CN106461459A - 利用可移位波导结构进行光谱测定的装置、方法和系统 - Google Patents
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Abstract
用于单片光子集成电路（PIC）以提供光谱测定功能的技术和机制。在实施例中，PIC包括光子器件、第一波导和第二波导，其中第一波导和第二波导中的一个包括相对于PIC的衬底自由移动的释放部分。在评估被测材料的计量周期期间，控制逻辑操作致动器以相对于光子器件连续地配置释放部分的多个位置。在另一个实施例中，在计量周期期间，来自第一波导的光被光子器件的光栅不同地衍射，其中将光的部分引导到第二波导中。对于释放部分的不同位置，可能连续地检测衍射到第二波导中的光的不同波长，以确定在波长范围上的光谱测定测量。
Description
背景
1．技术领域
本发明一般地涉及光子器件。更具体地，某些实施例一般地但非排他地涉及用于执行色散光谱测定的装置和方法。
2．背景技术
随着便携式设备市场的增长，对紧凑且节能的传感器的需求已经增加。在光学光谱（spectroscopic）传感器中的最近的改进已经在生物和环境感测中提供了越来越多样化的应用。光谱仪（spectrometer）是光谱学（optical spectroscopy）的必要部件。光子集成电路（PIC）包括单片集成光子器件或元件，并且在诸如生物和环境感测的应用中作为光谱仪可以是有用的。
目前，商业上可获得的片上光谱仪不同地依赖于静止波导的一些阵列，这些静止波导将衍射光的不同波长的每个传播到相应检测器。这种方法的一个限制是光谱学通常对表征光谱的连续波长范围的一些近似感兴趣。为了更好地实现这种表征，常规的片上光谱测定技术寻求将输出波导定位成尽可能彼此接近。然而，这种紧密接近受到所导致串扰的限制，其中给定波长的光不正确地贡献于由耦合到相应相邻输出波导的不同检测器所进行的测量。在常规技术试图通过增加波导之间的间隔来减少串扰的情况下，连续谱测量遭受影响。
附图说明
在附图的各图中通过示例而非限制的方式示出了本发明的各种实施例，并且其中：
图1A是根据实施例的集成到单个衬底上的PIC的平面图，物理可移位光波导与光子器件相邻。
图1B是根据实施例的沿着图1A中所示的b-b'线的图1A中描绘的PIC的截面图。
图1C是根据实施例的沿着图1A中所示的c-c'线的图1A中描绘的PIC的截面图。
图2A、图2B是根据实施例的具有可移位波导的PIC的平面图。
图3A至图3C是根据不同实施例的具有可移位波导的相应PIC的平面图。
图4是根据实施例的光谱测定测量和分析系统的功能框图。
图5A是示出根据实施例的操作包括单片物理可移位光波导和相邻光子器件的PIC的方法的流程图。
图5B是示出根据实施例的制造包括单片物理可移位光波导和相邻光子器件的PIC的方法的流程图。
图6A是示出根据实施例的用于执行透射光谱测定的设备的元件的平面图。
图6B是示出根据实施例的用于执行反射光谱测定的设备的元件的平面图。
图7是示出根据实施例的包括PIC的计算机系统的元件的框图。
图8是示出根据实施例的包括PIC的移动设备的元件的框图。
具体实施方式
本文讨论的实施例不同地提供了用机械可移动波导提供片上光谱测定的技术和/或机制。在实施例中，PIC是单片器件，其至少包括光波导和布置在相同衬底上并且光学耦合到波导的光子器件。波导可能包括刚性耦合到衬底的锚定部分和从锚定部分延伸的可移位部分。利用与其耦合的基于微机电系统（MEMS）的致动器，可能相对于包括衍射光栅（例如，中阶梯光栅）的光子器件而不同地重新定位可移位部分。在实施例中，波导与光子器件交换从样本材料接收的光的一部分。在光交换期间，可能利用基于MEMS的致动器连续地移动可移位部分。结果，可能将输出波导暴露于由光栅所衍射的光的连续变化的波长范围。
图1A是根据实施例的集成到单个衬底105上的PIC 100的平面图，物理上可移位的光波导110与物理锚定的光子器件120相邻。可能将光子器件120布置在衬底105的第一区域上，并且光子器件120包括光栅（未示出）以衍射经由波导110接收的光，或者朝向波导110衍射光。光波导110可能布置在衬底105的第二区域上并且在衬底105的平面中可能是大致平面的，并且与光子器件120共面（即，在相同的平面中）。带或肋侧壁115B可能限定波导110的横切向（transverse）或横向宽度W。宽度W可能随着材料系统和波长而变化，但是对于一个示例性硅实施例，波导宽度W对于具有在波长范围内的一个或多个分量的传播光可能有利地在1μm和10μm之间。类似的范围也可适用于波导110的z高度。作为说明而非限制，波导110可能传播包括在1250nm至1400nm的波长范围内的分量的光。然而，取决于特定于实现的细节，波导110可能传播任何各种其他波长范围的光。
光波导110可能是这样的材料：该材料与周围材料具有足够的折射率对比（indexcontrast），以沿着纵向波导长度L在光谱（hv）中通过全内反射（TIR）电磁波进行引导。在实施例中，光波导110包括沿着锚定纵向长度LA物理地锚定到衬底105的至少一个锚定波导部分111,以及沿着释放的纵向长度LR物理地从衬底105释放的至少一个释放波导部分112。
如图1A中进一步所示，释放波导部分112也可能与光子器件120物理地分离，其中波导端面115A与光子器件120接近。波导端面115A可能通过自由空间间隙G与光子器件端面120A分离。波导110可能以光学模式（例如，包括传播光的多个波长中的一个）跨自由空间间隙G光学地耦合到光子器件120，因此横穿自由空间间隙G并在发射点151处耦合到光子器件120中（或耦合出光子器件120）。在相对于衬底105的一个或多个维度中，可能通过释放波导部分112的移位而物理地移位发射点151。在有利的实施例中，可能通过控制释放波导部分112的物理移位来改变光子器件120和在波导110中传播的光之间的相互作用。在从远离光子器件120的衬底105上的固定锚定点悬伸（cantilever）光波导110的示例性实施例中，通过相对于衬底105在一个或多个维度上释放波导部分112的弹性偏转，可能物理地移位发射点151。
