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基于SOI刻蚀衍射光栅的光谱仪的研究

秦丽  
【摘要】:光谱分析在现代社会中起到至关重要的作用。随着光谱技术、计算机以及MEMS制作工艺的发展,光谱仪器开始走向小型化,便携化,测量快速实时化。 本文中我们提出了一种基于绝缘硅(SOI)材料制作的以刻蚀衍射光栅为分光元件的微型光谱仪的设计方案以及由该光谱仪结构与一个环形谐振腔级联构成的光学传感器。 基于SOI刻蚀衍射光栅的微型光谱仪利用光栅分光的原理,采用三点法的设计方案,将不同波长的光信号按空间位置分开,并通过不同输出波导传至线阵探测器,从而测量输入光的光谱成分。文章利用标量衍射理论,建立了光栅衍射作用的理论模型,给出了该微型光谱仪的结构参数和模拟结果(可实现129输出通道,分辨率0.25nm的光谱探测),设计出了器件的掩模结构。 利用基于SOI刻蚀衍射光栅的微型光谱仪与单个环形谐振腔级联形成的光学传感器可用来探测待测样品的折射率变化,分析样品浓度,化学成分等。该传感器具有集成度高,探测灵敏度高的特点。与以往的光学传感器不同,它无需昂贵的光谱分析仪或可调谐激光器,只需利用宽带光源和探测器,降低了传感系统的成本。其中刻蚀衍射光栅既起到光谱分析的作用,又相当于一个谐振腔。它与单个环形谐振腔级联,利用游标效应提高了传感器的探测灵敏度,可在两种工作模式下进行光学探测(粗测和细测模式),其探测灵敏度不同。此外该结构也是对已有文献中所提出的双环与AWG级联所构成的光学传感器的一种简化。理论上该器件的探测灵敏度可达10-6RIU。 在实验方面,成功制作出了5个输出通道,相邻通道间的波长间隔为10nm的微型光谱仪。测得各通道的光谱响应曲线,验证了该设计方案的可行性。 本文在第一章中介绍了光谱仪的研究意义、发展现状,分析了目前已有的几种光谱仪的设计方案及其优势和缺陷,从而提出本文主要研究的内容——基于SOI刻蚀衍射光栅的光谱仪和光学传感器。第二章中简要介绍了光谱仪的相关理论基础,包括实现光谱仪的理论依据、光谱仪的基本特性以及本文研究的基础——刻蚀衍射光栅的基本理论,包括其像差理论的研究,三种刻蚀衍射光栅设计方法(一、二、三点法)的比较,并详细介绍了刻蚀衍射光栅的数值模拟方法。第三章阐述了本文研究的主要内容——基于SOI刻蚀衍射光栅的微型光谱仪的设计方案,包括总体设计方案、波导和光栅结构的设计方案。第四章主要阐述了利用该微型光谱仪与一个环形谐振腔所组成的高灵敏度的光学传感器,给出了该光学传感器的结构和工作原理,分析它在两种工作模式下的探测灵敏度。第五章主要介绍了微型光谱仪的制作与测试方法,包括掩模的设计和器件制作的主要步骤与流程,测试方法的介绍和测试结果的分析。


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