一种傅里叶变换光谱测量系统

1.本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种傅里叶变换光谱测量系统。


背景技术：

2.光谱测量被广泛应用于空间探测、资源勘探、环境检测、生物工程和现代医学等众多领域，由于测量环境通常多样且不稳定，故对光谱测量系统的性能要求较高。同时由于采用集成光子技术实现的小型化光谱测量系统具有超紧凑的尺寸、低成本和低耗能等优点，而广受欢迎，其中高信噪比，高数据采集速度的傅里叶变换光谱测量系统成为了小型化光谱测量系统的一大研究热点。
3.而在现有技术中，傅里叶变换光谱测量系统常因小尺寸的要求而限制了分辨率；并且由于测量环境的不稳定，输入到光谱测量系统的光通常不是完全的单偏振态，进一步地，傅里叶变换光谱测量系统通常建设在高折射率对比度平台上，使得波导往往具有非常高的双折射效应，因而测量系统对偏振非常敏感，具有高偏振相关性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种傅里叶变换光谱测量系统，能够减少偏振相关性，提高分辨率，增加测量光路数量。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于，包括偏振分离器、环形谐振滤波器和傅里叶变换光谱测量模块；其中，偏振分离器，用于将随机偏振态的入射光分解成相互正交并转化成偏振态相同的两路输出光；环形谐振滤波器，用于将偏振分离器的两路输出光分别进行调谐以滤波；傅里叶变换光谱测量模块，用于将环形谐振滤波器滤波后的两路输出光分别进行偏振态调谐，并分别对偏振态调谐后的两路光进行傅里叶变换处理，得到输入光的光谱信息。
6.可选地，偏振分离器包括偏振旋转分束器或二维光栅耦合器。
7.可选地，环形谐振滤波器包括上波导、环形谐振腔、下波导和金属电极；上波导与环形谐振腔耦合，下波导与环形谐振腔耦合，金属电极设置于环形谐振腔的非耦合区域，上波导的两个输入端分别与偏振分离器的两个输出端连接，下波导的两个输出端分别与傅里叶变换光谱测量模块的两个输入端连接。
8.可选地，环形谐振腔包括单环形谐振腔、双环形谐振腔或多环形谐振腔中的任意一个。
9.可选地，环形谐振滤波器包括电光调谐环形谐振滤波器或热光调谐环形谐振滤波器。
10.可选地，傅里叶变换光谱测量模块包括马赫曾德尔干涉仪和傅里叶变换处理单元；马赫曾德尔干涉仪的输出端连接傅里叶变换处理单元的输入端。
11.可选地，马赫曾德尔干涉仪包括两个输入端与两个输出端；第一输入端与第二输出端位于马赫曾德尔干涉仪的第一端面，第二输入端与第一输出端位于马赫曾德尔干涉仪
的第二端面，第一端面与第二端面为相对面，两个输出端与傅里叶变换处理单元的输入端连接。
12.可选地，傅里叶变换处理单元包括第一光电检测器和第二光电检测器；马赫曾德尔干涉仪的第一输出端与第一光电检测器连接，马赫曾德尔干涉仪的第二输出端与第二光电检测器连接；第一光电检测器和第二光电检测器用于通过傅里叶变换得到光谱信息。
13.实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明利用偏振分离器将入射光分解成相互正交并转化成相同偏振态的两束输出光，实现了傅里叶变换光谱测量系统的偏振无关性，使其能够测量任意偏振光；利用具有高q和高自由光谱范围特性的环形谐振滤波器过滤掉谐振波长，有效提高了光谱测量的分辨率；利用环形谐振滤波器和马赫曾德尔干涉仪组合的结构实现了同时对两路光进行高分辨率的光谱测量。
附图说明
14.图1是本发明实施例提供的一种傅里叶变换光谱测量系统的结构示意图；
15.图2是本发明实施例提供的一种傅里叶变换光谱测量系统的具体结构示意图；
16.图3是本发明实施例提供的一种基于傅里叶变换光谱测量系统的芯片的结构示意图。
17.附图标记说明：1、偏振分离器；2、环形谐振滤波器；201、上波导；202、环形谐振腔；203、下波导；204、金属电极；3、傅里叶变换光谱测量模块；301、马赫曾德尔干涉仪；302、傅里叶变换处理单元；4、偏振旋转分束器；401、锥形模式转换器；402、定向耦合器；403、1