在一个实施例中，光波导端部的释放部分在衬底的xy平面内可从波导的锚定部分横向移位。如图1A中进一步所示，锚定波导部分111的纵向轴线与截面平面b-b'对准。基于波导110的波导材料的弹性模量和面积惯性矩（area moment of inertia），释放波导部分112可能具有足够的长度，以实现从锚定点130A的偏转角，使得释放波导部分112的纵向轴线LA跟随虚线150并且发射点151横向移位端面移位距离D到发射点152。
图1B是根据实施例的沿着图1A中所示的b-b'线的PIC 100的截面图。如图所示，光波导110包括布置在衬底105上的器件层。衬底105可能是本领域已知的适于形成IC的任何衬底，诸如但不限于半导体衬底、绝缘体上的半导体（SOI）衬底、绝缘体衬底（例如，蓝宝石）等，和/或其组合。在有利的实施例中，光波导110是晶体（例如，基本上单晶体）半导体层，例如硅。替代的半导体，例如锗、SiGe以及其他化合物半导体，例如InP，也是可能的。光波导110可能通过与波导材料的足够高的折射率对比的中间材料130而从衬底105分离。在光波导110和衬底105都是晶体硅的示例性实施例中，中间材料130可能是二氧化硅。在一个这样的实施例中，其中衬底105是硅SOI衬底，可能将硅光波导110图案化到衬底105的硅器件层中。光子器件120可能与波导110呈平面（即，具有相同的z高度）并且可能在与波导110相同的器件层内。如图1B中进一步所示，具有释放的纵向长度LR的底部空隙（void）140可能在波导110下面并且接近光子器件120，其中中间材料层130作为沿着锚定纵向长度LA的锚定物存在。类似地，顶部空隙190可能沿着至少释放的纵向长度LR而存在于波导110上，并且可能可选地进一步延伸。尽管某些实施例在这方面不受限制，但是布置在波导110上的可能是本领域已知的为该类型的单片释放结构提供合适保护的任何材料的壳192。
图1C是沿着图1A中所示的c-c'线的PIC 100的截面图，并且进一步示出了可能如何从周围材料完全地释放波导110。也如图1C中所示，波导110包含在z和y维度中的一种或多种模式的光170，因为它沿着释放的纵向长度LR在x维度上传播。
图2A是根据实施例的具有单个可移位波导210的PIC的平面图200a。如图所示，可移位波导210可能至少部分地物理上摆脱（be free of）衬底205，例如基本上如图1A-图1C所示出的那样。波导端面215A可能在距离D上至少横向可移动并且通过自由空间间隙G与光子器件220的面220A分离。波导210和光子器件220可能每个都是硅，例如具有在图1B和图1C的上下文中所描述的材料堆叠结构。光子器件220可能包括--由示例性中阶梯光栅221表示的--光栅和物理锚定或固定的波导230。在评估样本材料的光谱测定测量周期期间，具有各种波长的光的分量可能在可移位波导210和光子器件220之间通过波导端面215A传播，横穿自由空间间隙G、通过面220A并且在中阶梯光栅221处不同地衍射。
作为说明而非限制，波导210相对于光子器件220（并且因此相对于中阶梯光栅221）的位置可能导致具有第一波长的光250a与具有第二波长的光255a分离的衍射。其他衍射光（未示出）可能根据相应波长类似地进行分离。至少部分地由于波导210的位置，可能将衍射光250a引导到从光子器件220的侧面，例如面220A，（或者在其他实施例中，与它分离但接近它）延伸的波导230中。在实施例中，波导230的终端位于或接近位于用于中阶梯光栅221的理论罗兰（Rowland）圆上的位置。这样的罗兰圆与中阶梯光栅221共享切点，其中罗兰圆的曲率（curvature）半径是中阶梯光栅221的曲率半径的一半。附加地或替代地，面215A可能位于这样的罗兰圆上的点处或该点附近。
图2B是图2A中所示的PIC的平面图200b，其中PIC已由致动器机构（未示出）配置成具有相对于光子器件220的不同位置的波导210。由于波导210的这种重新配置的位置，来自波导210的光以不同的角度入射在中阶梯光栅221上。在说明性场景中，这种光的衍射导致光250b（具有光250a的第一波长）与光255b（具有光255a的第二波长）的分离。然而，由于不同的入射角，光255b--而不是光250b--被引导到波导230中。因此，某些实施例不同地提供输出波导，比如波导230，以在光谱测定测量周期期间接收衍射光的连续变化的波长。耦合来经由波导230接收这种衍射光的检测器235--例如包括各种常规光电检测器电路中的任何光电检测器的检测器235--可能对于光谱范围的相应波长每个都执行连续测量。
结果，图2A、图2B的PIC可能包括相对少的输出波导--例如只有一个这样的波导--从而减少或者甚至消除片上光谱测定应用中的串扰问题。
光250a和光255b到面220A的相应位置的各种衍射例如可能进一步取决于光栅221的参数和光子器件220的折射率。在光子器件220是硅并且其折射率（RI）随着温度显著变化时，如果PIC温度在操作期间变化，则可能发生显著的频率（波长）偏移。
在某些实施例中，可移位输入波导包括释放波导部分，其可能是自由的以经历相对于衬底（并且相对于光子器件）的足以将不同波长的衍射光不同地引导到输出波导的移位。附加地或替代地，输出波导的释放的部分可能是自由的以经历对于输出波导而言足以接收衍射光的不同波长的弹性偏转。在光子器件RI是温度依赖的实施例中，释放波导部分可能经历相对于衬底205和光子器件220的一定程度的偏转，以至少部分地补偿这种温度依赖性，使得利用PIC的光谱测定测量更不热敏感，或者“绝热”。通过说明而非限制的方式，硅光子器件220可能在面220A的给定位置处经历大约10GHz/℃的频率偏移。利用足够长的释放长度，使用无源和/或有源微机电系统（MEMS）致动器技术，波导210可能容易地在几微米上并且实际上甚至在几十微米的距离上偏移。
