用于计算式光谱测量的宽谱整形器件及计算式光谱仪

1.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宽谱整形器件。


背景技术：

2.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。
3.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图1所示，其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宽带光谱整形器件（或简称宽谱整形器件）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。此类光谱仪的核心在于宽带光谱整形器件。在采用高性能宽带光谱整形器件时，所需分光通道数量m（也即宽带光谱整形器件数量）可远远小于光谱仪带宽和精度的比值，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。
4.计算式光谱仪的核心器件即一系列宽谱整形器件，它们的传输函数直接决定了整个光谱仪的性能，比如工作带宽、精度、所需宽谱整形器数量等等。针对计算式光谱仪的核心研究任务即研发新型宽谱整形器，提高计算式光谱仪各项性能指标。理想的宽谱整形器件应具有以下3个特点：1. 每个宽谱整形器件的传输函数应具有高度随机性；2. 任意两个宽谱整形器件的传输函数应高度不相关；3.每个宽谱整形器件应具有尽量小的损耗。
5.然而，现有已公开方案所采用的宽带光谱整形器件多为随机光子晶体或随机布拉格光栅结构，无法同时满足上述要求，导致计算式光谱系统性能有限。因此，亟需寻找加工难度和实现成本更低，性能更好的宽谱整形器件，以提高计算式光谱仪的性能和实用性。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种用于计算式光谱测量的宽谱整形器件，在提高系统测量性能的同时，可大幅降低加工难度和实现成本。
7.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种用于计算式光谱测量的宽谱整形器件，所述宽谱整形器件包括夹角在[0，90)
度范围且不相交的两根直波导以及与所述两根直波导均不相交的一条波浪形波导，两根直波导处于同一平面内，所述波浪形波导与每根直波导之间均形成有多处相互耦合的耦合区，沿所述波浪形波导走向与波浪形波导形成第一个耦合区的直波导为第一直波导，第一直波导的靠近该第一个耦合区的端口为该宽谱整形器件的输入端，沿所述波浪形波导走向与波浪形波导形成最后一个耦合区的直波导为第二直波导，第二直波导的靠近该最后一个耦合区的端口为该宽谱整形器件的输出端。
[0008]
优选地，所述波浪形波导与两根直波导位于同一平面内。
[0009]
优选地，两根直波导的夹角为0度。
[0010]
优选地，所述宽谱整形器件为光集成器件。
[0011]
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：一种计算式光谱仪，包括多个具有不同传输函数的宽谱整形器件，用于分别对待测光信号进行光谱全局采样；所述宽谱整形器件为如上任一技术方案所述宽谱整形器件。
[0012]
优选地，所述多个具有不同传输函数的宽谱整形器件的整形参数是以各宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个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，通过多目标优化方法优化得到。
[0013]
进一步优选地，以互相关系数度量所述相关性。
[0014]
进一步优选地，以极点数量和/或自相关系数度量传输函数在波长域的随机性。
[0015]
优选地，所述整形参数包括以下参数中的至少一种：耦合区的数量，耦合区的空间分布参数，各耦合区的耦合系数。
[0016]
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：本发明所提出的宽谱整形器件，基于普通的波导结构，无需像光栅或光子晶体器件需要较高的工艺精度，且不会引入额外的散射损耗，易于设计，无需较高加工精度，且具有更大的工作带宽和更高的精度；同时具有丰富的设计自由度，可以保证每个器件产生高度随机的传输函数并且任意两个器件可产生高度线性不相关的传输函数。
[0017]
本发明所提出的计算式光谱测量装置，通过单次测量即可高精度地重建输入光谱，由于采用上述宽带光谱整形器件，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
[0018]
图1为现有计算式光谱测量装置的结构原理示意图；图2为本发明宽谱整形器件一个优选实施例的结构原理示意图；图3 为具有不同耦合区域数量的光谱整形器件的传输函数仿真结果；其中横坐标为波长，单位为nm；纵坐标为传输系数，传输系数为0表示不传输，传输系数为1表示全部传输；图4为两个具有不同整形参数、每个器件包含9个耦合区域的光谱整形器件的传输函数仿真结果；其中横坐标为波长，单位为nm；纵坐标为传输系数，传输系数为0表示不传输，传输系数为1表示全部传输；图5为本发明计算式光谱仪的结构原理示意图；图6 为采用32个本发明宽谱整形器件实现的光谱重建仿真结果；其中横坐标为波
长，单位为nm，纵坐标为幅度的归一化值。
具体实施方式
[0019]
针对现有技术不足，本发明的解决思路是在两根直波导之间通过一根波浪形波导引入多处耦合区域，在器件的输出端实现多个路径信号干涉的结果，从而实现宽谱范围内高度随机的传输函数，在提高性能的同时，大幅降低器件的加工难度和实现成本。
[0020]
