CN102414545A - 分光光度计 - Google Patents

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Abstract

公开了一种分光光度计，其包括单块半导体基底、一个或多个波长色散装置、以及一个或多个波长探测装置，其中所述单块基底(1)具有波导装置(2)和一个或多个谐振器(3-14)，这些谐振器充当特定光线波长的探测器，且被布置成靠近波导装置，使得针对所述光波长可出现逐渐消失的光耦合。

Description

分光光度计
技术领域
本发明涉及一种识别和量化物质的设备，更具体地，本发明涉及分光光度计，其中在光色散装置和光探测装置之间没有物理的分离。此外，本发明还涉及一种无移动部件的分光光度计。
背景技术
分光光度学是对电磁光谱的研究。分光光度学涉及分光光度计的使用。分光光度计是可根据光的波长测量光的强度的一种光度计——用于测量光强度的设备。这样的分光光度计用在很多领域例如化学、生物学、法庭科学、空间和地球观测、安全以及多种工业中。分光光度计例如在平板显示器或电子照相机中的颜色识别、对静电印刷的颜色控制、环境监测和与颜色/波长识别相关的过程控制中有另外的广泛应用。
分光光度计的最常见的应用是光吸收的测量，但分光光度计可被设计成测量例如材料或设备的漫反射比和透射或发射光谱。分光光度计原则上可以在光的电磁辐射光谱的整个波长范围内操作。但是，大多数分光光度计在电磁光谱的可见光、红外光、近红外光、中红外光或紫外光波长范围内操作。分光光度计的波长区域和范围部分地由该分光光度计被设计成收集的光谱数据、光色散的类型以及所使用的光探测系统确定。这又限制了分光光度计的采集速度、灵敏度和分辨率能力。
传统的分光系统可分为两类：(a)色散系统和(b)干涉(FTIR)系统。在这两种情况下，基本系统由光利用光栅或线性驱动机构被色散(在光谱上或时间上)所使用的装置加上探测元件(通常是基于半导体的光电探测器或光电倍增管)构成。因此这样的系统至少由两个部件组成。实际上，为了使分光光度计有效地运行，这样的系统需要多个额外的光学元件，例如透镜、反射镜、遮光器、狭缝和光学斩波器。历史上，分光光度计使用单色器来分析光谱，但是也有使用诸如CCD阵列的光传感器阵列的分光光度计。例如在GB 0525408.1中示出了这样的系统。由于部件的数量，这样的分光光度计是复杂的。这些系统通常包含使光色射的机械光栅单色器、狭缝、遮光板和冷却式光电探测器、透镜、反射镜和遮光器，为了使分光光度计正确地运行，所有这些部件必须恰当地对准。由于部件的复杂性和大数量，这些系统易于发生故障，有相对慢的采集时间，制造起来昂贵，并且有与杂散光相关的问题，因为被引入光学系统的每个额外的组件均会造成光子的损失，所以降低了信号强度。这一问题在包括光色散和光探测组件(光路)的分光光度计的组件之间有大的空间分离时增大。此外，基于阵列的分光计具有其光学特性是固定的额外的缺点，使得例如不可能如在常规的基于光栅的分光计中可能的那样通过改变狭缝的宽度来增加光谱分辨率或灵敏度。
此外，在严格的应用例如要求分光光度计是便携式的那些应用中，这些系统不是理想的，因为它们很重，尺寸大，且易于由于光路的损坏或未对准、由于应力破坏等而发生故障。这在系统用在太空、航空和其他恶劣的环境中时加剧，因为传统的FTIR和具有机械驱动移动部件的基于光栅的仪器是脆弱的仪器，其不能很好地处理振动应力和发射的应力、太空真空和温度的极限。质量和尺寸是对分配给有效载荷的资源的额外消耗。对可见光区域的CCD阵列当用在分光光度计中时稍微减少对能量资源的压力，但可受到宇宙辐射的影响并易受对准误差的影响。
如果在仪器中的分光光度计有显著更低的成本、更轻的重量、更小的尺寸、严格的和组合的信号处理能力，则很多所关注的额外应用产生。
为了克服这些缺点的一些，本领域开发出了微型化的分光光度测定系统，例如微机电系统(MEMS)，如题为“Structure and method for amicroelectromechanic cylindrical reflective diffraction gratingspectrophotometer”的美国专利US7106441的微机电系统，该专利公开一种具有旋转圆柱形反射衍射光栅的可调谐MEMS分光光度计，该旋转圆柱形反射衍射光栅与光电探测器和罗兰圆上的光纤光源集成在一个单块硅基底上。
其他的例子包括：在US2008198388中公开的分光光度计，US2008198388描述了具有移动扫描反射镜的小型傅立叶变换分光光度计；US2006132764描述了具有耦合到光电探测器的阵列式波导光栅的基于集成光学器件的高分辨率分光光度计；US2004145738描述了具有旋转光栅的MEMS分光光度计；DEl0216047描述了具有内部样本保持腔、光入射口和光出射口的多反射光学单元，其没有可移动的反射镜或其它可移动地连接的光学组件，该单元的反射表面可以采用多个反射镜的相对的抛物面或平行对、圆柱形、圆形或螺旋形布置的形式；以及US6249346描述了一种整体地构造在硅基底上的微型分光光度计。该分光光度计包括凹光栅，凹光栅用于使光波色散并将反射光聚焦在位于硅桥上的光电二极管阵列上。
