JP2023174434A - 分光計 - Google Patents

Abstract

【課題】３つの異なる格子構造を有する分光計に関する。【解決手段】分光計は、導光基板と、上部格子層と、下部格子層と、イメージセンサと、読み出し回路とを備える。上部格子層は、導光基板上に配置され、光を受光するように構成されている。上部格子層は、第１の格子構造、第２の格子構造、及び第３の格子構造を含み、第１、第２、及び第３の格子構造は格子周期が異なる。導光基板は、光が導光基板内に伝播する際に光を回折するように構成され、これによって複数の回折光を形成し、複数の回折光のそれぞれが異なる波長及び異なる光路を有する。下部格子層は、導光基板の下に配置され、複数の回折光を放射するように構成されている。イメージセンサは、下部格子層の下に配置される。読み出し回路は、イメージセンサの下に配置される。【選択図】図１

Description

本開示は、分光計に関する。より詳細には、本開示は、３つの異なる格子構造を有する分光計に関する。

一般に、光のスペクトルは、様々な分析機器によって分析することができる。例えば、従来の反射格子分光法によって可視光または近赤外（ＮＩＲ）光の波長を分析でき、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）（マイケルソン干渉計など）によって赤外光（ＩＲ）の波長を分析できる。しかしながら、紫外光－可視光－赤外光の広帯域スペクトルを分析できる分析機器はない。さらに、上記の分析ツールはかさばり、場所をとるものである。そのため、上記課題を解決する必要がある。

本開示の一態様は、分光計を提供する。分光計は、導光基板と、上部格子層と、下部格子層と、イメージセンサと、読み出し回路とを備える。上部格子層は、導光基板上に配置され、光を受光するように構成されている。上部格子層は、第１の格子構造、第２の格子構造、及び第３の格子構造を含み、第１、第２、及び第３の格子構造は、格子周期が異なる。導光基板は、光が導光基板内に伝播する際に光を回折するように構成され、これによって複数の回折光を形成し、複数の回折光のそれぞれが異なる波長および異なる光路を有する。下部格子層は、導光基板の下に配置され、複数の回折光を放射するように構成されている。イメージセンサは、下部格子層の下に配置されている。読み出し回路は、イメージセンサの下に配置されている。

いくつかの実施形態において、第１の格子構造は２ステップ格子構造であり、紫外光と可視光を受光するように構成されている。

いくつかの実施形態において、第１の格子構造の格子周期は０．３μｍ～０．４μｍの範囲にある。

いくつかの実施形態において、第２の格子構造は３ステップ格子構造であり、近赤外光を受光するように構成されている。

いくつかの実施形態において、第２の格子構造の格子周期は０．６μｍ～０．７μｍの範囲にある。

いくつかの実施形態において、第３の格子構造は３ステップ格子構造であり、短波赤外光を受光するように構成されている。

いくつかの実施形態において、第３の格子構造の格子周期は０．９５μｍ～１．０５μｍの範囲にある。

いくつかの実施形態において、分光計は、導光基板の上方に配置されたコリメータをさらに備え、コリメータは光の入射角を制限するように構成され、コリメータは、第１の格子構造、第２の格子構造、及び第３の格子構造にそれぞれ位置合わせされた開口部を少なくとも３つ備える。

いくつかの実施形態において、コリメータは光の入射角を±２度以下の範囲に制限するように構成されている。

いくつかの実施形態において、分光計は、コリメータと導光基板との間に配置された上部クラッド層をさらに備える。

いくつかの実施形態において、導光基板は、３２度～７５度の範囲に光の臨界角を有する。

いくつかの実施形態において、導光基板の厚さは１００μｍ～２ｍｍの範囲にある。

いくつかの実施形態において、導光基板の長さは５００μｍ～２０００μｍの範囲にある。

いくつかの実施形態において、第１の格子構造、第２の格子構造、及び第３の格子構造は、同じ高さを有する。

いくつかの実施形態において、上部格子層の屈折率は１．５～２．７の範囲にある。

いくつかの実施形態において、導光基板の屈折率は１．５～２．７の範囲にある。

いくつかの実施形態において、上部格子層の材料は、導光基板の材料と同じである。

いくつかの実施形態において、上部格子層の材料は、導光基板の材料とは異なる。

いくつかの実施形態において、イメージセンサは、量子ドットイメージセンサ、ペロブスカイトイメージセンサ、又は有機フォトダイオードイメージセンサである。

いくつかの実施形態において、イメージセンサは、Ｓｉフォトダイオードアレイと、Ｓｉフォトダイオードアレイと横方向に重なり合うＧｅオンＳｉフォトダイオードアレイとを備える。

