线，任意相邻的两个次级环形谐振器相互耦合；所述多个线性波导的所有输入输出端口中的其中一个作为该多端口宽谱整形器件的输入端口，其余输入输出端口中的多个作为该多端口宽谱整形器件的输出端口；该多端口宽谱整形器件的整形参数被配置为使得输入端口到各输出端口的传输函数互不相同。
优选地，所述多个次级环形谐振器顺次排列成的曲线为闭合曲线。
优选地，该多端口宽谱整形器件的整形参数包括以下多种参数中的至少一种：各次级环形谐振器与主环形谐振器之间的耦合系数，各次级环形谐振器相互之间的耦合强度，主环形谐振器和各次级环形谐振器的谐振腔长度。
优选地，次级环形谐振器的数量大于6。
优选地，该多端口宽谱整形器件的输出端口数量大于10。
优选地，所述整形参数使用以下方法得到：将该多端口宽谱整形器件的各输出端口分别等效为一个双端口宽谱整形器件；然后以该多端口宽谱整形器件的整形参数作为待优化参数，以各双端口宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个双端口宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，使用多目标优化方法对待优化参数进行优化。
进一步优选地，用传输函数间的互相关系数度量各双端口宽谱整形器件相互之间的相关性。
进一步优选地，以极点数量和/或自相关系数度量单个宽带光谱整形器件传输函数在波长域的随机性。
优选地，所述整形参数被配置为随机分布。
基于本发明多端口宽谱整形器件还可得到以下技术方案：
一种计算式光谱仪，包括采样单元，用于同时使用多个具有不同传输函数的宽谱整形器件分别进行光谱全局采样，所述采样单元为如上任一技术方案所述多端口宽谱整形器件。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明所提出的多端口宽谱整形器件，具有1个输入和多个输出端口，无需额外的多路分光器件，具有紧凑的尺寸和优越的扩展性；同时具有丰富的设计自由度，可以保证每个输出端口产生高度随机的传输函数并且任意两个输出端口可产生高度线性不相关的传输函数。
本发明所提出的计算式光谱仪，通过单次测量即可高精度地重建输入光谱，由于采用上述多端口宽谱整形器件，制造难度、制造成本得到大幅降低，同时测量精度有效提升，其实用性远超现有的计算式光谱仪。
附图说明
图1为现有计算式光谱测量装置的结构原理示意图；
图2为本发明多端口宽谱整形器件一个具体实施例的结构原理示意图；
图3为一个包含10个次级环形谐振器和19个输出端口的多端口宽谱整形器件其中两个输出端口的传输函数仿真结果；
图4 为采用一个包含10个次级环形谐振器和19个输出端口的多端口宽谱整形器件实现的光谱重建仿真结果。
具体实施方式
针对现有技术存在的需要大尺寸、可扩展性差的多路分光器件的不足，本发明的解决思路是提出一个结构紧凑的多端口宽谱整形器件，每个端口均可产生高度随机且不同的传输函数，实现对待测信号光谱的全局采样，待测信号输入至该器件后，无需分光，器件每个端口均可视为一个独立的双端口宽带光谱整形器。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种多端口宽谱整形器件，用于计算式光谱测量的光谱全局采样；所述多端口宽谱整形器件包括：一个主环形谐振器和多个次级环形谐振器；所述主环形谐振器包括一个环形波导和设置于该环形波导外部并与环形波导分别耦合的多个线性波导；所述多个次级环形谐振器设置于所述环形波导的环内且与主环形耦合器分别耦合，所述多个次级环形谐振器顺次排列成一条曲线，任意相邻的两个次级环形谐振器相互耦合；所述多个线性波导的所有输入输出端口中的其中一个作为该多端口宽谱整形器件的输入端口，其余输入输出端口中的多个作为该多端口宽谱整形器件的输出端口；该多端口宽谱整形器件的整形参数被配置为使得输入端口到各输出端口的传输函数互不相同。
所述多个次级环形谐振器顺次排列成的曲线可以为闭合曲线，也可以为非闭合曲线；优选为闭合曲线，即曲线首、尾的两个次级环形谐振器也相互耦合。
