TW202107048A - 一種光學調變微奈米結構、微集成光譜儀及光譜調變方法 - Google Patents
一種光學調變微奈米結構、微集成光譜儀及光譜調變方法 Download PDFInfo
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Abstract
本發明涉及光譜設備技術領域，尤其涉及一種光學調變微奈米結構、微集成光譜儀及光譜調變方法。該光學調變微奈米結構包括位於光電探測層上面的光學調變層，光學調變層能夠對入射光進行調變，從而在光電探測層上形成差分響應，以便重構得到原光譜，從而解決現有光譜儀過於依賴精密光學部件而使得光譜儀體積龐大、很重且昂貴的缺陷。該光學調變層包括底板和至少一個調變單元，底板設在光電探測層上，各個調變單元位於底板上，每個調變單元內分別設有若干個穿於底板內的調變孔，同一調變單元內的各個調變孔排布成一具有特定排布規律的二維圖形結構，利用不同的二維圖形結構實現對不同波長的光的調變作用，並提高光譜儀的分析準確性。
Description
本發明涉及光譜設備技術領域，尤其涉及一種光學調變微奈米結構、微集成光譜儀及光譜調變方法。
光譜儀是獲得光譜資訊的儀器。光譜攜帶的信息量豐富，可用於物質識別、檢測和分析，在農業、生物、化學、天文、醫療、環境檢測、半導體工業等領域得到廣泛應用。
根據工作原理，現有商用的光譜儀可分為兩種：基於單色儀的和基於傅立葉變換的。具體為：基於單色儀原理係指通過光柵將不同波長的光在空間上分開，再用狹縫將不同波長的光濾出來，由光敏元件探測；基於傅立葉變換原理係指將光分成兩束，經過不同光程後干涉，對干涉譜進行傅立葉變換得到原始光譜。
上述現有的這兩類光譜儀都存在以下問題：一方面，這兩類光譜儀都需要精密移動的分光部件，如光柵、棱鏡、狹縫或反射鏡，這些精密光學部件的需求使光譜儀體積龐大、很重且昂貴。第二方面，光譜儀的各光學部件必須保持極其清潔且完美地對齊，才能保證產品使用品質，這就使光譜儀的製造昂貴且使儀器非常精密，一旦光學部件失去對齊，則修理上非常複雜，導致維護成本很高。合作廠商面，這兩類光譜儀的精度越高，所要求的光經過的路程越長，則需要的內部空間也越大，難以應用到消費級可擕式設備上。
本發明欲解決的技術問題
本發明實施例揭露一光學調變微奈米結構、微集成光譜儀及光譜調變方法，利用該光學調變微奈米結構對入射光進行調變，從而解決現有的光譜儀過於依賴精密光學部件而使得光譜儀體積龐大、很重且昂貴的缺陷。
技術方案
為了解決上述技術問題，本發明揭露一種光學調變微奈米結構，包括位於一光電探測層上面的一光學調變層，上述光學調變層包括一底板和至少一個調變單元，上述底板設在上述光電探測層上，各個上述調變單元位於上述底板上，每個上述調變單元內分別設有若干個穿於上述底板內的調變孔，同一上述調變單元內的各個上述調變孔排布成一具有特定排布規律的二維圖形結構。
在部分實施例中，上述二維圖形結構的特定排布規律包括：
同一二維圖形結構內的所有調變孔同時具有相同的特定截面形狀，各個調變孔按照結構參數大小漸變順序成陣列排布；和/或
同一上述二維圖形結構內的各個調變孔分別具有特定截面形狀，各個調變孔按照特定截面形狀進行組合排列。
在部分實施例中，上述調變孔的結構參數包括內徑、長軸長度、短軸長度、旋轉角度、邊長或角數；上述調變孔的特定截面形狀包括圓形、橢圓形、十字形、正多邊形、星形或矩形。
在部分實施例中，各個上述調變孔按照特定截面形狀進行組合排列時，上述排列的順序為按照預設週期順序逐行或逐列排布。
在部分實施例中，上述調變孔的底部穿透上述底板或是不穿透上述底板。
在部分實施例中，上述光學調變層直接在上述光電探測層上生成，上述光學調變層的生成方式包括沉積或基於對襯底的刻蝕，上述襯底位於上述光電探測層上；或是將已製備好的上述光學調變層轉移至上述光電探測層上。
本發明更揭露一微集成光譜儀，微集成光譜儀包括：
如上述的光學調變微奈米結構，配置為對入射光進行光學調變，以得到調變後的光譜；
