CN115165762A - 一种具有光谱分辨功能的芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有光谱分辨功能的芯片，包含微环和至少一组波长选择器，微环的输出端通过波导与至少一组波长选择器的输入端连接，每组波长选择器对应设置有光发射器、第一探测器和第二探测器，波长选择器的输出端通过波导连接光发射器，第一探测器接收光发射器发出的激光信号，第二探测器接收光发射器发射到自由空间反射回来的激光信号。本发明从光源强度、波长选择以及光谱信号探测出发，在硅基衬底上集成光频梳、热光调制器、光发射器、锗探测器和波导，实现高性能的片上硅基光谱仪芯片，与传统的色散结构器件相比，可以在很小的尺寸内实现高精度的分光功能，且能够满足光谱仪日常使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种芯片，特别是一种具有光谱分辨功能的芯片，属于芯片技术领域。
背景技术
光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由色散元件和探测器等元器件构成。测量物体表面反射的光线通过光谱仪之后，通过对光信息的抓取、以电脑化自动显示数值和分析，从而测知物品中成分信息。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生等的检测中。随着微型光谱仪应用测量系统的不断拓展，其快速高效分析及便携式实时应用的优势逐渐显现出来，光谱分析技术正逐步从实验室分析走向现场实时检测。
色散元件是光谱仪的核心芯片，对待测光谱的分析具有重要的决定作用。传统的微型光谱仪采用光栅色散元件，需要进行对准和封装，难以实现芯片集成。采用硅的CMOS工艺，S. N. Zheng 等人报道基于热光效应的微环和马赫-曾德尔调制器制备的傅立叶微型光谱仪，实现光谱测试的功能。[文献Microring resonator-assisted Fourier transformspectrometer with enhanced resolution and large bandwidth in single chipsolution. Nat. Commun. 10, 2349 (2019).] 但是，目前基于硅基CMOS工艺平台的硅基微型光谱仪，信号光的收集效率比较低。主要有以下两点：1、光源非激光光源，方向性和准直性差，2、光斑发散角大，信号光在自由空间传输之后，需要耦合进光纤、光栅或波导，此时光信号强度已经非常微弱，难以再进行后续信号变换处理。因此，仅在实验室中用强光源可以实现光谱测量，而很难用于实际的光谱探测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有光谱分辨功能的芯片，在很小的尺寸内实现高精度的分光功能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种具有光谱分辨功能的芯片，其特征在于：包含微环和至少一组波长选择器，微环产生多波长激光源λm，微环的输出端通过波导与至少一组波长选择器的输入端连接，每组波长选择器对应设置有光发射器、第一探测器和第二探测器，按照时间顺序，波长选择器输出的激光λm,t通过波导连接光发射器发射到自由空间，第一探测器接收光发射器发出的激光信号，第二探测器接收光发射器发射到自由空间反射回来的激光信号。
进一步地，所述波长选择器包含至少一个具备热调节功能的微环，通过给至少一个具备热调节功能的微环加热改变具备热调节功能的微环材料的折射率，实现对波长的选择。
进一步地，所述微环输入端接受芯片外部单波长激光照射产生不同波长的激光，加热装置对波长选择器按照时间顺序施加不同功率，从而将选择不同波长的激光按时间顺序依次发射到自由空间中，进入自由空间中的激光遇到待测物体反射，反射光被第二探测器接收。
进一步地，所述第一探测器接收光发射器发出的激光信号作为校准信号，第二探测器接收光发射器发射到自由空间反射的激光信号作为检测信号，将检测信号与校准信号进行对比，实现不同波长相对强度的对比。
进一步地，所述第一探测器与光发射器同轴设置，接收光发射器直接发出的激光信号。
进一步地，所述第二探测器与光发射器通过光反射结构连接，接收光发射器发射到自由空间反射回来的激光信号。
进一步地，所述光反射结构采用光栅结构或45度镜面结构。
进一步地，所述微环采用高Q值微环,微环的Q值范围为1×105～1×108，微环产生的激光波长数值范围为20～2000。
进一步地，所述具有光谱分辨功能的芯片集成在硅基底上。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明采用光频梳技术实现宽谱激光光源，并利用热调谐微环结构实现对单一波长的选择；通过在不同时刻给热调谐微环施加不同的功率，从而发射不同波长的激光，实现特定时刻波长的精准选择，光反射之后，无需再对波长进行识别；与传统的色散结构器件相比，可以在很小的尺寸内实现高精度的分光功能；
2、本发明的光发射和收集采用同轴光路，极大提高了对反射回来信号光的收集效率，并且能避免其它杂散光的干扰，最终提高光谱芯片的工作动态范围，满足光谱仪日常使用需求。
附图说明
图1是本发明的一种具有光谱分辨功能的芯片的示意图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一种具有光谱分辨功能的芯片，包含微环1和至少一组波长选择器2，微环产生多波长激光源λm。微环1的输出端通过波导3与至少一组波长选择器2的输入端连接。每组波长选择器2对应设置有光发射器4、第一探测器5和第二探测器6，按照时间顺序，波长选择器2输出的激光λm,t通过波导连接光发射器4发射到自由空间，第一探测器5接收光发射器4发出的激光信号，第二探测器6接收光发射器4发射到自由空间反射回来的激光信号。