优选地，该多端口宽谱整形器件的整形参数包括以下多种参数中的至少一种：各次级环形谐振器与主环形谐振器之间的耦合系数，各次级环形谐振器相互之间的耦合强度，主环形谐振器和各次级环形谐振器的谐振腔长度。
次级环形谐振器的数量和输出端口数量可根据实际需要灵活选择，优选地，次级环形谐振器的数量大于6；优选地，该多端口宽谱整形器件的输出端口数量大于10。
优选地，所述整形参数使用以下方法得到：将该多端口宽谱整形器件的各输出端口分别等效为一个双端口宽谱整形器件；然后以该多端口宽谱整形器件的整形参数作为待优化参数，以各双端口宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个双端口宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，使用多目标优化方法对待优化参数进行优化。
进一步优选地，用传输函数间的互相关系数度量各双端口宽谱整形器件相互之间的相关性。
进一步优选地，以极点数量和/或自相关系数度量单个宽带光谱整形器件传输函数在波长域的随机性。
作为另一种优选方案，所述整形参数被配置为随机分布。
该多端口宽谱整形器件既可以为分立器件，也可以为光集成器件；优选地，该多端口宽谱整形器件为光集成器件。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本实施例的多端口宽谱整形器件如图2所示，包括1个主环形谐振器和10个的次级环形谐振器，主环形谐振器包括一个环形波导和设置于该环形波导外部并与环形波导分别耦合的多个线性波导；本实施例中的次级环形谐振器为分别与主环形谐振器耦合的10个较小的环形波导，10个次级环形谐振器主环形谐振器的环内顺次排列成一条闭合曲线，任意相邻的两个次级环形谐振器相互耦合；所述多个线性波导的所有输入输出端口中的其中一个作为该多端口宽谱整形器件的输入端口，其余输入输出端口中的多个作为该多端口宽谱整形器件的输出端口。本实施例中主环形谐振器外的线性波导共有10个，每个线性波导有两个输入输出端口，因此该多端口宽谱整形器件共计19个输出端口，另1个是输入端口。该多端口宽谱整形器件的19个输出端口可分别等效为一个传统的双端口宽谱整形器件，令输入端口到这19个输出端口的传输函数互不相同，即可满足计算式光谱测量对于光谱全局采样的要求。该多端口宽谱整形器件的整形参数为：各次级环形谐振器与主环形谐振器之间的耦合系数，各次级环形谐振器相互之间的耦合强度，主环形谐振器和各次级环形谐振器的谐振腔长度。这些整形参数均可作为这些双端口宽谱整形器件传输函数的设计自由度，通过调节这些设计自由度可实现对这些双端口宽谱整形器件传输函数的改变，从而保证每个双端口宽谱整形器件的传输函数变化剧烈且任意两个双端口宽谱整形器件的传输函数高度不同（如图3所示），亦即各双端口宽谱整形器件相互之间的相关性很小，同时单个双端口宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性较大，可完全满足计算式光谱测量对于宽谱整形器件的需求。
通常，将这些整形参数配置为随机分布即可满足计算式光谱测量对各输出端口传输函数的要求；也可以进一步对这些整形参数进行优化，例如通过大量实验确定较优的整形参数，但更好的办法是将该多端口宽谱整形器件的各输出端口分别等效为一个双端口宽谱整形器件；然后以该多端口宽谱整形器件的整形参数作为待优化参数，以各双端口宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个双端口宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，使用多目标优化方法（例如模拟退火算法、粒子群优化算法、遗传算法等）对待优化参数进行优化。其中，各双端口宽谱整形器件相互之间的相关性可以用传输函数间的互相关系数来进行度量，单个宽带光谱整形器件传输函数在波长域的随机性可以用极点数量和/或自相关系数来进行度量。
在进行光谱测量时，待测光信号经输入端进入该多端口宽谱整形器件，产生M个输出（M小于或等于该多端口宽谱整形器件的输出端口数量，既可以根据实际需要选用部分或全部输出端口），然后用M个光电探测器对这M个输出端口输出的光信号进行一一对应地光电探测，则转换为的电信号表达式为：
