CN110346313A - 一种光调制微纳结构、微集成光谱仪及光谱调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱设备技术领域，尤其涉及一种光调制微纳结构、微集成光谱仪及光谱调制方法。该光调制微纳结构包括位于光电探测层上面的光调制层，光调制层能够对入射光进行调制，从而在光电探测层上形成差分响应，以便于重构得到原光谱，从而解决现有的光谱仪过于依赖精密光学部件而使得光谱仪体积庞大、很重且昂贵的缺陷。该光调制层包括底板和至少一个调制单元，底板设在光电探测层上，各个调制单元位于底板上，每个调制单元内分别设有若干个穿于底板内的调制孔，同一调制单元内的各个调制孔排布成一具有特定排布规律的二维图形结构，利用不同的二维图形结构实现对不同波长的光的调制作用，并提高光谱仪的分析准确性。

Description

一种光调制微纳结构、微集成光谱仪及光谱调制方法

技术领域

本发明涉及光谱设备技术领域，尤其涉及一种光调制微纳结构、微集成光谱仪及光谱调制方法。

背景技术

光谱仪是获得光谱信息的仪器。光谱携带的信息量丰富，可用于物质识别、检测和分析，在农业、生物、化学、天文、医疗、环境检测、半导体工业等领域得到广泛应用。

根据工作原理，现有商用的光谱仪可分为两种：基于单色仪的和基于傅里叶变换的。具体为：基于单色仪原理是指通过光栅将不同波长的光在空间上分开，再用狭缝将不同波长的光滤出来，由光敏元件探测；基于傅里叶变换原理是指将光分成两束，经过不同光程后干涉，对干涉谱进行傅里叶变换得到原始光谱。

上述现有的这两类光谱仪都存在以下问题：一方面，这两类光谱仪都需要精密移动的分光部件，如光栅、棱镜、狭缝或反射镜，这些精密光学部件的需求使光谱仪体积庞大、很重且昂贵。第二方面，光谱仪的各光学部件必须保持极其清洁且完美地对齐，才能保证产品使用质量，这就使光谱仪的制造昂贵且使仪器非常精密，一旦光学部件失去对齐，则修理上非常复杂，导致维护成本很高。第三方面，这两类光谱仪的精度越高，所要求的光经过的路程越长，则需要的内部空间也越大，难以应用到消费级便携式设备上。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种光调制微纳结构、微集成光谱仪及光谱调制方法，利用光调制微纳结构对入射光进行调制，从而解决现有的光谱仪过于依赖精密光学部件而使得光谱仪体积庞大、很重且昂贵的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光调制微纳结构，包括位于光电探测层上面的光调制层，所述光调制层包括底板和至少一个调制单元，所述底板设在所述光电探测层上，各个所述调制单元位于所述底板上，每个所述调制单元内分别设有若干个穿于所述底板内的调制孔，同一所述调制单元内的各个所述调制孔排布成一具有特定排布规律的二维图形结构。

在部分实施例中，所述二维图形结构的特定排布规律包括：

同一所述二维图形结构内的所有所述调制孔同时具有相同的特定截面形状，各个所述调制孔按照结构参数大小渐变顺序成阵列排布；和/或

同一所述二维图形结构内的各个所述调制孔分别具有特定截面形状，各个所述调制孔按照特定截面形状进行组合排列。

在部分实施例中，所述调制孔的结构参数包括内径、长轴长度、短轴长度、旋转角度、边长或角数；所述调制孔的特定截面形状包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形。

在部分实施例中，各个所述调制孔按照特定截面形状进行组合排列时，所述排列的顺序为按照预设周期顺序逐行或逐列排布。

在部分实施例中，所述调制孔的底部穿透所述底板或是不穿透所述底板。

在部分实施例中，所述光调制层直接在所述光电探测层上生成，所述光调制层的生成方式包括沉积或基于对衬底的刻蚀，所述衬底位于所述光电探测层上；或是将已制备好的所述光调制层转移至所述光电探测层上。