一光電探測層，位於上述光學調變微奈米結構的下面，配置為接收調變後的光譜，並對調變後的光譜提供差分響應；
一信號處理電路層，位於上述光電探測層的下面，配置為將差分響應重構，以得到原光譜。
在部分實施例中，該微集成光譜儀更包括：
一透光介質層，位於上述光學調變微奈米結構與光電探測層之間。
在部分實施例中，上述光電探測層包括有至少一探測單元，上述光學調變微奈米結構的每個微光學調變單元分別對應的設在至少一個探測單元的上面，所有探測單元之間通過信號處理電路層電連接。
本發明更揭露一光譜調變方法，該光譜調變方法包括：
利用上述光學調變微奈米結構對入射光進行光學調變，以得到一調變後的光譜；
利用上述光電探測層接收調變後的光譜，並對調變後的光譜提供一差分響應；
利用上述信號處理電路層將差分響應重構，以得到原光譜。
有益效果
本發明的上述技術方案具有以下有益效果：
本發明的光學調變微奈米結構，包括位於上述光電探測層上面的光學調變層，光學調變層能夠對入射光進行調變，從而在光電探測層上形成差分響應，以便於重構得到原光譜，利用上述光學調變微奈米結構可以取代現有光譜儀中的各類精密光學部件，從而實現在微奈米結構領域內的光譜儀的應用型，使得微集成光譜儀能在不需要光柵、棱鏡、反射鏡或其他類似空間分光元件的情況下進行工作，解決了現有的光譜儀過於依賴精密光學部件而使得光譜儀體積龐大、很重且昂貴的缺陷。
上述光學調變層包括底板和至少一個調變單元，底板設在光電探測層上，各個調變單元位於底板上，每個調變單元內分別設有若干個穿於底板內的調變孔，同一調變單元內的各個調變孔排布成一具有特定排布規律的二維圖形結構，利用不同的二維圖形結構實現對不同波長的光的調變作用，該調變作用包括但不限於光的散射、吸收、投射、反射、干涉、表面等離子激元以及諧振等作用，利用二維圖形結構的區別還可以提高不同區域間光譜回應的差異性，從而提高光譜儀的分析精度。
上述光學調變層內的各個調變單元無需考慮精密對齊等問題，並且基於光學調變微奈米結構製成的光譜儀既能保證高精度，又無需增加光程，則光譜儀的內部結構無需構造過大，則該微集成光譜儀的使用更加方便，並且完全不會對光譜儀的測算精密性造成不利影響，還可以將光譜儀的尺寸縮小到晶片級別，並且性能穩定，成本降低。
下面結合附圖和實施例對本發明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不能用來限制本發明的範圍。除非另有說明，否則本發明中所提及的微奈米結構均為光學調變微奈米結構的簡稱。
本發明各實施例揭露一光學調變微奈米結構，該微奈米結構能夠取代光譜儀中的精密光學部件，以實現對入射光的精密調變；並且利用該光學調變微奈米結構可以靈活地實現對不同波長光的調變作用，該調變作用包括但不限於光的散射、吸收、投射、反射、干涉、表面等離子激元以及諧振等作用，提高不同區域間光譜回應的差異性，從而提高光譜儀的分析精度。
本實施例的光學調變微奈米結構包括位於一光電探測層2上面的一光學調變層1，該光學調變層1能夠對入射光進行上述的調變作用。該光學調變層1上同一調變單元5內的各個一調變孔6排布成具有特定排布規律的一二維圖形結構，利用不同的上述二維圖形結構實現對不同波長的光的調變作用，利用上述二維圖形結構的區別還可以提高不同區域間光譜回應的差異性，從而提高光譜儀的分析精度。
基於上述微奈米結構，本發明各實施例更揭露一微集成光譜儀。上述光譜儀包括光學調變微奈米結構、光電探測層2和一信號處理電路層3。該光譜儀能夠利用光學調變微奈米結構的光學調變層1對入射光進行調變，從而在光電探測層2上形成差分響應，以便於重構得到原光譜，利用該光學調變微奈米結構可以取代現有光譜儀中的各類精密光學部件，從而實現在微奈米結構領域內的光譜儀的應用型，使得微集成光譜儀能在不需要光柵、棱鏡、反射鏡或其他類似空間分光元件的情況下進行工作，解決了現有的光譜儀過於依賴精密光學部件而使得光譜儀體積龐大、很重且昂貴的缺陷。
以下具體通過若干個實施例對本發明所述微奈米結構和微集成光譜儀進行詳細說明。
實施例一