在实施例中，将相对于衬底主动移位可移位光波导。主动移位可能通过布置在衬底上并且机械地或电耦合到光波导的MEMS致动器。图3A是根据实施例的具有主动可移位波导320的PIC 300的平面图。 PIC 300可能包括先前参考图2A、图2B描述的PIC的所有属性和特征。PIC 300还包括MEMS致动器310，MEMS致动器310包括物理耦合到波导320的释放部分的可移动穿梭件（shuttle）312。除了选择锚定点314（其中阴影区域指示锚定的结构）之外，穿梭件312从衬底305摆脱（例如，被释放），在其间布置有横向弹簧耦合器。如图3A中所示，蚀刻的空隙在穿梭件312的释放区域和从锚定部分322延伸的波导320的可移位部分下方延伸。穿梭件312还包括可移动电容性驱动构件316，其被配置为与锚定到衬底305的相应固定电容性驱动构件静电耦合。尽管致动器310被示例为静电梳驱动器，其中已知这种MEMS致动器容易实现微米并且甚至几十微米的横向穿梭移位，但是其他致动器设计也是可能的（例如，采用可变电容间隙或甚至感应驱动） 。
图3B是根据替代实施例的具有主动可移位的波导350的PIC 330的平面图。PIC330可能包括证明与PIC 300的功能相对应的功能的结构。例如，PIC 330可能包括MEMS致动器340，MEMS致动器340包括物理耦合到波导350的释放部分的可移动穿梭件342。除了选择锚定点344之外，穿梭件342可能摆脱衬底335，在其间布置有横向弹簧耦合器。蚀刻的空隙可能在穿梭件342的释放区域和从锚定部分352延伸的波导350的可移位部分下方延伸。穿梭件342可能还包括可移动电容性驱动构件346，其被配置为与锚定到衬底335的相应固定电容性驱动构件静电耦合335。在图3B中，两个（或更多）接触点将穿梭件342耦合到波导350的释放部分。结果，通过MEMS致动器340的操作的波导350的释放部分的移动可能是相对平移/横向的—例如，与由MEMS致动器310进行的波导320的更多角运动相比。
图3C是根据另一实施例的具有主动可移位波导380的PIC 360的平面图。PIC 360可能包括MEMS致动器370，MEMS致动器370包括物理耦合到波导380的释放部分的可移动穿梭件372。锚定点374可能固定否则摆脱衬底365的穿梭件372。蚀刻的空隙可能在穿梭件372的释放区域和从锚定部分382延伸的波导380的可移位部分下方延伸。穿梭件372可能还包括可移动电容性驱动构件376，其被配置为与锚定到衬底365的相应固定电容性驱动构件静电耦合。在图3C中，可移动电容驱动构件376是弯曲和/或有角度的MEMS致动器370的一部分。因此，通过MEMS致动器370的操作的波导380的释放部分的移动可能包括释放部分的角运动，例如，与MEMS致动器310为波导320提供的角运动的方向相反。
图4是根据实施例的包括片上光谱仪的测量系统400的功能框图。系统400可能包括PIC 410，其例如包括本文所讨论的一些或全部可移动波导特征。
在评估给定材料的测量周期期间，PIC 410可能接收例如已经透射通过样本材料或者从样本材料反射的光420。在测量周期期间的某一时间处，系统400的控制器430可能提供信号435以操作PIC 410的MEMS致动器412。在各种其他实施例中，控制器430可能集成到PIC 410中。响应于信号435，MEMS致动器412可能连续配置PIC 410的光栅结构（未示出）--例如光子器件220--和PIC 410的波导（未示出）的相对于彼此的各种位置。MEMS致动器412的此类操作可能导致PIC 410的检测器414 --例如经由PIC 410的输出波导（未示出）--连续接收当PIC 410的光栅结构衍射光420时光420的不同的相应波长。虽然某些实施例在这方面不受限制，但是系统400可能还包括耦合的温度传感器（未示出）以向控制器430提供指示PIC 410的温度或其他热状态的信令。控制器430可能包括信号435中的偏移分量，以提供MEMS致动器412的修改操作，例如，补偿对光栅结构的RI的基于温度的变化。
响应于光420的衍射和MEMS致动器412的操作，检测器414可能生成指示利用检测器414感测的衍射光的（例如，光信号强度的）各种水平（level）的信号445。信号445可能例如被提供给分析器逻辑440，其耦合到PIC 410（或替代地，与PIC 410集成）。分析器逻辑440可包括硬件逻辑和/或执行软件逻辑，其被配置成将由信号445所指示的检测到的水平（或其他特性）的每一个与光的相应波长不同地相关联。例如，可能耦合分析器逻辑440以—例如直接或间接地从控制器430--接收指定或以其他方式指示每个对应于MEMS致动器412的相应操作状态的光的波长的信息。作为说明而非限制，分析器逻辑440和/或控制器430可能访问（或者预先编程有）校准信息，其标识或以其他方式指示信号435的各个值的每一个与预期将输出到检测器414的相应波长的对应关系。
基于这样的信息，分析器440可能将当前由信号445指示的特定水平的检测到的光标识为对应于与信号435的并发（或先前）状态相关联的特定波长。这样标识的对应关系可能进一步基于偏移信息，所述偏移信息标识或以其他方式指示用于补偿PIC 410的热状态的信号435的分量。在实施例中，分析器440将由信号445指示的连续水平标识为对应于通过输出波长的连续范围的PIC 410扫描。
图5A示出了根据实施例的用于操作单片PIC的方法500的元素。可能执行方法500以确定被测材料的光谱测定特性。在实施例中，方法400由包括例如PIC 100的一些或全部特征的装置或系统来执行。
