JP2014508929A - 完全に集積された相補性金属酸化膜半導体（ｃｍｏｓ）フーリエ変換赤外線（ｆｔｉｒ）分光計及びラマン分光計 - Google Patents

Abstract

ＣＭＯＳ技術でシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハー上に集積されたフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光計が開示される。本発明はコンパクトで、小型化された低コストＣＭＯＳ製作互換チップに完全に集積されている。本発明は１．１μｍから１５μｍまでの様々な赤外域範囲で作動し得るか、或いは１．１μｍから１５μｍまでの全スペクトルを全て一度に包含することができる。本明細書に開示されたＣＭＯＳ−ＦＴＩＲ分光計は高スペクトル分解能を有し、可動部品は無く、レンズは無く、コンパクトであり、厳しい外部条件において損傷する傾向が無く、標準的なＣＭＯＳ技術により製造でき、ＦＴＩＲ分光計の大量生産を可能にする。完全に集積されたＣＭＯＳ−ＦＴＩＲ分光計はバッテリー駆動に適しており、任意の及び全ての機能を標準的なＣＭＯＳ技術によりチップ上に集積することができる。ＦＴＩＲ分光計について開示された発明はＣＭＯＳ−ラマン分光計についても適合し得る。
【選択図】図６ｂ

Description

発明の分野

本発明は、分光測定法の分野に関する。

発明の背景

相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術は、成熟した製作技術であり、比較的に低コストで製品の大量生産を可能とする充分に確立した技術と製造工場を有している。伝統的に、フーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光計は嵩張り、多くの光学的デバイス、レンズ及び可動部品を内蔵しているので、コストが高く、また、このデバイスは研究所環境で利用できるのみであった。最近、現場のための小型化されたＦＴＩＲ分光計が開示されており、或るものは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを内臓し、或るものは光ファイバーを用いているが、これらのシステムは依然として小さな箱の寸法であり、コストは未だ比較的に高く、これらの全ては依然として光学機器、レンズ及び可動ミラーが容易に損傷する。

近、中、遠赤外域、即ち１．１μｍ−１５μｍにおけるＦＴＩＲ分光計のための多数の応用が存在する。これらの赤外域は、際立った痕跡を多くの有機及び無機材料に与える。これらの所謂「指紋領域」は、分析化学、生化学、材料研究、環境検知、化学的生物検知、状態に基づくメンテナンス及び医療診断を含む様々な応用に役立つ。

ＦＴＩＲ分光学は、化学結合の形式を特定するためにおそらく最も強力なツールである。伝統的に、ＦＴＩＲ分光計は大きな作業台水平デバイスであって、高価であり（数十万ドル）、研究室や研究施設で利用できるのみである。最近、より小型なＦＴＩＲ分光計が導入されたが、これらは依然として嵩張る寸法であり、高価である。

全てのこれらの分光計は、ある種の光学機器、レンズ及び可動部品を内蔵しており、これら全ては現場環境では変位及び故障する傾向がある。可動ミラーの速度を制御することは、アクチュエータを制御するレーザーを含む先進的な方法を要求するので、全く或る程度の複雑さ及びコストを古典的なＦＴＩＲ分光計に加える。我々の知識の及ぶ限りでは、可動部分が無く、低コストであり、小型であり、低電力のＦＴＩＲ分光計を開示する発明は依然として存在しない。既存のＦＴＩＲ分光学市場に加えて、このようなデバイスは、様々な消費者／商用及び産業基盤の製品の新たな市場を生み出すであろう。

分光計が本発明の一つの実施例で提供され、これは、シリコン導波管内の変調を介してインターフェログラムを生成する手段により、広帯域赤外線信号を波長の複数のスパンに分割し、その各々の波長スパンはその基本モードでのみ伝搬することを含む。

分光計が他の実施形態においては、分光計と同一の集積回路に集積された信号のための広帯域赤外線源により提供される。

分光計は、変調を経たインターフェログラムの生成がシリコンの熱光学効果に基づくように、或いは、変調を経たインターフェログラムの生成がシリコンのプラズマ分散効果（自由キャリア吸収）に基づくように、構築し得る。

分光計は高いスペクトル精度を得るために温度を検知する手段と共に供給し得る。

分光計は他の実施形態においては、光が導波管を離れず、赤外線検出器に達するとき導波管から回折又は結合するのみのシリコン導波管内のＡＴＲを使用するチップ上に集積されたサンプル・インターフェースを有し得る。

一つの実施形態における分光計には、光の角度を調整するために回折格子を利用する外部の反射率のためにチップ上に集積されたサンプル・インターフェースを備え得る。

一つの実施形態における分光計には、分光計と同じ集積回路に集積された独立した熱検出器マイクロ・ボロメーターを備え得る。

分光計は、ＤＤＡの感度強化を取り入れるためにＡＤＣに関係するアルゴリズムを実装する回路を備えることができる。

分光計は、集積されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計とすることができる。

分光計は、ＣＭＯＳ-ラマン分光計とすることができる。

様々な実施形態において、分光計はより長い波長に役立つようにすることができ、これは窒化ケイ素を用いることにより最大１１μｍ、また、１５μｍまでの赤外線波長を透過させる材料を用いることにより最大１５μｍである。

本発明は、以下を備える装置を提供し得る。即ち、Ｎ波長スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．，Ｎに分割されることにより、各波長スパンがその基本モードで伝搬するのみである広帯域信号を有する分光計と、絶縁体ウエハー上のシリコン上の集積広帯域赤外線源と、シリコンの熱光学効果又はプラズマ分散効果に基づいてシリコン導波管内で変調を介して発生するインターフェログラムと、シリコンにおける熱光学効果により変調するときの温度検知に基づく高スペクトル精度と、光が導波管を離れず、赤外線検出器に達するとき導波管から回折又は結合するのみのシリコン導波管における減衰全反射（ＡＴＲ）を用いるサンプル・インターフェースと、光の角度を調整するために回折格子を利用する外部の反射率のためのサンプル・インターフェースと、独立した熱検出器マイクロ・ボロメーターと、微分差分増幅器（ＤＤＡ）の感度強化を取り入れるためのアナログ対デジタル変換器（ＡＤＣ）に関係するアルゴリズムと、窒化ケイ素により最大１１μｍ（図２３参照）、１５μｍまでの赤外線波長を透過させる材料を用いることにより最大１５μｍまでの長波長に対する分光計の拡張と、集積されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計と、ＣＭＯＳ-ラマン分光計とを備える。

本発明の他の態様は、本発明の様々な実施形態が例示として図示及び説明された以下の詳細な説明から、当業者には容易に明らかになることを理解されたい。理解されるように、本発明は他の異なる実施形態をなすことができ、その幾つかの詳細は様々な他の事項に修正が可能であり、これらは全て本発明の要旨と目的から逸脱することがない。従って、図面及び詳細な説明は、事実上例示であって、限定ではないと見做される。

図面を参照すると、本発明の幾つかの態様が、例示目的であって、限定の目的でなく、図中に詳細に図解されている。
図１は、ＳＯＩウエハー上に実現された集積ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計について概略的ブロック図である。 図２は、ＳＯＩウエハーのＰｏｌｙ−ＳｉＣ赤外線エミッタの製作層の概略の断面図である。 図３は、シリコン導波管構造を表し、（Ａ）は構造の斜視側面図、（ｂ）はＴＥ及びＴＭモードを解くために用いた軸及び境界条件、（Ｃ）は有効屈折率法における第1段階のために用いられた導波管の２次元断面図、(Ｄ)は有効屈折率法における第２段階のために用いられた導波管の上面図であり、ここではシリコンの屈折率は（Ｃ）からの解に代えられている。 図４はλ_０＝１．４μｍにおける高さ２２０ｎｍ、幅６００ｎｍの導波管のためのパワー分布及び有効屈折率を表す。最低乃至最高の順序モードはそれぞれ（Ａ）乃至（Ｃ）に図示されている。 図５は導波管の幅を変えることによって、有効屈折率を変えることにより実行されたブラッグ（Ｂｒａｇｇ）・ゲート・フィルタを表す。 図６は、MZIインターフェロメータの上面図を表し、（Ａ）はマルチ・モード干渉（ＭＭＩ）カプラーを有し、（ｂ）はＹ分岐コンバイナーを有する。 所定の波長についてのMZIの二つのアームの間の位相差の関数としてＭＭＩカプラーを利用するときの出力ポートへのパワー結合のグラフィック表示であり、Ｙ分岐コンバイナーについては、パウト（Ｐｏｕｔ）ポートのみが存在する。 図８は熱光学効果により変調されたMZIにおける一つのアームの製作層を図示する一連のブロック図についての断面図である。 図９は、ＭＭＩカプラーを表す。 図１０は、二つの入力の（Ａ）が同相にあり、（ｂ）がπだけ異相のときのＭＭＩのシミュレーションの結果を表す。 図１１は代表的なインターフェログラムを表す。 図１２は、ＡＴＲ法のためのサンプル・インターフェースの上面図を表す概略図である。 図１３は、ＡＴＲ法のためのサンプル・インターフェースの断面図を表す概略図である。 図１４は、反射率モードについてのサンプル・インターフェースの断面図を表す概略図である。 図１５は、ＡＴＲサンプル・インターフェースのための非冷却Ａ−Ｓｉマイクロ・ボロメーターの製作層を表す概略図である。 図１６は、外部反射率サンプル・インターフェースのための非冷却Ａ−Ｓｉマイクロ・ボロメーターを表す概略図である。 図１７は、Ａ−Ｓｉ検出器のためのＤＣバイアス回路を表す。 図１８はＤＤＡの符号を表す。 図１９（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１の利得についての二つの外部レジスタによりプログラム可能である計装用増幅器に基く例示的ＤＤＡを表す。 図２０は最大１１μｍまでの長波長に対するＣＭＯＳ−ＦＴＩＲ分光計の例示的な拡張を表す。 図２１は開示されたＣＭＯＳ-ラマン分光計入力導波管インターフェースの断面図である。 図２２は特定の波長スパンについてのＣＭＯＳ-ラマン分光計上部導波管インターフェースの上面図の概略図である。

様々な実施形態の説明

添付図面に関連して以下に記載された詳細な説明は、本発明の様々な実施形態の説明を意図しており、発明者によって考えられた唯一の実施形態を表すことを意図するものではない。この詳細な説明は、本発明の広範囲の理解を提供する目的で、特定の詳細を含む。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細を伴わずに実施し得ることは当業者には明らかである。更に、与えられた図面は必ずしも一定の比率というわけではなく、或る例においては、比率は特定の特徴をより明らかに表すために誇張されることがある。図面を通じて、時々、同様な番号が、類似した（しかし、必ずしも同一ではない）部品を参照するのに用いられることがある。

フーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光学を支配する物理学を理解するために、分子の量子論の基本的な理解について説明する。分子結合は、結合の要素と形式に依存して様々な周波数で振動する。任意の所定の結合について、幾つかの特定の周波数が存在し、その周波数で結合は振動することができる。量子力学における法則を用いると、これらの周波数は、基底状態及び幾つかの励起状態に相当する。分子振動の周波数を増大させる一つの方法は、結合に光エネルギーを吸収させることによって結合を励起させることである。二つの状態の間の任意の遷移について、波長により決定された光エネルギーは、二つの状態の間のエネルギーの差に正確に等しくなければならない。エネルギー状態の差は、以下に示されるように、吸収された光のエネルギーに等しい。

Ｅ_ｉ−Ｅ_ｉ−１＝ｈｃ／ｌ （１）
ここで、Ｅ_ｉは状態ｉ（通常は第1の励起状態、即ちＥ₁）のエネルギー、Ｅ_ｉ−１は状態_ｉ−１（通常は基底状態、即ちＥ_０）のエネルギーに相当し、ｈはプランク定数、ｃは真空中の光速、及びｌは光の波長である。分子振動状態の間のこれらの遷移に対応するエネルギーは、概ね１-１０キロカロリー/モルであり、これは電磁スペクトルの赤外線部分に相当する。

