TWI585376B - 光譜分析裝置及其製作方法 - Google Patents

Description

光譜分析裝置及其製作方法

本發明相關於一種光譜分析裝置及其製作方法，特別是有關一種非光子晶體共振腔搭配光偵測材料組成的高解析度光譜分析儀晶片及其製作方法。

傳統光譜分析儀分為散射(dispersive)系統與干涉(interferometric)系統兩類。散射系統利用具散射性質的光學元件(例如稜鏡、衍射光柵等)分離不同波長的入射光，再分別量測不同波長的入射光的光強度。干涉系統(例如FTIR)則是以麥克森干涉儀做為量測裝置，並利用移動其中一反射鏡選取干涉之波長，訊號由感光元件偵測，並經過傅利葉轉換處理干涉訊號，而繪製成光譜。然而，無論是散射系統或是干涉系統的光譜分析儀都會有體積龐大與解析度不高的缺點。散射系統的解析度受限於光柵與感光元件之間的距離以及感光元件本身的解析度，即光柵與感光元件之間的距離越大、感光元件本身的解析度越大，則散射系統的解析度越好，但是光柵與感光元件之間的距離越大會造成光譜分析儀的體積大幅增加，而需要更大的空間來擺放。由於干涉系統一次僅針對單一波長量測，所以欲提高解析度(即對多個不同的波長量測)，必須要重複對不同的波長進行測量，而大大地增加了測量的時間，並且由於需要在裝置中移動反射鏡選取不同的波長，不但因需要更大的移動空間，而導致光譜分析儀的體積大幅增加，更因為在裝置中移動反射鏡控制不易，大大地增加了困難度，同時其解析度會受限於反射鏡控制精準度，無法進一步提升。此外，由於此兩類光譜分析儀的體積龐大，僅能固定擺置於實驗室內，而不易搬動且無法隨身攜帶，所以對於檢驗來說並不夠便利。

為了解決上述問題，Sweeney等人提出一以具量子井的Ⅲ-Ⅴ族光譜分析晶片取代傳統光譜分析儀的新穎概念，針對1600奈米(nm)到1610奈米(nm)此一目標，以Ⅲ-Ⅴ族半導體材料(InGaAsP/InP)做為材料製作多個以二極體為架構且具量子井可吸收光子的共振腔，其共振腔品質因子(即Q值(Q-factor))約為1000，而組成一光譜分析儀晶片。在Sweeney等人所提出的光譜分析晶片中，需要形成Ⅲ-Ⅴ族吸光層結構，才能組成光譜分析儀晶片。相較於傳統的光譜分析儀，此一光譜分析儀晶片體積小便於移動與攜帶。然而，此一由Ⅲ-Ⅴ族半導體材料所組成的光譜分析儀晶片需要使用磊晶(epitaxy)技術製造，但因為長晶費時以及長晶設備昂貴，導致其有成本高與製程費時的缺點，並且僅能製作於特殊材質製成的基板上，而無法製作於一般的基板上(例如矽基板)，且具有由Ⅲ-Ⅴ族半導體材料所製作的吸光層結構的共振腔因非等向性蝕刻技術的不成熟，而無法具有良好的側壁粗糙度，若欲增加共振腔的側壁粗糙度則需要對其進行熱處理，但是熱處理會破壞量子井特性，致使此一方法無法進一步熱處理優化粗糙度共振腔以免影響吸光層運作，而且吸光層本身會吸光，故無法具有高Q值(Q-factor)。另外，若欲將此光譜分析儀晶片擴展至其他頻段光譜，需要重新設計該光譜分析儀晶片中的量子井或是更換新的磊晶材料以配合目標吸收波長，導致此光譜分析儀晶片並不易被廣泛地應用。

另外，近來發展出利用空腔諧振器或光子晶體等光學共振腔與石墨烯整合製成的放大器或光偵測器此一技術，加強石墨烯的光電轉換效率，但目前研究成果未能達成高Q值，其Q值約為20-95，顯示其解析度未能滿足需求，且光子晶體共振腔在製作上需要經過且繁複的計算與製程，以及對於製程條件的要求較高，導致其在製程較為困難且成本較高。

