CN110023727B - 小型化波导成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

公开的发明由波导光谱仪(1)组成，该波导光谱仪包括具有至少一个波导的至少一个基底层(10)，每个波导从部分通过基底层(10)的入口面(12)延伸到反射元件(13)，其中，多个光检测器(14)布置在基底层(10)的前侧(I)上，同时光检测器(14)电连接到应该轻量化并较容易制造的电读出系统。这通过将波导形成为表面波导(11、11′、11″、11″′)而实现，表面波导均具有位于入口面(12)与反射元件(13)之间朝向基底层(10)的前侧(I)的宽度为(D)的纵向开口(110)，同时光检测器(14、14′、14″、14″′)印刷分布在基底层(10)的顶部上的前侧(I)处，沿采样区域的总长度(ls)与表面波导(11)的纵向开口(110)至少部分地交叠，并且通过多个印刷电导体(15)实现光检测器(14、14′、14″、14″′)与电读出系统的电连接。

Description

小型化波导成像光谱仪

技术领域

本发明描述了一种波导成像光谱仪，该波导成像光谱仪包括具有至少一个波导的至少一个基底层，每个波导从部分通过基底层的入口面延伸到反射元件，其中，多个光检测器布置在基底层的前侧上，允许在光检测器的位置处从每个波导外耦合(out-coupling)隐失场(evanescent field)，同时光检测器可用作均电连接到电子读出系统的隐失场采样器，并且描述了一种用于制造这种波导光谱仪的方法。

背景技术

光谱学是用于研究光和物质相互作用的一般物理分析方法。当代成像光谱仪的当前趋势表明正处于分岔路径：一方面，对用于生成目标产品的专用光谱区域具有日益增加的兴趣；并且另一方面，对用于一般的先进科学目的的大光谱区域具有日益增长的兴趣。

对满足增长的精度需求的新一代仪器的开发努力是显著的。预期即将到来的系统具有更大的时间覆盖率、更加精细的空间分辨率和更好的辐射度性能。此外，对于其中质量、体积和能耗是成本或应用能力的驱动因素的所有应用来说，高度期望系统的小型化。光谱仪系统的小型化是未来10至15年所展望的里程碑，以降低星载应用中的任务/项目成本，最大化经常性成本并允许集成在用于战略任务的微型卫星中。对于星载应用，紧凑集成的光谱仪对仪器的有效载荷有直接影响。此外，单片集成系统将减小集成期间的校准要求，并增强仪器使用寿命期间的稳定性[P.Kern，“On-chip spectro-detection for fullyintegrated coherent beam combiners.,”Opt.Express 17(2009)，pp. 1976-1987，2009]。

从UV到IR利用各种各样仪器的光谱学已经存在。通过单像素检测器仪器的应用在许多领域均占据着主导地位。另一方面，具有连续频带和窄光谱分辨率的成像光谱仪(在商业上的品牌也称作“超光谱成像仪(hyperspectral imagers)”)专用于测量所收集的辐射的光谱含量，涵盖光谱测量的成像宽高比(imaging aspect，成像方面)。目前，用于覆盖UV到SWIR之间的光谱范围的成像光谱仪的主导技术是处于推扫模式的色散仪。成像FTS系统在商业上主要在IR区域运转并且预期到2018年第一仪器(MTG-IRS仪)开始运转。然而，必须指出的是，所有这些仪器，尽管它们具有高性能，但还是相当大的且具有质量要求。例如，如果用于非常宽的光谱范围的成像光谱仪是基于全反射镜系统设计的，则它们在精度方面是最好的。这进而导致大型的、质量非常大的、复杂的和昂贵的系统。

对小型化光谱测定设备的研究实际上是世界性的努力，涵盖了在不同研究机构正在研究的多种不同方法。例如，NASA戈达德(Goddard)小组的 [L.Keesey，"NASA's GoddardSpace Flight Center(戈达德航天飞行中心)， Greenbelt，Md.,"2012.，http： //www.nasa.gov/topics/technology/features/chip-spectrometer.html]正致力于论证：芯片上的小型化光谱仪(其与1997年的Cassini Mission机载的合成红外光谱仪(CIRS)类似)可能对中红外频带灵敏。

