端面斜反射光波导傅立叶光谱仪

摘要

本发明提供了一种端面斜反射光波导傅立叶光谱仪。该傅立叶光谱仪在保持调制电极长度不变的情况下，通过采用端面斜反射结构进一步增加了两臂光程差，并且随波导端面斜反射结构数量的增加而提高，是传统的基于标准马赫-曾德尔干涉仪结构的集成光波导傅立叶光谱仪的2倍以上，进而提高了集成光波导傅立叶光谱仪的分辨率。此外，该端面斜反射光波导傅立叶光谱仪还具有体积小、重量轻、功耗低、用途广泛等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光波导电光调制技术、傅立叶光谱技术，尤其涉及端面斜反射光波导傅立叶光谱仪。

背景技术

随着现场实时探测和航天航空应用需求的快速增长，国际上广泛开展了对微小型便携式光谱仪的研究。基于时间扫描的傅立叶微光谱仪具有较高的信噪比，同时，仅需要一个光电探测器，避免了使用昂贵的CCD探测器，成为了微小型便携式光谱仪的一个研究热点。

但是，大多数傅立叶微光谱仪仍然使用动镜迈克尔逊干涉仪对光程差进行调制，而这种运动部件则会削弱微光谱仪的抗环境干扰能力，同时限制了微光谱仪的时间分辨能力。

为了克服常规傅立叶微光谱仪的上述缺点，本发明的同一申请人提出利用集成光波导电光调制技术实现对光程差的静态调制，在此基础上提出了基于集成光技术的傅立叶变换芯片光谱仪(专利号：ZL 201010138943.2)、基于集成光波导的衰减全反射光谱测量式傅立叶光谱仪(专利号：ZL 201010263095.8)和一种获取光源光谱的方法(申请号：201210506070.5)。这些发明公开的集成光波导傅立叶光谱仪不包含运动部件，不需要精密的驱动系统，不需要特殊的减震环境，同时导波光的使用克服了空间自由光束易受干扰的缺点。此外，基于电光效应的光程差调制机理容许采用高频扫描电压以获得较高的时间分辨率。

基于集成光波导电光调制技术的各种傅立叶微光谱仪虽然消除了运动部件，使得其抗干扰能力获得极大提高，但是其光谱分辨率仍然面临挑战。光谱分辨率的不足已经成为限制该类集成光波导傅立叶光谱仪进一步发展和广泛应用的瓶颈。在保持或进一步减小集成光波导傅立叶光谱仪尺寸的同时，提高其光谱分辨率具有重要的科研意义和实用价值。

傅立叶光谱仪的光谱分辨率随干涉仪两臂光程差变化量的增大而提 高。增大集成光波导傅立叶光谱仪的光程差变化量，是提高微光谱仪光谱分辨率的主要途径。由于光程差变化量正比于电光调制区间长度，通过提高电光调制区间的长度可以增大光程差的变化量，但这会导致集成光波导傅立叶光谱仪尺寸的增大，不利于光谱仪的微型化。

针对这一问题，本发明的同一申请人提出分辨率增强傅立叶微光谱仪(申请号：201310053568.5)，通过采用波导端面反射结构使得待测光信号往返穿过受调制区域，使干涉仪光程差变化量获得倍增，进而在不改变光谱仪调制电极长度的情况下实现光谱分辨率倍增目的。但需要指出的是，即使分辨率获得倍增，该光谱仪仍然无法满足一些高分辨光谱测试的要求，因此有必要采用其他方法进一步提高这种光谱仪的光谱分辨率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了端面斜反射光波导傅立叶光谱仪，该光谱仪通过采用端面斜反射结构进一步增加了两臂光程差，进而提高了光谱分辨率。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了端面斜反射光波导傅立叶光谱仪。该傅立叶光谱仪包括：光源2；电光调制芯片1，其上形成一干涉仪结构，该干涉仪结构至少具有一干涉臂，该干涉臂包括若干段光波导，该若干段光波导中，至少一段光波导的两侧具有用于电光调制的薄膜电极；光电探测器3，其接收由干涉仪结构输出的干涉光信号，并将其转换为电信号；信号处理芯片5，与光电探测器3相连接，用于对其输出的电信号进行处理；电压函数发生器4，电性连接于薄膜电极，用于对该薄膜电极施加电调制信号，使相应的光波导的折射率发生变化；其中，在同一干涉臂中，至少两段相邻的光波导之间具有端面斜反射结构，该端面斜反射结构包括：出光波导的出光端面、入光波导的入光端面和反射结构，出光端面和入光端面完全或部分重合，出光波导和入光波导沿出光端面和入光端面的重合面的法线对称设置，且反射结构位于该重合面处，由出光波导射出的光信号经由该反射结构反射后，进入入光波导。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪具有以下有益效果：

