CN111854949A - 弱光光谱检测芯片及弱光光谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱设备技术领域，尤其涉及一种弱光光谱检测芯片及弱光光谱检测方法。该弱光光谱检测芯片包括光调制层和光电探测层，光调制层包括底板和至少一个调制单元，底板平置并连接于光电探测层上，每个调制单元内分别设有若干个穿于底板内的调制孔；光电探测层包括若干组探测单元，探测单元设置于调制单元的下方，每个探测单元内分别设有至少一个光电探测器，光电探测器用于在入射光射入调制单元形成调制光以后，对调制光进行弱光检测，通过对响应信号算法重构得到光谱。本发明的芯片将光谱仪缩小至芯片级别，并且不必依赖精密光学仪器，具有性能稳定、成本降低、便于操作和携带、以及可灵活移动的优点，还可以实现对弱光的光谱检测。

Description

弱光光谱检测芯片及弱光光谱检测方法

技术领域

本发明涉及光谱设备技术领域，尤其涉及一种弱光光谱检测芯片及弱光光谱检测方法。

背景技术

光的强弱由单位面积内光子的数量决定，光子越多光越强，光子越少光越弱。目前，光谱仪是获得光谱信息的仪器。光谱携带的信息量丰富，是光的客观与定量特征，同时对物质发射、吸收、散射光谱等的测量可以从分子甚至原子层面揭示物质构成，用于物质识别、检测和定量分析中。在一些特殊应用领域出于对被测物品保护、大气透过率低、光波传输距离遥远等原因，常常需要对弱光进行检测。目前，弱光光谱检测技术已在天文、遥感、生物、医疗以及半导体工业等领域获得广泛应用。

现有的弱光光谱检测设备需要依赖精密光学仪器，例如需要配设光栅、棱镜、反射镜或其他类似空间分光元件。而此类精密光学仪器占空间较大并且成本较高。可见，现有的弱光光谱检测设备由于过于依赖精密光学仪器，而导致设备体积过大过重且成本很高，并且不易操作和灵活移动。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种弱光光谱检测芯片，以解决现有的弱光光谱检测设备由于过于依赖精密光学仪器，而导致设备体积过大过重且成本很高，并且不易操作和灵活移动的问题。

本发明还提出一种弱光光谱检测方法。

本发明提出的一种弱光光谱检测芯片，包括光调制层和光电探测层，所述光调制层包括底板和至少一个调制单元，所述底板平置并连接于所述光电探测层上，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；所述光电探测层包括若干组探测单元，所述探测单元设置于所述调制单元的下方，每个所述探测单元内分别设有至少一个光电探测器，所述光电探测器用于在入射光射入所述调制单元形成调制光以后，对所述调制光进行弱光检测，通过对响应信号算法以得到重构光谱。

进一步的，所述入射光功率小于1纳瓦。

进一步的，所述光电探测器包括雪崩二极管阵列单元、电子倍增CCD以及超导纳米线单光子探测器中的任一种。

进一步的，同一所述调制单元内的各个所述调制孔排布成具有排布规律的二维图形结构和/或同一所述调制单元内的各个调制孔排布成随机无序状态。

进一步的，所述二维图形结构的排布规律包括：

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各自的截面形状，各个所述调制孔按照截面形状进行组合排列。

进一步的，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、边长和角数中的至少一种。

进一步的，所述调制孔的截面形状包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形、矩形和随机不规则图形中的至少一种。

进一步的，还包括信号处理电路层，所述信号处理电路层平置并连接于所述光电探测层的下面，并将各个所述探测单元之间电连接。

进一步的，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；或是将已制备完成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弱光光谱检测方法，由上述的弱光光谱检测芯片执行；

