基于双层螺旋波导的片上傅里叶变换光谱仪的制作方法

1.本发明属于光检测和传感领域，特别是一种基于双层螺旋波导的片上傅里叶变换光谱仪。


背景技术：

2.红外光谱仪利用物质对不同波长的红外辐射吸收特性实现分子结构和化学组成的分析和识别，是化学分析的最有效手段之一。传统的傅里叶变换光谱仪，通常由分立的光学元件和机械部件组成，成本高、尺寸大、携带和使用不方便。例如迈克尔逊干涉仪，需要通过移动反射镜改变光程差来产生干涉条纹。为了压缩体积、减小成本、降低功耗、方便携带与使用，小型化片上傅里叶变换光谱仪的研究受到了广泛的研究和关注。已报道的基于微机电系统(mems)的傅里叶变换光谱仪实现了系统小型化(参见opt.lett.,vol.24,no.23,pp.1705
‑
1707,1999)，但仍旧包含相对脆弱的移动组件，最好方案是无任何可移动组件。
3.近来年，随着集成光电子技术的不断进步，尤其是硅基光电子技术的高速发展，光电子芯片中器件集成度和功能复杂度不断增长，集成光电子芯片的应用领域也不再局限于光通信，更是拓展至自动驾驶、光子神经网络、量子信号处理、生物传感等领域。对片上傅里叶变换光谱仪的研究逐渐成为热点，它无任何运动部件，具有尺寸小、重量轻、功耗和低成本等优点，可以满足未来生物检测、宇宙粒子检测等领域的芯片实验室(lab
‑
on
‑
a
‑
chip)应用需求。
4.现有片上傅里叶变换光谱仪主要可以分为两类：驻波集成傅里叶变换(swift) 光谱仪和空间外差光谱仪(shs)。
5.基于swift的光谱仪通过波导中两个对向传输的光束来产生驻波干涉条纹，通过在波导上方排布探测器阵列来接收波导散射光的干涉图谱。该类器件只需要较小的芯片尺寸就可实现高精度。但是根据e.coarer等人的研究工作表明，干涉条纹的间距为λ/2n
eff
，远小于现有探测器阵列的间距。因此，测得的干涉图是欠采样的，导致光谱带宽受限(参见nat.photon.,vol.1,p.473
‑
478,2007.)。并且，现有方案都是通过在波导上方放置红外相机来接收干涉条纹，因此很难实现整个系统的小型化。
6.基于shs结构的光谱仪，一般通过改变非对称马赫
‑
增德尔干涉器(mzi)的臂长差或者光程差来产生空间变换的干涉图样。目前主要有两种方式来实现光程差调制，一种是通过电光效应和热光效应来改变其中一个臂的有效光程，另一种是通过一系列不同光程差的mzi阵列来产生干涉图样。基于第一种方式，利用热光或电光效应调制产生的波导折射律及长度变化较小，功耗较大。另外，由于引入了热调，加热引起的热光非线性、热膨胀和色散会给光谱重建引入误差，环境温度的变化也会给器件的加热与测试结果带来影响。对于第二种方式可以增加mzi数量提高给定光谱带宽的分辨率，但也同样未能解决热敏感性的问题，测试温度变化时，由于波导折射律的改变以及波导长度的变化，会导致最终干涉条纹的平移，影响到光谱的重构精度。此外，由于mzi臂长不同会引入不同的损耗，长度差越大损耗越大，最终导致消光比较小。
7.此外，近年来，诸多科研人员提出了不同的方案来提高片上傅里叶变换光谱仪的性能，如在mzi干涉臂上分别集成光开关以实现光程差的数字式调制(参见nat. commun.,vol.9,2018.)，利用波导的偏振来减少mzi的数目(参见opt.lett.,vol.44, no.11,pp.2923
‑
2926,2019.)，利用温度相关校准矩阵来减低温度敏感性等(参见opt. lett.,vol.42,no.11,pp.2239
‑
2242,2017.)。
8.可以看出，基于集成光波导的片上傅里叶变换光谱仪自2007年提出以来，在成为研究热点、得到不断改进的同时，也受制于温度敏感性等诸多因素。现有的片上傅里叶变换光谱仪在有效分辨点数、光谱范围以及实际性等方面，都与现有先进台式傅里叶变换光谱仪有较大的差距。