いくつかの実施形態において、分光計はさらに、下部格子層とイメージセンサとの間に配置されたバンドパスフィルタ層を含む。

本開示の態様は、添付の図と共に読むと以下の詳細な説明から最もよく理解される。業界の標準的な慣行に従って、様々な構成が縮尺通りには描かれていないことに留意されたい。実際、様々な構成の寸法は、説明を明瞭にするために任意に拡大または縮小され得る。
本開示のいくつかの実施形態による分光計の断面図である。 図１の分光計の導光基板の部分拡大図である。 本開示の他の実施形態による分光計の導光基板と上部格子層である。 図１の分光計の上部格子層の第１の格子構造の拡大図である。 図１の分光計の上部格子層の第２の格子構造の拡大図である。 図１の分光計の上部格子層の第３の格子構造の拡大図である。 本開示のいくつかの実施例による図３Ａにおける第１の格子構造ユニットの結果の画像である。 本開示のいくつかの実施例による図３Ｂにおける第２の格子構造ユニットの結果の画像である。 本開示のいくつかの実施例による図３Ｃにおける第３の格子構造ユニットの結果の画像である。 図１の分光計のコリメータの上面図である。 図１の分光計のコリメータの上面図である。 本開示のいくつかの実施形態による分光計の断面図である。 本開示の代替実施形態による分光計の断面図である。 本開示の代替実施形態による分光計の断面図である。

以下の開示は、提供された主題の異なる特徴を実施するための多くの異なる実施形態又は実施例を提供する。本開示を単純化するために構成要素および配置の具体例は以下に記載する。これらは、もちろん、単なる例であり、限定することを意図するものではない。
例えば、以下の説明における第２の構成の上またはそれをまたぐ第１の構成の形成は、第１および第２の構成が直接接触して形成される実施形態を含むことができ、また、第１および第２の構成が直接接触しないように、第１の構成と第２の構成との間に追加の構成が形成され得る実施形態を含んでもよい。加えて、本開示は、種々の実施例において参照番号および／または文字を繰り返してもよい。この繰り返しは、単純化および明瞭化を目的としており、それ自体では、説明される様々な実施形態および／または構成間の関係を示すものではない。任意の要素／構成要素の数は単なる例示のためのものであり、本開示を限定する意図はないことを理解されたい。

第１、第２などの用語は、様々な要素を記述するために本明細書で使用され得るが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるべきではないと理解されたい。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するためにのみ使用される。各実施形態の範囲から逸脱することなく、例えば、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用される場合、用語「および／または」は、関連する列挙された項目の１つ以上のいずれか、およびすべての組み合わせを含むものである。

さらに、「下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」などの空間的に相対的な用語は、図に例示されるように、ある要素または構成と別の要素または構成との関係を記述するためのものであり、説明を容易にするために本明細書で使用され得る。空間的に相対的な用語は、図に描かれた向きに加えて、使用中または動作中の装置の異なる向きを包含することを意図する。装置は、他の方向を向いていてもよく（９０度または他の向きに回転してもよく）、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子（ｄｅｓｃｒｉｐｔｏｒｓ）も同様に解されてもよい。

光のスペクトルの分析は、分析機器の種類によって制限される。従来の反射格子分光法では、可視光や近赤外（ＮＩＲ）光などの限られた波長範囲しか検出できない。広帯域なスペクトルを測定するためには、反射格子分光法において、格子構造や検出器アレイを用いることができる。赤外光の分光法の別の技術として、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）がある。ＦＴＩＲでは、インターフェログラム測定にマイケルソン干渉計を使用し、光信号をフーリエ変換によって波数空間に変換する。しかしながら、従来の反射格子分光法とＦＴＩＲはかさばり、場所をとるものである。そのため、携帯機器に統合することができない。オンチップ型の微小電気機械システムフーリエ変換赤外（ＭＥＭＳ ＦＴＩＲ）分光計ベースのガスセンシングを、赤外波長測定に適用することができる。しかしながら、ＭＥＭＳ ＦＴＩＲは、移動ミラーの分解能により可視光波長の測定に限界がある。

小型化された分光計においては、導波路での結合に必要な角度は、光の波長が大きくなるにつれて減少する。格子構造と平面導波路の結合効率（インテグレーション効率（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）とも称される）は、分光計の微細化に影響を与える。結合効率は、分析結果の分解能に影響を与える重要な原因の１つである。結合効率は格子方程式や平面導波路伝搬方程式によって制限されることがわかる。さらに、格子の形状は結合効率に影響する。

本開示は、分光計を提供し、この分光計は、紫外光－可視光－赤外光の広帯域スペクトルを測定することができる。開示された分光計には、複数のステップと異なる格子周期を有する異なる格子構造が含まれる。開示された分光計はまた、格子構造と平面導波路（導光基板）との結合効率が高く、従って、高分解能の分析結果を提供することができる。

以下、本開示のいくつかの実施形態を、添付の図面とともに開示する。明確な説明のために、以下に多くの実用的な詳細を説明する。しかしながら、これらの実用的な詳細は、本開示を限定するために使用されるべきではないと理解されたい。すなわち、本開示のいくつかの実施形態において、これらの実用的な詳細は不要である。加えて、図面を単純化するために、いくつかの従来の構造および要素は、簡単な概略様式で図面に示され得る。