ＦＴＩＲ分光計は、波長成分及び強度によって赤外線を分析する。干渉計分光計は全ての波長成分によって瞬時に発生する干渉パターンを記録して、「インターフェログラム」として知られているこの干渉パターンを数学的にスペクトルへ変換する。良く知られている干渉計は、マイケルソン干渉計であり、ここでは可動ミラーが二つのコヒーレント・ビームの間の経路距離を生じさせ、干渉パターンはミラーの変位の関数である。ＦＴＩＲ分光計の他の構成要素は広帯域赤外線光源（通常は球状）、赤外線検出器、アナログ読み出し回路、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、フーリエ変換のためのマイクロプロセッサ、及び異なる化合物の記憶されたスペクトルを記憶するメモリである。開示された発明は伝統的なＦＴＩＲ分光計のタスクの全てを実行し、増大されたスペクトル分解能、精度を有し、可動部分は無く、レンズは無く、光学機器は無く、全てのデバイスがシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハー上に実現されたＣＭＯＳ互換製作チップ上に集積されている。

シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）技術は、層状のシリコン・インシュレータ・シリコン基板の使用に帰する。一般に使用される絶縁体は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であり、この技術にはフォトニクス及びエレクトロニクスの両方における多くの利点がある。フォトニクスにおいては、シリコン（ｎ〜３．５）とＳｉＯ２（ｎ〜１．５）との間の高い屈折率変化は、全内部反射に基づく良く導かれた導波管の開発を可能とする。エレクトロニクスの側では、バルクシリコンからの絶縁に起因する低い寄生的な静電容量が電力消費を低減する。更に、ＳＯＩ設計は、ｎ型及びｐ型ウェル構造の完全な隔離のために、ラッチアップに抵抗する。これらの理由で、ＳＯＩウエハーの使用は、フォトニクスとＣＭＯＳエレクトロニクスとの両方のために適用可能な技術となり得る。

相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）は、基本的に集積回路の種類であり、デジタル論理回路、例えばマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、及び更に多くのものによる応用の範囲で使用される。これはアナログ回路、例えばデータコンバータ及びイメージ・センサによる応用にも使用される。ＣＭＯＳ技術が提供する相当な数の利点がある。主要な利点の一つは、ＣＭＯＳ技術（これは今日ではデジタル回路のために最も一般的に用いられる技術となっている）は、大きさが小さく、高い操作速度とエネルギーの効率的な使用のような特徴を持つチップを可能にすることである。更に、ＣＭＯＳ技術を用いたデバイスは高度な雑音耐性があり、ＣＭＯＳの製作のために既に確立した製造工場及び技術が存在する。

本明細書に開示されるようなＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計は、コンパクトで、小型で、低コストで、ＣＭＯＳ製作互換性チップに完全に集積された古典的なＦＴＩＲ分光計の全ての構成要素を有する。開示されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計は、短及び中赤外線領域、即ち、１．4μｍ乃至８μｍで作動でき、長赤外線領域、即ち８μｍ乃至１５μｍへの可能な拡張を有する。長赤外線領域で作動させるための主要な制約は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）がこの領域をでは透明でないことである。この制約を克服するためには、これに代えて、１５μｍまで透明な異なる材料を使用することができる。ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計及びＣＭＯＳ-ラマン分光計操作に関する詳細は、以下に議論される。
Ｉ．ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ 分光計及びＣＭＯＳ−ラマン分光計アーキテクチャー
ＳＯＩウエハー上の集積されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計の主要な構築ブロックは図１に示される。先ず、第ＩＩ節で詳述する炭化ケイ素（ＳＩＣ）からなる赤外線エミッタ（他の赤外線エミッタを使用することができる）の一例は、広帯域赤外線を発する。各々のＳＩＣ赤外線源は独立して働き、一つの可能性は一度に一つのみの源が作動する一つの赤外線検出器の場合である。或いは、赤外線源は、Ｎ個の赤外線検出器の場合に並行に作動することができる。光は、回折を介して導波管に結合することができる。回折格子については、第ＩＩ節で更に詳述する。回折格子の長所は、光路における後のフィルタの必要を排除する波長フィルタの働きをなすことである。このフィルタは、望ましい波長スパン以内に単独のモード操作を維持するために重要である。或いは、光は導波管へ真っ直ぐに結合する縁となることができ、フィルタは光路における後部に配置することができる。

導波管内の赤外線移動が単独のモードであることは重要である。さもなければ、干渉計でモード間を識別することは不可能である。一つの広帯域源及び単独の導波管寸法のみについては、全ての波長を指示して、単独のモードのみを伝搬させるのは非常に困難である。この理由のために、１，．．．，Ｎ初期導波管があり、以下において、Δλ_０，Δλ_１，．．．，Δλ_Ｎとしてそれぞれ表せ、各々は波長スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．．，Ｎについての単独の基礎モードのみを支持する。

各初期導波管は、基本モードのみを案内する（高順位モードは導波管内を伝搬しない）その波長スパンを支持する異なる寸法、幅及び高さを有する。一例としてΔλ_０は６００ｎｍ幅及び２２０ｎｍ高さの波長寸法を有する、１．４μｍ−１．９μｍの範囲の波長を支持する、。波長が増大すると波長寸法も増大することに留意されたい。

古典的なＦＴＩＲ分光計におけるスペクトル分解能は、ミラーが移動できる最大距離により主に決定されて、且つミラーの傾きによっても制限されるであろう。直観的に、これは二つの密接した波長を識別するために、光路差が波について２π位相差を有するのに充分に大きくなければならず、即ち、古典的なＦＴＩＲ分光計において、ミラーはより高くスペクトル分解能を達成するためにより大きな距離を移動せねばならない。開示された発明においては、変調される赤外線の波長スパンは、導波管寸法及び波長フィルタで制御される。フィルタの幾つかの例は、入力における回折格子、ブラッグ回折フィルタ（ＢＧＦ）又はフォトニック穴格子である場合がある。各スパンにおける赤外線は、そのスパンのあらゆる波長について単独のモードに留まらねばならない。これを達成するためには、フィルタは、そのスパンに属さない短波長を通常は反射せねばならず、というのは属さない長波長が波長寸法に起因して伝搬しないためである。幾つかの可能なフィルタ構成、例えば、回折格子、ＢＧＦ、及びフォトニック穴については第ＩＩＩ節で更に詳述する。

各波長スパンは、独立してその各々マッハ−ツェンダー干渉計（MZI）に入り、これはＹ分岐スプリッター、熱光学効果又は自由キャリア吸収を介する変調、及びマルチ・モード干渉（ＭＭＩ）カプラーから成る。或いは、Ｙ分岐コンバイナーをＭＭＩカプラーの代わりに使用することができる。Ｙ分岐スプリッターは５０/５０に光をMZIの二つのアームに分割し、位相差が二つのアームの間に導入されて、電圧が導波管の温度を変える熱光学効果によって、又は、導波管が逆バイアス・ダイオードから成る自由キャリア吸収を介するかの何れかにより電圧を印加する。二つの方法の何れも変調のために用いることができ、各々には第ＩＶ節で更に詳述するその利点と不利がある。ＭＭＩカプラーは、MZIで光を再合成する。MZIの二つのアームの間の位相差に依存して、光はその相対的な出口ポートに結合する。ＭＭＩカプラーは自身画像形成に基づいており、その詳細な説明は第ＩＶ節で与えられる。或いは、Ｙコンバイナーが光を再合成するのに用いられることもあり、同相部分は導波管内で伝搬を続け、て、一方、異相部分は散乱する。

ＦＴＩＲは、ガス、液体及び固体サンプル分析をする能力があり、これを様々な応用のための強力なツールにする。多くのサンプル・インターフェースは、本発明に取り込むことができる。減衰全反射（ＡＴＲ）のための方法及び外部反射が開示される。ＡＴＲ方法においては、導波管内を移動する波は、境界条件を満たすために、エバネセント波成分を有する。エバネセント波はサンプルに侵入し、そして、エバネセント波の吸収から、導波管における光学的強度は、吸収される波長毎に減少する。外部反射については、光の異なる角度は、回折によってサンプルへチップを出るように設計することができる。サンプル・インターフェースについては第Ｖ節で更に詳述する。

任意の赤外線検出器が、開示された発明と共に使用される場合があり、一例として、非冷却マイクロ・ボロメーター赤外線検出器が熱検知に基づいており、これは熱検知材料アモルファス・シリコン（Ａ−Ｓｉ）を採用している。Ａ−Ｓｉは低雑音特性、抵抗の高い温度係数（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＣＲ）を有し、ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計の抵抗仕様を満たすために、電気抵抗力の範囲準備することができる。開示された赤外線検出器は、多孔質金黒吸収層及び薄いチタン層（アルミニウムの代わり）を利用することができ、薄いチタン層は、パッドの熱伝導性を低下させることにより感度を増強し得る。赤外線検出器のために使われる性能指数、製作、及び材料に関するより詳細な説明は、第ＶＩ節で説明される。

一つの例として、Ａ−Ｓｉにおける抵抗変化をもたらす温度変化は、アナログ読み出し回路における微分差動増幅器（ＤＤＡ）を用いて検知できる。このＤＤＡは、従前の読み取りから検出器の抵抗（電圧）における差異を正確に検知でき、この値を１より大きい因子によって増幅するので、信号対雑音比（ＳＮＲ）及びＦＴＩＲ分光計の感度を増大させる。このＤＤＡについては、第ＶＩＩ節で更に詳述する。或いは、Ａ−Ｓｉにおける抵抗変化を検知する任意のアナログ・チェーンを使用し得る。

ＣＭＯＳ ＦＴＩＲ分光計の主要な長所は、システム全体がＣＭＯＳ処理に集積されていることであり、従って、標準的なアナログ‐デジタル変換器（ＡＤＣ）、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズム及びメモリ・アーキテクチャー（これらは産業で確立されている）がコンパクトＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計に容易に集積できることである。更に、如何なる計算要請、機能又は設計を標準的なＣＭＯＳ技術を使用しているチップに容易に集積することができる。
表１は、このテキストを通じて使用される幾つかの材料の熱伝導率及び屈折率を表す。これらの材料はＣＭＯＳ互換性であり、半導体産業でしばしば用いられている。熱伝導率は、材料の熱を伝導する能力の尺度である。これは小型化されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計の重要なパラメータであり、というのは、熱分布が大部分のデバイスのために慎重に制御して、隔絶する必要があるためである。チップ全体と重要な構成要素は、一般的な熱電冷却技術を用いて冷却することができる。
材料 熱伝導率 λ＝１．４μｍにおける
ｋ［Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１］ 屈折率ｎ
シリコン（Ｓｉ） １５０ ３．５
二酸化ケイ素（ＳｉＯ２） １．４ １．５
窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４） ３２ １．８−２．２
アモルファス・シリコン（Ａ−Ｓｉ）１３３ ４．２
ポリイミド（ＰＩ） ０．４ １．６
チタン ２１．９ ３．８
アルミニウム ２３７ １．３
フッ化バリウム（ＢａＦ２） １２ １．４
臭化カリウム（ＫＢｒ） ４．８ １．５
空気 ０．０２５ １
表１．半導体において一般的に使用される材料の熱伝導率及び屈折率
ラマン・スペクトロスコピーは、システムにおける振動、回転、及び他の低周波モードを調査するのに用いられる技術である。ＦＴＩＲスペクトロスコピーと類似して、同じ結果を与えるが、補完的な情報は提供する。ラマン分光計における主要な差異は、単色源からの光がテスト下のサンプルにおける振動及び回転モードを励起するのに用いられることである。サンプルから発せられる広帯域光が集められて、インターフェログラムはラマン散乱から発生する。開示された発明に関して、第ＩＩＩ−ＩＶ節及び第ＶＩ−ＩＸ節で説明される全ての構成要素は、開示されたＣＭＯＳ-ラマン分光計についてのものと同様である。唯一の差異は、第ＩＩ節において広帯域源を必要とせず、単に単色光源であり、第Ｖ節においては、ＣＭＯＳ−ラマン実装のためのサンプル・インターフェースが、波長フィルタ及び干渉計の前にある場合である。この差異及びＣＭＯＳ−ラマン分光計についての設計は第Ｘ節で更に詳述する。

