CN102175319A - 基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪。包括滤光片，光输入波导、平面集成波导光栅和光电探测器阵列；光输入波导的一端与滤光片连接，光输入波导的另一端与平面集成波导光栅的自由传输区连接，光电探测器阵列与平面集成波导光栅的输出平面连接。或在光电探测器阵列与平面集成波导光栅的输出平面之间用光输出波导阵列连接。本发明通过使光栅工作在不同衍射级次，将自由光谱范围从整个连续光谱缩小为分立波长区间的光谱范围和，提高了衍射级次，降低了工艺制作难度，在不牺牲光谱仪分辨率的情况下减少了输出波导及光电探测器阵列的个数并扩展了光谱仪的光谱分析范围。
Description
技术领域
本发明涉及微型光谱仪，尤其是涉及一种基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪。
背景技术
光谱的研究最早可以追溯到1666年，当年牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，从而发现白光是由各种颜色的光组成的。到了今天，光谱分析的应用已经渗透到了物理、化学、生物、医学等各个领域。
光谱分析应用的需要也不断地催生着光谱分析仪器的发展。光谱仪是将某波段范围内的光分解为光谱线的光学仪器。对于光谱仪来说，最为重要的两个参数，一个是光谱分析范围，一个是光谱分辨精度。目前商业化的高性能多光栅大型光谱仪可以达到很高的光谱分辨精度，同时也可以在较宽的光谱范围内实现分析的需要。然而，这种大型的光谱仪往往又贵又占体积，在很多场合尤其是需要现场应用的场合下使用起来很不方便，很受限制。
近年来，随着微光学技术和集成光学技术的发展，微光谱仪获得了迅速的发展，并得到了广泛的应用。微光谱仪可以实现小尺寸，低成本，小样品量，快速的处理时间，然而，受结构、尺寸与分光方法的限制，想要同时获得大的光谱分析范围和高的光谱分辨精度(亚纳米级)对微光谱仪来说是一件很困难的事情。如P. Cheben, J. H. Schmid等在他们的文章“A high-resolution silicon-on-insulator arrayed waveguide grating microspectrometer with sub-micrometer aperture waveguide”OPTICS EXPRESS, VOL. 15, NO. 5, 2007中提到的微光谱仪可以达到0.2nm的光谱分辨精度，但其总光谱分析范围只有10nm；再如Ivan Avrutsky, Kalyani Chaganti, Ildar Salakhutdinov and Gregory Auner在他们的文章“Concept of a miniature optical spectrometer using integrated optical and micro-optical components”APPLIED OPTICS, VOL. 45, NO. 30, October 2006中提到的微光谱仪可以探测波长为450nm到波长为650nm的200nm范围的光谱，但其光谱分辨率只有2nm。
对于基于平面集成波导光栅的微光谱仪来说，尺寸小、成本低、分辨精度高、稳定性好是其优点，但如果波长分析范围比较大的话，衍射级次势必会变小，这样会使得器件制作困难。以刻蚀衍射光栅为例，小的衍射级次会导致光栅齿的尺寸过小，使得对制作精度的要求大大提高；再以阵列波导光栅为例，小的衍射级次直接导致阵列波导之间的长度差小，使用一般设计将使阵列波导之间无法互相分开。