本发明还提供了一种微集成光谱仪，该微集成光谱仪包括：

如上所述的光调制微纳结构，用于对入射光进行光调制，以得到调制后的光谱；

光电探测层，位于所述光调制微纳结构的下面，用于接收所述调制后的光谱，并对所述调制后的光谱提供差分响应；

信号处理电路层，位于所述光电探测层的下面，用于将所述差分响应重构，以得到原光谱。

在部分实施例中，该微集成光谱仪还包括：

透光介质层，位于所述光调制微纳结构与光电探测层之间。

在部分实施例中，所述光电探测层包括有至少一个探测单元，所述光调制微纳结构的每个微光调制单元分别对应的设在至少一个所述探测单元的上面，所有的所述探测单元之间通过所述信号处理电路层电连接。

本发明还提供了一种光谱调制方法，该光谱调制方法包括：

利用光调制微纳结构对入射光进行光调制，以得到调制后的光谱；

利用光电探测层接收所述调制后的光谱，并对所述调制后的光谱提供差分响应；

利用信号处理电路层将所述差分响应重构，以得到原光谱。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的光调制微纳结构包括位于光电探测层上面的光调制层，光调制层能够对入射光进行调制，从而在光电探测层上形成差分响应，以便于重构得到原光谱，利用该光调制微纳结构可以取代现有光谱仪中的各类精密光学部件，从而实现在微纳结构领域内的光谱仪的应用型，使得微集成光谱仪能在不需要光栅、棱镜、反射镜或其他类似空间分光元件的情况下进行工作，解决了现有的光谱仪过于依赖精密光学部件而使得光谱仪体积庞大、很重且昂贵的缺陷。

2、该光调制层包括底板和至少一个调制单元，底板设在光电探测层上，各个调制单元位于底板上，每个调制单元内分别设有若干个穿于底板内的调制孔，同一调制单元内的各个调制孔排布成一具有特定排布规律的二维图形结构，利用不同的二维图形结构实现对不同波长的光的调制作用，该调制作用包括但不限于光的散射、吸收、投射、反射、干涉、表面等离子激元以及谐振等作用，利用二维图形结构的区别还可以提高不同区域间光谱响应的差异性，从而提高光谱仪的分析精度。

3、该光调制层内的各个调制单元无需考虑精密对齐等问题，并且基于光调制微纳结构制成的光谱仪既能保证高精度，又无需增加光程，则光谱仪的内部结构无需构造过大，则该微集成光谱仪的使用更加方便，并且完全不会对光谱仪的测算精密性造成不利影响，还可以将光谱仪的尺寸缩小到芯片级别，并且性能稳定，成本降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的光调制微纳结构的结构示意图；

图2为本发明实施例一的光调制微纳结构的剖视图；

图3为本发明实施例一的光调制层的结构示意图；

图4为本发明实施例一的光电探测层的结构示意图；

图5为本发明实施例一的光谱探测效果图；

图6为本发明实施例二的光调制层的结构示意图；

图7为本发明实施例三的光调制微纳结构的结构示意图；

图8为本发明实施例三的光调制微纳结构的剖视图；

图9为本发明实施例三的光调制微纳结构的结构示意图；

图10为本发明实施例三的光谱探测波长强度关系示意图；

图11为本发明实施例三的光谱探测效果图；

图12为本发明实施例四的光调制微纳结构的剖视图；

图13为本发明实施例六的光调制微纳结构的剖视图；

图14为本发明实施例七的光调制微纳结构的剖视图；

图15为本发明实施例七的光调制层的结构示意图；

图16和图17分别为本发明实施例八的光调制微纳结构制备方法的过程示意图。

其中，1’、衬底；1、光调制层；2、光电探测层；3、信号处理电路层；4、透光介质层；5、调制单元；6、微纳孔；7、探测单元；8、间隙；11、第一调制单元；12、第二调制单元；13、第三调制单元；14、第四调制单元；15、第五调制单元；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。除非另有说明，否则本发明中所提及的微纳结构均为光调制微纳结构的简称。

本发明各实施例提供了一种光调制微纳结构，该微纳结构能够取代光谱仪中的精密光学部件，以实现对入射光的精密调制；并且利用该光调制微纳结构可以灵活地实现对不同波长光的调制作用，该调制作用包括但不限于光的散射、吸收、投射、反射、干涉、表面等离子激元以及谐振等作用，提高不同区域间光谱响应的差异性，从而提高光谱仪的分析精度。