所有上述分光光度计的方法克服了上面确定的问题，因为它们提供分光光度计的尺寸的减小，然而它们都具有下列缺点：它们具有一个或多个移动部件、在结构上不单一或在其结构上复杂、或者由于微型化而具有差的光色散特性和差的分辨率。因此，这些技术并不能完全解决上面描述的问题，因为它们易于发生故障、有杂散光问题、且通常生产起来昂贵和困难、或由于微型化而有差的光色散特性和差的分辨率。
为了克服这些缺点的一些，开发了其他类型的分光光度计。这些分光光度计包括例如题为“Integrated optics based high resolutionspectrophotometer”的美国申请号US 11/015,482；题为“Spectrophotometerand spectrophotometric processing using Fabry-Perot resonators”的WO2007072428；题为“Multiple-wavelength spectrophotometer andphotodiode arrayed photodetector”的日本专利申请号JP1990128765；题为“variable filter based optical spectrometer”的美国国家专利号6785002；题为“Monolithic spectrophotometer”的美国国家专利号6249346；题为“Chip-scale optical spectrum analyzers with enhanced resolution”的美国国家专利申请号11/206,900。所有上述现有技术利用用于光色散和探测的分离的组件，导致在制造期间的问题和性能的下降。
所有上述分光光度计依然具有分离的单色器和探测光学器件，意味着在微型等级上，它们将缺乏分辨率(由于色散和探测元件之间有限的空间分离)，且难以制造(由于需要精确的对准)，并具有与杂散光的效应相关的问题(因为强光在分光光度计中可被容易地散射)。
也称为微圆盘谐振器或谐振器的、用于在电信中将特定的波长添加到光纤电缆并从光纤电缆移除的圆盘共振器在本领域中是已知的。圆盘谐振器的实例包括：题为“Tuneable optical filter”的美国专利申请号10/323195，其描述了具有谐振器的可调谐滤波器，该谐振器具有依赖于所提供的可变间隙的谐振器频率。尽管该申请描述了光滤波器，它并未用于探测；OpticalExpress，2006，vol 14，no 11，p4703-4712(Lee和Wu)，题为“Tuneablecoupling regimes of silicon micro disk resonators using actuators”的论文。该论文描述了由MEMS致动所控制的硅微圆盘谐振器的可调谐耦合机制。该公开描述了需要MEMS移动部件起作用的可调谐光滤波器，且微圆盘并未用于探测；题为“ultra-high Q micro-resonators and methods of fabrication”的美国专利申请号10/678354，其描述了包括能够有高和超高Q值的微腔和硅基底的微腔共振器。该申请描述了可调谐光滤波器，但是没有设想用于探测或色散的使用的装置；Applied Physics Letters，2002，vol 80，no 19，p3467-3469，题为“Gain trimming of the resonator characteristics in verticallycoupled InP micro disk switches”，其描述了展示单模操作的垂直耦合的微圆盘谐振器/波导开关设备。本发明描述了用在通信应用中的光学开关。谐振器未用于探测。
以上所描述的现有技术均在电信领域中，其中圆盘谐振器被用来引导/转移/添加或移除来自光缆或波导的特定的波长。以上的现有技术没有一个考虑使用用于探测、光谱学的微圆盘谐振器作为单色器或者甚至作为在该波长处的光的强度的探测器。
本发明的公开
技术问题
本领域已经确定分光光度计技术中的几个问题，这些问题在上文被描述。由于部件的数量，这样的分光光度计是复杂的。这些系统通常包含使光色散的机械光栅单色器、狭缝、遮光板、冷却式光电探测器、透镜、反射镜和遮光器，为了使分光光度计正确地运行，所有这些部件必须恰当地对准。由于部件的复杂性和大数量，这些系统易于发生故障，具有慢的采集时间，生产起来昂贵并具有与杂散光关联的问题，因为被引入光学系统中的每个额外的组件均会造成光子的损失，所以降低了信号强度。
此外，基于阵列的分光计具有其光学特性是固定的另外的缺点，使得不可能像在传统的基于光栅的分光计中可能的那样通过改变狭缝的宽度来提高光谱分辨率或灵敏度。通常这些系统很沉，因此不适合于便携式应用。
MEMS系统克服了这些缺点中的一些。然而这些系统具有下列缺点：它们具有一个或多个移动部件、在结构上不单一或在其结构上复杂，或者由于微型化而具有差的光色散特性和差分辨率。因此，这些技术没有完全解决以上所描述的问题，因为它们易于出现故障、具有杂散光问题并且通常生产起来很昂贵和困难，或者由于微型化而具有差的光色散特性和差的分辨率。
为了克服这些缺点，使用了基于芯片的组件。然而，以上所描述的所有分光光度计方法具有单独的单色器和探测光学器件，意味着在微型等级上，它们将缺少分辨率(由于色散和探测元件之间有限的空间分离)、难以制造(由于需要精确的对准)、并具有与杂散光的效应相关的问题(因为强光在分光光度计内可容易地被散射)。
因此，现有技术未解决以上所确定的问题。
技术解决方案
