一種微型混合分光裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微型混合分光裝置，其特征在于它包括一基板，該基板上具有一陣列波導(dǎo)光柵，該陣列波導(dǎo)光柵具有一輸入光纖和n個輸出波導(dǎo)；一反射鏡陣列，位于該基板上，具有n個反射鏡體，各自與所述輸出波導(dǎo)對應(yīng)；一棱鏡組件，置于所述反射鏡陣列的出射區(qū)域中，將來自所述反射鏡陣列的n股光線各自進行分光處理為m股后輸出；以及一光電探測器陣列，置于所述棱鏡組件后級。本方案采用棱鏡組件作為在多衍射級次工作的陣列波導(dǎo)光柵的后級元件，使由該陣列波導(dǎo)光柵的輸出波導(dǎo)中輸出的多衍射級次的光信號能夠進一步縱向色散,在光電探測器陣列所在的焦平面上形成光斑陣列，并通過光電探測器陣列轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。該裝置可以在較小的體積內(nèi)實現(xiàn)寬波長范圍、高波長分辨率的分光。
【專利說明】一種微型混合分光裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于各種類型光譜儀的具有分光功能的分光裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜儀能夠測定特定的化學(xué)成分，在食品安全、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前光譜儀已有很多商用產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品在應(yīng)用中還存在著普遍的價格高、波長分辨率低、體積重量大等缺點，因此，光譜儀面臨微型化和降低成本的需求，才能在很大程度上推動化學(xué)分析儀器的便攜化和擴大應(yīng)用，在測試技術(shù)的層面上有效提升食品和環(huán)境安全。
[0003]目前常用的光譜儀大多采用光柵或棱鏡分光，由于光柵和棱鏡都是角色散元件，焦距越大，波長分辨率越高，體積縮小會直接降低焦距，進而降低光譜儀的性能。因此微型光譜儀必須采用一些新技術(shù)在實現(xiàn)小尺寸的同時保持其分辨率。在此基礎(chǔ)上陣列波導(dǎo)光柵(AWG)得到發(fā)展和運用，它是光纖通訊中通用的分光芯片，采用使光信號沿彎曲波導(dǎo)傳導(dǎo)的方法，在減小尺寸的同時維持了原有的光程差，從而保持了原有的波長分辨率，有效地克服了采用光柵、棱鏡等分光元件在微型化時遇到的問題，具有體積小、成本低和芯片可批量生產(chǎn)的優(yōu)點。這類產(chǎn)品中特別是多衍射級次設(shè)計的陣列波導(dǎo)光柵，可以有效減小芯片面積，例如N.1smail制造了波長范圍為859nm_957nm、分辨率為0.2nm的多衍射級次MG。
[0004]不過，在各種光譜儀的應(yīng)用中，單單使用AWG裝置的產(chǎn)品，例如具有m衍射級次的AWG，其同衍射級次的光譜相互重疊，并未進行進一步分光，其每個輸出通道內(nèi)的出射光均包含m個彼此間隔的波長成分，需要進一步分光才能達到和光柵、棱鏡光譜儀同樣的分光效果。如此一來，此后級分光的部分仍然是一個問題，制約了整個分光裝置的體積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述分光裝置的問題，本發(fā)明提出一種微型混合分光裝置，旨在充分利用多級衍射級次的陣列波導(dǎo)光柵的優(yōu)點，設(shè)計出適合于小體積、工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊以及成本容易控制的產(chǎn)品。其技術(shù)方案如下:
[0006]—種微型混合分光裝置，它包括:一基板，該基板上具有一陣列波導(dǎo)光柵，該陣列波導(dǎo)光柵具有一輸入光纖和η個輸出波導(dǎo)；來自所述輸入光纖的光輸入，通過所述陣列波導(dǎo)光柵后，從其每一個輸出波導(dǎo)得到的光輸出具有多個波長成分；
