CN115165102B - 一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪及检测方法，包括输入端口光栅、微环谐振器、刻蚀衍射光栅以及探测器阵列，各部分之间通过单模波导连接，其中微环谐振器上集成有加热电极，所述加热电极用于调节所述微环谐振器的输出波长，使输出波长覆盖整个自由光谱范围。本发明微环谐振器的输出光谱具有周期性，波长相隔一个自由光谱范围的光从微环谐振器的输出端口输出，记录微环谐振器输出波长调节一个完整的自由光谱范围所需电压，并选取调节电压间隔点数Ncounts；微环谐振器的自由光谱范围FSR等于刻蚀衍射光栅的通道间隔，按照步进点数扫描加热电极电压，即可通过探测器阵列测量完整的光谱，检测方便。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，特别涉及一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪及检测方法。
背景技术
片上光谱仪在光通讯、光谱学、化学、生物、天文学等领域有着广泛的应用，片上集成兼容CMOS工艺，在大规模生产时成本较低，并且能够与光电探测器相集成，实现光学光谱直接电读出。相比常规光谱仪来说，片上光谱仪具有体积小、携带便利、方便检测等优势，逐渐成为新的研究热点。
但常规片上光谱仪想要获得大带宽和高分辨率就不可避免的要有较大的片上器件面积，除增加了制作成本外，还会带来额外的损耗，并且对晶圆上波导的厚度和宽度提出了更严格的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪及检测方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪，包括输入端口光栅、微环谐振器、刻蚀衍射光栅以及探测器阵列，各部分之间通过单模波导连接，其中微环谐振器上集成有加热电极，所述加热电极用于调节所述微环谐振器的输出波长。
作为优选的，通过调节加热电极的工作电压调节微环谐振器的输出波长覆盖整个自由光谱范围。
作为优选的，所述的微环谐振器包括上下载型微环谐振器或全通型微环谐振器。
作为优选的，微环谐振器的输出光谱具有周期性，波长相隔一个自由光谱范围的光从微环谐振器的输出端口输出。
作为优选的，所述刻蚀衍射光栅设有若干个输出通道，相邻输出通道的输出光波长具有相同的通道间隔，所述通道间隔等于所述微环谐振器的输出波长间隔。
作为优选的，所述微环谐振器上集成的加热电极的制作工艺与CMOS工艺兼容，加热电极的材料包括氮化钛。
作为优选的，所述片上光谱仪上各组成部分的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅其中的一种或多种。
本发明公开了一种片上光谱仪的检测方法，包括如下步骤：
S1、设置若干个输出通道用于连接刻蚀衍射光栅与探测器阵列，相邻输出通道的输出光波长具有相同的通道间隔，所述通道间隔等于一个自由光谱范围；
S2、调节集成在微环谐振器上的加热电极的工作电压，从而调节微环谐振器的输出波长，控制所述微环谐振器的输出光谱具有周期性，波长相隔一个自由光谱范围的光从微环谐振器的输出端口输出进入刻蚀衍射光栅，不同波长的光由刻蚀衍射光栅的输出端口对应输出，进入探测器阵列；
S3、记录微环谐振器输出波长调节一个完整的自由光谱范围所需电压，并选取调节电压间隔点数，扫描加热电极电压即可通过探测器阵列测量完整的光谱。
本发明的有益效果：本发明一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪及检测方法，本发明微环谐振器的输出光谱具有周期性，波长相隔一个自由光谱范围的光从微环谐振器的输出端口输出，同时集成在微环谐振器上方的加热电极可调节微环谐振器的输出波长，使其覆盖整个自由光谱范围(FSR)。记录微环谐振器输出波长调节一个完整的自由光谱范围所需电压，并选取调节电压间隔点数Ncounts，片上光谱仪的光谱分辨率等于FSR/Ncounts；微环谐振器的自由光谱范围FSR等于刻蚀衍射光栅的通道间隔，按照步进点数扫描加热电极电压，即可通过探测器阵列测量完整的光谱，检测方便；另外，片上光谱仪仅需少量器件简单集成，结构紧凑。
附图说明
图1为本发明实施例片上光谱仪的结构示意图；
图2为本发明实施例中微环谐振器的输出光谱图；
图3为本发明实施例中刻蚀衍射光栅的输出光谱图；
图1中：1-输入端口光栅，2-微环谐振器，3-加热电极，4-刻蚀衍射光栅，5-探测器阵列，6-单模连接波导。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。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发明的概念。
如图1所示，本发明实施例提供一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪，所述片上光谱仪结构包括输入端口光栅1、微环谐振器2、刻蚀衍射光栅4以及探测器阵列5，其中微环谐振器2上集成有加热电极3，各组成部分间通过单模波导6相连接。
进一步地，所述的微环谐振器2是上下载型微环谐振器、全通型微环谐振器中的一种。
