一种宽带光谱整形器件及计算式光谱测量装置

1.本发明涉及光谱测量技术领域，尤其涉及一种用于计算式光谱测量的宽带光谱整形器件。


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集成宽带光谱整形器件。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.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，具有如下缺点：需要较高的加工精度；对信号带来额外的散射损耗；工作带宽和光谱精度有限。因此，亟需寻找加工难度和实现成本更低，性能更好的宽带光谱整形器件，以提高计算式光谱仪的实用性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种加工难度和实现成本更低，性能更好的宽带光谱整形器件，以提高计算式光谱仪的实用性。
6.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
7.一种宽带光谱整形器件，用于计算式光谱测量的光谱全局采样；所述宽带光谱整形器件由多个具有不同整形参数的全通式微环谐振器串联而成，所述整形参数为全通式微环谐振器中微环的半径和/或微环与直波导间的耦合系数。
8.优选地，所述宽带光谱整形器件为片上集成器件。
9.基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
10.一种计算式光谱测量装置，包括多个具有不同传输函数的宽带光谱整形器件，用于分别对待测光信号进行光谱全局采样；所述宽带光谱整形器件为如上任一技术方案所述
宽带光谱整形器件。
11.优选地，所述多个宽带光谱整形器件的整形参数是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，通过多目标优化方法优化得到。
12.进一步优选地，以互相关系数度量所述相关性。
13.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。
14.本发明所提出的宽带光谱整形器件，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。
15.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，由于采用上述光谱采样元件，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
16.图1为计算式光谱测量装置的结构原理示意图；
17.图2为本发明宽带光谱整形器件的结构示意图；
18.图3为全通式微环谐振器的结构原理示意图；
19.图4为单个微环谐振器传输函数随耦合系数和半径变化情况示意图；
20.图5为20个微环谐振器级联而成的宽带光谱整形器件的传输函数仿真结果；
21.图6为基于图5所示宽带光谱整形器件构建的计算式光谱仪的测量仿真结果。
具体实施方式
22.针对现有技术所存在的不足，本发明的解决思路是利用多个具有不同整形参数的全通式微环谐振器串联作为计算式光谱测量的全局采样部件，在提高测量性能的同时，大幅降低部件的加工难度和实现成本。
23.本发明所提出的技术方案具体如下：
24.一种宽带光谱整形器件，用于计算式光谱测量的光谱全局采样；所述宽带光谱整形器件由多个具有不同整形参数的全通式微环谐振器串联而成，所述整形参数为全通式微环谐振器中微环的半径和/或微环与直波导间的耦合系数。
25.优选地，所述宽带光谱整形器件为片上集成器件。
26.基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
27.一种计算式光谱测量装置，包括多个具有不同传输函数的宽带光谱整形器件，用于分别对待测光信号进行光谱全局采样；所述宽带光谱整形器件为如上任一技术方案所述宽带光谱整形器件。
28.优选地，所述多个宽带光谱整形器件的整形参数是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，通过多目标优化方法优化得到。
29.进一步优选地，以互相关系数度量所述相关性。
30.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。