其中，
，
分别表示第1个～第M个光电探测器的检测结果；n为经过校准得到的归一化系数；
为待测光信号的光谱，N为光谱仪带宽和精度的比值，可视为N个未知数；
为所述M个输出端口的采样矩阵，
为第i个输出端口的光谱传输函数，i=1，2，
M。由于M个输出端口的传输函数高度不同， M可远小于N；而对于传统的分光式光谱仪，M恒等于N。因此本发明计算式光谱仪可在实现大带宽、高精度的同时保持较少的分光通道，提升系统信噪比、降低系统尺寸。
包含19个输出端口和10个次级环形谐振器的计算式光谱仪的系统仿真结果如图4所示，可见光谱信号（带宽100nm，最小精度1nm）可被精确的重建。而传统的基于窄带滤波或色散光栅的光谱仪则需要将待测信号分光至100个采样精度为1nm的滤波器或色散通道中才可实现光谱重建，相比之下本发明提出的计算式光谱仪可大幅降低所需器件数量和分光通道数量，提高信噪比和测量动态区间。而相比现有计算式光谱测量技术需要先分光，然后用由并行的M个双端口宽谱整形器件所组成的采样单元进行光谱全局采样，本发明的一个多端口宽谱整形器件即可作为采样单元，同时实现所有的光谱全局采样任务，不需分光器件，结构更紧凑，扩展性更好，测量结果更精确。
Claims (10)
1.一种多端口宽谱整形器件，用于计算式光谱测量的光谱全局采样；其特征在于，所述多端口宽谱整形器件包括：一个主环形谐振器和多个次级环形谐振器；所述主环形谐振器包括一个环形波导和设置于该环形波导外部并与环形波导分别耦合的多个线性波导；所述多个次级环形谐振器设置于所述环形波导的环内且与主环形耦合器分别耦合，所述多个次级环形谐振器顺次排列成一条曲线，任意相邻的两个次级环形谐振器相互耦合；所述多个线性波导的所有输入输出端口中的其中一个作为该多端口宽谱整形器件的输入端口，其余输入输出端口中的多个作为该多端口宽谱整形器件的输出端口；该多端口宽谱整形器件的整形参数被配置为使得输入端口到各输出端口的传输函数互不相同。
2.如权利要求1所述多端口宽谱整形器件，其特征在于，所述多个次级环形谐振器顺次排列成的曲线为闭合曲线。
3.如权利要求1所述多端口宽谱整形器件，其特征在于，该多端口宽谱整形器件的整形参数包括以下多种参数中的至少一种：各次级环形谐振器与主环形谐振器之间的耦合系数，各次级环形谐振器相互之间的耦合强度，主环形谐振器和各次级环形谐振器的谐振腔长度。
4.如权利要求1所述多端口宽谱整形器件，其特征在于，次级环形谐振器的数量大于6。
5.如权利要求1所述多端口宽谱整形器件，其特征在于，该多端口宽谱整形器件的输出端口数量大于10。
6.如权利要求1所述多端口宽谱整形器件，其特征在于，所述整形参数使用以下方法得到：将该多端口宽谱整形器件的各输出端口分别等效为一个双端口宽谱整形器件；然后以该多端口宽谱整形器件的整形参数作为待优化参数，以各双端口宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个双端口宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，使用多目标优化方法对待优化参数进行优化。
7.如权利要求6所述多端口宽谱整形器件，其特征在于，用传输函数间的互相关系数度量各双端口宽谱整形器件相互之间的相关性。
8.如权利要求6所述多端口宽谱整形器件，其特征在于，以极点数量和/或自相关系数度量单个宽带光谱整形器件传输函数在波长域的随机性。
9.如权利要求1所述多端口宽谱整形器件，其特征在于，所述整形参数被配置为随机分布。
10.一种计算式光谱仪，包括采样单元，用于同时使用多个具有不同传输函数的宽谱整形器件分别进行光谱全局采样，其特征在于，所述采样单元为如权利要求1～9任一项所述多端口宽谱整形器件。
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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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