[发明专利]一种超光谱探测微系统

说明书

一种超光谱探测微系统，包括：光收集耦合模块，波导分光芯片和光谱数据处理模块，其中波导分光芯片包括级联MZI波导滤波器、波导光开关阵列、热光调相MZI阵列和片上集成线阵探测器。本发明集成了集成硅基级联MZI阵列波导技术，热光调相技术、硅基光谱分光技术、片上探测器集成技术、信号处理及光谱复原算法以及Si‑CMOS工艺和微系统高密度集成制造工艺，实现具有宽光谱探测范围、高光谱探测精度、超小体积重量功耗、超低成本、快速机动等优点。

技术领域

本发明涉及微型光谱分析仪器领域，具体而言，涉及一种基于硅基级联MZI阵列波导技术的芯片级超光谱探测微系统。

背景技术

超分辨率光谱分析技术作为一种重要的光探测感知手段，可广泛应用于食品安全检测、气体监测、商标防伪等领域。食品卫生相关实验室中常需要对食品进行添加剂检测、腐败程度检测、农药残留检测、化学品残留检测等工作，传统方法需要提取样品组织与特定种类的试剂进行化学反应检测，其检测时间慢，工序复杂、且消耗性检测试剂成本费用较高。而利用光谱分析技术的检测方式操作简单、检测时间快速、无需消耗性检测试剂，且具有非接触、无破坏的优点。同时，通过提高光谱分辨率和针对性地拓展光谱范围能够有效提高目标检测准确度。另外，在气体监测领域，利用光谱分析技术的检测手段可以避免检测试剂的更换，提高产品寿命。

目前技术成熟的微型光谱仪依据其分光原理主要可分为色散型和干涉型两种。色散型的微型光谱仪一般是基于光栅色散的分光原理，结合经典的光学结构诸如Ebert-Fastie结构、Czerny-Turner结构、Littrow结构等实现光谱的精细测量。光栅结构可采用平面光栅和凹面光栅两种结构，其中采用基于平面光栅的光学结构有利于系统元件的模块化。而凹面光栅相较于平面光栅系统省去了准直镜和成像镜元件，同等的焦深可以有更小的系统体积，同时凹面光栅通过全息优化设计可以校正系统大部分的像差。

然而，色散型微型光谱仪主要是基于光机结构和系统元件的微型化，集成化程度不高，系统的稳定性较差。此外，基于色散分光的微型光谱仪光通量较小，能量利用率低，对探测光强的要求较高，限制了其作用距离和应用范围。

干涉型微型光谱仪基于干涉原理，通过对探测得到的信号进行Fourier变化得到光谱信号。瑞士Neuchatel大学的微技术研究所研制出了一种片状光栅集成傅里叶变换光谱仪，该仪器内置一个采用深度反应刻蚀法在绝缘体硅芯片上制作的静电梳状驱动器，来控制反射镜的运动。反射镜的高度为75μm，光栅周期数为32mm-1，光栅周期长度为100μm，器件的总尺寸为7mm×4mm，该光谱仪的工作范围为380nm～1700nm。埃及Si-Ware公司的NeoSpectra型光谱仪，采用MEMS技术在硅基上实现了迈克尔逊干涉仪，并通过MEMS作动器实现光谱调节，利用InGaAs探测器探测信号，对其进行Fourier变换得到光谱信息。

而对于无论是基于迈克尔逊干涉仪的光谱仪还是基于可调F-P腔的光谱仪，均依赖于MEMS静电调节技术，对MEMS器件调节精度和稳定性要求较高。此外，干涉型微型光谱仪结构复杂，对MEMS加工工艺要求较高，成本较高，限制了其应用范围。

因此，如何能够提高系统的集成化程度，降低结构的复杂度，扩展光谱探测范围，成为现有技术亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种超光谱探测微系统，能够减少体积，降低系统工号，提高分辨率，扩展光谱探测范围。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

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；

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。