図１を参照して、図１は、本開示のいくつかの実施形態による分光計１０００の断面図である。分光計１０００は、導光基板１１００と、上部格子層１２００と、下部格子層１３００と、イメージセンサ１４００と、読み出し回路１５００とを備える。上部格子層１２００は、導光基板１１００上に配置され、光Ｌを受光するように構成されている。上部格子層１２００は、少なくとも３つのｎステップ格子構造を含み、ｎは２より大きい。上部格子層１２００は、第１の格子構造１２１０と、第２の格子構造１２２０と、第３の格子構造１２３０とを含む。第１の格子構造１２１０、第２の格子構造１２２０、及び第３の格子構造１２３０は、格子周期が異なる。導光基板１１００は、光Ｌが導光基板１１００内に伝播する際に光Ｌを回折するように構成され、複数の回折光Ｌ１～Ｌ１２が形成され、複数の回折光Ｌ１～Ｌ１２のそれぞれが異なる波長および異なる光路を有するように構成されている。第１の格子構造１２１０、第２の格子構造１２２０、及び第３の格子構造１２３０の詳細な構造については、図３Ａ～図３Ｃを用いて後述する。いくつかの実施形態において、光Ｌは３５０ｎｍ～２０００ｎｍの範囲の波長を含む。

図１の導光基板１１００は、透明基板であってもよい。導光基板１１００は、平面導波路と呼ぶこともできる。いくつかの実施形態では、導光基板１１００は、サファイア基板、フッ化カルシウム、ＵＶ溶融シリカ、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、臭化カリウム、方解石、Ｎ－ＢＫ７、ガラス、または他のセラミック材料であり得る。いくつかの実施形態では、導光基板１１００は高い屈折率（ｎ）を有し、導光基板１１００の屈折率は１．５～２．７の範囲にある。図２Ａを参照して、図２Ａは、図１の分光計１０００の導光基板１１００の部分拡大図である。いくつかの実施形態では、導光基板１１００は臨界角θ_ｃ＝Ｓｉｎ^－１（１／ｎ）を有し、ここでｎは導光基板１１００の屈折率である。入射角θ_Ｔ１＜θ_Ｔ２＜θ_Ｔ３、およびθ_Ｔ２＝θ_ｃと仮定する。θ_Ｔ３がθ_Ｃより大きい光Ｌの場合、光Ｌは界面で全反射（ＴＩＲ）する。一方、θ_Ｔ１がθ_Ｃよりも小さい光の場合、光は屈折角θ’_Ｔ１＝Ｓｉｎ^－１（ｎＳｉｎθ_Ｔ１）で別の媒体に透過する。たとえば、ｎ＝１．９の場合、導光基板の臨界角は３１．８°である。入射角θ_Ｔが３１．８°より大きい場合、全反射が生じる。

図１に示すように、光Ｌが導光基板１１００内に伝播すると、光Ｌは導光基板１１００内で複数の回折光Ｌ１～Ｌ１２となることを理解されたい。回折光Ｌ１～Ｌ１２のそれぞれは、波長が異なり、導光基板１１００内で光路が異なる。なお、図１の光Ｌは、導光基板１１００内で全反射（ＴＩＲ）を起こさず、下部格子層１３００を介して導光基板１１００から直接格子の外へ出る（ｇｒａｔｉｎｇ ｏｕｔ）。

なお、図２Ａを参照されたい。いくつかの実施形態において、導光基板１１００の厚さＴは、１００μｍ～２ｍｍの範囲にある。導光基板１１００の厚さＴが１００μｍより小さいと、回折光Ｌ１～Ｌ１２の空間分解能が低下するおそれがある。導光基板１１００の厚さＴが２ｍｍより大きいと、分光計１０００の全体の大きさにポジティブな影響を与えないおそれがある。導光基板１１００の長さＬｔｈは、５００μｍ～２０００μｍの範囲にある。導光基板１１００の長さＬｔｈが５００μｍより小さいと、光Ｌが導光基板１１００内で全反射を生じるのに十分な長さを有していないことになる。導光基板１１００の長さＬｔｈが２０００μｍより大きいと、回折光Ｌ１～Ｌ１２の空間分解能にポジティブな影響を与えないおそれがある。

いくつかの実施形態において、図１の上部格子層１２００は、高い屈折率（ｎ）を有する。いくつかの実施形態において、上部格子層１２００の屈折率は１．５～２．７の範囲にある。いくつかの実施形態において、上部格子層１２００を、高屈折率ポリマー、ＳｉＮ、ＮｂＯ、ＴａＯ、ＴｉＯ、またはその他の適切な材料で作製することができる。いくつかの実施形態において、上部格子層１２００の屈折率は、導光基板１１００の屈折率と近くまたは同一である。いくつかの実施形態において、上部格子層１２００の材料は、導光基板１１００の材料と同じである。いくつかの実施形態において、上部格子層１２００の材料は、導光基板１１００の材料とは異なる。

図３Ａ～図３Ｃを参照して、図３Ａ～３Ｃは、図１の分光計１０００の上部格子層１２００の第１の格子構造１２１０、第２の格子構造１２２０、及び第３の格子構造１２３０のそれぞれの拡大図である。具体的には、図３Ａ～図３Ｃにおいて、第１の格子構造ユニット１２１０ｕ、第２の格子構造ユニット１２２０ｕ、及び第３の格子構造ユニット１２３０ｕは、それぞれ、第１の格子構造１２１０、第２の格子構造１２２０、及び第３の格子構造１２３０の繰り返し単位である。なお、図１に示す第１の格子構造ユニット１２１０ｕ、第２の格子構造ユニット１２２０ｕ、及び第３の格子構造ユニット１２３０ｕの数は、本開示において限定されるものではない。