潜在的设备是通常用于研究行星和星球的光谱并识别它们的化学成分和其它物理性质的迈克逊(Michelson)型FTS的大大缩小的版本。为了使大家明白新一代FTS的紧凑性，这样说就足够了：Cassini号宇宙飞船机载的 CIRS与洗碗机一样大，但是其很强大并且具有有价值的发现。然而，在NASA 戈达德处研究的所述设备可能仅能够测量单个像素，并且其构思无法实现可升级以发展为成像光谱仪。

代尔夫特理工大学(Technical University of Delft)已研究出基于色散原理的紧凑光谱仪构造，其在VIS NIR范围中运行并基于单个的铝涂层玻璃晶片。它们起推扫光谱仪的作用，但受限于有限光谱分辨率的市场需要。诸如 Imec(海弗莱，比利时)的公司开始使快照成像光谱仪商业化，快照成像光谱仪的特征是成像传感器的像素前方的法布里-珀罗(Fabry Perot)滤波阵列。它们的特征是相当大的波谱FWHM(在5至15nm的范围内)。此外，该方法仅可应用于推扫光谱仪以及应用于快照光谱仪，当前受限于VIS NIR应用，所述快照光谱仪应用处理技术来人工重构每个像素的光谱。

利用光子学和近场光学，Le Coarer等人[E.Le Coarer,"Wavelength-scalestationary-wave integrated Fourier-transform spectrometry.,"Nature Photonics1.8,pp.473-478,2007]在2007年介绍了一种驻波集成傅里叶变换光谱学 (SWIFTS)，在其中利用根据专利文献EP1825312的光学纳米探针的采集实现了隐失驻波的直接采样。

在SWIFTS^TM线性构造中，由终止于固定镜的单模波导创建驻波。对驻波进行采样所需的能量提取通过使用位于隐失场中的纳米散射点在波导的一侧对隐失波进行采样而获得。这些纳米点(其特征是与隐失场所处的介质的光学指数差)将光散射在与波导内的传播轴线垂直的轴线周围。对于每个纳米点，所散射的光由与该轴线对齐的像素检测。因此，检测到的强度与纳米点的精确位置处的波导的强度成比例。称为李普曼(Lippmann)变换(与傅里叶变换类似)的数学函数将所有校准数据考虑在内，并且在应用于线性图像时，给出光的光谱。在这些构造中，后反射元件(镜子)是固定的并且没有引入扫描的可能性。由于该原因，商业化的SWIFTS光谱仪可用在信号具有相当长的相干长度的应用中，例如，用于测量不稳定的激光源、多模激光的快速表征和激光的高速波长调谐。然而，在这些商业化的SWIFTS产品与用于航天/商业应用的适合的小型化产品之间仍存在显著的差异。该构造的另一缺点在于，固有构造允许分析由奈奎斯特原理(Nyquist principle)限制的带宽的波谱范围(通常为5至10nm)。

近年来，已公开了可应用于光谱学的突破性核心技术。在2010年，基于波导中的李普曼和盖伯(Gabor)驻波，已引入了光谱学的新颖构思，称为“焦平面阵列光谱仪(FPAS)”[G.B.and K.S.,"Focal Plane Array Spectrometer: miniaturization effort forspace optical instruments.,"Proc.of SPIE,vol.Vol7930, pp.01-14,2010]。FPAS是驻波集成傅里叶变换光谱仪的宽频带成像实施，目标为星载应用。FPAS优于先前实施的优势在于，它允许在极小的体积内执行傅里叶变换光谱学，并允许借助干涉图扫描原理扩大感兴趣的重新收集的光谱范围。FPAS(高度集成的仪器构思)基于波导的二维阵列，其中光在一边界处射入。在每个波导中，波导的一端中的射入光沿着该波导传播，并且被波导的另一边界上的镜子反射。这生成了静止的(或驻波)干涉图样。该驻波图样借助在几何上固定在波导和检测器上的隐失场采样器进行采样。与傅里叶变换光谱仪中的类似，观测场景的光谱内容在驻波中正在生成具体干涉图样，称为干涉图。为了采样干涉图，光在波导的顶部上在不同位置处外耦合(out-coupled)。由隐失场采样器采样的干涉图图样(由在波导中向前和向后传播的光生成)被引导(例如，通过图像传输光学器件)到矩阵检测器的像素。为了首先扩大重新收集的光谱的光谱带宽并且为了收集信号的相干长度内的干涉图收集，采用扫描镜。矩阵检测器将收集的光传输给电信号，并将其发送到处理单元(DSP或FPGA)。这种FPAS光谱仪可以以小尺寸组装，并形成单个光谱仪的紧凑封装。当该系统设置在物镜的焦平面中时，其将允许观测表面(物体)的成像光谱学。

