用于芯片光譜儀的多模光纖與氮氧化硅光波導的耦合研究.pdf

1、在環(huán)境監(jiān)測，食品安全，化學、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)和日常生活中，如何便捷地檢測出目標物的化學成分成為了一個迫切的需求。傳統(tǒng)的化學檢測方法往往需要專業(yè)的檢測人員在實驗室進行，并且一種化學分子對應一種專門的檢測方法，同時對多種混合物質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鑒別出多種化學分子，檢測時間僅需要幾秒鐘，而且操作簡單，只需要將探頭對準被

2、測物即可，這為化學檢測走出實驗室提供了極大的便利。
　　拉曼光譜儀推廣應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格也比一輛家用轎車高。其原因是光學元件的制造和裝配成本難以降低。隨著集成光學的發(fā)展，透鏡、光柵等光學元件的功能可以用光波導組成的元件替代，芯片光譜儀成為可能。實現(xiàn)拉曼芯片光譜儀的一個關鍵技術瓶頸是多模光纖與光波導的耦合。由于拉曼信號是激光照射到目標物表面后的散射光，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的芯層尺寸只有幾微米，尺寸的失配使多模光纖到光波導的耦合效率很低。為解決這一問題，現(xiàn)有技術中有兩種途徑: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。但是光纖的拉錐技術成本高且難以獲得10微米以下的出射光斑，而縱向耦合技術一般波長范圍只有幾十納米，難以滿足光譜儀的需求。
　　本文分別對上述兩種耦合技術在芯片光譜儀上的應用做了探索，包括兩方面的研究內容。首先通過硅的各向

4、異性腐蝕，制作多模光纖的固定對準結構，創(chuàng)新之處在于在前端制作錐形結構并灌注光學膠，降低光纖的出射角。另外研究了傾斜陣列波導結構的制造技術，在氮氧化硅光波導上面通過傾斜波導陣列將垂直耦合的多模光轉化成單模信號，并耦合進波導中。
　　第一章討論了與芯片光譜儀和多模光纖/波導耦合技術相關的研究成果和理論背景;第二章闡述了端面固定對準結構的設計和制造過程。為降低對準的難度，設計了上、下兩片的結構和相應的對準標志，當兩片對準粘合后形成光纖的

5、插孔，插孔的中心與兩個硅片的交界面對齊，芯片光譜儀芯片通過對位標記面朝下對準安裝在較大的硅片上，使光纖插入插孔后自動對準輸入波導。
　　第三章討論了縱向耦合結構，該設計的創(chuàng)新點是通過傾斜波導陣列將多模光信號轉換成單模信號陣列，然后耦合進氮氧化硅波導中。通過激光直寫制作了間隙小于2微米的模板，機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合，通過硅的各向異性腐蝕，將波導下的襯底硅去除，并蒸鍍反射金屬膜，獲得了最終的器件結構。
　　第四章對獲得的兩種結構的耦合特性進行了光學測試。為比較性能起見，首先搭建了芯片光譜儀的測試系統(tǒng)，通過三軸壓電微位移平臺實現(xiàn)了輸出波導的自動測試，為觀察和調整縱向耦合，設計制作了斜場顯微鏡和傾斜角測試系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了耦合特性的測試。
　　綜上所述，針對芯片光譜儀開發(fā)中遇到的多模光纖與氮氧化硅波導的耦合問題。本文研究了

7、端面耦合和縱向耦合兩種耦合技術，其中端面耦合的創(chuàng)新點在于在光纖通道的前端制造了錐形光學膠結構，降低了出射光的發(fā)散角，得到的耦合器制造工藝簡單，對準容差高，即使插入非拉錐光纖依然能達到拉錐光纖的效果，在未來光譜儀集成中將大大降低制造成本。縱向耦合技術的特點是采用傾斜聚合物波導陣列將多模信號轉換成成束的單模信號，并縱向耦合進光波導中。本文開發(fā)了這兩種結構的工藝，成功獲得了與芯片光譜儀集成的耦合結構。另外，作者搭建了芯片光譜儀的測試平臺，完成