(1)在保持调制电极长度不变的情况下，本发明提出的具有端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪的光谱分辨率随波导端面斜反射结构数量的增加而提高，是传统的基于标准马赫-曾德尔干涉仪结构的集成光波导傅立叶光谱仪的2倍以上；

(2)此外，本发明可以与本发明的同一申请人提出的分辨率增强傅立叶微光谱仪(申请号：201310053568.5)兼容，进一步提高集成光波导傅立叶光谱仪的光谱分辨率；

(3)该光谱仪与多种样品池，如具有消逝波敏感窗口的光纤、芯片消逝波敏感窗口，具有良好的兼容性，用途广泛，结构简单新颖。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例具有端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪的结构示意图；

图2为图1所示傅立叶光谱仪中作为消逝波敏感窗口的光纤结构示意图；

图3为根据本发明第二实施例基于由单Y形3dB铌酸锂分歧光波导端面反射结构构成的马赫-曾德尔干涉仪衍生结构和波导端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪的结构示意图；

图4为根据本发明第三实施例基于由单Y形3dB铌酸锂分歧光波导端面反射结构构成的马赫-曾德尔干涉仪衍生结构和波导端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪的结构示意图；

图5是本发明中一种基于法布里-珀罗干涉仪结构和波导端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪的结构示意图；

图6是本发明中分别采用相同参数下(a)基于铌酸锂光波导标准马赫-曾德尔干涉仪结构的傅立叶光谱仪、(b)基于马赫-曾德尔干涉仪结构和波导端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪和(c)基于由单Y形3dB铌酸锂分歧光波导端面反射结构构成的马赫-曾德尔干涉仪衍生结构和波导端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪，对单色光信号进行测量得到的干涉图谱的仿真结果，和(d)由上述干涉图谱得到的单色光信 号光谱；

图7是本发明中使用Rsoft软件FullWAVE组件对波导端面斜反射结构光传输情况进行仿真得到的TE模式光信号分布情况；

图8是本发明中仿真得到的在不同出光波导与反射层法线夹角下波导端面斜反射结构的(a)光传输效率和(b)光传输损耗；

图9是本发明中仿真得到的在不同出光波导出光端面与入光波导入光端面间偏移下波导端面斜反射结构的光传输效率。

【主要元件】 

1-铌酸锂电光调制芯片；         2-光源；

3-光电探测器；                 4-电压函数发生器；

5-信号处理芯片；               6-马赫-曾德尔干涉仪结构；

7-波导端面斜反射结构；         8-出光波导

9-入光波导；                   10-金属反射膜

11-薄膜电极                    12-消逝波敏感窗口

13-马赫-曾德尔干涉仪衍生结构； 14-光纤环形器； 

15-金属反射膜；                16-法布里-珀罗干涉仪结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明在现有集成光波导傅立叶光谱仪的基础上，利用端面斜反射结构进一步增加了两臂光程差，进而提高了光谱仪的分辨率。

一、第一实施例

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种具有端面斜反射结构 的集成光波导傅立叶光谱仪。图1为根据本发明第一实施例具有端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪的结构示意图。如图1所示，本实施例具有端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪包括：铌酸锂电光调制芯片1、光源2、光电探测器3、电压函数发生器4和信号处理芯片5。铌酸锂电光调制芯片1具有在x切割y传输铌酸锂基底上，由钛扩散铌酸锂波导构成的马赫-曾德尔干涉仪结构6，该干涉仪用于借助电光效应对待测光信号进行相位调制。干涉仪两臂对称分布，均具有两个波导端面斜反射结构7。波导端面斜反射结构7由出光波导8的出光端面、入光波导9的入光端面和金属反射膜10构成：出光波导8的出光端面和入光波导9的入光端面的重合面位于在铌酸锂电光调制芯片1上刻蚀的凹槽的侧壁，金属反射膜10通过在凹槽侧壁溅射金膜制得，完全覆盖出光波导8的出光端面。干涉仪两臂两侧设置有薄膜电极11，用于电光调制，进而使干涉仪产生随调制电压变化的干涉图谱。光源2与铌酸锂电光调制芯片1的光输入端口光连接；光电探测器3与铌酸锂电光调制芯片1的光输出端口光连接。电压函数发生器4与薄膜电极11电连接，信号处理芯片5分别与光电探测器3和电压函数发生器4电连接。

待测光信号耦合进入马赫-曾德尔干涉仪6，等比例的待测光信号分别进入干涉仪两臂，在波导端面斜反射结构7中由出光波导8经金属反射膜10反射后进入入光波导9。分别经过两干涉臂中受调制区域后的待测光信号在马赫-曾德尔干涉仪6输出端发生干涉后，由光电探测器3接收。利用电压函数发生器4向薄膜电极11施加随时间变化的调制电压，同时用光电探测器3探测待测光信号的光强变化，获得干涉图谱，再用与光电探测器3、电压函数发生器4相连的信号处理芯片5对干涉图谱进行傅立叶变换和后续处理，得到待测光信号光谱。