×
1多模干涉仪；5、单环谐振滤波器；501上波导；502、单环形谐振腔；503、下波导；504、第一行波电极；6、马赫曾德尔干涉仪；601、第一2
×
2多模干涉仪；602、第二2
×
2多模干涉仪；603、第一光臂；604、第二光臂；605、第二行波电极；7、第一端面耦合器；8、第二端面耦合器；i、随机偏振态的入射光；i
11
、偏振分离器输出的第一路光；i
12
、偏振分离器输出的第二路光；i
21
、环形谐振腔输出的第一路光；i
22
、环形谐振腔输出的第二路光；i
31
、马赫曾德尔干涉仪输出的第一路光；i
32
、马赫曾德尔干涉仪输出的第二路光。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
19.在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
20.在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
21.除非另有定义，本发明实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明实施例中所使用的术语只是为了描述本发
明实施例的目的，不是旨在限制本发明。
22.对本发明实施例进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
23.如图1所示，本发明实施例提供了一种傅里叶变换光谱测量系统，包括偏振分离器、环形谐振滤波器和傅里叶变换光谱测量模块；其中，偏振分离器，用于将随机偏振态的入射光分解成相互正交并转化成偏振态相同的两路输出光；环形谐振滤波器，用于将偏振分离器的两路输出光分别进行调谐以滤波；傅里叶变换光谱测量模块，用于将环形谐振滤波器滤波后的两路输出光分别进行偏振态调谐，并分别对偏振态调谐后的两路光进行傅里叶变换处理，得到输入光的光谱信息。
24.具体地，随机偏振态的入射光线i进入偏振分离器，经过偏振分离器分成相互正交并转换为偏振态相同的第一路光i
11
与第二路光i
12
；第一路光i
11
与第二路光i
12
耦合进入环形谐振滤波器，经过环形谐振滤波器调谐以滤波，得到滤波后从环形谐振滤波器输出的第一路光i
21
与第二路光i
22
；滤波后的第一路光i
21
与第二路光i
22
进入傅里叶变换光谱测量模块，经过傅里叶变换光谱测量模块的偏振态调谐和傅里叶变换处理，得到第一路光i
11
与第二路光i
12
的第一光谱信息和第二光谱信息。
25.可选地，如图2所示，偏振分离器1包括偏振旋转分束器或二维光栅耦合器。
26.具体地，偏振旋转分束器将随机偏振态的输入光分解成两束相互正交的偏振光te0和偏振光tm0，并同时将偏振光tm0转换成te0偏振态，使得最终偏振旋转分束器的两束输出光均以te0偏振态于两个输出端输出。
27.具体地，二维光栅耦合器将随机偏振态的输入光分解成相互垂直的x态偏振光和y态偏振光，并最终以te偏振态于两个输出端输出。
28.可选地，如图2所示，环形谐振滤波器2包括上波导201、环形谐振腔202、下波导203和金属电极204；上波导201与环形谐振腔202耦合，下波导203与环形谐振腔202耦合，金属电极204设置于环形谐振腔202的非耦合区域，上波导201的两个输入端分别与偏振分离器1的两个输出端连接，下波导203的两个输出端分别与傅里叶变换光谱测量模块3的两个输入端连接。
29.具体地，如图2所示，光在环形谐振腔202内传输一周后产生的光学长度为其波长的整数倍，光发生相干干涉从而产生谐振效应，此波长为谐振波长，同时也是环形谐振滤波器2过滤的波长。
30.具体地，如图2所示，偏振分离器1输出的第一路光i
11
从上波导201的一端输入，与环形谐振腔202耦合后，从下波导203的同侧端口输出；同理，偏振分离器1输出的第二路光i
12
从上波导201的一端输入，与环形谐振腔202耦合后，从下波导203的同侧端口输出；从而同时实现两路光的滤波，且两路光路径相同，但互不干扰。
