本发明专利技术公开了一种在平面波导电路(PLC)上实现的变换光谱仪，所述变换光谱仪具有承载待分析的输入光学信号的输入光学信号波导；多个耦合器，每一个耦合器连接到所述输入光学信号波导，并且每一个耦合器包括用于承载与所述输入光学信号相关的被耦合光学信号的耦合器输出。在所述PLC上形成交错的非对称波导马赫-曾德尔干涉仪(MZI)阵列，每一个波导马赫-曾德尔干涉仪(MZI)具有至少一个输入MZI波导，每一个MZI输入波导从相应的耦合器输出接收被耦合光学信号；其中所述输入MZI波导中的至少一些在所述PLC的公共层中以某一角度交叉，所述角度允许其相应的被耦合光学信号在没有不可接受的衰减的情况下传输。所述结构改善了所述PLC的空间效率，允许实现更多的MZI，产生增加的光谱分辨率。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及平面光波导电路。更具体而言，本专利技术涉及一种平面光波导傅里叶变换光谱仪。
技术介绍
对能够实时感测生物和环境材料的小型光谱传感器的需要正日益增长。例如，人类呼吸的宽带宽、高光谱分辨率的光学检测已经识别了与特定疾病和新陈代谢过程相关的多个重要生物标记。作为对平面光波导傅里叶变换光谱仪的介绍，将光耦合到单模波导在诸如阵列波导光栅(AWG)、环形谐振器和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的大多数集成光学传感器中通常是困难的。在硅波导的情况下，要求锥形尖端低达 80nm的非常精细和平滑的蚀刻以实现低损耗的模斑转换器。平面光波导傅里叶变换光谱仪的主要优点在于其相对容易的光耦合以及高的光通量。空间外差光谱技术(SiB)是基于没有移动部件的变型后的迈克尔逊干涉仪的干涉傅里叶变换技术，并且依赖于静态干涉图的分析。在块状光学(bulk-optic) SHS中，由衍射光栅替代迈克尔逊干涉仪的反射器。由于其宽松的制造容限以及在数据分析中校正干涉仪缺陷和未对准的能力，该块状光学SHS仪器比传统的法布里-珀罗和迈克尔逊傅里叶变换光谱仪更实用。此外，该仪器可以在没有移动部件的情况下视场展宽以实现高灵敏度。通过块状光学中静态傅里叶变换光谱仪的已知配置激发了平面波导SHS设备的早期提议。可以通过交错具有相反色散的两个波导相位阵列来形成波导SHS光谱仪。交错阵列在平板波导中产生传播和相互干涉的两个波前，生成取决于波长的条纹。这是由于阵列的不同色散，该阵列使得波前对于不同的波长以不同的角度相交因而形成取决于波长的条纹图案。通常，由于能够将任何输入信号分解为其单色成分，因此输入光谱经由傅里叶变换与条纹图案相关。与类似光谱性能的标准AWG相比较，该交错AWG结构允许使用更宽的输入波导宽度。然而，交错AWG产生(在无合成器的传播区域中)其明显的空间塔尔伯特效应，并且这些塔尔伯特图案的叠加产生空间莫尔条纹。从复杂的莫尔-塔尔伯特图案获取信号要求复杂的数值处理。
技术实现思路
这里公开了一种基于平面光波导傅里叶变换光谱仪的小型光谱传感器。干涉型傅里叶变换光谱仪的主要优点在于高的光通量、紧凑的尺寸以及相对容易获得的高分辨率。 除了大吞吐量的优点，与基于光栅的设备相比较，傅里叶变换光谱仪的其它优点在于能够同时测量全部波长处的光谱信息。为此，在一个方面，本专利技术涉及一种在平面波导电路(PLC)上实现的变换光谱仪， 所述变换光谱仪具有承载待分析的输入光学信号的输入光学信号波导；多个耦合器，每一个耦合器连接到所述输入光学信号波导，并且每一个耦合器包括用于承载与所述输入光学信号相关的被耦合光学信号的耦合器输出；交错的非对称波导马赫-曾德尔干涉仪(MZI) 阵列，每一个波导马赫-曾德尔干涉仪(MZI)具有至少一个输入MZI波导，每一个MZI输入波导从相应的耦合器输出接收被耦合光学信号；其中所述输入MZI波导中的至少一些在所述PLC的公共层中以某一角度交叉，所述角度允许其相应的被耦合光学信号在没有不可接受的衰减的情况下传输。所述输入MZI波导以大于大约45°彼此交叉；并且可以使用虚设交叉波导以使得对于每一个MZI波导所述波导交叉的总数相等。还公开了一种三维光谱仪系统，包含多个堆叠的PLC，每一个PLC具有变换光谱仪。