上述微光谱仪与未知光源2连接时，可以用于测量未知光源的发光光谱，而其还可以测量待测物质的衰减全反射吸收光谱。当该微光谱仪用于测量待测物质的衰减全反射吸收光谱时，铌酸锂电光调制芯片1通过光纤与光源2连接，其中所述光源2为已知光源；且在所述光纤的局部区间还开设有放置待测物质的消逝波敏感窗口12，用于使经过光纤的光与设置在该窗口的待测物质相互作用；其中，具有消逝波敏感窗口的光纤结构如图 2所示，图2中(a)、(b)、(c)、(d)分别为用作消逝波敏感窗口的侧边抛光光纤区域、D型光纤区域、双锥形光纤区域、去包层光纤结构示意图；将待测物质放置在所述消逝波敏感窗口。

由于进入铌酸锂电光调制芯片1的待测光信号经波导端面斜反射结构7后，进入入光波导9再次受到与出光波导8中相同的电光调制，使由调制电极11所加调制电压变化引入的光程变化倍增，从而提高了最大光程差，使光谱分辨率增加了2倍。

二、第二实施例

在本发明的另一个实施例中，如图3所示，提出了一种结合波导端面斜反射结构7和由单Y形3dB铌酸锂分歧光波导端面反射结构构成的马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13的集成光波导傅立叶光谱仪，其包括：铌酸锂电光调制芯片1、光源2、光电探测器3、电压函数发生器4、信号处理芯片5、光纤环形器14。其中，所述铌酸锂电光调制芯片1包含在x切割y传输铌酸锂基底上，由单Y形3dB钛扩散铌酸锂分歧光波导端面反射结构构成的马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13。Y形3dB分歧波导的两波导臂相互平行，分别具有波导端面斜反射结构7，在两波导臂端面被抛光后的表面镀上一定厚度的金膜，构成端面金属反射膜15，使上述两波导臂构成马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13的干涉臂。在干涉臂两侧设置有薄膜电极11，用于电光调制，对不同干涉臂中的波导施加反向等值电场。马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13的输入端和输出端为同一波导，利用光纤环形器14将待测光信号耦合进入马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13，并将光电探测器3与马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13光输出端连接。电压函数发生器4与薄膜电极11电连接，信号处理芯片5分别与光电探测器3和电压函数发生器4电连接。待测光信号从经光纤环形器14进入马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13后被等强度分配进入两干涉臂，并经干涉臂波导端面金属反射膜15反射后沿原路返回并发生干涉，待测光信号输出后经光纤环形器14由光电探测器3接收。

本实施例中，利用电压函数发生器4给薄膜电极11施加随时间变化的调制电压，同时用光电探测器3探测待测光信号的光强变化，获得干涉图谱，再用与光电探测器3、电压函数发生器4相连的信号处理芯片5对 干涉图谱进行傅立叶变换和后续处理，得到待测光信号光谱。由于待测光信号在发生干涉前，在马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13的两干涉臂内往返传播，两次经过电光调制区间，同时，采用波导端面斜反射结构7增加了干涉臂中受到电光调制的波导长度，光程差变化量是传统的基于标准马赫-曾德尔干涉仪结构的集成光波导傅立叶光谱仪的6倍，进而使光谱分辨率增强了5倍。

上述光谱仪与未知光源2连接时，可以用于测量未知光源的发光光谱，而其还可以测量待测物质的衰减全反射吸收光谱。当该光谱仪用于测量待测物质的衰减全反射吸收光谱时，光纤环形器14一端与光源2连接，其中所述光源2为已知光源；且在与光源2连接的光纤的局部区间开设有放置待测物质的消逝波敏感窗口12，用于使经过该光纤的光与设置在该窗口的待测物质相互作用。所述铌酸锂集成光波导芯片可以由具有相同波导结构的钽酸锂集成光波导芯片、砷化镓集成光波导芯片、磷化铟集成光波导芯片其中之一取代；或由包含氧化锌、钛酸钡等电光功能薄膜的集成光波导芯片取代；或由包含电光聚合物能薄膜的集成光波导芯片取代。

三、第三实施例

图4为根据本发明第三实施例基于由单Y形3dB铌酸锂分歧光波导端面反射结构构成的马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13和波导端面斜反射结构7的集成光波导傅立叶光谱仪示意图。