この説明の残りは第ＩＩ節からなり、ここでは光源製作を説明する。第ＩＩＩ節は、初期導波管計画及びＢＧＦを開示する。第ＩＶ節では、MZI干渉計設計を開示する。第Ｖ節は、サンプル・インターフェースについて述べる。第ＶＩ節においては、赤外線検出器が開示される。第ＶＩＩ節においては、アナログ読み出し経路及びＤＤＡを説明する。第ＶＩＩＩ節は、ＡＤＣ及び使用されるデジタル・アルゴリズムを示す。第ＩＸ節においては、長赤外線領域のためのＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計拡張が説明される。第Ｘ節においては、ＣＭＯＳ-ラマン分光計の設計が開示され、最後に第ＸＩ節においては、この詳細な説明の結びが現れる。
ＩＩ．炭化ケイ素赤外線エミッター
炭化ケイ素は、エレクトロルミネセンス現象が１９０７年に最初に観察された最初の材料の一つであった。赤外線源の可能性として、本発明は、ｐｏｌｙ−ＳｉＣを抵抗的加熱赤外線源として紹介する。この赤外線源は、ｐｏｌｙ−ＳｉＣの高い放射率、高い熱伝導率、及び低い熱量のために、パルス状操作下で速い熱サイクリングの能力がある。

図２は、ＳＯＩウエハーの上のＰｏｌｙ−ＳｉＣ赤外線エミッタに関係する製作層の断面図を示す。製作段階は概念上の理解のための図解のみであり、完全な製作フロー又はシーケンスは表さない。先ず、シリコンは側面及びエミッタの前方ででエッチングされ、残りの回路からエアギャップを残す。シリコンは高い熱伝導率を有しており、赤外線エミッタから離れる熱の流れを調整するヒートシンクとして使用されている。ポリイミドはＣＭＯＳ回路で使用される一般的な材料であり、その低い熱伝導率、非常に低いストレスとシリコンへの優れた密着性で良く知られている。先ず、窒化ケイ素の薄い低ストレス層は、（Ａ）に示すように低温化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）によって積層させる。窒化ケイ素はエミッタからシリコンを電気的に絶縁するのに用いられ、これはＰｏｌｙ−ＳｉＣとの良好な結合特性を有することが示された。次に、ポリイミドは、スピン・コートされ、（ｂ）に示すように窒化ケイ素/シリコン層とのヒートシンクのためのアンカーのパターンを付けられる。（Ｃ）において、低ストレスで、重度にドーピングされたＰｏｌｙ−ＳｉＣ膜は、ＬＰＣＶＤを用いて積層されて、誘導結合プラズマ・エッチングを用いてエミッタを規定するようにパターン化されて、（Ｄ）に示すようにパターン化される。（ｅ）においては、断熱のためのポリイミドの他の層がスピン・コートされてパターン化され、赤外線エミッタのバイアスのために開口を残す。最後に、（ｆ）において、電流又は電圧の印加を介して赤外線源の操作のためにエミッタの側面におけるアンカー／パッドの各々にアルミニウムを積層させる。このポリイミドは、独立構造を得るためにマイクロ波プラズマ灰化により除去することができるか、又は熱絶縁体として残すこともできる。

ここで上述したように、各々の波長スパンΔλ_i、i＝１，．．，N は、それ自身の赤外線源を有する。N個の赤外線検出器が使用されるのであれば各赤外線源は並行に作動することができ、又はそれに代えて一つの赤外線検出器が全てのスパンを包含するように使用し得る。一つの赤外線検出器の場合、各々の赤外線源は、その相対的な波長スパンに亘って、インターフェログラムを抽出するために、独立して、時間的に予めプログラムされたシーケンスで、オンにされて、次いでオフにされ、その時には、熱はデバイスの残りから離れてヒートシンクを通じて、隔絶されたシリコンへ逃げる。各スパンについて、別々の赤外線源を使用することの長所の一つは、その波長スパンについての最大出力強度が得られるように、作動電圧/温度を調整できることである。（２）における良く知られたステファン-ボルツマンの法則は、黒体の単位領域毎に発せられるパワーが、その絶対温度の四乗に正比例することを述べている。

ｊ＝σT^４ （２）
ここでｊは単位領域毎に輻射された総パワーであり、σはステファン-ボルツマン定数（５．６７×１０^−８［W・ｍ^−２・K^−４］であり、Tはケルビン温度である。更に、ウィーンの交換法則（３）は黒体により発せられた輻射の強度が最大λ_ｍＡｘである波長は温度の関数であると述べている。

λ_ｍＡｘ＝ｂ／T （３）
ここでｂはウィーンの交換定数（ｂ＝２．８９７７６８５×１０^-３［ｍ・ｋ］）である。Poly-SiＣ赤外線エミッタは理想的な黒体ではないが、良好な近似として、作動電圧を導出するのに用いることができる。（２）及び（３）を用いると、最適作動温度／電圧は各赤外線エミッタについて個別に導出できるので、ピーク波長は波長スパンに収まり、温度は所望の放出を得るのに充分に高い。Poly-SiＣ源についての赤外線放出を測定するとき、理想的な黒体のそれへ輻射された放出を規格化することは良い慣例である。理想的な黒体のために、波長スパンΔλi，i＝，．．．，Nについての赤外線放出は、プランクの放法則を用いて計算することができる。

ここでＩ（λ，Ｔ）ｄλは、温度Ｔにおいて黒体によりλとλ＋ｄλとの間の波長範囲で放出された単位立体角あたりの単位時間あたりの単位表面面積毎のエネルギーの量である。ｈはプランク定数であり、ｃは真空中の光速であり、ｋはボルツマン定数であり、λは波長であり、及びＴはケルビン温度である。
ＩＩＩ．入力導波管及び波長フィルタ
インターフェログラムを解釈するのにＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計は、導波管は個別の波長ごとに単独のモードを支持せねばならないだけである。導波管の各々のモードは異なる速度で伝わり、即ち、各々は異なる有効屈折率ｎ_ｅｆｆを持つ。導波管が別々の波長について複数のモードを支持するならば、光が干渉計において再合成するときに、複数のモードを区別して、スペクトルを補完することは不可能であろう。これは、広帯域源のために、Ｎ個の導波管が必要になることが主な理由であり、各々は波長スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．，Ｎのために基本的な一つのモードを支持するのみである。導波管の寸法、即ち高さ及び幅を変えることによって、導波管内を伝搬するモードを制御することができ、より高次のモードは散乱する。より長い波長のためには、より大きな導波管が必要であり、一例としては１．４μｍの波長について、導波管寸法は２２０ｎｍ高さ及び６００ｎｍ幅であり、一方、７μｍ波長については、導波管の高さは１．１μｍ及び幅は３μｍである。

導波管は、全内部反射の概念で作動し、図３．ａはリブ導波管の構造を示し、ここでは矩形のシリコン導波管は、ＳｉＯ２からなる絶縁体層の上部にある。設計における導波管は材料、大部分の場合はＳｉＯ２、によって包含されるが、ここで示される解決はそれが空気により囲まれていると仮定し、従って、非対称の場合が導かれる。非対称の場合の解決はより一般的であり、対称性の場合、即ちＳｉＯ２によって包含される導波管の解決は非対称の場合から直接に導くことができる。

導波管における場の分布を解いて、モードを抽出するために、先ず、二次元の導波管の横電気（ＴＥ）及び垂直偏波（ＴＭ）モードが分析されて、有効屈折率法が用いられる。リブ導波管構造内のモードについて直接解くことは可能ではないので、有効屈折率法が導波管の特性を導くのに用いられる。

有効屈折率法は、先ず、導波管の断面を採るときに、ＴＥモード（又はＴＭモード）の解が解かれることを述べており、それは図３．ｃに示すように無限に広いと仮定する。二次元構造について解いた後に、図３．ｃにおける構造の有効屈折率が計算される。次のステップは、有効屈折率を図３．ｃから見つけるの有効屈折率を用いられ、これは図３．ｄに示すように上面図から見るときに、シリコンの屈折率の代わりに使用する。第１のステップから計算された屈折率を有し、新たな材料で、ＴＭモード（又は、最初にＴＭモードが使用されるならばＴＥモード）が図３．ｄに示される構造について解かれて、三次元導波管の最終的な有効屈折率が導かれる。

赤外線輻射は、有効屈折率に対応する速度で導波管内を伝搬する。ＴＥ及びＴＭモードを解くために図３．ｂの二次元の構造が用いられる。ＴＥモード、即ち電場がｙ方向にある、についての解は、(５)に示される。

ここでＣは定数である。（５）を用いると、ＴＥモードについてのモード条件が(６)に示される。

このモード条件は非対称スラブ導波管のＴＥモードについての固有値方程式であり、即ちｎ_１≠ｎ_３である。式(６)は、既知量として波長、層の屈折率及びコア高さ、及び唯一の未知数として伝搬定数βに関係する潜在的関係である。
（６）を満足するβの離散値のみがあり、このβの離散解は導波管が支持する離散モードである。βの各解は次いで（５）で用いられて、導波管の場のプロファイル及び有効屈折率を解く。この有効屈折率は、図３．ｄにおいてシリコンに代わる新たな材料の屈折率として用いられ、ＴＭモードは（７）及び図３．ｂ（図３．ｄは図３．ｂに示される座標系に９０度回転して整合する）を用いて解かれる。

ここでＣは定数である。（７）を用いると、ＴＭモードについてのモード条件が(８)に示される。

再び（８）におけるβの離散解が図３．ｄにおける導波管のＴＭモードである。β解が（７）で用いられて３次元導波管の磁場プロファイル及び有効屈折率を抽出する。この有効屈折率は、赤外線光が導波管内を伝搬する速度の基準である。（５）及び（７）に対する解を用いると、伝搬の方向に流れるパワーは（９)に示される複雑なポインティング・ベクトルを用いで導くことができる。

ここで

はポインティング・ベクトルであり、

は領域を横断するパワーであり、即ちＷ／ｍ^２である。

高さ２２０ｎｍ及び幅６００ｎｍの導波管におけるパワー流れが図４に示されている。モード・プロファイルは、有限時間差分領域（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ：ＦＤＴＤ）シミュレーションを用いて示される。最初の三つの最低次モードについてのパワー分布は、１．４μｍの波長について示される。最低次モード（ａ）のみが波長で伝搬し、そして、二つのより高次のモード（ｂ）及び（ｃ）が基板及び環境に散乱することが判る。光学波は、シリコン導波管内を部分的に伝搬し、スラブ導波管のついて部分的には空気中及びＳｉＯ_２基板を伝搬する。４（ａ）において２．６の有効屈折率が導かれ、これは３.５の屈折率でシリコン内部にあるパワーの大部分に相当し、波の小さな部分のみがそれぞれ１．５と１の屈折率で、ＳｉＯ_２内と空気中を移動する。他のモードについては、波は大部分はＳｉＯ_２又は空気内を移動し、従って、有効屈折率は非常に低い。

各波長スパンΔλｉ，ｉ＝１，．．，Ｎについて、導波管ジオメトリーは、上述の関数(５)− (９)を用いて導かれ、最低次モードのみが伝搬するようにされる。特定のスパンの内の各々の波長が異なる有効屈折率で伝搬する点に注意することは重要であり、この性質は第ＩＶ節で論じられるインターフェログラムを導くことの基礎である。