如圖1所示，本實施例一提及微集成光譜儀中，光學調變微奈米結構上的光學調變層1包括一個調變單元5。調變單元5內的所有調變孔6均貫穿底板。調變單元5內的所有調變孔6均具有相同的特定截面形狀，本實施例一以圖1所示的橢圓形為例。所有調變孔6按照結構參數大小漸變順序成陣列排布形成二維圖形結構。該二維圖形結構中，所有調變孔6成陣列排布，並且所有調變孔6按照長軸長度、短軸長度和旋轉角度由小到大逐行逐列排布，從而使得所有調變孔6在光學調變層1的底板上整體組成了一個調變單元5。
可理解的是，如圖3所示，由於本實施例的所有調變孔6都是按照同一排布規律進行排列的，即按照長軸長度、短軸長度和旋轉角度的結構參數由小到大逐行逐列的漸變排布，故而光學調變層1上的所有調變孔6既可以視為一整體調變單元5，也可以將其任意分割成若干個調變單元5，任意劃分出的調變單元5對於光譜都有不同的調變作用，理論上可獲得無窮多組調變後的光譜樣本，從而急劇增大了用以重構原光譜的資料量，有助於對於寬頻光譜的譜型的恢復。則根據每個調變單元5內的調變孔6結構參數特性確定該調變單元5對不同波長的光的調變作用的效果即可。
可理解的是，上述調變孔6的特定截面形狀包括圓形、橢圓形、十字形、正多邊形、星形或矩形等，也可以為上述各形狀的任意組合。則對應的，上述調變孔6的結構參數包括內徑、長軸長度、短軸長度、旋轉角度、角數或邊長等。
本實施例一上述光學調變層1的底板厚度為60nm~1200nm，光學調變層1與光電探測層2之間係直接連接或通過一透光介質層4連接。光電探測層2與信號處理電路層3之間為電連接。其中，如圖3所示，光探測層2上的所有調變孔6均為橢圓形，所有橢圓形調變孔6的長軸長度和短軸長度分別逐行逐列增大，並且以圖3中水平方向為橫軸，直向為縱軸，則所有橢圓形調變孔6逐行逐列的自縱軸向橫軸旋轉，其旋轉角度逐漸增大。所有的調變孔6組成了一個整體二維圖形結構，該二維圖形結構整體為一矩陣結構，該矩陣結構的面積範圍為5μm2
~4cm2
。
本實施例所述的光學調變微奈米結構在製造時，選用矽基材料作為光學調變層1和光電探測層2的材料，以便在製備工藝的加工上具有很好的相容性。在製備光學調變層1時，可直接在光電探測層2上生成光學調變層1，也可以先將已製備好的光學調變層1轉移至光電探測層2上。
具體的，光學調變層1的直接生成方式具體包括：直接在光電探測層2上沉積生成按照圖3所示的結構排布的光學調變層1；或是先在光電探測層2上裝有矽基材料製成的襯底，然後在襯底上按照圖3所示的結構進行微納加工開孔，以得到光學調變層1。
上述的直接沉積生長的過程為：第一步、在光電探測層2上通過濺射、化學氣相沉積等方法沉積厚度為100nm~400nm的矽平板。第二步、用光刻、電子束曝光等圖形轉移方法在上面繪製出所需的二維圖形結構，結構如圖3所示。該二維圖形結構具體為：僅對橢圓形調變孔6的短軸和旋轉角度進行漸變調整，橢圓長軸選取200nm~1000nm中的定值，例如500nm；短軸長度在120nm~500nm範圍內變化，橢圓的旋轉角度在0°~90°範圍內變化，橢圓的排列週期為200nm~1000nm中的定值，例如500nm。該二維圖形結構的圖形整體範圍約為長115μm、寬110μm的矩形陣列結構。第三步、通過反應離子刻蝕、感應耦合等離子體刻蝕以及離子束刻蝕等方法對矽平板進行刻蝕即可得到所需光學調變層1。最後將光學調變層1和光電探測層2整體通過電連接到信號處理電路層3上即可。
較佳地，本實施例揭露另一種光學調變微奈米結構的製備過程，具體為：光電探測層2內裝有III-V族探測器，具體為GaAs/InGaAs的一量子阱探測器。如圖16所示，將上述探測器倒扣鍵合在CMOS電路上，上述探測器包括一GaAs襯底1’和InGaAs量子阱光電探測層2。如圖17所示，直接將襯底1’進行減薄後，再於襯底1’上進行微奈米加工，使之具有上述二維圖形結構，從而形成上述光學調變層1即可。上述製備過程與上述微納加工開孔的區別僅在於將由探測器組成的光電探測層2的上表面直接作為微奈米加工的襯底1’，從而保證了加工製備好的光學調變層1與光電探測層2之間的緊密連接，避免出現縫隙影響光的調變作用效果。
