CN114441037A - 宽带光谱整形器件及计算式光谱测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带光谱整形器件，包括串联的多个具有不同整形参数的非对称马赫曾德尔干涉仪；所述非对称马赫曾德尔干涉仪具有两条臂长不同的干涉臂；所述整形参数为臂长差和/或耦合器分光系数。本发明还公开了一种计算式光谱测量装置。本发明宽带光谱整形器件，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。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。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量技术领域，尤其涉及一种宽带光谱整形器件及一种计算式光谱测量装置。
背景技术
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***尺寸和信噪比，因此难以兼顾带宽、精度、尺寸和信噪比。
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***尺寸。
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。
发明内容
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。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种宽带光谱整形器件，包括串联的多个具有不同整形参数的非对称马赫曾德尔干涉仪；所述非对称马赫曾德尔干涉仪具有两条臂长不同的干涉臂；所述整形参数为臂长差和/或耦合器分光系数。
优选地，所述宽带光谱整形器件为片上集成器件。
基于以上宽带光谱整形器件可以得到以下技术方案：
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。
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。
进一步地，以互相关系数度量所述相关性。
进一步地，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。
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。
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
图1为现有计算式光谱测量装置的结构原理示意图；
图2为本发明宽带光谱整形器件的结构原理示意图；
图3为非对称马赫曾德尔干涉仪的传输函数随分光系数k的变化情况示意图；
图4为非对称马赫曾德尔干涉仪的传输函数随两臂光程差
的变化情况示意图；
图5为9个级联非对称马赫曾德尔干涉仪结构的光谱整形器件的传输函数仿真结果；
图6为本发明计算式光谱测量装置的结构原理示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是以多个级联非对称马赫曾德尔干涉仪作为计算式光谱测量装置所使用的宽带光谱整形器件，在提高性能的同时，大幅降低器件的加工难度和实现成本。
本发明所提出的宽带光谱整形器件，包括串联的多个具有不同整形参数的非对称马赫曾德尔干涉仪；所述非对称马赫曾德尔干涉仪具有两条臂长不同的干涉臂；所述整形参数为臂长差和/或耦合器分光系数。
优选地，所述宽带光谱整形器件为片上集成器件。
本发明所提出的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。
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。
进一步地，以互相关系数度量所述相关性。
进一步地，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。
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详细说明：
本发明所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）具有不同整形参数的非对称马赫曾德尔干涉仪串联的结构；每级干涉仪具有2个设计自由度，分别为臂长差ΔL（即两臂长度的差）和耦合器的分光系数k。当单个光谱整形器件具有X个干涉仪时，此器件的整形参数具有2X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，亦即各宽带光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。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。
对于单个非对称马赫曾德尔干涉仪来说，从原理上分析：设输入光信号为
,其中
为幅度，
为相位。由马赫曾德尔干涉仪原理可知，其两个端口输出信号分别为：
其中
和
分别为马赫曾德尔干涉仪两个耦合器的电场耦合系数和传输系数，
为波导折射率，
是马赫曾德尔干涉仪两臂光程差。可见输出光谱传输函数具有正弦震荡形式，其中
决定正弦信号周期，
决定信号幅度和直流偏置。而将多个非对称马赫曾德尔干涉仪级联，且每个传输函数具有不同的周期、幅度和直流偏置，则整个器件的传输函数在波长域具有高度随机性。
为了验证上述分析结果，进行实验以验证：对于单个非对称马赫曾德尔干涉仪，透射谱的幅值与分光系数k有关，透射谱的周期与臂长差（光程差）
有关。
当选用同一参数的定向耦合器（即保持分光系数k不变），改变非对称马赫曾德尔干涉仪上、下两臂光程差
时，可得到周期不同的透射谱波形，如图3所示。观察波形可知：非对称马赫曾德尔干涉仪输出函数的周期和臂长差（光程差）
有关。
令非对称马赫曾德尔干涉仪上、下两臂光程差
保持不变时，通过改变定向耦合器波导间距来改变分光系数k，分别使
和
可得到幅值不同的透射谱波形，如图4所示。观察波形可知：非对称马赫曾德尔干涉仪输出函数的幅值和分光系数k有关。
接着使用matlab对基于9个级联非对称马赫曾德尔干涉仪结构的宽带光谱整形器件的传输函数进行仿真，每个非对称马赫曾德尔干涉仪的臂长差在20-50um之间随机选择，耦合系数在0.1至0.9之间随机选择，其传输函数的仿真结果如图5所示。观察波形可知，该宽带光谱整形器件的输出函数具有强烈的波长选择性。
根据以上分析和实验可知，可通过改变本发明宽带光谱整形器件中各个非对称马赫曾德尔干涉仪的臂长差ΔL、分光系数k来改变器件的传输函数，从而保证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且任意两个宽带光谱整形器件的传输函数高度不同；从而可很好地满足计算式光谱测量对于宽带光谱整形器件的要求。
图6显示了本发明计算式光谱测量装置的基本结构。如图6所示，该装置包括分路单元、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所示宽带光谱整形器件，由多个具有不同整形参数的非对称马赫曾德尔干涉仪串联而成。
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带光谱整形器件，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个宽带光谱整形器件的采样矩阵，
为第i个宽带光谱整形器件的光谱传输函数，
。由于M个宽带光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***信噪比、降低***尺寸。
在上述计算式光谱测量装置中，单个宽带光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，各宽带光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。
Claims (6)
1.一种宽带光谱整形器件，其特征在于，包括串联的多个具有不同整形参数的非对称马赫曾德尔干涉仪；所述非对称马赫曾德尔干涉仪具有两条臂长不同的干涉臂；所述整形参数为臂长差和/或耦合器分光系数。
2.如权利要求1所述宽带光谱整形器件，其特征在于，其为片上集成器件。
3.一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；其特征在于，所述宽带光谱整形器件为如权利要求1或2所述宽带光谱整形器件。
4.如权利要求3所述计算式光谱测量装置，其特征在于，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。
5.如权利要求4所述计算式光谱测量装置，其特征在于，以互相关系数度量所述相关性。
6.如权利要求4所述计算式光谱测量装置，其特征在于，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。
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