方法500可能包括相对于PIC的光子器件连续地配置可移动光波导—例如PIC的输入波导和PIC的输出波导中的一个--的多个位置的操作。例如，在505处，方法500可能包括相对于光子器件配置第一（输入）光波导和第二（输出）光波导中的一个的某个第一位置。在505处的配置可能包括向耦合到第一波导和第二波导中的一个的MEMS致动器发送控制信号，所述控制信号设置波导的释放部分的移位的特定量。控制信号可能对应于要在第二波导处接收的衍射光的期望波长。例如，控制信号可能基于例如包括校准信息的参考信息来确定，所述参考信息将MEMS致动器的操作状态中的每个与衍射光的不同的相应输出波长相对应。在一些实施例中，控制信号可能进一步基于光子器件的当前热状态和将这种热状态中的各种热状态的每一个与要补偿的不同的相应波长偏移相对应的参考信息。
在505处的位置的配置可能随后在利用方法500实现的光谱测定周期期间重复一次或多次。对于每个这样的位置，方法500可能在配置该位置的同时执行操作。例如，在510处，方法500可能经由第一光波导将从被测材料接收的光交换到光子器件。光可能包括具有（例如亮度、功率等的）各种相应水平和各种相应波长的分量。方法500可能还包括在515处将来自光子器件的光栅的光的一部分衍射到第二光波导中。在515处的衍射可能导致光的部分（分量）彼此分离波长，其中不同的波长被导向远离光栅的不同方向。在515处被引导到第二波导中的光的特定部分（和波长）可能部分地取决于在505处配置的特定位置。在一些实施例中，特定部分可能进一步取决于光子器件的热状态—例如，其中光子器件的RI对热状态敏感。在520处，方法500对在505处配置的位置执行对被测材料的相应光谱测定测量。在520处进行测量可能包括生成指示被引导到第二光波导中的相应光的衍射部分的水平的信号。
在实施例中，方法500重复针对衍射光的多个波长的被测材料的光谱测定测量。例如，方法500可能在525处评估光谱测定计量周期是（否）已经完成。可能执行这样的周期，例如以评估在波长范围上的材料。在525处确定周期尚未结束的情况下，方法500可能返回到在505处配置可移动波导的下一位置。相对地，在525处确定周期已结束的情况下，方法500可能结束或在一些实施例中继续执行附加操作（未示出）以编译、转换或以其他方式处理在520处不同地进行的测量。例如，这样的处理可能包括生成图和/或数据结构（例如地图、表格等），指定或以其他方式指示此类测量中的每个与相应波长的对应关系。这样的图或数据结构可能表示在连续波长光谱上表征被测材料的光谱测定分布。
图5B是示出制造包括单片物理可移位光波导和相邻光子器件的PIC的方法550的流程图。可能执行方法550以形成在示例性PIC 100、200a、200b、300、330、360结构中的上述特征。方法550开始于在操作555处接收SOI衬底,比如硅SOI衬底。在操作560处，将半导体器件层图案化成光子器件，比如光学耦合器，其与也被图案化到半导体器件层中的光学波导相交（与光子器件同时，或在光子器件图案化之前，或在光子器件图案化之后）。可能用任何常规的光刻（lithographic）和各向异性蚀刻工艺对光子器件进行图案化。
在操作565处，通过光子器件和波导的端部之间的半导体器件层形成沟槽。沟槽形成可能与光子器件的波导图案化中的一个或多个同时执行（即，具有相同的蚀刻掩模），或者可能在波导和光子器件作为分开的掩模蚀刻的图案化之后执行。在操作570处，去除（蚀刻）SOI电介质层的一部分，部分地底切（undercut）器件层以释放接近光子器件的波导的端部。在示例性实施例中，利用暴露与在操作565处蚀刻的沟槽接近的波导的端部长度的掩模来执行底切蚀刻操作，掩模开口与沟槽重叠。在另外的实施例中，方法550包括制造致动器结构以主动地偏转释放的波导。在一个实施例中，例如使用用于对波导和/或光子器件进行图案化的相同掩模，将半导体器件层进一步图案化为物理耦合到波导的MEMS致动器。在另外的实施例中，在操作570处，与释放的波导端面同时释放MEM致动器的至少一部分。在另外的实施例中，在释放操作570之前，在波导和光子器件上沉积钝化层，释放操作570对钝化层具有选择性，以形成封装释放的波导端的壳。
图6A是根据实施例的用于执行透射光谱测定的设备600的平面图。例如，设备600的操作可能执行方法500中的一些或全部。在实施例中，设备600包括本文所讨论的PIC100、200a、200b、300、330、360结构的一些或全部特征。例如，设备600可能包括硅衬底620，其中形成在硅衬底620上的氧化物层624上的光谱仪结构包括可移动波导630、包括中阶梯光栅634的光子器件632以及从光子器件延伸的输出波导622。在使用设备600的透射光谱测定期间，光源602可能引导光通过被测材料MUT 604。未被MUT 604吸收的光可能穿过以—例如经由镜610和耦合器626--被引导到波导630中。基于波导630的当前位置，中阶梯光栅634可能将特定波长的光衍射到波导622中。例如经由外耦合器636而耦合到波导622的检测器可能在计量周期期间针对各种波长检测衍射光的水平。
图6B是根据实施例的用于执行反射光谱测定的设备650的平面图。为了避免模糊某些实施例的各种特征，设备600的一些PIC结构--即硅衬底620、氧化物层624、耦合器626、可移动波导680、光子器件682、中阶梯光栅684、波导622、耦合器686和光电检测器688—示出为在设备650中交替地提供相应的功能。在使用设备600的反射光谱测定期间，光源652可能引导光通过被测材料MUT 654。未被吸收的光可能从MUT 654的表面反射掉（reflectoff）并且例如通过镜660和耦合器626—被引导进入波导630中。类似于设备600中的操作，中阶梯光栅634可能基于波导630的当前位置将特定波长的光衍射到波导622中。耦合到波导622的检测器--例如经由外耦合器636--可能在计量周期期间针对各种波长检测衍射光的水平。
图7是在其中可能实施光谱学（spectroscopy）的计算系统的实施例的框图。系统700表示根据本文所述的任何实施例的计算设备，并且可能是膝上型计算机、台式计算机、服务器、游戏或娱乐控制系统、扫描仪、复印机、打印机或其他电子设备。系统700可能包括处理器720，其提供用于系统700的指令的处理、操作管理和执行。处理器720可能包括任何类型的微处理器、中央处理单元（CPU）、处理核或其他处理硬件以提供用于系统700的处理。处理器720控制系统700的整体操作，并且可能是或者可能包括一个或多个可编程通用或专用微处理器、数字信号处理器（DSP）、可编程控制器、专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑设备（PLD）等，或这样的设备的组合。