上述光學調變層1的轉移製備方式具體為：先在襯底1’上按照圖3所示的結構通過微納加工開孔，以得到製備好的光學調變層1，然後將該已製備好的光學調變層1轉移到光電探測層2上。具體的，光學調變層1的轉移方法的過程為：先根據以上參數在矽片或SOI（指矽-絕緣體-矽片結構）上製備得到光學調變層1，然後通過轉移的方法轉移到光電探測層2上，最後將光學調變層1和光電探測層2整體通過電連接到信號處理電路層3上即可。
可理解的是，本實施例所述的能實現對光進行調變的光學調變微奈米結構包括但不限於一維、二維光子晶體、表面等離子激元、超材料和超表面。具體材料可包括矽、鍺、鍺矽材料、矽的化合物、鍺的化合物、金屬以及III-V族材料等。其中矽的化合物包括但不限於氮化矽、二氧化矽以及碳化矽等。透光層材料可包括二氧化矽和高分子聚合物等低折射率的材料。光電探測器可選擇矽探測器（探測範圍為780nm~1100nm）、III-V族半導體（如InGaAs/InAlAs、GaAs/AlGaAs）探測器（探測範圍為1000nm~2600nm）、銻化物（如InSb）探測器（探測範圍為1μm~6.5μm）以及HgCdTe探測器（探測範圍為0.7~25μm）等。
本實施例一更揭露一種微集成光譜儀。如圖1所示，該微集成光譜儀包括上述光學調變微奈米結構、光電探測層2和信號處理電路3。光學調變微奈米結構、光電探測層2和信號處理電路3由上至下豎向連接並且彼此相互平行。其中，光學調變微奈米結構配置為對入射光進行光學調變，以得到調變後的光譜；光電探測層2配置為接收調變後的光譜，並對調變後的光譜提供差分響應；信號處理電路層3配置為將差分響應基於演算法進行處理，以重構得到原光譜。
本實施例所述的光學調變微奈米結構如上所述，在此不再贅述。本實施例所述的光電探測層2如圖2和圖4所示。光電探測層2包括若干個一探測單元7，光電探測層2內的每個探測單元7都裝有至少一光電探測器，光電探測器的探測範圍略大於調變孔6的結構範圍。由若干個探測單元7組成的陣列結構的光電探測層2能將探測得到的信號通過電接觸傳輸給信號處理電路層3。
本實施例中，若干個調變孔6可同時對應一個探測單元7，也可以令每個調變孔6分別對應一個或多個探測單元7，也就是說每個調變單元5與一個或多個探測單元7在垂直方向上對應即可，這樣只需滿足同一調變單元5內都有至少一個調變孔6與至少一個探測單元7相對應即可。該結構設置保證該調變單元5總能對至少一種波長的入射光進行調變，並保證調變好的光可以被探測單元7接收。為了防止探測單元7在工作時互相干擾，優選相鄰兩個探測單元7之間留有一間隙8。
本實施例所述的信號處理電路層3中搭載有一演算法處理系統，該演算法處理系統能夠將差分響應基於演算法進行處理，以重構得到原光譜。
本實施例所述的微納光譜結構及微集成光譜儀對於光譜探測的完整的流程為：首先，令光譜從光學調變層1上方垂直入射通過光學調變微奈米結構時，經過光學調變層1的調變，在不同的調變單元5內獲得不同的回應光譜。經過調變的各個響應光譜分別照射到光電探測層2上，則對應設置的探測單元7接收到的回應光譜各不相同，從而得到差分響應，該差分響應是指對各個調變單元5各自調變後得到的回應光譜的信號之間求差值。最後，信號處理電路層3利用演算法處理系統對差分響應進行處理，從而通過重構得到原光譜。該重構過程通過一資料處理模組實施，該資料處理模組包括一光譜資料預處理以及一資料預測模型。其中，上述光譜資料預處理是指對上述求得的差分響應資料中存在的雜訊進行預處理，該光譜資料預處理所採用的處理方法包括但不限於傅立葉變換、微分和小波變換等。上述資料預測模型中包括由光譜資料得到對包含血糖濃度等相關的血糖參數的預測，其使用的演算法包括但不限於最小二乘法、主成分分析以及人工神經網路。
圖5示出了根據以上實施例進行實際的製備而得的光學調變微奈米結構及光譜儀在光譜分析時的光譜分析效果。如圖5所示可知，上述微奈米結構可以實現對於光譜範圍從600nm~800nm、譜寬為200nm的光譜的探測，並達到了對光譜測量準確率大於95.1%的效果。