図３Ａに示すように、第１の格子構造ユニット１２１０ｕは、２ステップ格子構造であって、光Ｌの紫外光及び可視光を受光するように構成されている。いくつかの実施形態において、第１の格子構造ユニット１２１０ｕは、３５０ｎｍ～６１０ｎｍの範囲の波長を受光することができ、導光基板１１００の構成と高い結合効率を達成することができる。具体的には、第１の格子構造ユニット１２１０ｕは、波長が３５０ｎｍ～６１０ｎｍの範囲にある場合に１次（Ｔ１）回折の高い結合効率を達成することができる。第１の格子構造ユニット１２１０ｕは、側壁１２１１と、表面１２１２と、側壁１２１３と、表面１２１４と、側壁１２１５とを有する。一つの実施形態では、表面１２１２の幅、表面１２１４の幅、およびギャップＧ１の比は、図３Ａに示すように１：３：１である。表面１２１２の幅、表面１２１４の幅、およびギャップＧ１の他の比率も本開示に含まれることを理解されたい。いくつかの実施形態では、側壁１２１１の高さＨ１は０．１μｍ～１μｍの範囲にあり、例えば０．４μｍである。いくつかの実施形態において、第１の格子構造１２１０の格子周期Ｐ１は０．３μｍ～０．４μｍの範囲にあり、例えば、０．３１、０．３２、０．３３、０．３４、０．３５、０．３６、０．３７、０．３８、または０．３９μｍである。なお、本明細書における格子周期Ｐ１は、図１に示すように、隣接する２つの第１の格子構造ユニット１２１０ｕの対応する側壁１２１１間の距離を指すと理解されたい。いくつかの実施形態において、第１の格子構造１２１０の表面１２１２は、図１に示すように、導光基板１１００の上面１１１０ｔｓよりも高い。

図３Ｄを参照すると、図３Ｄは、本開示の一実施例における、図３Ａの第１の格子構造ユニット１２１０ｕの結果の画像である。具体的には、高さＨ１が０．４μｍであり、かつ、表面１２１２の幅、表面１２１４の幅、およびギャップＧ１の比が１：３：１の場合、図３Ｄに示す通り、第１の格子構造ユニット１２１０ｕは、３５０ｎｍ～６１０ｎｍ間の波長のＴ１回折光の大部分が導光基板１１００内に伝播するのを許容し、高次回折光（Ｔ２回折光など）が導光基板１１００内に伝播するのを抑制する。

図２Ｂを参照すると、図２Ｂは、本開示の他の実施形態による分光計の導光基板１１００と、上部格子層１２００（第１の格子構造１２１０、第２の格子構造１２２０、及び第３の格子構造１２３０を含む）を示す。他の実施形態では、第１の格子構造１２１０は、導光基板１１００の凹部上に位置してもよく、したがって、第１の格子構造１２１０の表面１２１２は、図２Ｂに示すように、導光基板１１００の上面１１１０ｔｓと実質的に同一平面であってもよい。

図３Ｂに示すように、第２の格子構造ユニット１２２０ｕは、３ステップ格子構造であって、光Ｌの近赤外（ＮＩＲ）光を受光するように構成されている。いくつかの実施形態において、第２の格子構造ユニット１２２０ｕは、６００ｎｍ～１０２０ｎｍの範囲の波長を受光することができ、導光基板１１００の構成と高い結合効率を達成することができる。具体的には、第２の格子構造ユニット１２２０ｕは、波長が６００ｎｍ～１０２０ｎｍの範囲にある場合に１次（Ｔ１）回折の高い結合効率を達成することができる。第２の格子構造ユニット１２２０ｕは、側壁１２２１と、表面１２２２と、側壁１２２３と、表面１２２４と、側壁１２２５と、表面１２２６と、側壁１２２７とを有する。一つの実施形態では、表面１２２２の幅、表面１２２４の幅、表面１２２６の幅、およびギャップＧ２の比は、図３Ｂに示すように、１：１：１：１である。表面１２２２の幅、表面１２２４の幅、表面１２２６の幅、およびギャップＧ２の他の比率も本開示に含まれることを理解されたい。いくつかの実施形態では、側壁１２２１の高さＨ２は０．１μｍ～１μｍの範囲にあり、例えば０．６μｍである。いくつかの実施形態において、第２の格子構造１２２０の格子周期Ｐ２は０．６μｍ～０．７μｍの範囲にあり、例えば、０．６１、０．６２、０．６３、０．６４、０．６５、０．６６、０．６７、０．６８、または０．６９μｍである。なお、本明細書における格子周期Ｐ２は、図１に示すように、隣接する２つの第２の格子構造ユニット１２２０ｕの対応する側壁１２２１間の距離を指すと理解されたい。いくつかの実施形態において、第２の格子構造１２２０の表面１２２２は、図１に示すように、導光基板１１００の上面１１１０ｔｓよりも高い。他の実施形態では、第２の格子構造１２２０は、導光基板１１００の凹部上に位置してもよく、したがって、第２の格子構造１２２０の表面１２２２は、図２Ｂに示すように、導光基板１１００の上面１１１０ｔｓと実質的に同一平面であってもよい。

