專利名稱：平面光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及平面光波導(dǎo)電路。更具體而言，本發(fā)明涉及一種平面光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀。
背景技術(shù)：
對能夠?qū)崟r(shí)感測生物和環(huán)境材料的小型光譜傳感器的需要正日益增長。例如，人類呼吸的寬帶寬、高光譜分辨率的光學(xué)檢測已經(jīng)識別了與特定疾病和新陳代謝過程相關(guān)的多個(gè)重要生物標(biāo)記。作為對平面光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀的介紹，將光耦合到單模波導(dǎo)在諸如陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、環(huán)形諧振器和馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)的大多數(shù)集成光學(xué)傳感器中通常是困難的。在硅波導(dǎo)的情況下，要求錐形尖端低達(dá) 80nm的非常精細(xì)和平滑的蝕刻以實(shí)現(xiàn)低損耗的模斑轉(zhuǎn)換器。平面光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀的主要優(yōu)點(diǎn)在于其相對容易的光耦合以及高的光通量?？臻g外差光譜技術(shù)(SiB)是基于沒有移動(dòng)部件的變型后的邁克爾遜干涉儀的干涉傅里葉變換技術(shù)，并且依賴于靜態(tài)干涉圖的分析。在塊狀光學(xué)(bulk-optic) SHS中，由衍射光柵替代邁克爾遜干涉儀的反射器。由于其寬松的制造容限以及在數(shù)據(jù)分析中校正干涉儀缺陷和未對準(zhǔn)的能力，該塊狀光學(xué)SHS儀器比傳統(tǒng)的法布里-珀羅和邁克爾遜傅里葉變換光譜儀更實(shí)用。此外，該儀器可以在沒有移動(dòng)部件的情況下視場展寬以實(shí)現(xiàn)高靈敏度。通過塊狀光學(xué)中靜態(tài)傅里葉變換光譜儀的已知配置激發(fā)了平面波導(dǎo)SHS設(shè)備的早期提議?？梢酝ㄟ^交錯(cuò)具有相反色散的兩個(gè)波導(dǎo)相位陣列來形成波導(dǎo)SHS光譜儀。交錯(cuò)陣列在平板波導(dǎo)中產(chǎn)生傳播和相互干涉的兩個(gè)波前，生成取決于波長的條紋。這是由于陣列的不同色散，該陣列使得波前對于不同的波長以不同的角度相交因而形成取決于波長的條紋圖案。通常，由于能夠?qū)⑷魏屋斎胄盘柗纸鉃槠鋯紊煞郑虼溯斎牍庾V經(jīng)由傅里葉變換與條紋圖案相關(guān)。與類似光譜性能的標(biāo)準(zhǔn)AWG相比較，該交錯(cuò)AWG結(jié)構(gòu)允許使用更寬的輸入波導(dǎo)寬度。然而，交錯(cuò)AWG產(chǎn)生(在無合成器的傳播區(qū)域中)其明顯的空間塔爾伯特效應(yīng)，并且這些塔爾伯特圖案的疊加產(chǎn)生空間莫爾條紋。從復(fù)雜的莫爾-塔爾伯特圖案獲取信號要求復(fù)雜的數(shù)值處理。

發(fā)明內(nèi)容
這里公開了一種基于平面光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀的小型光譜傳感器。干涉型傅里葉變換光譜儀的主要優(yōu)點(diǎn)在于高的光通量、緊湊的尺寸以及相對容易獲得的高分辨率。 除了大吞吐量的優(yōu)點(diǎn)，與基于光柵的設(shè)備相比較，傅里葉變換光譜儀的其它優(yōu)點(diǎn)在于能夠同時(shí)測量全部波長處的光譜信息。為此，在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種在平面波導(dǎo)電路(PLC)上實(shí)現(xiàn)的變換光譜儀， 所述變換光譜儀具有承載待分析的輸入光學(xué)信號的輸入光學(xué)信號波導(dǎo)；多個(gè)耦合器，每一個(gè)耦合器連接到所述輸入光學(xué)信號波導(dǎo)，并且每一個(gè)耦合器包括用于承載與所述輸入光學(xué)信號相關(guān)的被耦合光學(xué)信號的耦合器輸出；交錯(cuò)的非對稱波導(dǎo)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI) 陣列，每一個(gè)波導(dǎo)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)具有至少一個(gè)輸入MZI波導(dǎo)，每一個(gè)MZI輸入波導(dǎo)從相應(yīng)的耦合器輸出接收被耦合光學(xué)信號；其中所述輸入MZI波導(dǎo)中的至少一些在所述PLC的公共層中以某一角度交叉，所述角度允許其相應(yīng)的被耦合光學(xué)信號在沒有不可接受的衰減的情況下傳輸。