因此本发明的目的是提供解决以上所确定的一个或多个问题的分光光度计。特别地，本发明涉及包括单块半导体基底(1)，一个或多个波长色散装置(3-14)和一个或多个波长探测装置(3-14)的分光光度计，其特征在于，色散装置(3-14)和探测装置(3-14)之间没有物理的分离。
有益效果
有利地，这种分光光度计将具有小的输入光子损失和高信号低噪声比，因此将具有提高的信号强度。
相应地，本发明的实施方式也提供没有物理移动部件的分光光度计。
有利地，这种分光光度计将产生不复杂、维护费用低、没有光栅-探测器对准问题或杂散光问题的系统。这种系统也将产生具有快的采集时间和高分辨率的分光光度计。
在优选的实施方式中，分光光度计包括单块基底，其特征在于该单块基底(1)是具有一个或多个波导装置(2)的以及一个或多个谐振器(3-14)的半导体，其中每个谐振器(3-14)构成波导装置(2)的部分，或者每个谐振器(3-14)被最佳地定位成靠近波导装置(2)。
有利地，没有所描述类型的移动部件的这种类型的分光光度计可被制造成具有以下的特性。
分光光度计可被制造成小尺寸。因此，这种分光光度计可以作为例如移动电话或者能够从远程位置传送来自分光光度计(安装在移动电话的表面上或移动电话内)的信息的其它设备的一部分而找到新的用途，从而允许移动或静态化学传感器的网络的发展。这种小尺寸的传感器也将在重量或尺寸例如在太空应用中不合乎要求的分光光度计中找到用途。例如，在静电印刷中，分光光度计可能是闭环颜色控制系统中的关键组件，其将使得打印机能够在联网环境中产生可再生的彩色图像。在照相机中，分光光度计芯片可被用来代替目前可用的感光芯片，以产生能够探测在整个可见光范围内的光的照相机，而不是仅探测离散范围内的光。
所描述的分光光度计具有低的功率要求。有利地，这种分光光度计将在便携式分光光度计或未连接至干线电源的分光光度计中找到用途。
有利地，由于所有波长的光将同时被读入，这种分光光度计将允许数据的快速采集。因此整个光谱可在几毫秒或更少时间内被读入。
有利地，这种分光光度计将具有极好的光谱特性，因为这种分光光度计将具有低的杂散光，因此产生高分辨率光谱。此外，这种分光光度计可被制造成具有很高的分辨率和很宽的波长覆盖范围。
有利地，这种分光光度计比目前市场上的那些造价更便宜，因为该分光光度计没有移动部件、光栅、MEMS等。
有利地，这种分光光度计没有移动部件。因此，该分光光度计将不会因为移动部件故障而遭受故障。这种分光光度计将比目前市场上的分光光度计更加结实和可靠。
在优选的实施方式中，分光光度计包括单块基底，其特征在于，该单块基底(1)是具有一个或多个波导装置(2)和一个或多个谐振器(3-14)的半导体，其中波导可相对于输入光的入射方向成一角度，其中每个谐振器(3-14)构成波导装置(2)的部分，或者每个谐振器(3-14)被最佳地定位成靠近波导装置(2)，谐振器对于给定的电磁波波长最佳地形成所需尺寸，并被排序使得最小直径的谐振器离进入波导装置的入射光的入射点最近，且最大直径的谐振器离进入波导装置的入射光的入射点最远，基底被划分为三个功能区域，其中第一区域是由p-或n-型掺杂的半导体制造成的基底层(17)，第二活性区域(16)由半导体组成，其中带隙被合并以覆盖分光光度计的波长范围，并具有大于基底折射率的折射率，以及第三光学镀层区域(18)具有低于第二活性区域(16)的折射率，其中第二活性区域(16)位于第一活性区域(17)和第三活性区域(18)之间，第三区域(18)是与第一区域(17)的公共电接触部，且谐振器(3-14)在其表面上具有电接触部(19、20)。
附图说明
现在将参照附图并如附图中的图1-4所示仅作为例子来更加详细地描述本发明的实施方式，其中，
图1是分光光度计的概念。
图2是对应于在图1中A和B所指示的半导体芯片的穿过半导体芯片[1]的两个横截面。
图3是半导体芯片的三维表示，其显示水平地(A)或垂直地(B)与波导(2)耦合的谐振器(3-18)。
图4是典型分光计芯片的外延设计，该分光计芯片在NIR区域中工作并被设计成具有水平对准的谐振器，如图3A中所描述的。
应当注意，附图的某些方面不是按比例的，且为了有助于清楚，某些方面被示范或者被省略。
最佳方式
本发明将参考其最优选的实施方式来举例说明。然而，本发明并不限于所述实施方式。
本发明涉及分光光度计，其中在光色散装置和光探测装置之间没有物理的分离，这种分光光度计没有移动部件。由于以上给出的原因，发明人发现，具有移动部件的一些分光光度计易于发生故障或者不能被微型化，或者制造起来昂贵/困难，或者有其他相关的问题。
因此，本发明的目的是提供没有移动部件的分光光度计。相应地，本发明的实施方式提供包括单块半导体基底(1)、一个或多个波长色散装置(3-14)以及一个或多个波长探测装置(3-14)的分光光度计，其特征在于，在色散装置(3-14)和探测装置(3-14)之间没有物理的分离。可以设想这种分光光度计将没有移动部件。有利地，所描述类型的分光光度计可被制造成具有以下的特性。
分光光度计可被制造成小尺寸。因此，这种分光光度计可以作为例如移动电话或者能够从远程位置传送来自分光光度计(安装在移动电话的表面上或移动电话内)的信息的其它设备的一部分而找到新的用途，从而允许移动或静态化学传感器的网络的发展。这种小尺寸的传感器也将在重量或尺寸不合乎要求的分光光度计中找到用途。例如，在静电印刷中，分光光度计可能是闭环颜色控制系统中的关键组件，其将使得打印机能够在网络环境中产生可再生的彩色图像。在照相机中，分光光度计芯片可被用来代替目前可用的感光芯片，以产生能够探测在整个可见光范围内的光的照相机，而不是仅探测离散范围内的光。