FPAS确实是成像光谱仪的小型化构思。然而，其性能特别受在几何上固定在波导上的干涉图采样器限制。采样器无法设置在奈奎斯特判据 (Nyquist criterion，奈奎斯特准则)所需的空间距离处，否则它们之间的亚微米距离可能在提取数据之间引起串扰(crosstalk)。串扰是由引导模式的逆反射及它们在波导中的传播引起的。除此之外，普通检测技术要么需要用于从采样器采集采样数据的笨重光学器件要么需要复杂的电子器件。

概况地说，现有技术的缺点在于，使用普通光刻技术的单独波导制造技术使组装非常复杂，另一方面，包括图形传输光学器件和检测器矩阵的检测技术非常耗费空间并且不适于堆叠像素。

发明内容

本发明的目的是一种可轻量化简单制造并且高度紧凑的波导成像光谱仪，其包括具有相应的检测器阵列的波导。

本发明的另一目的是一种波导光谱仪的简化制造技术，波导光谱仪可在非常小的体积内堆叠。

提出的用于实现紧凑波导成像光谱仪的解决方案包括将表面波导刻写到基底中，该基底与直接制造在波导表面上的薄的检测器阵列集成。

附图说明

下面结合附图描述本发明主题的优选示例性实施例。

图1示出了单像素波导光谱仪的立体图，该单像素波导光谱仪包括基底、刻写的波导(inscribed waveguide)、石墨烯光检测器、金属导体和反射表面。

图2示出了基底的立体仰视图，在包含波导的基底的底部上具有吸光涂层。

图3示出了单基底设置(1D)中的具有4像素的波导阵列的波导成像光谱仪的立体图。

图4示出了四个波导光谱仪的叠层形式的波导成像光谱仪的立体图，其具有单基底设置中的包括4个像素的波导阵列，具有紧凑成像光谱仪构造(2D)中的4x4像素的子阵列。

图5是中间基底层和在其底侧上的抗反射涂层的前侧视图。

图6是紧凑成像光谱仪构造中的4x4像素的子阵列，该构造包括中间基底、抗反射(具有波导的基底的底部上的暗影(dark back))层和吸收层。

图7示出了根据图6的成像光谱仪的后侧视图，示出了伸向电读出器的导体，该电读出器包括中间基底、抗反射(具有波导的基底的底部上的暗影)层和吸收层(位于中间基底层的底部上)。

具体实施方式

图1示出了波导光谱仪1，包括具有一个表面波导11的一个基底层10。表面波导11从部分通过基底层10的入口面12延伸到反射元件13。在刻写的表面波导11的区域中，折射率改变并且不同于没有激光辐射的基底材料。在图1中示出了单像素波导光谱仪1，其包括一个基底层10和一个表面波导 11。每个表面波导11展现出朝向基底层10的前侧I的宽度为D的纵向开口 110。纵向开口110在前侧I处展现出平坦表面。表面波导11直接刻写在基底层10中，旨在以设计波长进行单模波传播。

基底层10展现出基底长度l、基底宽度w1和基底高度t1，而在前侧I 表面的中间，表面波导11沿着基底长度l的方向延伸，部分地通过基底层10 伸向反射元件13。

多个光检测器14、14′、14″、14″′连接到多个电 导体15，这些导体至少部分地沿着基底层10的前侧I上的至少一个表面波导11布置。电 导体15印刷在前侧I的表面上，以用于光检测器14、14′、14″、14″′的电连接。具体为金属的电 导体15将电信号传输到电读出器，该电读出器设置在光检测器14阵列的后侧B处，背对基底层10的入口面12侧。

