CN116818100A - 一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于光谱分析仪技术领域，具体涉及一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，包括衬底、非线性半导体纳米线、锥形光纤、透镜和CCD阵列相机，所述衬底上设置有非线性半导体纳米线，所述非线性半导体纳米线上设置有锥形光纤，所述非线性半导体纳米线的光路方向上设置有透镜，所述透镜的光路方向上设置有CCD阵列相机。本发明无需光栅、反射镜、棱镜等光学元件，待测光束不经过空间传输，具有光路简单、体积小、集成度高等优点。本发明可以植入光纤或硅基光学系统，通过改变标准光波长可获得较宽的适用工作波长范围，适用于波分复用、激光光谱检测等片上光通信应用。

Description

一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪

技术领域

本发明属于光谱分析仪技术领域，具体涉及一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪。

背景技术

近年来，片上光通信、光互连等领域的快速发展对于光子器件的小型化提出了更高的要求。其中，光谱分析器件(如，光谱仪等)作为光学波长、频谱的基本分析仪器，是波分复用、光学传感等光学信息系统中的关键器件。其体积、功耗等直接影响了光学信息系统的性能。目前，传统的光谱仪主要基于光栅或棱镜等空间色散元件，利用其在特定波长范围内的色散特性，基于衍射或反射等光学效应，实现不同频率的光分量空间上的分离，最终利用光电探测器件对不同频率的光分量进行强度检测，实现光谱检测功能。该方法需要光栅、棱镜、反射镜等大量光学元件，需要进行多次衍射或反射过程，系统内部光路较为复杂、所需空间体积较大、难以实现片上集成，不利于片上光通信应用。

发明内容

针对上述传统的光谱仪内部光路较为复杂、所需空间体积较大、难以实现片上集成，不利于片上光通信应用的技术问题，本发明提供了一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，该光谱仪无需光栅、反射镜、棱镜等光学元件，待测光束不经过空间传输，具有光路简单、体积小、集成度高等优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，包括衬底、非线性半导体纳米线、锥形光纤、透镜和CCD阵列相机，所述衬底上设置有非线性半导体纳米线，所述非线性半导体纳米线上设置有锥形光纤，所述非线性半导体纳米线的光路方向上设置有透镜，所述透镜的光路方向上设置有CCD阵列相机。

所述衬底采用MgF₂衬底，所述衬底包括第一MgF₂衬底、第二MgF₂衬底，所述非线性半导体纳米线悬挂在第一MgF₂衬底和第二MgF₂衬底之间的狭缝上方。

所述锥形光纤包括第一锥形光纤、第二锥形光纤，所述第一锥形光纤和第二锥形光纤分别设置在非线性半导体纳米线的两端。

所述第一锥形光纤的光路方向上设置有窄带激光器，所述窄带激光器发出标准光进入第一锥形光纤。

所述第二锥形光纤的光路方向上设置有待测光。

所述非线性半导体纳米线采用直径为0.5μm～1μm的CdTe纳米线。

所述CCD阵列相机设置在透镜的焦点上。

一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪的分析方法，包括下列步骤：

S1、将一根非线性半导体纳米线放置在第一MgF₂衬底、第二MgF₂衬底组成的狭缝结构上方；

S2、从窄带激光器输出的标准光以及待测光分别通过第一锥形光纤、第二锥形光纤由一根非线性半导体纳米线的两端输入其中；

S3、两束光在非线性半导体纳米线内以导波形式相向传输并在空间上相互重合，在横向合频机理作用下，在偏离非线性半导体纳米线轴向的方向上会观测到合频光信号，根据动量守恒原理，所述合频光信号的频率等于纳米线两端输入光频率总和；

S4、利用透镜和CCD阵列相机组成的成像系统，将不同发射角度的光分量聚焦到CCD阵列相机上的不同位置处；

S5、通过分析CCD阵列相机图像中的光斑位置，实现合频光信号发射角度检测，进而推算出非线性半导体纳米线两端光信号频率差，最终根据标准光已知频率，计算得到待测光频率。

所述S5中推算出非线性半导体纳米线两端光信号频率差的方法为：

合频光信号发射角度随待测光频率变化而变化，标准光和待测光在单根纳米线中相向传输，假设二者基模的传播常数分别为β_ω和β_ω'，根据动量守恒定律，经由合频过程产生的合频光信号，在平行于非线性半导体纳米线轴向方向上应满足动量守恒；因此，合频光信号发射方向在平行于非线性半导体纳米线轴向方向上的传播常数分量，等于β_ω和β_ω'之差，因此，合频光信号的发射角θ由下式给出：

所述θ为横向二次谐波的出射角度，所述k_2ω是横向合频光信号的波矢量，所述β_ω和β_ω'分别是标准光的传播常数和待测光的传播常数，所述则/>即/>所述β为传播常数，所述ω为角频率，所述c为真空中的光速，所述n为有效折射率系数，所述λ为输入光波长，所述λ_2ω为合频光波长；因此，当标准光的频率固定时，合频光信号的发射角度会随着待测信号频率的变化而变化。

