[发明专利]一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪

说明书

本发明公开了一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，包括平板波导芯片、光源、动镜、定镜和光电探测器；平板波导芯片至少包括两层芯层和包层，且其中一层芯层至少具有两种不同的厚度，且其中一种厚度与其余芯层的厚度一致；在具有不同厚度的芯层的两端分别设置有第一反射体和第二反射体；光源射出的光束会聚到其中一层芯层中，动镜用于将从该芯层中射出的光束原路反射回来；定镜设置于第一反射体的上方，并接收从第一反射体反射的光束；光电探测器设置于第二反射体的上方，并接收从第二反射体反射的光束形成电流信号。本发明解决了现有单模波导光谱仪无法使用钨灯等热辐射光源的核心问题，为片上光谱仪不具备工程可行性扫清了障碍。

技术领域

本发明涉及光传感技术领域，具体涉及一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪。

背景技术

傅里叶变换光谱仪是非常重要的一类光谱仪，其核心结构为迈克尔逊干涉仪，入射光被分为两路，一路经过可移动的镜片(动镜)，另一路经过一个固定位置的镜片(定镜)。动镜随时间运动，引起入射光的调制。经过调制的光入射到被测物体，然后再被接收之后，即可利用动镜位置和接收光强做傅里叶变换，即可得到被测物体的光谱信息。传统的傅里叶光谱仪通常使用的钨灯、汞灯等一类热辐射光源，这类光源光谱范围广，可以进行大范围的光谱测量。随着光波导技术的成熟，基于光波导的片上光谱仪也获得了极大的关注。片上光谱仪具有集成度高、体积小成本低等优势。

然而，现有的片上傅里叶变换光谱仪均以单模波导为基础，光源发出的光需要先通过合适的光束变换结构耦合到单模波到里。对于钨灯、汞灯等一类热辐射光源，其空间相干性较差，根据普朗克黑体辐射理论，热辐射光源耦合到单模波导的功率的极限仅仅和光源的色温有关，而和光源的尺寸、功率、以及耦合结构等无关。例如对于近红外波段的钨灯光源，耦合到单模波导的极限功率约为2微瓦左右，这样的功率远远无法满足光谱仪探测的需求。因此，到目前为止，以单模波导为基础的片上傅里叶光谱仪实际上并不具备工程的可行性。

发明内容

针对现有的单模波导傅里叶变换光谱仪存在的问题，本发明提供了一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，解决了上述问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，包括平板波导芯片、光源、动镜、定镜和光电探测器；所述的平板波导芯片至少包括两层芯层和设置于所述芯层之间的包层，且其中一层所述的芯层至少具有两种不同的厚度，且其中一种厚度与其余所述芯层的厚度一致；在具有不同厚度的芯层的两端分别设置有第一反射体和第二反射体；所述光源射出的光束会聚到其中一层所述的芯层中，且所述的动镜用于将从该芯层中射出的光束原路反射回来；所述的定镜设置于所述第一反射体的上方，并接收从所述第一反射体反射的光束；所述的光电探测器设置于所述第二反射体的上方，并接收从所述第二反射体反射的光束形成电流信号。

具体的，本发明所述的基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪与现有的单模波导傅里叶变换光谱仪相比，其不同之处在于：(1)在现有的单模波导傅里叶变换光谱仪中，材料在上、下和左、右四个方向均对光进行限制，从而实现单模波导，而本发明的平板波导只在上下两个方向对光进行限制，而在另外一个维度是开放的，在这种情况下，波导内的模式数量不再等于1，因此可以容纳更多的光功率；(2)本发明采用了多层的平板波导结构，层与层之间通过低折射率差材料分隔，并在特定的位置引入折射率扰动的结构，实现上、下层波导间的能量交换。

进一步的，所述基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪：所述的平板波导芯片包括第一芯层、第二芯层以及设置于所述第一芯层和所述第二芯层之间的包层；所述的第二芯层设置于所述第一芯层的上方；所述的第二芯层具有两种不同的厚度，分别为第一厚度L₁和第二厚度L₂，且第一厚度L₁和第二厚度L₂呈相间设置(即交替出现第一厚度L₁和第二厚度L₂)；所述第二芯层中的第一厚度L₁与所述第一芯层的厚度L保持一致。