具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

正如背景技术所介绍的，现有技术中芯片级光谱分析仪的光能利用率较低，为了解决如上问题，本申请提出了一种傅里叶型波导分光芯片。

根据本申请的一种典型的实施例，提供了一种傅里叶型波导分光芯片，如图1所示，上述傅里叶型波导分光芯片包括第一耦合器10、分光单元以及探测器20，其中，上述第一耦合器10为偏振不敏感的耦合器，上述第一耦合器10用于接收输入光，上述输入光包括多个偏振方向的光；上述分光单元与上述第一耦合器10连接，上述分光单元用于对上述输入光进行分光；上述探测器20与上述分光单元连接，上述探测器20用于将分光后的上述输入光转换为对应的电信号。

上述的傅里叶型波导分光芯片，包括依次连接的偏振不敏感的第一耦合器、分光单元以及探测器，上述第一耦合器用于接收输入光，上述输入光包括多个偏振方向的光，上述分光单元用于对上述输入光进行分光，上述探测器用于将分光后的上述输入光转换为电信号。本申请的上述傅里叶型波导分光芯片，通过将偏振不敏感的上述第一耦合器引入到芯片级光谱分光仪中，可以同时耦合多个偏振方向的输入光，保证了光源的能量利用率较高，较好地解决了现有技术中芯片级光谱分析仪采用偏振敏感型器件，需要固定的偏振态输入，导致光能利用率较低的问题。

本申请的一种具体的实施例中，如图1所示，上述分光单元包括第一分束器100、第一旋转器101、基于光开关的MZI光谱分光结构102、第二旋转器103以及第一合束器104，其中，上述第一分束器100与上述第一耦合器10连接，上述第一分束器100用于将上述输入光分成第一偏振光和第二偏振光，上述第一偏振光的偏振方向与上述第二偏振光的偏振方向垂直；上述第一旋转器101与上述第一分束器100连接，上述第一旋转器101用于将上述第一偏振光转换为上述第二偏振光，或者将上述第二偏振光转换为上述第一偏振光；上述基于光开关的MZI光谱分光结构102与上述第一旋转器101以及上述第一分束器100分别连接，上述基于光开关的MZI光谱分光结构102用于将接收的上述第一偏振光进行分光，得到第三偏振光，或者将接收到的上述第二偏振光进行分光，得到第四偏振光，其中，上述第三偏振光的偏振方向与上述第一偏振光的偏振方向相同，上述第二偏振光的偏振方向与上述第四偏振光的偏振方向相同，上述基于光开关的MZI光谱分光结构102包括两个输出接口105，上述基于光开关的MZI光谱分光结构102还用于将上述第三偏振光通过两个上述输出接口105输出，或者将上述第四偏振光通过两个上述输出接口105输出；上述第二旋转器103与两个上述输出接口105中的一个连接，上述第二旋转器103用于将上述第三偏振光转换为上述第四偏振光，或者将上述第四偏振光转换为上述第三偏振光；上述第一合束器104与两个上述输出接口105中的另一个以及上述第二旋转器103分别连接，上述第一合束器104用于将接收的光进行合束。上述分光单元，通过上述第一分束器、上述第一旋转器、上述基于光开关的MZI光谱分光结构、上述第二旋转器以及上述第一合束器，可以对不同偏振方向的光线进行干涉分光，从而进一步地保证了光源的能量利用率较高。