31.可选地，如图2所示，环形谐振腔202包括单环形谐振腔、双环形谐振腔或多环形谐振腔中的任意一个。
32.可选地，如图2所示，环形谐振滤波器2包括电光调谐环形谐振滤波器或热光调谐环形谐振滤波器。
33.具体地，如图2所示，对于电光调谐环形谐振滤波器，金属电极204通过输入电信号的方式改变环形谐振腔202的光学长度，从而实现对谐振波长的调谐。
34.具体地，如图2所示，对于热光调谐环形谐振滤波器，金属电极204通过加热的方式改变环形谐振腔202的光学长度，从而实现对谐振波长的调谐。
35.可选地，如图2所示，傅里叶变换光谱测量模块3包括马赫曾德尔干涉仪301和傅里叶变换处理单元302；马赫曾德尔干涉仪301的输出端连接傅里叶变换处理单元302的输入端。
36.具体地，如图2所示，马赫曾德尔干涉301仪包括依靠热光或电光效应调谐两臂折射率差的马赫曾德尔干涉仪和臂长可调的马赫曾德尔干涉仪。
37.可选地，如图2所示，马赫曾德尔干涉仪301包括两个输入端与两个输出端；第一输入端与第二输出端位于马赫曾德尔干涉仪301的第一端面，第二输入端与第一输出端位于马赫曾德尔干涉仪301的第二端面，第一端面与第二端面为相对面，两个输出端与傅里叶变换处理单元302的输入端连接。
38.具体地，如图2所示，环形谐振滤波器2输出的第一路光i
21
从马赫曾德尔干涉仪301的第一输入端输入，第一输出端输出；环形谐振滤波器2输出的第二路光i
22
从马赫曾德尔干涉仪301的第二输入端输入，第二输出端输出；两路光路径相同，方向相反，互不干扰。
39.可选地，如图2所示，傅里叶变换处理单元302包括第一光电检测器和第二光电检测器；马赫曾德尔干涉仪301的第一输出端与第一光电检测器连接，马赫曾德尔干涉仪301的第二输出端与第二光电检测器连接；第一光电检测器和第二光电检测器用于通过傅里叶变换得到光谱信息。
40.具体地，如图2所示，马赫曾德尔干涉仪301输出的第一路光i
31
输入到第一光电检测器中，第一光电检测器得到第一光路i
31
的光谱信息，通过分析和转换第一光路i
31
的光谱信息可得到进行傅里叶变换和滤波前的i
11
的的光谱信息；马赫曾德尔干涉仪301输出的第二路光i
32
输入到第二光电检测器中，第二光电检测器得到第二光路i
32
的光谱信息，通过分析和转换第二光路i
32
的光谱信息可得到进行傅里叶变换和滤波前的i
12
的的光谱信息；进行傅里叶变换和滤波前的i
11
或i
12
的光谱信息均可反应入射光i的光谱信息。
41.实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明利用偏振分离器将入射光分解成相互正交并转换为相同偏振态的两束输出光，实现了傅里叶变换光谱测量系统的偏振无关性，使其能够测量任意偏振光；利用具有高q和高自由光谱范围特性的环形谐振滤波器有效提高了光谱测量的分辨率，并降低了对傅里叶变换光谱测量系统的分辨率的要求；利用环形谐振滤波器和马赫曾德尔干涉仪组合的结构实现了同时对两路光进行高分辨率的光谱测量。
42.如图3所示，本发明实施例还提供了一种基于傅里叶变换光谱测量系统，包括偏振旋转分束器4、单环谐振滤波器5、依靠电光效应调谐两光臂折射率差的马赫-曾德尔干涉仪6、第一端面耦合器7和第二端面耦合器8；偏振旋转分束器4用于将随机偏振态的入射光分解成相互正交并转换为偏振态相同的两路输出光；单环谐振滤波器5用于将偏振旋转分束器4的两路输出光分别进行调谐以滤波；依靠电光效应调谐两光臂折射率差的马赫-曾德尔干涉仪6用于将单环谐振滤波器5滤波后的两路输出光分别进行偏振态调谐，并将调谐后的两路光分别于第一端面耦合器7与第二端面耦合器8输出。
43.具体地，如图3所示，偏振旋转分束器4包括倒锥形模式转换器401、定向耦合器402和1
×
1多模干涉仪403；锥形模式转换器401、定向耦合器402与1
×
1多模干涉仪403依次连
接；其中，定向耦合器402分别有一个输入端与两个输出端，锥形模式转换器401与定向耦合器402的输入端连接，1
×