本实施例的光调制微纳结构包括位于光电探测层2上面的光调制层1，光调制层1能够对入射光进行上述的调制作用。该光调制层1上同一调制单元5内的各个调制孔6排布成一具有特定排布规律的二维图形结构，利用不同的二维图形结构实现对不同波长的光的调制作用，利用二维图形结构的区别还可以提高不同区域间光谱响应的差异性，从而提高光谱仪的分析精度。

基于该微纳结构，本本发明各实施例还提供了一种微集成光谱仪。该光谱仪包括光调制微纳结构、光电探测层2和信号处理电路层3。该光谱仪能够利用光调制微纳结构的光调制层1对入射光进行调制，从而在光电探测层2上形成差分响应，以便于重构得到原光谱，利用该光调制微纳结构可以取代现有光谱仪中的各类精密光学部件，从而实现在微纳结构领域内的光谱仪的应用型，使得微集成光谱仪能在不需要光栅、棱镜、反射镜或其他类似空间分光元件的情况下进行工作，解决了现有的光谱仪过于依赖精密光学部件而使得光谱仪体积庞大、很重且昂贵的缺陷。

以下具体通过若干个实施例对本发明所述的微纳结构和微集成光谱仪进行详细说明。

实施例一

如图1所示，本实施例一提供的微集成光谱仪中，光调制微纳结构上的光调制层1包括一个调制单元5。该调制单元5内的所有调制孔6均贯穿底板。该调制单元5内的所有调制孔6均具有相同的特定截面形状，本实施例一以图1所示的椭圆形为例。所有调制孔6按照结构参数大小渐变顺序成阵列排布形成二维图形结构。该二维图形结构中，所有调制孔6成阵列排布，并且所有调制孔6按照长轴长度、短轴长度和旋转角度由小到大逐行逐列排布，从而使得所有调制孔6在光调制层1的底板上整体组成了一个调制单元5。

可理解的是，如图3所示，由于本实施例的所有调制孔6都是按照同一排布规律进行排列的，即按照长轴长度、短轴长度和旋转角度的结构参数由小到大逐行逐列的渐变排布，故而该光调制层1上的所有调制孔6既可以视为一整体调制单元5，也可以将其任意分割成若干个调制单元5，任意划分出的调制单元5对于光谱都有不同的调制作用，理论上可获得无穷多组调制后的光谱样本，从而急剧增大了用以重构原光谱的数据量，有助于对于宽带光谱的谱型的恢复。则根据每个调制单元5内的调制孔6结构参数特性确定该调制单元5对不同波长的光的调制作用的效果即可。

可理解的是，上述的调制孔6的特定截面形状包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形等，也可以为上述各形状的任意组合。则对应的，上述的调制孔6的结构参数包括内径、长轴长度、短轴长度、旋转角度、角数或边长等。

本实施例一所述的光调制层1的底板厚度为60nm～1200nm，光调制层1与光电探测层2之间直接连接或者通过透光介质层4连接。光电探测层2与信号处理电路层3之间为电连接。其中，如图3所示，光探测层上的所有调制孔6均为椭圆形，所有椭圆形调制孔6的长轴长度和短轴长度分别逐行逐列增大，并且以图3中水平向为横轴，竖向为纵轴，则所有椭圆形调制孔6逐行逐列的自纵轴向横轴旋转，其旋转角度逐渐增大。所有的调制孔6组成了一个整体二维图形结构，该二维图形结构整体为一矩阵结构，该矩阵结构的面积范围为5μm²～4cm²。

本实施例所述的光调制微纳结构在制造时，选用硅基材料同时作为光调制层1和光电探测层2的材料，以便在制备工艺的加工上具有很好的兼容性。在制备光调制层1时，可直接在光电探测层2上生成光调制层1，也可以先将已制备好的光调制层1转移至光电探测层2上。

具体的，光调制层1的直接生成方式具体包括：直接在光电探测层2上沉积生成按照图3所示的结构排布的光调制层1；或是先在光电探测层2上装有硅基材料制成的衬底，然后在衬底上按照图3所示的结构进行微纳加工开孔，以得到光调制层1。