望ましい波長スパンを濾波して、赤外線源から導波管に光を結合させるのに用いることができる一つの方法は、回折を介する。各波長スパンごとに、異なる周期を有する多数の回折格子を、波長スパンΔλｉ，ｉ＝１，．．，Ｎの単独のモード伝搬のみに支持される導波管へ光を結合させるのに用いることができる。格子周期Λは導波管へ結合する波長を決定する。
（１０）におけるブラッグ条件は如何にして格子散乱が伝搬方向ｚにおける光波ベクトルを修正するかについて説明する。

ここでβは伝搬方向における波ベクトルであり、ｍは０より大きい整数であり、Λは格子周期であるβを見いだすために５０％の負荷サイクルが仮定されて、導波管の有効屈折率の平均（ここでＨ１は格子を形成するために部分的にエッチングされた導波管の高さであり、Ｈ２は導波管の高さである）は（１１）に示されている。

ここでλ_０は回折する対応する波長である。自由空間波ベクトルは（１２）に示されており、

従って回折角θは（１３）に導くことができる。

回折角を用いると、回折格子からの赤外線源の距離及び高さは最適化されるので、最大光強度は導波管の伝搬方向へ回折する。広帯域赤外線エミッタが非常に狭いスペクトル帯域幅を有するレーザー又は発光ダイオードよりも非常に低いスペクトル放射照度を持つ点に注意することは重要である。この理由のために、回折格子はそれらが作動可能なＳＮＲのために充分な光を集めることができるように大きな領域を持たねばならない。回折格子は緩やかにテーパー状になり、大きな格子で集められる全ての光出力が非常により小さな導波管で伝搬する。この試みは広帯域赤外線光が、レーザー又は発光ダイオードを採用している狭帯域データ通信設計にて使用されているのと同様な光強度で伝搬することを可能とする。
各々の初期導波管がその寸法により規定された波長スパンのみを支持するように設計されているために、異なる波長スパンの間に幾つかの重複があり、即ち、二つの個別の導波管内にｉ≠ｊのときにΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．，Ｎ及びΔλ ，ｊ＝１，．．，Ｎについての波長の重複があり得る。おそらく、これは波長スパンの終端近傍で起こるであろう。導波管内を伝搬する波長を厳密に規定するために、別々の干渉計で二回分解されている波長の重複がないように、波長フィルタを加え得る。更に、このフィルタは、導波管内を緩やかに伝搬しているより高次のモードを反射することによって、設計で不必要な光（雑音）を低減する。考えられるフィルタはＢＧＦであり、これは、様々な屈折率の異なる層に基づく不必要な光を反射するのに用いられる多層誘電体膜と類似している。同様な着想が、導波管の幅を変えることのみによって用いることができるので、変化する有効屈折率ｎ_ｅｆｆの区画を形成することができる。この着想は図５に示されており、ここではＮ＋１要素があり、各々はｌ_ｉ；ｉ＝１，．．．，Ｎの長さ及び有効屈折率ｎ_{ｅｆｆ＿ｉ}；ｉ＝１，．．．，Ｎ を有する。転送行列法は、伝達及び反射率スペクトルを解くのに用いられる。この方法は、(１４)に導かれる。

ここでｋ_０は波数であり、ｒとｔとはそれぞれ反射係数と透過係数である。Ｒ及びＴはそれぞれ反射率の基準であり、即ち、Ｒに１００を乗じたものが入力に関して反射光の合計パーセントを与える。（１４）を用いると、鋭敏なバンド・パス・フィルタを容易に設計できるので、波長スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．，Ｎのみが伝達され、波長の残りは源へ反射して戻る。代替的に、任意の波長フィルタを光路で用いて、これは例えばフォトニック穴格子であり、ここでは穴の径及び穴と穴との間の間隔がバンドギャップを規定し、即ち、どの波長が格子を通じて伝搬して、何れが反射若しくは散乱するかを規定する。

これは、入力導波管の設計を達成する。Ｎ個の導波管があり、その各々は異なる幾何形状を有し、波長の特定のスパンがそれらの中を伝搬し、ここで各々の波長は単独のモードで伝搬するのみである。Ｎ個の導波管の各々は、それ自身のMZIに入ってインターフェログラムを生成し、そのMZIについては、次節で論じられる。
ＩＶ．マッハ−ツェンダー干渉計（「MZI」）
MZIはＦＴＩＲ分光計において最も重要な構成要素の一つであり、それがインターフェログラムを生成する際に用いられる。検出器は波長スパンの全てについて毎時に赤外線輻射を受信し、これが赤外線光強度の標本を抽出し、干渉計における相殺的干渉及び建設的干渉の関数として各波長について独立にスペクトルを分解する。スペクトル分解は、どのくらいの有効屈折率変化がMZIの二つのアームの間で達成できるかに主に依存する。古典的なＦＴＩＲ分光計においては、可動ミラーが光路差を形成し、各波長はミラーの移動の関数としての干渉パターンを有する。ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計においては、可動要素が無く、ミラーかそうでないものが必要であり、光路差効果は、干渉計における一方のアームの他方のアームに関する有効屈折率を変化させることによって達成される。有効屈折率を変化させることによって、導波管内の光の速度は変化し、MZIの二つのアームからの光が再合成したとき、位相差が二つの導波管の間の有効屈折率変化に対する直接的な関係で導入される。MZI干渉計の上面図がＭＭＩカプラーの場合について図６(ａ)に示されており、Ｙ分岐コンバイナーの場合が図６（ｂ）に示されている。

MZIは、上述の節から導かれた波長スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．．，Ｎを支持する単独モード入力導波管からなる。入力光は、Ｙ分岐スプリッターによりMZIの二つのアームへ５０／５０に分割される。Ｙ分岐スプリッターは、全ての波長スパンについて５０／５０に分割し、何らの波長依存性を有さない。二つの分割された光波は、正確に同じ距離でMZIアームを内を進む。MZIアームの一方においては、屈折率変化は相対的に他のアームへもたらされるので、アームにおける光の相対速度が変化し、導波管内を進む二つの光波の間に位相差がもたらされる。二つの分割された光波はＭＭＩカプラー（或いは、Ｙ分岐コンバイナーをＭＭＩカプラーの代わりに使用することができる）内で再合成し、位相差に依存して、波は出力ポートに接続する。特定の波長については、二つの光波が同位相であるときに、それらは再合成してポートＰ_ｏｕｔに接続する。それらが正確にπだけ位相ずれするとき、半分の光は上部ポートＰπ／２を出て、半分は底部出力ポートＰπ／ ２ を出る。Ｙ分岐コンバイナーについては、Ｐ_ｏｕｔポートのみが存在し、位相ずれ部分については、光は導波管に関して環境及び基板へ散乱する。所定の波長について二つのアームの間の位相差の関数として入力光へ規格化された出力ポートの光強度のグラフが図７に示されている。このグラフは一つの波長についての位相差を表し、波長の幅広い範囲があるときにインターフェログラムが発生し、各々は特定の有効屈折率差について異なる位相差を有する。実線は中間出力ポートを表し、MZIの二つのアームが同位相にあるとき、全て光は中間ポートに結合する。丸を有する点線はは上部及び下部ポートの合計を表し、光がπだけ位相ずれしているとき、光は半々にポートの各一つへ連結する。
二つの考えられる変調計画が論じられ、即ち、熱光学効果に基づく変調及び自由キャリア吸収（プラズマ分散としても知られる）効果に基づく変調である。シリコンは良好な熱特性を処理し、これはその高い熱光学係数（古典的な熱光学材料よりも約３倍高い）と、非常に興味深い熱光学効果に基づく変調をなす高い熱伝導性を有する。その唯一の不都合は、熱光学効果に基づく変調が自由キャリア吸収に基づく変調よりも遅いことである。分光学用途については、これは通常は問題にならないが、高速変調は、データ通信用途にとっては典型的により重要である。分光学用途についての自由キャリア吸収は、より高速な変調が要求されるときに使用されるであろう。自由キャリア吸収に基づく変調についての不都合は、変調を実行及び達成することがより複雑であり、MZIにおける一方のアームが他方のアームよりもパワーが低い、即ちこれらのアームの出力が５０／５０にならないことに起因して光学的パワーの損失を有し、非対称な結果をもたらし、これは処理と解釈において順応を必要とする。熱電ゼーベック効果に起因して、半導体材料のバー上に印加される電圧は、バーの両端の間の温度差をもたらす。熱電対は、一端で接続された二つ異なる熱電バーからなる。熱電冷却器は、直列に電気的に接続された多数の熱電対からなる。効率的な熱電冷却器は、大きなゼーベック係数α、低い電気抵抗力ρ、及び低い熱伝導率κを有する熱電材料で構築せねばならない。表２は、ＣＭＯＳ互換熱電材料の二つのセット、即ち、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ及びＰｏｌｙ−Ｓｉ_７０％Ｇｅ_３０％の材料特性を示す。ｎ型材料はリンでドープされており、且つｐ型材料はボロンでドープされている。熱電材料は、電気抵抗力を低減するために相当にドープされており、それは表２からＰｏｌｙ−Ｓｉ_７０％Ｇｅ_３０％材料の熱伝導性が低いことにより見てとれる。

材料 ドーピング濃度 ゼーベック係数 電気抵抗 熱伝導性
Ｃ（Ｃｍ^−３×１０^２０） α（ｕＶ／Ｋ） ρ（ｍΩ・Ｃｍ）ｋ［Ｗ・ｍ^−１
・ｋ^−１］

ｎ−Ｐｏｌｙ−Ｓｉ ２．５ −５７ ０．８１３ ３１．５
ｎ−Ｐｏｌｙ−Ｓｉ ２．５ １０３ ２．２１４ ３１．２

ｎ−Ｐｏｌｙ−ＳｉＧｅ ２．５ −７７ ２．３７ ９．４
ｎ−Ｐｏｌｙ−ＳｉＧｅ ２．５ ５９ １．８７ １１．１

表２ ４００ｎｍ厚ｐｏｌｙ−Ｓｉ及びｐｏｌｙ−ＳｉＧｅ層の材料特性

スペクトル精度はＦＴＩＲ分光計における利点の重要な数字であり、スペクトル再現性と混同されてはならない。スペクトル精度は、実際の測定値と真の値との間の差異の基準である。スペクトル再現性はしばしばＳＮＲと称されており、同一のサンプル、同一の状態、及び特定の時間量に亘る同一の形態からスペクトルを再生させるＦＴＩＲ分光計の能力である。従って、雑音は、真の値に対する出力スペクトル近似に関係なくて、測定の間のスペクトル逸脱の基準である。スペクトル精度は重要であり、ＦＴＩＲ分光計が意図された分解能の範囲内で波長情報を生成することは重要である。従って、高いスペクトル精度を達成しながら、熱光学効果に基づく変調のための試みが図８に開示されている。高いスペクトル精度を達成するために、二つのアームの間の実際の温度差は、二つのアームの間の屈折率変化を生じ、印可された所定の電圧についてのスペクトルを抽出するときに正確に知られている必要がある。この理由のために、より高い熱絶縁のためのチタン接点を有する温度センサとしてのアモルファス・シリコン（Ａ−Ｓｉ）の層を用いた方法が開示される。古典的なＦＴＩＲ分光計においては通常はヘリウム・ネオン・レーザーが加えられて、ミラー移動及び速度を測定して高いスペクトル精度を達成する。開示された方法は、レーザーの必要性を廃する。開示された方法においては、熱電デバイスへ印加される電圧に起因する温度変化がＡ−Ｓｉの抵抗の変化を生じる。二つのアームの間の抵抗差が測定されたとき、屈折率の変化が知られて、望ましいスペクトル精度が達成される。ＩＩＸでスペクトルを抽出するとき、熱電デバイスに印加された電圧毎に抵抗情報（Ａ−Ｓｉを横断する電圧降下）が使用される。Ａ―Ｓｉの特性と利点の数値は第ＶＩ節において更に詳細に説明される。