进一步地，所述微环谐振器2的输出光谱具有周期性，波长相隔一个自由光谱范围的光从微环谐振器的输出端口输出。
进一步地，所述微环谐振器上集成有加热电极3，通过调节加热电极3的工作电压可使微环谐振器2的输出波长覆盖整个自由光谱范围。
进一步地，所述刻蚀衍射光栅4的输出通道数为N，相邻通道的输出光波长具有相同的通道间隔Δλ。
进一步地，所述微环谐振器2的自由光谱范围等于所述刻蚀衍射光栅4的输出通道间隔。
进一步地，所述微环谐振器2上集成的加热电极3，加热电极3的制作工艺实现CMOS工艺兼容，加热电极的材料是氮化钛。
进一步地，所述片上光谱仪各组成部分的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅其中的一种或多种。
本实施例还提供一种一种片上光谱仪的检测方法，包括如下步骤：
S1、设置若干个输出通道用于连接刻蚀衍射光栅与探测器阵列，相邻输出通道的输出光波长具有相同的通道间隔，所述通道间隔等于一个自由光谱范围；
S2、调节集成在微环谐振器上的加热电极的工作电压，从而调节微环谐振器的输出波长，控制所述微环谐振器的输出光谱具有周期性，波长相隔一个自由光谱范围的光从微环谐振器的输出端口输出进入刻蚀衍射光栅，不同波长的光由刻蚀衍射光栅的输出端口对应输出，进入探测器阵列；
S3、记录微环谐振器输出波长调节一个完整的自由光谱范围所需电压，并选取调节电压间隔点数，扫描加热电极电压即可通过探测器阵列测量完整的光谱。
在本实施例中，所述微环谐振器2为上下载型微环谐振器，其中微型环半径R1=8.5um，微型环与上下方直波导之间间距gap=0.13um，微型环及上下方直波导的宽度width=0.41um，所述微环谐振器的自由光谱范围FSR=10nm；所述加热电极材料为氮化钛(TiN)，所述调节电压间隔点数Ncounts=10；所述刻蚀衍射光栅半径R2=219.2um，所述刻蚀衍射光栅的输出通道数为7，各通道间的输出通道间隔Δλ=10nm；所述片上光谱仪带宽为70nm，光谱分辨率为1nm，仅需少量器件简单集成，结构紧凑。
在本实施例中，如图2所示，微环谐振器的输出光谱具有周期性，波长相隔一个自由光谱范围的光从微环谐振器的输出端口输出进入刻蚀衍射光栅，由于微环谐振器的自由光谱范围与刻蚀衍射光栅的通道间隔相等，这些波长的光将由刻蚀衍射光栅特定的输出端口输出，进入探测器阵列，如图3所示。集成在微环谐振器上的加热电极可调节微环谐振器的输出波长，使其覆盖整个自由光谱范围。记录微环谐振器输出波长调节一个完整的自由光谱范围所需电压，并选取调节电压间隔点数，扫描加热电极电压即可通过探测器阵列测量完整的光谱。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪，其特征在于：包括输入端口光栅(1)、微环谐振器(2)、刻蚀衍射光栅(4)以及探测器阵列(5)，各部分之间通过单模波导(6)连接，其中微环谐振器(2)上集成有加热电极(3)，所述加热电极用于调节所述微环谐振器的输出波长，微环谐振器(2)的输出光谱具有周期性，波长相隔一个自由光谱范围的光从微环谐振器的输出端口输出，所述刻蚀衍射光栅(4)设有若干个输出通道，相邻输出通道的输出光波长具有相同的通道间隔，所述通道间隔等于所述微环谐振器(2)的输出波长间隔。
2.如权利要求1所述的一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪，其特征在于：通过调节加热电极的工作电压调节微环谐振器的输出波长覆盖整个自由光谱范围。
3.如权利要求1所述的一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪，其特征在于：所述的微环谐振器(2)包括上下载型微环谐振器或全通型微环谐振器。
4.如权利要求1所述的一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪，其特征在于：所述微环谐振器(2)上集成的加热电极(3)的制作工艺与CMOS工艺兼容，加热电极的材料包括氮化钛。
5.如权利要求1所述的一种大带宽高分辨率紧凑型的片上光谱仪，其特征在于：所述片上光谱仪上各组成部分的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅其中的一种或多种。
6.一种基于权利要求1所述的片上光谱仪的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、设置若干个输出通道用于连接刻蚀衍射光栅与探测器阵列，相邻输出通道的输出光波长具有相同的通道间隔，所述通道间隔等于一个自由光谱范围；
S2、调节集成在微环谐振器上的加热电极的工作电压，从而调节微环谐振器的输出波长，控制所述微环谐振器的输出光谱具有周期性，波长相隔一个自由光谱范围的光从微环谐振器的输出端口输出进入刻蚀衍射光栅，不同波长的光由刻蚀衍射光栅的输出端口对应输出，进入探测器阵列；
S3、记录微环谐振器输出波长调节一个完整的自由光谱范围所需电压，并选取调节电压间隔点数，扫描加热电极电压即可通过探测器阵列测量完整的光谱。
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