[发明专利]宽光谱高分辨率波导分光芯片结构

说明书

一种宽光谱高分辨率波导分光芯片结构，包括级联MZI波导宽谱分光模块，用于将输入光进行宽光谱预分光，并将输出的多路预分光传输至阵列波导分光模块；阵列波导分光模块，用于将级联MZI波导分光模块的输出的多路预分光进行精细分光，输出更多路窄带宽的光波；调相模块，用于对所述阵列波导分光模块进行调相，调制所述阵列波导分光模块输出的中心波长。本发明将具有较宽带宽的级联MZI结构和较高分辨率的AWG结构相结合，在实现较大光谱范围的同时可实现较高的光谱分辨率，引入光谱差分分析技术，可进一步提高光谱分辨率，可基于成熟的硅光工艺进行批量生产，实现低成本制作。

技术领域

本发明涉及波导光谱分析器件领域，具体而言，涉及一种基于级联MZI技术、AWG技术和调相技术的波导集成的分光芯片结构。

背景技术

光谱分析技术作为一种重要的光探测感知手段，可广泛应用于食品物质成分检测、气体检测、生物医学应用等众多领域。相较于传统的化学滴定、色谱、质谱以及核磁等方案有着预处理复杂、样品难以循环使用、大多需要使用有毒溶剂辅助等缺陷，而光谱检测具有非接触、无损、实时检测的优势。基于此优势，光谱检测技术具有较大的市场应用潜力和广阔的应用前景。传统的光谱检测技术是基于分立的光机元器件，仪器体积庞大，虽精度较高，但造价昂贵(几十万-上百万)，灵活性差，限制了此种光谱仪只能在实验室、物品检验室中使用，难以进入市场直接为消费者服务。

微型光谱分光技术，通过紧凑的光路设计和新型的加工工艺将传统光谱仪的体积、重量和价格大大降低。虽然微型光谱仪可测量的光谱范围和光谱分辨率相较于传统大型的光谱仪而言，有所降低，但是针对特定范围内的用途已足够。芯片级光谱分光技术，是利用微纳加工工艺将将光谱仪的体积和重量进一步减小，产品小而薄。芯片级的光谱分析技术不仅改变了光谱仪的结构形态，也改变了其应用场景，使其可直接被集成在智能手机和设计好的移动产品等微小平台上，直接服务于消费者。

目前，芯片级光谱分光技术的实现方式主要有微环谐振结构、马赫曾德尔干涉仪结构(MZI)、阶梯光栅(EDG)、阵列波导光栅(AWG)等结构。微环谐振结构的分光器件分光的带宽较窄，无法直接应用。并联的MZI结构可以实现较宽的光谱带宽，但如果同时实现较高的分辨率时，则需要较大的阵列数，整个分光器件的版图面积将会十分之大，实际加工工艺较难实现。EDG结构和AWG结构的通道数扩展性较强，适用于多通道的光谱分光，可实现较窄的谱带范围内的高光谱分辨率。但EDG结构是在平板波导的边缘处刻蚀阶梯光栅，其相位差产生在平板波导内，由于工艺的限制，无法保证刻蚀侧壁的垂直度，则会在光栅槽面反射后激发出高阶模，从而产生较严重的串扰。AWG结构具有较好的波长特性，重复性和稳定性较高，且便于集成。

实际中，可应用的光谱分光芯片需要同时满足较宽的光谱范围和较高的光谱分辨率，以上单个器件都无法满足此种应用需求，因此如何实现宽带宽、高分辨率的光谱分光成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种宽谱带高分辨率波导分光芯片，同时可实现较大的光谱范围和较高的光谱分辨率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种宽光谱高分辨率波导分光芯片结构，其特征在于：

包括级联MZI波导宽谱分光模块，阵列波导分光模块和调相模块；

所述级联MZI波导宽谱分光模块，用于将输入光进行宽光谱预分光，并将输出的多路预分光传输至阵列波导分光模块；

所述阵列波导分光模块，用于将级联MZI波导分光模块的输出的多路预分光进行精细分光，输出更多路窄带宽的光波；

调相模块，用于对所述阵列波导分光模块进行调相，调制所述阵列波导分光模块输出的中心波长。

可选的，所述级联MZI波导宽谱分光模块为串并联设计的多级MZI结构，和/或；