所述輸入MZI波導(dǎo)以大于大約45°彼此交叉；并且可以使用虛設(shè)交叉波導(dǎo)以使得對于每一個(gè)MZI波導(dǎo)所述波導(dǎo)交叉的總數(shù)相等。還公開了一種三維光譜儀系統(tǒng)，包含多個(gè)堆疊的PLC，每一個(gè)PLC具有變換光譜儀。公開了其它性能改善，例如在鄰近所述輸出MZI波導(dǎo)中的至少一個(gè)輸出MZI波導(dǎo)的所述PCL上形成的準(zhǔn)直波導(dǎo)透鏡陣列，用于從所述輸出MZI波導(dǎo)向所述檢測器陣列的相應(yīng)部分提供經(jīng)準(zhǔn)直的輸出信號；以及多個(gè)加熱器，每一個(gè)加熱器附接到相應(yīng)的MZI，以矯正所述光譜儀中的相位誤差。這些結(jié)構(gòu)、用于其制造的方法以及作為光譜儀使用的方法也形成本發(fā)明的一部分。此外，經(jīng)過本發(fā)明的技術(shù)實(shí)現(xiàn)其它的特征和優(yōu)點(diǎn)。這里詳細(xì)描述了本發(fā)明的其它實(shí)施例和方面并且其被認(rèn)為是要求保護(hù)的本發(fā)明的一部分。


在說明書結(jié)尾處的權(quán)利要求書中具體地指出了并且清楚地請求保護(hù)被認(rèn)為是本發(fā)明的主題。通過下面結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，在附圖中圖1描述了通過波導(dǎo)MZI陣列形成的空間外差光譜儀；圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面具有交錯(cuò)MZI的平面光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀；圖3描述了檢測器陣列處的如下條紋圖案(a)在利特羅波數(shù)Qci處輸入為單色時(shí)輸出功率的均勻分布，(b)在單色輸入從O C1偏移波數(shù)分辨率δ σ時(shí)的條紋圖案，(c)對于 On處的單色輸入的條紋，以及(d)在輸入信號中存在多個(gè)波數(shù)時(shí)的條紋圖案；圖如描述了硅脊形波導(dǎo)的配置并且圖4b描述了其電場分布；圖5描述了在0. 128nm分辨率處雙測試(test doublet)的計(jì)算光譜；圖6描述了在0. 064nm分辨率處雙測試的計(jì)算光譜；圖7描述了測試吸收光譜；圖8描述了 U8MZI的輸出功率；圖9描述了根據(jù)本發(fā)明具有交錯(cuò)MZI的三維平面光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀；圖10描述了根據(jù)本發(fā)明圖9的三維平面光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀的左側(cè)視圖；圖11描述了根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)透鏡陣列以對輸出束進(jìn)行準(zhǔn)直；
圖12描述了波導(dǎo)透鏡的示意圖以及示例性參數(shù)定義；圖13描述了在優(yōu)化的波導(dǎo)透鏡中的示例性光束準(zhǔn)直；圖Ha-d描述了根據(jù)本發(fā)明的如下相位誤差的校正(a)MZI陣列中測量的有效系數(shù)(effective index)波動(dòng)，(b)耦合到光譜儀中的初始信號光譜，(c)未校正獲得的信號光譜，以及(d)根據(jù)本發(fā)明校正后的光譜；圖1 描述了根據(jù)本發(fā)明固定到波導(dǎo)的示例性加熱；圖15b描述了經(jīng)過端口響應(yīng)相對于加熱器功率；以及圖16描述了根據(jù)本發(fā)明具有示例性加熱器的整體光譜儀。