发明方式
以下所描述的分光光度计将具有低的功率要求。有利地，这种分光光度计将在便携式分光光度计、或者未与干线电源连接或在艰难环境例如太空、航天、防卫等中操作的分光光度计中找到用途。
有利地，由于所有波长的光将被同时读入，这种分光光度计将允许数据的快速采集。因此整个光谱可在几毫秒或更少时间内被读入。
有利地，这种分光光度计将具有极好的光谱特性，因为这种分光光度计将具有低的杂散光，因此产生高分辨率光谱。此外，这种分光光度计可被制造成具有很高的分辨率和很宽的波长覆盖范围。
有利地，这种分光光度计比目前市场上的那些造价更便宜，因为该分光光度计没有移动部件、光栅、MEMS等。
有利地，这种分光光度计没有移动部件。因此，该分光光度计将不会因为移动部件故障而遭受故障。这种分光光度计将比目前市场上的分光光度计更加结实和可靠。
可选地，分光光度计的波导可以相对于光的入射方向成一角度以阻止光的背反射。
可选地，分光光度计的波导的宽度可以在大约1微米和大约50微米之间，长度为大约1000微米，且深度为大约1微米至大约20微米。
在优选的实施方式中，每个谐振器在尺寸上对于给定的波长被优化，且每个谐振器可以是圆柱状、杯状、球状、锥状、阶梯形锥状、平板状，或包括一个或多个平面或曲面。在最优选的选项中，每个谐振器的形状为球状、圆柱状或杯状，且每个球体或圆柱体的直径由公式D＝nλ/πμ确定，其中λ为光的自由空间波长，n为共振阶而μ为谐振器的有效折射率。
可选地，波导装置可从谐振器(3-14)形成，谐振器(3-14)被布置成使得谐振器(3-14)以线性方式布置，其中谐振器从小到大布置，使得最小的谐振器被定位在第一位置且最大的谐振器被定位在最后一个位置。在优选的实施方式中，谐振器被排序使得最小直径的谐振器离进入波导装置的入射光的入射点最近，且最大直径的谐振器离进入波导装置的入射光的入射点最远。
可选地，代替或除了谐振器尺寸以外，吸收层的成分分级或掺杂也可被用来为每个谐振器选择特定的波长。可以使用具有相同直径的一组谐振器，且共振通过操纵折射率来改变。例如，对于具有大约1微米直径的谐振器，通过成分/掺杂(有杂质)分级，在10个谐振器之间小于0.02的总折射率步长将产生间隔开1纳米的共振，例如从1500纳米-1510纳米，而不改变谐振器的直径。
可选地，分光计芯片可使用偏压作为调节折射率的手段。因此，芯片测试的一部分可以是确定任何给定谐振器上的偏压是否可被优化以使一个或多个共振移动。这也是改变分光计芯片的分辨率的一种非常好的方式。
在优选的实施方式中，谐振器在第一阶上工作并且仅对分光计中的单一波长做出响应。可选的实施方式设想使用在较高阶上工作的谐振器(因此更大并且更容易被制造成具有足够的容限)。当较大的谐振器被用在较高的阶上时，有可以排除不想要的波长的三种方式：
1.吸收层被选择成具有其自己的固定的光谱吸收带宽，因此它对高于某个限制的波长不响应。
2.在芯片的前面(光输入端)使用薄膜滤波器可以用来抑制不关注的但可能耦合到谐振器中并被谐振器吸收的较短波长。
3.波导本身将吸收低于特定截止波长的波长，因此可以用作滤波器。
谐振器可以相对于波导水平或垂直地放置用于水平或垂直耦合。图3B显示垂直耦合的实施例，其中谐振器跨越两个脊。这种配置在谐振器在高阶工作时特别适合。
分光光度计由基底制造，基底可包括IV、III-V、II-VI、II-IV族半导体或其它半导体，这些半导体上添加有半导体合金。优选地，基底是p-型或n-型掺杂的。
在优选的实施方式中，基底被划分为三个功能区域，其中第一区域是由p-型或n-型掺杂的半导体制造成的基底层(17)，第二活性区域(16)由半导体组成，其中带隙被合并以覆盖分光光度计的波长范围，并具有大于基底折射率的折射率，且第三光学镀层区域(18)具有低于第二活性区域(16)的折射率，其中第二活性区域(16)位于第一活性区域(17)和第三活性区域(18)之间。第三区域(18)是与第一区域(17)的公共电接触部。优选地，电接触部(18)为金电接触部，金合金电接触部或由其它导电材料或其合成物例如银或其合成物制成的电接触部。
优选地，谐振器(3-14)在其表面上具有电接触部(19，20)，这些接触部包括金电接触部、金合金电接触部或包含其它导电材料的电接触部。
可选地，半导体晶片的裂开的表面可以涂有多层涂层以接受或拒绝在特定波长范围上的光。这种涂层是本领域技术人员已知的。
在另一选项中，基底可以包括一个或多个固态遮光器/调制器或光导光学器件。
在更优选的实施方式中，分光光度计包括单块基底，其特征在于，该单块基底(1)是具有一个或多个波导装置(2)和一个或多个谐振器(3-14)的半导体，其中波导相对于输入光的入射方向成一角度，其中每个谐振器(3-14)构成波导装置(2)的部分，或者每个谐振器(3-14)被最佳地定位成靠近波导装置(2)，谐振器对于给定的电磁波波长最佳地形成所需尺寸，并被排序使得最小直径的谐振器离进入波导装置的入射光的入射点最近，且最大直径的谐振器离进入波导装置的入射光的入射点最远，基底被划分为三个功能区域，其中第一区域是由p-或n-型掺杂的半导体制造成的基底层(17)，第二活性区域(16)由半导体组成，其中带隙被合并以覆盖分光光度计的波长范围，并具有大于基底折射率的折射率，且第三光学镀层区域(18)具有低于第二活性区域(16)的折射率，其中第二活性区域(16)位于第一活性区域(17)和第三活性区域(18)之间，第三区域(18)是与第一区域(17)的公共电接触部，且谐振器(3-14)在其表面上具有电接触部(19、20)。
