基于蚀刻衍射光栅与MZI阵列的成像光谱仪芯片
发布时间：2020-08-21 18:53
【摘要】：光谱仪是人们认识世界和改造世界的重要工具。在生产与科研中有着重要作用。在光谱仪的小型化过程中,由于集成平面光波导技术能够实现高分辨率和多通道数目的小型化光谱仪,并且通过与CMOS工艺兼容来降低成本,具有便携、高效以及价格低的优势,因而应用前景广泛。然而已有的基于集成平面光波导技术的光谱仪研究是针对生化传感应用和光通信等领域,还没有对于在遥感成像领域应用集成光学芯片光谱仪替代传统体式光谱仪的研究。本文针对一般卫星和飞机中使用的推扫式成像光谱仪的大波长范围、偏振不敏感以及多通道输入的要求,对其中的光栅色散型光谱仪和干涉型光谱仪分别提出了使用集成平面光波导芯片进行替代的方案,并利用实验室平台进行了光谱仪芯片的设计、制作和测试。本文的具体研究工作主要分为以下几个方面:(1)分析了集成平面光学器件的最基本组成部分--光波导。使用光波导的的解析和数值方法对其有效折射率、单模特性、偏振效应、耦合间距与色散进行仿真。对比了纳米线波导和大截面波导在成像光谱仪设计要求中的优劣,得出了在成像光谱仪应用中适合的光波导是大截面波导的结论。(2)给出了蚀刻衍射光栅光谱仪(EDG)的设计方法,包括一点法与两点法,并讨论了设计参数与蚀刻衍射光栅性能之间的关系。使用EDG的偏振补偿方法对硅纳米线波导平台设计偏振不敏感的大波长范围EDG进行了研究,发现其存在不能同时对所有波长进行偏振补偿的问题,进一步否定了使用纳米线波导的想法。因此使用大截面SiON波导进行了 650nm到1000nm可见-近红外波段的65输入波导和65输出通道的EDG设计,并使用标量衍射法进行了仿真。仿真结果表明大光谱范围EDG可以达到低串扰以及边缘波长损耗平衡。(3)提出了使用EDG芯片制作推扫型成像光谱仪的技术方案。在对比分析了多输入波导下使用同一个衍射级次和跨衍射级次的优劣之后,得出使用同一个衍射级次的方案有更好的通道均匀性和更低损耗的优点,且跨衍射级次方案在低衍射级次时无法使用。因此使用3μm的SOI平台设计了 1250nm到1750nm波段范围、129输入波导和129输出通道的EDG,对关键工艺容差的影响进行了仿真。接着对光刻工艺、硅深刻蚀工艺与光栅镀金属工艺进行了分析与改进,最后根据工艺条件和测试平台,制作了 65输入波导及65输出通道(129输出波导)的EDG,并进行了测试。测试结果验证了所设计EDG可以在大光谱范围内偏振不敏感的保持较优秀性能,可以作为光谱仪应用。(4)在干涉光谱仪及其在成像光谱仪中的两种静态工作方式基础上,提出了使用马赫-曾德(MZI)阵列芯片制作无需光开关的窗扫型成像光谱仪的技术方案,此方案既具有Jacquinot和Fellgett优势,同时又利用了集成光学器件的小体积、高集成度的优点。接着对傅里叶变换光谱仪进行了研究,对基于平面光波导MZI的干涉光谱仪原理进行了推导,获得了其分辨率和FSR的主要设计性能,并基于Si和SiON平台对其核心器件--光谱仪芯片进行了设计、制作。由于受到晶圆限制,基于SiON平台制作的芯片无法制作出符合设计要求的光谱仪芯片,只进行了简单测试与改进方向分析。对Si平台制作的光谱仪芯片进行了完整测试与分析,测试结果还原的谱线波长符合原本谱线,半高全宽符合分辨率,FSR符合设计,但是因为器件制作瑕疵和测试误差,存在频谱泄露现象减小了动态范围。(5)对集成平面光波导傅立叶变换光谱仪与传感器件的结合进行了研究,针对时间调制傅立叶变换光谱仪,提出了双环传感器级联热调谐傅里叶变换光谱仪的传感方案。通过仿真计算将其与强度探测传感方案进行了对比,仿真结果表明,提出方案在保留强度探测方案不需要昂贵的可调谐激光器和光谱仪器件的同时,有着光源无需加滤波器、灵敏度保持稳定及工作范围比双环强度探测的更大的优点。另外针对空间调制傅立叶变换光谱仪,提出了利用手机双摄像头进行手机中光谱仪集成的方案,并进行了初步的可行性研究。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：