有鑑於此，亟需要一種體積小、便於移動與攜帶、具有高Q值與高解析度的光譜分析裝置，不需形成Ⅲ-Ⅴ族吸光層結構，且不需採用光子晶體共振腔，以相對不繁複之製程達到高Q值(＞100)，並且可不採用成本高與製程費時的磊晶(epitaxy)技術製造以及製程條件的要求較高、製程較為困難、成本較高的光子晶體共振腔製程，而可以低製程條件、成本低的簡單製程製作光譜分析裝置。

本發明之一目的為提供一種光譜分析裝置，其不但體積小、便於移動與攜帶，且可不需採用Ⅲ-Ⅴ族半導體材料吸光層結構，也不需採用光子晶體共振腔，但具有高解析度，更可不採用成本高與製程費時的磊晶(epitaxy)技術製造或是製程條件的要求較高、製程較為困難、成本較高的光子晶體共振腔製程，所以可以製程簡單、低製程條件、製程時間短、成本低的製程製作而成。

本發明之一目的為提供一種製作光譜分析裝置的方法，其以簡單、製程條件低、製程時間短、以及低成本的方法製作一體積小、便於移動與攜帶、且具有高解析度的光譜分析裝置或光譜分析儀晶片，而取代以成本高與製程費時的磊晶(epitaxy)技術製造內含吸光層的光譜儀晶片。此製作方法可以靈活地更替共振腔材料製作不同頻段之光譜分析裝置或光譜分析儀晶片，並且可以利用藉由優化光譜分析裝置表面粗糙度降低光學傳遞損失，從而進一步獲得絕佳的Q值(高達100-10 ⁹，甚至大於10 ⁹)。

根據本發明之一目的，本發明提供一種光譜分析裝置，此光譜分析裝置具有體積小、便於移動與攜帶、具高解析度等優點。此光譜分析裝置包含：一基板，該基板係由矽、二氧化矽、半導體、有機化合物、玻璃、或介電材料所組成; 至少一光學共振腔設置於該基板上，且該光學共振腔所使用的材料的折射率大於該基板的折射率，或該光學共振腔所使用的材料的折射率大於設置於該基板上的絕緣層的折射率，該光學共振腔可與一特定頻率的光波耦合，而使該光波進入該光學共振腔後，保持其能量不大幅衰退，其中，該光學共振腔的Q值(Q-factor)至少為100，該光學共振腔材在共振波段之吸收率不超過1％，即光學共振腔所使用的材料於該共振波段為透明，且該光學共振腔為非光子晶體共振腔，如耳語迴廊模態共振腔、環形共振腔等;以及至少一光偵測材料區塊鋪設於基板上一特定區域上，其中，每一該光偵測材料區塊對應一光學共振腔，用以偵測與其對應的該光學共振腔內的光波，並將其轉換成電訊號輸出。由於光譜分析裝置為一光學共振腔與光偵測材料所組成的光譜分析儀晶片，不需預留光學路徑之空間提高解析度，所以體積遠遠小於傳統的光譜分析裝置，而易於移動與攜帶。此外，由於在此光譜分析裝置中，光學共振腔係由矽、氧化矽、鍺、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、氮化銦鎵、氮化銦鋁、或硫化鋅等材料所組成的耳語迴廊模態型(Whispering Gallery Mode)共振腔或環形共振腔，所以可不使用Ⅲ-Ⅴ族半導體材料所製作的複雜的吸光層結構。另外，此光譜分析裝置可不採用成本高與製程費時的磊晶(epitaxy)技術製造以及製程條件的要求較高、製程較為困難、成本較高的光子晶體共振腔製程，所以可以製程簡單、低製程條件、製程時間短、成本低的製程製作而成。