所述S5中计算得到待测光频率的方法为：

在横向合频机理作用下，在偏离非线性半导体纳米线轴向的方向上会观测到合频光信号，根据透镜和CCD阵列相机组成的成像系统，将观测到的合频光信号聚焦到CCD阵列相机上的不同位置处；因此，CCD阵列相机上光斑位置x由下式给出：

f＝x tanα

所述f为透镜焦距，所述x为CCD阵列相机上光斑位置，所述α为合频光信号的入射角度，因此，由透镜焦距和入射角度得到CCD阵列相机上光斑的位置。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明设计了一种单纳米线微型化光谱分析仪，基于单根非线性半导体纳米线横向合频效应，该光谱仪通过检测横向合频光束发射角度的方法实现光谱分析。本发明无需光栅、反射镜、棱镜等光学元件，待测光束不经过空间传输，具有光路简单、体积小、集成度高等优点。本发明可以植入光纤或硅基光学系统，通过改变标准光波长可获得较宽的适用工作波长范围，适用于波分复用、激光光谱检测等片上光通信应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本实施例的结构示意图；

图2为本实施例直径为0.8μm的CdTe纳米线基模分析图；

图3为本实施例有效模场面积随CdTe纳米线直径变化关系图；

图4为本实施例有效非线性系数随CdTe纳米线直径变化关系图；

图5为本实施例直径约为400nm的CdTe纳米线横向二倍频实验图；

图6为本实施例发射角度随待测波长变化关系图。

其中：1为衬底，101为第一MgF₂衬底，102为第二MgF₂衬底，2为非线性半导体纳米线，3为锥形光纤，301为第一锥形光纤，302为第二锥形光纤，4为透镜，5为CCD阵列相机，6为窄带激光器，7为标准光，8为待测光。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本实施例中，如图1所示，将一根非线性半导体纳米线2放置在第一MgF₂衬底101、第二MgF₂衬底102组成的狭缝结构上方。从窄带激光器6输出的标准光7以及待测光8分别通过第一锥形光纤301、第二锥形光纤302由一根非线性半导体纳米线2的两端输入其中。两束光在非线性半导体纳米线2内以导波形式相向传输并在空间上相互重合。在横向合频机理作用下，在偏离非线性半导体纳米线2轴向的方向上会观测到合频光信号。根据动量守恒原理，该合频光信号的频率等于非线性半导体纳米线2两端输入光频率总和。利用透镜4和CCD阵列相机5组成的成像系统，可以将不同发射角度的光分量聚焦到CCD阵列相机5上的不同位置处。通过分析CCD阵列相机5图像中的光斑位置，可以实现合频光信号发射角度检测，进而推算出非线性半导体纳米线2两端光信号频率差，最终根据标准光已知频率，计算得到待测光频率。

如图2所示，以直径为0.8μm的CdTe纳米线为例。使用有限元分析方法对其电场强度分布以及截面功率密度分布进行分析。结果显示仿真中微纳米线直径为正六边形，与实际情况一致，在一定直径范围内，微纳米线内截面功率密度呈对称分布。

如图3所示，以直径0.5μm～1μm范围内的CdTe纳米线为例。通过有限元分析方法对其有效模场面积随直径变化进行分析。结果显示在0.5μm～1μm范围内，随着CdTe纳米线直径的增大，CdTe纳米线的有效模场面积随之增大。

根据有效非线性系数(γ)计算公式：

有效模场面积越大，有效非线性系数越小，使得合频效率降低、合频光信号变弱，其中n₂为有效折射率系数，λ为非线性半导体纳米线2的波长，A_eff为有效模场面积。因此，较小的纳米线直径有利于获得更强的输出信号。

如图4所示，以直径0.5μm～1μm范围内的CdTe纳米线为例。通过有限元分析方法对其有效非线性系数随直径变化进行分析。结果显示在0.5μm～1μm范围内，随着CdTe纳米线直径的增大，CdTe纳米线的有效非线性系数随之减小。

如图5所示，当从非线性半导体纳米线2两端同时输入标准光7和待测光8时，在偏离非线性半导体纳米线2轴向方向上会观测到合频光信号。

如图6所示，合频光信号发射角度随待测光频率变化而变化。标准光7和待测光8在单根非线性半导体纳米线2中相向传输，假设二者基模的传播常数分别为β_ω和β_ω'。根据动量守恒定律，经由合频过程产生的合频光信号，在平行于非线性半导体纳米线2轴向方向上应满足动量守恒。因此，合频光信号发射方向在平行于非线性半导体纳米线2轴向方向上的传播常数分量，应等于β_ω和β_ω'之差。因此，合频光信号的发射角(θ)由下式给出：

其中，θ为横向二次谐波的出射角度，k_2ω是横向合频光信号的波矢量，β_ω和β_ω'分别是标准光7的传播常数和待测光8的传播常数，/>其中/>则即/>所述β为传播常数，所述ω为角频率，所述c为真空中的光速，所述n为有效折射率系数，所述λ为输入光波长，所述λ_2ω为合频光波长。因此，当标准光7的频率固定时，合频光信号的发射角度会随着待测信号频率的变化而变化。