地质［５］、冶金［６］、食品检验［７］和气体安全监测［８］等领域得到广泛应用。也可以通过有机物逡逑中金属元素的化学计量反应间接测定多种有机物。拉曼、荧光光谱分析［９＃］在很多需要无逡逑损、显微成像、化学分析场合有着很好的应用前景［１１］。图１．１为Ｏｃｅａｎ邋Ｏｐｔｉｃｓ的手持式逡逑拉曼光谱仪与第一台微型光纤光谱仪［１２］逡逑■魏逡逑图１．１邋Ｏｃｅａｎ邋Ｏｐｔｉｃｓ的手持式拉曼光谱仪与第一台微型光纤光谱仪［１２］逡逑虽然光谱仪在科研和工业中有着广泛应用，但是在家庭生活中还没有很好的具体应逡逑用，其主要原因是现在最小的光谱仪－手持式光谱仪体积仍然比手机大而且价格较贵，另逡逑一原因是日常应用开发不足。虽然有关于使用红外光谱学探测蔬菜水果的质量［Ｕ］、农药逡逑等物质的含量方面的研究［１４］，但是由于光谱仪价格较贵，实验室所能获取农药光谱数据逡逑量太少，从而导致所训练识别程序对农药判断准确性不足等问题，此应用仍然只局限于逡逑食物生产过程中，还未进入家庭。逡逑除此之外，在遥感领域，为了同时能够获得一个图像的每个像素的几乎连续光谱，逡逑１逡逑
成像光谱仪主要应用在高光谱航空航天遥感领域，所以其工作方式也与飞行器行进逡逑方式相关。按照成像扫描方式可以分为点扫描型、推扫型和凝视型成像光谱仪三种。逡逑如图１．２所示，点扫描型成像光谱仪一次只对一个像元扫描，即光谱仪使用时只需要逡逑同时对一个像素对应的光源进行分光，将不同波长的光投影到一列探测器上。通过点扫逡逑描镜在垂直于飞行器轨道方向来回摇摆扫描以及飞行器在沿着轨道方向上移动，两者结逡逑合完成平面的遍历。此种工作方式对光谱仪的要求较低，普通工作模式的光谱仪使用线逡逑探测器接收光谱便可。但是需要成像镜头（一般是镜头前放置的反射镜）进行角度上机逡逑械扫描，工作效率低，机械转动的可靠性不高，只在早期的成像光谱仪中有应用［１６］。逡逑飞行器移动方向逡逑含逡逑—－－－－－－ｔ逦１逦逦逡逑逦邋－１逦—－－－－－－－－－－－－－－－－逡逑．．．逦逦逦逦－ｉ－逦逦逦ｕ逦逦逡逑￣！逦１逦１逦１￣＞逦：逡逑逦逦Ｘ逦逦Ｊ逦Ｊ逦Ｌ逦逡逑￣￣｜逦＜ｒ－＼逦１逦１￣逡逑逦ｊ逦＾逦＾逦逦逡逑图１．２点扫描成像光谱仪成像方式逡逑针对卫星或飞行器沿着一定轨道对地球表面扫描的飞行特点，推扫式成像光谱仪是逡逑２逡逑
视场（对应于图中红色区域）接收垂直于飞行器轨道方向的线阵像素对应视场范围地面逡逑的光信号，通过光栅等色散元件在对每一个像元信号进行分光，最终成像在面阵探测器逡逑上如图１．３（ｂ）所示。面阵探测器的一个方向接收Ｎ个不同像元的信号，另一个方向接逡逑收同一个像元不同波长的信号，再随着飞行器移动进行时间扫描，可以得到地球表面一逡逑定区域的每个点的波长信息。逡逑飞行器移动方向逡逑含邋ｍｍｍｍｍ逡逑逦邋■邋逦逦｜邋二．邋２逦Ｎ－Ｉ邋Ｎ逡逑＜逦视场范围逦＞逦逡逑（ａ邋）逦（邋ｂ邋）逡逑图１．３邋（ａ）推扫成像方式，（ｂ）推扫式成像光谱仪面阵探测器接收信号逡逑典型的光栅色散推扫式成像光谱仪有着诸多应用，不仅可以对地探测森林火灾［１７］、逡逑海岸遥感［１８’１９］，也可以用于观测太阳以及大气临边探测［２（ＵＵ。随着探测器的可用波段发展，逡逑远红外波段的成像光谱仪也拓展了地表温度、矿石探测等应用［２２］。逡逑图１．４（ａ）给出的是美国的海岸线高光谱推扫式成像光谱仪对巴拿马的安德罗斯岛拍逡逑摄的图片。图片中Ｄ，Ｓｌ，Ｓ２，邋Ｓ３等４个代表性点的光谱如图１．４（ｂ）所示。逡逑１逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：
