CN102207459A - 基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，包括一具有电光调制功能的集成光波导芯片。光源光经光纤传输耦合进入集成光波导芯片，芯片内的导波光穿过敏感窗口区间进入光波导干涉计。干涉计输出信号至光电探测器。电压函数发生器在光波导干涉计两调制电极间施加随时间变化的电压，用光电探测器实时测量干涉计信号强度随调制电压的变化，再用与光电探测器和电压函数发生器同时相连的信号处理芯片对测得的干涉计信号进行快速傅里叶变换处理，得到入射光光谱。本发明的芯片光谱仪能灵敏地测定在敏感窗口内的固体、液体、甚至单分子吸附层的可见-红外吸收光谱，还可测定置于敏感窗口内的荧光物质的荧光光谱，抗干扰能力强，适合现场快速定量检测。

Description

基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪

技术领域

本发明属于微光机电***(MOEMS)加工技术、集成光波导传感技术和光谱测量技术领域，涉及一种基于集成光波导技术的傅里叶变换光谱仪，特别涉及一种把消逝波表面敏感元件与傅里叶变换光波导光谱仪集成于同一芯片的新型片上光谱仪。

背景技术

光谱仪是分析物质成份、结构和含量的强有力工具，在大气监测、水环境监测、食品安全检测、产品质量检测、防化反恐、生物医学、石油化工、空间探测、材料研发等众多领域有着广泛应用。不同于现有实验室大型的光谱分析设备，小型化、便携式光谱仪，特别是微型片上光谱仪更能够满足现场实时快速检测的要求，因此具有更加广阔的应用前景和巨大的市场需求及良好的发展趋势。

光谱仪有多种分类方法。首先根据工作原理可分为三类：棱镜色散式光谱仪、光栅分光式光谱仪、以及调制变换式光谱仪。棱镜色散式和光栅分光式光谱仪是建立在几何光学原理上的经典的光谱仪，而调制变换式光谱仪是建立在调制计算原理基础上的光谱分析仪器。前者需要使用狭缝和CCD探测器直接获取入射光谱。这类光谱仪的性能直接受制于CCD器件，对光谱探测窗口和光谱分辨率难以同时兼顾：光谱探测窗口越宽，则光谱分辨率越低；而后者是基于光学调制来完成光谱成份检测的仪器，主要基于干涉调制来完成色散。与前者不同的是，调制变换式光谱仪所采集得到的结果必须再经过相应的函数变换计算才能得到实际的测量光谱。常见的调制变换式光谱仪包括傅里叶变换光谱仪和阿达玛变换光谱仪。调制变换式光谱仪在***组成上较经典色散光谱仪复杂，通常包含运动部件，但调制变换式光谱仪不受入射狭缝的限制，能够通过扩散的入射孔径或者干涉调制得到信噪比大、分辨率高窗口宽的光谱信号，适用于精确光谱测量。

常见的调制变换式光谱仪是基于动镜迈克尔逊干涉仪结构的桌上型傅里叶变换光谱仪。这种商业化光谱仪由分离光学元件构成，各元件需精确定位，需要一套高精度的动镜驱动装置和良好的减震环境，***内部的空间自由光束很容易受到环境温度、湿度、气压及气氛变化的干扰，体积大，价格高，抗震性差，不适合携带和现场快速检测，这极大地限制了光谱仪的使用范围。

目前，MOEMS技术、光电探测技术和精密加工技术已经成熟，这为研发微小型调制式傅里叶变换光谱仪提供了越来越多的机会。一个典型的实例是1999年瑞士

大学微技术研究所Omar Manzardo等人采用MOEMS技术研制了一种微型傅里叶变换光谱仪[O.Manzardo，H.P.Herzig，C.R.Marxer，and N.F.de Rooij，Opt.Lett.24(1999)1705-1707.]。该光谱仪使用微型硅反射镜作为Michelson干涉计的扫描动镜，使用静电驱动器驱动微型硅反射镜，可以实现对微镜***的精确扫描。最大驱动电压是10V，最大位移可达39μm，重复误差为±13nm，可以在可见光波段获得10nm的光谱分辨力，同时该光谱仪结构紧凑，尺寸仅为5mm×4mm。但是这种微型光谱仪仍然采用空间自由光束进行干涉调制，因此同样容易受到外界环境变化的干扰。基于采用集成光波导技术的微小型傅里叶变换光谱仪将全程采用导波光，因此能够有效提高仪器的抗干扰力。