[0007]—反射鏡陣列，位于該基板上，具有多個反射鏡體，各自與所述輸出波導(dǎo)對應(yīng)；該反射鏡體將來自該輸出波導(dǎo)的光輸出分別朝向該基板的法向區(qū)域射出；
[0008]一棱鏡組件，置于所述反射鏡陣列的出射區(qū)域中，將來自所述反射鏡陣列的η股光線各自進行分光處理為多股后輸出；且彼此獨立無混疊；以及，
[0009]一光電探測器陣列，置于所述棱鏡組件后級，具有與來自該棱鏡組件的多股光線投影對應(yīng)的光電探測器；
[0010]其中，所述棱鏡組件、光電探測器陣列與該基板相互固定。復(fù)合分光裝置的厚度由棱鏡的高度決定，面積由陣列波導(dǎo)光柵的芯片面積決定。
[0011]作為本方案的一些優(yōu)選者，可以有如下方面的特征:
[0012]在較佳實施例中，所述陣列波導(dǎo)光柵芯片具有m個衍射級次，其中m>l，且使每個所述輸出波導(dǎo)的光輸出包含m個彼此分隔的波長成分.[0013]在較佳實施例中，所述反射鏡體為軸對稱的拋物面鏡，成型于該基板的表面，其開口朝上；所述輸出波導(dǎo)的輸出端位于該反射鏡體的焦點。特別地，在某較佳實施例中，所述反射鏡體的對稱軸相互平行。
[0014]在較佳實施例中，所述輸出波導(dǎo)從該反射鏡體的側(cè)面伸入，其末端在該反射鏡體的焦點。
[0015]在較佳實施例中，所述棱鏡組件包括一個軸線橫臥的棱鏡，其入光面朝向所述反射鏡陣列，其出光面朝上設(shè)置；該入光面接收來自所述反射鏡陣列的出射光線，將其折射后從所述出光面出射。
[0016]在較佳實施例中，另有一平面反射裝置，設(shè)置于所述棱鏡的出光面，將來自棱鏡出光面的出射光線進行反射處理后，再投射到所述光電探測器陣列。
[0017]作為使用拋物面鏡作為反射鏡體的方案，其制造方法包括以下步驟:
[0018]I)采用硅片形態(tài)的所述基板，在其上用化學(xué)氣相沉積的方法生長兩層氮氧化硅層分別作為一下包層和一芯層，通過光刻及刻蝕芯層形成所述陣列波導(dǎo)光柵的圖形結(jié)構(gòu)；
[0019]2)在上述芯層上再通過化學(xué)氣相沉積氮氧化硅形成上包層。通過控制化學(xué)氣相沉積過程中不同反應(yīng)氣體的流量比使作為下包層、芯層、上包層的氮氧化硅的光學(xué)折射率在一定范圍內(nèi)變化并可控，按照所述陣列波導(dǎo)光柵的設(shè)計參數(shù)決定所述下包層、芯層、上包層的光學(xué)折射率；
[0020]3)通過光刻、金屬淀積和剝離工藝僅在輸出波導(dǎo)上覆蓋金屬層，然后在基板的上表面通過旋轉(zhuǎn)涂覆一層感光聚合物，并通過光刻以所述輸出波導(dǎo)的末端為圓心留下一個圓；以固化后的該感光聚合物為掩膜刻蝕作為上下包層的氮氧化硅和其下的硅，獲得一凹槽；由于輸出波導(dǎo)上覆蓋有抗刻蝕的金屬層，因此不被刻蝕；
[0021]4)在上包層的表面上旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物并固化，然后淀積金屬，通過控制旋涂時的轉(zhuǎn)速和涂覆次數(shù)獲得拋物面型的所述反射鏡體。
[0022]本技術(shù)方案與【背景技術(shù)】相比，它具有如下優(yōu)點:
[0023]1、采用具有多衍射級次的陣列波導(dǎo)光柵作為分光元件，和相同芯片面積的單衍射級次陣列波導(dǎo)光柵相比，有效提高了工作波長范圍和波長分辨率。
[0024]2、采用制作在(基板)芯片上的拋物線型微反射鏡體陣列實現(xiàn)光的折射和準(zhǔn)直。采用光刻、刻蝕和金屬濺射等微細加工技術(shù)制造出η個面型為拋物面的微反射鏡，其位置與陣列波導(dǎo)光柵的η個輸出波導(dǎo)一一對應(yīng)，并且輸出波導(dǎo)的輸出端位于拋物面微反射鏡的焦點上。利用拋物面反射鏡的原理，從陣列波導(dǎo)光柵的輸出波導(dǎo)出射的光將形成準(zhǔn)直的平行光，且方向垂直于芯片所在的平面。這種方法較【背景技術(shù)】相比，不需要使用準(zhǔn)直透鏡，減小了尺寸，降低了成本。