所述弱光光谱检测方法包括：

入射光射入所述弱光光谱检测芯片的光调制层，并且经由所述光调制层的若干个调制单元调制，以形成调制光；

所述调制光进入所述弱光光谱检测芯片的光电探测层，并经由所述光电探测层的若干个探测单元进行弱光检测，通过对响应信号算法重构光谱。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明的弱光光谱检测芯片包括光电探测层以及平置连接于光电探测层上的光调制层，光调制层能够对入射光进行调制以形成调制光，调制光在光电探测层上进行弱光检测，通过对响应信号算法得到原光谱。可见该弱光光谱检测芯片能够不再依赖现有光谱仪中所使用的各类精密光学部件，即可实现对弱光光谱的重构，从而实现在微纳结构领域以及弱光检测领域内的光谱检测的应用。即，该弱光光谱检测芯片能在不需要光栅、棱镜、反射镜或其他类似空间分光元件的情况下进行光谱检测工作，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。

本发明的弱光光谱检测芯片中，光电探测层包括若干组探测单元，探测单元设置于调制单元的下方，每个探测单元内分别设有至少一个光电探测器，光电探测器用于在入射光射入调制单元形成调制光以后，对调制光进行重构和差分响应以得到光谱。该芯片利用光调制层与光电探测器组合，以在入射光射入调制单元形成调制光以后，利用光电探测器弱光检测，通过对响应信号算法重构光谱，从而实现弱光光谱检测。

本发明的弱光光谱检测芯片中，光调制层内的各个调制单元以及光电探测层内的各个探测单元之间无需考虑精密对齐等问题，以使该芯片在进行光谱检测的过程中既能保证高精度，又无需增加光程，则芯片的结构无需构造过大，则该芯片的使用更加方便，并且完全不会对芯片测算精密性造成不利影响，还可以将芯片的尺寸缩小至微纳结构级别，并且性能稳定，成本降低。

本发明的弱光光谱检测芯片可集成到移动设备、小卫星、生物医学检测仪器上，广泛应用于天文探测如引力波探测和分析、文物检测、海洋和卫星遥感、无人机光谱检测、荧光光谱探测、生物医学检测、石油勘探等诸领域，其在体积、功耗、成本等方面均具有独特优势。

本发明实施例的弱光光谱检测方法由上述的弱光光谱检测芯片执行，从而使得该弱光光谱检测方法具有上述弱光光谱检测芯片的全部优点，在此不再赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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弱光光谱检测芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例一的弱光光谱检测芯片的剖视图；

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弱光光谱检测芯片的结构示意图；

图8为本发明实施例三的弱光光谱检测芯片的剖视图；

图9为本发明实施例三的光调制层的结构示意图；

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弱光光谱检测芯片的剖视图；

图13为本发明实施例五的弱光光谱检测芯片的剖视图；

图14为本发明实施例六的弱光光谱检测芯片的剖视图；

图15为本发明实施例六的光调制层的结构示意图；

图16为本发明实施例九的光调制层的结构示意图；

图17和图18分别为本发明各实施例的光调制层在光电探测层上制备的制备过程示意图。

附图标记：

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、调制孔；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。

本发明各实施例提供了一种弱光光谱检测芯片(本发明实施例中简称为“芯片”)。该芯片包括光电探测层以及平置连接于光电探测层上的光调制层。光调制层能够对入射光进行调制以形成调制光，调制光在光电探测层上进行弱光检测，通过对响应信号算法重构以得到重构光谱。可见该弱光光谱检测芯片能够不再依赖现有光谱仪中所使用的各类精密光学部件，即可实现对弱光光谱的重构，从而实现在微纳结构领域以及弱光检测领域内的光谱检测的应用。即，该弱光光谱检测芯片能在不需要光栅、棱镜、反射镜或其他类似空间分光元件的情况下进行光谱检测工作，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。

该弱光光谱检测芯片中，光电探测层包括若干组探测单元，探测单元设置于调制单元的下方，每个探测单元内分别设有至少一个光电探测器，光电探测器用于在入射光射入调制单元形成调制光以后，对调制光进行弱光检测，通过对响应信号算法重构以得到重构光谱。该芯片利用光调制层与光电探测器组合，以在入射光射入调制单元形成调制光以后，利用光电探测器调制光进行弱光检测，通过对响应信号算法重构以得到重构光谱，从而实现弱光光谱检测。