除了抗干扰能力的增强外，基于集成光技术的傅里叶变换光谱仪还能够与消逝波表面敏感元件集成在同一芯片上形成具有敏感功能的片上光谱仪。利用这种片上光谱仪可直接进行高灵敏度的衰减全反射(ATR)光谱测量。与现有各种光谱仪相比，这种片上光谱仪具有四个明显优势：优势之一是调制方式不同。采用动镜Michelson干涉仪结构的傅里叶变换光谱仪是通过改变动镜与定镜的相对位置对空间自由光束的位相进行线性调制。而本发明所涉及的光谱仪是基于电光调制效应，通过在芯片调制电极间施加斜坡电压改变导波光有效折射率来实现线性调制的。因此，与动镜Michelson干涉计结构的傅里叶变换光谱仪相比，本发明提出的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪的优势在于不存在运动部件，同时导波光的使用克服了空间自由光束易受干扰的缺点。优势之二是这种片上光谱仪同时具备敏感功能。现有傅里叶变换光谱仪不管采用透射测量方式还是采用ATR测量方式，都没有实现样品池与光谱仪主机的集成，因此设备体积大、测试过程中易受干扰。而本发明所涉及的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪实现了样品分析窗口与光谱仪的核心部件-光波导干涉计的片上集成，是一种典型的芯片光谱仪，因此该光谱仪具有体积小、质量轻、抗干扰能力强的优势。优势之三是光谱灵敏度高。现有傅里叶变换光谱仪在进行ATR吸收谱测量时，由于ATR晶片厚度大，使得消逝场与样品的作用次数都在十余次以下，因此ATR谱吸收峰强度较弱，信噪比较差，灵敏度较低。而本发明提出的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪利用在同一芯片上的敏感波导进行消逝波吸收谱测量，导波光的全反射次数要远远大于ATR晶片中的全反射次数，从而使得这种片上光谱仪吸收峰强度更高，信噪比更大，灵敏度更高；优势之四是采用MOEMS技术很容易在同一芯片上制成多通道光谱仪，实现片上光谱仪阵列。

从目前公开的文献中尚未发现与本发明提出的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪相类似的方法和装置。

发明内容

本发明的目的是公开一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，以克服现有动镜Michelson干涉仪结构的傅里叶变换光谱仪以及ATR光谱测量方法中的不足，是一种高速、高灵敏度、结构简单、抗环境干扰、无需运动部件的全导波光芯片光谱仪。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，包括一个集成光波导芯片，一个光源、一个光电探测器，一个电压函数发生器，两根传输光纤，一个信号处理芯片；其集成光波导芯片，包括光纤输入耦合端口，光纤输出耦合端口，敏感窗口，敏感光波导，光波导干涉计，电光调制电极，以及低折射率惰性介质保护层；敏感光波导的一端连接光纤输入耦合端口，中间区段位于敏感窗口内，另一端连接光波导干涉计，光波导干涉计的输出端与光纤输出耦合端口连接；调制电极位于光波导干涉计区间；除敏感窗口外，其余光波导表面被低折射率惰性介质层覆盖；

一根传输光纤连接光源和集成光波导芯片输入耦合端口，另一根传输光纤连接集成光波导芯片输出耦合端口与光电探测器；电压函数发生器与集成光波导芯片上的电极相连，用于调制集成光波导芯片内的导波光位相；信号处理芯片分别与光电探测器、电压函数发生器电连接，对探测器产生的电信号进行傅里叶变换处理。

所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其所述集成光波导芯片，为铌酸锂基光波导芯片、钽酸锂基光波导芯片、砷化镓基光波导芯片、磷化铟基光波导芯片其中之一；或集成光波导芯片的干涉计区间淀积有氧化锌或钛酸钡的具有电光效应的薄膜。

所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其所述光波导干涉计具有电光调制功能，为光波导马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉计、光波导杨氏(Young)干涉计、光波导偏振极化干涉计、光波导迈克尔逊(Michelson)干涉计、光波导法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉计其中之一，或上述干涉计的变形结构。