31.为了便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
32.本发明提出的宽带光谱整形器件如图2所示，为多个(指三个或三个以上)只有一个输入端和一个输出端的微环谐振器串联的结构，各级微环谐振器具有不同的整形参数。每级微环谐振器均由相互耦合的直波导和环形波导(称为微环)构成；每级微环谐振器具有两个设计自由度的整形参数，分别为微环的半径r和微环与直波导的耦合系数k。通过改变这些整形参数，可保证宽带光谱整形器件的传输函数在波长域具有较大随机性。由于此器件由一根直波导和多个与直波导耦合的微环构成，所以光信号的传播损耗较小。
33.对于单个微环谐振器来说，如图3所示，从原理上分析：设直波导输入光信号为e
i1
，输出光信号为e
t1
。在微环中的光信号分别为e
i2
，e
t2
。直波导的振幅透过率为t，微环的振幅透过率为t*；直波导与微环的振幅耦合效率为k，微环与直波导的振幅耦合效率为-k*。所以微环谐振腔的传输矩阵可表示为：
[0034][0035]
同时微环与直波导的耦合区满足|k2| |t2|＝1。
[0036]
光信号在微环中的衰减因子为α，微环的有效折射率为n
eff
，光信号在真空中的波长为λ，环绕一周后光信号相位改变为所以光在微环内传播一周后满足：e
i2
＝αe
jθet2
。可以得到：所以微环谐振腔系统的传输函数：将多个微环谐振器级联，假设共有n个串联的微环谐振器,每个微环谐振器的传输函数具有不同的谐振波长，所以整个宽带光谱整形器件的传输函数为整个器件的传输函数在波长域具有高度随机性。
[0037]
经研究发现，对于单个微环谐振器，其传输函数的幅度与耦合系数k有关，传输函数的谐振波长与微环半径r有关。
[0038]
令微环谐振器的耦合系数相同，改变微环的半径r，分别使得r＝5um和r＝5.1um可得到不同谐振波长的透射谱，如图4所示，可看出微环谐振器的传输函数的谐振波长与微环半径r有关。
[0039]
令微环谐振器的微环半径相同，改变耦合系数k，分别使得直波导的振幅透过率t＝0.65和t＝0.7，可以得到不同幅度的透射谱，如图4所示，可看出微环谐振器的传输函数的振幅与耦合系数k有关。
[0040]
为了验证本发明宽带光谱整形器件的光谱整形效果，在lumerical软件中，对基于20个串联的微环谐振器的宽带光谱整形器件进行仿真。为改变耦合系数，通过设置微环与直波导的耦合间距d在0.1um～0.2um之间随机改变，保证耦合系数k发生改变，微环的半径r在5um～6um之间随机变化。宽带光谱整形器件的传输函数如图5所示。观察波形可知，该宽带光谱整形器件的传输函数进行了剧烈的快速变化，在波长域具有较大随机性，可以满足计算式光谱测量对全局采样部件的要求。
[0041]
在lumerical软件中仿真了30个上述宽带光谱整形器件，用于对待测光谱分别进行全局采样。由于总共具有60个可调整的自由度，所以使得任意两个宽带光谱整形器件的传输函数具有极低的互相关性，满足计算式光谱仪的需求。
[0042]
光谱仪的分辨率n为测量得到的光谱上的点数。
[0043]
假设待测量的光谱范围为1500nm～1600nm，需要达到0.5nm的分辨率，则应该需要测得光谱上200个点的幅度值sj，j＝1,2,
…
200。
[0044]
将待测光信号分为30路，分别输入到上述30个宽带光谱整形器件中进行采样。通过光电探测器后，第i个采样完的光信号被转化为电信号ii，i＝1,2
…
30。
[0045]
上述过程可用数学表示为：
[0046]
其中i
30
×1＝[i1；i2…
；i
30
]；s
200
×1＝[s1；s2…
；s
200
]，表示光谱上200个点的幅度值，可视作待求解的未知数；h
30
×
200
＝[h1(λ)；h2(λ)
…
；h
30
(λ)]，hi(λ)表示第i个宽带滤波器的传输函数，hi(λ)＝[h
i1
,h
i2
…
,h
i200
]。n为进过测量校准后的归一化系数。
[0047]
由于采样通道数量远小于待测的光谱点数，即方程数量远小于待求的未知数数量，可利用凸优化算法，对上述方程进行求解，实现对光谱进行重建。
[0048]
通过仿真，对未知光谱进行测量，达到了0.5nm的分辨率，测量结果如图6所示，其中重建出的预测光谱与实际光谱具有很高的吻合度，可以看出本发明所提出的计算式光谱仪具有较好的测量效果。