實施例二
本實施例二光學調變微奈米結構以及微集成光譜儀的結構、原理、光譜調變方法和製備方法均與實施例一基本相同，相同之處不再贅述。不同之處在於：
如圖6所示，本實施例該微奈米結構中，光學調變層1上設有一整體調變單元5。調變單元5中設有的二維圖形結構內的各個調變孔6分別具有各自的特定截面形狀，各個調變孔6按照特定截面形狀進行自由組合排列。具體的，在該二維圖形結構內，部分調變孔6的特定截面形狀相同，具有相同特定截面形狀的各個調變孔6構成了多個調變孔6組，各個調變孔6組的特定截面形狀互不相同，且所有調變孔6均自由組合。
可理解的是，上述調變單元5整體可視為針對一種特定波長的光譜進行調變，也可以將其自由分割成若干個調變孔6調變單元，從而能針對多種不同波長的光譜進行調變，以增加光學調變的靈活性和多樣性。
實施例三
本實施例三所述的光學調變微奈米結構以及微集成光譜儀的結構、原理、光譜調變方法和製備方法均與實施例二基本相同，相同之處不再贅述。不同之處在於：
如圖7和圖8所示，本實施例的光學調變微奈米結構的光學調變層1上排列有兩個或兩個以上的調變單元5。每個調變單元5中，當各個調變孔6按照特定截面形狀進行組合排列時，其排列的順序為按照預設預設的週期順序逐行或逐列排布。
本實施例中，將所有調變孔6按照特定截面形狀劃分為若干個調變單元5，各個調變單元5內的調變孔6的特定截面形狀互不相同。同一調變單元5內的調變孔6具有相同的特定截面形狀，但各調變孔6的排列順序按照結構參數的大小漸變順序成陣列排布。從而使得每個調變單元5都具有不同的調變作用，並且能針對不同波長的光譜進行調變。根據調變需要改變調變單元5內的調變孔6結構參數的漸變順序和/或調變孔6的特定截面形狀，即可改變當前調變單元5的調變作用和/或調變物件。
具體如圖9所示，光學調變層1的底板上分佈有三個調變單元5，分別為一第一調變單元11、一第二調變單元12和一第三調變單元13。其中，第一調變單元11內的調變孔6均為圓形，且每個調變孔6的結構參數均相同，該第一調變單元11對於輸入光譜有一第一種調變方式；第二調變單元12內的調變孔6均為橢圓形，各個調變孔6按照結構參數大小成週期式逐行排列，即橫置的橢圓形調變孔6與豎置的橢圓形調變孔6逐行交錯排列，該第二調變單元12對於輸入光譜有一第二種調變方式；第三調變單元13內的調變孔6均為菱形，各個調變孔6按照結構參數大小成週期式逐行逐列排列，即橫置的菱形調變孔6與豎置的菱形調變孔6逐行交錯排列，同時橫置的菱形調變孔6與豎置的菱形調變孔6逐列交錯排列，則該第三調變單元13對於輸入光譜有一第三種調變方式。
可以理解的是，本實施例所述的「對不同波長的光有某種調變方式」可包括但不限於散射、吸收、透射、反射、干涉、表面等離子激元、諧振等作用。上述第一、第二和第三種光學調變方式彼此區別。通過對於調變單元5內的調變孔6結構的設置，可以提高不同單元間光譜回應的差異，通過增加單元數量就可以提高對不同譜之間差異的靈敏度。
可理解的是，針對不同入射光譜測量時，可通過改變各調變單元5內的調變孔6結構參數來改變調變作用，結構參數的改變包括但不限於微奈米結構週期、半徑、邊長、占空比和厚度等各參數中的一種以及它們的任意組合。
可理解的是，本實施例所述的微集成光譜儀中可使用如實施例一的調變單元5或實施例二的調變單元5或實施例一和實施例二的調變單元5的組合。
本實施例中，上述光學調變層1為厚度200nm~500nm的氮化矽平板製成。光學調變層1上共設有100~200個調變單元5，每個調變單元5的長為4μm ~60μm，寬為4μm ~60μm。每個調變單元5內部選取各種幾何形狀作為調變孔6的特定截面形狀，每個調變單元5內為同一形狀的週期排布，其占空比為10%~90%。其餘結構均與實施例1或實施例2相同。
圖10和圖11均示出了根據以上實施例進行實際的製備而得的光學調變微奈米結構及光譜儀在光譜分析時的光譜分析效果。本實施例微納調變結構主要針對單波長光譜進行探測，其波長強度關係效果如圖10所示，測量光譜與實際光譜中心波長的誤差小於0.4nm，其探測效果如圖11所示，光強的準確度大於99.89%。