技术实现要素：

9.针对上述现有实现方案中存在的缺陷，本发明提供一种基于双层螺旋波导的片上傅里叶变换光谱仪。本发明利用双层螺旋波导中奇偶模群折射律差来构建非等臂马赫
‑
增德尔干涉器结构，具有芯片温度稳定性好、输出消光比高等优点。此外，通过压缩采样技术和光谱重构算法，可有效提高芯片的分辨率。
10.为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
11.一种基于双层螺旋波导的片上傅里叶变换光谱仪，其特点在于，包括波导输入耦合器、1
×
n光分束器、n个双层波导y分叉结构、n个双层螺旋波导、n个反向放置的双层波导y分叉结构和n个锗硅探测器；
12.所述的波导输入耦合器的输出端与所述的1
×
n光分束器的输入端相连，该1
×
n 光分束器的n个输出端分别与所述的n个双层波导y分叉结构的一个输入端相连，所述的n个双层波导y分叉结构的输出端与所述的n个双层螺旋波导的输入端相连，所述的n个双层螺旋波导的输出端与n个反向放置的双层波导y分叉结构的输入端相连，所述的n个反向放置的双层波导y分叉结构的一个输出端与所述的n个锗硅探测器的输入端相连；
13.所述的n个双层螺旋波导由n个长度线性递增的双层螺旋波导构成，每个双层螺旋波导的两层波导相互平行，且每个双层螺旋波导的宽度和高度与相对应的双层波导y分叉结构的宽度和高度一致，所述的双层螺旋波导具有不同的群折射律的偶模和奇模，使得输出端有不同的光程差opd
i
＝l
i
(n
go
‑
n
ge
)，n
go
与n
ge
分别为奇模、偶模激励在双层螺旋波导中的群折射系数，l
i
为第i个双层螺旋波导长度。
14.所述波导输入耦合器，采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构，待测光谱信号通过光纤耦合输入芯片中。
15.所述的1
×
n光分束器实现入射光功率均分，可采用log2n级的级联1
×
2分束器结构，1
×
2分束器可采用y分叉、定向耦合器或多模干涉器(mmi)等结构；或者直接采用1
×
n多模干涉器结构。
16.所述的n个双层波导y分叉结构和n个反向放置的双层波导y分叉结构都由 n个相同结构的双层波导y分叉结构构成，该y分叉结构在合束处由上下两个宽度相同、厚度相同且相互平行的波导构成，即双层波导共同构成了合束端；在分叉处上下两个垂直波导在水平方向逐渐分开，各自成为单层波导，实现入射光的分光以及波导从双层到单层的转换。
17.所述的n个锗硅探测器，可采用锗硅pin结构，将光功率信号转换为电信号。
18.所述的n个双层波导y分叉结构、n个长度递增的双层螺旋波导和n个反向放置的双层波导y分叉结构构成了类似具有递增光程差的非等臂马赫
‑
增德尔干涉器阵列结构，实现空间外差相干的傅里叶变换光谱仪功能。双层螺旋波导阵列构成产生不同光程差的波导结构，光程差变化根据双层螺旋波导结构阵列中单个波导的螺旋长度变化。
19.光谱测试先通过输入不同波长的光源，测试锗硅探测器阵列接收的光功率，进而进行归一化调整后得到校准矩阵。在对待测光进行测试时，利用锗硅探测器阵列测得的光功率，采用压缩感知算法，设置合理的正则化参数和超参数进行光谱重构，进而提升光谱分辨率。
20.本发明和现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：
21.1、本器件的双层螺旋波导结构采用氮化硅材料，热光系数较小。此外，本器件的双层螺旋波导结构产生的奇偶模激励的光程差opd
i
＝l
i
(n
go
‑
n
ge
)，n
go