根據本發明之一目的，本發明提供一種製作光譜分析裝置的方法。此製作光譜分析裝置的方法包含下列步驟：(1)提供一基板; (2)形成至少一光學共振腔於該基板上，其中，該光學共振腔的Q值(Q-factor)至少為100，該光學共振腔所使用的材料的折射率大於基板的折射率，或該光學共振腔所使用的材料的折射率大於設置於該基板上的絕緣層的折射率，且在共振波段之吸收率不超過1％，即該光學共振腔所使用的材料於該共振波段為透明，且該光學共振腔為非光子晶體共振腔，如耳語迴廊模態共振腔、環形共振腔等;以及(3)形成一光偵測材料區塊鋪設於基板上一特定區域上，其中，每一該光偵測材料區塊對應一光學共振腔，用以偵測與其對應的該光學共振腔內的光波，並將其轉換成電訊號輸出。此方法並未形成Ⅲ-Ⅴ族半導體吸光層結構以及光子晶體共振腔，所以可不採用成本高與製程費時的磊晶(epitaxy)技術製造，也不需要採用製程條件的要求較高、製程較為困難、成本較高的光子晶體共振腔製程，而可以製程簡單、低製程條件、製程時間短、成本低的製程製作具備非光子晶體共振腔的光學共振腔的光譜分析裝置。另外，由於此方法可不使用Ⅲ-Ⅴ族半導體材料所製作的複雜的光層結構，且製造出更高品質因子(即Q值(Q-factor))之共振腔，所以有助於成本的降低、元件性能提升。再者，此製作方法可以靈活地更替光學共振腔所使用的材料，而製作出不同頻段之光譜分析裝置或光譜分析儀晶片，並且可以利用調整或優化光譜分析裝置表面粗糙度而降低光學傳遞損失，從而進一步獲得絕佳的Q值(高達100-10 ⁹，甚至大於10 ⁹)。

因此，本發明提供了一種光譜分析裝置及其製作方法，其可以由矽、氧化矽、鍺、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、氮化銦鎵、氮化銦鋁、或硫化鋅等材料所組成的耳語迴廊模態型(Whispering Gallery Mode)共振腔(或環形共振腔)與光偵測材料組成一體積小、便於移動與攜帶、高解析度、不需要形成Ⅲ-Ⅴ族半導體吸光層結構的光譜分析儀晶片。再者，本發明採用製程要求低、困難度低、製程時間短、且低成本的方法，而可不採用成本高與製程費時的磊晶(epitaxy)技術製造，也不需要採用製程條件的要求較高、製程較為困難、成本較高的光子晶體共振腔製程，即可製作一體積小、便於移動與攜帶、且具有高Q值的光譜分析裝置或光譜分析儀晶片，並且可以靈活地更替光學共振腔材料製作出不同頻段之光譜分析裝置或光譜分析儀晶片。

本發明的一些實施例詳細描述如下。然而，除了該詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行。亦即，本發明的範圍不受已提出之實施例的限制，而以本發明提出之申請專利範圍為準。其次，當本發明之實施例圖示中的各元件或步驟以單一元件或步驟描述說明時，不應以此作為有限定的認知，即如下之說明未特別強調數目上的限制時本發明之精神與應用範圍可推及多數個元件或結構並存的結構與方法上。再者，在本說明書中，各元件之不同部分並沒有完全依照尺寸繪圖，某些尺度與其他相關尺度相比或有被誇張或是簡化，以提供更清楚的描述以增進對本發明的理解。而本發明所沿用的現有技藝，在此僅做重點式的引用，以助本發明的闡述。

第一A圖為本發明之一實施例之光譜分析裝置100的立體示意圖。參照第一A圖，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100包含一基板102、至少一設置於基板102上的光學共振腔106a、106b、以及至少一鋪設於基板102上特定區域的光偵測材料區塊108a、108b。基板102為一由矽、二氧化矽、半導體、有機化合物、玻璃、或介電材料所組成的基板，基板102上設置有一絕緣層104，其中，基板102與絕緣層104皆為透明。在本發明其他實施例中，可以直接採用其上未設置有絕緣層104的基板。

