[发明专利]片上拉曼检测系统

说明书

本申请提供一种片上拉曼检测系统，属于拉曼光谱检测技术领域，所述系统包括：激励光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器，所述激励光源用于发出激励光，所述拉曼传感单元包括槽型波导和金属纳米光栅，可同时实现局域电场增强和波导增强拉曼信号；光谱采集单元，采用双可调MZI和非对称分布的金属纳米线阵列来采集干涉条纹信号，结合频谱分析实现高分辨率、宽解调范围的光谱重构。所述激励光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器均集成在硅片上。本申请具有体积小，重量轻，低功耗，光耦合效率高。

技术领域

本发明涉及拉曼光谱检测技术领域，尤其涉及一种片上拉曼检测系统。

背景技术

随着人类社会的高速发展，在疾病诊断、食品安全、环境监测、缉毒、防 暴反恐和军事等领域，对物质的成分进行快速检测的需求日益增长；分子快速 检测技术成为化学、物理、生命科学和纳米科技等学科快速增长的研究热点。 分子在不同条件下吸收或发射的光波长、强度、偏振态等与该分子的结构特征 有着固有关系，因此，光谱方法被认为是探测和研究分子的有力工具，也是目 前现场快检的重要手段。但现有光谱检测仪器多以高性能的大型台式仪器为主， 价格昂贵，环境适应性差，难以适应现场快检的需求；特别是以指纹光谱分析 为主的拉曼光谱技术模型相对简单，定性准确，但是通常拉曼散射截面和荧光散射截面相比非常小(10^-6)，使得微弱的拉曼信号淹没在强的荧光信号里面， 检测灵敏度低。

面对以5G技术为基础的物联网时代，拉曼光谱检测器有望作为物联网的前 端/触角，其应用规模(特别是在痕量水质污染物监测领域)将会出现前所未有 的增长，这对光谱检测器的分辨率、频响速度和范围、信噪比、体积功耗、与 无线通讯高度融合的能力提出了新的要求，片上拉曼光谱检测是相对最有潜力 的解决方案。然而，虽然在硅基材料上可以制作性能优良的光波导，但硅在 785nm附近吸收较强，在性能上无法满足常规Raman光带宽的要求(以785nm 激光作为激励光源，0～2000cm^-1的拉曼频移范围对应波长785～931nm的光谱 范围)；氮化硅在一定程度上能够满足带宽的要求，但是用于光谱增强和光谱 探测，在性能和集成工艺上仍无法满足高性能片上光谱检测的要求。例如：基 于氮化硅波导的光谱增强和传感单元需利用复杂工艺在氮化硅局部选择性沉积 金属等材料；而利用环形微型腔可缩小光谱解调单元的尺寸，但需精确调控耦 合波长且热稳定性差。

因此，为解决以上问题，需要一种在性能和集成工艺上满足高性能片上光 谱检测的要求的拉曼检测系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种片上拉曼检测系统，其特征在于：包括：激励 光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器；

所述激励光源用于产生激励光并通过耦合光栅、第一波导和第一波导转换 器将激励光传入拉曼传感单元；

所述拉曼传感单元用于增强局域电场和拉曼信号，所述拉曼传感单元包括 槽型波导和设置于槽型波导横截面的金属光栅，所述槽型波导的输入端与所述 波导转换器的输出端连接，所述槽型波导的输出端与第二波导转换器的输入端 连接，第二波导转换器的输出端与第二波导输入端连接；

所述滤波单元用于滤除接收的光波的激励光波和瑞利散射光波，所述滤波 单元的输入端与第二波导的输出端连接，所述滤波单元的输出端与Y型波导的 主管连接；

所述光谱采集单元用于采集拉曼光信号，所述光谱采集单元包括第一MZI、 第二MZI和第三波导，所述第一MZI的输入端与Y型波导的第一支管的输出端 连接，第二MZI的输入端与Y型波导的第二支管的输出端连接，第一MZI和第 二MZI输出的光波矢量叠加在第三波导上，第三波导上设置有使其内传播的光 信号散射的散射组件；

所述探测器用于探测从第三波导中散射的拉曼信号光并转换成电信号供输 出处理；

其中，所述激励光源、拉曼传感单元、滤波单元、光谱采集单元和探测器 均集成在硅片上。