该弱光光谱检测芯片中，光调制层内的各个调制单元以及光电探测层内的各个探测单元之间无需考虑精密对齐等问题，以使该芯片在进行光谱检测的过程中既能保证高精度，又无需增加光程，则芯片的结构无需构造过大，则该芯片的使用更加方便，并且完全不会对芯片测算精密性造成不利影响，还可以将芯片的尺寸缩小至微纳结构级别，并且性能稳定，成本降低。

可理解的是，本发明各实施例所述的芯片能够以功率小于1纳瓦的弱光作为入射光，从而实现弱光的光谱重构和光谱检测。

可理解的是，本发明各实施例所述的光电探测器包括雪崩二极管阵列单元、电子倍增CCD以及超导纳米线单光子探测器中的任一种。利用上述的光电探测器与光调制层的组合结构，从而实现对弱光光谱的调制和重构，从而实现更为精密更具有针对性的弱光光谱检测。

以下具体通过若干个实施例对本发明所述的微纳结构和弱光检测光谱仪进行详细说明。

实施例一

如图1所示，本实施例一提供了一种弱光光谱检测芯片及弱光光谱检测方法。该芯片中，光调制层1包括一个调制单元。该调制单元内的所有调制孔6均贯穿底板，如图2所示。该调制单元内的所有调制孔6均具有相同的截面形状，本实施例一以图1所示的椭圆形为例。所有调制孔6在光调制层1内按照结构参数大小渐变的顺序成阵列排布，从而形成二维图形结构。

具体的，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。

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，也可以将其任意分割成若干个调制单元，任意划分出的调制单元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内的调制孔6结构参数特性确定该调制单元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、角数和边长中的至少一种。

如图4所示，本实施例一所述的芯片中，光电探测层2上设有若干组成阵列排布的探测单元7，探测单元7对应设置于光调制层1的调制单元下方。每个探测单元7内分别设有至少一个光电探测器，光电探测器包括雪崩二极管阵列单元(简称为SPAD)、电子倍增CCD(简称为EMCCD)以及超导纳米线单光子探测器中的任一种。也可以为上述不同类型光电探测器的组合。换言之，将阵列排布的多个光电探测器等间隔的排布在光电探测层2上，并且将若干个光电探测器按照与调制单元的对应关系分为若干组探测单元7。将若干组探测单元7等间隔的倒扣键合在CMOS电路上，从而实现各个探测单元7中的光电探测器之间的电连接。

可理解的是，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，优选可以在相邻两个探测单元7之间留有间隙8。可理解的是，不设置该间隙8也是可以实现上述效果的。

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。

本实施例所述的芯片在制造时，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，如图17和图18所示，先在光电探测层2上装有硅基材料制成的衬底1’，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。

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。

进一步的，本实施例一给出了另一种芯片的制备过程，具体为：直接将衬底1’进行减薄后，再在衬底1’上进行微纳加工开孔，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光电探测器组成的光电探测层2的上表面直接作为微纳加工的衬底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。

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层1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。透光介质层4的材料可选用二氧化硅和高分子聚合物等低折射率的材料。光电探测层2中安装的光电探测器可以是雪崩二极管阵列单元、电子倍增CCD以及超导纳米线单光子探测器中的任一种。

本实施例一所述的芯片还包括信号处理电路层3。光调制层1、光电探测层2和信号处理电路层3由上至下竖向连接并且彼此相互平行。其中，光调制层1用于对入射光进行光调制，以得到调制光；光电探测层2用于接收调制光；信号处理电路层3用于将调制光弱光检测，通过对响应信号算法重构以得到重构光谱。

可理解的是，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。

可理解的是，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。

本实施例所述的芯片实现弱光光谱探测的完整流程为：首先，令入射光从光调制层1上方入射进入光调制层1，光调制层1能够对入射光调制，从而在调制单元基于调制孔6组成的二维图形结构的变化，而在不同位置获得不同的响应光谱，从而形成调制光。调制光分别照射到光电探测层2上，则对应不同位置设置的探测单元7接收到的响应光谱各不相同，从而得到差分响应，该差分响应是指对调制单元内不同位置的调制孔6获取的入射光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上述差分响应进行处理，及重建算法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芯片在光谱分析和光谱检测时的光谱检测效果。如图5所示可知，该芯片可以实现对于光强小于1纳瓦的光谱的探测，并达到了对光谱测量准确率大于95.1％的效果。