光學共振腔106a、106b係由矽、氧化矽、鍺、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、氮化銦鎵、氮化銦鋁、或硫化鋅等不會吸收光波的材料，以微影製程(lithography)或其他類似的方法，而製作於基板102上的耳語迴廊模態型(Whispering Gallery Mode)光學共振腔或環形光學共振腔。光學共振腔106a、106b所使用的材料的折射率大於相鄰絕緣層104的折射率。在本發明其他實施例中，若採用未設置有絕緣層104的基板，光學共振腔106a、106b所使用的材料的折射率大於基板102的折射率。光學共振腔106a、106b為在共振波段之吸收率不超過1％而為透明，亦即光學共振腔106a、106b所使用的材料在此該共振波段為透明。每一光學共振腔106a、106b可與一特定頻率的光波耦合，而使不同的光學共振腔106a、106b可以接收不同頻率的光波進入其中。由於光學共振腔106a、106b由上述不會吸收光波的材料所組成，且其架構非為光子晶體共振腔，所以當光波進入光學共振腔106a、106b後，光波會在光學共振腔106a、106b內保持能量而不會產生大幅衰弱，使得光學共振腔106a、106b的Q值(Q-factor)至少都在100以上，且若採取碟狀的光學共振腔，並經特別處理優化表面粗糙度後，Q值甚至可達到10 ⁶或是以上(10 ⁹)，可超越表面未優化的Ⅲ-Ⅴ族半導體材料(InGaAsP/InP)製作的共振腔以及Sweeney等人所提出的採用Ⅲ-Ⅴ族吸光層結構的共振腔。

雖然在本實施例中，基板102上設置了2個光學共振腔106a、106b，但是並不以此為限，在本發明其他實施例中，則可以依照需求以及欲分析的光波頻段，而減少光學共振腔的數目(例如1個)，或是增加共振腔的數目(例如3個、4個、或更多)。但是無論如何變化，在本發明之任何光譜分析裝置都至少具有一個光學共振腔。其次，雖然於本實施例中，光學共振腔106a、106b的形狀為圓盤形，但是並不以此為限，在本發明其他實施例中，光學共振腔的形狀可以依照所需求的Q值，採取球形、橢圓形、長方體形、立方體形、三角柱形、正多邊形、碟形、或環形等形狀，不同的形狀會導致光學共振腔具有不同的Q值。另外，除了光學共振腔的形狀會影響Q值之外，光學共振腔的表面粗糙度也會影響光學共振腔的Q值，光學共振腔表面粗糙度越小，光學共振腔的Q值就越高。在本發明中，光學共振腔表面粗糙度的方均根必需要小於5奈米(nm)，才能使得光學共振腔有較佳的Q值，藉由調整光學共振腔的形狀與表面粗糙度可以達到所期望的Q值。

每一光偵測材料區塊108a、108b皆對應一光學共振腔106a、106b，而做為所對應之光學共振腔106a、106b的光偵測元件，例如光偵測材料區塊108a對應光學共振腔106a，光偵測材料區塊108b對應光學共振腔106b，用以偵測其所對應的光學共振腔內的光波，並將該光波轉換成電訊號輸出。光偵測材料區塊108a、108b為石墨烯層，其藉由石墨烯轉移技術或其他類似的方法，而將光偵測材料區塊108a、108b分別鋪設於其所對應之光學共振腔106a、106b的表面上以及鄰近其所對應之光學共振腔106a、106b的基板102表面上，而分別將其所對應之光學共振腔106a、106b整個包覆與覆蓋鄰近的基板102表面。舉例來說，光偵測材料區塊108a鋪設於光學共振腔106a的表面上以及鄰近光學共振腔106a的基板102表面上，而包覆光學共振腔106a與其鄰近的基板102表面，而光偵測材料區塊108b鋪設於光學共振腔106b的表面上以及鄰近光學共振腔106b的基板102表面上，而包覆光學共振腔106b與其鄰近的基板102表面。在光譜分析裝置(光譜分析儀晶片)100中，由於每一光學共振腔都具有一個光偵測材料區塊與其對應，而做為該光學共振腔的光偵測元件，所以光偵測材料區塊的數目與光學共振腔的數目一致，光偵測材料區塊的數目會隨著光學共振腔的數目增減而增減。因此，雖然在本實施例中光偵測材料區塊的數目為兩個，但是並不以此為限，在本發明其他實施例中，可以依照所需的光學共振腔減少，而減少光偵測材料區塊的數目(例如1個)，或是依照所需的光學共振腔增加，而增加光偵測材料區塊的數目(例如3個、4個、或更多)。但是無論如何變化，在本發明之任何光譜分析裝置都至少具有一個光偵測材料區塊。