図３Ｅを参照すると、図３Ｅは、本開示の一実施例における、図３Ｂの第２の格子構造ユニット１２２０ｕの結果の画像である。具体的には、高さＨ２が０．６μｍであり、かつ、表面１２２２の幅、表面１２２４の幅、表面１２２６の幅、およびギャップＧ２の比が１：１：１：１の場合、図３Ｅに示す通り、第２の格子構造ユニット１２２０ｕは、６００ｎｍ～１０２０ｎｍ間の波長のＴ１回折光の大部分が導光基板１１００内に伝播するのを許容し、高次回折光（Ｔ２回折光など）が導光基板１１００内に伝播するのを抑制する。

図３Ｃに示すように、第３の格子構造ユニット１２３０ｕは、３ステップ格子構造であって、光Ｌの短波赤外（ＳＷＩＲ）光を受光するように構成されている。いくつかの実施形態において、第３の格子構造ユニット１２３０ｕは、９５０ｎｍ～１６００ｎｍの範囲の波長を受光することができ、導光基板１１００の構成と高い結合効率を達成することができる。具体的には、第３の格子構造ユニット１２３０ｕは、波長が９５０ｎｍ～１６００ｎｍの範囲にある場合に１次（Ｔ１）回折の高い結合効率を達成することができる。第３の格子構造ユニット１２３０ｕは、側壁１２３１と、表面１２３２と、側壁１２３３と、表面１２３４と、側壁１２３５と、表面１２３６と、側壁１２３７とを有する。いくつかの実施形態では、側壁１２３３の高さ、側壁１２３５の高さ、および側壁１２３７の高さの比は、１：１：１である。一つの実施形態では、表面１２３２の幅、表面１２３４の幅、表面１２３６の幅、およびギャップＧ３の比は、図３Ｃに示すように、１：１：１：１である。表面１２３２の幅、表面１２３４の幅、表面１２３６の幅、およびギャップＧ３の他の比率も本開示に含まれることを理解されたい。いくつかの実施形態では、側壁１２３１の高さＨ３は０．１μｍ～１μｍの範囲にあり、例えば０．６μｍである。いくつかの実施形態において、第３の格子構造１２３０の格子周期Ｐ３は０．９５μｍ～１．０５μｍの範囲、例えば、０．９６、０．９７、０．９８、０．９９、１．００、１．０１、１．０２、１．０３、または１．０４μｍである。なお、本明細書における格子周期Ｐ３は、図１に示すように、隣接する２つの第３の格子構造ユニット１２３０ｕの対応する側壁１２３１間の距離を指すと理解されたい。いくつかの実施形態において、第３の格子構造１２３０の表面１２３２は、図１に示すように、導光基板１１００の上面１１１０ｔｓよりも高い。他の実施形態では、第３の格子構造１２３０は、導光基板１１００の凹部上に位置してもよく、したがって、第３の格子構造１２３０の表面１２３２は、図２Ｂに示すように、導光基板１１００の上面１１１０ｔｓと実質的に同一平面であってもよい。

図３Ｆを参照すると、図３Ｆは、本開示の一実施例における、図３Ｃの第３の格子構造ユニット１２３０ｕの結果の画像である。具体的には、高さＨ３が０．６μｍであり、かつ、表面１２３２の幅、表面１２３４の幅、表面１２３６の幅、およびギャップＧ３の比が１：１：１：１の場合、図３Ｆに示す通り、第３の格子構造ユニット１２３０ｕは、９５０ｎｍ～１６００ｎｍ間の波長のＴ１回折光の大部分が導光基板１１００内に伝播するのを許容し、高次回折光（Ｔ２回折光など）が導光基板１１００内に伝播するのを抑制する。

いくつかの実施形態において、図３Ａの第１の格子構造ユニット１２１０ｕの側壁１２１１の高さＨ１と、図３Ｂの第２の格子構造ユニット１２２０ｕの側壁１２２１の高さＨ２と、図３Ｃの第３の格子構造ユニット１２３０ｕの側壁１２３１の高さＨ３とが異なる。いくつかの実施形態において、図３Ａの第１の格子構造ユニット１２１０ｕの側壁１２１１の高さＨ１と、図３Ｂの第２の格子構造ユニット１２２０ｕの側壁１２２１の高さＨ２と、図３Ｃの第３の格子構造ユニット１２３０ｕの側壁１２３１の高さＨ３は、上部格子層１２００の製造工程を考慮した場合には同じにすることが好ましい。いくつかの実施形態において、側壁１２１３、側壁１２１５、側壁１２２３、側壁１２２５、側壁１２２７、側壁１２３３、側壁１２３５、側壁１２３７のそれぞれの高さは同じである。例えば、側壁１２１５の高さは、側壁１２２５の高さと側壁１２２７の高さの合計に等しい。側壁１２１５の高さは、側壁１２３５の高さと側壁１２３７の高さの合計に等しい。側壁１２２５の高さと側壁１２２７の高さの合計は、側壁１２３５の高さと側壁１２３７の高さの合計に等しい。