[0025]3、采用高折射率棱鏡，并用光學(xué)膠固定于AWG芯片上，使得由拋物線型微反射鏡陣列準(zhǔn)直的光信號能夠進一步縱向色散。可以形成光斑陣列，并有光電探測器陣列接收，形成數(shù)字信號。這種方式與【背景技術(shù)】相比，可以在較小的體積內(nèi)實現(xiàn)寬波長范圍，高波長分辨率的分光。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步說明:
[0027]圖1是本發(fā)明實施例一的立體示意圖；
[0028]圖2是圖1所示實施例反射鏡陣列的立體示意圖；
[0029]圖3是圖2的工作狀態(tài)示意圖；
[0030]圖4是圖1所示實施例其單個的輸出波導(dǎo)23中其光信號其光譜示意圖；
[0031]圖5是圖1所示實施例陣列波導(dǎo)光柵20的輸出光譜示意圖；
[0032]圖6是光電探測器陣列50接收到的光斑示意圖；
[0033]圖7是本發(fā)明實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0034]實施例一:
[0035]如圖1至圖6所示，本發(fā)明實施例一的系列示意圖，其中，圖1、圖2和圖3展示了其主要結(jié)構(gòu)及其放大的立體圖；圖4和圖5則展示了輸出波導(dǎo)23的輸出光譜，圖6展示了最終分光得到的光斑投影。
[0036]本實施例一種微型混合分光裝置，它包括一個基板10，該基板10上具有一陣列波導(dǎo)光柵20，該陣列波導(dǎo)光柵具有一輸入光纖和40個輸出波導(dǎo)23。
[0037]該基板10上具有一個反射鏡陣列30，此反射鏡陣列30具有40個反射鏡體31，反射鏡體31各自與輸出波導(dǎo)23 —一對應(yīng)。反射鏡陣列30的出射區(qū)域具有一棱鏡組件40，此棱鏡組件40后級具有一光電探測器陣列50，光電探測器陣列50具有光電探頭；其中，棱鏡組件40、光電探測器陣列50與該基板10相互固定。
[0038]將陣列波導(dǎo)光柵20的輸入光纖接入一個待處理的光輸入，然后，陣列波導(dǎo)光柵20中對此光輸入進行40個衍射級次處理，從每一個輸出波導(dǎo)23得到包含40個彼此分隔波長成分的光輸出，如圖5所示，相鄰?fù)ǖ赖牟ㄩL差約為0.5納米。每一個輸出波導(dǎo)23內(nèi)的光譜如圖4所示，其光信號包含具有周期性的11個波長成分，相鄰光信號的波長相差20納米，都通過一個反射鏡體31將來自該輸出波導(dǎo)23的光輸出分別朝向該基板10的法向區(qū)域P射出；以至于被棱鏡組件40繼續(xù)處理，每個反射鏡體31的光線各自進行分光處理為11股后輸出；其中，該40*11股光線彼此獨立無混疊，最終投影在光電探測器陣列50的表面，如圖6所示，每一個光斑均照射一個光電探頭，不同填充的光斑代表不同的波長范圍，因此在光電探測器陣列50的光電探頭表面獲得440個光斑，各自得到捕捉和檢測。
[0039]本方案采用棱鏡組件40作為陣列波導(dǎo)光柵20的后級元件，使已經(jīng)多級衍射的光信號能夠進一步縱向色散?？梢孕纬晒獍哧嚵校⑼ㄟ^光電探測器陣列50接收，形成數(shù)字信號。這種方式將陣列波導(dǎo)光柵20得到的多股光輸出在基板10的法向立體空間進行折射分光，可以節(jié)省大量的裝置空間，以至于在較小的體積內(nèi)實現(xiàn)寬波長范圍、高波長分辨率的分光。
[0040]本實施例還具有其他一些特點:
[0041]作為反射鏡陣列30的主要部件反射鏡體31，其形態(tài)為軸對稱的拋物面鏡，此拋物面鏡成型于該基板10的表面,其開口朝上；同時，輸出波導(dǎo)23的輸出端位于該反射鏡體31的焦點f。
[0042]如此采用制作在基板上的拋物線型反射鏡體31，作為反光部件，同時實現(xiàn)了光的反射和準(zhǔn)直。輸出波導(dǎo)23出射的光只要投射到反射鏡體31的反光內(nèi)壁，必然會沿著直線出射，并且，其方向與反射鏡體31的對稱軸相同，可控性好，準(zhǔn)直效果明顯，省略了各種準(zhǔn)直透鏡等光學(xué)器件，減小了尺寸，降低了成本。當(dāng)40個反射鏡體31的對稱軸相互平行時，可以從基板10的法向獲得相互平行的多束準(zhǔn)直光線，利于小型空間中的后級分光處理，輸出波導(dǎo)23從該反射鏡體31的側(cè)面伸入，其末端在該反射鏡體31的焦點f橫向出射，該結(jié)構(gòu)有利于利用蝕刻、淀積金屬和旋涂工藝成型反射鏡體31。