光检测器14分布在基底层10的前侧I上，至少部分地桥接或搭接表面波导11的纵向开口110。此处，示例性地示出八个等距离布置的光检测器14，但数量可改变。每个光检测器14具有沿着基底长度l的方向突出的宽度f和相邻检测器14之间的距离p。光检测器14、14′、14″、14″′的阵列中的第一光检测器14(或第一采样器)与具有反射表面的反射元件13相隔距离m。

我们介绍了碳基纳米结构(具体为石墨烯)作为用于光检测器14、14′、 14″、14″′的材料。光检测器14、14′、14″、14″′是成型板，具有至少一个石墨烯层，包括已知的二维碳单层。石墨烯单层可与量子点(纳米点)结合，以增大石墨烯检测器的光灵敏性。

石墨烯基的光检测器14阵列基于石墨烯中的光电效应来工作。石墨烯通道的宽度f来自导波波长，例如，在1550nm的导波波长下，石墨烯通道的宽度f小于85nm，以对导波波长约为350nm的驻波适当采样。

相邻光检测器14(石墨烯通道或采样器)之间的距离p限定光谱仪的带宽。采样区域的整体长度ls限定光谱仪的光谱分辨率。

由于在宽频带应用中主要能量被储存得更靠近零光程差(ZPD)处的折射面，因此反射元件13或相应的反射表面13与第一光检测器或采样器14 之间的距离m最小化。

取决于感兴趣的光谱范围，使用适合的透明基底材料。例如，对于从可见光到中波长红外(MWRI，4μm)的应用，可使用铌酸锂材料作为基底层 10材料，或者对于可见光/NIR，可使用硼硅玻璃作为基底层10材料，其中引入表面波导11。

表面波导11的最大深度d和宽度D由操作的波长和用于刻写波导11 的技术限定，即，对于从可见光到NIR的应用，由沿着基底的折射率局部变化产生的单芯波导11，或对于短波红外(SWIR)和中波长红外(MWIR) 的应用，通过在基底层10中产生具有横向间隔的多个平行损伤轨迹的表面包层波导11。

例如，在1550nm下，为了铌酸锂(LiNbO3)晶体中的最佳单模传播，需要直径小于30μm的飞秒脉冲激光刻写的表面包层波导11。优化波导11 的深度d，以便得以进入基底层10的前侧I的顶表面上的隐失场。

可使用(例如)聚焦离子束(FIB)铣削技术将用作反射镜的反射元件 13尽可能靠近第一石墨烯通道14进行机加工，由设计波长下的反射材料填充。

为了防止信号干扰，特别是在将具有表面波导11的基底层10堆叠为两个或三个d阵列时，在基底层10的后侧II上涂覆吸光涂层100。所使用的该吸光涂层100基于碳或碳纳米管，例如，可使用超黑材料或已知的黑涂料。

图3示出了所介绍的具有四个独立的表面波导11、11′、11″、11″′的一个基底层10。光谱仪1′(单基底设置(1D)中的4个像素的波导阵列)在一个基底层10中包括一排表面波导11。每个表面波导11的每个纵向开口110 具有光检测器14的阵列，所述光检测器具有相关电 导体15。沿着基底层10宽度w的方向，相邻表面波导11之间的距离为dw。在图1中示出的单像素设置在基底层10中重复。像素之间的距离dw基于电读出器和金属电 导体15所需的间隔(从几μm到若干mm)来限定。

如图4所描绘的，构建包括多个基底层10、10′、10″、10″′(每个基底层均包括多个表面波导11、11′、11″、11″′且至少在中间基底层的后侧II上包括吸光涂层100)的光谱仪叠层1″是可行的。叠层1″具有高度t和叠层宽度W。基底层粘合或胶粘在一起。粘合可通过将吸收涂层优化为包括粘合功能、通过额外的薄粘合剂层或通过在外部添加外部固定器件而实现。

