用于微型拉曼光谱仪的陈列波导光栅(AWG)分光芯片研究

摘要

拉曼光谱技术可以在空气和水存在的环境中指纹式、非侵入地鉴别化学分子，尤其是可以在多种化学物质共存的条件下通过鉴别特征峰确定每种化学物质，因此有望成为一种通用型的化学分子鉴别仪器，在食品安全、环境监测、毒品、爆炸物检测、珠宝鉴定和药物分拣确认等很多领域获得广泛的应用。目前昂贵、笨重的光谱仪器大大限制了拉曼技术的应用，但随着智能手机等终端设备的快速发展，如果研制出芯片光谱仪，将能够在类似智能手机的平台上集成拉曼光谱仪，从而获得一种手持式、低成本的化学分子鉴别仪器，有望在测试手段上产生重大突破，对解决我国目前面临的食品安全和环境污染问题有重要意义。
　　本文借鉴光纤通信中的波分解复用技术，提出以阵列波导光栅(AWG)替代传统拉曼光谱仪中的分光模块和成像模块的方案，实现一种光谱仪芯片，使光谱仪的体积、重量和成本均下降一个数量级以上。基于上述思路，本文以785nm激光激发的通用拉曼光谱仪的指标，即:波长范围800nm-1000nm，光谱分辨率0.5nm做为设计指标，实现了光谱仪用AWG芯片的设计、仿真、制造和测试。
　　用于光谱仪中的AWG与光纤通信用的AWG在设计上有较大的差异，包括:(1)光纤通信中AWG的工作波长范围只有几十纳米，而光谱仪应用中的工作波长范围达到几百纳米;(2)光谱仪应用中的AWG的输入信号往往是波长连续的多模信号，需要特殊的耦合元件才能降低输入损耗，而光纤通信中AWG的输入信号是波长分离的单模信号。
　　由于上述特点，光谱仪中的AWG需要更灵活的版图设计，无法像光纤通信中的AWG一样完全使用商用模拟软件直接生成版图并仿真。针对这一问题，第二章采用MATLAB，VBScript编程并结合OptiBPM软件的方法，开发了一种可以产生任意AWG结构的版图自动生成和仿真算法。为验证所提出的算法的可行性，设计并模拟了一种采用类反对称版图结构的1×40通道AWG，其波长范围为850nm-950nm。
　　针对多模输入信号的问题，第三章探讨了多输入通道的可行性。可以通过特定的光学结构将多模信号转换为多个单模信号，并通过多输入通道进入到单模AWG中，从而实现多模信号的低损耗输入。为验证这一思路，设计了一个3输入AWG，并对其性能进行模拟，实现了由不同输入波导进入的光信号聚焦于不交叠的输出波导内，这样毋须进一步分光而直接形成光谱信号。
　　由于用于光谱仪的AWG波长范围宽，通道数多，波长范围800nm-1000nm、光谱分辨率0.5nm的拉曼光谱芯片的面积将超过四英寸硅片，难以实现。为减小芯片面积，第四章讨论了一种多衍射级次AWG的设计，获得的芯片面积为23×11mm2，衍射级次为44-55，输出通道数为41，波长范围为800nm-1000nm，光谱分辨率约为0.5nm。
　　第五章详细讨论了AWG芯片的制造过程，包括基于氮氧化硅的AWG和基于聚合物的AWG。第六章成功搭建了芯片性能测试系统，测试了制造的多衍射级次AWG芯片的性能。结果表明:每个输出波导中按照设计输出波长间隔20nm左右的光信号，相邻波导间的光谱分辨率为0.525nm左右，与参考波导对比获得的最小插入损耗为-2.51dB。
　　综上所述，本论文验证了将AWG用于光谱芯片的思路，实现了光谱仪用AWG芯片的设计、仿真、制造和测试，为实现微型化、低成本和高光谱分辨率的微型拉曼光谱仪打下了初步的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 拉曼光谱仪发展现状及其微型化发展趋势

1．3 光谱仪用阵列波导光栅现阶段的成果

1．4 本论文的研究意义及主要内容

第二章 阵列波导光栅(AWG)及任意版图结构自动生成算法

2．1 AWG的基本原理

2．1．1 罗兰(Rowland)圆原理

2．1．2 AWG基本原理

2．2 用于光谱仪的AWG芯片特点及主要性能指标

2．3 AWG参数设计流程

2．4 波导材料的选取

2．5 产生任意AWG版图结构的算法流程

2．4．1 AWG的版图结构

2．4．2 产生任意AWG版图结构的算法流程设计及验证

2．6 小结

第三章 多输入AWG研究

3．1 多输入AWG研究背景

3．2 芯片设计及模拟

3．3 结果分析和改进方法

3．4 小结

第四章 多衍射级次AWG研究

4．1 多衍射级次AWG研究背景

4．2 色散装置方案

4．3 AWG芯片设计

4．3．1 多衍射级次AWG的理论分析

4．3．2 性能优化

4．4 纵向色散系统设计

4．5 色散装置整体性能

4．6 小结

第五章 芯片制造

5．1 氮氧化硅AWG的制备

5．1．1 氮氧化硅薄膜的制备

5．1．2 芯片制作流程

5．2 聚合物AWG的制备

5．3 小结

第六章 芯片测试

6．1 测试系统

6．2 测试结果

6．2．1 芯片分光效果

6．2．2 波长分辨率

6．2．3 芯片损耗

6．3 小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

在学期间发表成果