需要说明的是，上述实施例中的分光单元有两种类型，第一种，上述第一分束器用于将上述输入光分成相互垂直的第一偏振光和第二偏振光，上述第一旋转器用于将上述第一偏振光转换为上述第二偏振光，上述基于光开关的MZI光谱分光结构用于接收上述第一分束器以及上述第一旋转器输出的上述第二偏振光，将接收到的上述第二偏振光进行分光，得到上述第四偏振光，并将所有的上述第四偏振光分成两部分，通过两个上述输出接口输出；上述第二旋转器用于将两个上述输出接口中的一个输出的上述第四偏振光转换为上述第三偏振光；上述第一合束器用于将上述输出接口中的另一个输出的第四偏振光以及上述第二旋转器输出的上述第三偏振光进行合束。第二种情况，上述第一分束器用于将上述输入光分成相互垂直的第一偏振光和第二偏振光，上述第一旋转器用于将上述第二偏振光转换为上述第一偏振光，上述基于光开关的MZI光谱分光结构用于接收上述第一分束器以及上述第一旋转器输出的上述第一偏振光，将接收到的上述第一偏振光进行分光，得到上述第三偏振光，并将所有的上述第三偏振光分成两部分，通过两个上述输出接口输出；上述第二旋转器用于将两个上述输出接口中的一个输出的上述第三偏振光转换为上述第四偏振光；上述第一合束器用于将上述输出接口中的另一个输出的第三偏振光以及上述第二旋转器输出的上述第四偏振光进行合束。

在实际的应用过程中，上述第一偏振光为横电波(TE波)，上述第二偏振光为横磁波(TM波)，即上述第一偏振光为TE模式的光，上述第二偏振光为TM模式的光。

本申请的又一种具体的实施例中，上述基于光开关的MZI光谱分光结构包括两个子分光结构，其中一个上述子分光结构的输入端与上述第一旋转器以及上述第一分束器中的一个连接，另一个上述子分光结构的输入端与上述第一旋转器以及上述第一分束器中的另一个连接，上述子分光结构的输出端为上述输出接口。当然，上述基于光开关的MZI光谱分光结构并不限于上述的两个子分光结构，其还可以包括多个子分光结构。

为了保证傅里叶型波导分光芯片中的器件与光路的平衡，本申请的更为具体的一种实施例中，如图1所示，上述基于光开关的MZI光谱分光结构包括两个子分光结构106，其中一个上述子分光结构106的输入端与上述第一旋转器101连接，其通过对应的上述输出接口105与上述第一合束器104连接；另一个上述子分光结构106的输入端与上述第一分束器100连接，并通过对应的上述输出接口105与上述第二旋转器103连接。当然，在实际的应用过程中，上述子分光结构的连接关系并不限于上述的连接关系，本领域技术人员可以根据实际情况进行设计。

在实际的应用过程中，上述第一分束器为偏振分束器，上述第一旋转器为第一偏振旋转器，上述第二旋转器为第二偏振旋转器，上述第一合束器为偏振合束器。

为了进一步地保证基于光开关的MZI光谱分光结构的干涉分光效果较好，光谱分辨率较高，根据本申请的另一种具体的实施例，如图2所示，上述子分光结构106包括第二分束器200、多个级联光开关201、多个第二耦合器202以及第二合束器203，其中，上述第二分束器200的输入端为上述子分光结构106的输入端；上述级联光开关201包括N个子光开关204和N个非等臂波导205，其中，第一子光开关的输入端与上述第二分束器200的输出端连接，第M子光开关和第M+1子光开关通过上述非等臂波导205连接，1≤M＜N；上述第二耦合器202的输入端与第N子光开关的输出端通过第N非等臂波导连接；上述第二合束器203的输入端与多个上述第二耦合器202的输出端连接，上述第二合束器203的输出端为上述子分光结构106的输出端。上述子分光结构采用多个级联光开关和不同的臂长组合，可以通过调节多个光开关的开关状态，构建不同光程差的MZI波导分光光路，对宽光谱入射光进行高分辨率的干涉分光。同时，上述傅里叶型波导分光芯片的光谱分辨率随着级联光开关个数的增加而指数级提升，在不增加上述傅里叶型波导分光芯片的芯片尺寸的前提下，可以保证芯片的分辨率较高，芯片的可扩展性较好。