另外，每一光偵測材料區塊(或石墨烯層)108a、108b上皆設置有一成對電極110a與110a’、110b與110b’，用以傳送偵測材料區塊108a、108b內轉換成的電訊號。電極110a、110a’、110b、110b’ 係由鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、鈷(Co)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、鎢(W)、或鉭(Ta)等所組成。

在第一A圖所示的光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100中，入射光(即欲分析的光線)直接照射於光學共振腔106a、106b，或是經由透明的基板102與絕緣層104將入射光耦合進入光學共振腔106a、106b。此時，因為每一光學共振腔106a、106b僅會與特定頻段的光波耦合，而使該特定頻段的光波進入其中，亦即光學共振腔106a捕捉一特定頻段的光波進入其中，而光學共振腔106b則捕捉另一頻率波段的光波進入其中。接著，對應光學共振腔106a的光偵測材料區塊108a會偵測光學共振腔106a內的光波，並將其轉換成電訊號，再經由成對電極110a與110a’將電訊號傳送至一處理器(圖中未示)，而根據電訊號的大小計算出光學共振腔106a所接收的頻率波段的光波的量。對應光學共振腔106b的光偵測材料區塊108b會偵測光學共振腔106b內的光波，並將其轉換成電訊號，再經由成對電極110b與110b’將電訊號傳送至一處理器(圖中未示)，而根據電訊號的大小計算出光學共振腔106b所接收的頻率波段的光強度。藉此，可以精確地得到該入射光的光譜。另外，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100可以包含一訊號放大電路(圖中未示)，分別連接電極110a、110a’、110b、110b’，用以對光偵測材料區塊108a、108b輸出的電訊號進行放大處理，再傳遞至處理器進行計算。

由於光譜分析裝置100為一光譜分析儀晶片，所以相較於傳統的光譜分析裝置(散射系統與干涉系統兩類)，不但在體積上大幅地縮小，而便於移動與攜帶。另外，由於光學共振腔106a、106b由上述不會吸收光波的材料所組成，而不使用Ⅲ-Ⅴ族半導體吸光層結構，其採用架構為耳語迴廊模態型(Whispering Gallery Mode)光學共振腔或環形光學共振腔，所以光學共振腔106a、106b的Q值(Q-factor)至少都在100以上，甚至可達到10 ⁶或是更高(10 ⁹或以上)，而使得光譜分析裝置100除了具有高Q值以外，更因具有高Q值而具有高解析度。此外，由於光譜分析裝置100不使用Ⅲ-Ⅴ族半導體材料(InGaAsP/InP) 吸光層結構，也非採用光子晶體共振腔架構，所以不需採用成本高與製程費時的磊晶(epitaxy)技術製造Ⅲ-Ⅴ族半導體材料(InGaAsP/InP) 吸光層結構，也不需要採用製程條件的要求較高、製程較為困難、成本較高的光子晶體共振腔製程，所以可以製程簡單、低製程條件、製程時間短、成本低的製程進行製作。

參照第一B圖，其為本發明之另一實施例之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100A的立體示意圖。光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100A與第一A圖所示之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100具有類似的結構，同樣都包含一基板102、至少一設置於基板102上的光學共振腔106a、106b、以及至少一鋪設於基板102上特定區域的光偵測材料區塊。其中，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100A與第一A圖所示之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100使用相同的基板102與光學共振腔106a、106b，且相關於基板102與光學共振腔106a、106b的組成成分與特性已經於前文描述，所以於此不再贅述。光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100A與第一A圖所示之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100之間的差異在於光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100A的光偵測材料區塊112a、112b為金屬薄層，而非石墨烯層。

