基于刻蝕衍射光柵的芯片光譜儀研究.pdf

1、芯片實驗室(lab-on-a-chip)是近年來國際科學界的一個熱點研究方向。其研究目標是在一個芯片上實現(xiàn)傳統(tǒng)生化實驗室中由復(fù)雜貴重的設(shè)備所完成的對各種樣品的分析檢測功能，以實現(xiàn)樣品分析的便攜化，高效化，低成本化。對樣品進行光譜分析是檢測樣品組分和濃度的重要方法，因此，將光譜儀芯片化是芯片實驗室研究的重要內(nèi)容。芯片光譜儀的結(jié)構(gòu)選擇多種多樣，其中，隨著波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展而逐漸成熟的平面集成波導光柵（包括陣列波導光柵和刻蝕衍射光柵）由于具有

2、插入損耗低，波長通道間隔小，易于實現(xiàn)大通道數(shù)目，制作成本低等優(yōu)點，成為了一種極具潛力的光譜分析結(jié)構(gòu)。本文中，我們利用刻蝕衍射光柵，基于氮氧化硅波導平臺，對與CMOS工藝相兼容，工作于硅吸收邊1100nm波長以下光波段的亞納米高分辨率光譜儀進行了設(shè)計、制作以及測試等整個工程體系的研究。
　　 文章首先介紹了平面集成光波導的理論基礎(chǔ)，包括對二維平板波導模式進行分析的射線理論與電磁波理論，用于波導內(nèi)部或波導之間模式耦合的耦合模理論。此

3、外，介紹了用于精確計算光在波導中的模場分布和傳播過程的數(shù)值仿真方法，包括有限差分法，有限元法和束傳播方法、
　　 接著，文章介紹了用于設(shè)計刻蝕衍射光柵光柵結(jié)構(gòu)的一點法，二點法和三點法，對光場在光柵中傳播過程進行模擬的標量衍射理論以及用于計算光場耦合效率的重疊積分方法。同時，詳細討論了光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)與光譜儀性能參數(shù)之間的關(guān)系，提供了對光柵結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計的思路和方法。此外，針對常用刻蝕衍射光柵基光譜儀要取得大光譜分析范圍的困難，提出

4、了一種利用光柵的頻譜周期性，工作于跨衍射級次的分立波長區(qū)間高分辨率芯片光譜儀，使得刻蝕衍射光柵在保持自由光譜范圍不變的情況下，擴大了光譜分析的范圍，與此同時依然維持有高分辨率以及不變的輸出波導或者光電探測器陣列的個數(shù)。并以植物監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用為例，設(shè)計了一種工作波長區(qū)間分別為680nm(-)690nm和735nm(-)745nm，且波長通道間隔為0.2nm的刻蝕衍射光柵芯片光譜儀。
　　 然后，針對可見光波段光譜分析的需求，文章采

5、用氮氧化硅材料，基于刻蝕衍射光柵，詳細研究了工作于小于硅材料吸收帶1100nm波段的小尺寸高分辨率芯片光譜儀。將高折射率差刻蝕衍射光柵芯片光譜儀的研究視野從SOI材料轉(zhuǎn)到了氮氧化硅材料，從常用紅外通信波段，轉(zhuǎn)到了可見光波段和近紅外波段。對刻蝕衍射光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計進行了仿真和優(yōu)化，研究優(yōu)化出一套完整的氮氧化硅基芯片光譜儀制作工藝流程，特別是對氮氧化硅生長和氮氧化硅二氧化硅深刻蝕工藝進行了研究和優(yōu)化創(chuàng)新，提出了雙掩膜深刻蝕氮氧化硅二氧化硅

6、的方法，提高了刻蝕的垂直度和光滑度。此外，還開發(fā)出一套芯片光譜儀的測試裝置。最終研制出擁有121個通道，工作于從830nm到855nm，通道間隔為0.25nm的芯片光譜儀。
　　 緊接著，在氮氧化硅基刻蝕衍射光柵芯片光譜儀的基礎(chǔ)上，提出了一種利用SOI基底，在刻蝕衍射光柵輸出面直接集成MSM探測器陣列的光電子集成芯片光譜儀。研究了MSM光電探測器的原理以及其與波導進行耦合的方法，設(shè)計優(yōu)化了MSM探測器陣列的參數(shù)，開發(fā)出一整套有源