具體實(shí)施例方式可以將上面討論的波導(dǎo)SHS概念總結(jié)為如圖1所示并且如在M. Florja^zyk5 P.Cheben, S. Janz, A.Scott, B.Solheim, and Dan-Xia Xu, "Planar waveguide spatial heterodyne spectrometer", Proc. of SPIE, vol. 6796，pp. 67963J1-J10, 2007 中討論的波導(dǎo)MZI陣列，這里以引用的方式并入其全部內(nèi)容。對于空間相干光，由獨(dú)立干涉儀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的波導(dǎo)配置是可能的，每一獨(dú)立干涉儀結(jié)構(gòu)在不同的位置處對輸入波前進(jìn)行采樣。這允許同時(shí)使用多個(gè)輸入孔徑。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于增加了光通量。與AWG類似，每一個(gè)非對稱MZI的光程差增加AL。利用更大數(shù)量的 MZI，能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的光譜分辨率。然而，如圖1所示的簡單堆疊多個(gè)MZI的簡單設(shè)置方法不允許在有限的晶圓尺寸中MZI的數(shù)量增加。這里公開了一種具有如圖2所示具有交錯(cuò)MZI配置的改善的平面光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀10。在該配置中，空間相干輸入光20激勵(lì)連接到MZ干涉儀40的相應(yīng)波導(dǎo)30。例如由定向耦合器或者多模干涉(MMI)耦合器構(gòu)成的3-dB耦合器50經(jīng)由MZI輸入波導(dǎo)42 進(jìn)入MZI的兩個(gè)非對稱分支。MZI中的波導(dǎo)臂可以故意傾斜到兩側(cè)，使得波導(dǎo)以大于45°彼此交叉。如在 T. Kominato, T.Kitoh, K.Katoh, Y.Hibino, and Μ. Yasu,"Loss characteristics of intersecting silica-based waveguides", Optoelectronics Conf. OEC 1992, Makuhari Japan, paper 16B4-1，pp. 138-139，July 1992中討論的，如果交叉角度例如大于45°，則波導(dǎo)交叉的過量損失能夠降低至 0. 02dB/交叉，這里以引用的方式并入上述文獻(xiàn)的全部內(nèi)容作為參考。在一個(gè)示例中，一個(gè)MZI到另一 MIZI的臂長度差異可能增加離散值A(chǔ)L。通過 MZI輸出波導(dǎo)44收集每一個(gè)非對稱MZI的干涉信號，并且通過耦合器60將所述干涉信號提供到檢測器陣列70。如下面進(jìn)一步討論的，能夠通過每一個(gè)耦合器提供交叉端口(cross port)輸出 p(k)和經(jīng)過端口(through port)輸出 q(k)。對于相同的芯片尺寸，所公開的波導(dǎo)布設(shè)允許比圖1中的布設(shè)方法差不多4倍的 MZL·在所公開的布設(shè)中，并且根據(jù)本發(fā)明，也可以橫跨MZI輸入波導(dǎo)42和輸出波導(dǎo)44放置虛設(shè)交叉波導(dǎo)80，使得對于每一個(gè)MZI波導(dǎo)的波導(dǎo)交叉總數(shù)相等。可以按照如下方式來理解所公開的光譜儀的操作原理。對于給定的單色輸入，每一個(gè)MZI的不同傳輸特性導(dǎo)致在其輸出處不同的功率值。通常，單色輸入導(dǎo)致在不同輸出端口兩端功率的周期性(正弦)空間分布P(xk)，這是單色輸入光譜的傅里葉變換。由于空間功率分布P(Xk)和輸入光譜是傅里葉變換對，因此多色輸入產(chǎn)生能夠使用傅里葉變換根據(jù)其計(jì)算輸入光譜的功率分布?？梢栽O(shè)計(jì)MZI陣列以使得對于波數(shù)ση=特定單
色輸入，在輸出處獲得恒定的空間功率分布，如圖3a所示。這可以表示為利特羅條件，其中零空間頻率與利特羅波數(shù)Ι/λ^Β對應(yīng)。在利特羅條件下，不同MZI中的相位延遲是 2 π的整數(shù)倍(0^1/^。)11。八1^ = &131)，因而產(chǎn)生恒定的？00。隨著單色輸入的波數(shù)σ 從利特羅值改變，輸出功率分布變?yōu)榫哂锌臻g頻率以(O-Otl)增加的周期性。將波數(shù)從利特羅條件改變到Oo+S ο，其中δ σ是儀器分辨率，導(dǎo)致如圖北所示的沿著輸出端口的一個(gè)空間條紋。類似地，波數(shù)σ η = σ Jn δ σ的光信號產(chǎn)生η個(gè)空間條紋，圖3c等等-具有不同波數(shù)的單色輸入導(dǎo)致不同的周期性圖案。由于可以通過單色成分的疊加代表多色信號， 因此通過各個(gè)周期性條紋的疊加來形成相應(yīng)的條紋圖案，如在圖3d中示出的。如下面討論的，參數(shù)δ σ與最大路徑延遲ALn-J = (N-I) AL)成反比。在利特羅值上下相等間隔開的波數(shù)產(chǎn)生相同的條紋圖案。為了避免該歧義，需要阻擋波數(shù)的兩個(gè)冗余組中的一個(gè)。