在一些荧光分析领域，往往需要对某些特定的波长段进行光谱的扫描和监控。例如，在植物生长逆境监测领域，人们要对叶绿素的荧光激发谱进行监测分析，其荧光谱为一些分立的波长段，集中在440nm，520nm，685nm和740nm附近。由于需要大面积对其进行实时的监控，因此，微光谱仪是其最佳的选择，然而这些波长的光谱跨度也比较大，使用目前的微光谱仪往往要么很难实现光谱的高分辨率，要么像基于平面集成波导光栅的微光谱仪一样制作难度会特别大。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪，通过使平面集成波导光栅工作在不同衍射级次，将自由光谱范围从整个连续光谱缩小为分立波长区间的光谱范围和，提高了衍射级次，降低了工艺制作难度，在不牺牲光谱仪分辨率的情况下减少了输出波导及光电探测器阵列的个数并扩展了光谱仪的光谱分析范围。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明包括滤光片，光输入波导、平面集成波导光栅和光电探测器阵列；光输入波导的一端与滤光片连接，光输入波导的另一端与平面集成波导光栅的自由传输区连接，光电探测器阵列与平面集成波导光栅的输出平面连接。
在光电探测器阵列与平面集成波导光栅的输出平面之间用光输出波导阵列连接。
所述平面集成波导光栅为刻蚀衍射光栅。
所述平面集成波导光栅为阵列波导光栅。
所述刻蚀衍射光栅包括自由传输区域和衍射光栅区域。
所述阵列波导光栅包括第一自由传输区，阵列波导区和第二自由传输区。
所述微光谱仪的分析光谱为分立波长区间，平面集成波导光栅对不同波长区间的光谱工作于不同的衍射级次，自由光谱范围为各分立波长区间的光谱范围和。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
本发明通过使光栅工作在不同衍射级次，将自由光谱范围从整个连续光谱缩小为分立波长区间的光谱范围和，提高了衍射级次，降低了工艺制作难度，在不牺牲光谱仪分辨率的情况下减少了输出波导及光电探测器阵列的个数并扩展了光谱仪的光谱分析范围。
附图说明
图1是本发明一种实施方式示意图。
图2是滤光片的滤光效果图。
图3是闪耀光栅结构示意图。
图4是基于刻蚀衍射光栅分立波长区间高分辨率微型光谱仪输出光谱分布示意图。
图5是阵列波导光栅结构示意图。
图中：1、滤光片，2、光输入波导，3、平面集成波导光栅，4、光输出波导阵列，5、光电探测器阵列，10、阵列波导光栅第一自由传输区，20、阵列波导光栅第二自由传输区，30、阵列波导光栅阵列波导区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明第一种实施方式包括滤光片1，光输入波导2、刻蚀衍射光栅3和光电探测器阵列5；光输入波导2的一端与滤光片1连接，光输入波导2的另一端与平面集成波导光栅3的自由传输区连接，光电探测器阵列5与刻蚀衍射光栅3的输出平面连接。
本发明第二种实施方式包括滤光片1，光输入波导2、刻蚀衍射光栅3和光电探测器阵列5；光输入波导2的一端与滤光片1连接，光输入波导2的另一端与平面集成波导光栅3的自由传输区连接，光电探测器阵列5与平面集成波导光栅3的输出平面连接。在光电探测器阵列5与刻蚀衍射光栅3的输出平面之间用光输出波导阵列4连接。
本发明第三种实施方式包括滤光片1，光输入波导2、阵列波导光栅3和光电探测器阵列5；光输入波导2的一端与滤光片1连接，光输入波导2的另一端与平面集成波导光栅3的自由传输区连接，光电探测器阵列5与阵列波导光栅3的输出平面连接。
本发明第四种实施方式包括滤光片1，光输入波导2、阵列波导光栅3和光电探测器阵列5；光输入波导2的一端与滤光片1连接，光输入波导2的另一端与平面集成波导光栅3的自由传输区连接，光电探测器阵列5与平面集成波导光栅3的输出平面连接。在光电探测器阵列5与阵列波导光栅3的输出平面之间用光输出波导阵列4连接。
