一种光滤波器组件及光谱仪的制作方法

1.本发明涉及计算重建式光谱仪制造技术领域，具体涉及一种光滤波器组件及光谱仪。


背景技术：

2.计算式光谱仪的基本原理是将未知光谱输入若干个提前标定好的采样滤波器中，然后利用光电探测器测量各个滤波器滤波后的信号强度，并通过相关算法来反向求解输入的光谱。数学上，此过程可以被描述为：假设某计算式光谱仪有n个滤波采样通道，其中每个通道的光谱响应函数为hi(λ)(i＝1，2，
…
，n)。λ表示光的波长。当输入光谱，记作s(λ)，经过某个滤波通道时，光电探测器所测得的光强值yi可以表示为：
3.yi＝∫s(λ)*hi(λ)dλ
4.这里，i＝1，2，...，n。以此类推，对于n个滤波通道来说，所测量得到的光强yi可以构成一个n维向量y，而其响应函数hi(λ)可以组成一个大小为n
×
m矩阵h。通过将输入光谱s(λ)离散化为一个向量m维向量s，其中m为光谱像素的点数，计算式光谱仪可以用如下线性方程组描述：
5.sm×1＝hm×
nyn
×16.基于此线性方程组，利用如凸优化算法，机器学习等数学算法来进行逆向求解，便可以得到输入光谱s(λ)的信息，从而达到光谱探测的目的。
7.但是，片上计算式光谱仪的带宽主要受限于其滤波器的响应范围，即较难在很大的带宽范围内形成理想的光谱扰动来用于光谱采样，这局限了片上计算式光谱仪的带宽(小于200nm)。另外其分辨度受限于滤波通道的数量，通常为了实现小于1nm的分辨度，还是需要至少几十个滤波通道，因此导致片上资源的过多消耗。


技术实现要素：

8.本发明旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供了一种光滤波器组件及光谱仪，具有工作带宽大的优点。
9.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种光滤波器组件，其在使用时被配置在计算式光谱仪中，至少具有一个采样通道，所述采样通道具有：
11.波导总线，
12.波导滤波器，线性排列在所述波导总线上以形成多级滤波结构；以及，
13.定向耦合器，设置在所述波导滤波器与波导总线之间；所述定向耦合器具有色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构，以增加所述波导滤波器工作带宽。
14.上述方案，对每个定向耦合器进行色散工程，通过有色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构，可以有效的降低传统直通波导的色散效应(即其有效折射率随波长的变化快慢)，从而扩大其工作带宽。
15.本发明进一步优选为，所述色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构为弯曲波导结构。
16.采用弯曲波导结构可以打破传统直波导结构中的结构对称性，从而使得耦合器的分光比在尽可能大的范围内保持稳定，进而扩大光谱仪的带宽。
17.本发明进一步优选为，所述色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构为亚波长光栅结构。
18.采用亚波长光栅结构来代替传统的直波导的另一种方案。此方案通过亚波长光栅结构可以有效的降低传统直通波导的色散效应(即其有效折射率随波长的变化快慢)，从而扩大其工作带宽。
19.本发明进一步优选为，所述波导滤波器为微环滤波器。
20.本发明进一步优选为，所述微环滤波器上设有相位调制器。通过相位调制器可以改变微环谐振腔内光的相位，使之在时域上可具有不同的光谱响应。
21.本发明进一步优选为，所述波导滤波器为非对称式的马赫-增德尔干涉仪。
22.本发明进一步优选为，所述马赫-增德尔干涉仪为具有相位调制器的有源马赫-增德尔干涉仪。
23.通过采用有源马赫-增德尔干涉仪，也可以通过相位调制器可以改变干涉臂内光谱的相位，使之在时域上可具有不同的光谱响应。
24.本发明进一步优选为，在形成多级滤波结构的波导滤波器中，至少有三个为相位可调滤波器。
25.上述方案，单级谐振结构的相位可调滤波器可以在时域上产生不同的光谱响应，通过多个组合可以使得这些级联的谐振结构得到的传输谱，在时域上发生改变，从而实现不同的采样效果。
