專利名稱：光譜分析儀及其g-t諧振腔陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜分析 儀領(lǐng)域技術(shù)，尤其是指一種超寬帶波長(zhǎng)范圍超高分辨率的光譜分析儀及其G-T諧振腔陣列的制作方法。
背景技術(shù)：
不同的掃描光譜范圍和分辨本領(lǐng)的光譜分析儀幾乎可以應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域。軍事系統(tǒng)的導(dǎo)彈巡航，商用的密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸誤碼率與光信號(hào)波長(zhǎng)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。在科學(xué)儀器如激光器和那些工作波長(zhǎng)敏感的傳感器的生產(chǎn)中很多時(shí)候需要對(duì)其工作波長(zhǎng)進(jìn)行定標(biāo)。而其中最關(guān)鍵的是有一個(gè)小型的、易搬移的、低成本、低功耗、和高分辨率的光譜分析儀。目前市場(chǎng)上最常見的光譜分析儀是基于光柵結(jié)構(gòu)的自由空間頻譜儀或法布里-波羅干涉型的光譜分析儀。這兩種光譜分析儀的主要特點(diǎn)是，體積大而不易于大批量生產(chǎn)，Agilent Technology和Thorlab等公司的產(chǎn)品說明書都明確說明這點(diǎn)。而且,這些產(chǎn)品中都有一個(gè)需要機(jī)械移動(dòng)的光柵和轉(zhuǎn)鏡，這樣就使得整個(gè)光譜分析儀的掃描時(shí)間變得冗長(zhǎng)，同時(shí)需要多次的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和再定標(biāo)。這些缺點(diǎn)是導(dǎo)致目前市場(chǎng)上常見的光譜分析儀沒有方法進(jìn)一步小型化和降低成本的無法克服的技術(shù)瓶頸。近年來，人們利用陣列波導(dǎo)光柵來解決實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)問題。但是其一維結(jié)構(gòu)的性質(zhì)導(dǎo)致了這樣的光譜分析儀只能工作在極短的波長(zhǎng)范圍以內(nèi)。而且因?yàn)槠湎噜弮蓚€(gè)信道的相位色散本領(lǐng)^是與其光學(xué)路徑成正比的，陣列波導(dǎo)光柵的分辨本領(lǐng)很有限。如果需要大的光譜分辨本領(lǐng)，其光學(xué)路徑就必須很長(zhǎng)，從而不利于整個(gè)系統(tǒng)的小型化，文獻(xiàn)(IEEEPhoton. Tech. Lett.，17, pp. 432-434，2005)對(duì)此有詳細(xì)的描述。如果能夠有一種新型的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以解決上面所述的所有問題和缺點(diǎn)，將對(duì)科學(xué)研究，軍事和日常工業(yè)生產(chǎn)和生活具有深遠(yuǎn)的影響，其市場(chǎng)前景將是無可限量的。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在之缺失，其主要目的是提供一種光譜分析儀，其可以在兩個(gè)維度上掃描CCD型探測(cè)器，大大拓寬了光譜分析儀的測(cè)量范圍和分辨率，增加了其掃描速度，并且光譜分析儀制作尺寸可以大大地縮小，有效地減少了其制作成本，有利于批量生產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下之技術(shù)方案一種光譜分析儀，包括一個(gè)二維的G-T諧振腔陣列和與之對(duì)應(yīng)的二維CXD型探測(cè)器，該G-T諧振腔陣列前端反射率梯度變化，后端固定高反射率，調(diào)整G-T諧振腔陣列和CCD型探測(cè)器之間的相對(duì)位置，使得二維的G-T諧振腔陣列的第一級(jí)衍射圖樣成像在CCD型探測(cè)器中，最后由CCD型探測(cè)器讀出信號(hào)光的波長(zhǎng)與強(qiáng)度。一種二維的G-T諧振腔陣列的制作方法，該方法包括如下的制作步驟(I)選用兩面拋光的半導(dǎo)體或者電介質(zhì)作為集成光子器件襯底；