存储器子系统730表示系统700的主存储器，并且为要由处理器720执行的代码或要在执行例程中使用的数据值提供临时存储。存储器子系统730可能包括一个或多个存储器设备，诸如只读存储器（ROM）、闪存、一个或多个各种随机存取存储器（RAM）或其他存储器设备、或此类设备的组合。存储器子系统730除其他外还存储并托管操作系统（OS）736以提供用于在系统700中执行指令的软件平台。另外，从存储器子系统730存储和执行其他指令738以提供系统700的逻辑和处理。OS 736和指令738由处理器720执行。
存储器子系统730可能包括存储器设备732，其中它存储数据、指令、程序或其他项目。在一个实施例中，存储器子系统包括存储器控制器734，其提供用于访问存储器设备732的机制。在一个实施例中，存储器控制器734提供访问存储器设备732的命令，存储器设备732包括根据本文所述的任何实施例的集成电路。
处理器720和存储器子系统730耦合到总线/总线系统710。总线710是代表通过适当的桥接器、适配器和/或控制器连接的任何一个或多个单独的物理总线、通信线路/接口、和/或点对点连接的抽象概念。因此，总线710可能包括例如系统总线、外围部件互连（PCI）总线、HyperTransport或工业标准架构（ISA）总线、小型计算机系统接口（SCSI）总线、通用串行总线（USB）或电气和电子工程师协会（IEEE）标准1394总线（通常称为“火线”）中的一个或多个。总线710的总线还可能对应于网络接口750中的接口。
系统700可能还包括耦合到总线710的一个或多个输入/输出（I/O）接口740、网络接口750，一个或多个内部大容量存储设备760和外围接口770。I/O接口740可能包括用户通过其与系统700交互（例如，视频、音频和/或字母数字对接）的一个或多个接口部件。网络接口750向系统700提供通过一个或多个网络与远程设备（例如，服务器、其他计算设备）通信的能力。网络接口750可能包括以太网适配器、无线互连部件、USB（通用串行总线）或其他基于有线或无线标准的或专有的接口。
记忆装置760可能是或者可能包括用于以非易失性方式存储大量数据的任何常规介质，比如一个或多个磁性、固态或基于光的盘或组合。记忆装置760保持处于持久状态的代码或指令和数据762（即，尽管系统700的电力中断，仍然保持该值）。虽然存储器730是用于向处理器720提供指令的执行或操作存储器，但是记忆装置760可能通常被认为是“存储器”。然而记忆装置760是非易失性的，存储器730可能包括易失性存储器（即，如果系统700电力中断，则数据的值或状态是不确定的）。
外围接口770可能包括上面未具体提及的任何硬件接口。外围设备通常指代从属连接到系统700的设备。从属连接是其中系统700提供在其上执行操作并且用户与其交互的软件和/或硬件平台的连接。
图8是在其中可能实现光谱学的移动设备的实施例的框图。设备800表示移动计算设备，比如计算平板、移动电话或智能电话、使能无线阅读器或其他移动设备。将理解，一般性地示出了部件中的某些，并且在设备800中并非示出了这种设备的所有部件。
设备800可能包括处理器810，其执行设备800的主要处理操作。处理器810可能包括一个或多个物理设备，比如微处理器、应用处理器、微控制器、可编程逻辑设备或其他处理装置。由处理器810执行的处理操作包括在其上执行应用和/或设备功能的操作平台或操作系统的执行。处理操作包括同与人类用户或与其他设备的I/O（输入/输出）相关的操作、与电源管理相关的操作和/或与将设备800连接到另一设备相关的操作。处理操作可能还包括与音频I/O和/或显示器I/O相关的操作。
在一个实施例中，设备800包括表示与向计算设备提供音频功能相关联的硬件（例如，音频硬件和音频电路）和软件（例如，驱动、编解码器）部件的音频子系统820。音频功能可能包括扬声器和/或耳机输出，以及麦克风输入。可能将用于这样的功能的设备集成到设备800中或者连接到设备800。在一个实施例中，用户通过提供由处理器810接收和处理的音频命令来与设备800交互。
显示子系统830表示为用户提供视觉和/或触觉显示以与计算设备交互的硬件（例如，显示设备）和软件（例如，驱动）部件。显示子系统830可能包括显示接口832，显示接口832可能包括用于向用户提供显示的特定屏幕或硬件设备。在一个实施例中，显示接口832包括与处理器810分离的逻辑，以执行与显示相关的至少一些处理。在一个实施例中，显示子系统830包括向用户提供输出和输入二者的触摸屏设备。
I/O控制器840表示与和用户的交互相关的硬件设备和软件部件。I/O控制器840可能进行操作以管理作为音频子系统820和/或显示子系统830的一部分的硬件。另外，I/O控制器840示出了连接到设备800的附加设备的连接点，用户可能通过该连接点与系统交互。例如，可能附接到设备800的设备可能包括麦克风设备、扬声器或立体声系统、视频系统或其他显示设备、键盘或小键盘设备、或者用于与特定应用一起使用的其他I/O设备，比如读卡器或其他设备。
如上所提及，I/O控制器840可能与音频子系统820和/或显示子系统830交互。例如，通过麦克风或其他音频设备的输入可能提供用于设备800的一个或多个应用或功能的输入或命令。另外，代替显示输出或者除了显示输出之外，还可能提供音频输出。在另一示例中，如果显示子系统包括触摸屏，则显示设备还充当输入设备，其可能至少部分地由I/O控制器840管理。设备800上还可能有附加按钮或开关以提供由I/O控制器840管理的I/O功能。
