[发明专利]光谱采样元件及计算式光谱测量装置

说明书

本发明公开了一种光谱采样元件，用于计算式光谱测量中的光谱全局采样，所述光谱采样元件为一根具有多处自耦合区的自耦合光波导，所述自耦合区通过所述自耦合光波导自身的弯曲折叠形成。本发明还公开了一种计算式光谱测量装置。相比现有技术，本发明所提出的光谱采样元件，基于普通的波导结构，无需像光栅或光子晶体器件需要较高的工艺精度，且不会引入额外的散射损耗，易于设计，无需较高加工精度，且具有更大的工作带宽和更高的精度。本发明所提出的计算式光谱测量装置，通过单次测量即可高精度地重建输入光谱，由于采用上述光谱采样元件，制造难度、制造成本得到大幅降低，同时测量精度有效提升，其实用性远超现有的计算式光谱仪。

技术领域

本发明涉及光谱测量技术领域，尤其涉及一种用于计算式光谱测量的光谱采样元件。

背景技术

为了检测目标光谱的信息，光谱仪应运而生，它能够恢复出所输入的任意未知光谱。光谱仪广泛应用于通信、材料学、天文学、地理科学、遥感等领域。随着物联网和智能设备的发展，迫切需要能够单次测量即可重建光谱的集成光谱仪，如智能可穿戴设备、便携式医疗设备、无人机遥感等等。现有的集成光谱仪多采用窄带分光式，即利用窄带滤波器或分光光栅将待测光谱不同波长成分提取至不同通道进行单独测量。所需通道数量等于光谱仪带宽和精度的比值。这种方案原理简单，但是为了获得大带宽、高精度势必要提高分光通道数量，导致每个探测器接收到的信号能量下降，影响了系统尺寸和信噪比，因此难以兼顾带宽、精度、尺寸和信噪比。

而计算式光谱仪由于可有效解决上述问题而日益成为研究热点。计算式光谱仪的基本原理如图1所示，其首先将信号均匀分光至M路，随后分别通过M个具有不同传输函数的光谱采样元件对信号进行光谱全局采样，采样结果经过光电转换为电信号再经过凸优化算法等特定算法处理后即可重建未知光谱。此类光谱仪的核心在于光谱采样元件。在采用高性能光谱采样元件时，所需分光通道数量M(也即光谱采样元件数量)可远远小于光谱仪带宽和精度的比值，因此能够在保持光谱仪大带宽、高精度优点的同时，有效提升光谱仪信噪比、减小系统尺寸。

然而，现有已公开方案所采用的光谱采样元件多为随机光子晶体或随机布拉格光栅结构，具有如下缺点：需要较高的加工精度；对信号带来额外的散射损耗；工作带宽和光谱精度有限。因此，亟需寻找加工难度和实现成本更低，性能更好的光谱采样元件，以提高计算式光谱测量技术的实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种用于计算式光谱测量的光谱采样元件，在提高系统测量性能的同时，大幅降低加工难度和实现成本。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种光谱采样元件，用于计算式光谱测量中的光谱全局采样，所述光谱采样元件为一根具有多处自耦合区的自耦合光波导，所述自耦合区通过所述自耦合光波导自身的弯曲折叠形成。

进一步地，所述光谱采样元件还包括至少一个与所述自耦合光波导耦合的环形光波导。

所述光谱采样元件为光集成元件。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种计算式光谱测量装置，包括多个具有不同传输函数的光谱采样元件，用于分别对待测光信号进行光谱全局采样；所述光谱采样元件为如上任一技术方案所述光谱采样元件。

优选地，所述多个光谱采样元件的采样参数是以各光谱采样元件相互之间的相关性最小的同时单个光谱采样元件的传输函数在波长域的随机性最大为优化目标，通过多目标优化方法优化得到。

进一步优选地，以互相关系数度量所述相关性。

进一步优选地，以极点数量和/或自相关系数度量传输函数在波长域的随机性。

优选地，所述采样参数包括以下参数中的至少一种：自耦合光波导中的自耦合区数量，自耦合光波导中各自耦合区相互间的距离，自耦合光波导中各自耦合区的耦合系数。