1多模干涉仪403与定向耦合器402的第二输出端连接。
44.具体地，如图3所示，偏振旋转分束器4将偏振旋转分束器将随机偏振态的输入光分解成两束相互正交的偏振光te0和偏振光tm0；偏振光tm0通过锥形模式转换器401被转化为te1模式，再通过定向耦合器402转化为te0模式，从定向耦合器402的第一输出端输出，为第一路光；偏振光te0从定向耦合器402的第二输出端输出至1
×
1多模干涉仪403，再从1
×
1多模干涉仪403的输出端输出，为第二路光。
45.具体地，如图3所示，单环谐振滤波器5包括上波导501、单环形谐振腔502、下波导503和第一行波电极504；上波导501与单环形谐振腔502耦合，下波导503与单环形谐振腔502耦合，第一行波电极504设置于单环形谐振腔502的非耦合区域，上波导501的两个输入端分别与偏振旋转分束器4的两个输出端连接，下波导503的两个输出端分别与依靠电光效应调谐两光臂折射率差的马赫-曾德尔干涉仪6连接。
46.具体地，如图3所示，定向耦合器402的第一输出端与上波导501的第一输入端连接，1
×
1多模干涉仪403的输出端与上波导501的第二输入端连接。
47.具体地，如图3所示，偏振旋转分束器4输出的第一路光从上波导501的第一输入端输入，耦合进单环形谐振腔502，从下波导503的第一输出端输出；偏振旋转分束器4输出的第二路光从上波导501的第二输入端输入，耦合进单环形谐振腔502，从下波导503的第二输出端输出；两路光路径相同，但互不干扰。
48.具体地，如图3所示，第一行波电极504通过输入电信号的方式，同时调谐两路光被过滤的波长。
49.具体地，如图3所示，本发明实施例中的傅里叶变换光谱测量模块3包括依靠电光效应调谐两光臂折射率差的马赫-曾德尔干涉仪6和傅里叶变换处理单元302。
50.具体地，如图3所示，依靠电光效应调谐两光臂折射率差的马赫-曾德尔干涉仪6包括第一2
×
2多模干涉仪601、第二2
×
2多模干涉仪602、第一光臂603、第二光臂604和第二行波电极605；第一2
×
2多模干涉仪601两个输出端分别通过第一光臂603和第二光臂604与第二2
×
2多模干涉仪602的两个输入端连接；第二行波电极605包括三部分，分别分布在第一光臂603和第二光臂604的两侧。
51.具体地，如图3所示，下波导503的第一输出端与第一2
×
2多模干涉仪601的第二输入端连接，下波导503的第二输出端与第二2
×
2多模干涉仪602的第二输出端连接。
52.具体地，如图3所示，第一2
×
2多模干涉仪601的第二输入端和第二2
×
2多模干涉仪602的第二输出端作为两相反光路的输入端，第一2
×
2多模干涉仪601的第一输入端和第二2
×
2多模干涉仪602的第一输出端作为两相反光路的输出端。
53.具体地，如图3所示，第二行波电极605包括两个地电极g与一个信号电极s，采用g-s-g(地-信号-地)推挽结构；第一光臂603设置在第二行波电极605的第一地电极g与信号电极s之间，第二光臂604设置在信号电极s与第二地电极g之间；通过对第二行波电极605输入电信号来改变第一光臂603和第二光臂604的折射率差，从而改变两光臂内光路的光程差，实现电光调谐。
54.具体地，如图3所示，第一2
×
2多模干涉仪601的第一输入端通过第二端面耦合器8与傅里叶变换处理单元302的第一光电检测器连接；第二2
×
2多模干涉仪602的第一输出端
通过第一端面耦合器7与傅里叶变换处理单元302的第二光电检测器连接。
55.具体地，如图3所示，从第一2
×
2多模干涉仪601第二输入端输入的光，从第二2
×
2多模干涉仪602的第一输出端输出，再通过第一端面耦合器7耦合至傅里叶变换处理单元302的第一光电检测器；从第二2
×
2多模干涉仪602第二输出端输入的光，从第一2
×
2多模干涉仪601的第一输入端输出，再通过第二端面耦合器8耦合至傅里叶变换处理单元302的第二光电检测器；依靠电光效应调谐两光臂折射率差的马赫-曾德尔干涉仪6内的两路光路径相同，方向相反，互不干扰。