加熱と冷却との両方を同時に達成し、熱変調のために必要とされる大きな温度差を達成する考えられる方法の一つの例は、集積化されたペルチェ構造である。或いは、抵抗加熱又は金属層を介する加熱のような任意の方法を熱変調を達成するために使用し得る。単に導波管内の熱生成に基づく構造は、通常は、チップの基板が低温に冷却されることを要求する。

開示された集積化ペルチエ・デバイスに関係する製作層は図８に示される。その製作ステップは概念上の理解のための図解のみであって、完全な製作フロー又はシーケンスは図示しない。先ず（Ａ）において、シリコンは、中央に導波管を、縁に二つのシリコン・ヒートシンクを残してエッチングされる。ヒートシンクは、熱電デバイス（ペルチエ・デバイスとしても知られる）からの熱流を制御するのに用いられる。窒化ケイ素は、（ｂ）においてＬＰＣＶＤで積層される。窒化ケイ素（これは最大１１μｍまで赤外線に対して透明である）が導波管のための外装材として使われる。窒化ケイ素層は、導波管内の光学的場のエバネセント波を支持する。エバネセント場は、サンプル・インターフェースのために重要な役割を演じて、第Ｖ節で更に詳細に論じられる。更に、窒化ケイ素は、二酸化ケイ素より非常に高い熱伝導率を有し、従って、ペルチエ・デバイスで取得されるか、又は加えられる熱は、より効率的にシリコン導波管へ伝搬する。窒化ケイ素の厚さ「t」は、シリコンへの良好な熱伝導を達成するために可能な限り薄くなければならないが、エバネセント波を支持するのに充分に厚くなければならない。この厚さ「t」は、導波管の側部で必要な窒化ケイ素の幅にも適用される。最小限の厚みは、導波管におけるエバネセント波の浸透深さによって導かれる。ランベルト・ベールの法則から、窒化ケイ素の電場は(１５)である。

ここでＥは、シリコンと窒化ケイ素との境界に対する法線である距離ｚの関数としての電場であり、Ｅ_０は境界における初期電場強度である。αは電場振幅減衰係数であり、図１１における導波管については（１６）で導かれる。

浸透深さｄ_ｐは初期場の１／ｅ（３７％）へ場が降下したときとして定義される。θは入射角であり、λは波長であり、Δｎは二つの材料の相対屈折率である。入射角については、導波管が単独のモードのために設計される本発明の場合には、式（５）−（９）で示すように、離散モードのみが存在する。入射角は、シリコン導波管における反射光の伝搬定数βと波数ｋ_{n_ｓｉｌｉＣｏｎ}との間の角度を採ることにより(１７)で導かれる。

(Ｃ)において、チタニウムの薄い層は、Ａ−Ｓｉへの接触接続のためにスパッタする。表１で示すように、チタニウムの熱伝導率は、アルミニウムよりも約１０倍小さい。アルミニウムの莫大な熱伝導率はＡ−Ｓｉ温度センサの感度低下をもたらすので、チタニウム接触は温度センサの性能を向上させる。（ｄ）において、Ａ−Ｓｉは積層されてボロンでドープされて、高い抵抗の温度係数（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ＲｅｓｉｓｔｃｎＣｅ：ＴＣＲ）を得る。Ａ−Ｓｉ膜は、チタニウムへの良好な接続のために反応性ＳＦ_６ガス内で反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）によりパターン化される。（ｅ）において、二酸化ケイ素の厚い層は、ＰＥＣＶＤにより積層される。二酸化ケイ素は、Ａ−Ｓｉについての電気的絶縁層として、シリコン・ヒートシンクについての良好な断熱層として、両方に働く。（ｆ）において、アルミニウムが電気伝導度のためにチタニウム上に積層されてパターン化されて、温度センサ・パッドのための接触層として使用される。Ａ−Ｓｉ温度センサはMZIアームの全長を覆い、導波管の温度を最良に且つ殆ど正確に感知する。（ｇ）において、二酸化ケイ素はＰＥＣＶＤで積層し、温度センサのパッドのための電気的絶縁層として働く。アルミニウム・パッドはMZIのアームに沿った経路をなし、パッドへの接触はMZIアームの終端でなされる。（ｈ）において、窒化ケイ素の薄い層は、電気的絶縁層として働くＬＰＣＶＤにより積層される。窒化ケイ素層は、ペルチエ・デバイスからシリコン・ヒートシンク及びシリコン導波管までの良好な熱伝導度のために薄く保たれる。（ｉ）において、ｐｏｌｙ−Ｓｉ又はｐｏｌｙ−ＳｉＧｅ熱電材料は、ＬＰＣＶＤにより積層されてパターン化される。ｎ型材料は高温炉内でリンにより拡散し、一方、Ｐ型材料は酸化マスクによって覆われる。ｐ型材料はボロンでドープされ、一方、ｎ型材料は覆われる。ｐｏｌｙ−Ｓｉ又はｐｏｌｙ−ＳｉＧｅは反応性ＳＦ_６ガス内で反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）によりパターン化される。最後に、（ｊ）においてアルミニウムが積層してパターン化されて、ペルチエ・デバイスを形成する。

冷却モードでは、電流はｎ型材料からブリッジ金属（アルミニウム）を通過してｐ型材料へ流れる。ブリッジ金属は、シリコン・ヒートシンクへのアルミニウム接点よりも冷却される。ペルチエ・デバイスに印加される電圧の極性が反転されるならば、ブリッジはヒートシンクへの接触パッドよりも熱くなる。両方の場合において、熱が不足するか、又は熱がＡ−Ｓｉ温度検出器を通じてシリコン導波管へ伝搬するので、導波管の材料の温度が変化することによって導波管の屈折率が変化する。ペルチエ・デバイスは、MZIアームの長さを通じて直列に接続される。アルミニウム・ブリッジはＵ字形状に形成されて、充分な冷却力と、空気の小さな熱の迂回により促進された温度差とを可能にする。

シリコンは、その高い熱光学係数によって、熱光学変調のために用いるのに良好な材料である。材料の屈折率「ｎ」は、(１８)におけるでローレンツ-ローレンツ（Ｌｏｒｅｎｔｚ−Ｌｏｒｅｎｚ）方程式に従う分子分極性αから生じる。

ここでρは分子密度であり、Ｔは温度、及びε_０は自由空間の誘電率である。
温度に関する分化式(１８)は、温度に依存する屈折率、即ち熱光学係数を与える。シリコンについては、熱光学係数は近似的に、

である。式(１９)はまさに、温度の関数としてのシリコンの屈折率変動であり、導波管内の光波は、ｎ_ｅｆｆの速度で移動し、従って、二つのアームの間の位相差を計算するときに、式(５)-(９)はｎ_ｅｆｆを抽出するために各々の温度状態の下でシリコンの新しい屈折率により再計算される必要がある。シリコンが低い熱膨張を有するので、（１８）からシリコンが正の熱光学係数を有することに注意することも重要である。高い熱膨張を有する材料については、熱光学係数は負である。ＭＺＩの二つのアームにおける熱光学変調の各々に異なる電圧を印可することにより、各々の波は、（１９）からの屈折率における変化及び変化するｎ_ｅｆｆに起因して異なる速度で移動する。このように電圧が印加され、即ち、一方は増大して他方は減少して、スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．．，Ｎにおける全ての波長の間の２π位相差を達成する。スペクトル分解能は従って、干渉計において２π位相差を被ることができる二つの波長が如何に近接するかに依存する。所定の波長λ_０については、波数βが、所定の長さ（２０)当たりに波が被る位相差のラジアンの数を表すことが知られている。

ここでλ_０は自由空間における波長である。(２０)を用いると、二つのアームの間で達成可能な最大のｎ_ｅｆｆ差を採り、２π位相差の合計を被る最も近接した二つの波長を見つけることによって、スペクトル分解能を導くことができる。
（２０）からは、ＭＺＩにおけるアームの長さを増大することがスペクトル分解能を増加させることも導くこともできる。熱光学効果は、その単純さのために、ＭＺＩにおける変調のための非常に魅力的な方法であり、導波管に損失をもたらさない（しかし、それは、自由キャリア吸収である他の方法を用いるよりも遅い）。

変調を達成するために用いることができる第２の試みは、自由キャリア吸収に基づいている。例として、自由キャリア吸収に基づく構造について、逆バイアス・ダイオードを使用し得る。それに代えて、導波管内を移動する光学経路における自由キャリアの数を変化させることにより変調を達成する任意の構造を使用し得る。

導波管内の自由キャリアの数は、シリコン導波管の外側に逆バイアス・ダイオードを形成し、電圧を印加することによって、空乏領域の幅を変化させることにより調節することができる。空乏領域の幅は、(２１)を使って計算することができる。

ここでε_０は誘電率であり、ｑは素電荷、Ｎ_Ａはアクセプターの濃度、Ｎ_Ｄはドナーの濃度、Ｖ_ｂｉは固有のポテンシャル、及びＶは印可された電圧である。自由キャリア吸収に基づく変調については、電圧当たりに発生した自由キャリアの数は導くことができ、二つのアームの間の屈折率差はクラーマース-クローイング（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｉｎｇ）関係を用いて抽出することができる。

自由キャリア吸収と屈折率との間の関係は、クラーマース-クローイングを用いて記述することができる。屈折率はｎ＋ｉｋとして書くことができ、ここで実数部分ｎは通常の屈折率であり、虚数部分ｋは光学吸光係数である。ｋはαに関係しており、関係ｋ＝αλ／４πによる線形吸収係数であり、ここでλは光学的波長である。ΔｎとΔαとの間のクラマース−クローイング結合は以下のように表すことができる。

ここでｈｗは光子エネルギーであり、Ｐはコーシー原理値である。吸収は、交番自由キャリア濃度（ΔＮ）によって修正し得る。

光子エネルギーは電子ボルトで表され、αの単位は代表的にｃｍ^−１であるという事実に起因して、規格化された光子エネルギー「Ｖ」（ここでＶ＝ｈｗ／ｅ）を用いて（２２）を書き改めることは都合が良い。

自由キャリア吸収効果の良好な近似は、古典的なドルーデ・モデルに由来する第１次近似により記述することができる。

ここでΔｎとΔαとは、それぞれ実際の屈折率と吸収係数変化率であり、ｅは電荷、ε_０は自由空間の誘電率、ｎは固有のシリコンの屈折率、ｍは有効質量、μは自由キャリア移動度、ΔＮは自由キャリア濃度変化率、及び添字ｅとｈとは、それぞれ電子と孔を示す。クラマース−クローイング関係を用いて、（２５）からの屈折率の変化が抽出されて、以下が与えられる。

(２６)を用いると、自由キャリア吸収効果が、１×１０^―３の尺度における近似的屈折率変化率を与え、これは負であって、即ち、熱光学効果に対する極性に対立することに留意されたい。この技術についての不都合は、熱光学効果を用いることに比べて複雑なことであるが、より重要なことに、屈折率における変化は光学損失を与えることである。これは、正確なスペクトルが評価されねばならないならば、分光学用途における問題となり、というのは、これはＭＺＩの一方のアームにＭＺＩにおける他方のアームよりも大きなパワーを持たせ、光の反対称再合成を引き起こすためである。損失を補償することも困難であり、というのは、損失がダイオードの状態に依存し、変調を通じて変動するためである。そのような訳で、差分測定をなして、即ち、先ず既知のサンプルのために、及び未知のサンプルのためにインターフェログラムを形成し、反対称損失は、取り去ることができる。変調について自由キャリア吸収を用いることについての主要な利点は、速度であり、変調についての熱光学効果を使用するよりも非常に速く、殆どの場合に数百倍速い。