實施例四
基於上述任一實施例所述的光學調變微奈米結構以及微集成光譜儀的結構、原理、光譜調變方法和製備方法，本實施例四提出了一種光學調變微奈米結構、微集成光譜儀以及光譜調變方法。相同之處不再贅述，不同之處在於：
如圖12所示，本實施例四所述的微集成光譜儀還包括一透光介質層4，該透光介質層4位於光學調變微奈米結構與光電探測層2之間。具體的，該透光介質層4的厚度為50nm~1μm，材料可為二氧化矽。
本實施例所述的微集成光譜儀中，若在製備光學調變層1時採用直接沉積生長的工藝方案，可在光電探測層2上通過化學氣相沉積、濺射以及旋塗等方式覆蓋該透光介質層4，然後在其上方進行該光學調變層1部分的沉積、刻蝕即可。若採用轉移的工藝方案，則可將二氧化矽作為光學調變層1的製備襯底，並在襯底上半部分直接通過微納鑽孔加工製備光學調變層1，然後以二氧化矽襯底的下半部分直接作為透光介質層4，將製備好的光學調變層1與透光介質層4這兩部分整體轉移到光探測層上即可。
可理解的是，本實施例所述的透光介質層4還可以配置為：將光電探測層2上方的光學調變微奈米結構整體通過外部支撐結構支撐以使之相對於光電探測層2懸空，則光學調變層1與光電探測層2之間的空氣部分即為透光介質層4。
實施例五
本實施例五基於實施例二的基礎上，進一步提出了一種光學調變微奈米結構、微集成光譜儀以及光譜調變方法。本實施例五與實施例二的相同之處不再贅述，不同之處在於：
本實施例五所述的光學調變層1是基於厚度150~300nm的碳化矽平置底板製成。上述光學調變層1上共有150~300個單元，每個單元長為15~20μm，寬為15~20μm。同一調變單元5中各個調變孔6的特定截面形狀均為圓形，各單元間的圓孔週期、孔半徑和占空比等參數各不相同。具體參數範圍為：週期範圍為180nm~850nm，孔半徑範圍為20nm~780nm，占空比範圍為10%~92%。光電探測層2上至少一個裝有InGaAs探測器。
本實施例所述的光學調變微奈米結構的製備工藝選用先製備光學調變層1然後轉移到光電探測層2上的轉移工藝手段。
實施例六
基於上述任一實施例所述的光學調變微奈米結構以及微集成光譜儀的結構、原理、光譜調變方法和製備方法，本實施例六提出了一種光學調變微奈米結構、微集成光譜儀以及光譜調變方法。相同之處不再贅述，不同之處在於：
如圖13所示，本實施例七所述的光學調變微奈米結構中，各個調變孔6均不穿透底板。可理解的是，不論調變孔6是否穿透底板均不會對光學調變微奈米結構的調變作用造成不利影響，這是因為光學調變層1選用的矽基材料或其他材料均為透光材料，光譜入射光學調變層1時，受到各個調變單元5的結構影響而發生調變作用，但調變孔6底部對於光譜調變不產生不利影響。
本實施例所述的光學調變微奈米結構中，光學調變層1的調變孔6底部至底板底部的厚度為60 nm~1200 nm，整個底板厚度為120 nm~2000 nm。
實施例七
基於上述各個實施例的組合，本實施例七提出了一種光學調變微奈米結構、微集成光譜儀以及光譜調變方法。相同之處不再贅述，不同之處在於：
如圖14和圖15所示，本實施例七所述的光學調變微奈米結構中，光學調變層1的底板上分佈有五個調變單元5，分別為第一調變單元11、第二調變單元12、第三調變單元13、一第四調變單元14和一第五調變單元15，其中第五調變單元15範圍最大，其面積不小於前四個調變單元的總和。
具體的，第一調變單元11、第二調變單元12、第三調變單元13、第四調變單元14整體成矩陣排列，其中，前三個調變單元11、12、13內的調變孔6排列方式與實施例三所述的調變孔6排列方式相同，第四調變單元14與第一調變單元11的調變孔6的特定截面形狀相同，均為圓形，但第四調變單元14的調變孔6結構參數與第一調變單元11的調變孔6結構參數不同，具體為第四調變單元14的調變孔6內徑小於第一調變單元11的調變孔6內徑，故而第四調變單元14對於輸入光譜有一第四種調變方式。第五調變單元15內的各個調變孔6形成的二維圖形結構與實施例一所述的二維圖形結構相同，則第五調變單元15對於輸入光譜有一第五種調變方式。