传统的分光镜系统可被分为两类：(a)色散系统和(b)干涉(FTIR)系统。在这两种情况下，基本系统由光利用光栅或线性驱动机构被色散(在光谱上或时间上)所使用的装置加上探测元件(通常是基于半导体的光电探测器或光电倍增管)构成。因此这样的系统至少包括两个部件，光色散装置和光探测装置。实际上，这样的系统需要多个额外的光学元件，例如透镜、反射镜、遮光器、狭缝和光学斩波器，其实例在GB 0525408.1中示出。此外，分光计的输出被连接至信号处理设备如锁定放大器、门积分平均器(box-car averager)、和其他允许输出信号的译码的信号调整电路。此外，分辨率(最小可分辨的波长特征)与单元的物理尺寸成反比，因此对高分辨率来说需要大型仪器。因此，传统的具有高分辨率的分光光度计由于必要而很大，因此很重且体积大。这导致了对分光光度计的使用的限制。此外，这种分光光度计本质上很精密，因此往往本质上不是便携式的。
本申请描述了基于单块半导体芯片的分光计(元件)。该元件可使用标准的半导体制造工艺来制造。该芯片包括光色散系统和光探测系统，其中一个或多个谐振器用作光色散装置和光探测装置。此外，在特定的实施方式中，该芯片可包括遮光器/调制器(固态)和其他光导光学器件。
基本概念在图1中示出。[1]表示一般尺寸200微米宽×1000微米长×100微米厚的半导体芯片。包含半导体芯片的材料可包括IV族半导体、II-IV族半导体、II-VI族半导体或其中下面的III-V族半导体合金中的任何一个：GaAs、GaN、GaP、GaSb、InAs、InN、InP、InSb、AlAs、AlN、AlP和AlSb，材料的选择由分光计芯片的期望波长范围确定。此外，掺杂杂质的包含可被用来对芯片的光和电特性进行微调。[2]表示由对于[1]的材料组成的光波导。波导相对于半导体芯片[1]有意地成一角度以便避免背反射。波导一般是在1和50微米之间宽，1000微米长，和1-20微米深。此外，芯片的端面可被涂覆以接受和/或拒绝在特定波长范围内的入射光。[3-14]为可以是任意数量的圆形谐振器的代表性实例。较大数量的谐振器将提供较宽的波长范围和/或较高的光谱分辨率。典型的实施方式一般在单个芯片上包含10-1000个谐振器。谐振器的尺寸被选择为使得谐振器的直径(D)等于所关注的波长(λ)乘以共振阶(n)再除以π和包括该谐振器的半导体的折射率(μ)(即D＝nλ/πμ)。因此，假定折射率为3的半导体在第一阶上(n＝1)操作，则探测在1.55微米波长处的光需要直径为0.164微米的谐振器。也可制造对n＞1操作的较大的圆盘(例如，对于n＝10，D＝1.64微米)，假定光被预先滤波以移除在微圆盘内形成共振的其他阶。谐振器被排序，直径最小的谐振器离入射光线的入射点最近，如图1所示。共振也可通过折射率μ来控制，该折射率μ可通过改变合金组成和/或通过在谐振器中引入掺杂杂质来改变。
图2示出了穿过半导体芯片[1]的两个横截面，其对应于图1中由A和B所指示的半导体芯片。图2中的[17]表示由对于[1]所列出的材料制成的基底材料，且是n-型或p-型掺杂的。基底一般为大约90微米厚，并用作分光计芯片的模板。在基底的顶部生长有活性区域(一般通过分子束外延或金属有机气相外延)[16]，该区域由按照[1]的半导体构成，但是带隙被设计成覆盖分光计的目标波长范围，且具有大于基底折射率的折射率。半导体的带隙(Eg)被选择成确定谐振器的最大探测波长，其中λ＝hc/Eg，其中h为普朗克常数，而c为真空中的光速，该公式可近似为λ(nm)＝1240/Eg(eV)。在低维结构如量子阱、量子线或量子点的情形中，吸收半导体层的厚度被选择成使得λ(nm)＝1240/(Eg+Ee+Eh)(eV)，其中Ee为电子约束能，且Eh为孔约束能。[18]为上部光学镀层，其包括对于[1]的半导体材料，并被选择为具有比层[16]更大的带隙和更低的折射率。[18]表示设备的下表面共有的电接触部，其一般由金和其合金制成。[19]和[20]示出直接对谐振器的上表面制成的电接触部，其一般由金和其合金制成。谐振器可沿着波导以任何顺序放置。然而，最佳的定位是将直径最小的谐振器放置为离谐振器上的光入口最近，且直径最大的被放置更远。介于第一个和最后一个谐振器之间的谐振器在直径上顺序地增加。
图3A提供特定实施方式的拓扑图，其中谐振器[3-13]和波导[2]通过对在基底顶上生长的半导体结构的蚀刻来限定。电接触部通过蒸发的和/或溅射的导体和接触焊盘来提供，如在[19、20]中的。在这个实施方式中，波导[2]和谐振器[3-13]之间的光学耦合是水平的。图3B示出了可选的实施方式，其中光从波导[2]耦合到谐振器[3-14]中，由此，谐振器通过波导上的蚀刻来限定。电接触部通过蒸发的和/或溅射的导体来提供，其实例被标记为[19]。