每一金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b皆對應一光學共振腔106a、106b，而同時做為所對應之光學共振腔106a、106b的光偵測元件與電極，即金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a對應光學共振腔106a，而做為學共振腔106a的光偵測元件與電極，金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112b對應光學共振腔106b，而做為學共振腔106b的光偵測元件與電極。金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b係以蒸鍍法或其他類似的方法，而製作並分別鋪設於光學共振腔106a、106b的一表面(例如頂面)上。金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b係為一鋁(Al)層、銀(Ag)層、金(Au)層、鈷(Co)層、鉻(Cr)層、銅(Cu)層、鉬(Mo)層、鎳(Ni)層、鉑(Pt)層、鈦(Ti)層、鎢(W)層、或鉭(Ta)層，並且金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b的厚度小於250奈米(nm)。雖然在此實施例中，金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b是分別鋪設於光學共振腔106a、106b的頂面上，但是並不以此為限。在本發明其他實施例中，金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b可以分別鋪設於光學共振腔106a、106b的側面上，或是分別設置於基板102的表面上，而分別與光學共振腔106a、106b接觸。在光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100A中，入射光中不同頻段的光波會分別耦合進入光學共振腔106a與106b，而分別被金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b所偵測並轉換成電訊號，再分別經由金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b直接輸出到一處理器(例如電腦)進行計算與處理，以獲得入射光的光譜。雖然，在本實施例中，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100A具有兩個光學共振腔與兩個金屬薄層(即光偵測材料區塊)，但是並不以此為限，而是如同前述第一A圖所示之實施例一樣，可以依照需求而增減光學共振腔的數量與金屬薄層(即光偵測材料區塊)的數量。

參照第二A圖，其為本發明之另一實施例之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200的立體示意圖。光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200前述實施例之光譜分析裝置100一樣，都是由一基板102、多個(4個)光學共振腔106a、106b、106c、106d、多個(4個)光偵測材料區塊108a、108b、108c、108d、以及多個(4個)成對電極110a與110a'、110b與110b'、110c與110c'、106d與110d'所組成，且光偵測材料區塊108a、108b、108c、108d皆為石墨烯層，這些元件與前述的光譜分析裝置100中的基板、光學共振腔、光偵測材料區塊、以及成對電極等元件具有類似的組成成分、設置位置、以及特性，並已於前文詳述，所於此不再贅述。但是，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200與前述實施例之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100、100A不同的是，在光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200的基板102上設置有一波導114，用以將入射光傳遞至各個光學共振腔106a、106b、106c、106d中，而使入射光中不同頻段的光波分別耦合進不同的光學共振腔106a、106b、106c、106d。入射光係藉由對接(butt)、端射(end-fire)、光柵(grating)或是稜鏡(prism)等方法耦合進入波導114中。波導114係由矽、氧化矽、鍺、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、氮化銦鎵、氮化銦鋁、或硫化鋅所組成，而以微影製程(lithography)或其他類似的方法被製作於基板102上，並且波導114的表面粗糙度的方均根小於5奈米(nm)。雖然在本實施例中，波導114的形狀係為帶狀，但是並不以此為限，在本發明其他實施例中，波導可以為脊狀或圓柱形。再者，雖然在本實施例中，波導114設置於基板102中央，而光學共振腔106a、106b、106c、106d設置於波導114兩側的基板102表面上，但是並不以此為限。在本發明其他實施例中，波導可以置於基板上任何可以將入射光引導至各個光學共振腔的位置上。光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200在入射光被引導至各個光學共振腔之後，所進行的分析與建立入射光光譜的機制與前述實施例相同，並前已於前文詳述，所以於此不再贅述。另外，雖然在本實施例中，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200具有4個光學共振腔106a、106b、106c、106d、4個光偵測材料區塊108a、108b、108c、108d、以及4個成對電極110a與110a'、110b與110b'、110c與110c'、106d與110d'，但是不以此為限，而是如同前述之實施例一樣，可以依照需求而增減光學共振腔的數量、光偵測材料區塊的數量、以及電極的數量。