所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其所述低折射率惰性介质层，为二氧化硅膜、三氧化二铝膜、聚四氟乙烯膜，或氟化镁膜其中之一。

所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其利用电压函数发生器在光波导干涉计的两调制电极间施加随时间线性变化的电压，同时利用光电探测器实时测量干涉计信号强度随调制电压的变化，然后利用信号处理芯片对测得的干涉计信号进行快速傅里叶变换(FFT)处理，获取从敏感光波导传导进入干涉计的导波光光谱。

所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其将少量待测固体或液体样品置于芯片敏感窗口表面，借助消逝波与表面物质的相互作用，芯片光谱仪能够快速灵敏地测定样品的吸收光谱。

所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其利用该芯片光谱仪对在芯片敏感窗口表面形成的单分子吸附层的消逝波吸收光谱进行实时测量，进一步借助分子特有的光谱指纹，实现对待测气体和生化物质的识辨性探测。

所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其利用消逝波激发置于芯片敏感窗口内的荧光物质，再利用敏感光波导收集荧光，然后利用该芯片光谱仪对荧光物质的发射谱进行测量分析。

所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，利用具有分子识别本领的生化试剂对芯片敏感窗口进行表面修饰，增强表面对待测溶液样品中靶标分子的选择性吸附，然后利用该芯片光谱仪对在芯片敏感窗口表面形成的单分子吸附层进行光谱分析，实现对生化物质的识辨性痕量探测。

所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其在同一集成光波导芯片上制备多个敏感窗口、多个敏感光波导、多个光波导干涉计、多组调制电极和多个光纤输入/输出耦合端口，使用多对传输光纤，多个发射不同频谱的光源，多个探测频谱范围不同的光电探测器，一个或多个电压函数发生器，一个或多个信号处理芯片，由此构成多通道芯片光谱仪，每一通道测量的光谱范围不同，从而扩展整个片上光谱仪的光谱测量范围，提高光谱分辨率。

本发明的一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，能够灵敏地测定在消逝波敏感窗口内的固体、液体、甚至单分子吸附层的可见-红外吸收光谱，还可用于测定置于敏感窗口内的物质的荧光光谱。该芯片光谱仪结构简单新颖，制作容易，造价低，体积小，重量轻，便于携带，使用方便，光谱范围宽，分辨率高，测量时间短，灵敏度高，抗干扰能力强，用途广泛，尤其适合于现场快速识辨探测与定量检测。

附图说明

图1为本发明的第一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪结构示意图，为单通道芯片光谱仪，图中：1为光源，2为传输光纤，3为集成光波导芯片，4为消逝波敏感窗口，5为敏感光波导，6为光波导干涉计，7为电光调制电极，8为低折射率惰性介质保护层，9为电压函数发生器，10为金丝导线，11为光电探测器，12为信号处理芯片；

图2为本发明的第二种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪结构示意图，为单通道芯片光谱仪，图中：1为光源，2为传输光纤，3为集成光波导芯片，4为消逝波敏感窗口，5为敏感光波导，6为光波导干涉计，7为电光调制电极，8为低折射率惰性介质保护层，9为电压函数发生器，10为金丝导线，11为光电探测器，12为信号处理芯片；

图3为本发明的第三种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪结构示意图，为多通道芯片光谱仪，具有可探测波长范围宽和波长分辨率高的优点，图中1：为光源，2为传输光纤，3为集成光波导芯片，4为消逝波敏感窗口，5为敏感光波导，6为光波导干涉计阵列，7为电光调制电极，8为低折射率惰性介质保护层，9为电压函数发生器，10为金丝导线，11为光电探测器，12为信号处理芯片；

图4为本发明的第四种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪结构示意图，为单通道芯片光谱仪，包含弯曲波导，具有波长分辨率高的优点，图中：1为光源，2为传输光纤，3为集成光波导芯片，4为消逝波敏感窗口，5为敏感光波导，6为光波导干涉计，7为电光调制电极，8为低折射率惰性介质保护层，9为电压函数发生器，10为金丝导线，11为光电探测器，12为信号处理芯片；