图4显示了以在1.5微米左右操作的设备为目标的概念的如图3A所示的特定实施方式的典型的外延结构其。芯片在InP基底上生长，基底[21]被n-型掺杂至1x1018cm-3的浓度且之后被削薄至大约100微米的厚度。在该芯片上，生长有厚度为200纳米的In(0.601)Ga(0.399)As(0.856)P(0.144)层[22]，其具有等于1.3微米的光学带隙，然后是具有100纳米的厚度和1.5微米的光学带隙的In(0.601)Ga(0.399)As(0.856)P(0.144)层[23]。接下来是厚度为200纳米的第二In(0.72)Ga(0.28)As(0.6)P(0.4)层[24]，其具有等于1.3微米的光学带隙，且接下来是被掺杂至2x1018cm-3的浓度的厚度为5微米的p-型InP层[25]。在这个实施方式中，输入光在波导(顶部InP层[25]和底部InP层[21]之间的[2]和[22-24])中被引导，主要穿过1.3微米的In(0.72)Ga(0.28)As(0.6)P(0.4)层[22、24]传播。顶部InP层[25]和In(0.72)Ga(0.28)As(0.6)P(0.4)层被选择性地蚀刻在谐振器区域中，其中In(0.601)Ga(0.399)As(0.856)P(0.144)层构成在1.5微米处及以下提供吸收的吸收层。其他外延结构实施方式是可以被设想且在本领域中是已知的。
操作原理
本发明至少在三个方面不同于现有技术：
1.(a)在光色散装置和光探测装置之间没有物理的分离，
2.(b)使用一系列谐振器使一波长范围内的光色散，以及
3.(c)使用一系列谐振器探测在特定波长处的光的水平。
从所关注的点发出的光进入设备，如图1的箭头所显示的。芯片的入射表面可以被涂覆以拒绝/选择所关注的波长-预滤波器。入射点也可包括电吸收调制器以在任何指定的时间光学地隔离芯片。由于波导[2]和其周围环境之间的折射率差异，光沿着波导传播。光的电场分布(光场分布)一般在分布上是高斯的，在整个芯片上横向并对称地衰减且具有逐渐消失的场尾。如果入射光的特定的波长分量匹配谐振器(在图中为[3-14]，尽管实际上将有多得多的谐振器)之一的共振波长，它将耦合到该谐振器中，而其余光继续沿着波导行进。当光经过每一个谐振器时，具有与谐振器波长相匹配的波长的光的任何分量将耦合到该谐振器中。因此，每个谐振器选择性地耦合入射光的一部分，有效地选择不同的波长。包括谐振器的半导体材料被选择成使得它吸收在特定波长范围内的光。因此，当光进入谐振器中的一个时，它也被吸收，在该谐振器中产生电子-空穴对。当通过电接触部(例如[18]和[19]或者[18]和[20])被连接至外部电路时，这形成与谐振器中存在的光的数量成比例的电路。因此，每个谐振器充当对特定波长敏感的探测器，并且当来自每个探测器的信号被连接至适当的电路时，可产生光的光谱。光谱可被记录的速度仅被谐振器中的电子和空穴逃逸时间限制(一般为几微秒或更短)，允许以一般高达每秒100万的速度获得光谱。
工业实用性
所公开的半导体芯片提供具有低质量和低功率要求、抗宇宙射线、热稳定、抗振动、氧原子免疫、太空真空兼容且没有移动部件的分光光度计，芯片将不需要维护。因此，这个分光光度计在整个环境、保健(包括用于保健/医疗设备的“可佩戴”的监测系统)、工业和安全市场上理想地适用于对地球观察(例如气候和大气监测)和太空观察的超光谱成像、安全监测和监视、化学分析、远程感测以及成像应用。可以利用分光光度计芯片的线性阵列从太空中执行使用这种分光光度计的超光谱成像，因为每个芯片可提供宽带光谱信息。目前利用CCD探测器的方法具有典型的大约7秒的积分时间，允许大约50米的地面像素尺寸。在传统的成像系统中，使用2D硅CCD阵列，一维提供空间信息，而另一维提供光谱信息。更快的采集时间提供了增强地球上的特殊分辨率窗口(地面像素尺寸)的潜力。在我们的概念中，分光光度计的线性阵列既提供光谱信息，又提供特殊信息。在要求高分辨率的应用中，每个谐振器将被用于以特定的波长为目标。该方法的分辨率与谐振器尺寸关联，对此，我们预期能够使用当前的技术来实现大约1纳米的分辨率。对于速度远比分辨率重要的应用，多个微圆盘(谐振器)可耦合在一起以覆盖具有更快的数据采集的更宽的波长区域，或者来自特定谐振器的数据可能不被探测到，从而减少数据收集时间。因此，分光光度计可以在不工作时被动态调节以优化采集时间或分辨率。例如分光光度计设置可以从在1纳米的分辨率(1000个数据点)时覆盖1000纳米至2000纳米的光谱范围变化至覆盖相同的范围但具有更低的分辨率，例如，10个谐振器的耦合组一起提供10纳米的分辨率，但是快得多的数据收集速度。这个可以被远程控制并可根据特定应用的要求而重新配置。采集时间受到光产生的电子离开芯片的过渡时间的限制，并被期望小于1毫秒。有利地，这种系统也将不需要使用反射镜和光栅并减少了采集时间，反射镜和光栅在太空中由于宇宙辐射而严重老化。这种系统使用谐振器技术来开发光学上有效的直接带隙半导体合金，如第III-V族中的那些。
因此，产生单块解决方案是非常有吸引力的，该解决方案以不同的波长窗口为目标，每个窗口可被配置成具有动态可变的分辨率。这提供对工作中的选择性的灵活性，以满足小地面像素尺寸或高光谱分辨率的要求。
例如，这种分光光度计也可例如用在用传感器(分光光度计芯片)代替当前可用的彩色传感器来拍摄真彩色图像的数码相机装置中。此外，分光光度计芯片可用来确保电视的真彩色校准(测量光谱辐照度和勒克斯(lux)水平)。有利地，这种分光光度计可具有粗分辨率性质并被用来定义分辨率为大约5纳米的可见光感知。