第２の格子構造１２２０と第３の格子構造１２３０の構造は同一であるが、第２の格子構造１２２０における格子周期Ｐ２と、第３の格子構造１２３０における格子周期Ｐ３とが異なっていることに注意されたい。いくつかの実施形態において、第２の格子構造１２２０と第３の格子構造１２３０は、同じ高さを有する。別の実施形態では、第１の格子構造１２１０、第２の格子構造１２２０および第３の格子構造１２３０は、同じ高さを有する。格子周期が大きいほど、Ｔ１回折波長が大きくなる。具体的には、格子周期Ｐ３を有する第３の格子構造１２３０のＴ１回折波長（９５０ｎｍ～１６００ｎｍ）は、格子周期Ｐ２を有する第２の格子構造１２２０のＴ１回折波長（６００ｎｍ～１０２０ｎｍ）よりも大きい。格子周期Ｐ２を有する第２の格子構造１２２０のＴ１回折波長（６００ｎｍ～１０２０ｎｍ）は、格子周期Ｐ１を有する第１の格子構造１２１０のＴ１回折波長（３５０ｎｍ～６１０ｎｍ）よりも大きい。いくつかの実施形態において、異なる周期の格子構造（第１の格子構造１２１０、第２の格子構造１２２０、および第３の格子構造１２３０）のそれぞれのステップは、製作を容易にするために同じ高さにすることができる。

第１の格子構造１２１０、第２の格子構造１２２０、及び第３の格子構造１２３０の構造により、分光計１０００は、光Ｌの一次（Ｔ１）回折の大部分を導光基板１１００に伝搬させ、Ｔ１回折による広帯域なスペクトル分散を実現する。高次の回折信号（例えば、光Ｌの２次（Ｔ２）、３次（Ｔ３）、またはその他の高次）は、バンドパスフィルタ層１７００（バンドパスフィルタ層１７００は以下で説明する）によって除去される。したがって、分光計１０００は、スペクトル分析における光Ｌの一次（Ｔ１）回折に適している。

再度図１を参照されたい。下部格子層１３００が、導光基板１１００の下に配置され、複数の回折光Ｌ１～Ｌ１２を放射するように構成されている。具体的には、下部格子層１３００は、導光基板１１００の底面１１２０ｂｓに配置されている。下部格子層１３００が上部格子層１２００の鏡面構造であることがわかる。言い換えると、下部格子層１３００は、第１の格子構造１２１０、第２の格子構造１２２０、及び第３の格子構造１２３０を含む。参照番号は同一又は類似の構成を示すために繰り返されるものであり、その詳細は繰り返し説明しない。

また図１を参照されたい。イメージセンサ１４００が、下部格子層１３００の下に配置されている。イメージセンサ１４００は、光Ｌの情報を検出し、その情報を信号に乗せて伝達するように構成されている。図１に示すように、いくつかの実施形態において、イメージセンサ１４００は、量子ドットイメージセンサ、ペロブスカイトイメージセンサ、又は有機フォトダイオードイメージセンサである。イメージセンサ１４００は順次、封止層１４１０、上部透明導電層１４２０、電子または正孔輸送層１４３０、光活性層１４４０、および正孔／電子輸送層１４５０を備える。読み出し回路１５００が、イメージセンサ１４００の下に配置されている。いくつかの実施形態において、読み出し回路１５００は、Ｓｉ相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）の読み出し回路である。いくつかの実施形態において、読み出し回路１５００は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の読み出し回路である。

図１の分光計１０００は、さらに、導光基板１１００の上方に配置されたコリメータ１６００をさらに備える。コリメータ１６００は、光Ｌの入射角を制限するように構成されている。図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、図４Ａ及び図４Ｂは、図１の分光計のコリメータ１６００の上面図である。コリメータ１６００ａ、１６００ｂは、図１に示すように、第１の格子構造１２１０、第２の格子構造１２２０、および第３の格子構造１２３０にそれぞれ位置合わせされた開口部（第１の開口部１６１０、第２の開口部１６２０、および第３の開口部１６３０）を少なくとも３つ備える。いくつかの実施形態において、光Ｌの入射角は、±２度以下の範囲にある。光Ｌの入射角が０度の場合、光Ｌは導光基板１１００の上面１１１０ｔｓに対して垂直である。もし光Ｌの入射角が±２度よりも大きくなると、結果として光Ｌの分解能が低下するおそれがある。

図１の分光計１０００は、さらに、下部格子層１３００とイメージセンサ１４００との間に配置されたバンドパスフィルタ層１７００を含む。いくつかの実施形態において、エアクラッド層が、下部格子層１３００とバンドパスフィルタ層１７００との間に配置される。いくつかの実施形態において、低屈折率の下部クラッド層１８００が、下部格子層１３００とバンドパスフィルタ層１７００との間に配置される。下部クラッド層１８００の屈折率は１．０～１．７の範囲にある。いくつかの実施形態において、下部クラッド層１８００の厚さは０．１μｍ～５ｍｍの範囲にある。いくつかの実施形態において、低屈折率の上部クラッド層１９００が、コリメータ１６００と導光基板１１００との間に配置される。上部クラッド層１９００の屈折率は１．０～１．７の範囲にある。バンドパスフィルタ層１７００は、第１のバンドパスフィルタ１７１０、第２のバンドパスフィルタ１７２０、および第３のバンドパスフィルタ１７３０を含み、これらは、異なる波長領域の光Ｌの２次（Ｔ２）または３次（Ｔ３）などの高次の回折信号を除去するように構成されている。第１のバンドパスフィルタ１７１０は、青色フィルタ１７１２と、緑色フィルタ１７１４と、赤色フィルタ１７１６とを含む。第２のバンドパスフィルタ１７２０は、第１の近赤外フィルタ１７２２および第２の近赤外フィルタ１７２４を含む。第３のバンドパスフィルタ１７３０は、第１の短波赤外フィルタ１７３２および第２の短波赤外フィルタ１７３４を含む。いくつかの実施形態において、バンドパスフィルタ層１７００は、ロングパスフィルタを含む。いくつかの実施形態において、バンドパスフィルタ層１７００は、有機吸収型フィルタまたは無機マルチフィルム干渉型フィルタによって構成される。