图5为本发明给出的一个具体实施方式中，所使用的集成光波导芯片的结构示意图，图中所示，该芯片制作在x切割的LiNbO₃晶片上，包括5个消逝波敏感窗口，5个敏感光波导，5个光波导Mach-Zehnder干涉计，5对推挽调制电极，以及低折射率惰性介质保护层SiO₂薄膜；

图6为本发明给出的一个具体实施方式中，实际测得的集成光波导芯片的输出光强度与调制电压的变化关系图；

图7a为在上半电压调制周期内芯片输出光强度与调制电压的变化关系图；

图7b在下半电压调制周期内芯片输出光强度与调制电压的变化关系图；

图8a为对图7a所示的干涉图样进行离散傅里叶变换后得到的关于采样点与光功率的谱图；

图8b为对图7b所示的干涉图样进行离散傅里叶变换后得到的关于采样点与光功率的谱图；

图9a为把图8a横轴从取样点数转换为波长后得到的光源光谱图，它是关于波长与光功率的谱图；

图9b为把图8b横轴从取样点数转换为波长后得到的光源光谱图，它是关于波长与光功率的谱图。

具体实施方式

本发明的一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，工作波长范围是由集成光波导芯片的光学透明度和光电探测器可探测波长范围共同决定的。其中具有电光调制效应的集成光波导芯片的光学透明度普遍较好(例如LiNbO₃晶体的透射波长范围是0.4μm～5μm，LiTaO₃晶体的透射波长范围是0.45μm～5μm)，因此光电探测器的种类决定了本芯片光谱仪的工作波长范围，如Si光电探测器的灵敏区间为0.4μm～1.1μm，InGaAs光电探测器的灵敏区间为0.8μm～1.7μm等等。为了拓宽光谱仪的探测区间，如图3所示，我们在同一集成光波导芯片上制备了多个敏感窗口，多个敏感光波导，多个光波导干涉计和多组调制电极，使用多对传输光纤，多个发射不同频谱的光源，多个探测频谱范围不同的光电探测器，构成了多通道芯片光谱仪，该光谱仪具有探测波长范围宽、波长分辨率高的优点。

本发明的一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，是一种全导波光傅里叶变换光谱仪，其调制方式是基于电光调制效应，通过在光波导干涉计的调制电极间施加斜坡电压改变导波光的有效折射率来实现干涉计光程差的线性调制。虽然这种调制方式与动镜Michelson干涉仪结构的傅里叶变换光谱仪的调制方式不同，但是两者具有类似的变换原理。对于给定波长的导波光，当其先后经过芯片的消逝波敏感窗口和光波导干涉计后，芯片的输出光强度可表示为

I_out＝I_in[1+cos(Δφ)]＝I_in[1+cos(2πvl)]                (1)

其中，I_in为输入光强，Δφ为干涉计中传播的导模的积分相位差，

为波数，l为光程差。

当芯片中的导波光为多色光时，芯片的输出光强度可表示如下：

$I_{\mathrm{out}}\left(l\right)=\∫\mathrm{dI}(l,v)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{I}_{\mathrm{in}}\left(v\right)[1+\cos \left(2\mathrm{\πvl}\right)]\mathrm{dv}---\left(2\right)$

上式包含两个部分：第一部分与光程差l无关，代表干涉信号的直流成份；第二部分与光程差有关，代表干涉光信号的交流成份。实际应用中，可以单独提取交流部分进行分析，所以有

$I_{\mathrm{out}}\left(l\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{I}_{\mathrm{in}}\left(v\right)\cos \left(2\mathrm{\πvl}\right)\mathrm{dv}---\left(3\right)$

根据傅里叶变换的定义，有

相应的

由式(4)和式(5)可知，多色光的干涉光强分布与其波数功率谱之间互为傅里叶变换。只要对光电探测器监测到的干涉图样的强度分布进行一维傅里叶变换就可以得到光源的光功率谱。

与其他类型傅里叶变换光谱仪，尤其是与动镜Michelson干涉计结构的傅里叶变换光谱仪的不同之处是，本发明所提及的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，不包含运动部件，是靠改变光波导干涉计调制电极间的电压来实现干涉光光程差的改变。以x切割的铌酸锂基光波导为例，当调制电极采用推挽结构，并在电极间施加随时间线性变化的电压时，光波导导波层的折射率改变量可表示为：