參照第二B圖，其為本發明之另一實施例之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200A的立體示意圖。光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200A與第二A圖所示之分析裝置(或光譜分析儀晶片)200具有類似的結構，同樣具有基板102、光學共振腔106a、106b、106c、106d、以及波導114等元件，這些元件都與第二A圖所示之分析裝置(或光譜分析儀晶片)200中的元件(基板、光學共振腔、波導114)相同，故於此不再贅述。光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200A與第二A圖所示之分析裝置(或光譜分析儀晶片)200之間的差異在於，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200A與第一B圖所示之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)100A一樣，都採取金屬薄層112a、112b、112c、112d分別做為對應光學共振腔106a、106b、106c、106d的光偵測材料區塊，即以金屬薄層112a同時做為光學共振腔106a的光偵測元件與電極，以金屬薄層112b同時做為光學共振腔106b的光偵測元件與電極，以金屬薄層112c同時做為光學共振腔106c的光偵測元件與電極，以金屬薄層112d同時做為光學共振腔106d的光偵測元件與電極。金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b、112c、112d係為一鋁(Al)層、銀(Ag)層、金(Au)層、鈷(Co)層、鉻(Cr)層、銅(Cu)層、鉬(Mo)層、鎳(Ni)層、鉑(Pt)層、鈦(Ti)層、鎢(W)層、或鉭(Ta)層，並且金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b、112c、112d的厚度小於250奈米(nm)。雖然在此實施例中，金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b、112c、112d是分別鋪設於光學共振腔106a、106b、106c、106d的頂面上，但是並不以此為限。在本發明其他實施例中，金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112a、112b、112c、112d可以分別鋪設於光學共振腔106a、106b、106c、106d的側面上，或是分別設置於基板102的表面上，而分別與光學共振腔106a、106b、106c、106d接觸。以波導傳遞入射光的機制，以及以金屬薄層進行光電訊號轉換的機制已經於前述第一B圖與第二A圖所示之實施例中詳細說明，所以於此不再贅述。另外，如同前述之實施例，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)200A可以依照需求而增減光學共振腔的數量與光偵測材料區塊的數量。

參照第三A圖，其為本發明之另一實施例之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300的立體示意圖。光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300由一基板102、一設置於基板102上的光學共振腔106、一用以將入射光傳遞至光學共振腔106的波導114a、一用以將光學共振腔106內的光波導出的出口波導114b、以及金屬薄層(即光偵測材料區塊)112所組成，其中，光學共振腔106設置於波導114a與出口波導114b之間。光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300中的基板102、光學共振腔106、以及波導114a與前述實施例中的基板、光學共振腔、以及波導相同，所不再贅述。出口波導114b係由矽、氧化矽、鍺、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、氮化銦鎵、氮化銦鋁、或硫化鋅所組成，而以微影製程(lithography)或其他類似的方法被製作於基板102上，並且波導114a與出口波導114b的表面粗糙度的方均根小於5奈米(nm)。雖然在本實施例中，波導114a與出口波導114b的形狀係為帶狀，但是並不以此為限，在本發明其他實施例中，波導與出口波導可以為脊狀或圓柱形。雖然在本實施例中，金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112與前述實施例中的金屬薄層112a、112b、112c、112d具有相同的組成，但是在本實施例中，金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112是設置於出口波導114b的一表面(頂面)上，用以做為光偵測元件與電極，而將出口波導由光學共振腔中所傳遞出來的光波轉換成電訊號，並傳遞給一處理器(圖中未示)進行計算與處理，而分析與建立入射光的光譜。雖然在此實施例中，金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112是鋪設於出口波導114b的頂面上，但是並不以此為限。在本發明其他實施例中，金屬薄層(即光偵測材料區塊) 112可以設置於鋪設於出口波導114b的側面上，或是設置於基板102的表面上，而與出口波導114b接觸。

雖然本實施例之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300中的僅具有一個光學共振腔106，但是如同前述實施例，光學共振腔的數目可以依照需求而增加(2個、3個、或更多個)，但是每增加一個光學共振腔，就必須增加與該光學共振腔的出口波導與金屬薄層(即光偵測材料區塊)，使得各個光學共振腔內的光波可以將由不同的出口波導傳遞到不同的金屬薄層(即光偵測材料區塊)進行轉換與輸出，而使由各個光學共振腔內傳遞出來的光波不會互相摻雜與干擾。在第三A圖所示的光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300中，入射光(即欲分析的光線)係藉由對接(butt)、端射(end-fire)、光柵(grating)或是稜鏡(prism)等方法耦合進入波導114a中，再經由波導114a傳遞至光學共振腔106中。此時，因為光學共振腔106僅會與特定頻段的光波耦合，而使該特定頻段的光波進入其中，亦即光學共振腔106捕捉一特定頻段的光波進入其中，並將其輸出至出口波導114b中，而設置於出口波導114b上的金屬薄層(即光偵測材料區塊)112則會偵測出口波導114b傳遞而來的光波，並將其轉換成電訊號而輸出至一處理器(圖中未示)，而根據電訊號的大小計算出光學共振腔106所接收的頻率波段的光強度，藉此可以精確地得到該入射光的光譜。