(2)在集成光子器件襯底正面沉積上寬帶的抗反射膜；(3)在抗反射膜上面利用灰度掩模曝光，加上干法刻蝕的方法來加工出反射率隨著位置變化的抗反射膜；(4)在集成光子器件襯底的背面沉積寬帶的高反射膜；(5)將集成光子器件襯底和支撐襯底的鍵合在一起；(6)在抗反射膜上定義出G-T 二維相調(diào)制諧振腔；(7)利用干法刻蝕的方法腐蝕出二維諧振腔陣列。作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(I)中的集成光子器件襯底為沒有本征光吸收的硅、砷化鎵、磷化銦、石英、氧化鋅、氮化鎵或碳化硅。
作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(2 )中的抗反射膜是單層介質(zhì)膜或者是多層介質(zhì)膜。作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(3)中的灰度掩模曝光制作方法是利用不同位置不同的曝光量對(duì)光刻膠掩模進(jìn)行曝光，經(jīng)過顯影后得到不同的位置有不同的光刻膠坡度，經(jīng)過干法刻蝕方法將光刻膠的坡度轉(zhuǎn)移給介質(zhì)膜使得介質(zhì)膜的厚道隨著位置變化。作為一種優(yōu)選方案，所述干法刻蝕方法為反應(yīng)離子腐蝕法、電感耦合離子體耦合法或者深反應(yīng)離子刻蝕法。作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(4)中的高反射膜是多層介質(zhì)膜或是金屬，該高反射膜為一種反射率恒定、波動(dòng)幅度不大于百分之一的反射膜。作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(5)中的鍵合是直接鍵合或者是利用粘合劑輔助的鍵合。作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(6)中定義出二維諧振腔是利用光刻的方法或是電子束曝光的方法。作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(7)中的干法刻蝕的方法是反應(yīng)離子腐蝕或是電感耦合等離子體腐蝕。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，具體而言，由上述技術(shù)方案可知，在二維CXD型探測(cè)器的相對(duì)位置上利用一種前端反射率連續(xù)變化的二維G-T諧振腔陣列，從而可以在兩個(gè)維度上掃描CCD型探測(cè)器，大大拓寬了光譜分析儀的測(cè)量范圍和分辨率，使光譜分析儀的分辨率高，工作波長(zhǎng)范圍寬，解決傳統(tǒng)利用光柵結(jié)構(gòu)的自由空間頻譜儀或法布里-波羅干涉型光譜儀掃描速度慢，需要多次的再對(duì)準(zhǔn)和再定標(biāo)，不能同時(shí)滿足大波長(zhǎng)范圍和高分辨率的要求的問題。并且CCD型探測(cè)器及G-T諧振腔陣列的配合結(jié)構(gòu)避免傳統(tǒng)光譜分析儀中的運(yùn)動(dòng)部分，從而在光譜分析儀工作過程中不必進(jìn)行多次的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和再定標(biāo)。一方面增加了其掃描速度，機(jī)械穩(wěn)定性好，另一方面大大地縮小了整個(gè)光譜分析儀的尺寸，使光譜分析儀體積小，有效地減少了其制作成本，有利于批量生產(chǎn)。為更清楚地闡述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功效，下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明


圖I是本發(fā)明之實(shí)施例中MXM像素G-T諧振腔陣列的原理示意2是本發(fā)明之實(shí)施例中衍射光斑在CXD型探測(cè)器成像的示意圖3是本發(fā)明之實(shí)施例中衍射光斑在CCD型探測(cè)器上做二維掃描示意圖；圖4是本發(fā)明之實(shí)施例中集成光子器件襯底正面淀積一層寬帶的抗反射膜(低反射膜)的示意圖；圖5是本發(fā)明之實(shí)施例中經(jīng)過加工后的灰度反射率的示意圖；圖6是本發(fā)明之實(shí)施例中加上背面高反射膜淀積的器件襯底的示意圖；圖7是本發(fā)明之實(shí)施例中集成光子器件襯底和支撐襯底鍵合后的示意圖；圖8是本發(fā)明之實(shí)施例中干法腐蝕過后的諧振腔陣列示意圖。附圖標(biāo)識(shí)說明 10、G-T諧振腔陣列11、集成光子器件襯底12、抗反射膜13、高反射膜14、支撐襯底20、CCD型探測(cè)器