该集成光波导傅立叶光谱仪与图3所示的集成光波导傅立叶光谱仪结构基本类似，区别仅在于波导端面斜反射结构7中出光波导8的出光端面和入光波导9的入光端面的重合面位于波导基片的端面，反射层10设置于波导基片的端面并完全覆盖出光波导8的出光端面。 

四、第四实施例

在本发明的另一个实施例中，如图5所示，提出了一种基于法布里-珀罗干涉仪结构16和波导端面斜反射结构7的集成光波导傅立叶光谱仪。其包括：铌酸锂电光调制芯片1、光源2、光电探测器3、电压函数发生器4、信号处理芯片5、光纤环形器14。其中，所述铌酸锂电光调制芯片1包含在x切割y传输铌酸锂基底上，由钛扩散铌酸锂波导构成的法布里-珀罗干涉仪结构16。待测光信号经光纤环形器14进入铌酸锂电光调制芯 片1时，固定比例的光信号在芯片1端面发生反射；另一部分光信号进入法布里-珀罗干涉仪结构16，经过波导端面斜反射结构7，并由芯片端面金属反射膜15反射后反向传播，进入光纤环形器14；所述两部分光信号发生干涉，并由光电探测器3接收。利用电压函数发生器4给调制电极11施加随时间变化的调制电压，同时用光电探测器3探测待测光信号的光强变化，获得干涉图谱，再用与光电探测器3、电压函数发生器4相连的信号处理芯片5对干涉图谱进行傅立叶变换和后续处理，得到待测光信号光谱。采用波导端面斜反射结构7增大了待测光信号在铌酸锂电光调制芯片1中的传播距离，从而提高了该光谱仪的光谱分辨率。

图6中(a)、(b)、(c)比较了分别采用相同参数下基于铌酸锂光波导标准马赫-曾德尔干涉仪结构的集成光波导傅立叶光谱仪(调制区域长度为20毫米)(如图6中a所示)、基于马赫-曾德尔干涉仪结构6和波导端面斜反射结构7的集成光波导傅立叶光谱仪(如图6中b所示)和基于由单Y形3dB铌酸锂分歧光波导端面反射结构构成的马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13和波导端面斜反射结构7的集成光波导傅立叶光谱仪(如图6中c所示)，对单色光信号(波长为1550纳米)进行测量得到的干涉图谱的仿真结果，调制电压均从-60伏特至60伏特变化。可以看出，采用波导端面斜反射结构7能够有效提高最大光程差。

对上述仿真结果进行处理，得到对应的光谱信号如图6中(d)所示。在相同参数下，采用基于铌酸锂光波导标准马赫-曾德尔干涉仪结构的集成光波导傅立叶光谱仪、基于马赫-曾德尔干涉仪结构6和波导端面斜反射结构7的集成光波导傅立叶光谱仪和基于马赫-曾德尔干涉仪衍生结构13和波导端面斜反射结构7的集成光波导傅立叶光谱仪所得到的单色信号的光谱半高宽分别为：121.7纳米、40.6纳米、20.3纳米，可以看出，采用波导端面斜反射结构7能够有效提高光谱分辨率。

图7是使用Rsoft软件FullWAVE组件对钛扩散铌酸锂波导构成的波导端面斜反射结构7中光传输情况的仿真结果。在仿真过程中，选用待测光信号波长为1550纳米，波导宽度为6微米，斜波导与直波导间的连接段曲率半径为5毫米，斜波导Z向长度为200微米，与反射层法线夹角为4度，反射层为4微米厚的金膜(折射率为n_Au＝0.558839+9.79755i)，导波 光为TE偏振。由仿真分析可以看出，出光波导8输出的信号光经过金膜10反射后，大部分进入了入光波导9。可以看出，入光波导9中的能流密度约为出光波导8中的81％，光传输损耗约为0.9dB。

图8中(a)、(b)给出了改变出光波导8与反射层10法线夹角时，波导端面斜反射结构7光传输效率和光传输损耗的仿真结果。可以看出，出光波导8与反射层10法线夹角为6度时，光传输效率达到最大，入光波导9中的能流密度约为出光波导8中的85％，光传输损耗约为0.7dB。

保持上述参数不变，使出光波导8的出光端面与入光波导9的入光端面产生偏移，仿真得到的波导端面斜反射结构7的光传输效率如图9所示。仿真结果表明，随着偏移距离的增加，光传输效率逐渐下降，在偏移距离为2微米时，光传输损耗约为80％，说明波导端面斜反射结构7具有一定的容错性，降低了该结构的制备难度。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明具有端面斜反射结构的集成光波导傅立叶光谱仪有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明采用波导端面斜反射结构加长了干涉臂，进而扩展了干涉仪光程差，增大了由光波导电光调制效应导致的光程差变化量，使得集成光波导傅立叶光谱仪的光谱分辨率获得显著提高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。