$\mathrm{\Δ}{n}_e=2\×\frac{{\mathrm{\γ}}_{33}{n}_e^3\mathrm{\ΓE}}{2}={\mathrm{\γ}}_{33}{n}_e^3\mathrm{\ΓE}---\left(6\right)$

其中，Δn_e为导波层异常光折射率的变化，电光常数γ₃₃＝30.8×10^-12m/V，n_e为导波层异常光折射率，Γ为导波光电场分布与调制电场分布的重叠程度，其大小分布在0.24～0.32之间，E为调制电场强度。光波导导波层的折射率改变致使光波导干涉计干涉光相位差发生变化，干涉光相位差可以写成：

$l=L{\mathrm{\γ}}_{33}{n}_e^3{\mathrm{\Γ}}^{/}E=L{\mathrm{\γ}}_{33}{n}_e^3{\mathrm{\Γ}}^{/}\frac{U}{d}=\frac{L{\mathrm{\γ}}_{33}{n}_e^3{\mathrm{\Γ}}^{/}C}{d}t---\left(7\right)$

其中，L为调制电极长度，U为调制电压，d为调制电极间距，C为常数(单位：V/s)，表示单位时间内调制电压的变化程度，t为时间。从式(7)可以看出干涉光程差是一个关于时间的线性函数。

对于电压调制的傅里叶变换光谱仪来说，光波导干涉计的半波调制电压决定着光谱仪的分辨率，是一个重要的参数。半波调制电压越低，在相同的调制电压下光谱仪的分辨率越高。其中半波调制电压可以写成：

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{\λd}}{2{\mathrm{\Γ}}^{/}{n}_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}L}---\left(8\right)$

需要指出的是，本发明所提出的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，作为核心部件的集成光波导芯片中的光波导干涉计可以有多种结构，包括光波导马赫-曾德尔干涉计结构[R.G.Heideman，P.V.Lambeck，Sensors and Actuators B 61(1999)100-127.]、光波导杨氏干涉计结构[K.Schmitt，etal.，Biosens.Bioelectron.22(2007)2591-2597；Graham H.Cross，et al.，J.Phys.D：Appl.Phys.37(2004)74-80.]、光波导偏振极化干涉计结构[Zhi-mei Qi，et al.，J.Ligthwave Techn.18(8)(2000)1106-1110.]、光波导迈克尔逊干涉计结构[Shyh-LinTsao，and Shin-Ge Lee，Opt.&Quantum Electron.36(2004)309-320.]、光波导法布里-珀罗干涉计结构[Kinrot Noam，Nathan Menachem，J.Ligthwave Techn.24(5)(2006)2139-2145.]、光波导双模干涉计结构[Sergey S.Sarkisov，et al.，Appl.Opt.40(3)(2001)349-359.]等。

本发明的一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，不仅能够对未知光源的发射光谱进行测试分析，而且可用于如下四方面的检知与定量探测：1.如若将少量待测固体或液体样品置于芯片敏感窗口表面，借助消逝波与表面物质的相互作用，该芯片光谱仪能够测定样品的吸收光谱；2.该芯片光谱仪还能够对在芯片敏感窗口表面形成的单分子吸附层的消逝波吸收光谱进行实时测量，进一步借助每种分子特有的光谱指纹，可以实现对待测气体和生化物质的识辨性探测；3.如若利用具有分子识别本领的生化试剂对芯片敏感窗口进行适当的表面修饰，增强表面对待测溶液样品中靶标分子的选择性吸附，然后利用该芯片光谱仪对在芯片敏感窗口表面形成的单分子吸附层进行光谱分析，即可实现对识辨性痕量探测；4.对置于敏感窗口内的荧光物质进行荧光激发，再利用敏感光波导收集荧光，该芯片光谱仪即可对荧光物质的发射谱进行片上测量分析。

实际操作中，本发明的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，可以采用如图1所示的第一种结构，其中，光波导干涉计由3dB分束器和合束器组成，集成光波导芯片采用了如图5所示的具有推挽调制电极结构的LiNbO₃光波导。先在x切割LiNbO₃基底上表面通过Ti热扩散或者质子交换或者离子注入的方法制作一层比LiNbO₃折射率略高的导波层，以此形成三维LiNbO₃单模光波导，该光波导具有Mach-Zehnder干涉计结构，然后在LiNbO₃基底上表面溅射一层金膜作为推挽调制电极，在本实施例中，制作的电极长度L＝12mm，电极间距d＝20μm，在波长λ＝633nm时，同时取Γ^/为经验值区间的中间值0.28，ne_＝2.2，将这些值代入式(8)中，得到此电极结构尺寸下的半波调制电压为