图1是本发明的第二种实施方式示意图。它包含滤光片1，光输入波导2、刻蚀衍射光栅3、光输出波导阵列4和光电探测器阵列5。光输入波导2的一端与滤光片1连接，光输入波导2的另一端与刻蚀衍射光栅3的自由传输区连接，光电探测器阵列5与刻蚀衍射光栅3的输出平面之间用光输出波导阵列4连接。所述滤光片1用来滤除待分析光中的干扰信号或者一些背景噪声，透过滤光片1的不同波长区间的光进入光输入波导2，并经光波导传播到刻蚀衍射光栅3的平板波导中，利用刻蚀衍射光栅3的频谱周期性，使不同波长区间的光工作于不同的衍射级次，并不重叠成像于刻蚀衍射光栅的输出平面，光输出波导阵列4将光信号送入光电探测器阵列5转换成电信号，从而提取出相关的光谱信息。通过使刻蚀衍射光栅3工作在不同衍射级次，将自由光谱范围从整个连续光谱范围缩小为分立波长区间的光谱范围和，提高了衍射级次，增加了光栅齿的尺寸，降低了工艺制作难度，在不牺牲光谱仪分辨率的情况下减少了输出波导及光电探测器阵列的个数并扩展了光谱仪的光谱分析范围。
图2给出了图1中所述滤光片1的滤光效果图。采用滤光片主要是为了滤除光谱仪非工作波长区间的干扰光，由于平面集成波导光栅的频谱周期性，不同衍射级的光输出位置会重合，因此需要滤除这些干扰光。根据工作波长区间的要求，滤光片可以为带通滤光片，带阻滤光片，短通滤光片，长通滤光片，双联带通滤光片或者它们之间的组合。
图1中，对于刻蚀衍射光栅3，其衍射光栅部分为反射式闪耀光栅，如图3所示。其所满足的光栅方程为 
，其中
为光栅的入射角， 
为光栅的衍射角，
为平板波导的有效折射率，d为相邻光栅齿之间的距离，
为工作波长，m为光栅的衍射级次。刻蚀衍射光栅3具有频谱周期性，若波长
的第m阶衍射级位置和波长
的第m-1阶衍射级位置重合，则
为自
由光谱范围(FSR)，记做
。
因此，不同的输入波长如果他们的波长差刚好是自由光谱范围(FSR)的整数倍，就将会在成像面上聚焦于同一位置。在通常的光谱分析中，这是一种需要避免的情况，因为这会造成光谱信息的错乱。所以通常情况下，在刻蚀衍射光栅的设计中，所有分析波长都处于同一衍射级次，这在小光谱分析范围应用中并无太大问题，但是当所需分析的光谱范围跨度比较大时，由于自由光谱范围
的增加，会导致光栅衍射级次m值降低，根据光栅方程
，相邻光栅齿之间的距离d也要降低，这对制作会带来很大的困难。此外，大的波长范围还意味着同样光谱分辨精度情况下更多的输出通道，更大数目的光电探测器阵列，更大的器件尺寸。在一些荧光分析领域，比如植物生长逆境监测领域，人们往往只需要对某些特定的波长段(440nm、520nm、685nm和740nm，尤其是685nm和740nm)进行扫描监控。这些特定的波长段跨度也比较大，如果把所有波长段涵盖在一个自由光谱范围内，毫无疑问，就会遇到上段文字所提到的各种问题。比如，如果令自由光谱范围为从430nm到750nm，波长跨度为320nm，则m值仅为2左右，这样光栅齿之间的距离d只有不到500nm，这对于制作出高性能器件来说是一件非常困难的事情，此外，如果令相邻输出通道波长间隔为0.2nm，则需要的输出光波导阵列以及光电探测器阵列数目为1600，这会使封装更加困难，成品率下降，尺寸变大，从而增加了制作成本。
但是，如果利用刻蚀衍射光栅的频谱周期性，使不同的波长区间的光工作于不同的衍射级次，就可以将自由光谱范围从整个连续光谱缩小为分立波长区间的各个光谱范围和，从而可以提高衍射级次，一方面可以增加光栅齿的尺寸，降低工艺制作难度；另一方面对于刻蚀衍射光栅，改变自由光谱范围并不会影响输入光场的模斑大小，这样就不会改变光栅上的光场分布，虽然光栅齿增大会使得所需光栅齿总数目N变小，但由于同时衍射级次m也在提高，因此光栅的色分辨本领R(R=mN)并不会变化，若相邻输出通道波长间隔也不变化，这样就可以在不牺牲光谱仪分辨率的情况下减少了输出波导及光电探测器阵列的个数，并且还扩展了光谱仪的光谱分析范围。
举例如下：
现需要对植物叶绿素荧光谱进行监测，检测波长段为680nm~690nm和735nm~745nm。