26.本发明进一步优选为，所述光滤波器组件仅有一个采样通道。
27.通过在时域上对每个谐振结构进行相位调制，可以获得高度不同的采样滤波效果，从而达到于空间上构建大量采样滤波阵列一样的效果，进而减少空间通道的使用。同样，得益于时域上的可调性，可以在不增加任何硬件成本的情况下构建数百甚至上千的采样通道，从而得到更高的光谱探测分辨率和准确度。
28.此外，本发明还提供了一种计算重建式光谱仪，包括光源、前述的光滤波器组件，以及光电探测器，所述的光谱仪为片上集成光谱仪。本发明所提供的计算重建式光谱仪与前述光滤波器组件的有益效果推理过程相似，在此不再赘述。
29.本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式以及附图中进行详细的揭露。本发明最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本发明技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。
附图说明
30.下面结合附图对本发明作进一步说明：
31.图1为现有计算重建式光谱仪的结构示意图，示出了其光滤波器组件中的直波导型定向耦合器。
32.图2本发明中所述计算重建式光谱仪的结构示意图。
33.图3为本发明中所述计算重建式光谱仪的结构示意图，示出了其光滤波器组件中一个采样通道上的弯曲波导型定向耦合器和微环滤波器。
34.图4为本发明中所述光滤波器组件的结构示意图，示出了一个采样通道上的弯曲波导型定向耦合器、微环滤波器及微环的相位调制器。
35.图5为本发明中所述光滤波器组件的结构示意图，示出了一个采样通道上的亚波长光栅型定向耦合器和微环滤波器。
36.图6a为本发明中所述光滤波器组件的结构示意图，示出了一个采样通道上的亚波长光栅型定向耦合器(独立型)和有源马赫-增德尔干涉仪。
37.图6b为本发明中所述光滤波器组件的结构示意图，示出了一个采样通道上的亚波长光栅型定向耦合器(复用型)和有源马赫-增德尔干涉仪。
38.图7a-7c分别为采用直波导型定向耦合器、弯曲波导型定向耦合器和亚波长光栅型定向耦合器的输出光谱效果图(未进入谐振结构)。
39.图8为本发明中所述计算重建式光谱仪的各采样通道(包括空间上和时域上)的传输谱。
40.图9为本发明中所述计算重建式光谱仪的光谱恢复的仿真结果对比图。
41.其中，100、光源；200、光滤波器组件；210、波导总线；220、定向耦合器；221、弯曲波导型定向耦合器；222、亚波长光栅型定向耦合器；230、波导滤波器；231、谐振腔；232、干涉臂；233、相位调制器；234、谐振结构；300、光电探测器；400、直波导型定向耦合器。
具体实施方式
42.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。基于实施方式中的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
43.在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。在对本发明的实施例进行阐述前，先对背景技术中“计算式光谱仪的带宽主要受限于其滤波器的响应范围”的原因进行详细分析。
44.目前计算式光谱仪所能达到的探测带宽之所以被局限在200nm以下，这是由于其传统波导分光元件(或结构)的色散效应限制了其无法在更大的带宽范围内形成有效的光谱扰动(即用于计算式光谱重构的采样滤波)。
45.如图1所示，示出了一种传统计算式重建式光谱仪，在其采样通道上，光谱在波导总线中传输，经过一个常见的波导元件——定向耦合器(directional coupler)后被耦合入在波导滤波器上形成的谐振结构中。现有方案中，定向耦合器多采用直波导型定向耦合器400。在理想情况下，定向耦合器的分光比应该在所需的波长范围内保持恒定，然而由于波导的色散特性，即不同波长的光在波导中的传播速度不同(有效折射率不同)，这将导致其分光比会随波长而变化，使得其带宽受限。
46.为了解决这些问题，本发明提出了一种通过对波导元件进行色散工程