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{\λd}}{2{\mathrm{\Γ}}^{/}{n}_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}L}=\frac{0.633\×{10}^{-6}\×20\×{10}^{-16}}{2\×0.28\×{2.2}^3\×30.8\×{10}^{-12}\×12\×{10}^{-3}}V=5.74V---\left(9\right)$

电极制作完毕后，接着采用等离子体增强化学气相淀积或溅射技术在调制电极和光波导表面制作一层二氧化硅保护膜(也可以是三氧化二铝膜、聚四氟乙烯膜，或氟化镁膜)，然后在部分输入直波导处开有长度为4mm的消逝波敏感窗口，该窗口用于探测样品。

首先使用波长为633nm的红光作为光源，光源发出的光经光纤传输耦合进入三维LiNbO₃单模光波导芯片，芯片内的导波光穿过消逝波敏感窗口区间进入光波导Mach-Zehnder干涉计，消逝波敏感窗口内无任何样品，干涉计输出信号经另一根光纤传输至光电探测器。利用电压函数发生器在Mach-Zehnder干涉计的两调制电极间施加随时间线性变化的电压，电压变化范围为0V～90V。同时利用光电探测器实时测量干涉计信号强度随调制电压的变化，所得结果如图6所示。从图中可以看出，光波导干涉计芯片的输出光强度随着调制电压的变化而成周期性均匀变化，且每个电压调制周期内的前半个周期干涉光强的变化与后半个周期干涉光强的变化相互对称。这些变化关系在图7a和图7b中得以更清晰的展示。图7a、图7b为前、后半个电压调制周期内输出光强度的周期性变化。在一个调制周期内电压先后发生了+90V、-90V的变化，这个变化致使输出干涉光强度大概变化了15个周期，干涉光相位大概变化了30π，且前、后半个电压调制周期内，干涉光相位均匀变化。由图7a、图7b可知，光波导干涉计芯片的半波调制电压V_π＝90/15＝6V，这与式(9)描述的理论设计值相当接近。从干涉图样还可以得知，光波导干涉计芯片的输出光强对比度达到了5.96dB。

根据式(4)和式(5)可知，光波导干涉计芯片的输出光强度作为调制电压的函数，与光源的功率谱之间互为傅里叶变换。因此利用与光电探测器和电压函数发生器同时相连的信号处理芯片对测得的芯片干涉信号进行快速傅里叶变换处理，可以得到导波光光谱。图8a、图8b即为对图7a、图7b所示的干涉图样做离散傅里叶变换后所得的谱图。将参数L＝12mm，γ₃₃＝30.8×10^-12m/V，n_e＝2.2，Γ＝0.28，d＝20μm，C＝0.85V/s代入式(7)并对图8a和图8b所示的光谱图做坐标对应，得到图9a、图9b所示的光谱图，它是关于波长-光源功率的光谱图。从图9a、图9b中可以看出光谱谱峰分别出现在630.9nm和628.6nm波长处，虽然这两个值与已知输入红光波长稍有差别，但是该光谱图仍然能够很好的说明由干涉图样可以较准确的反演出光源的功率谱。只不过图9a、图9b中的光谱谱峰较宽，这与光电探测器检测的干涉图样的周期数目有关，即与半波调制电压的大小有关，如若增加调制电极的长度，减小调制电极的间距，可以减小半波调制电压，相同的调制电压下可以增加干涉周期，减小谱峰宽度，提高光谱仪分辨率。

同理，将光源从红光扩展为多色光时，这种利用集成光技术、电压调制同时结合的傅里叶变换反演光源光谱的方法依然适用。

图2为本发明的第二种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪结构示意图，其中，光波导干涉计是用光波导方向耦合器替换了图1中的3dB分束器和合束器。

图4为本发明的第四种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪结构示意图，其中，光波导干涉计的干涉臂包含弯曲波导，使得用于电光调制的直波导臂长度成倍增加，可降低半波电压，提高光谱仪的波长分辨率。