通过改变模块中各个子光开关的开关状态，可以组合出不同臂长差的MZI光谱分光结构。一种具体的实施例中，参见图2，上述子分光结构106由两个级联光开关201组成，每个级联光开关为上述子分光结构的一个臂，上述子分光结构106的每个臂由N个级联的子光开关204构成，子光开关204和不同长度的非等臂波导205连接。非等臂波导长度差值为2ΔL的指数倍，分别为ΔL、2ΔL、4ΔL、8ΔL、16ΔL...。若上述子分光结构106的上下两臂的臂长相等时，则上下两臂的光程差为0。通过转换子光开关204的开关状态，可以使上下臂的光程差从0变化至(2^2N-1)n_gΔL，每次步进为n_gΔL，其中n_g为波导群折射率。则上述子分光结构的光谱通道数以及分辨率分别为：

J＝2^2N

其中J为光谱通道数；2N为子光开关的总个数；δλ为光谱分辨率；λ为中心波长；n_g为波导的群折射率；ΔL为波长差的步进值。光谱分辨率随着子光开关个数的增加而指数级地提升。在一个具体的实施例中，参见图3，示出了该子分光结构的设计版图，采用8个子光开关的子分光结构来实现在1260nm-1290nm的光谱范围内30pm的光谱分辨率，对应子光开关连接的非等臂波导的臂长分别如下表所示：

其中L＝152μm，ΔL＝5.51μm。光谱通道数为255，最大光程差为1405.1μm，当输入光光谱范围为1260-1290nm时，对应光谱分辨率为30pm。

根据本申请的再一种具体的实施例，如图2所示，上述子光开关204包括第三耦合器300、第一移相器301、第二移相器302以及第四耦合器303，其中，上述第三耦合器300的输入端为上述子光开关204的输入端；上述第一移相器301的第一端和上述第二移相器302的第一端分别与上述第三耦合器300的输出端连接；上述第四耦合器303的输入端分别与上述第一移相器301的第二端以及上述第二移相器302的第二端连接，上述第四耦合器303的输出端为上述子光开关204的输出端。

本申请的又一种具体的实施例中，上述第二分束器包括第五耦合器，上述第二合束器203包括第六耦合器。根据本申请的更为具体的实施例，上述第二分束器为上述第五耦合器，上述第二合束器为第六耦合器。

一种具体的实施例中，如图2所示，上述第二耦合器为2×1耦合器，上述第四耦合器为2×2耦合器，上述第五耦合器为1×2耦合器，上述第六耦合器为2×1耦合器。上述第一子光开关的第三耦合器为1×2耦合器，上述第M子光开关的第三耦合器为2×2耦合器。

在实际的应用过程中，上述子光开关为电光式光开关或热光式光开关。一种具体的实施例中，上述子光开关为热光式光开关。当然，本领域技术人员还可以为采用载流子色散效应来实现子光开关，优势在于调制速度快，与偏振无关，但缺陷在于损耗大。

根据本申请的一种具体的实施例，上述第二耦合器、上述第三耦合器、上述第四耦合器、上述第五耦合器以及上述第六耦合器各自独立地选自硅基定向耦合器、硅基Y型耦合器以及多模干涉耦合器中的一种或者几种。本领域技术人员可以根据实际情况进行灵活选择。为了保证了上述子分光结构的性能较好，上述第二耦合器、上述第三耦合器、上述第四耦合器、上述第五耦合器以及上述第六耦合器可以选择相同类型的耦合器，本申请的更为具体的一种实施例中，上述第二耦合器、上述第三耦合器、上述第四耦合器、上述第五耦合器以及上述第六耦合器均为多模干涉耦合器。