本发明是传统成像技术的备用方案，传统技术基于具有滤波器窗口的探测器的使用以提供在宽的波长范围内(具有所导致的低分辨率)的基本的波长选择性，或者基于使用FTIR或基于光栅的仪器的光谱方法。后者是复杂系统，一些系统具有高维护机械移动部件和慢的数据采集，所有系统都有杂散光问题和大量的离散光学组件。被引入光学系统中的每个额外的组件都造成光子的损失，因此降低信号强度。因此，谐振器提供波长色散和探测能力的单块系统的发展将提供提高的信号强度，没有移动部件，没有光栅-探测器对准或杂散光问题，以及具有快的采集时间和高的分辨率。
可以设想，这种分光光度计将具有大约1纳米的分辨率和大约1毫秒的快的采集时间，并可在整个可见光至红外光谱范围内发展，具有大约1000纳米的带宽。
本发明涉及可调谐宽带单块半导体分光光度计芯片，其在固态光学电路内集成波长色散和探测能力。波长色散和探测发生，而不需要移动或空间上分离的部件，并且由于每个部件都嵌在单个坚固的芯片上，杂散光被最少化，同时光强度被最大化。
本发明可在整个大的波长带宽中工作。所使用的带宽将部分地依赖于所使用的半导体的组成。然而，优选地，分光光度计被设计成在从400纳米至2000纳米的vis-NIR带宽内工作，并允许在该带宽内波长范围/分辨率的灵活性。对于在近红外区域(900纳米至1700纳米)内的分光光度计的设计，优选地使用基于第III-V族化合物半导体的合金，因为III-V族半导体合金的光学特性是众所周知的。
尽管该方法可以和硅一起使用，III-V合金在光学上是更加活性的，并覆盖大的波长范围。典型的材料包括用于短波长光谱的AlInGaN合金，用于可见光范围的AlGaInAsP合金，以及用于近红外光和中红外光的InGaAsP、InGaAsN和InGaAlAsSb合金。芯片的波长范围因此可通过合理使用不同的半导体合金来调整。此外，将杂质例如Zn、C和Te引入合金中可提供对芯片及其组件的光学和电子特性的微调。
核心半导体设计
分光光度计芯片几乎是完全基于半导体的，其中半导体合金构成用于入射光的波导和光被探测的谐振器。波导由大块半导体材料构成，其中合金被设计成使得其带隙大于所关注的最高能量(最短波长)光子的能量。谐振器由半导体多层构成，整体或量子阱活性区域形成核心吸收区域，使得该活性区域的光学间隙大于或等于最小能量(最大波长)光子。因此，考虑到材料的电、光和热特性，半导体合金的确切组成和掺杂针对特定的目标波长范围来确定。
波导和谐振器结构
波导可由倾斜的肋状波导构成。这是用来防止来自分光光度计芯片的端面的背反射。波导的高度和宽度被优化，以允许进入分光光度计的光的最大通过量。如图1至图3所示，圆柱形谐振器将与波导紧密耦合以允许光逐渐泄露进每个谐振器中。由于每个谐振器以特定的波长为目的，直径、厚度和相对于波导的间隔被优化以最大化光耦合效率并最小化杂散光。作为一般的设计规则，谐振器直径(D)将被设计成使得D＝(波长×m/Pi×n)，其中n为半导体的有效折射率，而m为谐振器阶数。因此，对于在第二阶操作的、具有典型的3.2的折射率且对1.5微米辐射敏感的谐振器，直径D为300纳米。这恰好在紫外光或电子束光刻技术的能力范围之内。
使用电子束或深紫外光刻，小于20纳米的容限是可行的。在原型测试阶段，设想将使用电子束光刻，因为它是非常通用的，且当前的技术对于在一个晶片上尝试多种设计好得多。在生产阶段，电子束也是可能的，然而，深紫外和全息光刻技术在以这种容限生产大量设备时要快得多。
光学涂层
可选地，分光光度计芯片的前和后表面涂有涂层以允许该分光光度计芯片在更高的阶例如第一、第二或第三、第81阶等工作。这是所期望的特征，因为它允许使用更大的谐振器来操作，因此使得制造更简单。层的精确的组成、厚度和折射率被优化以匹配所关注的波长。涂层将一般由多个介电层对组成，这些介电层对被选择成使得其总的光学厚度在特定的波长范围(通带)上是共振的。可选地，纳米级颗粒涂层可被用来将特定波长的光共振地耦合到芯片中。
电耦合
来自分光计芯片的由光产生的电子形成电流，该电流提供光谱强度信息。为了提取电流，利用p-n结，其在被偏置了一电压时提供电场以将电子从设备扫除。
波长范围
如以上所陈述的，分光光度计芯片的波长范围由组成它的半导体材料确定。对于在900-1700纳米的波长范围内的近红外应用中操作的分光光度计，已有的方法利用冷却式InGaAs探测器来实现这个范围。也可使用基于InGaAs(P)ZinP合金的有效的多量子阱吸收区域。然而，在不同波长范围内操作的分光光度计芯片被设想有半导体材料、掺杂和谐振器尺寸的审慎组合。
质量和覆盖区
分光光度计芯片本身具有可忽略的质量。假设具有1毫米x250微米x200微米的尺寸的基于InP的芯片，其InP的密度为4.8g/cm3，芯片质量为24毫克。因此，分光光光度计的主要质量将是相关的微光学器件(小于100克)。不包括光学器件的一般基于CCD的分光光度计的等效质量实质上更高。CCD系统的一般尺寸在5厘米x10厘米x15厘米的区域内。在传统分光光度计中，分辨率由盒的尺寸所限定(以最大化色散)。在本发明中，分辨率与光的波长内在地关联，意味着分光光度计可以非常小。
所提交的权利要求构成说明书的一部分。

Claims (23)

1.一种分光光度计，包括单块半导体基底(1)、一个或多个波长色散装置(3-14)、以及一个或多个波长探测装置(3-14)，特征在于，在所述色散装置(3-14)和所述探测装置(3-14)之间没有物理的分离。