在一个实施例中，I/O控制器840管理诸如加速度计、照相机、光传感器或其他环境传感器、陀螺仪、全球定位系统（GPS）或者可能被包括在设备800中的其他硬件之类的设备。输入可能是直接用户交互的部分，并且向系统提供环境输入以影响其操作（诸如对噪声进行滤波、调整用于亮度检测的显示器、对照相机应用闪光灯或其他特征）。
在一个实施例中，设备800包括管理电池功率使用、电池的充电和与节电操作相关的特征的功率管理850。存储器子系统860可能包括用于在设备800中存储信息的（一个或多个）存储器设备862。存储器子系统860可能包括非易失性（如果中断存储器设备的电力则状态不改变）和/或易失性（如果中断存储器设备的电力则状态是不确定的）存储器设备。存储器860可能存储应用数据、用户数据、音乐、照片、文档或其他数据以及与系统800的应用和功能的执行相关的系统数据（无论是长期还是临时的）。在一个实施例中，存储器子系统860包括存储器控制器864（其也可能被认为是系统800的控制的一部分，并且可能被认为是处理器810的一部分）以控制存储器862。
连接870可能包括使设备800能够与外部设备通信的硬件设备（例如，无线和/或有线连接器和通信硬件）和软件部件（例如，驱动、协议栈）。该设备可能是单独的设备，比如其他计算设备、无线接入点或基站以及诸如耳机、打印机或其他设备之类的外围设备。
连接870可能包括多个不同类型的连接。为了概括，示出了具有蜂窝连接872和无线连接874的设备800。蜂窝连接872一般是指由无线载波提供的蜂窝网络连接，比如经由GSM（全球移动通信系统）或其变体或衍生物、CDMA（码分多址）或其变体或衍生物、TDM（时分复用）或变体或衍生物、LTE（长期演进-也称为“4G”）或其他蜂窝服务标准所提供的。无线连接874是指不是蜂窝的无线连接，并且可能包括个域网（诸如蓝牙）、局域网（诸如WiFi）和/或广域网（诸如WiMax）或其他无线通信。无线通信是指通过使用调制的电磁辐射通过非固体介质的数据的传送。有线通信通过固体通信介质发生。
外围连接880包括硬件接口和连接器，以及用于进行外围连接的软件部件（例如，驱动、协议栈）。应当理解，设备800可以是到其他计算设备的外围设备（“到”882），以及具有连接到其的外围设备（“从”884）。设备800通常具有用于连接到其他计算设备的“对接（docking）”连接器，以用于诸如管理（例如，下载和/或上传、改变、同步）设备800上的内容的目的。另外，对接连接器可能允许设备800连接到允许设备800控制例如到视听或其他系统的内容输出的某些外围设备。
除了专用对接连接器或其他专有连接硬件之外，设备800还可能经由公共或基于标准的连接器来进行外围连接880。常见类型可能包括通用串行总线（USB）连接器（其可能包括多个不同硬件接口中的任何接口）、包括MiniDisplayPort（MDP）的DisplayPort、高清晰度多媒体接口（HDMI）、火线或其他类型。
在一个实施中，光谱仪器件包括布置在衬底上的光子器件，光子器件包括光栅、布置在衬底上的第一波导和布置在衬底上的第二波导，其中第一波导和第二波导中的一个包括是自由的以相对于衬底移动的释放部分。光谱仪器件进一步包括耦合到第二波导的光电检测器电路以及用于相对于光子器件配置释放部分的多个位置的控制逻辑。对于多个位置中的每一个，当配置位置时，第一波导将与光子器件交换来自被测材料的相应光，光栅将相应光的一部分衍射到第二波导中，并且光电检测器电路进行被测材料的相应光谱测定测量，包括光电检测器电路生成指示被引导到第二波导中的相应光的衍射部分的水平的信号。
在一个实施例中，光谱仪器件还包括耦合到释放部分的微机电系统（MEMS）致动器，其中配置多个位置的控制逻辑包括用信号通知MEMS致动器的控制逻辑。在另一实施例中，配置多个位置的控制逻辑包括配置释放部分的角偏转的控制逻辑。在另一个实施例中，配置多个位置的控制逻辑包括配置释放部分的横向移位的控制逻辑。在另一个实施例中，光谱仪器件还包括分析器逻辑，用于为针对多个位置进行的相应光谱测定测量中的每一个生成指定光谱测定测量与相应波长的对应关系的信息。
在另一实施中，一种方法包括相对于单片光子集成电路（PIC）的光子器件连续地配置单片PIC的第一波导和单片PIC的第二波导中的一个的多个位置。该方法还包括：对于多个位置中的每一个，在配置位置时，将来自第一材料的相应光经由第一波导交换到光子器件，将来自光子器件的光栅的相应光的一部分衍射到所述第二波导中，以及对所述第一材料进行相应的光谱测定测量，包括利用光电检测器生成指示被引导到所述第二波导中的相应光的衍射部分的水平的信号。
在实施例中，利用微机电系统（MEMS）致动器执行连续配置多个位置。在另一个实施例中，第一光波导和第二光波导中的一个包括锚定到衬底的第一部分和相对于衬底自由移动的第二部分，并且其中连续配置多个位置包括配置第二部分的角偏转。在另一个实施例中，第一光波导和第二光波导中的一个包括锚定到衬底的第一部分和相对于衬底自由移动的第二部分，并且其中连续地配置多个位置包括配置第二部分的横向移位。在另一个实施例中，该方法还包括：对于针对多个位置进行的相应光谱测定测量中的每一个，生成指定光谱测定测量与相应波长的对应关系的信息。
在另一实施中，一种其上具有存储的指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在由一个或多个处理单元执行时使得所述一个或多个处理单元执行一种方法，所述方法包括：相对于单片光子集成电路（PIC）的光子器件，连续地配置单片PIC的第一波导和单片PIC的第二波导中的一个的多个位置。该方法还包括：对于多个位置中的每一个，在配置位置时，将来自第一材料的相应光经由第一波导交换到光子器件，将来自光子器件的光栅的相应光的一部分衍射到所述第二波导中，以及对所述第一材料进行相应的光谱测定测量，包括利用光电检测器生成指示被引导到所述第二波导中的相应光的衍射部分的水平的信号。