基于以上具体实施方式所得的结果可推知，该芯片光谱仪除了能够对未知光源的发射光谱进行测试分析外，换能够对各种物质进行光谱测试分析，并借助分子特有的光谱指纹，实现现场快速识辨性定量检测。

Claims (11)

1.一种基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，包括一个集成光波导芯片，一个光源、一个光电探测器，一个电压函数发生器，两根传输光纤，一个信号处理芯片；其特征在于，

集成光波导芯片，包括光纤输入耦合端口，光纤输出耦合端口，敏感窗口，敏感光波导，光波导干涉计，电光调制电极，以及低折射率惰性介质保护层；敏感光波导的一端连接光纤输入耦合端口，中间区段位于敏感窗口内，另一端连接光波导干涉计，光波导干涉计的输出端与光纤输出耦合端口连接；调制电极位于光波导干涉计区间；除敏感窗口外，其余光波导表面被低折射率惰性介质层覆盖；

一根传输光纤连接光源和集成光波导芯片输入耦合端口，另一根传输光纤连接集成光波导芯片输出耦合端口与光电探测器；电压函数发生器与集成光波导芯片上的电极相连，用于调制集成光波导干涉计的导波光位相差；信号处理芯片分别与光电探测器、电压函数发生器电连接，对探测器产生的电信号进行傅里叶变换处理。

2.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，所述集成光波导芯片，为铌酸锂基光波导芯片、钽酸锂基光波导芯片、砷化镓基光波导芯片、磷化铟基光波导芯片其中之一；或集成光波导芯片的干涉计区间淀积有氧化锌或钛酸钡的具有电光效应的薄膜。

3.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，所述光波导干涉计具有电光调制功能，为光波导马赫-曾德尔干涉计、光波导杨氏干涉计、光波导偏振极化干涉计、光波导迈克尔逊干涉计、光波导法布里-珀罗干涉计其中之一，或上述干涉计的变形结构。

4.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，所述低折射率惰性介质层，为二氧化硅膜、三氧化二铝膜、聚四氟乙烯膜，或氟化镁膜其中之一。

5.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，利用电压函数发生器在光波导干涉计的两调制电极间施加随时间线性变化的电压，同时利用光电探测器实时测量干涉计信号强度随调制电压的变化，然后利用信号处理芯片对测得的干涉计信号进行快速傅里叶变换处理，获取从敏感光波导传导进入干涉计的导波光光谱。

6.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，将少量待测固体或液体样品置于芯片敏感窗口表面，借助敏感波导的消逝场波与物质的相互作用，芯片光谱仪能够快速灵敏地测定样品的吸收光谱。

7.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，利用该芯片光谱仪对在芯片敏感窗口表面形成的单分子吸附层的消逝波吸收光谱进行实时测量，进一步借助分子特有的光谱指纹，实现对待测气体和生化物质的识辨性探测。

8.根据权利要求1或6所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，利用外部体光束或敏感波导消逝场激发置于芯片敏感窗口内的荧光物质，再利用敏感光波导收集荧光，然后利用该芯片光谱仪对荧光物质的发射谱进行测量分析。

9.根据权利要求1或7所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，利用具有分子识别本领的生化试剂对芯片敏感窗口进行表面修饰，增强表面对待测溶液样品中靶标分子的选择性吸附，然后利用该芯片光谱仪对在芯片敏感窗口表面形成的单分子吸附层进行光谱分析，实现对生化物质的识辨性痕量探测。

10.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，在同一集成光波导芯片上制备多个敏感窗口、多个敏感光波导、多个光波导干涉计、多组调制电极和多个光纤输入/输出耦合端口，使用多对传输光纤，多个发射不同频谱的光源，多个探测频谱范围不同的光电探测器，一个或多个电压函数发生器，一个或多个信号处理芯片，由此构成多通道芯片光谱仪，每一通道测量的光谱范围不同，从而扩展整个芯片光谱仪的光谱测量范围，提高光谱分辨率。

11.根据权利要求1所述的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪，其特征在于，在集成光波导芯片上制备包含弯曲波导结构的光波导干涉计，利用弯曲波导加长用于电光调制的干涉臂长度，从而提高单通道傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率。

Images