2.根据权利要求1所述的分光光度计，其特征在于，所述色散装置(3-14)和所述探测装置(3-14)没有物理移动部件。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的分光光度计，其特征在于，所述色散装置(3-14)和所述探测装置(3-14)为微谐振器(3-14)。
4.根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，每个微谐振器(3-14)被依尺寸制造成最佳地接受一个波长的光或多个波长的光，因为每个谐振器的直径(D)由公式D＝nλ/πμ确定。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的分光光度计，其特征在于，每个微谐振器充当特定波长的光的水平的探测器。
6.根据前述权利要求的任一项所述的分光光度计，其特征在于，所述分光光度计包括一个或多个波导装置(2)。
7.根据权利要求5所述的分光光度计，其特征在于，每个谐振器(3-14)构成所述波导装置(2)的部分，或者每个谐振器(3-14)被最佳地定位成靠近所述波导装置(2)。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的分光光度计，其特征在于，所述波导装置(2)成一角度以阻止光的背反射。
9.如权利要求6、7或8所述的分光光度计，其特征在于，所述波导的宽度为大约1微米和大约50微米之间、长度为大约1000微米、且深度为大约1微米至大约20微米。
10.根据前述权利要求的任一项所述的分光光度计，其特征在于，每个谐振器对于给定的波长在尺寸上被优化。
11.根据前述权利要求的任一项所述的分光光度计，其特征在于，所述谐振器(3-14)为球状、锥状、阶梯形锥状、平板状、圆柱形杯状，或包括一个或多个平面或曲面。
12.根据前述权利要求的任一项所述的分光光度计，其特征在于，所述波导装置(2)由圆柱形谐振器(3-14)构成，所述圆柱形谐振器(3-14)被布置成使得所述谐振器(3-14)以线性方式布置，其中所述谐振器从小到大布置，使得最小的谐振器被定位在第一位置，而最大的谐振器被定位在最后一个位置。
13.根据权利要求5-12的任一项所述的分光光度计，其特征在于，所述谐振器被排序，使得最小直径的谐振器离进入所述波导装置的入射光的入射点最近，而最大直径的谐振器离进入所述波导装置的入射光的入射点最远。
14.根据前述权利要求的任一项所述的分光光度计，其特征在于，所述基底包括硅或III-V族半导体，基于III-V族半导体的合金层被添加到所述硅或III-V族半导体上。
15.根据权利要求14所述的分光光度计，其特征在于，所述基底是p-型或n-型掺杂的。
16.根据前述权利要求的任一项所述的分光光度计，其特征在于，所述基底被划分为三个功能区域，其中第一区域是由p-型或n-型掺杂的半导体制成的基底层(17)，第二活性区域(16)由其中具备一带隙以覆盖所述分光光度计的波长范围的半导体组成，并具有比所述基底的折射率大的折射率，以及第三光学镀层区域具有比所述第二活性区域(16)小的折射率，其中所述第二活性区域(16)位于第一活性区域(17)和第三活性区域(18)之间。
17.根据权利要求16所述的分光光度计，其特征在于，所述第三区域(18)是与所述第一区域(17)的公共电接触部。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的分光光度计，其特征在于，所述电接触部(18)为金电接触部、金合金电接触部或者由其他导电材料或其合成物制成的电接触部。
19.根据前述权利要求的任一项所述的分光光度计，其特征在于，所述谐振器(3-14)在其表面上具有电接触部(19，20)。
20.根据权利要求19所述的分光光度计，其特征在于，所述电接触部(19，20)包括金电接触部、金合金电接触部、或者由其他导电材料或其合成物制成的电接触部。
21.根据前述权利要求的任一项所述的分光光度计，其特征在于，芯片的表面能够涂有物质以接受或拒绝在特定波长范围上的光。
22.根据前述权利要求的任一项所述的分光光度计，其特征在于，所述基底能够包括一个或多个固态遮光器或光导光学器件。
23.一种包括半导体的分光光度计，其特征在于，单块基底(1)是具有波导装置(2)和一个或多个谐振器(3-14)的半导体，其中所述波导相对于输入光的入射方向成一角度，其中每个谐振器(3-14)构成所述波导装置(2)的部分，或者每个谐振器(3-14)被最佳地定位成靠近所述波导装置(2)，所述谐振器对于给定的电磁波长最佳地形成所需尺寸，且被排序使得最小直径的谐振器离进入所述波导装置的入射光的入射点最近，而最大直径的谐振器离进入所述波导装置的入射光的入射点最远，所述基底被划分为三个功能区域，其中第一区域是由p-型或n-型掺杂的半导体制成的基底层(17)，第二活性区域(16)由其中具备一带隙以覆盖所述分光光度计的波长范围的半导体组成，并具有比所述基底的折射率大的折射率，以及第三光学镀层区域具有比第二活性区域(16)小的折射率，其中所述第二活性区域(16)位于第一活性区域(17)和第三活性区域(18)之间，所述第三区域(18)是与所述第一区域(17)的公共电接触部，以及所述谐振器(3-14)在其表面上具有电接触部(19，20)。
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