与n
ge
分别为奇偶模激励在双层螺旋波导中的群折射系数，l
i
为第i个螺旋波导长度。由于奇偶模在双层结构中分布接近，说明在双层螺旋波导中奇偶模激励的热光系数接近，在温度改变的时候，两者的有效折射率变化可以近似相消。相对于其他方案，该结构具有温度不敏感的优点。
22.2、在本发明的单个双层螺旋波导结构中，奇偶模传播的长度相同，且奇偶模的模式分布相近。因此两者损耗相近，具有输出干涉条纹消光比较高的优点。
附图说明
23.图1为本发明硅基片上傅里叶变换光谱仪结构示意图。
24.图2为本发明实施例的三维y分叉结构示意图。
25.图3为本发明双层螺旋波导结构示意图(俯视)。
26.图4为本发明双层螺旋波导结构示意图(侧视)。
27.图5为本发明实施例n＝32时的片上傅里叶变换光谱仪的工作原理图。
28.图6为本发明实施例的典型的校准矩阵a的示意图
29.图7为本发明实施例的双波长恢复光谱示例图
具体实施方式
30.为了进一步阐明本方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。请注意，下述具体实施例仅起解释目的，并不用于限定本发明。同时，各个实施例涉及到的技术特征只要彼此未构成冲突，就可以相互结合。
31.参考图1，图1为本发明硅基片上傅里叶变换光谱仪结构示意图，由图可见，本发明基于双层螺旋波导的片上傅里叶光谱仪，该芯片依次包括波导输入耦合器 1001、1
×
n光分束器1002、n个双层波导y分叉结构1003、n个长度递增的双层螺旋波导1004、n个反向放置的双层波导y分叉结构1005和n个锗硅探测器1006，制备在绝缘体上硅材料中，波导采用氮化硅材料，所述的波导输入耦合器1001的输出端与所述的1
×
n光分束器1002的输入端相连；所述的1
×
n光分束器1002的n 个输出端分别与所述的n个双层波导y分叉结构1003的一个输入端相连；所述的 n个双层波导y分叉结构1003的输出端与所述的n个长度递增的双层螺旋波导1004 的输入端相连；所述的n个长度递增的双层螺旋波导1004的输出端与n个反向放置的双层波导y分叉结构1005的输入端相连；所述的n个反向放置的双层波导y 分叉结构
1005的一个输出端与所述的n个锗硅探测器1006的输入端相连。
32.实施例
33.本发明实施例采用n＝32，其结构如图4所示。
34.波导输入耦合器1001采用端面耦合器结构，其目的是将待测光谱信号通过光纤耦合输入芯片中，波导输入耦合器的输出端与1
×
32光分束器的输入端相连。
[0035]1×
32光分束器1002采用5级的级联1
×
2分束器结构，其中1
×
2分束器采用多模干涉器(mmi)。
[0036]
32个双层波导y分叉结构1003和32个反向放置的双层波导y分叉结构1005 都由n个相同结构的双层波导y分叉结构2001构成。该y分叉结构2001的结构如图2所示，其在合束处由上下两个宽度为1μm，厚度400nm的波导垂直放置构成，两个波导的间距设置为250nm，即双层波导共同构成了合束端2002；在分叉处上下两个垂直波导在水平方向逐渐分开，各自成为单层波导2003,2004，实现入射光的分光以及波导从双层到单层的转换。1
×
32光分束器1002的32个输出端分别与32 个双层波导y分叉结构1003的一个输入端相连；32个双层波导y分叉结构1003 的输出端与32个长度递增的双层螺旋波导1004的输入端相连；32个长度递增的双层螺旋波导1004的输出端与32个反向放置的双层波导y分叉结构1005的输入端相连。
[0037]
32个双层螺旋波导1004的长度递增，由32个长度线性递增的双层氮化硅螺旋波导3001构成；两层氮化硅波导在竖直方向上排布，波导宽度和高度与y分叉结构2001一致。双层螺旋波导中存在偶模和奇模两个超模，由于偶模和奇模具有不同的群折射律，在输出端口有不同的光程差opd