在实施例中，利用微机电系统（MEMS）致动器执行连续配置多个位置。在另一个实施例中，第一光波导和第二光波导中的一个包括锚定到衬底的第一部分和相对于衬底自由移动的第二部分，并且其中连续配置多个位置包括配置第二部分的角偏转。在另一个实施例中，第一光波导和第二光波导中的一个包括锚定到衬底的第一部分和相对于衬底自由移动的第二部分，并且其中连续地配置多个位置包括配置第二部分的横向移位。在另一个实施例中，该方法还包括：对于针对多个位置进行的相应光谱测定测量中的每一个，生成指定光谱测定测量与相应波长的对应关系的信息。
本文描述了用于提供片上光谱测定功能的技术和架构。在以上描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对某些实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将清楚的是，可能在没有这些具体细节的情况下实践某些实施例。在其他实例中，以框图形式示出了结构和设备，以避免模糊描述。
说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定都指代相同的实施例。
本文的详细描述的一些部分是根据对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来呈现。这些算法描述和表示是计算领域的技术人员用来将他们的工作的实质最有效地传达给本领域的其他技术人员的手段。算法在这里并且通常被设想为导致期望结果的自相一致的步骤序列。这些步骤是需要对物理量的物理操纵的那些步骤。通常，尽管不是必须的，这些量采取能够被存储、传送、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。有时，主要出于公共使用的原因，已经证明将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、项、数字等等是方便的。
然而，应当记住，所有这些和类似的术语将与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便的标记。除非特别说明，否则从本文的讨论中显而易见，应当理解在整个描述中，利用诸如“处理”或“计算”或“计算出”或“确定”或“显示”等术语的讨论是指计算机系统或类似的电子计算设备的动作和过程，其将计算机系统的寄存器和存储器内表示为物理（电子）量的数据操纵和变换成类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其他这样的信息存储、传输或显示设备内的物理量的其他数据。
某些实施例还涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可能是为了所需目的而特别构造的，或者它可能包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。可能将这样的计算机程序存储在计算机可读存储介质中，计算机可读存储介质比如但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘、只读存储器（ROM ）、随机存取存储器（RAM），诸如动态RAM（DRAM）、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡或适于存储电子指令并耦合到计算机系统总线的任何类型的介质。
本文呈现的算法和显示不是固有地与任何特定计算机或其他装置相关。各种通用目的系统可能与根据本文的教导的程序一起使用，或者可能证明构造更专用的装置以执行所需的方法步骤是方便的。各种这些系统所需的结构将从本文的描述中显现。另外，某些实施例未参考任何特定的编程语言来描述。应当理解，可能使用各种编程语言来实现如本文所描述的这样的实施例的教导。
除了本文所描述的内容之外，在不脱离其范围的情况下，可能对所公开的实施例及其实施进行各种修改。因此，本文的说明和示例应当解释为说明性的，而不是限制意义的。本发明的范围应仅通过参考以下的权利要求书来测量。
Claims (25)
1.一种光谱仪装置，包括：
布置在衬底上的光子器件，所述光子器件包括光栅；
布置在所述衬底上的第一波导；
布置在所述衬底上的第二波导，其中所述第一波导和所述第二波导中的一个包括释放部分，所述释放部分是自由的以相对于所述衬底移动；
耦合到所述第二波导的光电检测器电路；
控制逻辑，用于配置所述释放部分相对于所述光子器件的多个位置，其中对于所述多个位置中的每一个，当配置所述位置时：
所述第一波导将来自被测材料的相应光交换到所述光子器件；
所述光栅将相应光的一部分衍射到所述第二波导中；以及
所述光电检测器电路进行所述被测材料的相应光谱测定测量，包括所述光电检测器电路生成指示被引导到所述第二波导中的相应光的衍射部分的水平的信号。
2.根据权利要求1所述的光谱仪装置，还包括：耦合到所述释放部分的微机电系统（MEMS）致动器，其中用于配置所述多个位置的所述控制逻辑包括发信号通知所述MEMS致动器的控制逻辑。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的光谱仪装置，其中，用于配置所述多个位置的所述控制逻辑包括用于配置所述释放部分的角偏转的控制逻辑。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光谱仪装置，其中，用于配置所述多个位置的所述控制逻辑包括用于配置所述释放部分的横向移位的控制逻辑。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱仪装置，还包括：分析器逻辑，用于为针对所述多个位置进行的相应光谱测定测量中的每一个生成指定所述光谱测定测量与相应波长的对应关系的信息。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光谱仪装置，其中，所述释放部分的终端位于接近所述光栅的罗兰圆的位置处。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光谱仪装置，其中，所述光栅包括中阶梯光栅。
