光栅耦合器的自动对光耦合系统设计
近年来，环境污染、食品安全、新冠肺炎病毒等问题严重影响着人民的生活。市场急需开发出高效率、低成本的生物传感器。目前国内研制出了一款基于SOI的片上微环谐振器光学传感器，其具有高灵敏度、高集成度、低成本等特点。此款产品在进行片上实验时，需要将1550nm波段的红外光打入芯片的光栅来进行功率变化的探测。集成光学传感芯片的光栅面积一般为微米量级的，且在一个传感芯片上，通常具有很多这样的光栅来形成阵列，因此不仅要对光，还要使得光源可以在光栅之间进行快速切换扫描。目前实验室中对于光学传感芯片的光栅对光都是将激光通入单模光纤阵列中，再在显微镜下将单模光纤阵列的出光口对准光栅的入光口，然后用紫外固化胶将两者粘连起来。这种实验室中的对光操作极为复杂，不仅需要专业的操作人员，还需要大量的操作步骤，花费大量时间。此外光源如果需要在不同光栅之间切换，还需要将光源手动加载到不同的光纤上，在冗长复杂的实验下操作极为繁琐，也因此这种集成光学传感芯片一直难以走出实验室，进入大众视野。 基于以上的问题，本课题提出一种集成光学传感芯片的空间光自动对光耦合系统，由嵌入式Linux程序控制扫描反射镜，再由聚焦系统将光源汇聚在芯片光栅上，同时通过扫描镜的转动可以完成在多光栅之间的快速切换。该系统大大简化了对光的操作难度，使本来需要人为对准光栅的操作，现在也可以通过程序和探测器来自动扫描对准。同时也使得整个对光仪器体积缩小，可以更好地应用于更多的场合，而不是仅限于实验室使用。 本课题分别设计了对于芯片光栅耦合器相对应的光纤阵列的多路耦合平台和对芯片上2种不同光栅对光的光学平台，并且对其进行了实验。实验测得对于光纤阵列对光中的单模光纤平均插损为16.72dB，多模光纤的平均插损为2.31dB。针对光纤阵列的耦合对光，还进行了衍生的设计应用，通过使用此对光系统，就可以在仅使用一台功率计的情况下，在短时间内快速测试波分复用器各通道的光谱曲线。接着对光栅耦合器进行了耦合实验，测得用矩形光栅耦合时，插入损耗大于使用光纤阵列耦合芯片的插入损耗15.242dB，使用扇形光栅耦合芯片的损耗大于光纤阵列耦合芯片的插入损耗8.923dB，且在光栅之间得到切换速度约为1.2mS。虽然这种空间光的耦合损耗相比较光纤阵列耦合芯片的损耗有所增大，但是却大大提高了芯片的使用效率，缩短了对光所用时间。且在仅使用一个光源的情况下，就可以在芯片的光栅之间完成快速切换。这套空间光对光系统拥有很大的发展前景，也为微环谐振光学传感器步入市场开拓了新的道路。
光学传感器;集成光学芯片;自动对光耦合系统;插入损耗
长春理工大学
硕士
光学工程
李明宇
2022
中文
TP212.14
2023-02-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）