若取自由光谱范围为两个分立波长段光谱范围和20nm左右，相邻输出光波导之间通道间隔小于0.2nm。波长段680nm~690nm工作衍射级次为33，波长段735nm~745nm工作衍射级次为30，设计时，将680nm~690nm波长段的光根据频谱周期性映射到750nm附近。图4所示为该分立波长区间光谱仪在输出端的输出光谱分布图，其中波长段为680nm~690nm的光与波长段735nm~745nm的光相互间不重叠输出。
而若取自由光谱范围为从680nm到745nm整个区间时，则此时自由光谱范围为65nm左右，光栅工作的衍射级次则为10。以上两种方法的设计结果对比列表如表1所示。
表1
以上表中两组数据的比较，证明分立波长区间的设计相比连续波长区间的设计的确可以提高衍射级次，增加光栅齿尺寸，降低制作难度，同时如前面所分析的那样，在相邻通道波长间隔不变以及输入光场模斑大小不变的情况下，可以不牺牲光谱仪分辨率，可以减少输出波导及光电探测器阵列的个数，并且可以扩展光谱仪的光谱分析范围。
如果分立波长区间的间隔跨度更大，则效果会更明显，下表所示为另外一组设计参数，仍然对植物叶绿素荧光谱进行监测，检测波长段为435nm~445nm和735nm~745nm，此时分立波长区间的间隔跨度更大。
表2
图5是第四种实施方式中，光输入波导、阵列波导光栅及输出光波导阵列的示意图。包括光输入波导2，阵列波导光栅3、光输波导阵列4。阵列波导光栅3又由第一自由传输区10，阵列波导区30，第二自由传输区20构成。其中阵列波导区30起到分光作用，相当于光栅。待分析光从光输入波导2进入阵列波导光栅3中，利用阵列波导光栅3的频谱周期性，使不同波长区间的光工作于不同的衍射级次，并不重叠成像于阵列波导光栅第二自由传输区20的输出平面。通过使阵列波导光栅3工作在不同衍射级次，将自由光谱范围从整个连续光谱范围缩小为分立波长区间的光谱范围和，提高了衍射级次，增加了阵列波导之间的长度差，降低了工艺制作难度，在不牺牲光谱仪分辨率的情况下减少了输出波导及光电探测器阵列的个数并扩展了光谱仪的光谱分析范围。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪，其特征在于：包括滤光片(1)，光输入波导(2)、平面集成波导光栅(3)和光电探测器阵列(5)；光输入波导(2)的一端与滤光片(1)连接，光输入波导(2)的另一端与平面集成波导光栅(3)的自由传输区连接，光电探测器阵列(5)与平面集成波导光栅(3)的输出平面连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪，其特征在于：在光电探测器阵列(5)与平面集成波导光栅(3)的输出平面之间用光输出波导阵列(4)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪，其特征在于：所述平面集成波导光栅(3)为刻蚀衍射光栅。
4.根据权利要求1所述的一种基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪，其特征在于：所述平面集成波导光栅(3)为阵列波导光栅。
5.根据权利要求3所述的一种基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪，其特征在于：所述刻蚀衍射光栅包括自由传输区域和衍射光栅区域。
6.根据权利要求4所述的一种基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪，其特征在于：所述阵列波导光栅包括第一自由传输区，阵列波导区和第二自由传输区。
7.根据权利要求1所述的一种基于平面集成波导光栅的分立波长区间高分辨率微光谱仪，其特征在于：所述微光谱仪的分析光谱为分立波长区间，平面集成波导光栅(3)对不同波长区间的光谱工作于不同的衍射级次，自由光谱范围为各分立波长区间的光谱范围和。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110907 |