上述的直接沉积生长的过程为：第一步、在光电探测层2上通过溅射、化学气相沉积等方法沉积厚度为100nm～400nm的硅平板。第二步、用光刻、电子束曝光等图形转移方法在上面绘制出所需的二维图形结构，结构如图3所示。该二维图形结构具体为：仅对椭圆形调制孔6的短轴和旋转角度进行渐变调整，椭圆长轴选取200nm～1000nm中的定值，例如500nm；短轴长度在120nm～500nm范围内变化，椭圆的旋转角度在0°～90°范围内变化，椭圆的排列周期为200nm～1000nm中的定值，例如500nm。该二维图形结构的图形整体范围约为长115μm、宽110μm的矩形阵列结构。第三步、通过反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀以及离子束刻蚀等方法对硅平板进行刻蚀即可得到所需光调制层1。最后将光调制层1和光电探测层2整体通过电连接到信号处理电路层3上即可。

进一步的，本实施例给出了另一种光调制微纳结构的制备过程，具体为：光电探测层2内装有III-V族探测器，具体为GaAs/InGaAs的量子阱探测器。如图16所示，将探测器倒扣键合在CMOS电路上，探测器包括GaAs衬底1’和InGaAs量子阱光电探测层2。如图17所示，直接将衬底1’进行减薄后，再在衬底1’上进行微纳加工，使之具有二维图形结构，从而形成光调制层1即可。该制备过程与上述的微纳加工开孔的区别仅在于将由探测器组成的光电探测层2的上表面直接作为威纳加工的衬底1’，从而保证了加工制备好的光调制层1与光电探测层2之间的紧密连接，避免出现缝隙影响光的调制作用效果。

上述的光调制层1的转移制备方式具体为：先在衬底上按照图3所示的结构通过微纳加工开孔，以得到制备好的光调制层1，然后将该已制备好的光调制层1转移到光电探测层2上。具体的，光调制层1的转移方法的过程为：先根据以上参数在硅片或SOI(指硅-绝缘体-硅片结构)上制备得到光调制层1，然后通过转移的方法转移到光电探测层2上，最后将光调制层1和光电探测层2整体通过电连接到信号处理电路层3上即可。

可理解的是，本实施例所述的能实现对光进行调制的光调制微纳结构包括但不限于一维、二维光子晶体、表面等离子激元、超材料和超表面。具体材料可包括硅、锗、锗硅材料、硅的化合物、锗的化合物、金属以及III-V族材料等。其中硅的化合物包括但不限于氮化硅、二氧化硅以及碳化硅等。透光层材料可包括二氧化硅和高分子聚合物等低折射率的材料。光电探测器可选择硅探测器(探测范围为780nm～1100nm)、III-V族半导体(如InGaAs/InAlAs、GaAs/AlGaAs)探测器(探测范围为1000nm～2600nm)、锑化物(如InSb)探测器(探测范围为1μm～6.5μm)以及HgCdTe探测器(探测范围为0.7～25μm)等。

本实施例一还提供了一种微集成光谱仪。如图1所示，该微集成光谱仪包括上述的光调制微纳结构、光电探测层2和信号处理电路。光调制微纳结构、光电探测层2和信号处理电路由上至下竖向连接并且彼此相互平行。其中，光调制微纳结构用于对入射光进行光调制，以得到调制后的光谱；光电探测层2用于接收调制后的光谱，并对调制后的光谱提供差分响应；信号处理电路层3用于将差分响应基于算法进行处理，以重构得到原光谱。

本实施例所述的光调制微纳结构如上所述，在此不再赘述。本实施例所述的光电探测层2如图2和图4所示。光电探测层2包括若干个探测单元7，光电探测层2内的每个探测单元7都装有至少一个光电探测器，光电探测器的探测范围略大于调制孔6的结构范围。由若干个探测单元7组成的阵列结构的光电探测层2能将探测得到的信号通过电接触传输给信号处理电路层3。