[0043]本實施例的棱鏡組件40包括一個軸線橫臥的棱鏡42，其入光面朝向反射鏡陣列30，其出光面朝上設(shè)置，朝向光電探測器陣列50 ;入光面接收來自反射鏡陣列30的出射光線，將其折射后從出光面出射，此結(jié)構(gòu)充分利用了基板10法向P的空間作為分光區(qū)域。同時可以采用高折射率的棱鏡42實現(xiàn)微型化。
[0044]本實施例采用以下的方法制成:
[0045]首先采用硅片形態(tài)的基板10，在其上用化學(xué)氣相沉積的方法生長兩層氮氧化硅層分別作為一下包層11和一芯層12，通過光刻刻蝕芯層形成陣列波導(dǎo)光柵20的圖形結(jié)構(gòu)；
[0046]然后在上述芯層12上再通過化學(xué)氣相沉積氮氧化硅形成上包層13。通過控制化學(xué)氣相沉積過程中不同反應(yīng)氣體的流量比使作為下包層11、芯層12、上包層13的氮氧化硅的光學(xué)折射率在一定范圍內(nèi)變化并可控，按照陣列波導(dǎo)光柵30的設(shè)計參數(shù)決定下包層11、芯層12、上包層13的光學(xué)折射率；本實施例的上包層13、上包層11的厚度為4-5微米，折射率為1.45-1.48，芯層12的厚度為1.2-1.5微米.折射率為1.48-1.5.[0047]完成上述陣列波導(dǎo)光柵的制造后，通過光刻、金屬淀積和剝離工藝僅在輸出波導(dǎo)上覆蓋金屬層，然后在基板10上通過旋轉(zhuǎn)涂覆一層感光聚合物,如Microchem公司生產(chǎn)的SU-82015型光刻膠，并通過光刻以所述輸出波導(dǎo)的末端為圓心留下一個圓，直徑為20-40微米，厚度為10-15微米；以固化后的該感光聚合物為掩膜刻蝕作為上下包層的氮氧化硅和其下的硅，獲得一凹槽；由于輸出波導(dǎo)上覆蓋有抗刻蝕的金屬層，因此不被刻蝕；最后在上包層的表面上旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物并固化，如SU-82015型光刻膠，然后淀積金屬，通過控制旋涂時的轉(zhuǎn)速和涂覆次數(shù)獲得拋物面型的所述反射鏡體，旋涂時的轉(zhuǎn)速為2000-7000rmp，涂覆次數(shù)為1-5次。
[0048]棱鏡42采用美國Thorlabs公司出產(chǎn)的PS851高折射率棱鏡，并用光學(xué)膠固定于基板10上，本實施例之中，光學(xué)膠41采用Norland公司的N0A13685。棱鏡42的安裝位置和光學(xué)膠41角度由設(shè)計參數(shù)確定。
[0049]實施例二:
[0050]如圖7所示，本發(fā)明實施例二的示意圖。
[0051]本實施例的基板10、陣列波導(dǎo)光柵20、光學(xué)膠41、棱鏡42與實施例一類似,不同的是，另有一平面反射裝置60，該平面反射裝置60設(shè)置于棱鏡42的出光面，將來自棱鏡42出光面的出射光線進行反射處理后，再投射到光電探測器陣列50，此結(jié)構(gòu)進一步地改善了最終的分光效果，使光電探測器陣列50上獲得的光斑獨立性更佳。本實施例實現(xiàn)了更緊湊型的安裝。整個裝置通過可安裝通用光纖接頭輸入光纖連接，無需繁瑣的光學(xué)對準(zhǔn)就可和外界的探頭對接，實現(xiàn)緊湊模塊化的方案。
