本發(fā)明涉及光譜儀領(lǐng)域，具體是一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀。

背景技術(shù)：

1、光譜儀是一種用于測(cè)量物質(zhì)與輻射（如光）相互作用的科學(xué)儀器，在材料分析、生物醫(yī)學(xué)研究、顏色測(cè)量、半導(dǎo)體檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)光譜儀通過(guò)光柵或棱鏡將輸入光分解為不同波長(zhǎng)，并將其聚焦到檢測(cè)器上，從而記錄各波長(zhǎng)光的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)光譜測(cè)量。這種方法雖然能夠達(dá)到高分辨率，但由于設(shè)備體積龐大、價(jià)格昂貴且維護(hù)成本高，極大地增加了使用成本。

2、硅光子技術(shù)因其體積微小、多功能性、高帶寬、低功耗等優(yōu)勢(shì)，成為光譜儀領(lǐng)域的創(chuàng)新方向。特別是絕緣體上硅（soi）與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（cmos）工藝的兼容性，使其易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造?；诠韫庾蛹夹g(shù)的片上集成光譜儀在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力。例如，在消費(fèi)電子領(lǐng)域，可以集成在智能手表中實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)；在軍事和安全領(lǐng)域，可應(yīng)用于便攜式化學(xué)檢測(cè)設(shè)備，用于快速識(shí)別潛在威脅；在天文觀測(cè)領(lǐng)域，可搭載于衛(wèi)星或航天器上，進(jìn)行行星探測(cè)或天文研究。

3、目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了幾種實(shí)現(xiàn)片上光譜儀的方法。例如，直接恢復(fù)法通過(guò)將入射信號(hào)分為不同波長(zhǎng)波段，輸入至光電探測(cè)器陣列中，以讀取光譜信號(hào)。盡管該方法直接，但需引入多個(gè)探測(cè)器，從而增加了成本，并且需要微環(huán)諧振器，可能導(dǎo)致制造誤差和不確定性。傅里葉變換光譜儀基于干涉儀的原理，將光波分解并進(jìn)行干涉，利用傅里葉變換將干涉圖轉(zhuǎn)換為光譜信息。然而，該方法無(wú)法兼顧高光譜分辨率與小型化器件的需求，同時(shí)易受外部噪聲干擾，導(dǎo)致信噪比下降。不僅如此，還會(huì)增加功耗并占用大量芯片面積。

4、因此，亟需一種能夠平衡光譜分辨率、光譜范圍、器件尺寸，并具有優(yōu)秀可重構(gòu)性的片上光譜儀，以滿足集成化、低成本、高性能的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，以解決現(xiàn)有技術(shù)光譜儀在光譜分辨率、光譜范圍及器件尺寸三個(gè)性能指標(biāo)之間難以平衡的問(wèn)題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其器件層（50）為光波導(dǎo)類型器件，器件層（50）包括隨機(jī)螺旋光柵（90）、兩組傳輸波導(dǎo)（100）、兩組光柵耦合器（110）；

4、所述隨機(jī)螺旋光柵（90）為布拉格光柵，布拉格光柵的形狀為遵循阿基米德螺線分布的螺旋形狀，布拉格光柵的光柵特性沿光柵長(zhǎng)度方向呈隨機(jī)分布變化，并且布拉格光柵的螺線兩對(duì)稱側(cè)分別具有周期性排布的隨機(jī)波紋側(cè)壁結(jié)構(gòu)；

5、第一組光柵耦合器（110）通過(guò)第一組傳輸波導(dǎo)（100）與隨機(jī)螺旋光柵（90）一端連接，第二組光柵耦合器通過(guò)第二組傳輸波導(dǎo)與隨機(jī)螺旋光柵（90）另一端連接；入射光經(jīng)第一組光柵耦合器（110）耦入至第一組傳輸波導(dǎo)（100），再由第一組傳輸波導(dǎo)（100）傳輸至隨機(jī)螺旋光柵（90），光信號(hào)通過(guò)隨機(jī)螺旋光柵（90）時(shí)，通過(guò)隨機(jī)螺旋光柵（90）對(duì)光信號(hào)的幅度進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，得到幅度在頻域中隨機(jī)變化的光信號(hào)；

6、還包括加熱器（60），所述加熱器（60）用于非均勻加熱所述隨機(jī)螺旋光柵（90），使隨機(jī)螺旋光柵（90）溫度非均勻改變，以改變隨機(jī)螺旋光柵（90）的折射率，進(jìn)而對(duì)通過(guò)隨機(jī)螺旋光柵（90）的光信號(hào)的相位進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，由此得到幅度和相位均在頻域中隨機(jī)變化的光信號(hào)；

