用于拉曼光谱仪的阵列波导光栅（AWG）工艺改进及与光电探测器的集成技术研究

发布时间：2020-08-11 15:07

【摘要】：色散模块是光谱仪器中的核心部分,传统的色散模块由昂贵的光栅、透镜和CCD组成。随着光谱技术从实验室向工业和日常应用扩展,如何实现光谱仪的低成本、微型化已成为一个重要的课题。阵列波导光栅(AWG)芯片采用波导元件替代传统光栅、透镜的功能,而光电探测器(PD)阵列可取代CCD并与AWG集成在同一块芯片上,因此,AWG和PD的单片集成可实现传统色散模块的功能。拉曼光谱具有“指纹”特性。不同的物质其拉曼光谱是不同的,可以通过拉曼光谱有效鉴别化学成分,尤其拉曼光谱分析具有快速、非侵入、可通过特征峰同时鉴别混合物中的多种化学成分等优点,在食品安全、环境检测和医疗诊断等领域市场前景广阔。但拉曼光谱仪由于采用精密的光学元件和CCD并需要精确地光学装配,高昂的价格制约了其广泛应用。拉曼光谱仪由激光器、拉曼探头和色散模块组成,由于半导体激光器芯片的发展,以及芯片上光子晶体技术的进步,激光器和拉曼探头已经可以芯片化。如果实现了芯片上的色散模块,将使芯片式拉曼光谱仪的实现成为可能。本文以785 nm激光激发的拉曼光谱仪作为应用方向,主要介绍AWG芯片的工艺改进;适合AWG芯片的光电探测器(PD)的设计、工艺和测试;AWG于光电探测器芯片的集成工艺研究等内容,研究内容主要包括:1.采用OptiBPM软件设计了拉曼光谱仪专用的AWG芯片;2.为减小AWG芯片的损耗,采用了调整芯层的工艺参数、改进芯层刻蚀掩膜、增加包层厚度、采用原位包层-芯层-包层PECVD生长等工艺改进,通过测试反馈,确定了优化的工艺参数;3.根据AWG输出光信号的光谱成分和光斑大小,设计了专用的PD,并进行了工艺流片和测试;4.提出了将AWG和PD单片集成的工艺方案,并进行了工艺实验。在上述工作中体现的创新点主要包括AWG与PD单片集成工艺,该工作已申请了中国发明专利和PCT国际专利。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH744.1
【图文】：

图１．２－２邋Ａｌｐｈａ３００－ＲＡＭＡＮ共焦拉曼光谱仪逡逑０－ＲＡＭＡＩＳＩ拉曼光谱仪性能参数如表１－２所示。逡逑表１－２邋Ａｌｐｈａ３００－ＲＡＭＡＮ拉曼光谱仪性能参数逡逑号逦Ａｌｐｈａ３００－ＲＡＭＡＮ逦光谱仪通光孔径逦ｆ波长逦３５５－７８５ｎｍ逦激光器功率逦１０－１５范围逦９５－５０００ｃｍ－１逦分辨率逦０．０２ｒｏＲＡＭ是日本ＨＯＲＩＢＡ公司推出的台式拉曼光谱仪（见图１．２－３），处理复杂样品的情况下带来最简单的拉曼测量。它可以用来表征

拉曼光谱仪的阵列波导光栅（ＡＷＧ）工艺改进及与光电探测器的集成以实现多用途测试，它对测试样品的形状没有特殊样品。为了保证ＭａｃｒｏＲＡＭ的性能和高灵敏度，它达－５０°Ｃ。而且ＬａｂＳｐｅｃ６软件为ＭａｃｒｏＲＡＭ提供了一和操作都可以实现可视化。逡逑

这些拥有着自主知识产权的光谱仪器开始在市场中发挥着开拓者的作逡逑用。逡逑由卓立汉光最新推出的Ｆｉｎｄｅｒ邋Ｉｎｓｉｇｈ小型激光拉曼光谱仪（见图１．２－４）体积逡逑小、可用于工业检测级客户。它取消了光纤耦合的方式而采用光路耦合方式，同逡逑时开放样品室，大大提高了拉曼信号的收集效率。制冷型面阵ＣＣＤ的配置使其逡逑具有更高的信噪比，搭配直接光路耦合方式，系统的信噪比优势更加凸显。逡逑表１－４为Ｒｎｄｅｒ邋Ｉｎｓｉｇｈ拉曼光谱仪的详细参数。逡逑Ｉ逦！逡逑Ｉ逦》逡逑＾逦ｉ逦７逡逑图１．２－４邋Ｆｉｎｄｅｒ邋Ｉｎｓｉｇｈ拉曼光谱仪逡逑表１－４：邋Ｆｉｎｄｅｒ邋Ｉｎｓｉｇｈ拉曼光谱仪性能参数逡逑型号逦ＦＩ－Ｒ－Ａ逦分辨率逦６－１０ｃｍ＿１逦＾逡逑激光波长逦７８５ｎｍ逦检测器逦科研级制冷型ＣＣＤ逡逑激光功率逦ｌＯＯＭｗ逦光谱仪通光孔径逦ｆ／３逡逑测量范围逦ＺＯＯＱＯＯＯｃｍ－１逦电源逦１１０／２２０Ｖ交流电逡逑１．３拉曼光谱仪发展的趋势逡逑从上文传统的光谱仪描述可知，光谱仪一般有光源系统、准直校准系统、成逡逑５逡逑

【参考文献】

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1 安岩;刘英;孙强;李淳;刘兵;姜承志;;便携式拉曼光谱仪的光学系统设计与研制[J];光学学报;2013年03期

2 黄烈云;向勇军;孙诗;;硅基650nm增强型光电探测器[J];半导体光电;2012年04期

3 徐海铭;秦征峰;寇春梅;黄蕴;;后端工艺的N型欧姆接触[J];电子与封装;2012年03期

4 于永爱;吴维;朱冬寅;黄莎莎;孙玲;;拉曼光谱技术与便携式拉曼光谱仪[J];激光与光电子学进展;2009年08期

5 李欢;牛萍娟;张宇;李俊一;杨广华;;硅基PIN光电探测器的设计与模拟[J];半导体技术;2007年09期

6 余金中;;硅光子学的研究和发展趋势[J];激光与光电子学进展;2006年12期

7 包洪涛,戴基智,杨亚培,赵天卓,佟会,罗辉;厚二氧化硅光波导薄膜的制备[J];激光与光电子学进展;2005年05期

8 张健亮 ,陈康民;PIN结光电二极管的工艺原理和制造[J];中国集成电路;2004年09期

9 刘叶新,杨晓云,陈学琴,邓莉,傅思镜,林位株;多模光纤弯曲损耗的分析[J];中山大学学报(自然科学版);2002年05期

10 李中岳,王平,杨树贞;金属离子注入技术的研究及其应用[J];真空电子技术;2000年06期

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1 周弘毅;硅基光电探测器的研究[D];北京工业大学;2015年

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1 孙太富;阵列波导光栅波分复用器/解复用器的理论研究和优化设计[D];南京邮电大学;2013年

本文编号：2789224