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參照?qǐng)DI至圖3所示，其顯示出了本發(fā)明之較佳實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)，該超寬帶寬、超高分辨率的光譜分析儀包括一個(gè)二維的Gires-Tournois相調(diào)制諧振腔陣列(以下簡(jiǎn)稱G-T諧振腔陣列10)和與之對(duì)應(yīng)的二維電荷耦合器件型探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱CCD型探測(cè)器20)。通過調(diào)整G-T諧振腔陣列10和CXD型探測(cè)器20之間的相對(duì)位置，使得二維的G-T諧振腔陣列10的第一級(jí)衍射圖樣成像在CCD型探測(cè)器20中，最后由CCD型探測(cè)器20讀出信號(hào)光的波長(zhǎng)與強(qiáng)度。所以整個(gè)集成光子器件的波長(zhǎng)范圍和分辨本領(lǐng)由G-T諧振腔陣列10與CCD型探測(cè)器20共同決定。 其中，該G-T諧振腔陣列10分為前后兩部分，其前端反射率梯度變化，后端為固定的高反射率。通過前端部分反射率線性變化的結(jié)構(gòu)特性，該G-T諧振腔陣列10之微分色散本領(lǐng)可以大大的擴(kuò)展，如果再加上一個(gè)維度，其光譜范圍還可以幾倍的增加。圖I、圖2顯示了前端部分反射率連續(xù)變化的G-T諧振腔陣列10的原理圖，假設(shè)G-T諧振腔陣列10的腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，折射率是n，其周期為d，橫向的諧振器個(gè)數(shù)(像素)M，縱向諧振器個(gè)數(shù)(像素)N。在入附近各個(gè)諧振器的自由光譜范圍(FSR) = λ 2/2nL。對(duì)于整個(gè)二維G-T諧振腔陣列10來說，相鄰的行(或者列)之間的波長(zhǎng)差距就是一個(gè)自由波長(zhǎng)范圍。同時(shí)，對(duì)于每一個(gè)列或者行來說，又是一個(gè)獨(dú)立的多縫衍射光柵，第m級(jí)衍射光譜的分辨本領(lǐng)為δ λ = λ/πΜ皮米。這樣，這個(gè)G-T諧振腔陣列10在理論上就可以分辨出的A2/2mMnL波長(zhǎng)差距。同時(shí)其波長(zhǎng)范圍可以覆蓋到U2/2mMnL)MN=NX2/2mnL。根據(jù)這個(gè)原理，用戶可以根據(jù)自己所需要的分辨率和波長(zhǎng)范圍來選擇腔長(zhǎng)和陣列像數(shù)。最后利用透鏡的聚焦原理把不同的衍射光斑成像在CXD型探測(cè)器20上，如圖3所示。因此，在首次使用光譜分析儀之前，必須利用CXD型探測(cè)器20對(duì)G-T諧振腔陣列10進(jìn)行定標(biāo)。圖2是衍射光斑在CCD陣列上的掃描示意圖。對(duì)于二維G-T諧振腔陣列10來說，其主要的制作步驟為I、如圖4所示，在兩面拋光的集成光子器件襯底11的正面淀積上寬帶的抗反射膜12 (低反射膜)，其中該集成光子器件襯底11的材料根據(jù)集成光子器件的要求可以是各類半導(dǎo)體襯底，如硅，砷化鎵，磷化銦，碳化硅等，也可以是各類電介質(zhì)材料，如石英，紅寶石，藍(lán)寶石等，其基本要求是集成光子器件襯底11的材料在集成光子器件工作的波長(zhǎng)范圍內(nèi)沒有本征吸收。而所述抗反射膜12可以是單層介質(zhì)層，也可以是多層介質(zhì)層，或是其它光學(xué)結(jié)構(gòu)，其基本要求是滿足在集成光子器件工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射率恒定；2、如圖5所示，在抗反射膜12上面利用灰度曝光，加上干法刻蝕的方法來加工出與位置相關(guān)的抗反射膜12 ;其中，所述的干法刻蝕可以是反應(yīng)離子刻蝕法，也可以是電感耦合等離子體耦合法，或者是深反應(yīng)離子刻蝕法。3、如圖6所示，在襯底的背面鍍上寬帶的高反射膜13 ;其中，所述的高反射膜13可以是金屬，也可以是多層介質(zhì)膜，其基本要求是在集成光子器件工作范圍內(nèi)具有高的恒定的反射率，反射率波動(dòng)幅度不大于百分之4、如圖7所示，利用鍵合的方法將襯底與支撐襯底14粘合在一起；其中，所述的鍵合方法可以是直接鍵合的方法，也可以是由粘合劑粘合的鍵合方法。