微环1采用高Q值微环。微环1的Q值范围为1×105～1×108，微环1产生的激光波长数值范围为20～2000。高Q值的微环1在外来单波长激光照射下，产生具有不同波长的激光，产生的激光在波导引导下进入光电元器件。高Q值的微环1通过将外部的窄线宽激光器耦合至高Q值的微环，利用非线性效应，产生宽谱的激光(也称光频梳)。该宽谱的激光光源与普通红外光源相比，具有分立的波长，发散角小，且强度强。经过高Q值的微环1的宽谱激光光源，光谱范围1000nm～1700nm，每个激光之间的波长间隔范围0.2nm～2nm。
波长选择器2包含至少一个具备热调节功能的微环，通过给至少一个具备热调节功能的微环加热改变具备热调节功能的微环材料的折射率，实现对波长的选择。在使用光谱芯片之前，先对每个波长对应微环热调电压数值记录并寄存，使用时，通过调用热调微环的电压，实现对单一波长的快速选择。根据实际需要具备热调节功能的微环的数量为1～5个。通过编码技术，调节波长选择器2的参数，实现确定的波长发射。选出的单波长激光通过波导引入到光发射器4上，将激光发到自由空间中。根据实际需求，也可以设置多组波长选择器2，同一时刻可以发射多种波长的激光，以提高光谱的收集效率。
微环1输入端接受芯片外部单波长激光照射产生不同波长的激光，加热装置对波长选择器2按照时间顺序施加不同功率从而选择不同波长的激光依次发射到自由空间中，进入自由空间中的激光遇到待测物体反射，反射光被第二探测器6接收。芯片采用分时工作模式，即一个探测器一次只能探测一个波长激光的强度。为了提高光谱芯片的工作效率，也可以采用波长选择器阵列和探测器阵列实现对多个波长激光强度的同时探测。
第一探测器5接收光发射器4发出的激光信号作为校准信号，第二探测器6接收光发射器发射到自由空间反射的激光信号作为检测信号，将检测信号与校准信号进行对比，实现不同波长相对强度的对比。探测器的光谱探测范围1000nm～1700nm。
第一探测器5与光发射器4同轴设置，接收光发射器4直接发出的激光信号。第二探测器6与光发射器4通过光反射结构连接，接收光发射器发射到自由空间反射的激光信号。光反射结构采用光栅结构或45度镜面结构。光栅结构虽然在一定波长范围内对可以保证不同波长的激光具有接近90度的发射角度，但是由于光谱芯片探测的范围很宽，仅采用一种光栅结构难以满足实际需求。因此，可以根据实际需求，设计光栅结构阵列，对应不同的波长使用范围。
被发射到自由空间中的激光，遇到被测物体，光反射回光发射器附近，此时在光发射器4附近集成第二探测器6，反射光信号就能被第二探测器6收集，第二探测6为面入射收集型探测器，因此不必通过耦合器将自由空间中的光耦合进芯片，从而极大提高光信号的收集效率。此外，激光在发射之前部分光会被第一探测器5收集，作为校准信号。
本发明的具有光谱分辨功能的芯片集成在硅基底上。制作光电子器件的材料包括但不限于氮化硅、硅、氧化硅、锗、金属电极等。芯片的上的各种元器件采用硅的CMOS半导体工艺集成在芯片上。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有光谱分辨功能的芯片，其特征在于：包含微环和至少一组波长选择器，微环产生多波长激光源λm，微环的输出端通过波导与至少一组波长选择器的输入端连接，每组波长选择器对应设置有光发射器、第一探测器和第二探测器，按照时间顺序，波长选择器输出的激光λm,t通过波导连接光发射器发射到自由空间，第一探测器接收光发射器发出的激光信号，第二探测器接收光发射器发射到自由空间反射回来的激光信号。
2.根据权利要求1所述的一种具有光谱分辨功能的芯片，其特征在于：所述波长选择器包含至少一个具备热调节功能的微环，通过给至少一个具备热调节功能的微环加热改变具备热调节功能的微环材料的折射率，实现对波长的选择。
3.根据权利要求2所述的一种具有光谱分辨功能的芯片，其特征在于：所述微环输入端接受芯片外部单波长激光照射产生不同波长的激光，加热装置对波长选择器按照时间顺序施加不同功率，从而将选择不同波长的激光按时间顺序依次发射到自由空间中，进入自由空间中的激光遇到待测物体反射，反射光被第二探测器接收。
4.根据权利要求3所述的一种具有光谱分辨功能的芯片，其特征在于：所述第一探测器接收光发射器发出的激光信号作为校准信号，第二探测器接收光发射器发射到自由空间反射的激光信号作为检测信号，将检测信号与校准信号进行对比，实现不同波长相对强度的对比。
5.根据权利要求1所述的一种具有光谱分辨功能的芯片，其特征在于：所述第一探测器与光发射器同轴设置，接收光发射器直接发出的激光信号。
6.根据权利要求1所述的一种具有光谱分辨功能的芯片，其特征在于：所述第二探测器与光发射器通过光反射结构连接，接收光发射器发射到自由空间反射回来的激光信号。
7.根据权利要求6所述的一种具有光谱分辨功能的芯片，其特征在于：所述光反射结构采用光栅结构或45度镜面结构。
8.根据权利要求1所述的一种具有光谱分辨功能的芯片，其特征在于：所述微环采用高Q值微环,微环的Q值范围为1×105～1×108，微环产生的激光波长数值范围为20～2000。
9.根据权利要求1所述的一种具有光谱分辨功能的芯片，其特征在于：所述具有光谱分辨功能的芯片集成在硅基底上。
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