在圖3的示例中，利特羅條件與光譜范圍的最小波數(shù)一致，并且假設(shè)低于σ ^的波數(shù)由帶通濾波器阻擋。假設(shè)該圖案關(guān)于原點(diǎn)(χ = 0)對稱，可以將空間條紋看作是能夠根據(jù)其獲取輸入光譜的單側(cè)干涉圖。該設(shè)備關(guān)于利特羅波數(shù)使空間干涉圖案產(chǎn)生外差，因而其名為空間外差光譜儀(SHS)。該設(shè)備中的空間外差與上面討論的塊狀光學(xué)SHS儀器具有類似的含義。輸入光譜和輸出空間分布經(jīng)過如上面討論的作為傅里葉余弦變換的可逆線性變換相關(guān)。還可以觀察到，假設(shè)可以將MZI中的信號分割、組合和損失機(jī)制認(rèn)為是光譜獨(dú)立的，則上面的原理適用于任何的陣列MZI設(shè)備實(shí)現(xiàn)。對于在具有光程差Δ Lk的非對稱MZI中傳播的單色信號s ( σ )，通過下式給出端口 &處的輸出功率ρ(σ, xk ) = s(a)2 κ2 (l - κ2 )[cosh(a ALk ) + ^(βΔΖ^ )]e " aALk, (1)其中α和β代表波導(dǎo)的幅度衰減系數(shù)和傳播常數(shù)并且k代表定向(或者M(jìn)MI)耦合器的幅度耦合系數(shù)。對于具有相等的50 50分割(κ2 = 1/2)的無損情況(a = 0)， 等式⑴簡化為ρ(σ, xk) =+Cos(PAZk)].(2)考慮上面的理想情況，很方便就可以將等式(1)改寫為ρ (σ, xk ) = Cdc ^i[cosh (a AZk ) + cos (β ALk )],(3)其中將Cde定義為Cdc=4K2(l-K2)e"a^.(4)對于由離散單色成分構(gòu)成的光譜，能夠?qū)⑤敵龉β时硎緸榉謩e與特定單色輸入相對應(yīng)的貢獻(xiàn)信號的和。對于具有連續(xù)光譜分布的源，引入作為從σ^到0(ι+δ σ的光學(xué)頻率的小范圍內(nèi)的功率的光譜功率S(o)d0是方便的。根據(jù)疊加原理，通過下面的積分等式給出對于與等式(3)相對應(yīng)的輸出功率的干涉表達(dá)式J0roP (σ, xk ) da = cosh (a AZk )|0M s (σ) σ + ^J000 s (σ) cos (β AIk ) da, (5)
其中假設(shè)α和Cd。在感興趣的光譜范圍中不取決于波長。將上面等式改寫為
權(quán)利要求
1.一種在平面波導(dǎo)電路(PLC)上實(shí)現(xiàn)的變換光譜儀，包括承載待分析的輸入光學(xué)信號的輸入光學(xué)信號波導(dǎo)；多個(gè)耦合器，每一個(gè)耦合器連接到所述輸入光學(xué)信號波導(dǎo)，并且每一個(gè)耦合器包括用于承載與所述輸入光學(xué)信號相關(guān)的被耦合光學(xué)信號的耦合器輸出；交錯(cuò)的非對稱波導(dǎo)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)陣列，每一個(gè)波導(dǎo)馬赫-曾德爾干涉儀 (MZI)具有至少一個(gè)輸入MZI波導(dǎo)，每一個(gè)MZI輸入波導(dǎo)從相應(yīng)的耦合器輸出接收被耦合光學(xué)信號；其中所述輸入MZI波導(dǎo)中的至少一些在所述PLC的公共層中以某一角度交叉，所述角度允許其相應(yīng)被耦合光學(xué)信號在沒有不可接受的衰減的情況下傳輸。
2.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中所述輸入MZI波導(dǎo)以大于大約45°彼此交叉。
3.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，還包括虛設(shè)交叉波導(dǎo)，所述虛設(shè)交叉波導(dǎo)被放置成使得對于每一個(gè)MZI波導(dǎo)來說所述波導(dǎo)交叉的總數(shù)相等。
4.一種三維光譜儀系統(tǒng)，包含多個(gè)PLC，每一個(gè)PLC具有如權(quán)利要求1所述的變換光譜儀。
5.如權(quán)利要求4所述的三維光譜儀系統(tǒng)，其中所述多個(gè)PLC在系統(tǒng)中堆疊。
6.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，還包括耦合到所述多個(gè)MZI的多個(gè)輸出MZI波導(dǎo)；檢測器陣列，用于從所述多個(gè)輸出MZI波導(dǎo)接收輸出光學(xué)信號；以及至少一個(gè)準(zhǔn)直波導(dǎo)透鏡陣列，形成于鄰近所述輸出MZI波導(dǎo)中的至少一個(gè)輸出MZI波導(dǎo)的所述PCL上，用于從所述輸出MZI波導(dǎo)向所述檢測器陣列的相應(yīng)部分提供經(jīng)準(zhǔn)直的輸出信號。