其中，如图6所示，在横向合频机理作用下，在偏离纳米线轴向的方向上会观测到合频光信号，根据透镜4和CCD阵列相机5组成的成像系统，可以将观测到的合频光信号(即不同发射角度的光分量)聚焦到CCD阵列相机5上的不同位置处。因此，CCD阵列相机5上光斑位置(x)由下式给出：

f＝x tanα

其中f为透镜4的焦距，x为CCD阵列相机5上光斑位置，α为入射角度，即合频光信号发射角。因此，由透镜4焦距和入射角度可得到CCD阵列相机5上光斑的位置。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：包括衬底、非线性半导体纳米线(2)、锥形光纤、透镜(4)和CCD阵列相机(5)，所述衬底上设置有非线性半导体纳米线(2)，所述非线性半导体纳米线(2)上设置有锥形光纤，所述非线性半导体纳米线(2)的光路方向上设置有透镜(4)，所述透镜(4)的光路方向上设置有CCD阵列相机(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述衬底采用MgF₂衬底，所述衬底包括第一MgF₂衬底(101)、第二MgF₂衬底(102)，所述非线性半导体纳米线(2)悬挂在第一MgF₂衬底(101)和第二MgF₂衬底(102)之间的狭缝上方。

3.根据权利要求1所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述锥形光纤包括第一锥形光纤(301)、第二锥形光纤(302)，所述第一锥形光纤(301)和第二锥形光纤(302)分别设置在非线性半导体纳米线(2)的两端。

4.根据权利要求3所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述第一锥形光纤(301)的光路方向上设置有窄带激光器(6)，所述窄带激光器(6)发出标准光(7)进入第一锥形光纤(301)。

5.根据权利要求3所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述第二锥形光纤(302)的光路方向上设置有待测光(8)。

6.根据权利要求3所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述非线性半导体纳米线(2)采用直径为0.5μm～1μm的CdTe纳米线。

7.根据权利要求1所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪，其特征在于：所述CCD阵列相机(5)设置在透镜(4)的焦点上。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪的分析方法，其特征在于：包括下列步骤：

S1、将一根非线性半导体纳米线放置在第一MgF₂衬底、第二MgF₂衬底组成的狭缝结构上方；

S2、从窄带激光器输出的标准光以及待测光分别通过第一锥形光纤、第二锥形光纤由一根非线性半导体纳米线的两端输入其中；

S3、两束光在非线性半导体纳米线内以导波形式相向传输并在空间上相互重合，在横向合频机理作用下，在偏离非线性半导体纳米线轴向的方向上会观测到合频光信号，根据动量守恒原理，所述合频光信号的频率等于纳米线两端输入光频率总和；

S4、利用透镜和CCD阵列相机组成的成像系统，将不同发射角度的光分量聚焦到CCD阵列相机上的不同位置处；

S5、通过分析CCD阵列相机图像中的光斑位置，实现合频光信号发射角度检测，进而推算出非线性半导体纳米线两端光信号频率差，最终根据标准光已知频率，计算得到待测光频率。

9.根据权利要求8所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪的分析方法，其特征在于：所述S5中推算出非线性半导体纳米线两端光信号频率差的方法为：

合频光信号发射角度随待测光频率变化而变化，标准光和待测光在单根纳米线中相向传输，假设二者基模的传播常数分别为β_ω和β_ω'，根据动量守恒定律，经由合频过程产生的合频光信号，在平行于非线性半导体纳米线轴向方向上应满足动量守恒；因此，合频光信号发射方向在平行于非线性半导体纳米线轴向方向上的传播常数分量，等于β_ω和β_ω'之差，因此，合频光信号的发射角θ由下式给出：

所述θ为横向二次谐波的出射角度，所述k_2ω是横向合频光信号的波矢量，所述β_ω和β_ω'分别是标准光的传播常数和待测光的传播常数，所述/>则即/>所述β为传播常数，所述ω为角频率，所述c为真空中的光速，所述n为有效折射率系数，所述λ为输入光波长，所述λ_2ω为合频光波长；因此，当标准光的频率固定时，合频光信号的发射角度会随着待测信号频率的变化而变化。

10.根据权利要求8所述的一种基于横向合频效应的单纳米线微型光谱分析仪的分析方法，其特征在于：所述S5中计算得到待测光频率的方法为：

在横向合频机理作用下，在偏离非线性半导体纳米线轴向的方向上会观测到合频光信号，根据透镜和CCD阵列相机组成的成像系统，将观测到的合频光信号聚焦到CCD阵列相机上的不同位置处；因此，CCD阵列相机上光斑位置x由下式给出：

f＝x tanα

所述f为透镜焦距，所述x为CCD阵列相机上光斑位置，所述α为合频光信号的入射角度，因此，由透镜焦距和入射角度得到CCD阵列相机上光斑的位置。