7、幅度、相位均隨機(jī)變化的光信號(hào)再通過(guò)第二組傳輸波導(dǎo)傳輸至第二組光柵耦合器，并由第二組光柵耦合器耦出。

8、進(jìn)一步的，形成器件層（50）的光波導(dǎo)為硅材質(zhì)或者含硅材質(zhì)制成。

9、進(jìn)一步的，所述隨機(jī)螺旋光柵（90）的有效折射率為2.43，群折射率為4.2。

10、進(jìn)一步的，所述隨機(jī)螺旋光柵（90）的光柵周期介于0.15?μm至0.2?μm之間，光柵周期個(gè)數(shù)介于5000至7000之間。

11、進(jìn)一步的，所述布拉格光柵的光柵特性包括光柵耦合強(qiáng)度、光柵周期、光柵切趾曲線、光柵相位。

12、進(jìn)一步的，所述隨機(jī)波紋側(cè)壁結(jié)構(gòu)的形狀為正弦形或者矩形。

13、進(jìn)一步的，所述光柵耦合器（100）為te模式耦合器。

14、進(jìn)一步的，所述加熱器（60）為金屬材料制成，加熱器（60）的形狀為呈多道不規(guī)則彎曲的條狀結(jié)構(gòu)，加熱器（60）設(shè)于所述隨機(jī)螺旋光柵（90）上方，加熱器（60）的每道彎曲連接的兩段條狀結(jié)構(gòu)之間保留空隙相互隔離，并且加熱器（60）的下投影全部或部分覆蓋所述隨機(jī)螺旋光柵（90），通過(guò)加熱器（60）的多道不規(guī)則彎曲的條狀結(jié)構(gòu)以非均勻加熱所述隨機(jī)螺旋光柵（90）。

15、進(jìn)一步的，還包括襯底層（10）、埋氧層（20）、氧化物下包層（30）、氧化鈍化層（40）、電極（70），所述埋氧層（20）設(shè)于襯底層（10）上，所述器件層（50）設(shè)于埋氧層（20）上，所述氧化物下包層（30）設(shè)于埋氧層（20）上并覆蓋所述器件層（50），所述加熱器（60）設(shè)于氧化物下包層（30）上并位于隨機(jī)螺旋光柵（90）上方，所述氧化鈍化層（40）設(shè)于氧化物下包層（30）上并覆蓋所述加熱器（60），所述電極（70）設(shè)于氧化鈍化層（40）并從氧化鈍化層（40）中露出，并且電極（70）通過(guò)導(dǎo)線（80）與所述加熱器（60）電連接。

16、進(jìn)一步的，所述襯底層（10）的材質(zhì)為硅材質(zhì)，所述埋氧層（20）、氧化物下包層（30）、氧化鈍化層（40）的材質(zhì)均為氧化硅材質(zhì)。

17、本發(fā)明光譜儀中，光信號(hào)通過(guò)第一個(gè)光柵耦合器耦合進(jìn)入第一個(gè)傳輸波導(dǎo)并傳輸至隨機(jī)螺旋光柵，經(jīng)過(guò)隨機(jī)螺旋光柵對(duì)光信號(hào)的幅頻響應(yīng)進(jìn)行特定隨機(jī)調(diào)制，再通過(guò)第二個(gè)傳輸波導(dǎo)傳輸至第二個(gè)光柵耦合器，并由第二個(gè)光柵耦合器耦合輸出至光電探測(cè)器進(jìn)行光功率讀取，最終通過(guò)信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)輸入光譜儀的光信號(hào)光譜的恢復(fù)。

18、其中，光柵耦合器用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)輸入和輸出的耦合，傳輸波導(dǎo)用于連接光柵耦合器和隨機(jī)螺旋光柵。隨機(jī)螺旋光柵基于自身結(jié)構(gòu)對(duì)通過(guò)的光信號(hào)的幅度進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，加熱器通過(guò)非均勻加熱隨機(jī)螺旋光柵，以對(duì)通過(guò)隨機(jī)螺旋光柵的光信號(hào)的相位進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制。

19、通過(guò)對(duì)電極施加不同電壓精準(zhǔn)控制加熱器溫度，引起隨機(jī)螺旋光柵折射率的隨機(jī)變化，使通過(guò)隨機(jī)螺旋光柵的光信號(hào)相位發(fā)生隨機(jī)變化，這種相位隨機(jī)化的設(shè)計(jì)能夠有效降低不同通道之間的互相關(guān)性。再結(jié)合隨機(jī)螺旋光柵自身對(duì)光信號(hào)幅度的隨機(jī)調(diào)制，由此可得到多通道間互不相關(guān)的隨機(jī)光信號(hào)。通過(guò)對(duì)隨機(jī)光信號(hào)的采集和基于壓縮感知算法的數(shù)據(jù)處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)未知輸入光信號(hào)的恢復(fù)。通過(guò)溫度的調(diào)節(jié)可形成多路信號(hào)采樣通道，這種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可基于單個(gè)器件，大幅擴(kuò)展光譜儀的信號(hào)采樣通道數(shù)，且該過(guò)程可在極短時(shí)間內(nèi)完成。