7.如權(quán)利要求1所述的光譜儀，還包括多個(gè)加熱器，每一個(gè)加熱器附接到相應(yīng)MZI，以校正所述光譜儀中的相位誤差。
8.一種在平面波導(dǎo)電路(PLC)上形成變換光譜儀的方法，包括形成承載待分析的輸入光學(xué)信號的輸入光學(xué)信號波導(dǎo)；形成多個(gè)耦合器，每一個(gè)耦合器連接到所述輸入光學(xué)信號波導(dǎo)，并且每一個(gè)耦合器包括用于承載與所述輸入光學(xué)信號相關(guān)的被耦合光學(xué)信號的耦合器輸出；形成交錯(cuò)的非對稱波導(dǎo)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)陣列，每一個(gè)波導(dǎo)馬赫-曾德爾干涉儀具有至少一個(gè)輸入MZI波導(dǎo)，每一個(gè)MZI輸入波導(dǎo)從相應(yīng)的耦合器輸出接收被耦合光學(xué)信號；其中所述輸入MZI波導(dǎo)中的至少一些在所述PLC的公共層中以某一角度交叉，所述角度允許其相應(yīng)的被耦合光學(xué)信號在沒有不可接受的衰減的情況下傳輸。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述輸入MZI波導(dǎo)以大于大約45°彼此交叉。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括形成虛設(shè)交叉波導(dǎo)，所述虛設(shè)交叉波導(dǎo)被放置成使得對于每一個(gè)MZI波導(dǎo)所述波導(dǎo)交叉的總數(shù)相等。
11.一種形成三維光譜儀系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)包含多個(gè)PLC，每一個(gè)PLC具有如權(quán)利要求8所述地形成的變換光譜儀。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在所述系統(tǒng)中堆疊所述多個(gè)PLC。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括 形成耦合到所述多個(gè)MZI的多個(gè)輸出MZI波導(dǎo)；形成檢測器陣列，用于從所述多個(gè)輸出MZI波導(dǎo)接收輸出光學(xué)信號；以及在鄰近所述輸出MZI波導(dǎo)中的至少一個(gè)輸出MZI波導(dǎo)的所述PCL上形成至少一個(gè)準(zhǔn)直波導(dǎo)透鏡陣列，用于從所述輸出MZI波導(dǎo)向所述檢測器陣列的相應(yīng)部分提供經(jīng)準(zhǔn)直的輸出信號。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括形成多個(gè)加熱器，每一個(gè)加熱器附接到相應(yīng)的MZI，以校正所述光譜儀中的相位誤差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在平面波導(dǎo)電路(PLC)上實(shí)現(xiàn)的變換光譜儀，所述變換光譜儀具有承載待分析的輸入光學(xué)信號的輸入光學(xué)信號波導(dǎo)；多個(gè)耦合器，每一個(gè)耦合器連接到所述輸入光學(xué)信號波導(dǎo)，并且每一個(gè)耦合器包括用于承載與所述輸入光學(xué)信號相關(guān)的被耦合光學(xué)信號的耦合器輸出。在所述PLC上形成交錯(cuò)的非對稱波導(dǎo)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)陣列，每一個(gè)波導(dǎo)馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)具有至少一個(gè)輸入MZI波導(dǎo)，每一個(gè)MZI輸入波導(dǎo)從相應(yīng)的耦合器輸出接收被耦合光學(xué)信號；其中所述輸入MZI波導(dǎo)中的至少一些在所述PLC的公共層中以某一角度交叉，所述角度允許其相應(yīng)的被耦合光學(xué)信號在沒有不可接受的衰減的情況下傳輸。所述結(jié)構(gòu)改善了所述PLC的空間效率，允許實(shí)現(xiàn)更多的MZI，產(chǎn)生增加的光譜分辨率。
文檔編號G02F2/00GK102395866SQ201080014145
公開日2012年3月28日 申請日期2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者岡本克奇 申請人:艾迪株式會(huì)社