[发明专利]一种硅基波导分光芯片及光谱分析系统

说明书

本公开提供一种硅基波导分光芯片及光谱分析系统，其中硅基波导分光芯片包括：耦合光栅、分束器、热光调相MZI模块、合束器和和光电探测器；热光调相MZI模块包括第一分光臂和第二分光臂；耦合光栅将输入光耦合至分束器的输入端；分束器将输入光分成第一光束和第二光束；热光调相MZI模块通过热光调相使第一分光臂中的第一光束和第二分光臂中的第二光束产生光程差，以对输入光进行干涉分光；合束器将第一分光臂输出的第一光束和第二分光臂输出的第二光束进行合束；光电探测器将合束器输出的光信号进行光电转换输出电信号，相较于现有技术，通过热光调相可灵活改变MZI两臂间光程差的大小，实现高分辨率、宽光谱范围的光谱探测。

技术领域

本公开涉及硅基波导光谱分析技术领域，具体涉及一种硅基波导分光芯片及光谱分析系统。

背景技术

光谱分析技术具有非接触、无损、实施检测等优势，被广泛应用于食药检测、气体检测和生物医学等众多应用领域。传统的光谱仪体积庞大，重量较大，造价昂贵，无法直接面对消费者服务。

硅光技术为光谱仪的小型化提供了一种有效的解决手段，例如SOI（绝缘衬底上的硅）波导可用于制作近红外波段的器件，同时SOI工艺可和CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺兼容，进一步降低了工艺成本。同时，硅光集成技术的发展，为片上光谱仪的实现提供了可能的途径，硅光集成技术可将探测器和分光结构进行片上集成，光源通过异构集成的方式进行集成，极大缩小了光谱仪的体积和重量。

硅基光谱分光芯片的主要实现方式包括色散波导元件和干涉型结构，色散型波导分光结构包括阵列波导光栅、刻蚀衍射光栅等结构，干涉型波导分光结构包括空间外差光谱分光结构、傅里叶变换型光谱分光结构等。色散型波导分光结构光谱分辨率的提升主要依靠版图面积的增大，而光谱范围受限，信噪比较低；干涉型波导光谱分光结构信噪比高，抗干扰能力强，同时可通过增大光程差来提升光谱分辨率，光谱范围受限于波导分光器件的带宽，但仍远大于色散型的光谱分光结构。因此，选择干涉型波导光谱分光结构可获得较好的光谱分光性能。

在干涉型光谱分光结构的设计中，如何获得高的光谱分辨率和大的光谱范围，是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本公开的目的是提供一种硅基波导分光芯片及光谱分析系统，以实现高分辨率、宽光谱范围的光谱探测。

本公开第一方面实施例提供一种硅基波导分光芯片，包括：

耦合光栅、分束器、热光调相马赫曾德尔干涉仪（MZI）模块、合束器和光电探测器；所述热光调相MZI模块包括第一分光臂和第二分光臂；

所述耦合光栅，用于将输入光耦合至所述分束器的输入端；

所述分束器，用于将输入光分成第一光束和第二光束，并将所述第一光束传输至所述第一分光臂的输入端，将所述第二光束传输至所述第二分光臂的输入端；

所述热光调相MZI模块，用于通过热光调相使第一分光臂中的第一光束和第二分光臂中的第二光束产生光程差，以对所述输入光进行干涉分光；

所述合束器，用于将所述第一分光臂输出的第一光束和所述第二分光臂输出的第二光束进行合束，并将合束后的光信号传输至所述光电探测器；

所述光电探测器，用于将所述合束器输出的光信号进行光电转换输出电信号。

根据本公开的一些实施方式中，所述耦合光栅包括：

宽度渐变波导，用于接收输入光并完成输入光的模式匹配；

弯曲光栅，用于将模式匹配的输入光耦合至所述分束器的输入端。

根据本公开的一些实施方式中，所述分束器和合束器均采用1×2多模干涉耦合器。

根据本公开的一些实施方式中，所述多模干涉耦合器包括浅刻蚀结构和深刻蚀结构。

根据本公开的一些实施方式中，所述第一分光臂和第二分光臂为螺旋线波导结构。