[0052]以上所述，僅為本發(fā)明較佳實施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微型混合分光裝置，其特征在于，它包括: 一基板，該基板上具有一陣列波導(dǎo)光柵，該陣列波導(dǎo)光柵具有一輸入光纖和η個輸出波導(dǎo)；來自所述輸入光纖的光輸入，通過所述陣列波導(dǎo)光柵后，從其每一個輸出波導(dǎo)得到的光輸出具有多個波長成分； 一反射鏡陣列，位于該基板上，具有多個反射鏡體，各自與所述輸出波導(dǎo)對應(yīng)；該反射鏡體將來自該輸出波導(dǎo)的光輸出分別朝向該基板的法向區(qū)域射出； 一棱鏡組件，置于所述反射鏡陣列的出射區(qū)域中，將來自所述反射鏡陣列的η股光線各自進行分光處理為多股后輸出；且彼此獨立無混疊；以及， 一光電探測器陣列，置于所述棱鏡組件后級，具有與來自該棱鏡組件的多股光線投影對應(yīng)的光電探測器； 其中，所述棱鏡組件、光電探測器陣列與該基板相互固定。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的混合分光裝置，其特征在于:所述陣列波導(dǎo)光柵芯片具有m個衍射級次，其中m>l，且使每個所述輸出波導(dǎo)的光輸出包含m個彼此分隔的波長成分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種微型混合分光裝置，其特征在于:所述反射鏡體為軸對稱的拋物面鏡，成型于該基板的表面，其開口朝上；所述輸出波導(dǎo)的輸出端位于該反射鏡體的焦點。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種微型混合分光裝置，其特征在于:所述反射鏡體的對稱軸相互平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種微型混合分光裝置，其特征在于:所述輸出波導(dǎo)從該反射鏡體的側(cè)面伸入，其末端在該反射鏡體的焦點。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述一種微型混合分光裝置，其特征在于:所述棱鏡組件包括一個軸線橫臥的棱鏡，其入光面朝向所述反射鏡陣列，其出光面朝上設(shè)置；該入光面接收來自所述反射鏡陣列的出射光線，將其折射后從所述出光面出射。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種微型混合分光裝置，其特征在于:另有一平面反射裝置，設(shè)置于所述棱鏡的出光面，將來自棱鏡出光面的出射光線進行反射處理后，再投射到所述光電探測器陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種微型混合分光裝置的制造方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)采用硅片形態(tài)的所述基板，在其上用化學(xué)氣相沉積的方法生長兩層氮氧化硅層分別作為一下包層和一芯層，通過光刻及刻蝕芯層形成所述陣列波導(dǎo)光柵的圖形結(jié)構(gòu)； 2)在上述芯層上再通過化學(xué)氣相沉積氮氧化硅形成上包層。通過控制化學(xué)氣相沉積過程中不同反應(yīng)氣體的流量比使作為下包層、芯層、上包層的氮氧化硅的光學(xué)折射率在一定范圍內(nèi)變化并可控，按照所述陣列波導(dǎo)光柵的設(shè)計參數(shù)決定所述下包層、芯層、上包層的光學(xué)折射率； 3)通過光刻、金屬淀積和剝離工藝僅在輸出波導(dǎo)上覆蓋金屬層，然后在基板的上表面通過旋轉(zhuǎn)涂覆一層感光聚合物，并通過光刻以所述輸出波導(dǎo)的末端為圓心留下一個圓；以固化后的該感光聚合物為掩膜刻蝕作為上下包層的氮氧化硅和其下的硅，獲得一凹槽；由于輸出波導(dǎo)上覆蓋有抗刻蝕的金屬層，因此不被刻蝕； 4)在上包層的表面上旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物并固化，然后淀積金屬，通過控制旋涂時的轉(zhuǎn)速和涂覆次數(shù)獲得拋物面型的`所述反射鏡體。
【文檔編號】G01J3/28GK103528679SQ201310456561
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】呂苗, 鄧盛鋒, 程雅琴, 崔曉斌, 李一帆 申請人:廈門大學(xué)