8.一种方法，包括：
相对于单片光子集成电路（PIC）的光子器件，连续地配置所述单片PIC的第一波导和所述单片PIC的第二波导中的一个的多个位置；
针对所述多个位置中的每一个，在配置所述位置时：
将来自第一材料的相应光经由所述第一波导交换到所述光子器件；
将来自所述光子器件的光栅的相应光的一部分衍射到所述第二波导中；和
进行对所述第一材料的相应的光谱测定测量，包括利用光电检测器生成指示被引导到所述第二波导中的相应光的衍射部分的水平的信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，利用微机电系统（MEMS）致动器执行连续地配置所述多个位置。
10.根据权利要求8和9中任一项所述的方法，其中，所述第一光波导和所述第二光波导中的一个包括锚定到衬底的第一部分和相对于所述衬底自由移动的第二部分，并且其中，连续地配置多个位置包括配置所述第二部分的角偏转。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述第一光波导和所述第二光波导中的一个包括锚定到衬底的第一部分和相对于所述衬底自由移动的第二部分，并且其中，连续地配置多个位置包括配置所述第二部分的横向移位。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，还包括：
为针对所述多个位置进行的相应光谱测定测量中的每一个，生成指定所述光谱测定测量与相应波长的对应关系的信息。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，所述释放部分的终端位于接近所述光栅的罗兰圆的位置处。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其中，所述光栅包括中阶梯光栅。
15.一种其上具有存储的指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在由一个或多个处理单元执行时使所述一个或多个处理单元执行包括以下内容的方法：
相对于单片光子集成电路（PIC）的光子器件连续地配置单片PIC的第一波导和单片PIC的第二波导中的一个的多个位置；
针对所述多个位置中的每一个，当配置所述位置时：
将来自第一材料的相应光经由所述第一波导交换到所述光子器件；
将来自所述光子器件的光栅的相应光的一部分衍射到所述第二波导中；和
对所述第一材料进行相应的光谱测定测量，包括利用光电检测器生成指示被引导到所述第二波导中的相应光的衍射部分的水平的信号。
16.根据权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中，使用微机电系统（MEMS）致动器执行连续地配置所述多个位置。
17.根据权利要求15和16中任一项所述的计算机可读存储介质，其中，所述第一光波导和所述第二光波导中的一个包括锚定到衬底的第一部分和相对于所述衬底自由移动的第二部分，并且其中连续地配置多个位置包括配置所述第二部分的角偏转。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的计算机可读存储介质，其中，所述第一光波导和所述第二光波导中的一个包括锚定到衬底的第一部分和相对于所述衬底自由移动的第二部分，并且其中连续地配置多个位置包括配置所述第二部分的横向移位。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的计算机可读存储介质，所述方法还包括：
为针对所述多个位置进行的相应的光谱测定测量中的每一个，生成指定所述光谱测定测量与相应波长的对应关系的信息。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的计算机可读存储介质，其中，所述释放部分的终端位于接近所述光栅的罗兰圆的位置处。
21.一种系统，包括：
处理器；
存储器；和
耦合到所述处理器和所述存储器中的至少一个的单片光子集成电路（PIC），其中所述单片光子集成电路（PIC）包括光谱仪装置，包括：
布置在衬底上的光子器件，所述光子器件包括光栅；
布置在所述衬底上的第一波导；
布置在所述衬底上的第二波导，其中所述第一波导和所述第二波导中的一个包括释放部分，所述释放部分是自由的以相对于所述衬底移动；
耦合到所述第二波导的光电检测器电路；
控制逻辑，用于相对于所述光子器件配置所述释放部分的多个位置，其中对于所述多个位置中的每一个，在配置所述位置时：
所述第一波导将来自被测材料的相应光交换到所述光子器件；
所述光栅将所述相应光的一部分衍射到所述第二波导中；和
所述光电检测器电路进行所述被测材料的相应光谱测定测量，包括所述光电检测器电路生成指示被引导到所述第二波导中的相应光的衍射部分的水平的信号。
22.根据权利要求21所述的系统，所述光谱仪装置还包括：耦合到所述释放部分的微机电系统（MEMS）致动器，其中，用于配置所述多个位置的所述控制逻辑包括用于用信号通知所述MEMS致动器的控制逻辑。
23.根据权利要求21和22中任一项所述的系统，其中，用于配置所述多个位置的所述控制逻辑包括用于配置所述释放部分的角偏转的控制逻辑。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的系统，其中，用于配置所述多个位置的所述控制逻辑包括用于配置所述释放部分的横向移位的控制逻辑。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的系统，所述光谱仪装置还包括分析器逻辑，用于为针对所述多个位置进行的相应光谱测定测量中的每一个生成指定所述光谱测定测量与相应波长的对应关系的信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170222 |