[发明专利]基于高分辨率集成光学器件的光谱仪

说明书

揭示一种高分辨率单芯片光谱仪。本发明的实施例类似于傅里叶变换光谱仪；然而，本发明的实施例不具有移动部件。说明性实施例是具有多个嵌套的马赫‑曾德尔干涉仪MZI的光谱仪，其中所有MZI在其样本臂及参考臂中的每一者中共享至少一个表面波导区段。所述样本臂及参考臂中的光信号沿其长度在一系列离散位置处经由电光学控制方向耦合器分接，所述电光学控制方向耦合器在每一臂中由均匀长度波导部分分开，但其中所述均匀长度在所述样本臂及参考臂中是不同的，从而为每一MZI的所述臂提供不同路径长度差。来自所述样本臂及参考臂的分接光在低损耗光束组合器处重新组合，以产生作为所述臂中的时间延迟差的函数的光功率分配。

相关申请案的交叉参考

本案主张2016年9月26日申请的序列号为62/399,729的美国临时专利申请案(代理人案号：142-031PR1)及2016年9月26日申请的序列号为62/399,771的美国临时专利申请案(代理人案号：142-032PR1)的优先权，所述申请案中的每一者以引用的方式并入本文中。如果在本申请案与已以引用的方式并入本文中的案件中的一或多者之间存在的可能影响本案中的权利要求书的解释的语言上的任何矛盾或不一致，那么本案中的权利要求书应经解释以与本案中的语言相一致。

技术领域

本发明大体上涉及光谱仪，且更特定来说涉及基于集成光学器件的光谱仪。

背景技术

光学光谱仪是用于通过确定光信号在光信号中包含的多个波长下的强度来特性化光信号的光谱的系统。光信号的光谱特性可尤其用于确定待测试样本的化学或结构组成。因此，光谱仪已成为许多应用领域的重要工具，所述领域例如生化感测、材料分析、光学通信及医疗诊断。不幸的是，大多数常规光学光谱分析系统体积大、笨重且昂贵，这限制其了在需要便携性的情况下的使用(例如，用于在车祸现场的现场使用、肉类及/或生产质量的现场分析、葡萄藤上的葡萄成熟度评估等)。

已经提出许多方法来减小光学光谱仪的大小及成本。集成光学器件技术被视为一种可用于实现非常紧凑的光谱仪的特别有前途的候选技术，并且可能是开发集成在单个芯片上的实用光谱仪的关键。此外，集成光学器件系统可与微流体系统集成，从而实现可增加芯片实验室功能性的芯片上光谱仪。

集成光学器件系统包含形成在衬底表面上的一或多个光学波导。光学波导可以无数种布置组合(通常称为平面光波电路(PLC))，以提供复杂的光学功能性。这些“表面波导”(本文有时简称为“波导”)中的每一者包含由包层材料环绕的光导芯，其将由表面波导传送的光信号大体上限制到芯材料。

已经基于不同的配置开发若干基于集成光学器件的“微光谱仪”。遗憾的是，这些现有技术微光谱仪通常需要波长色散分量，其光谱分辨率与光学路径长度成反比；因此，此类系统不可避免地很大。

然而，傅里叶变换光普分析(FTS)使用干涉而不是色散来测量光信号的光谱内容。通常，FTS系统是基于迈克尔逊干涉仪布置，其中光信号被分离成一对大体上相同的光信号，光信号分别从静止镜及移动镜反射。然后，重新组合反射光信号，从而导致两个光信号之间的干涉。此干涉产生“干涉图”，其与镜子的运动同步地被检测到。干涉图的空间调制是移动镜的位移的函数。使用傅里叶变换，将空间调制转换成信号的光谱内容。FTS是一种极具吸引力的技术，因为其输出具有高信噪比(SNR)，并且可具有在大光谱区上相对恒定的高分辨率。