为了进一步改进波导光谱仪1″′，与具有刻写在其内的波导11的基底层 10材料类似的中间基底层16设置在每个具有表面波导11的基底层10的前侧I，以防止在堆叠时导波的失真和与紧邻的上基底层10′的串扰。中间基底层16的厚度应小于基底层10的厚度t1。在图6中以从表面波导11的入口面12的侧面看过去的立体图的方式描绘了这种叠层1″′形式的波导光谱仪。

中间基底层16的底部由抗反射材料的抗反射涂层160涂覆。

在图7的叠层1″′的侧视图中，示出了电 导体15伸向基底层10的端面并且因此伸向叠层1″′的端面，其中，电 导体15连接到电读出系统。

由于所有呈现的波导光谱仪1、1′、1″、1″′的电 导体15均伸向基底层10、 10′、10″、10″′的端面这个事实，可容易且直接地完成电 导体15与电读出系统的电连接。

我们介绍了非常紧凑的波导成像光谱仪1的两种创新的解决方案。第一方案改进了具有表面波导11的基底层10及其堆叠的制造工艺，从而以具有成本效率的方式实现推扫构造。

这包括将波导11直接刻写在包层基底中，例如，飞秒激光脉冲波导制造技术。

在大规模制造中，该构造提供了强健的、具有成本效率的解决方案，其直接进入沉积采样结构和检测器矩阵所需的基底的平滑表面上的隐失场。

第二方案涉及将光电检测器阵列直接制造在基底的表面上，以通过将光子转换为随后用于检索光谱信息的信号而直接检测隐失波。这由于创新的波导制造技术现在是可行的，该波导制造技术在基底层10的前侧I处的波导 11的顶部上提供了平滑的宽表面。

检测器14(例如，石墨烯纳米检测器14的阵列)直接印刷在基底层10 的前侧I上，与波导11的传播模式的隐失场直接接触。该方法的极大优势在于，不需要任何用于收集由隐失场采样器提取的信号的图像传输光学器件；数据被本地转换为用于数据处理的电信号。

在将多个光检测器14和电导体15印刷到基底层10的前侧I上之前，在沿着基底层10的长度l的方向利用激光束在基底层10中刻写至少一个表面波导11之后，将反射元件13直接设置到表面波导11上或表面波导中。

这些新技术为成本效率地制造堆叠结构铺平了道路，该堆叠结构为超光谱(2D)传感器(将代表预期的主要突破)的研发中所需。

与提供单像素解决方案的SWIFTS技术相比，此处介绍的设备是推扫构造中的像素的阵列。另一方面，由于没有现有技术提出的图像传输光学器件和普通检测器矩阵(CCS、CMOS等)，该新设备能以非常小的体积堆叠。

可选地，反射元件13可被构造为在表面波导11的纵向开口110中可移动，以改变所反射的反向传播的光信号的传播性质并且因此改变生成的干涉图样。可移动的反射元件13可被制造为直接蚀刻或铣削到波导中并静电地移动的MEMS(微机电系统)结构，诸如当今的其它MEMS结构。

标号清单

1 波导光谱仪

1′ 在一个基底层中具有一排波导的光谱仪

1″ 具有若干个基底层的叠层的光谱仪

1″′ 具有若干个基底层/中间基底层的叠层的光谱仪

10 基底层

I 前侧

II 后侧/吸收侧

100 吸光涂层

l 基底长度

w1 基底宽度

t1 基底高度

11 表面波导

110 纵向开口

d 最大深度

D 宽度

ls 采样区域的总长度

m 反射表面与第一采样器/光检测器之间的距离

dw 沿着基底宽度的方向的相邻波导之间的距离

12 入口面

13 具有反射表面的反射元件

14 光检测器/石墨烯通道

f 石墨烯通道的宽度

p 相邻石墨烯通道之间的距离

B 光检测器阵列的后侧

15 电 导体(金属的)

16 中间基底层

160 抗反射涂层

Claims (15)