公开了其它性能改善，例如在邻近所述输出MZI波导中的至少一个输出MZI波导的所述PCL上形成的准直波导透镜阵列，用于从所述输出MZI波导向所述检测器阵列的相应部分提供经准直的输出信号；以及多个加热器，每一个加热器附接到相应的MZI，以矫正所述光谱仪中的相位误差。这些结构、用于其制造的方法以及作为光谱仪使用的方法也形成本专利技术的一部分。此外，经过本专利技术的技术实现其它的特征和优点。这里详细描述了本专利技术的其它实施例和方面并且其被认为是要求保护的本专利技术的一部分。附图说明在说明书结尾处的权利要求书中具体地指出了并且清楚地请求保护被认为是本专利技术的主题。通过下面结合附图进行的详细描述，本专利技术的前述和其它目的、特征和优点将变得显而易见，在附图中图1描述了通过波导MZI阵列形成的空间外差光谱仪；图2描述了根据本专利技术的一个方面具有交错MZI的平面光波导傅里叶变换光谱仪；图3描述了检测器阵列处的如下条纹图案(a)在利特罗波数Qci处输入为单色时输出功率的均勻分布，(b)在单色输入从O C1偏移波数分辨率δ σ时的条纹图案，(c)对于 On处的单色输入的条纹，以及(d)在输入信号中存在多个波数时的条纹图案；图如描述了硅脊形波导的配置并且图4b描述了其电场分布；图5描述了在0. 128nm分辨率处双测试(test doublet)的计算光谱；图6描述了在0. 064nm分辨率处双测试的计算光谱；图7描述了测试吸收光谱；图8描述了 U8MZI的输出功率；图9描述了根据本专利技术具有交错MZI的三维平面光波导傅里叶变换光谱仪；图10描述了根据本专利技术图9的三维平面光波导傅里叶变换光谱仪的左侧视图；图11描述了根据本专利技术的波导透镜阵列以对输出束进行准直；图12描述了波导透镜的示意图以及示例性参数定义；图13描述了在优化的波导透镜中的示例性光束准直；图Ha-d描述了根据本专利技术的如下相位误差的校正(a)MZI阵列中测量的有效系数(effective index)波动，(b)耦合到光谱仪中的初始信号光谱，(c)未校正获得的信号光谱，以及(d)根据本专利技术校正后的光谱；图1 描述了根据本专利技术固定到波导的示例性加热；图15b描述了经过端口响应相对于加热器功率；以及图16描述了根据本专利技术具有示例性加热器的整体光谱仪。具体实施例方式可以将上面讨论的波导SHS概念总结为如图1所示并且如在M. Florja^zyk5 P.Cheben, S. Janz, A.Scott, B.Solheim, and Dan-Xia Xu, "Planar waveguide spatial heterodyne spectrometer", Proc. of SPIE, vol. 6796，pp. 67963J1-J10, 2007 中讨论的波导MZI阵列，这里以引用的方式并入其全部内容。对于空间相干光，由独立干涉仪结构构成的波导配置是可能的，每一独立干涉仪结构在不同的位置处对输入波前进行采样。这允许同时使用多个输入孔径。这种结构的优点在于增加了光通量。与AWG类似，每一个非对称MZI的光程差增加AL。利用更大数量的 MZI，能够实现更精细的光谱分辨率。然而，如图1所示的简单堆叠多个MZI的简单设置方法不允许在有限的晶圆尺寸中MZI的数量增加。这里公开了一种具有如图2所示具有交错MZI配置的改善的平面光波导傅里叶变换光谱仪10。在该配置中，空间相干输入光20激励连接到MZ干涉仪40的相应波导30。例如由定向耦合器或者多模干涉(MMI)耦合器构成的3-dB耦合器50经由MZI输入波导42 进入MZI的两个非对称分支。MZI中的波导臂可以故意倾斜到两侧，使得波导以大于45°彼此交叉。如在 T. Kominato, T.Kitoh, K.Katoh, Y.Hibino, and Μ. Yasu,"Loss characteristics of intersecting silica-based waveguid本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：冈本克奇，
申请(专利权)人：艾迪株式会社，
类型：发明
国别省市：
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