図１を参照されたい。様々な波長の光Ｌがコリメータ１６００及び上部格子層１２００を通過した後、光Ｌは導光基板１１００内に伝搬し、図１に示す一次（Ｔ１）回折角θ_Ｔ１が形成される。回折光Ｌ１～Ｌ１２のそれぞれは、Ｔ１回折角θ_Ｔ１を有し、より長い波長の光は、より大きなＴ１回折角θ_Ｔ１を有する。回折光Ｌ１～Ｌ１２のそれぞれの回折角θ_Ｔ１は、光Ｌ（光子）の波長に依存する。なお、図１に示す回折光Ｌ１～Ｌ１２は、光路を１回だけ（Ｎ＝１）通過することに注意されたい。つまり、回折光Ｌ１～Ｌ１２は、導光基板１１００において全反射が起こらない。回折光Ｌ１～Ｌ１２が導光基板１１００を通過した後、回折光Ｌ１～Ｌ１２は下部格子層１３００及びバンドパスフィルタ層１７００を通過する。具体的には、回折光Ｌ１～Ｌ４は紫外光波長および可視光波長を含み、回折光Ｌ１は青色フィルタ１７１２を通過し、回折光Ｌ２は緑色フィルタ１７１４を通過し、回折光Ｌ３～Ｌ４は赤色フィルタ１７１６を通過する。回折光Ｌ５～Ｌ８は近赤外（ＮＩＲ）光波長を含み、回折光Ｌ５～Ｌ６は第１の近赤外線フィルタ１７２２を通過し、回折光Ｌ７～Ｌ８は第２の近赤外線フィルタ１７２４を通過する。回折光Ｌ９～Ｌ１２は短波赤外（ＳＷＩＲ）光波長を含み、回折光Ｌ９～Ｌ１０は第１の短波赤外フィルタ１７３２を通過し、回折光Ｌ１１～Ｌ１２は第２の短波赤外フィルタ１７３４を通過する。回折光Ｌ１～Ｌ１２がバンドパスフィルタ層１７００を通過した後、回折光Ｌ１～Ｌ１２はイメージセンサ１４００及び読み出し回路１５００を順次通過する。

同一の構成は同一の参照番号によってラベル付けされ、同一の構成の説明は、以下の図に関しては繰り返さない。いくつかの要素（例えば、図１のコリメータ１６００）は、明瞭化のために以下の図には図示されていないことを理解されたい。

図５を参照すると、図５は、本開示のいくつかの実施形態による分光計１０００Ａの断面図である。なお、図１の分光計１０００の構造は、図５の分光計１０００Ａの構造と類似しているが、回折光Ｌ１～Ｌ１２の光路が異なっている。具体的には、図１の回折光Ｌ１～Ｌ１２の光路は１つ（Ｎ＝１）に対して、図５の回折光Ｌ１～Ｌ１２の光路は３倍（Ｎ＝３）である。詳細には、図５の回折光Ｌ１～Ｌ１２の光路は、導光基板１１００内に伝播した後、２回全反射を受け、その後、下部格子層１３００によって格子の外へ出る（ｇｒａｔｉｎｇ ｏｕｔ）。１つの光路（Ｎ＝１）に比べて、３倍の光路（Ｎ＝３）は、異なる波長間の光路差が大きくなるため、空間分解能を向上させることができる。

図６を参照すると、図６は、本開示の代替実施形態による分光計６０００の断面図である。図１の分光計１０００と図６の分光計６０００との違いは、イメージセンサ１４００である。いくつかの実施形態において、図６のイメージセンサ１４００ｂは、Ｓｉフォトダイオードアレイ６１１０と、Ｓｉフォトダイオードアレイ６１１０と横方向に重なり合うＧｅオンＳｉフォトダイオードアレイ６１２０とを含む。具体的には、Ｓｉフォトダイオードアレイ６１１０は、第１のバンドパスフィルタ１７１０の下に配置され、ＧｅオンＳｉフォトダイオードアレイ６１２０は、第２のバンドパスフィルタ１７２０および第３のバンドパスフィルタ１７３０の下に配置される。Ｓｉフォトダイオードアレイ６１１０は回折光Ｌ１～Ｌ４の情報を検出するように構成されており、ＧｅオンＳｉフォトダイオードアレイ６１２０は回折光Ｌ５～Ｌ１２の情報を検出するように構成されている。

図７を参照すると、図７は、本開示の代替実施形態による分光計６０００Ａの断面図である。なお、図６の分光計６０００の構造は、図７の分光計６０００Ａの構造と類似しているが、回折光Ｌ１～Ｌ１２の光路が異なっている。具体的には、図６の回折光Ｌ１～Ｌ１２の光路は１つ（Ｎ＝１）に対して、図７の回折光Ｌ１～Ｌ１２の光路は３倍（Ｎ＝３）である。１つの光路（Ｎ＝１）に比べて、３倍の光路（Ｎ＝３）は、異なる波長間の光路差が大きくなるため、空間分解能を向上させることができる。