实施例二

本实施例二所述的弱光光谱检测芯片的结构、原理、弱光光谱检测方法和芯片的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，本实施例所述的芯片中，光调制层1上设有一整体调制单元。该调制单元中设有的二维图形结构内的各个调制孔6分别具有各自的截面形状，部分调制孔6的截面形状相同，但部分调制孔6的截面形状不同。各个调制孔6按照特定的截面形状进行自由组合排列。具体的，在该二维图形结构内，具有相同截面形状的各个调制孔6构成了多个调制孔组，各个调制孔组的截面形状互不相同，所有调制孔6均自由组合。

可理解的是，该调制单元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包含有不同数量和不同截面形状的调制孔6的若干个调制单元，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。

进一步的，本实施例二给出一个具体实施例：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。同一调制单元中各个调制孔6的截面形状均为圆形，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％。该芯片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。

实施例三

本实施例三所述的弱光光谱检测芯片的结构、原理、弱光光谱检测方法和芯片的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按照预设的截面形状进行组合排列时，其排列的顺序为按照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按照不同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，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对于入射光有第一种调制方式；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对于入射光有第二种调制方式；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对于入射光有第三种调制方式。

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。第一种光调制方式、第二种光调制方式和第三种光调制方式互不相同。通过对于调制单元内的调制孔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，针对不同入射光的光谱测量，可通过改变各调制单元内的调制孔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调制孔6的排列周期、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，本实施例所述的芯片中可使用如实施例一所述的调制单元，或实施例二所述的调制单元，或实施例一和实施例二所述的调制单元的组合。

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，每个调制单元的长为4μm～60μm，宽为4μm～60μm。每个调制单元内部选取各种几何形状作为调制孔6的截面形状，每个调制单元内为同一形状的调制孔6的周期排布，其占空比为10％～90％。其余结构均与实施例一或实施例二相同。

图10和图11均示出了根据本实施例进行实际的制备而得的芯片在光谱分析和光谱检测时的效果。本实施例所述的芯片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弱光光谱检测芯片的结构、原理、弱光光谱检测方法和芯片的制备方法，本实施例四提出了一种弱光光谱检测芯片以及弱光光谱检测方法。相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图12所示，本实施例四所述的芯片还包括透光介质层4，该透光介质层4位于光调制层1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。

本实施例所述的芯片中，若在制备光调制层1时采用直接沉积生长的工艺方案，可在光电探测层2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电探测层2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上方的光调制层1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

基于上述任一实施例所述的弱光光谱检测芯片的结构、原理、弱光光谱检测方法和芯片的制备方法，本实施例五提出了一种弱光光谱检测芯片以及弱光光谱检测方法。相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图13所示，本实施例五所述的芯片中，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，入射光入射到光调制层1上的过程中，受到各个调制单元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。

本实施例所述的芯片中，光调制层1上的各个调制孔6的底部距离光调制层1底部之间的厚度为60nm～1200nm，整个光调制层1的厚度为120nm～2000nm。

实施例六

基于上述任一实施例所述的弱光光谱检测芯片的结构、原理、弱光光谱检测方法和芯片的制备方法，本实施例六提出了一种弱光光谱检测芯片以及弱光光谱检测方法。相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图14和图15所示，本实施例六所述的芯片中，光调制层1的上分布有五个调制单元，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，第一调制单元11、第二调制单元12、第三调制单元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对于入射光有第四种调制方式。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对于入射光有第五种调制方式。

