用于芯片光譜儀的多模光纖與氮氧化硅光波導(dǎo)的耦合研究.pdf

1、在環(huán)境監(jiān)測(cè)，食品安全，化學(xué)、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)和日常生活中，如何便捷地檢測(cè)出目標(biāo)物的化學(xué)成分成為了一個(gè)迫切的需求。傳統(tǒng)的化學(xué)檢測(cè)方法往往需要專業(yè)的檢測(cè)人員在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，并且一種化學(xué)分子對(duì)應(yīng)一種專門的檢測(cè)方法，同時(shí)對(duì)多種混合物質(zhì)鑒別的方法并不多見。拉曼光譜是一種指紋式的鑒別方法，一種特定的分子往往具有數(shù)個(gè)拉曼特征峰，這些特征峰的拉曼偏移是固定的。因此拉曼光譜可以通過特征峰同時(shí)鑒別出多種化學(xué)分子，檢測(cè)時(shí)間僅需要幾秒鐘，而且操作簡(jiǎn)單，只需要將探頭對(duì)準(zhǔn)被

2、測(cè)物即可，這為化學(xué)檢測(cè)走出實(shí)驗(yàn)室提供了極大的便利。
　　拉曼光譜儀推廣應(yīng)用的瓶頸之一在于儀器比較昂貴，即使是便攜式拉曼光譜儀的價(jià)格也比一輛家用轎車高。其原因是光學(xué)元件的制造和裝配成本難以降低。隨著集成光學(xué)的發(fā)展，透鏡、光柵等光學(xué)元件的功能可以用光波導(dǎo)組成的元件替代，芯片光譜儀成為可能。實(shí)現(xiàn)拉曼芯片光譜儀的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是多模光纖與光波導(dǎo)的耦合。由于拉曼信號(hào)是激光照射到目標(biāo)物表面后的散射光，為提高收集效率，必須使用芯層直徑100或

3、200微米的多模光纖來接收，而光譜儀芯片光波導(dǎo)的芯層尺寸只有幾微米，尺寸的失配使多模光纖到光波導(dǎo)的耦合效率很低。為解決這一問題，現(xiàn)有技術(shù)中有兩種途徑:一是采用拉錐的多模光纖減小出射光斑的直徑;二是采用縱向耦合技術(shù)。但是光纖的拉錐技術(shù)成本高且難以獲得10微米以下的出射光斑，而縱向耦合技術(shù)一般波長(zhǎng)范圍只有幾十納米，難以滿足光譜儀的需求。
　　本文分別對(duì)上述兩種耦合技術(shù)在芯片光譜儀上的應(yīng)用做了探索，包括兩方面的研究?jī)?nèi)容。首先通過硅的各向

4、異性腐蝕，制作多模光纖的固定對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新之處在于在前端制作錐形結(jié)構(gòu)并灌注光學(xué)膠，降低光纖的出射角。另外研究了傾斜陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)，在氮氧化硅光波導(dǎo)上面通過傾斜波導(dǎo)陣列將垂直耦合的多模光轉(zhuǎn)化成單模信號(hào)，并耦合進(jìn)波導(dǎo)中。
　　第一章討論了與芯片光譜儀和多模光纖/波導(dǎo)耦合技術(shù)相關(guān)的研究成果和理論背景;第二章闡述了端面固定對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造過程。為降低對(duì)準(zhǔn)的難度，設(shè)計(jì)了上、下兩片的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志，當(dāng)兩片對(duì)準(zhǔn)粘合后形成光纖的

5、插孔，插孔的中心與兩個(gè)硅片的交界面對(duì)齊，芯片光譜儀芯片通過對(duì)位標(biāo)記面朝下對(duì)準(zhǔn)安裝在較大的硅片上，使光纖插入插孔后自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)輸入波導(dǎo)。
　　第三章討論了縱向耦合結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是通過傾斜波導(dǎo)陣列將多模光信號(hào)轉(zhuǎn)換成單模信號(hào)陣列，然后耦合進(jìn)氮氧化硅波導(dǎo)中。通過激光直寫制作了間隙小于2微米的模板，機(jī)械加工了專用的光刻模具，通過有一定傾斜角的光刻后獲得了傾斜的聚合物波導(dǎo)陣列。為了提高光刻效果，將模板和芯片浸入去離子水中，獲得了較好的效果。

6、與芯片光譜儀工藝結(jié)合，通過硅的各向異性腐蝕，將波導(dǎo)下的襯底硅去除，并蒸鍍反射金屬膜，獲得了最終的器件結(jié)構(gòu)。
　　第四章對(duì)獲得的兩種結(jié)構(gòu)的耦合特性進(jìn)行了光學(xué)測(cè)試。為比較性能起見，首先搭建了芯片光譜儀的測(cè)試系統(tǒng)，通過三軸壓電微位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了輸出波導(dǎo)的自動(dòng)測(cè)試，為觀察和調(diào)整縱向耦合，設(shè)計(jì)制作了斜場(chǎng)顯微鏡和傾斜角測(cè)試系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了耦合特性的測(cè)試。
　　綜上所述，針對(duì)芯片光譜儀開發(fā)中遇到的多模光纖與氮氧化硅波導(dǎo)的耦合問題。本文研究了

7、端面耦合和縱向耦合兩種耦合技術(shù)，其中端面耦合的創(chuàng)新點(diǎn)在于在光纖通道的前端制造了錐形光學(xué)膠結(jié)構(gòu)，降低了出射光的發(fā)散角，得到的耦合器制造工藝簡(jiǎn)單，對(duì)準(zhǔn)容差高，即使插入非拉錐光纖依然能達(dá)到拉錐光纖的效果，在未來光譜儀集成中將大大降低制造成本。縱向耦合技術(shù)的特點(diǎn)是采用傾斜聚合物波導(dǎo)陣列將多模信號(hào)轉(zhuǎn)換成成束的單模信號(hào)，并縱向耦合進(jìn)光波導(dǎo)中。本文開發(fā)了這兩種結(jié)構(gòu)的工藝，成功獲得了與芯片光譜儀集成的耦合結(jié)構(gòu)。另外，作者搭建了芯片光譜儀的測(cè)試平臺(tái)，完成