1.波导光谱仪(1)，包括具有至少一个波导的至少一个基底层(10)，所述波导从部分通过所述基底层(10)的入口面(12)延伸到反射元件(13)，

其中，多个光检测器(14)布置在所述基底层(10)的前侧(I)上，允许在所述光检测器(14)的位置处从所述波导外耦合隐失场，同时所述光检测器(14)能应用为隐失场采样器，所述隐失场采样器均电连接到电读出系统，

其中，

所述波导是表面波导(11、11′、11″、11″′)，展现出位于所述入口面(12)与所述反射元件(13)之间朝向所述基底层(10)的前侧(I)的具有宽度(D)的纵向开口(110)，

同时所述光检测器(14、14′、14″、14″′)印刷分布在所述基底层(10)的顶部上的前侧(I)处，沿着采样区域的总长度(ls)与所述表面波导(11)的纵向开口(110)至少部分地交叠，

并且通过多个印刷的电导体(15)实现光检测器(14、14′、14″、14″′)与所述电读出系统的电连接。

2.根据权利要求1所述的波导光谱仪(1)，其中，所述电导体(15)沿所述基底层(10)的前侧(I)突出，伸向所述基底层(10)的两端的端面，以提高与所述电读出系统的简单电连接。

3.根据权利要求1或2所述的波导光谱仪(1)，其中，所述光检测器(14)是片状性质的。

4.根据权利要求3所述的波导光谱仪(1)，其中，所述光检测器(14、14′、14″、14″′)包括能印刷的碳基纳米结构。

5.根据权利要求1所述的波导光谱仪(1)，其中，所述基底层(10)包括LiNbO3或硼硅玻璃。

6.根据权利要求1所述的波导光谱仪(1)，其中，所述至少一个表面波导(11、11′、11″、11″′)直接刻写到所述基底层(10)中。

7.根据权利要求1所述的波导光谱仪(1)，其中，一吸光涂层(100)涂覆在所述基底层(10)的后侧(II)上。

8.根据权利要求1所述的波导光谱仪(1)，其中，一中间基底层(16)利用所述基底层(10)的前侧(I)固定在所述基底层(10)上，所述中间基底层的后侧上包括抗反射涂层(160)。

9.根据权利要求1所述的波导光谱仪(1)，其中，在一个所述基底层(10)中多个表面波导(11、11′、11″、11″′)被布置为构建表面波导排，每个表面波导均展现出位于所述入口面(12)与所述反射元件(13)之间朝向所述基底层(10)的前侧(I)的纵向开口(110)，同时所述光检测器(14、14′、14″、14″′)分布在所述基底层(10)的顶部上的前侧(I)处，至少部分地桥接所述表面波导(11)的纵向开口(110)，并且通过多个印刷的所述电导体(15)实现所述光检测器(14、14′、14″、14″′)与所述电读出系统的电连接。

10.根据权利要求1所述的波导光谱仪(1)，其中，多个所述基底层分别包括多个表面波导(11、11′、11″、11″′)，而且多个所述基底层通过将所述基底层(10、10′、10″、10″′)的后侧(II)与相邻基底层(10、10′、10″、10″′)的前侧(I)连接而堆叠，构建具有若干个基底层(10、10′、10″、10″′)的叠层(1″)。

11.根据权利要求8所述的波导光谱仪(1)，其中，一光谱仪叠层(1″′)被构建为，包括具有连接的所述中间基底层(16)的多个基底层(10)。

12.用于制造根据前述权利要求中的任一项所述的波导光谱仪(1)的方法，包括以下步骤：

-沿着基底层(10)的长度(l)的方向利用激光束在所述基底层(10)中刻写至少一个表面波导(11)，

-将反射元件(13)直接设置到所述表面波导(11)上或所述表面波导中，

-将多个光检测器(14)和电导体(15)直接印刷到所述基底层(10)的前侧(I)上。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述反射元件(13)通过光刻或铣削技术设置到所述至少一个表面波导(11)中，在铣削位置处或附近生成反射表面。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述表面波导(11)的刻写是利用飞秒激光脉冲完成的。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，在制造具有至少一个表面波导(11)的所述基底层(10)、设置所述反射元件(13)和印刷多个所述光检测器(14)和所述电导体(15)之后，通过重复所述步骤而构建叠层(1″、1″′)。

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