由此可见，本实施例六所述的芯片中，光调制层1利用不同单元间的不同调制孔6的截面形状的区别、以及同一单元内调制孔6的预设排列方式，从而利用改变调制孔6的截面形状、改变调制孔6的结构参数以及改变调制孔6的排列周期，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的结构，其任意划分出的调制单元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同时应用在同一芯片上时，能够综合上述两种优势。并且在切顶光调制层1的尺寸范围时，上述三个实施例的光调制层1都可以制备成微米量级甚至更小的结构，这对于弱光光谱检测芯片的小型化微型化生产和使用具有重大意义；上述的芯片中，光调制层1配合由不同的光电探测器构成的光电探测层2，在原则上可以实现对于全波段的光谱探测，从而使得弱光光谱检测芯片的宽谱探测性能更加出色。

实施例七

基于上述任一实施例所述的弱光光谱检测芯片的结构、原理、弱光光谱检测方法和芯片的制备方法，本实施例七提出了一种弱光光谱检测芯片以及弱光光谱检测方法。相同之处不再赘述，不同之处在于：

本实施例七所述的芯片中，光调制层1的同一调制单元内的各个调制孔6按照随机无序排布。

如图16所示，光调制层1上分布有三个调制单元，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，其中第三调制单元13的范围最大，其面积不小于前两个调制单元的总和。在这三个调制单元内的调制孔6分别按照随机无序的状态排布，即，三个调制单元分别对入射光具有三种不同的调制方式。

本实施例所述的芯片中，利用不同的无序排列状态的调制孔6构造而成的多个调制单元，实现对不同波长的光的随机调制作用，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，增加不同调制单元的调制方式的随机性和无序性还可以提高不同区域间光谱响应的差异性，由于处理电路层3中搭载有算法处理系统，则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。可见，该芯片在实现弱光光谱检测的基础上，还能够提升光谱检测的随机性和灵活性，扩大光谱检测的探测范围。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (10)

1.一种弱光光谱检测芯片，其特征在于，包括光调制层和光电探测层，所述光调制层包括底板和至少一个调制单元，所述底板平置并连接于所述光电探测层上，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；所述光电探测层包括若干组探测单元，所述探测单元设置于所述调制单元的下方，每个所述探测单元内分别设有至少一个光电探测器，所述光电探测器用于在入射光射入所述调制单元形成调制光以后，对所述调制光进行弱光检测，通过对响应信号算法重构以得到重构光谱。

2.根据权利要求1所述的弱光光谱检测芯片，其特征在于，所述入射光功率小于1纳瓦。

3.根据权利要求1所述的弱光光谱检测芯片，其特征在于，所述光电探测器包括雪崩二极管阵列单元、电子倍增CCD以及超导纳米线单光子探测器中的任一种。

4.根据权利要求1所述的弱光光谱检测芯片，其特征在于，同一所述调制单元内的各个所述调制孔排布成具有排布规律的二维图形结构和/或同一所述调制单元内的各个调制孔排布成随机无序状态。

5.根据权利要求4所述的弱光光谱检测芯片，其特征在于，所述二维图形结构的排布规律包括：

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各自的截面形状，各个所述调制孔按照截面形状进行组合排列。

6.根据权利要求5所述的弱光光谱检测芯片，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、边长和角数中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的弱光光谱检测芯片，其特征在于，所述调制孔的截面形状包括圆形、椭圆形、十字形、正多边形、星形、矩形和随机不规则图形中的至少一种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的弱光光谱检测芯片，其特征在于，还包括信号处理电路层，所述信号处理电路层平置并连接于所述光电探测层的下面，并将各个所述探测单元之间电连接。

9.根据权利要求1-7任一项所述的弱光光谱检测芯片，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；或是将已制备完成的所述光调制层转移至所述光电探测层上。

10.一种弱光光谱检测方法，其特征在于，由如权利要求1-9任一项所述的弱光光谱检测芯片执行；

所述弱光光谱检测方法包括：

入射光射入所述弱光光谱检测芯片的光调制层，并且经由所述光调制层的若干个调制单元调制，以形成调制光；

所述调制光进入所述弱光光谱检测芯片的光电探测层，并经由所述光电探测层的若干个探测单元进行弱光检测，通过对响应信号算法重构光谱。

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