20、本發(fā)明由于采用了隨機(jī)螺旋光柵和可實(shí)現(xiàn)對(duì)隨機(jī)螺旋光柵非均勻加熱的加熱器，因此能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中片上光譜儀在光譜分辨率、光譜范圍及器件尺寸三個(gè)性能指標(biāo)之間難以平衡的問(wèn)題，并具有微米級(jí)別尺寸，大帶寬、超高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其特征在于，其器件層（50）為光波導(dǎo)類型器件，器件層（50）包括隨機(jī)螺旋光柵（90）、兩組傳輸波導(dǎo)（100）、兩組光柵耦合器（110）；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其特征在于，形成器件層（50）的光波導(dǎo)為硅材質(zhì)或者含硅材質(zhì)制成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其特征在于，所述隨機(jī)螺旋光柵（90）的有效折射率為2.43，群折射率為4.2。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其特征在于，所述隨機(jī)螺旋光柵（90）的光柵周期介于0.15?μm至0.2?μm之間，光柵周期個(gè)數(shù)介于5000至7000之間。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其特征在于，所述布拉格光柵的光柵特性包括光柵耦合強(qiáng)度、光柵周期、光柵切趾曲線、光柵相位。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其特征在于，所述隨機(jī)波紋側(cè)壁結(jié)構(gòu)的形狀為正弦形或者矩形。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其特征在于，所述光柵耦合器（100）為te模式耦合器。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其特征在于，所述加熱器（60）為金屬材料制成，加熱器（60）的形狀為呈多道不規(guī)則彎曲的條狀結(jié)構(gòu)，加熱器（60）設(shè)于所述隨機(jī)螺旋光柵（90）上方，加熱器（60）的每道彎曲連接的兩段條狀結(jié)構(gòu)之間保留空隙相互隔離，并且加熱器（60）的下投影全部或部分覆蓋所述隨機(jī)螺旋光柵（90），通過(guò)加熱器（60）的多道不規(guī)則彎曲的條狀結(jié)構(gòu)以非均勻加熱所述隨機(jī)螺旋光柵（90）。

9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其特征在于，還包括襯底層（10）、埋氧層（20）、氧化物下包層（30）、氧化鈍化層（40）、電極（70），所述埋氧層（20）設(shè)于襯底層（10）上，所述器件層（50）設(shè)于埋氧層（20）上，所述氧化物下包層（30）設(shè)于埋氧層（20）上并覆蓋所述器件層（50），所述加熱器（60）設(shè)于氧化物下包層（30）上并位于隨機(jī)螺旋光柵（90）上方，所述氧化鈍化層（40）設(shè)于氧化物下包層（30）上并覆蓋所述加熱器（60），所述電極（70）設(shè)于氧化鈍化層（40）并從氧化鈍化層（40）中露出，并且電極（70）通過(guò)導(dǎo)線（80）與所述加熱器（60）電連接。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其特征在于，所述襯底層（10）的材質(zhì)為硅材質(zhì)，所述埋氧層（20）、氧化物下包層（30）、氧化鈍化層（40）的材質(zhì)均為氧化硅材質(zhì)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于隨機(jī)螺旋光柵的光譜儀，其器件層為光波導(dǎo)，器件層包括隨機(jī)螺旋光柵、兩組傳輸波導(dǎo)、兩組光柵耦合器，入射光經(jīng)第一組光柵耦合器耦入至第一組傳輸波導(dǎo)，再由第一組傳輸波導(dǎo)傳輸至隨機(jī)螺旋光柵，通過(guò)隨機(jī)螺旋光柵對(duì)光信號(hào)的幅頻響應(yīng)進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制；還包括加熱器，加熱器非均勻加熱隨機(jī)螺旋光柵使隨機(jī)螺旋光柵溫度改變，由此使通過(guò)隨機(jī)螺旋光柵的光信號(hào)的相頻響應(yīng)隨機(jī)變化，最終得到的隨機(jī)光信號(hào)再通過(guò)第二組傳輸波導(dǎo)傳輸至第二組光柵耦合器，并由第二組光柵耦合器耦出；本發(fā)明具有微米級(jí)別尺寸，大帶寬、超高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：馮佳旺,程銳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：合肥工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8