i
＝l
i
(n
go
‑
n
ge
)，n
go
与n
ge
分别为奇偶模激励在双层螺旋波导中的群折射系数，l
i
为第i个螺旋波导长度，为600
×
iμm。由于双层螺旋波导的长度线性递增，奇偶模的光程差也线性递增。
[0038]
最终输出的光信号由锗硅探测器测得，其与双层螺旋波导的输出端口相连，将干涉光的光功率信号转换为电信号。
[0039]
在上述方案的基础上，双层螺旋波导的结构如图3所示。为了消除温度敏感性，在选取材料的时候采用热光系数较小的氮化硅材料。该设计的光程差为opd
i
＝ l
i
(n
go
‑
n
ge
)，n
go
与n
ge
分别为奇偶模激励在双层螺旋波导中的群折射系数，l
i
为第 i个螺旋波导长度。因此，该器件的温度相关相位差的表达式
[0040][0041]
其中，δn
eff
表示奇偶模激励在波导中的有效折射率差n
effo
‑
n
effe
，因此为奇偶模激励在氮化硅波导中的热光系数差。输入光通过耦合作用从下层波导耦合到上层波导中，在上层氮化硅波导中以奇偶模激励的形式传播。由于奇偶模激励在上层波导中分布情况相似，两者在氮化硅波导中的热光系数相近，所以较小，从而实现测试带宽内的无热化测试与校准。
[0042]
在上述方案的基础上，在进行正式测试前，需要对傅里叶变换光谱仪进行校准，得到芯片的校准矩阵。将单色光输入到芯片的输入端，可以得到32个干涉光输出，测量这些干涉光的光功率值，得到32个光功率值，作为矩阵的一列。改变单色光的波长，进行步进扫谱，
共测试m次不同的递增波长，得到32
×
m的矩阵，对矩阵进行归一化处理，得到校准矩阵a。如图5所示，波长范围为1562.5nm～1577.5nm，步长为0.015nm。此时波长的还原转化为对式子y＝ax的求解，其中x为待测的多色光信号，y为测得的干涉图谱，是一个具有32个元素的向量，向量中对应元素的比例表示对应波长单色光在待测多色光中的比例。因此，只需要从y中求得x，就可以恢复出待测多色光的光谱信息。
[0043]
由于双层螺旋波导的个数有限，远小于扫谱所用的波长个数m，从而矩阵方程中的x解不唯一。本发明采用机器学习算法来准确地重构出待测光谱。由于待测光谱中有部分具有稀疏性(仅有若干离散波长分量)，有部分则是连续光谱，因此在还原时要视情况而定采用不同算法。其中，l1范数项主要用于增加稀疏性，l2范数项主要增加幅度的平滑性，上述两项对重构稀疏光谱具有较好的效果。但是由于缺乏对于光谱连续性的约束，仅包含l1和l2范数项无法准确恢复出连续光谱。引入光谱的一阶差分矩阵d1x的l2范数项可以在一定程度上增加光谱连续性。因此上述若干算法中，采用elastic
‑
d1算法能够较准确的重构出各类不同的光谱。但是，由于需要计算3个超参数α1～α3的值，计算复杂度有所增加。不过该算法中各项都大于0，可以用标准的凸优化工具来计算。图6为采用lasso算法的典型的双波长入射光还原光谱，入射光中的两种单色光光功率值为1：1。
[0044][0045][0046]
表1
[0047]
实验表明，本发明能满足傅里叶变换光谱仪对于小型化、便携化的应用需求，并能够解决现有硅基片上光谱仪对温度敏感的问题。
[0048]
上述内容即是本发明，硅基片上傅里叶变换光谱仪芯片的具体实施方案，同领域的科研或产业部门人员容易理解。以上内容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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。