本发明所提出的用于计算式光谱测量的宽谱整形器件，包括夹角在[0，90)度范围且不相交的两根直波导以及与所述两根直波导均不相交的一条波浪形波导，两根直波导处于同一平面内，所述波浪形波导与每根直波导之间均形成有多处相互耦合的耦合区，沿所述波浪形波导走向与波浪形波导形成第一个耦合区的直波导为第一直波导，第一直波导的靠近该第一个耦合区的端口为该宽谱整形器件的输入端，沿所述波浪形波导走向与波浪形波导形成最后一个耦合区的直波导为第二直波导，第二直波导的靠近该最后一个耦合区的端口为该宽谱整形器件的输出端。
[0021]
上述技术方案中，所述波浪形波导与两根直波导既可位于同一平面内，也可位于不同平面内，因此可以采用光集成制造技术将其置于同一半导体层结构中或者置于不同的半导体层结构；优选地，所述波浪形波导与两根直波导位于同一平面内。
[0022]
两根直波导的夹角可以在[0，90)度范围灵活设计，但从设计、制造以及仿真验证的难易角度考虑，优选地，两根直波导的夹角为0度，亦即两根直波导平行设置。
[0023]
所述宽谱整形器件既可以设计为分立器件，也可以设计为光集成器件；优选地，所述宽谱整形器件为光集成器件。
[0024]
本发明所提出的计算式光谱仪，包括多个具有不同传输函数的宽谱整形器件，用于分别对待测光信号进行光谱全局采样；所述宽谱整形器件为如上任一技术方案所述宽谱整形器件。
[0025]
优选地，所述多个具有不同传输函数的宽谱整形器件的整形参数是以各宽谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个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，通过多目标优化方法优化得到。
[0026]
进一步优选地，以互相关系数度量所述相关性。
[0027]
进一步优选地，以极点数量和/或自相关系数度量传输函数在波长域的随机性。
[0028]
优选地，所述整形参数包括以下参数中的至少一种：耦合区的数量，耦合区的空间分布参数，各耦合区的耦合系数。
[0029]
为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：本实施例的宽谱整形器件如图2所示，包括两根平行的直波导以及夹在两根直波导之间的一根波浪形波导，波浪形波导有多处靠近两个直波导的区域，会与相应的直波导之间形成光场耦合，这些耦合区导致该器件输出端是多个路径干涉的结果，耦合区域越多则在输出端干涉的路径就越多，则器件的输出函数越具有随机性，如图3所示。本发明宽谱整形器件的输入端为沿所述波浪形波导走向与波浪形波导形成第一个耦合区的直波导的靠近该第一个耦合区的端口，该宽谱整形器件的输出端为沿所述波浪形波导走向与波浪形波导形成最后一个耦合区的直波导的靠近该最后一个耦合区的端口，具体到图2所示结构
的宽谱整形器件，其输入、输出端分别为下方直波导的左侧端口、右侧端口（反之亦可）。该宽谱整形器件的整形参数即为各个耦合区域的耦合系数κ1、κ2……
κn和任意两个耦合区域之间的距离l1、l2……
lm。当单个宽谱整形器件具有x个耦合区域时，此器件的整形参数具有3x-2个设计自由度，通过调节这些设计自由度可实现对器件传输函数的改变，从而保证每个器件的传输函数变化剧烈且任意两个器件的传输函数高度不同（如图4所示），亦即各宽谱整形器件相互之间的相关性很小，同时单个宽带光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。此外，由于此器件基于普通的波导结构，无需像光栅或光子晶体器件需要较高的工艺精度，且不会引入额外的散射损耗。
[0030]
图5显示了采用上述宽谱整形器件所构建的计算式光谱仪的基本结构。如图5所示，其包括分路单元、m个光谱整形单元、m个光电探测器、信号处理单元；分路单元用于将输入光信号等分为m路，分出的m路光信号分别被m个具有不同传输函数的光谱整形单元整形，之后被m个光电探测器转换为电信号，信号处理单元对这m路电信号进行处理得到待测光信号的光谱信息。与现有计算式光谱测量装置不同，本发明计算式光谱测量装置中的m个光谱整形单元均采用图2所示宽谱整形器件，分别包含9个耦合区。
[0031]
待测光信号被分为m路后一一对应地通过m个具有不同传输函数的宽谱整形器件，其中m为正整数且远小于所需工作带宽和光谱精度的比值（记为n）；然后m个光电探测器对这m个宽带光谱整形器件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个宽谱整形器件的采样矩阵，为第i个宽谱整形器件的光谱传输函数，。由于m个宽谱整形器件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。因此计算式光谱测量装置可在实现大带宽、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。
[0032]
包含32个本发明宽谱整形器件的计算式光谱仪的系统仿真结果如图6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。
[0033]
在上述计算式光谱仪中，单个宽谱整形器件的传输函数在波长域的随机性越大且任意两个宽带光谱整形器件的传输函数的相关性越小，则测量精度越高，所需的宽带光谱整形器件数量（即m）越少。因此，可以所述多个宽带光谱整形器件的整形参数作为待优化参数，以各宽带光谱整形器件相互之间的相关性最小的同时单个宽带光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，通过模拟退火算法、粒子群优化算法、遗传算法等多目标优化方法对待优化参数进行优化，从而可使用最少的光谱整形器件、光电探测器等器
件来获得更高的光谱测量精度。其中，各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则可以极点数量和/或自相关系数来进行度量。