本实施例中，若干个调制孔6可同时对应一个探测单元7，也可以令每个调制孔6分别对应一个或多个探测单元7，也就是说每个调制单元5与一个或多个探测单元7在垂直方向上对应即可，这样只需满足同一调制单元5内都有至少一个调制孔6与至少一个探测单元7相对应即可。该结构设置保证该调制单元5总能对至少一种波长的入射光进行调制，并保证调制好的光可以被探测单元7接收。为了防止探测单元7在工作时互相干扰，优选相邻两个探测单元7之间留有间隙8。

本实施例所述的信号处理电路层3中搭载有算法处理系统，该算法处理系统能够将差分响应基于算法进行处理，以重构得到原光谱。

本实施例所述的微纳光谱结构及微集成光谱仪对于光谱探测的完整的流程为：首先，令光谱从光调制层1上方垂直入射通过光调制微纳结构时，经过光调制层1的调制，在不同的调制单元5内获得不同的响应光谱。经过调制的各个响应光谱分别照射到光电探测层2上，则对应设置的探测单元7接收到的响应光谱各不相同，从而得到差分响应，该差分响应是指对各个调制单元5各自调制后得到的响应光谱的信号之间求差值。最后，信号处理电路层3利用算法处理系统对差分响应进行处理，从而通过重构得到原光谱。该重构过程通过数据处理模块实施，数据处理模块包括光谱数据预处理以及数据预测模型。其中，光谱数据预处理是指对上述求得的差分响应数据中存在的噪声进行预处理，该光谱数据预处理所采用的处理方法包括但不限于傅里叶变换、微分和小波变换等。数据预测模型中包括由光谱数据信息得到对包含血糖浓度等相关的血糖参数的预测，其使用的算法包括但不限于最小二乘法、主成分分析以及人工神经网络。

图5示出了根据以上实施例进行实际的制备而得的光调制微纳结构及光谱仪在光谱分析时的光谱分析效果。如图5所示可知，该微纳结构可以实现对于光谱范围从600nm～800nm、谱宽为200nm的光谱的探测，并达到了对光谱测量准确率大于95.1％的效果。

实施例二

本实施例二所述的光调制微纳结构以及微集成光谱仪的结构、原理、光谱调制方法和制备方法均与实施例一基本相同，相同之处不再赘述。不同之处在于：

如图6所示，本实施例所述的微纳结构中，光调制层1上设有一整体调制单元5。该调制单元5中设有的二维图形结构内的各个调制孔6分别具有各自的特定截面形状，各个调制孔6按照特定截面形状进行自由组合排列。具体的，在该二维图形结构内，部分调制孔6的特定截面形状相同，具有相同特定截面形状的各个调制孔6构成了多个调制孔6组，各个调制孔6组的特定截面形状互不相同，且所有的调制孔6均自由组合。

可理解的是，该调制单元5整体可视为针对一种特定波长的光谱进行调制，也可以将其自由分割成若干个调制孔6调制单元，从而能针对多种不同波长的光谱进行调制，以增加光调制的灵活性和多样性。

实施例三

本实施例三所述的光调制微纳结构以及微集成光谱仪的结构、原理、光谱调制方法和制备方法均与实施例二基本相同，相同之处不再赘述。不同之处在于：

如图7和图8所示，本实施例的光调制微纳结构的光调制层1上排列有两个或两个以上的调制单元5。每个调制单元5中，当各个调制孔6按照特定截面形状进行组合排列时，其排列的顺序为按照预设预设的周期顺序逐行或逐列排布。

本实施例中，将所有调制孔6按照特定截面形状划分为若干个调制单元5，各个调制单元5内的调制孔6的特定截面形状互不相同。同一调制单元5内的调制孔6具有相同的特定截面形状，但各调制孔6的排列顺序按照结构参数的大小渐变顺序成阵列排布。从而使得每个调制单元5都具有不同的调制作用，并且能针对不同波长的光谱进行调制。根据调制需要改变调制单元5内的调制孔6结构参数的渐变顺序和/或调制孔6的特定截面形状，即可改变当前调制单元5的调制作用和/或调制对象。