(dispersion engineering)来扩大滤波器的响应范围，进而扩大片上集成光谱仪的探测带宽。以下给出了弯曲波导结构和亚波长光栅结构这两种方式来进行色散工程，具体实施方式见实施例。
47.实施例1：
48.如图2-4所示所示，示出了一种光滤波器组件200以及应用该光滤波器组件的计算式光谱仪。该计算式光谱仪还包括光源100和光电探测器300，光源100和光电探测器300分别设置在光滤波器组件200的两端。光源提供光谱，而光电探测器用于接收经光滤波器组件响应后的光谱。
49.本实施例中，光滤波器组件在空间上具有三个采样通道。在光源与光滤波器组件设有分光元件，光源的光谱通过分光元件被均分为三份，并分别耦合入对应的采样通道。不同的采样通道具有不相同的光谱响应。光电探测器设置采样通道的末端，且光电探测器的数量与采样通道的数量一一对应。
50.具体地，每个采样通道均具有一个波导总线210、多个波导滤波器230和定向耦合器220。光滤波器组件200中的波导总线210负责引导光谱(光信号)在采样通道中传输，波导滤波器230用于对特定波长范围的光信号进行滤波。定向耦合器则用于实现光信号在波导之间的耦合和分离。
51.在使用该计算重建式光谱仪进行光谱分析时，光源产生的光信号经过光滤波器组件的波导总线传输到波导滤波器。波导滤波器根据特定的光谱响应要求，对光信号进行滤波和分析。滤波后的光信号再次通过波导总线传输，最后由光电探测器接收并转换为电信号进行处理和分析。
52.更具体地，多个波导滤波器线性排列在所述波导总线上以形成多级滤波结构。定向耦合器设置在所述波导滤波器与波导总线之间。每一波导滤波器对应两个定向耦合器，分别用作分束和合束，通过定向耦合器实现光谱在波导总线与波导滤波器之间的耦合与分离。在每一波导滤波器所对应两个定向耦合器中，第一个定向耦合器可以按照分光比对波导总线上的光进行分束，一部分光进入滤波器的谐振结构，并在经过谐振结构后再通过第二个定向耦合器与波导总线进行合束。
53.需要说明的是，定向耦合器具有两个输入端口和两个输出端口的结构，或者采用仅具有一个输入端口和两个输出端口的结构，又或者采用具有两个输入端口和仅一个输出端口的结构，具体选择是根据所处位置和其作用做出的，例如位于采样通道中第一级谐振结构中的第一个定向耦合器可以选用仅具有一个输入端口的结构，位于该采样通道最后一级谐振结构中的最后一个定向耦合器可选在具有两个输入端口和仅一个输出端口的结构。
54.每一波导滤波器对应两个定向耦合器选用类似或相同的结构，两者的区别在于使用时将输入端口和输出端口互换了位置。
55.此外除了上述考虑到定向耦合器的结构需要根据所处位置进行适应性的调整外，在一些实施例中还可以统一采用双输入端口和双输出端口的结构，但在使用时可根据定向耦合器所处位置和作用仅选用其中的一个端口，另一个端口悬空。
56.需要说明是，对于相邻的两个滤波器或者说是两个相邻的谐振结构，其中位于两个滤波器或者说是两个相邻的谐振结构中间的定向耦合器，除了可以采用上述彼此独立的元件外，也可以相互复用同一个定向耦合器。即在相邻的两个滤波器或者说是两个相邻的
谐振结构中，位于前一个滤波器的定向耦合器(合束用)可与位于后一个滤波器的定向耦合器(分光用)复用同一个定向耦合器，以简化结构。对于独立型和复用型的实施方式，可参见图6a和图6b。
57.所述定向耦合器220具有色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构，以增加所述波导滤波器工作带宽。在本实施例中，所述色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构为弯曲波导结构，即采用弯曲波导型定向耦合器221。弯曲波导结构的工作原理是利用波导的非对称几何形状对光的传播速度进行调节，从而实现色散的补偿或抵消。在弯曲波导结构中，波导的曲率半径和弯曲的角度是关键参数。通过适当设计波导的曲率和弯曲角度，可以使不同波长的光在波导中具有相似的传播速度，从而补偿或抵消色散效应。
58.本实施例中，所述波导滤波器采用微环滤波器。具体地，微环滤波器被设计成具有一谐振腔231。谐振腔231是一条构成微环的波导。在谐振腔231上设置了一个相位调制器233，用于调控和调整光信号的相位，或者说本实施例中的微环滤波器是一种相位可调滤波器。