考えられる再合成法の例として起こるＭＺＩの二つのアームにおける光の間の建設的干渉及び相殺的干渉のために、ＭＭＩカプラーが図９に示されている（或いは、Ｙ分岐コンバイナーを使用することができる）。このＭＭＩはＭＺＩから到来する二つの入力ポートを有し、各々の入力は全光強度の半分を有すると仮定する。そこには三つの出力ポートがあり、Ｐ_０出力ポートは二つの入力ポートが同位相のときにそこへ結合する光を有し、出力ポートＰ_π／２は、二つの入力ポートがπだけ位相ずれのときに、それらへ半々が結合する光を有する。これらの出力ポートはテーパー状であり、それらの互いから離間する距離は、入力の位相状態に依存して、光の殆どの量を集めるように最適化されている。
ＭＭＩカプラーは、自己イメージング効果の原理で作動する。入力場プロファイルは、伝搬方向に沿った周期的間隔において単独又は複数のイメージで複製される。これは、導波管モードの間の建設的干渉に起因して起こる。ビート長Ｌ_πは任意の二つの再低次モードの間の伝搬定数を用いて導かれる。

ここでβ_０及びβ_１は二つの最低次モードの伝搬係数、ｎ_ｒはリブ導波管の屈折率、Ｗ_ｅはスプリッター／コンバイナーのマルチ・モード区画の有効幅、及びλ_０は自由空間波長である。ＭＭＩにおけるＭＺＩの二つのアームの再合成のＦＤＴＤシミュレーション結果は、図１０に示される。二つの入力が同相であるときは、入力光は中央ポートへ結合し、二つの入力がπの位相ずれをしているときは、入力光は上部及び下部の出力ポートへ半々が連結する。

スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．，Ｎにおける全ての波長についての信号を再合成するＭＭＩによれば、スペクトル情報は、ＭＺＩの屈折率変動の関数として、一度に全てがインターフェログラムに符号化される。所望のスペクトル分解能が達成されるまで、屈折率変動毎に中央ポートからの光学的パワーを測定することによって、波長スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．，Ｎについての検査の下のサンプルの全ての吸収スペクトル分布が導かれる。ＭＭＩの上部及び下部出力ポートは、干渉計の相殺的干渉部分を離して案内するように用いられるので、それが光学雑音をシステムに加えることはない。次節では、考えられるサンプル・インターフェースが論じられ、インターフェログラムを解読することは第ＩＩＸ節で論じられる。
Ｖ．.サンプル・インターフェース
ＭＺＩから、特にＭＭＩカプラー又はＹ分岐コンバイナーのＰ_ｏｕｔポートは、波長スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．，Ｎを覆うインターフェログラムとなる。Ｎ個の波長スパンがあるならば、Ｎ個のインターフェログラムがあり、これらはＩ_Δλｉ（ν）；ｉ＝１，．．，Ｎとして記号化される。インターフェログラムは、熱光学的変調又は自由キャリア波吸収変調の何れかについて、ＭＺＩにおける二つのアームの間に印可された電圧の差（ΔＶ）又は電流の差（ΔＩ）の関数である。インターフェログラムの一例は、図１１に示される。アームの間に電圧差がないとき、即ち有効屈折率変動がないとき、全ての波長は同相であり、最大中心バーストはΔＶ＝０にある。二つのアームの間の有効屈折率変動が増大するとき、即ちΔＶ≠０のとき、インターフェログラムは、異なる波長についてＭＭＩカプラー又はＹ分岐コンバイナーで起こる建設的干渉及び相殺的干渉へ降下する。

各々のインターフェログラムＩ_Δλｉ（ν）；ｉ＝１，．．，Ｎがサンプルへ加えられて、サンプルによる吸収に基づいて、スペクトルが導かれる。この説明は、ＡＴＲと、外部反射方法とを開示し、これは、光の異なる角度がサンプルにチップから回析することができる。ＡＴＲ方法のためのサンプル・インターフェースの上面図は、全てのＮ個のインターフェログラムのために一つのみの赤外線検出器が用いられる場合について、図１２に示される。異なる時間にポートＰ_{ｏｕｔ＿ｉ}；ｉ＝１，．．，Ｎを通じて各ＭＺＩから到来するインターフェログラムＩ_Δλｉ（ν）；ｉ＝１，．．，Ｎは、赤外線源のパルス状処置に起因して、下方へ移動してサンプルと直接に接触する。導波管の境界から外側へ進む指数的に減衰するエバネセント波はサンプルへ浸透して、インターフェログラムの対応する波長はサンプルにより吸収される。吸収されなかった赤外線は、導波管内を赤外線検出器へ、又は、並行操作の場合、即ちＮ個のインターフェログラムの各々のための一つの検出器の場合、複数の赤外線検出器へ進み続ける。エバネセント波がサンプルを浸透する深さは、サンプルの屈折率及び波長に依存する。
浸透深さは、（５）−（９）を用いて計算され、ここでは場がサンプル内を移動した距離関数として解かれるか、或いは（１５）−（１７）を用いて計算され、ここでは導波管内の反射の角度が浸透深さを解くために導かれる。単独の検出器を用いることの利点は、複数の検出器の間の不均一性の問題が問題とならないことであるが、一方、不都合は、操作のために赤外線源を一つずつパルスする必要があり、これは完全なスペクトルの導出を遅らせることである。更に、黒体赤外線源は停止、即ち、冷たくなる、のにしばらく時間がかかるので、次に起動する前に線源を完全にオフにすることを確実にするのに特殊な手入れが必要である。Ｎ個の赤外線検出器を用いる場合、全ての検出器を支持するためにより多くのハードウェアを有するためのコストにおいて、全ての線源は並行に作動することができる。ＡＴＲ方法のための赤外線検出器は、サスペンション構造であり、接続は脚／パッドを通じてなされる。

一例として、光を出力するために回折格子を用いる導波管の一つのためのＡＴＲサンプル・インターフェースの断面図が図１３に示される。サンプルは、導波管に接触され、吸収されなかった光は導波管内を進み続けて、後に、熱的に絶縁されて吊された赤外線検出器へ回析する。検出器は、周囲領域から良好な断熱を有することは重要であるので、導波管の上方に吊るされて、ポリイミドで被覆されている。この赤外線検出器は、以下の節で更に詳細に明らかにされる。或いは、検出器は導波管の端部に置くことができ、導波管はテーパー状にして、サンプルにより吸収されなかった殆ど全ての光が導波管から赤外線検出器の吸収層へ結合する。

採用することができる代替的なサンプル・インターフェースは、(１０)-(１３)で導かれた回折式に対応する角度において導波管を離れて、サンプルから検出器へ反射して戻る光に関係する。この概念は図１４に示されており、ここでは一つの導波管についての横断面が示されている。光は回折を介して導波管を出て、その角度は調節することができ、例えば４５°の角度を達成でき、及び数度まで角をグレージングして、表面の吸収が重要であるサンプルを測定する。

導波管はサンプル・インターフェース及び検出器と共にチップに集積されるので、制御及び性能の良好な度合いが達成され、これは他の小型化ＦＴＩＲ分光計で達成することはより困難である。光ファイバーを用いるもののような他の小型化ＦＴＩＲ分光計においては、ＦＴＩＲ分光計からサンプルへの光を良好な精度で制御された方式で、整合させて戻すことが困難である。開示されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計によれば、処理全体が製作設備でなされ、ここでは正確で精密な機器がアライメント及び設計を制御する。
ＶＩ．赤外線検出器
任意の赤外線検出器を使用し得る。例えば、本開示事項において提案された検出器は、非冷却マイクロ・ボロメーターである。マイクロ・ボロメーター基本設計概念は、低コスト、小さなサイズ、広帯域スペクトル反応及びＣＭＯＳ互換性により選択された。マイクロボロメトリック検出器は、赤外線の吸収を伴う感知材料Ａ−Ｓｉの温度の変化に関して、抵抗の変化を示す。非冷却マイクロ・ボロメーター赤外線検出器は、熱感知材料としてＡ−Ｓｉを採用する。
Ａ−Ｓｉは、低い雑音特性、抵抗の高い熱係数（ＴＣＲ）を有し、ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計の抵抗仕様を満たすように電気抵抗の範囲で作製することができる。

先ずマイクロ・ボロメーターの操作を理解するために、幾つかの利点のある重要な値が規定される。応答性Ｒ_Ｖは入力輻射光学的パワーのワット毎に見られる出力の量であり、(２８)に規定される。

ここでＩ_ｂはバイアス電流、Ｒは赤外線感知材料抵抗（Ａ−Ｓｉ）、ηは入射輻射に吸収される比率、Ｇは全等価熱伝導率、ｗは赤外線輻射へ加えられた変調周波数、τ_ｔｈはデバイスの熱伝導率に対するデバイス熱質量の比により規定された熱応答時間、及びβは（２９）により与えられた抵抗の温度係数（ＴＣＲ）である。

ここでＴはケルビン温度である。検出感度Ｄ^＊は、検出器活性領域（３０）に関して規格化されたＳＮＲを測定する。

ここでΔｆは周波数帯域、Ａはマイクロ・ボロメーター面積であり、及びＶ_ｎは全雑音電圧であって、背景雑音、温度変動雑音、ジョンソン雑音及び１／ｆ 雑音を含む。利点のある重要な数値は雑音等価パワー（ＮＥＰ）であり、これは単位元（３１）の信号対雑音比を与えるのに必要な入力パワーである。

ＦＴＩＲ分光計において要求される性能を保証するために、マイクロ・ボロメーターは、β，Ｒ_ｖ，Ｄ^＊の大きな値と低いＮＥＰを持たなければならない。
この説明は、充分な熱的絶縁、（２８）-（３１）で規定される利点のある良好な数値、及びＣＭＯＳ互換性を有する自立型熱検出器を開示する。検出器及びその製作層は、図１５に示される。製作ステップは概念上の理解のための図解のみであり、完全な製作フロー又はシーケンスは表さない。先ずポリイミド犠牲層は、ドライエッチング（ａ）によってスピンされて、硬化されて、パターン化される。（ｂ）において、二酸化ケイ素層は浮動構造のために積層される。（ｃ）において、チタニウムの薄い層は、Ａ−Ｓｉとの接触接続のためにスパッタされる。表１に示すように、チタニウムの熱伝導率は、アルミニウムよりも約１０倍小さい。アルミニウムの莫大な熱伝導率は検出器の感度低下を至らしめるので、チタニウム接触は検出器の性能を大いに向上させる。（ｄ）において、Ａ−Ｓｉは積層されて、期待される抵抗及びＴＣＲを得るために、ボロンによりドープされる。Ａ−Ｓｉ膜は、チタニウムとＲＩＥとの良好な接続のために反応性ＳＦ_６ガス内でパターン化される。（ｅ）において、窒化ケイ素の非常に薄い層が積層されて、この層が電気絶縁のために用いられて、Ａ−Ｓｉと金黒吸収層との間で良好な熱伝導性を有するために非常に薄くされる。電気的導電性のために、アルミニウムがチタニウム上に積層されてパターン化されて、（ｆ）における検出器のパッドとして使用される。（ｇ）において、多孔質金黒吸収層は、熱的に蒸発する。金黒蒸発処理は、多孔質及び黒体層を達成するために、比較的に低い真空（〜０.８トール）の下でなされる。多孔質金黒層は、１．４μｍ−１．５μｍからの赤外線光のほぼ１００％を吸収する。（ｈ）において、厚い二酸化ケイ素層が積層され、これは外側からの良好な熱的及び電気的絶縁層の働きをなす。（ｉ）において、アルミニウム赤外線反射層が積層され、この反射層は、外側からの赤外線をマイクロ・ボロメーター構造へ入れず、及び、最初の通過において吸収されなかった赤外線輻射を反射して、反射の後に多孔質黒体金層により吸収させるので、マイクロ・ボロメーター性能を増大させる。最後に、（ｊ）において、浮動構造を形成するために、ポリイミド犠牲層は、マイクロ波プラズマ灰化処理により除去される。