由此可見，本實施例七所述的光學調變微奈米結構利用不同單元間的不同調變孔6特定截面形狀的區別、以及同一單元內特定的調變孔6排列方式，實現利用改變調變孔6特定截面形狀、調變孔6的結構參數以及調變孔6排列週期實現對不同波長的光譜進行不同的調變作用。
可理解的是，對於實施例一和實施例二的漸變式陣列調變單元5的結構，其任意劃分出的調變單元5對於光譜都有不同的調變作用，理論上可獲得無窮多組調變後的光譜樣本，從而急劇增大了用以重構原光譜的資料量，有助於對於寬頻光譜的譜型的恢復。
對於實施例三的週期式調變單元5的結構，其週期結構可產生二維週期的色散、諧振作用，諧振作用包括但不限於光子晶體的能帶控制以及二維光柵的諧振等原理。通過諧振作用可增強對於特定波長的探測精度。
如果將上述的實施例一、實施例二和實施例三中的調變單元5同時應用在晶片上時，能夠綜合上述兩種優勢。並且在切頂光學調變層的尺寸範圍時，上述三個實施例的光學調變微奈米結構都可以製備成微米量級甚至更小的結構，這對於微集成光譜儀的小型化微型化生產和使用具有重大意義；上述光學調變微奈米結構配合由不同的光電探測器構成的光電探測層，在原則上可以實現對於全波段的光譜探測，從而使得光譜儀的寬譜探測性能更加出色。
綜上所述，本實施例的光學調變微奈米結構包括位於光電探測層2上面的光學調變層1，光學調變層1能夠對入射光進行調變，從而在光電探測層2上形成差分響應，以便於重構得到原光譜，利用光學調變微奈米結構可以取代現有光譜儀中的各類精密光學部件，從而實現在微奈米結構領域內的光譜儀的應用型，使得微集成光譜儀能在不需要光柵、棱鏡、反射鏡或其他類似空間分光元件的情況下進行工作，解決了現有的光譜儀過於依賴精密光學部件而使得光譜儀體積龐大、很重且昂貴的缺陷。
該光學調變層1上同一調變單元5內的各個調變孔6排布成一具有特定排布規律的二維圖形結構，利用不同的二維圖形結構實現對不同波長的光的調變作用，該調變作用包括但不限於光的散射、吸收、投射、反射、干涉、表面等離子激元以及諧振等作用，利用二維圖形結構的區別還可以提高不同區域間光譜回應的差異性，從而提高光譜儀的分析精度。
該光學調變層1內的各個調變單元5無需考慮精密對齊等問題，並且基於光學調變微奈米結構製成的光譜儀既能保證高精度，又無需增加光程，則光譜儀的內部結構無需構造過大，則該微集成光譜儀的使用更加方便，並且完全不會對光譜儀的測算精密性造成不利影響，還可以將光譜儀的尺寸縮小到晶片級別，並且性能穩定，成本降低，從而使得微集成光譜儀可實現大規模流片生產，與現有的光譜儀相比，具有更加穩定的生產製備工藝，且具有更低的生產和使用成本。
本發明的實施例是為了示例和描述起見而揭露的，並不是無遺漏的或將本發明限於所公開的形式。諸多修改和變化對於本領域具通常知識者而言係顯而易見的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，並且使本領域具通常知識者能夠理解本發明從而設計適於特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」和「若干個」的含義都是指兩個或兩個以上；除非另有說明，「缺口狀」的含義為除截面平齊外的形狀。術語「上」、「下」、「左」、「右」、「內」、「外」、「前端」、「後端」、「頭部」、「尾部」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對本領域具通常知識者而言，可以具體理解上述術語在本發明中的具體含義。
1’:襯底
1:光學調變層
2:光電探測層
3:信號處理電路層
4:透光介質層
5:調變單元
6:微奈孔
7:探測單元
8:間隙
11:第一調變單元
12:第二調變單元
13:第三調變單元
14:第四調變單元
15:第五調變單元