具体如图9所示，光调制层1的底板上分布有三个调制单元5，分别为第一调制单元11、第二调制单元12和第三调制单元13。其中，第一调制单元11内的调制孔6均为圆形，且每个调制孔6的结构参数均相同，该第一调制单元11对于输入光谱有第一种调制方式；第二调制单元12内的调制孔6均为椭圆形，各个调制孔6按照结构参数大小成周期式逐行排列，即横置的椭圆形调制孔6与竖置的椭圆形调制孔6逐行交错排列，该第二调制单元12对于输入光谱有第二种调制方式；第三调制单元13内的调制孔6均为菱形，各个调制孔6按照结构参数大小成周期式逐行逐列排列，即横置的菱形调制孔6与竖置的菱形调制孔6逐行交错排列，同时横置的菱形调制孔6与竖置的菱形调制孔6逐列交错排列，则该第三调制单元13对于输入光谱有第三种调制方式。

可以理解的是，本实施例所述的“对不同波长的光有某种调制方式”可包括但不限于散射、吸收、透射、反射、干涉、表面等离子激元、谐振等作用。第一、第二和第三种光调制方式彼此区别。通过对于调制单元5内的调制孔6结构的设置，可以提高不同单元间光谱响应的差异，通过增加单元数量就可以提高对不同谱之间差异的灵敏度。

可理解的是，针对不同入射光谱测量时，可通过改变各调制单元5内的调制孔6结构参数来改变调制作用，结构参数的改变包括但不限于微纳结构周期、半径、边长、占空比和厚度等各参数中的一种以及它们的任意组合。

可理解的是，本实施例所述的微集成光谱仪中可使用如实施例一所述的调制单元5或实施例二所述的调制单元5或实施例一和实施例二所述的调制单元5的组合。

本实施例中，光调制层1为厚度200nm～500nm的氮化硅平板制成。光调制层1上共设有100～200个调制单元5，每个调制单元5的长为4μm～60μm，宽为4μm～60μm。每个调制单元5内部选取各种几何形状作为调制孔6的特定截面形状，每个调制单元5内为同一形状的周期排布，其占空比为10％～90％。其余结构均与实施例1或实施例2相同。

图10和图11均示出了根据以上实施例进行实际的制备而得的光调制微纳结构及光谱仪在光谱分析时的光谱分析效果。本实施例所述的微纳调制结构主要针对单波长光谱进行探测，其波长强度关系效果如图10所示，测量光谱与实际光谱中心波长的误差小于0.4nm，其探测效果如图11所示，光强的准确度大于99.89％。

实施例四

基于上述任一实施例所述的光调制微纳结构以及微集成光谱仪的结构、原理、光谱调制方法和制备方法，本实施例四提出了一种光调制微纳结构、微集成光谱仪以及光谱调制方法。相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图12所示，本实施例四所述的微集成光谱仪还包括透光介质层4，该透光介质层4位于光调制微纳结构与光电探测层2之间。具体的，该透光介质层4的厚度为50nm～1μm，材料可为二氧化硅。

本实施例所述的微集成光谱仪中，若在制备光调制层1时采用直接沉积生长的工艺方案，可在光谱探测层上通过化学气相沉积、溅射以及旋涂等方式覆盖该透光介质层4，然后在其上方进行光调制层1部分的沉积、刻蚀即可。若采用转移的工艺方案，则可将二氧化硅作为光调制层1的制备衬底，并在衬底上半部分直接通过微纳钻孔加工制备光调制层1，然后以二氧化硅衬底的下半部分直接作为透光介质层4，将制备好的光调制层1与透光介质层4这两部分整体转移到光探测层上即可。

可理解的是，本实施例所述的透光介质层4还可以设置为：将光电探测层2上方的光调制微纳结构整体通过外部支撑结构支撑以使之相对于光电探测层2悬空，则光调制层1与光电探测层2之间的空气部分即为透光介质层4。

实施例五

本实施例五基于实施例二的基础上，进一步提出了一种光调制微纳结构、微集成光谱仪以及光谱调制方法。本实施例五与实施例二的相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例五所述的光调制层1是基于厚度150～300nm的碳化硅平置底板制成。光调制层1上共有150～300个单元，每个单元长为15～20μm，宽为15～20μm。同一调制单元5中各个调制孔6的特定截面形状均为圆形，各单元间的圆孔周期、孔半径和占空比等参数各不相同。具体参数范围为：周期范围为180nm～850nm，孔半径范围为20nm～780nm，占空比范围为10％～92％。光电探测层2上至少一个装有InGaAs探测器。