59.相位调制器是一种光学器件，可以通过改变光信号的相位来实现对光信号的调制。它可以根据需要改变光信号的相位延迟或推迟，以实现对光信号的调节和控制。在本发明的实施例中，相位调制器被布置在微环滤波器的谐振腔上，与微环结构紧密耦合。
60.这种设计允许通过调节相位调制器来改变光信号在微环滤波器中的传播特性，包括谐振峰的位置、宽度和强度等。如此，通过调节位于在不同的采样通道中微环滤波器上相位调制器，既可以在空间上组合成具有不同光谱响应的采样通道，又可以在时域上扩张更多的数量。
61.为了进一步增加采样通道频谱响应的多样性，在形成多级滤波结构的波导滤波器中，至少有三个为相位可调滤波器。如图4所示，本实施例中，所有波导滤波器均为相位可调滤波器。在所述波导滤波器中相位可调滤波器的数量根据实际需要，可灵活设置，不做限制。
62.需要说明的是，在一些替代性的实施例中，所述光滤波器除了可以采用上述在空间上具有多个采样通道的方式外，还可以仅采用仅具有一个采样通道的光滤波器。如图，示出了仅采用一个采样通道的光滤波器组件，相应地，光谱仪中所述光电探测器的数量也仅有一个。由于仅采用了一个采样通道，为保证其能在时域上形成数量足够多且具有不同光谱响应的采样通道，故在所述波导滤波器中相位可调滤波器的数量应当作相应的增加，本实施例中，所有波导滤波器均为相位可调滤波器，相位调制器的实现方法可以是基于波导的热光效应、电光效应或者是非线性效应等方式均可，本领域技术人员可根据实际情况灵活选择。
63.实施例2：
64.如图5所示，本实施例提供了另一种结构的光滤波器组件，与实施例1中的光滤波器组件的主要区别之处在于：本实施例中所述定向耦合器220的有色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构为亚波长光栅结构，即采用亚波长光栅型定向耦合器222。
65.亚波长光栅是一种具有周期性变化折射率的结构，其周期长度比光的波长小很多，通常为光波长的几分之一甚至几十分之一。相比于传统波导，基于亚波长光栅结构的波导具有更缓慢的模式有效折射率变化，因此对波长的变化更加不敏感，即具备更低的色散
效应。亚波长光栅型定向耦合器中的亚波长光栅周期长度，占空比等关键参数可以精确设计，使得不同波长的光在结构中经历极弱的色散效应，达到色散补偿的效果。
66.其余结构或特征均与实施例1类似或相同，本领域技术人员可参照实施例1实现，此处不在一一详述。
67.实施例3：
68.如图6a所示，本实施例示出了第三种实施方式的光滤波器组件，与实施例1中的光滤波器组件的主要区别之处在于：本实施例中所述波导滤波器230采用了非对称式的马赫-增德尔干涉仪。马赫-增德尔干涉仪具有一对干涉臂232，干涉臂232的长度不同以形成非对称结构。同样的，本实施例中的马赫-增德尔干涉仪为具有相位调制器的有源干涉仪，即所述波导滤波器为相位可调滤波器。在其中的一个干涉臂上设有相位调制器，通过调节相位来改变其输出的干涉光谱。
69.相应地，可以使用弯曲波导定向耦合器221或者亚波长光栅型定向耦合器222在将光源光谱被分光并耦合入或出这一对干涉臂232上的过程中，对两个干涉臂的输入光谱同时实现色散的补偿或抵消，以扩大滤波器的响应范围，进而在其被集成到片上光谱仪中时能够扩大片上集成光谱仪的探测带宽。
70.需要说明的是，在一些替代性的实施例中，上述相邻的波导滤波器之间的两个定向耦合器，还可以采用复用的实施方式，具体参见图6b，此处不再详述。
71.同样地，在一些示范性的实施例中，所述光滤波器组件200还可以采用弯曲波导结构和非对称式的马赫-增德尔干涉仪相结合的方式，作为替代方案亦可，此处不再一一详述。
72.如图7a-7c所示，分别示出了采用传统直通波导型定向耦合器、弯曲波导型定向耦合器和亚波长光栅型定向耦合器的输出光谱采样图。