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域具有通常知識者，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例一的光學調變微奈米結構的結構示意圖；
圖2為本發明實施例一的光學調變微奈米結構的剖視圖；
圖3為本發明實施例一的光學調變層的結構示意圖；
圖4為本發明實施例一的光電探測層的結構示意圖；
圖5為本發明實施例一的光譜探測效果圖；
圖6為本發明實施例二的光學調變層的結構示意圖；
圖7為本發明實施例三的光學調變微奈米結構的結構示意圖；
圖8為本發明實施例三的光學調變微奈米結構的剖視圖；
圖9為本發明實施例三的光學調變微奈米結構的結構示意圖；
圖10為本發明實施例三的光譜探測波長強度關係示意圖；
圖11為本發明實施例三的光譜探測效果圖；
圖12為本發明實施例四的光學調變微奈米結構的剖視圖；
圖13為本發明實施例六的光學調變微奈米結構的剖視圖；
圖14為本發明實施例七的光學調變微奈米結構的剖視圖；
圖15為本發明實施例七的光學調變層的結構示意圖；
圖16和圖17分別為本發明實施例八的光學調變微奈米結構製備方法的過程示意圖。
1:光學調變層
2:光電探測層
3:信號處理電路層
5:調變單元
6:微奈孔
7:探測單元
11:第一調變單元
12:第二調變單元
13:第三調變單元
Claims (10)
- 一種光學調變微奈米結構，其特徵在於，包括位於一光電探測層上面之一光學調變層，該光學調變層包括一底板和至少一調變單元，該底板設在該光電探測層上，各個該調變單元位於該底板上，每個該調變單元內分別設有若干個穿於該底板內的一調變孔，同一該調變單元內的各個該調變孔排布成具有特定排布規律的一二維圖形結構。
- 如請求項第1項所述的光學調變微奈米結構，其特徵在於，該二維圖形結構的特定排布規律包括： 同一該二維圖形結構內的所有該調變孔同時具有相同的特定截面形狀，各個該調變孔按照結構參數大小漸變順序成陣列排布；和/或 同一該二維圖形結構內的各個該調變孔分別具有特定截面形狀，各個該調變孔按照特定截面形狀進行組合排列。
- 如請求項第2項所述的光學調變微奈米結構，其特徵在於，該調變孔的結構參數包括內徑、長軸長度、短軸長度、旋轉角度、邊長或角數；該調變孔的特定截面形狀包括圓形、橢圓形、十字形、正多邊形、星形或矩形。
- 如請求項第2項所述的光學調變微奈米結構，其特徵在於，各個該調變孔按照特定截面形狀進行組合排列時，該排列的順序為按照預設週期順序逐行或逐列排布。
- 如請求項第1-4任一項所述的光學調變微奈米結構，其特徵在於，該調變孔的底部穿透該底板或不穿透該底板。
- 如請求項第1-4任一項所述的光學調變微奈米結構，其特徵在於，該光學調變層直接在該光電探測層上生成，該光學調變層的生成方式包括沉積或基於對一襯底的刻蝕，該襯底位於該光電探測層上；或是將已製備好的該光學調變層轉移至該光電探測層上。
- 一種微集成光譜儀，其特徵包括： 如請求項第1-6任一項所述的光學調變微奈米結構，配置微對入射光進行光學調變，以得到一調變後的光譜； 一光電探測層，位於該光學調變微奈米結構的下面，配置為接收該調變後的光譜，並對該調變後的光譜提供差分響應； 一信號處理電路層，位於該光電探測層的下面，配置為將該差分響應重構，以得到原光譜。
- 如請求項第7項所述的微集成光譜儀，其特徵更包括： 一透光介質層，位於該光學調變微奈米結構與該光電探測層之間。
- 如請求項第7項所述的微集成光譜儀，其特徵在於，該光電探測層包括有至少一探測單元，該光學調變微奈米結構的每個該微光學調變單元分別對應的設在至少一個該探測單元的上面，所有的該探測單元之間通過該信號處理電路層電連接。
- 一種光譜調變方法，其特徵包括： 利用該光學調變微奈米結構對入射光進行光學調變，以得到該調變後的光譜； 利用該光電探測層接收該調變後的光譜，並對該調變後的光譜提供差分響應； 利用該信號處理電路層將該差分響應重構，以得到原光譜。
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