本实施例所述的光调制微纳结构的制备工艺选用先制备光调制层1然后转移到光电探测层2上的转移工艺手段。

实施例六

基于上述任一实施例所述的光调制微纳结构以及微集成光谱仪的结构、原理、光谱调制方法和制备方法，本实施例六提出了一种光调制微纳结构、微集成光谱仪以及光谱调制方法。相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图13所示，本实施例七所述的光调制微纳结构中，各个调制孔6均不穿透所述底板。可理解的是，不论调制孔6是否穿透底板均不会对光调制微纳结构的调制作用造成不利影响，这是因为光调制层1选用的硅基材料或其他材料均为透光材料，光谱入射光调制层1时，受到各个调制单元5的结构影响而发生调制作用，但调制孔6底部对于光谱调制不产生不利影响。

本实施例所述的光调制微纳结构中，光调制层1的调制孔6底部至底板底部的厚度为60nm～1200nm，整个底板厚度为120nm～2000nm。

实施例七

基于上述各个实施例的组合，本实施例七提出了一种光调制微纳结构、微集成光谱仪以及光谱调制方法。相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图14和图15所示，本实施例七所述的光调制微纳结构中，光调制层1的底板上分布有五个调制单元5，分别为第一调制单元11、第二调制单元12、第三调制单元13、第四调制单元14和第五调制单元15，其中第五调制单元15范围最大，其面积不小于前四个调制单元的总和。

具体的，第一调制单元11、第二调制单元12、第三调制单元13、第四调制单元14整体成矩阵排列，其中，前三个调制单元11、12、13内的调制孔6排列方式与实施例三所述的调制孔6排列方式相同，第四调制单元14与第一调制单元11的调制孔6的特定截面形状相同，均为圆形，但第四调制单元14的调制孔6结构参数与第一调制单元11的调制孔6结构参数不同，具体为第四调制单元14的调制孔6内径小于第一调制单元11的调制孔6内径，故而第四调制单元14对于输入光谱有第四种调制方式。第五调制单元15内的各个调制孔6形成的二维图形结构与实施例一所述的二维图形结构相同，则第五调制单元15对于输入光谱有第五种调制方式。

由此可见，本实施例七所述的光调制微纳结构利用不同单元间的不同调制孔6特定截面形状的区别、以及同一单元内特定的调制孔6排列方式，实现利用改变调制孔6特定截面形状、调制孔6的结构参数以及调制孔6排列周期实现对不同波长的光谱进行不同的调制作用。

可理解的是，对于实施例一和实施例二的渐变式阵列调制单元5的结构，其任意划分出的调制单元5对于光谱都有不同的调制作用，理论上可获得无穷多组调制后的光谱样本，从而急剧增大了用以重构原光谱的数据量，有助于对于宽带光谱的谱型的恢复。

对于实施例三的周期式调制单元5的结构，其周期结构可产生二维周期的色散、谐振作用，谐振作用包括但不限于光子晶体的能带控制以及二维光栅的谐振等原理。通过谐振作用可增强对于特定波长的探测精度。

如果将上述的实施例一、实施例二和实施例三中的调制单元5同时应用在芯片上时，能够综合上述两种优势。并且在切顶光调制层的尺寸范围时，上述三个实施例的光调制微纳结构都可以制备成微米量级甚至更小的结构，这对于微集成光谱仪的小型化微型化生产和使用具有重大意义；上述的光调制微纳结构配合由不同的光电探测器构成的光电探测层，在原则上可以实现对于全波段的光谱探测，从而使得光谱仪的宽谱探测性能更加出色。

综上所述，本实施例的光调制微纳结构包括位于光电探测层2上面的光调制层1，光调制层1能够对入射光进行调制，从而在光电探测层2上形成差分响应，以便于重构得到原光谱，利用该光调制微纳结构可以取代现有光谱仪中的各类精密光学部件，从而实现在微纳结构领域内的光谱仪的应用型，使得微集成光谱仪能在不需要光栅、棱镜、反射镜或其他类似空间分光元件的情况下进行工作，解决了现有的光谱仪过于依赖精密光学部件而使得光谱仪体积庞大、很重且昂贵的缺陷。