5、在集成光子器件襯底11的正面(抗反射膜12的一面)上利用光刻的方法定義出G-T諧振腔陣列10的圖形，陣列的個(gè)數(shù)由最終光譜分析儀的帶寬與分辨本領(lǐng)所決定，其 中所述的光刻的方法可以是紫外曝光的光刻方法，也可以是電子書曝光，或者是其他的印刷式光刻方法。6、如圖8所示，利用干法刻蝕的方法，腐蝕出諧振腔陣列，其中，所述的干法刻蝕可以是反應(yīng)離子刻蝕法，也可以是電感耦合等離子體耦合法，或者是深反應(yīng)離子刻蝕法。7、如圖2所示，調(diào)整與固定G-T諧振腔陣列10與CXD型探測(cè)器20之間的位置，該二維G-T諧振腔陣列和二維CCD型探測(cè)器的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)是滿足二維諧振腔陣列的I級(jí)或者-I級(jí)衍射光斑在電荷耦合器件陣列上做二維的掃描，以使G-T諧振腔陣列10的一級(jí)衍射光柵在CXD型探測(cè)器20上聚焦成像。以實(shí)際為基礎(chǔ)，下面將詳細(xì)介紹一種波長(zhǎng)范圍是1100nm-2000nm，分辨率為I. 5皮米的光譜分析儀的設(shè)計(jì)和制作。其設(shè)計(jì)步驟如下因?yàn)楣璨牧显诓ㄩL(zhǎng)大于1100納米的光沒有本征吸收，因此，可以選擇Si材料作為諧振腔材料?？紤]波長(zhǎng)在I. 5微米的情況，如果，G-T諧振腔陣列10的陣列像數(shù)是1000*1000，腔長(zhǎng)是300微米，折射率是3. 5。其自由光譜范圍是λ 2/2nL =I. 52/2X3. 5X300 = I. 07納米。這樣相鄰的兩個(gè)列(或者行)的波長(zhǎng)差距就是I. 07納米。對(duì)于每一個(gè)列(或者行)來說，在第一級(jí)衍射級(jí)的分辨本領(lǐng)是δ λ /M=L 07/1000=1. 07皮米，這樣就滿足分辨率的要求。同樣對(duì)于每一列(或者行)來說，各個(gè)像素諧振器的前端反射率從4%均增加到10%，如圖I所示。其波長(zhǎng)覆蓋范圍是I. 07*1000*1000=1. 07微米。如果取I. 5微米作為中心波長(zhǎng)，則可以工作在I微米到兩微米之間。但是考慮到硅材料的本征吸收，所以只能工作在1100納米到2微米之間。具體工藝步驟為I、在兩面拋光300微米厚的硅襯底的正面淀積上寬帶的抗反射膜12 (低反射膜)；2、在抗反射膜12上面利用灰度曝光，加上干法刻蝕的方法來加工出與位置相關(guān)的抗反射膜12的反射率從4%均勻增加到10% ；3、在襯底的背面鍍上寬帶的高反射膜13，其反射率接近100%。4、利用鍵合的方法將集成光子器件襯底11與支撐襯底14粘合在一起。5、在集成光子器件襯底11的正面(抗反射面)上利用光刻的方法定義出1000*1000像素G-T諧振腔陣列10的圖形，其周期是4微米。6、利用干法刻蝕的方法，腐蝕出300微米的G-T諧振腔陣列10。
7、調(diào)整與固定G-T諧振腔陣列10與CXD型探測(cè)器20之間的位置，以及對(duì)光譜分析儀的定標(biāo)。綜上所述，本發(fā)明的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于，其主要是在二維CXD型探測(cè)器的相對(duì)位置上利用一種前端反射率連續(xù)變化的二維G-T諧振腔陣列，從而可以在兩個(gè)維度上掃描CCD型探測(cè)器，大大拓寬了光譜分析儀的測(cè)量范圍和分辨率，使光譜分析儀的分辨率高，工作波長(zhǎng)范圍寬，解決傳統(tǒng)利用光柵結(jié)構(gòu)的自由空間頻譜儀或法布里-波羅干涉型光譜儀掃描速度慢，需要多次的再對(duì)準(zhǔn)和再定標(biāo)，不能同時(shí)滿足大波長(zhǎng)范圍和高分辨率的要求的問題。 并且CCD型探測(cè)器及G-T諧振腔陣列的配合結(jié)構(gòu)避免傳統(tǒng)光譜分析儀中的運(yùn)動(dòng)部分，從而在光譜分析儀工作過程中不必進(jìn)行多次的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和再定標(biāo)。一方面增加了其掃描速度，機(jī)械穩(wěn)定性好，另一方面大大地縮小了整個(gè)光譜分析儀的尺寸，使光譜分析儀體積小，有效地減少了其制作成本，有利于批量生產(chǎn)。