本開示は分光計を提供し、分光計は、紫外光－可視光－赤外光の広帯域スペクトルを測定することができる。開示された分光計は、複数のステップと異なる格子周期を有する少なくとも３つの格子構造を含む。開示された分光計はまた、格子構造と平面導波路（導光基板）との結合効率が高い。

上記は、当業者が本開示の態様をよりよく理解し得るように、いくつかの実施形態の特徴を概説している。当業者は、本明細書で紹介した実施形態の同じ目的を実行し、かつ／または同じ利点を達成するために、他のプロセスおよび構造を設計または修正するための基礎として、本開示を容易に使用し得ることを理解すべきである。当業者はまた、そのような同等の構成が本開示の精神および範囲から逸脱しないこと、および同業者が本開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換、および変更を行い得ることを認識すべきである。

１０００、１０００Ａ、６０００、６０００Ａ 分光計
１１００ 導光基板
１２００ 上部格子層
１２１０ 第１の格子構造
１２１０ｕ 第１の格子構造ユニット（２ステップ格子構造）
１２２０ 第２の格子構造
１２２０ｕ 第２の格子構造ユニット（３ステップ格子構造）
１２３０ 第３の格子構造
１２３０ｕ 第３の格子構造ユニット（３ステップ格子構造）
１３００ 下部格子層
１４００、１４００ｂ イメージセンサ
１５００ 読み出し回路
１６００、１６００ａ、１６００ｂ コリメータ
１６１０ 第１の開口部（開口部）
１６２０ 第２の開口部（開口部）
１６３０ 第３の開口部（開口部）
１７００ バンドパスフィルタ層
１７１０ 第１のバンドパスフィルタ（バンドパスフィルタ層）
１７２０ 第２のバンドパスフィルタ（バンドパスフィルタ層）
１７３０ 第３のバンドパスフィルタ（バンドパスフィルタ層）
１８００ 下部クラッド層
１９００ 上部クラッド層
６１１０ Ｓｉフォトダイオードアレイ
６１２０ ＧｅオンＳｉフォトダイオードアレイ
Ｌ 光
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０、Ｌ１１、Ｌ１２ 回折光
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 格子周期
Ｔ 導光基板の厚さ
θ_Ｔ、θ_Ｔ１、θ_Ｔ２、θ_Ｔ３ 入射角

Claims (11)

1. 導光基板と、
   前記導光基板上に配置され、光を受光するように構成された上部格子層であって、
   前記上部格子層は、第１の格子構造、第２の格子構造、及び第３の格子構造を含み、前記第１、第２、及び第３の格子構造は格子周期が異なり、
   前記導光基板は、前記光が前記導光基板内に伝播する際に前記光を回折するように構成され、これによって複数の回折光を形成し、前記複数の回折光のそれぞれが異なる波長及び異なる光路を有する、上部格子層と、
   前記導光基板の下に配置され、前記複数の回折光を放射するように構成された下部格子層と、
   前記下部格子層の下に配置されたイメージセンサと、
   前記イメージセンサの下に配置された読み出し回路と、
   を備えることを特徴とする分光計。
2. 前記第１の格子構造は２ステップ格子構造であり、紫外光と可視光を受光するように構成され、前記第１の格子構造の格子周期は０．３μｍ～０．４μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
3. 前記第２の格子構造は３ステップ格子構造であり、近赤外光を受光するように構成され、前記第２の格子構造の格子周期は０．６μｍ～０．７μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
4. 前記第３の格子構造は３ステップ格子構造であり、短波赤外光を受光するように構成され、前記第３の格子構造の格子周期は０．９５μｍ～１．０５μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
5. 前記導光基板の上方に配置されたコリメータをさらに備え、前記コリメータは前記光の入射角を制限するように構成され、前記コリメータは、前記第１の格子構造、前記第２の格子構造、及び前記第３の格子構造にそれぞれ位置合わせされた開口部を少なくとも３つ備えることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
6. 前記コリメータは前記光の入射角を±２度以下の範囲に制限するように構成され、
   前記導光基板の厚さは１００μｍ～２ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項５に記載の分光計。
7. 前記コリメータと前記導光基板との間に配置された上部クラッド層をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の分光計。
8. 前記上部格子層の屈折率が１．５～２．７の範囲にあり、前記導光基板の屈折率が１．５～２．７の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
9. 前記イメージセンサは、量子ドットイメージセンサ、ペロブスカイトイメージセンサ、又は有機フォトダイオードイメージセンサであることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
10. 前記イメージセンサは、Ｓｉフォトダイオードアレイと、前記Ｓｉフォトダイオードアレイと横方向に重なり合うＧｅオンＳｉフォトダイオードアレイとを備えることを特徴とする請求項１に記載の分光計。
11. 前記下部格子層と前記イメージセンサとの間に配置されたバンドパスフィルタ層と、
    前記下部格子層と前記バンドパスフィルタ層との間に配置された下部クラッド層と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の分光計。

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