56.具体地，如图3所示，第一光电检测器和第二光电检测器分别检测依靠电光效应调谐两光臂折射率差的马赫-曾德尔干涉仪6输出的两路光的干涉输出光强，通过傅里叶变换处理单元302进行傅里叶变换，从而获得两路光的光谱信息。
57.可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
58.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于，包括偏振分离器、环形谐振滤波器和傅里叶变换光谱测量模块；其中，所述偏振分离器，用于将随机偏振态的入射光分解成相互正交且偏振态相同的两路输出光；所述环形谐振滤波器，用于将偏振分离器的两路输出光分别进行调谐以滤波；所述傅里叶变换光谱测量模块，用于将环形谐振滤波器滤波后的两路输出光分别进行偏振态调谐，并分别对偏振态调谐后的两路光进行傅里叶变换处理，得到输入光的光谱信息。2.根据权利要求1所述的傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于，所述偏振分离器包括偏振旋转分束器或二维光栅耦合器。3.根据权利要求1所述的傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于，所述环形谐振滤波器包括上波导、环形谐振腔、下波导和金属电极；所述上波导与所述环形谐振腔耦合，所述下波导与所述环形谐振腔耦合，所述金属电极设置于环形谐振腔的非耦合区域，所述上波导的两个输入端分别与所述偏振分离器的两个输出端连接，所述下波导的两个输出端分别与傅里叶变换光谱测量模块的两个输入端连接。4.根据权利要求3所述的傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于，所述环形谐振腔包括单环形谐振腔、双环形谐振腔或多环形谐振腔中的任意一个。5.根据权利要求3所述的傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于，所述环形谐振滤波器包括电光调谐环形谐振滤波器或热光调谐环形谐振滤波器。6.根据权利要求1所述的傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于，所述傅里叶变换光谱测量模块包括马赫曾德尔干涉仪和傅里叶变换处理单元；所述马赫曾德尔干涉仪的输出端连接所述傅里叶变换处理单元的输入端。7.根据权利要求6所述的傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于，所述马赫曾德尔干涉仪包括两个输入端与两个输出端；第一输入端与第二输出端位于所述马赫曾德尔干涉仪的第一端面，第二输入端与第一输出端位于所述马赫曾德尔干涉仪的第二端面，所述第一端面与所述第二端面为相对面，所述两个输出端与所述傅里叶变换处理单元的输入端连接。8.根据权利要求6所述的傅里叶变换光谱测量系统，其特征在于，所述傅里叶变换处理单元包括第一光电检测器和第二光电检测器；所述马赫曾德尔干涉仪的第一输出端与所述第一光电检测器连接，所述马赫曾德尔干涉仪的第二输出端与所述第二光电检测器连接；所述第一光电检测器和所述第二光电检测器用于通过傅里叶变换得到光谱信息。

技术总结
本发明公开了一种傅里叶变换光谱测量系统，包括偏振分离器、环形谐振滤波器和傅里叶变换光谱测量模块；其中，偏振分离器，用于将随机偏振态的入射光分解成相互正交且偏振态相同的两路输出光；环形谐振滤波器，用于将偏振分离器的两路输出光分别进行调谐以滤波；傅里叶变换光谱测量模块，用于将环形谐振滤波器滤波后的两路输出光分别进行偏振态调谐，并分别对偏振态调谐后的两路光进行傅里叶变换处理，得到输入光的光谱信息。本发明实施例实现了傅里叶变换光谱测量系统的偏振无关性，有效提高了光谱测量的分辨率，还实现了同时对两路光进行高分辨率的光谱测量，可广泛运用于测量技术领域。领域。领域。


技术研发人员：蔡鑫伦 梁唯
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/9/14