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，故凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍 屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光譜分析儀，其特征在于包括一個(gè)二維的G-T諧振腔陣列和與之對(duì)應(yīng)的二維CCD型探測(cè)器，該G-T諧振腔陣列前端反射率梯度變化，后端固定高反射率，調(diào)整G-T諧振腔陣列和CCD型探測(cè)器之間的相對(duì)位置，使得二維的G-T諧振腔陣列的第一級(jí)衍射圖樣成像在CCD型探測(cè)器中，最后由CCD型探測(cè)器讀出信號(hào)光的波長(zhǎng)與強(qiáng)度。
2.—種二維的G-T諧振腔陣列的制作方法，其特征在于該方法包括如下的制作步驟 (1)選用兩面拋光的半導(dǎo)體或者電介質(zhì)作為集成光子器件襯底； (2)在集成光子器件襯底正面沉積上寬帶的抗反射膜； (3)在抗反射膜上面利用灰度掩模曝光，加上干法刻蝕的方法來加工出反射率隨著位置變化的抗反射膜； (4)在集成光子器件襯底的背面沉積寬帶的高反射膜； (5)將集成光子器件襯底和支撐襯底的鍵合在一起； (6)在抗反射膜上定義出G-T二維相調(diào)制諧振腔； (7)利用干法刻蝕的方法腐蝕出二維諧振腔陣列。
3.根據(jù)權(quán)利2所述的二維的G-T諧振腔陣列的制作方法，其特征在于所述步驟(I)中的集成光子器件襯底為沒有本征光吸收的硅、砷化鎵、磷化銦、石英、氧化鋅、氮化鎵或碳化硅。
4.根據(jù)權(quán)利2所述的二維的G-T諧振腔陣列的制作方法，其特征在于所述步驟(2)中的抗反射膜是單層介質(zhì)膜或者是多層介質(zhì)膜。
5.根據(jù)權(quán)利2所述的二維的G-T諧振腔陣列的制作方法，其特征在于所述步驟(3)中的灰度掩模曝光制作方法是利用不同位置不同的曝光量對(duì)光刻膠掩模進(jìn)行曝光，經(jīng)過顯影后得到不同的位置有不同的光刻膠坡度，經(jīng)過干法刻蝕方法將光刻膠的坡度轉(zhuǎn)移給介質(zhì)膜使得介質(zhì)膜的厚道隨著位置變化。
6.根據(jù)權(quán)利5所述的二維的G-T諧振腔陣列的制作方法，其特征在于所述干法刻蝕方法為反應(yīng)離子腐蝕法、電感耦合離子體耦合法或者深反應(yīng)離子刻蝕法。
7.根據(jù)權(quán)利2所述的二維的G-T諧振腔陣列的制作方法，其特征在于所述步驟(4)中的高反射膜是多層介質(zhì)膜或是金屬，該高反射膜為一種反射率恒定、波動(dòng)幅度不大于百分之一的反射膜。
8.根據(jù)權(quán)利2所述的二維的G-T諧振腔陣列的制作方法，其特征在于所述步驟(5)中的鍵合是直接鍵合或者是利用粘合劑輔助的鍵合。
9.根據(jù)權(quán)利2所述的二維的G-T諧振腔陣列的制作方法，其特征在于所述步驟(6)中定義出二維諧振腔是利用光刻的方法或是電子束曝光的方法。
10.根據(jù)權(quán)利2所述的二維的G-T諧振腔陣列的制作方法，其特征在于所述步驟(7)中的干法刻蝕的方法是反應(yīng)離子腐蝕或是電感耦合等離子體腐蝕。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光譜分析儀，包括一個(gè)二維的G-T諧振腔陣列和與之對(duì)應(yīng)的二維CCD型探測(cè)器，該G-T諧振腔陣列前端反射率梯度變化，后端固定高反射率，調(diào)整G-T諧振腔陣列和CCD型探測(cè)器之間的相對(duì)位置，使得二維的G-T諧振腔陣列的第一級(jí)衍射圖樣成像在CCD型探測(cè)器中，最后由CCD型探測(cè)器讀出信號(hào)光的波長(zhǎng)與強(qiáng)度。這樣就可以在兩個(gè)維度上掃描CCD型探測(cè)器，大大拓寬了光譜分析儀的測(cè)量范圍和分辨率，增加了其掃描速度，并且光譜分析儀制作尺寸可以大大地縮小，有效地減少了其制作成本，有利于批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G02B1/11GK102914503SQ201210362999
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者邱偉彬, 王加賢 申請(qǐng)人:華僑大學(xué)