一种具体的实施例中，上述子光开关为热光式光开关，如图3所示，上述子光开关还包括加热器206，上述加热器206覆盖在上述第一移相器以及上述第二移相器的上方。

一种具体的实施例中，上述第一耦合器包括一维非等周期光栅耦合器。更为具体的一种实施例中，上述第一耦合器为一维非等周期光栅耦合器。光栅作为一种常用的波导耦合结构，用于将外部光耦合至分光芯片，或者从分光芯片中耦合出去。周期性的一维光栅是偏振敏感型器件，只能将一个偏振方向的光耦合至分光芯片，能量利用率低。因此，采用一维非等周期光栅耦合器来实现输入光的偏振不敏感耦合。通过采用逆向设计的方法，基于特定的工艺条件，根据性能指标要求来设计出所需的上述一维非等周期光栅耦合器。得到如图4所示的结构。当然，本领域技术人员也可以选择多维非等周期光栅耦合器来作为上述第一耦合器使用。

如图4所示，根据设定的1260nm-1290nm的光谱范围，在硅基波导Si厚度为220nm，光栅刻蚀深度为70nm，最小线宽为100nm的工艺条件下，利用有限的自由度通过全局优化算法针对损耗＜[email protected]，3dB带宽＞30nm的性能指标，搜索最优的结构。同时设置光斑直径为9μm，入射角为8°，光栅区域总长度为30μm。

通过遗传算法搜索最优结构，适应度函数设置如下：

其中，P_T为峰值所占的概率；

T_TE和T_TM分别对应TE和TM模式的光的透过率；

λ＝1275nm为中心波长；

λ1＝1260nm，λ2＝1290nm分别对应输入光的最小、最大波长。

通过优化算法，将个体输入至FDTD中进行仿真计算，并将FDTD仿真计算的传输谱返回至算法中，计算适应度，筛选最优结果。通过迭代，得到符合指标要求的光栅结构。参见图5，示出了一维非等周期光栅耦合器的仿真结果图。从图5可见，上述一维非等周期光栅耦合器的波长覆盖1260nm～1290nm的波长范围，且在1260nm～1290nm的波长范围内对应的透过率大于透光率最高点的50％，且在1260nm～1290nm的波长范围内的中心波长1275nm处对应的透过率最大，表明上述一维非等周期光栅耦合器能满足设计要求。

本申请的再一种具体的实施例中，上述第一耦合器、上述分光单元以及上述探测器为采用硅CMOS工艺集成。上述傅里叶型波导分光芯片，通过将上述探测器和上述分光单元做在同一芯片上，对干涉光进行直接探测，可以避免片外探测中由于耦合而带来的损耗，进一步地保证了能量利用率较高，同时保证了探测灵敏度较高。

对本申请的傅里叶型波导分光芯片进行仿真验证，参见图6，示出了输入的待测信号的光谱分布。参见图7，示出了本申请的傅里叶型波导分光芯片在不同光程差和波长下对应的输出光强信号。参见图8，示出了仿真测试中傅里叶型波导分光芯片在1260-1290nm范围内的分光效果，恢复得到的入射光信号。结合图6以及图8可见，本申请的里叶型波导分光芯片的分光效果较好。

在本申请的傅里叶型波导分光芯片中，芯片优选为硅材料，但还可选用SiN、聚合物材料，Ⅲ-Ⅴ族材料等，并且掺杂多种材料实现傅里叶型波导分光芯片的低损耗传输和特定光谱段滤波效果。

需要说明的是，本申请的傅里叶型波导分光芯片可基于成熟的硅光工艺进行批量生产，实现低成本制作，系统结构可推广应用于其他波段范围和其他材料体系。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请上述的傅里叶型波导分光芯片，包括依次连接的偏振不敏感的第一耦合器、分光单元以及探测器，上述第一耦合器用于接收输入光，上述输入光包括多个偏振方向的光，上述分光单元用于对上述输入光进行分光，上述探测器用于将分光后的上述输入光转换为电信号。本申请的上述傅里叶型波导分光芯片，通过将偏振不敏感的上述第一耦合器引入到芯片级光谱分光仪中，可以同时耦合多个偏振方向的输入光，保证了光源的能量利用率较高，较好地解决了现有技术中芯片级光谱分析仪采用偏振敏感型器件，需要固定的偏振态输入，导致光能利用率较低的问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。