基于SOI刻蝕衍射光柵的光譜儀的研究.pdf

1、光譜分析在現(xiàn)代社會(huì)中起到至關(guān)重要的作用。隨著光譜技術(shù)、計(jì)算機(jī)以及MEMS制作工藝的發(fā)展，光譜儀器開始走向小型化，便攜化，測量快速實(shí)時(shí)化。
　　 本文中我們提出了一種基于絕緣硅(SOI)材料制作的以刻蝕衍射光柵為分光元件的微型光譜儀的設(shè)計(jì)方案以及由該光譜儀結(jié)構(gòu)與一個(gè)環(huán)形諧振腔級(jí)聯(lián)構(gòu)成的光學(xué)傳感器。
　　 基于SOI刻蝕衍射光柵的微型光譜儀利用光柵分光的原理，采用三點(diǎn)法的設(shè)計(jì)方案，將不同波長的光信號(hào)按空間位置分開，并通過不同

2、輸出波導(dǎo)傳至線陣探測器，從而測量輸入光的光譜成分。文章利用標(biāo)量衍射理論，建立了光柵衍射作用的理論模型，給出了該微型光譜儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)和模擬結(jié)果（可實(shí)現(xiàn)129輸出通道，分辨率0.25nm的光譜探測），設(shè)計(jì)出了器件的掩模結(jié)構(gòu)。
　　 利用基于SOI刻蝕衍射光柵的微型光譜儀與單個(gè)環(huán)形諧振腔級(jí)聯(lián)形成的光學(xué)傳感器可用來探測待測樣品的折射率變化，分析樣品濃度，化學(xué)成分等。該傳感器具有集成度高，探測靈敏度高的特點(diǎn)。與以往的光學(xué)傳感器不同，它無需

3、昂貴的光譜分析儀或可調(diào)諧激光器，只需利用寬帶光源和探測器，降低了傳感系統(tǒng)的成本。其中刻蝕衍射光柵既起到光譜分析的作用，又相當(dāng)于一個(gè)諧振腔。它與單個(gè)環(huán)形諧振腔級(jí)聯(lián)，利用游標(biāo)效應(yīng)提高了傳感器的探測靈敏度，可在兩種工作模式下進(jìn)行光學(xué)探測（粗測和細(xì)測模式），其探測靈敏度不同。此外該結(jié)構(gòu)也是對(duì)已有文獻(xiàn)中所提出的雙環(huán)與AWG級(jí)聯(lián)所構(gòu)成的光學(xué)傳感器的一種簡化。理論上該器件的探測靈敏度可達(dá)10-6 RIU。
　　 在實(shí)驗(yàn)方面，成功制作出了5個(gè)輸

4、出通道，相鄰?fù)ǖ篱g的波長間隔為10nm的微型光譜儀。測得各通道的光譜響應(yīng)曲線，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。
　　 本文在第一章中介紹了光譜儀的研究意義、發(fā)展現(xiàn)狀，分析了目前已有的幾種光譜儀的設(shè)計(jì)方案及其優(yōu)勢和缺陷，從而提出本文主要研究的內(nèi)容——基于SOI刻蝕衍射光柵的光譜儀和光學(xué)傳感器。第二章中簡要介紹了光譜儀的相關(guān)理論基礎(chǔ)，包括實(shí)現(xiàn)光譜儀的理論依據(jù)、光譜儀的基本特性以及本文研究的基礎(chǔ)——刻蝕衍射光柵的基本理論，包括其像差理論的研

5、究，三種刻蝕衍射光柵設(shè)計(jì)方法（一、二、三點(diǎn)法）的比較，并詳細(xì)介紹了刻蝕衍射光柵的數(shù)值模擬方法。第三章闡述了本文研究的主要內(nèi)容——基于SOI刻蝕衍射光柵的微型光譜儀的設(shè)計(jì)方案，包括總體設(shè)計(jì)方案、波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。第四章主要闡述了利用該微型光譜儀與一個(gè)環(huán)形諧振腔所組成的高靈敏度的光學(xué)傳感器，給出了該光學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析它在兩種工作模式下的探測靈敏度。第五章主要介紹了微型光譜儀的制作與測試方法，包括掩模的設(shè)計(jì)和器件制作的主