[发明专利]一种超光谱探测微系统

权利要求书

1.一种超光谱探测微系统，包括：

光收集耦合模块，用于收集目标的辐射光信息，并耦合至波导分光芯片；

波导分光芯片，用于将收集到的辐射光滤波后，利用MZI阵列进行光谱分光并经光电转换后输出电信号；其中，

所述波导分光芯片具体包括：

级联MZI波导滤波器、波导光开关阵列、热光调相MZI阵列、片上集成线阵探测器；

其中，级联MZI波导滤波器，用于将输入光谱带宽分为n个光通道，每个光通道具有一定的光通道带宽；

波导光开关阵列，用于将n个光通道进行n×1选通；

热光调相MZI阵列，用于将所选通的光通道进行空间傅里叶分光，并通过热光调相实现光谱微调；

片上集成线阵探测器，用于将所述热光调相MZI阵列波导输出的光信号进行光电转换输出电信号；

光谱数据处理模块，用于将输出电信号复原为目标的光谱信息。

2.根据权利要求1所述的超光谱探测微系统，其特征在于：

所述光收集耦合模块具体包括：

光学透镜组，镀有增透抗反和滤波膜层，用于接收目标谱段的辐射光，并得到具有输入光谱带宽的辐射光；

传输光纤，用于作为中间级提高辐射光进入光波导的光耦合效率；

侧向锥型模式匹配器，用于将辐射光从所述传输光纤耦合进入所述波导分光芯片。

3.根据权利要求2所述的超光谱探测微系统，其特征在于：

在所述光收集耦合模块中，空间中辐射光与传输光纤的耦合效率表示为：

其中a为光学透镜组的直径与光纤模场反向传播到光学透镜前的场的直径之比；

A_R、A_C分别为光学透镜组的耦合镜面积与散斑面积；

x₁、x₂为光场入射到光学透镜上的光斑尺寸，分别为主轴及其垂直方向的光斑大小。

4.根据权利要求1所述的超光谱探测微系统，其特征在于：

所述级联MZI波导滤波器将500nm的输入光谱带宽分为4个125nm带宽的光通道。

5.根据权利要求1所述的超光谱探测微系统，其特征在于：

所述波导光开关阵列基于硅光子集成技术，采用载流子注入MMI(MultimodeInterference)，通过改变注入载流子浓度，改变材料的吸收系数，从而依次实现多个不同中心波长光谱谱带的开关切换。

6.根据权利要求1所述的超光谱探测微系统，其特征在于：

所述热光调相MZI阵列的光谱探测分辨率表达式为：

光谱探测谱宽：

其中λ₀为可分辨光谱范围的中心波长；n_eff为波导有效折射率；N为MZI阵列数；ΔL_min为MZI两臂最小长度差。

7.根据权利要求6所述的超光谱探测微系统，其特征在于：

所述热光调相MZI阵列引入热光调相前的最小光程差为ΔL_min，每个输出端口的输出功率为P_out(I_i)，引入热调后MZI干涉仪之间的最小光程差改变为ΔL_min+ΔL₀，热调后的输出功率为P_out(I_i+iΔL₀)，从而改变波数σ₀，进而改变可分辨光谱范围的中心波长λ₀，实现了更加精细的光谱探测。

8.根据权利要求1所述的超光谱探测微系统，其特征在于：

所述片上集成线阵探测器，采用异质或异构集成的方法实现片上集成。

9.根据权利要求1所述的超光谱探测微系统，其特征在于：

所述光谱数据处理模块，具体包括：

噪声去除模块，用于滤除光谱探测微系统中的本底噪声信号；

平场校正模，用于对光探测器定标得到光探测器不同像元的响应系数，补偿由其不均匀性引起的信号误差；

ADC切趾模块，用于进行切趾运算来恢复真实光谱信号，提高信噪比；

光谱数据反演模块，用于进行光谱数据反演，得到初步光谱信息；

光谱辐射定标模块，用于对光谱进行辐射定标，对反演出得到的光谱信息进行校正，输出光谱信息。