该光调制层1上同一调制单元5内的各个调制孔6排布成一具有特定排布规律的二维图形结构，利用不同的二维图形结构实现对不同波长的光的调制作用，该调制作用包括但不限于光的散射、吸收、投射、反射、干涉、表面等离子激元以及谐振等作用，利用二维图形结构的区别还可以提高不同区域间光谱响应的差异性，从而提高光谱仪的分析精度。

该光调制层1内的各个调制单元5无需考虑精密对齐等问题，并且基于光调制微纳结构制成的光谱仪既能保证高精度，又无需增加光程，则光谱仪的内部结构无需构造过大，则该微集成光谱仪的使用更加方便，并且完全不会对光谱仪的测算精密性造成不利影响，还可以将光谱仪的尺寸缩小到芯片级别，并且性能稳定，成本降低，从而使得微集成光谱仪可实现大规模流片生产，与现有的光谱仪相比，具有更加稳定的生产制备工艺，且具有更低的生产和使用成本。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”和“若干个”的含义都是指两个或两个以上；除非另有说明，“缺口状”的含义为除截面平齐外的形状。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种光调制微纳结构，其特征在于，包括位于光电探测层上面的光调制层，所述光调制层包括底板和至少一个调制单元，所述底板设在所述光电探测层上，各个所述调制单元位于所述底板上，每个所述调制单元内分别设有若干个穿于所述底板内的调制孔，同一所述调制单元内的各个所述调制孔排布成一具有特定排布规律的二维图形结构。

2.根据权利要求1所述的光调制微纳结构，其特征在于，所述二维图形结构的特定排布规律包括：

同一所述二维图形结构内的所有所述调制孔同时具有相同的特定截面形状，各个所述调制孔按照结构参数大小渐变顺序成阵列排布；和/或

同一所述二维图形结构内的各个所述调制孔分别具有特定截面形状，各个所述调制孔按照特定截面形状进行组合排列。

3.根据权利要求2所述的光调制微纳结构，其特征在于，所述调制孔的结构参数包括内径、长轴长度、短轴长度、旋转角度、边长或角数；所述调制孔的特定截面形状包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形或矩形。

4.根据权利要求2所述的光调制微纳结构，其特征在于，各个所述调制孔按照特定截面形状进行组合排列时，所述排列的顺序为按照预设周期顺序逐行或逐列排布。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光调制微纳结构，其特征在于，所述调制孔的底部穿透所述底板或是不穿透所述底板。

6.根据权利要求1-4任一项所述的光调制微纳结构，其特征在于，所述光调制层直接在所述光电探测层上生成，所述光调制层的生成方式包括沉积或基于对衬底的刻蚀，所述衬底位于所述光电探测层上；或是将已制备好的所述光调制层转移至所述光电探测层上。

7.一种微集成光谱仪，其特征在于，包括：

如权利要求1-6任一项所述的光调制微纳结构，用于对入射光进行光调制，以得到调制后的光谱；

光电探测层，位于所述光调制微纳结构的下面，用于接收所述调制后的光谱，并对所述调制后的光谱提供差分响应；

信号处理电路层，位于所述光电探测层的下面，用于将所述差分响应重构，以得到原光谱。

8.根据权利要求7所述的微集成光谱仪，其特征在于，还包括：

透光介质层，位于所述光调制微纳结构与光电探测层之间。

9.根据权利要求7所述的微集成光谱仪，其特征在于，所述光电探测层包括有至少一个探测单元，所述光调制微纳结构的每个微光调制单元分别对应的设在至少一个所述探测单元的上面，所有的所述探测单元之间通过所述信号处理电路层电连接。

10.一种光谱调制方法，其特征在于，包括：

利用光调制微纳结构对入射光进行光调制，以得到调制后的光谱；

利用光电探测层接收所述调制后的光谱，并对所述调制后的光谱提供差分响应；

利用信号处理电路层将所述差分响应重构，以得到原光谱。