73.具体地，是基于标准300nm厚度的氮化硅(sin)集成平台上搭建的三种定向耦合器，其中分光比均被设置成10：90，即百分之十的能量将被耦合进入谐振腔。这里的仿真是通过三维有限差分时域法(lumerical fdtd)实现的。可以看到，传统的定向耦合器只能实现大概一百多纳米(1435nm-1585nm)的带宽，而本发明中所提出的两种结构可以在四百甚至五百纳米(1200nm-1700nm)的带宽上保持百分之十左右的分光比。因此，采用这两种结构可以有效提高用于计算式光谱采样的滤波器的工作带宽。
74.如图8所示，示出了本发明中光滤波器组件的效果图，其中波导滤波器(以微环为例)微环和波导总线之间的定向耦合器为所提出的弯曲型波导耦合器，以获得更大的带宽。图中的每一条曲线代表不同的相位组合所带来的传输谱，即时域上具有不同光谱响应的采样通道的输出谱。可以看出，通过在时域上对每个滤波结构进行相位调制，可以获得高度不同的采样滤波效果，从而达到于空间上构建大量采样滤波阵列一样的效果，进而减少空间通道的使用。同样，得益于时域上的可调性，可以在不增加任何硬件成本的情况下构建数百甚至上千的采样通道，从而得到更高的光谱探测分辨率和准确度。
75.如图9所示，展示了一个基于上述方案的大带宽少通道数成的片上计算式光谱仪的光谱恢复的仿真结果。同样，这里基于弯曲型波导定向耦合器的六级微环谐振腔系统为例，其空间通道设置为一个，即仅通过时序上的相位调制来实现多次采样。其中，计算重构所涉及的光谱带宽被设置在1200到1700这500nm的范围内，采样分辨率被设置为0.1nm，而
采样通道的数量被设置为500个。可以看到，输入的模拟光谱得到了极高准确度的还原。这说明所设计的片上光谱仪可以达到超大的带宽，超高分辨率以及超高的探测准确度，使其具备很高的实用价值。
76.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

技术特征：
1.一种光滤波器组件，其在使用时被配置在计算式光谱仪中，至少具有一个采样通道，其特征在于，所述采样通道具有：波导总线，波导滤波器，线性排列在所述波导总线上以形成多级滤波结构；以及，定向耦合器，设置在所述波导滤波器与波导总线之间；所述定向耦合器具有色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构，以增加所述波导滤波器工作带宽。2.根据权利要求1所述的光滤波器组件，其特征在于，所述色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构为弯曲波导结构。3.根据权利要求1所述的光滤波器组件，其特征在于，所述色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构为亚波长光栅结构。4.根据权利要求1-3任一项所述的光滤波器组件，其特征在于，所述波导滤波器为微环滤波器。5.根据权利要求4所述的光滤波器组件，其特征在于，所述微环滤波器上设有相位调制器。6.根据权利要求1-3任一项所述的光滤波器组件，其特征在于，所述波导滤波器为非对称式的马赫-增德尔干涉仪。7.根据权利要求6所述的光滤波器组件，其特征在于，所述马赫-增德尔干涉仪为具有相位调制器的有源马赫-增德尔干涉仪。8.根据权利要求1所述的光滤波器组件，其特征在于，在形成多级滤波结构的波导滤波器中，至少有三个为相位可调滤波器。9.根据权利要求8所述的光滤波器组件，其特征在于，所述光滤波器组件仅有一个采样通道。10.一种计算重建式光谱仪，包括光源、如权利要求1-9中任一项所述的光滤波器组件，以及光电探测器，其特征在于，所述的光谱仪为片上集成光谱仪。

技术总结
本发明公开了一种光滤波器组件及光谱仪，涉及计算重建式光谱仪制造技术领域，该光滤波器组件至少具有一个采样通道，所述采样通道具有：波导总线，波导滤波器，线性排列在所述波导总线上以形成多级滤波结构；以及，定向耦合器，设置在所述波导滤波器与波导总线之间；所述定向耦合器具有色散补偿效应或抵消色散效应的波导结构，以增加所述波导滤波器工作带宽。本发明可以有效的降低传统直通波导的色散效应，即其有效折射率随波长的变化快慢，从而扩大其工作带宽。工作带宽。工作带宽。


技术研发人员：姚春晖 程祺翔
受保护的技术使用者：徐州光引科技发展有限公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/23