熱隔離及び吸収方法による開示されたマイクロ・ボロメーター構造は、集積化されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計に、よく適している。図１５における製作ステップは、ＡＴＲサンプル・インターフェースに適する熱的に隔絶されたマイクロ・ボロメーターを開示する。図１３に示すように、検出器は、サンプル及びパッケージからの熱的絶縁緩衝体として働くるポリイミドで覆うことができる。外部反射サンプル・インターフェースについては、いまや赤外線がサンプルの方向から到来して、構造が反転していることを除いては、マイクロ・ボロメーター構造は図１５に類似している。断熱と吸収概念は同じことであり、検出器は図１６に示される。自立型構造は図１５におけるのと同様に形成され、アルミニウム反射層はいまや下部に配置されて、その上に多孔質金黒吸収層がある。薄い窒化ケイ素層は、依然として電気的絶縁層の働きをなして、吸収層とＡ−Ｓｉとの間で良好な熱伝導性を有する。金黒層により吸収されていない任意の赤外線は、下部のアルミニウム層から吸収金黒層へ反射されて戻り、これは検出器効率を上昇させる。
ＶＩＩ．アナログ読み出し回路及び微分差分増幅器
図１５及び図１６の形態におけるＡ−Ｓｉは線形抵抗であり、抵抗値は温度により線形に変化する。ＣＭＯＳ−ＦＴＩＲ分光計は、温度の僅かな変化（これは抵抗の僅かな変動を意味する）を検出できるようにすることが望ましい。検出器のＴＣＲは−３％／Ｋ程度であるので、チップの検出性を向上するために、微分差分増幅器（ＤＤＡ）を使用することができ、ここでは可変利得を読み取りに加えてＳＮＲを増大させることができる。単位利得のみが望ましいのであれば、単純な単位利得増幅器をＤＤＡの代わりに用いて、赤外線検出器の電圧値を読み出すことができ、即ち、抵抗又は温度値へ変換できる電圧を読み出す。基本的なＤＣバイアス回路が図１７に示されており、ＤＣ源はＡ−Ｓｉ検出器（抵抗としてモデル化されている）及び負荷抵抗に直列に接続されている。電圧Ｖ_ＩＲは、抵抗により変化し、検出器により吸収された赤外線輻射の量を示す。

アナログ読み出し回路は電圧Ｖ_ＩＲの僅かな変化を識別することができるために、先の読み出しと現在の読み出しとの間の差異を採って、この電圧差を増幅する方法が開示される。これはＳＮＲを増大するＤＤＡを用いてなされ、というのは増幅が更なる読み出し雑音源が加えられる（例えばアナログ対デジタル変換による）前にＶ_ＩＲになされるためであり、それによってＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計の検出感度が増大する。

ＤＤＡは、低い構成要素総数で単純なアナログ回路を与える基本的なＣＭＯＳアナログ構築ブロックである。ＤＤＡはオペアンプへの拡張であり、主要な相違は、オペアンプにおける場合のような二つのシングル・エンド入力の代わりに、二つの差動入力ポート（Ｖｐｐ−Ｖｐｎ）及び（Ｖｎｐ−Ｖｎｎ）を有することである。ＤＤＡの符号は図１８に示されている。ＤＤＡの出力は（３２）として表現できる。

計装増幅器は、非常に低いＤＣオフセット、低ドリフト、低雑音、非常に高い開ループ利得、非常に高い同相除去比（ＣＭＲＲ）、及び非常に高い入力インピーダンスの特性に起因する二つの信号の間の差を増幅するために良く適している。しかし、その従来の形態では、緊密に整合せねばならない三つのオペアンプ及び多くの外部抵抗を必要とする。抵抗値における不整合と二つの入力オペアンプの同相利得における不整合とは、望ましくない同相利得をもたらす。改良された計装増幅器は、一つのＤＤＡと二つの利得決定抵抗を用いて実現することができる。図１９は、計装増幅器のＤＤＡ実現を示し、これは（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１の利得について二つの外部抵抗によりプログラム可能である。この増幅器は次式により特徴付けられる。

ここでＣＭＲＲｐとＣＭＲＲｎとは、それぞれ入力ポートｐとｎとについての同相除去比である。通常のオペアンプからは解らないＣＭＲＲ_ｄは、二つの入力ポートにおいて等しい浮動電圧の影響を測定する。Ａ_ｄはＶ_２−Ｖ_１の差動利得であり、一方、Ｖ_Ｃｍは差動対（Ｖ_２−Ｖ_１）の同相電圧であり、及びＶ_ｏｆｆはオフセット電圧である。（３３）からは、高い差動利得及び高い同相除去比を有することによって、広い同相入力電圧範囲に亘って正確な差動利得を達成できることが判る。また、オフセット電圧は、公知のオフセット消去技法、例えばオペアンプで用いられるオートゼロ技法を用いて低減できることに留意されたい。このＤＤＡ設計は、式（３３）についての良好な結果をもたらす非常に高い開ループ利得（Ａ_ｄ）及び高い同相除去比（ＣＭＲＲ_ｎ，ＣＭＲＲ_ｐ，ＣＭＲＲ_ｄ）を有する。

読み出しを実行する基本的な回路は図１９に示されており、ここでは二つのキャパシタＣ１及びＣ２がスイッチS １の状態に応じて電圧Ｖ_ＩＲを蓄える。より進歩的なスイッチ式キャパシタ・サンプル・ホールド回路を図１９における構成の代わりに採用することができるが、読み出し手順の基本的な理解については、図１９における構成が示されている。一連の読み出し毎に、スイッチは、Ｖ_ＩＲをＣ１又はＣ２の何れかに接続するように切り替わり、ＤＤＡ増幅器は電圧の間の差（Ｖ２−Ｖ１）を増幅する。読み出し毎に、スイッチが閉止することにより電流電圧がキャパシタに蓄えられて、他方のキャパシタはそれに既に蓄えられた電圧を有するので、読み出しの間の差のみが増幅される。インターフェログラムの性質に起因して、大きな電圧差を有する二つの連続的な読み出しは生じないので、ＤＤＡは大きな閉ループ利得を有するように構成することができる。非常に小さな抵抗差（即ちＡ−Ｓｉにおける温度変化）を検出することができ、それによってＳＮＲとＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計の検出感度とが改善される。ＤＤＡの出力（（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１＊（Ｖ２−Ｖ１））は、デジタル値への変換のためにＡＤＣの入力に接続している。出力電圧は、Ｖ２がＶ１よりも大きいか小さいかに依存して正又は負の何れかになることができる。ＤＤＡは二つの読み出しの差を増幅するのみであるので、最も最近の出力の極性は、読み出しが先の電圧よりも大きいか小さいかの情報を保持する（即ち、スイッチの状態及び出力の極性に依存して、現在の読み出しを先の読み出しに対して加えるべきか差し引くべきかの必要性があるか否かを評価することができる）。ＡＤＣは負の電力供給電圧Ｖｓｓから正の電力供給電圧Ｖｄｄへ変換し、入力信号の極性とスイッチの状態とに依存して、デジタル値が導かれる。
ＡＤＣ構造及び基本的なアルゴリズムは、次節で論じられる。
ＩＩＸ．アナログ対デジタル変換及びデジタル・アルゴリズム
前述の節から、ＡＤＣに対する入力の一つは、（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１の利得因子を乗じた、現在の読み出しと先の読み出しとの差に等しい電圧値を有するアナログ信号である。ＡＤＣに対する他の入力はスイッチＳ１の状態と図１９からの利得因子（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１である。ＣＭＯＳ技術におけるアナログ対デジタル変換について多くの良く確立されたトポロジーが存在する。このようなトポロジーは、フラッシュＡＤＣ、パイプラインＡＤＣ、連続的近似ＡＤＣ、ランプ比較ＡＤＣ、ウィルキンソンＡＤＣ、積分ＡＤＣ及びより多くを含む。任意のＡＤＣ構造を使用することができ、この説明はＤＤＡの検出感度増強を採用するためにＡＤＣ変換の間に適合する必要があるアルゴリズムを開示するのみである。基本的な転換アルゴリズムは、論理的に(３４)に書かれている。

ここでＤ_ＡＤＣはＡＤＣからの変換の後のデジタル値、Ｄ_ＡＤＣの正又は負の値は、デジタル値を先行する変換に対して加えるべきか差し引くべきかを示し、即ち、インターフェログラムにおける現在の点が先行する点より高い値又は低い値を有することを示す。（３４）に見られるようなＤ_ＡＤＣについての符号は、スイッチＳ１の状態及び出力電圧が正か負かに依存しており、これは単純なコンパレーターにより容易に評価することができる。デジタル領域で作動するときの単純化のために、Ｄ_ＡＤＣ２は-補数形式を用いて表すことができ、これによって、加えるか又は差し引くことができ、最終的なデジタル値Ｄ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}を容易に計算して、（３５）を通じて評価される。

ここでＤ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}は、評価されるインターフェログラムの先行する最終デジタル値、Ｄ_{Ｇａｉｎ＿Ｆａｃｔｏｒ}は、単位利得値へ分割する必要がある利得要因（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１のデジタル値であり、即ち、２^{ＤＧａｉｎ＿Ｆａｃｔｏｒ}＝（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１である。（３５）におけるシフト左作用（＜＜）は増幅された値のデジタル部分である。値Ｄ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}はＤ_{ｐｒｅｖｉｏｕｓ}として記憶され、次の読み出しのために使用されて、この手順は完全なインターフェログラムのために繰り返される。デバイスの全てがＣＭＯＳ集積回路に組み込まれるため、デジタル処理及びオンチップ・メモリにおけるデータの記憶が、標準的なＣＭＯＳツール及び製作方法を使用して容易に集積される。

チップ上の電子機器と干渉計との完全な集積に起因して、インターフェログラムはＭＺＩへ印可された電圧の関数として変化し、サンプリング・レート及び電圧は、他のＦＴＩＲ分光計と比較的して、より正確に同期することができる。他のＦＴＩＲ分光計において、ミラーの機械的動作及びミラーの遅延速度は、電子機器でなされるサンプリング・レートに同期させる必要がある。同期についての必要性は、多大な複雑さを付加し（通常はミラー置換を測定するために更なるレーザーを組み込む）、低下した分解能及び性能を引き起こすエラーをもたらす。開示されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計においては、これはＭＺＩへの相互接続を通じて伝搬する電圧の無視できる遅延及びＭＺＩの応答時間をのみ評価する必要があるので、それほどの問題ではない。

いまやインターフェログラムが評価されて、デジタル・データが各サンプル点について記憶されており、インターフェログラムは、波長Ｃ（λ）又は波数Ｃ（ν）の関数としてスペクトル分布情報Ｃに変換する必要がある。これは（３６）に示されるインターフェログラムの複雑なフーリエ変換を採ることによってなされる。

ここでＩ（Ｖ）はＭＺＩに印加された電圧Ｖの関数としてのインターフェログラムである。良く確立したデジタル技術がフーリエ変換を実行するのに用いられ、ここでは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）と称されるＣｏｏｌｅｙ及びＴｕｋｅｙのデジタル方法が用いられる。ＦＦＴは(３５)に記憶されるデジタル値を用いてＣＭＯＳ技術で容易に実装される。次いで、印加される電圧についての屈折率変化を計算することによって、スペクトルは望ましいスペクトル精度で導かれる。インコヒーレント光波に起因する雑音は、ＳＮＲを増大させる多くのサンプルを採ることによって平均化される。スペクトルが導かれたとき、それはオンチップ・メモリに記憶され、そのスペクトルを様々な参照材料についてのスペクトルの予め記憶されたデータベースに対して解析し、比較して評価することができる。更なるプロセッサ、デジタル・モジュール、ユーザー・インターフェース及びソフトウェア、例えばオペレーティング・システムを標準的なＣＭＯＳ設計を用いて集積することができ、ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計の完全な制御とデータ収集をオンチップに集積可能とする。

