基于刻蝕衍射光柵的芯片光譜儀研究.pdf

1、芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip)是近年來(lái)國(guó)際科學(xué)界的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。其研究目標(biāo)是在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)生化實(shí)驗(yàn)室中由復(fù)雜貴重的設(shè)備所完成的對(duì)各種樣品的分析檢測(cè)功能，以實(shí)現(xiàn)樣品分析的便攜化，高效化，低成本化。對(duì)樣品進(jìn)行光譜分析是檢測(cè)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)光柵（包括陣列波導(dǎo)光柵和刻蝕衍射光柵）由于具有

2、插入損耗低，波長(zhǎng)通道間隔小，易于實(shí)現(xiàn)大通道數(shù)目，制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(dǎo)平臺(tái)，對(duì)與CMOS工藝相兼容，工作于硅吸收邊1100nm波長(zhǎng)以下光波段的亞納米高分辨率光譜儀進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制作以及測(cè)試等整個(gè)工程體系的研究。
　　 文章首先介紹了平面集成光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)，包括對(duì)二維平板波導(dǎo)模式進(jìn)行分析的射線理論與電磁波理論，用于波導(dǎo)內(nèi)部或波導(dǎo)之間模式耦合的耦合模理論。此

3、外，介紹了用于精確計(jì)算光在波導(dǎo)中的模場(chǎng)分布和傳播過(guò)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(jì)刻蝕衍射光柵光柵結(jié)構(gòu)的一點(diǎn)法，二點(diǎn)法和三點(diǎn)法，對(duì)光場(chǎng)在光柵中傳播過(guò)程進(jìn)行模擬的標(biāo)量衍射理論以及用于計(jì)算光場(chǎng)耦合效率的重疊積分方法。同時(shí)，詳細(xì)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(duì)光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路和方法。此外，針對(duì)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(jí)次的分立波長(zhǎng)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(kuò)大了光譜分析的范圍，與此同時(shí)依然維持有高分辨率以及不變的輸出波導(dǎo)或者光電探測(cè)器陣列的個(gè)數(shù)。并以植物監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用為例，設(shè)計(jì)了一種工作波長(zhǎng)區(qū)間分別為680nm(-)690nm和735nm(-)745nm，且波長(zhǎng)通道間隔為0.2nm的刻蝕衍射光柵芯片光譜儀。
　　 然后，針對(duì)可見(jiàn)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(xì)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(jiàn)光波段和近紅外波段。對(duì)刻蝕衍射光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，研究?jī)?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(duì)氮氧化硅生長(zhǎng)和氮氧化硅二氧化硅深刻蝕工藝進(jìn)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(kāi)發(fā)出一套芯片光譜儀的測(cè)試裝置。最終研制出擁有121個(gè)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(cè)器陣列的光電子集成芯片光譜儀。研究了MSM光電探測(cè)器的原理以及其與波導(dǎo)進(jìn)行耦合的方法，設(shè)計(jì)優(yōu)化了MSM探測(cè)器陣列的參數(shù)，開(kāi)發(fā)出一整套有源