地质［５］、冶金［６］、食品检验［７］和气体安全监测［８］等领域得到广泛应用。也可以通过有机物逡逑中金属元素的化学计量反应间接测定多种有机物。拉曼、荧光光谱分析［９＃］在很多需要无逡逑损、显微成像、化学分析场合有着很好的应用前景［１１］。图１．１为Ｏｃｅａｎ邋Ｏｐｔｉｃｓ的手持式逡逑拉曼光谱仪与第一台微型光纤光谱仪［１２］逡逑■魏逡逑图１．１邋Ｏｃｅａｎ邋Ｏｐｔｉｃｓ的手持式拉曼光谱仪与第一台微型光纤光谱仪［１２］逡逑虽然光谱仪在科研和工业中有着广泛应用，但是在家庭生活中还没有很好的具体应逡逑用，其主要原因是现在最小的光谱仪－手持式光谱仪体积仍然比手机大而且价格较贵，另逡逑一原因是日常应用开发不足。虽然有关于使用红外光谱学探测蔬菜水果的质量［Ｕ］、农药逡逑等物质的含量方面的研究［１４］，但是由于光谱仪价格较贵，实验室所能获取农药光谱数据逡逑量太少，从而导致所训练识别程序对农药判断准确性不足等问题，此应用仍然只局限于逡逑食物生产过程中，还未进入家庭。逡逑除此之外，在遥感领域，为了同时能够获得一个图像的每个像素的几乎连续光谱，逡逑１逡逑
成像光谱仪主要应用在高光谱航空航天遥感领域，所以其工作方式也与飞行器行进逡逑方式相关。按照成像扫描方式可以分为点扫描型、推扫型和凝视型成像光谱仪三种。逡逑如图１．２所示，点扫描型成像光谱仪一次只对一个像元扫描，即光谱仪使用时只需要逡逑同时对一个像素对应的光源进行分光，将不同波长的光投影到一列探测器上。通过点扫逡逑描镜在垂直于飞行器轨道方向来回摇摆扫描以及飞行器在沿着轨道方向上移动，两者结逡逑合完成平面的遍历。此种工作方式对光谱仪的要求较低，普通工作模式的光谱仪使用线逡逑探测器接收光谱便可。但是需要成像镜头（一般是镜头前放置的反射镜）进行角度上机逡逑械扫描，工作效率低，机械转动的可靠性不高，只在早期的成像光谱仪中有应用［１６］。逡逑飞行器移动方向逡逑含逡逑—－－－－－－ｔ逦１逦逦逡逑逦邋－１逦—－－－－－－－－－－－－－－－－逡逑．．．逦逦逦逦－ｉ－逦逦逦ｕ逦逦逡逑￣！逦１逦１逦１￣＞逦：逡逑逦逦Ｘ逦逦Ｊ逦Ｊ逦Ｌ逦逡逑￣￣｜逦＜ｒ－＼逦１逦１￣逡逑逦ｊ逦＾逦＾逦逦逡逑图１．２点扫描成像光谱仪成像方式逡逑针对卫星或飞行器沿着一定轨道对地球表面扫描的飞行特点，推扫式成像光谱仪是逡逑２逡逑
视场（对应于图中红色区域）接收垂直于飞行器轨道方向的线阵像素对应视场范围地面逡逑的光信号，通过光栅等色散元件在对每一个像元信号进行分光，最终成像在面阵探测器逡逑上如图１．３（ｂ）所示。面阵探测器的一个方向接收Ｎ个不同像元的信号，另一个方向接逡逑收同一个像元不同波长的信号，再随着飞行器移动进行时间扫描，可以得到地球表面一逡逑定区域的每个点的波长信息。逡逑飞行器移动方向逡逑含邋ｍｍｍｍｍ逡逑逦邋■邋逦逦｜邋二．邋２逦Ｎ－Ｉ邋Ｎ逡逑＜逦视场范围逦＞逦逡逑（ａ邋）逦（邋ｂ邋）逡逑图１．３邋（ａ）推扫成像方式，（ｂ）推扫式成像光谱仪面阵探测器接收信号逡逑典型的光栅色散推扫式成像光谱仪有着诸多应用，不仅可以对地探测森林火灾［１７］、逡逑海岸遥感［１８’１９］，也可以用于观测太阳以及大气临边探测［２（ＵＵ。随着探测器的可用波段发展，逡逑远红外波段的成像光谱仪也拓展了地表温度、矿石探测等应用［２２］。逡逑图１．４（ａ）给出的是美国的海岸线高光谱推扫式成像光谱仪对巴拿马的安德罗斯岛拍逡逑摄的图片。图片中Ｄ，Ｓｌ，Ｓ２，邋Ｓ３等４个代表性点的光谱如图１．４（ｂ）所示。逡逑１逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 乔海亮;王s
本文编号：2799737
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