この節は、本発明のＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計の例の開示を終える。ＣＭＯＳ技術で集積されるＦＴＩＲ分光計は電子機器によるフォトニック要素の集積を可能とし、より小型なＦＴＩＲ分光計を作製する。古典的なＦＴＩＲ分光計の全ての機能はＣＭＯＳチップで集積され、必要とされる任意の更なるユーザー機能を標準的なＣＭＯＳ処理を用いて容易に設計して、オンチップに集積することができる。ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計は、小型であり、電池駆動でき、低コストであり、今日のＦＴＩＲ分光計への既存の応用に加えて広範囲に亘る新たな用途に開けている他の電子機器及びデバイスと共に集積することができる。
ＩＸ．長赤外線拡張及び単一光源、単独の干渉計設計
ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計に採用することができる最大波長についての主な制限因子は、二酸化ケイ素の使用である。シリコンは１．４μｍ乃至１．５μｍの間で透明であるが、Ｓｉ−Ｏ_ｘ結合は８-１０μｍの波長の間で強い赤外吸収をもたらす。ＳＯＩ技術については、絶縁体は通常は二酸化ケイ素であるので、導波管内のエバネセント波は吸収されて、結局は導波管内を伝搬する波についての光学的パワーは失われる。二酸化ケイ素ウエハーにより製作されるこの開示事項のために、波長は１．４μｍ−８μｍで作動し得る。ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計は、二酸化ケイ素の代わりに、導波管の下及び上部に窒化ケイ素層を用いることにより、１．４μｍから１１μｍで作動するように拡張することができる。Ｓｉ−Ｎ_ｘ結合は１１μｍ乃至１３μｍの間の吸収をもたらすので、窒化ケイ素内を進むエバネセント波は、１．４μｍ−１１μｍの間で吸収されない。長赤外線領域、即ち、１．４μｍ−１１μｍへのＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計拡張のための方法の断面図は図２０に示される。導波管は、導波管の下方及び必要とあれば上方（上方は或る場合には空気として残すことができる）に窒化ケイ素の層を有する。窒化ケイ素層hの厚さは、式（５）−（８）から導波管の浸透深さを用いるか、或いは(１５)-(１６)を用いて計算することができる。

導波管の側面については、同じ方法が適用され、空気又は窒化ケイ素の何れかを用いることができる。或る用途は、１５μｍまでの赤外吸収情報を必要とする。１１-１５μｍの間の波長で作動させるために、図２０に示すような同じ解決を使用することができるが、窒化ケイ素を使用する代わりに、２５μｍまで透明である臭化カリウム（ＫＢｒ）又は１５μｍまで透明であるフッ化バリウム（ＢａＦ２）を用いることができる。ＫＢｒ及びＢＡＦ２は赤外線分光学で使用される一般的な材料である。
Ｘ．ＣＭＯＳ-ラマン分光計
ラマン分光学は、系における振動、回転、及び他の低周波モードを調べるのに用いられる技術である。ＦＴＩＲ分光学と同様に、概ね同じ結果を与えるが、補完的な情報を提供する。ラマン分光計における主要な差異は、単色光源（通常は近赤外線（ＮＩＲ）レーザー）からの光が試験下でサンプルにおける振動及び回転モードを励起するために用いられることである。サンプルからの広帯域射出光は集められて、インターフェログラムはラマン散乱から発生する。開示された発明に関して、全ての構成要素は第ＩＩＩ−ＩＶ節で論じられ、第ＶＩ−ＩＸ節は本開示事項によるＣＭＯＳ-ラマン分光計についてと同様である。第ＩＩ節においては相違が明らかであり、ここでは広帯域源を必要とせず、単に単色光ＮＩＲレーザー光が光源として使用され、第Ｖ節では、いまやサンプル・インターフェースが設計の開始である。

ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計のように、波長スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．，Ｎの単独のモードのみを支持するＮ個の導波管が依然として存在する。最初の導波管は、ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計、波長フィルタ及びＭＺＩにおいて開示された全ての構成要素を依然として有しており、いまやＭＺＩの出力は、図１３に類似した回折（但し、サンプルを伴わずに）を介するか、或いは導波管をテーパー状にして光を検出器の外側へ結合させるかの何れかにより、真っ直ぐに検出器へ進む。サンプルはいまや最初の導波管区画の近傍にあり、図２１に示すように、振動及び回転光は単色光ＮＩＲレーザーにより励起される。集積されたＮＩＲレーザー又はＬＥＤのための多くのよく知られた設計があり、その任意の一つを、開示されたＣＭＯＳ-ラマン分光計のために使用することができる。
図２１において、断面図は一つの波長スパンについての最初の導波管を示す。集積レーザーはサンプルを励起し、これは全ての広帯域波長に亘る赤外線輻射を射出する。回折を使用して、各々の導波管はそれが支持する波長スパンのみを回折させる。レイリー散乱は、それが導波管へ回析しないか、或いは導波管内を伝搬しないので、問題ではない。望ましいスパンの一部ではない任意の波長は、それがＭＺＩへ入る前にフィルタにより反射される。

ＣＭＯＳ-ラマン分光計インターフェースの上面図が一つの波長スパンについて図２２に示されている。図２２の構造は波長スパンの全てに亘って繰り返され、各々はより大きな導波管寸法を有する。光が導波管内の伝搬を開始するとき、単独のモードのみが支持されて、その時点から、開示されたＣＭＯＳ-ラマン分光計はＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計と同様である。
ＸＩ．結論
開示された発明は、完全に集積されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計及びＣＭＯＳ-ラマン分光計のための方法を提供する。ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計は、古典的なＦＴＩＲ分光計の全ての構成要素をコンパクトで、小型化された、低コストＣＭＯＳ-製作互換チップへ集積させて有する。開示されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計は、短及び中間赤外線領域、即ち１．４μｍから８μｍで作動することができ、長赤外線領域、即ち８μｍ乃至１５μｍへの利用可能な拡張を有する。開示されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計は、増大したスペクトル分解能を有し、可動部品が無く、光学レンズが無く、コンパクトであり、厳しい外部状況で損傷する傾向が無く、最も重要なことは、標準的なＣＭＯＳ技術で製作されることによって、低コストでＦＴＩＲ分光計の大量生産を可能にすることである。完全に集積されたＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計は、バッテリー作動に適しており、望ましい機能性が標準的なＣＭＯＳ技術によりチップ上に集積できるので、既存のＦＴＩＲ分光計デバイスに加えて新たな種類の消費者向けデバイスへの道が開かれる。ＦＴＩＲ分光計のための同じく開示された発明は、設計に関するささいな変更でＣＭＯＳ-ラマン分光計のために組み込むことができる。完全に集積されたＣＭＯＳ-ラマン分光計も開示された。

開示された実施形態の上述の説明は、当業者が本発明をなすか又は使用することを可能にするように提供された。それらの実施形態への様々な修正は当業者には直ちに明らかであり、本明細書に規定された一般的な原理は、本発明の要旨及び目的を逸脱しない範囲で他の実施形態へ適用し得る。従って、本発明は本明細書に示された実施形態に限定することを意図するものではなく、請求項に合致する完全な目的を許容するものであり、ここでは単数で要素を参照するとき、例えば冠詞「一つ」の使用は、特に断らない限りは、「一つ及び唯一」を意味することを意図するものではなく、むしろ「一つ以上」を意味する。本開示事項に亘って説明され、当業者に既に知られているか、後に知られるようになる様々な実施形態の要素に対する全ての構造的及び機能的な均等物は、請求項の要素により包含されるべきことが意図されている。

Claims (24)

1. 分光計であって、
   （ａ）Ｎ波長スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．，Ｎへ分割されて各波長スパンがその基本モードで伝搬するのみである広帯域赤外線信号と、
   （ｂ）変調を介してシリコン導波管内にインターフェログラムを生成する手段とを備える分光計。
2. 請求項１の分光計において、前記分光計としての同一の集積回路上に前記信号のための広帯域赤外線源を有する分光計。
3. 請求項１の分光計において、変調を介する前記インターフェログラムの前記生成は、シリコンの熱光学効果に基づく分光計。
4. 請求項１の分光計において、変調を介する前記インターフェログラムの前記生成は、シリコンのプラズマ分散効果（自由キャリア吸収）に基づく分光計。
5. 請求項１の分光計において、温度を感知して高いスペクトル精度を得る手段を有する分光計。
6. 請求項１の分光計において、シリコン導波管内でＡＴＲを用いてチップ上に集積されたサンプル・インターフェースを有し、前記導波管では、光が前記導波管に残らず、赤外線検出器に達するときにのみ前記導波管から回析又は結合する分光計。
7. 請求項１の分光計において、光の角度を調整するために回折格子を利用している外部反射のためにチップ上に集積されたサンプル・インターフェースを有する分光計。
8. 請求項１の分光計において、前記分光計と同一の集積回路に集積された自立型熱検出器マイクロ・ボロメーターを有する分光計。
9. 請求項１の分光計において、ＤＤＡの感度強化を組み込むためにＡＤＣが関係しているアルゴリズムを実装する分光計。
10. 請求項１の分光計において、前記分光計は集積ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計である分光計。
11. 請求項１の分光計において、前記分光計はＣＭＯＳ−ラマン分光計である分光計。
12. 請求項１の分光計において、前記分光計は、より長い波長について、窒化ケイ素を用いることにより１１μｍまで、１５μｍまでの赤外線波長に対して透明な様々な材料を用いることにより１５μｍまで有用である分光計。
13. 広帯域赤外線信号をＮ波長スパンΔλ_ｉ，ｉ＝１，．．，Ｎへ分割して、各波長スパンがその基本モードで伝搬するのみにすること、及び
    変調を介してシリコン導波管内にインターフェログラムを生成することを含む方法。
14. 請求項１３の方法において、前記分光計と同一の集積回路上に前記信号のための広帯域赤外線源を集積する段階を更に含む方法。
15. 請求項１３の方法において、シリコンの熱光学効果に基づいて変調を介する前記インターフェログラムを生成する段階を更に含む方法。
16. 請求項１３の方法において、シリコンのプラズマ分散効果（自由キャリア吸収）に基づいて変調を介して前記インターフェログラムを生成摺る段階を更に含む方法。
17. 請求項１３の方法において、温度を感知して高いスペクトル精度を得る段階を更に含む方法。
18. 請求項１３の方法において、シリコン導波管内でＡＴＲを用いてチップ上に集積されたサンプル・インターフェースを介してサンプルとの信号の相互作用をなす段階を更に含む方法。
19. 請求項１３の方法において、光の角度を調整するために回折格子を利用している外部反射のためにチップ上に集積されたサンプル・インターフェースを介してサンプルとの信号の相互作用をなす段階を更に含む方法。
20. 請求項１３の方法において、温度を感知するために、前記分光計と同一の集積回路に集積された自立型熱検出器マイクロ・ボロメーターの使用を更に含む方法。
21. 請求項１３の方法において、前記インターフェログラムからの結果の生成におけるＤＤＡの感度強化を組み込むためにＡＤＣが関係しているアルゴリズムの実装を更に含む方法。
22. 請求項１３の方法において、集積ＣＭＯＳ-ＦＴＩＲ分光計の使用を更に含む方法。
23. 請求項１３の方法において、ＣＭＯＳ−ラマン分光計の使用を更に含む方法。
24. 請求項１３の方法において、より長い波長、１５μｍまでの赤外線波長に対して透明な様々な材料を用いることにより１５μｍまでのより長い波長の分光計における銀の窒化物を更に利用する方法。

Images