參照第三B圖，其為本發明之另一實施例之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300A的立體示意圖。光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300A與第三A圖所示之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300具有類似的結構以及光譜分析機制，都是由一基板102、一設置於基板102上的光學共振腔106、一用以將入射光傳遞至光學共振腔106的波導114a、一用以將光學共振腔106內的光波導出的出口波導114b、以及一光偵測材料區塊所組成，這些元件之組成與配置大多於前文中詳述，於此不再贅述。兩者不同之處在於，不像第三A圖所示之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300採取金屬薄層112做為光偵測材料區塊，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300A則是與第一A圖與第二A圖所示之實施例一樣採用石墨烯層108做為光偵測材料區塊，並在石墨烯層(即光偵測材料區塊)108上也同樣設置有一成對電極116與116’。在光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300A中，石墨烯層(即光偵測材料區塊)108鋪設於出口波導114b的一部分(例如後半部分)的表面上以及鄰近出口波導114b此部分(例如後半部分)的基板102表面上，而包覆部分的出口波導114b (例如出口波導114b的後半部分)與其鄰近的基板102表面。雖然在本實施例中，石墨烯層(即光偵測材料區塊)108鋪設於出口波導114b的後半部分與其鄰近的基板102表面上，但是並不以此為限。在本發明其他實施例中，石墨烯層(即光偵測材料區塊)108可以依照需求而鋪設於出口波導114b的其他部分(例如出口波導114b前半部分、出口波導114b中間部分等)。

雖然本實施例之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300A中的僅具有一個光學共振腔106，但是如同前述實施例，光學共振腔的數目可以依照需求而增加(2個、3個、或更多個)，但是每增加一個光學共振腔，就必須增加與該光學共振腔對應的出口波導，以及與出口波導對應的石墨烯層(即光偵測材料區塊)和成對電極，使得各個光學共振腔內的光波可以經由不同的出口波導傳遞到不同的石墨烯層(即光偵測材料區塊)進行轉換與輸出，而使由各個光學共振腔內傳遞出來的光波不會互相摻雜與干擾。

第三C圖為採取第三A圖之結構組成且具有多個光學共振腔的設計的實施例。參照第三C圖，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300B與第三A圖所示之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300具有類似的結構以及光譜分析機制，都是由基板102、設置於基板102上的光學共振腔1061、1062、1063、一用以將入射光傳遞至光學共振腔的波導114a、出口波導114b1、114b2、114b3、以及金屬薄層(即光偵測材料區塊)1121、1122、1123所組成，這些元件之組成與配置大多於前文中詳述，於此不再贅述。兩者不同之處在於，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300B中具有3個光學共振腔1061、1062、1063分別設置於基板102上，但並不以此為限，而是可以依需求減少或增加光學共振腔的數量，而在每一光學共振腔1061、1062、1063的鄰近位置皆設置有一對應出口波導114b1、114b2、114b3，並且每一出口波導114b1、114b2、114b3則設置有一金屬薄層(即光偵測材料區塊)1121、1122、1123。亦即，光學共振腔1061旁設置有一對應的出口波導114b1，而在出口波導114b1上則設置有一對應的金屬薄層(即光偵測材料區塊)1121，光學共振腔1062旁設置有一對應的出口波導114b2，而在出口波導114b2上則設置有一對應的金屬薄層(即光偵測材料區塊)1122，光學共振腔1063旁設置有一對應的出口波導114b3，而在出口波導114b3上則設置有一對應的金屬薄層(即光偵測材料區塊)1123。波導114a用以將入射光傳遞至各個光學共振腔1061、1062、1063中，而使入射光中不同頻段的光波分別耦合進不同的光學共振腔1061、1062、1063，入射光係藉由對接(butt)、端射(end-fire)、光柵(grating)或是稜鏡(prism)等方法耦合進入波導114a中。當波導114a將入射光中不同頻段的光波分別耦合進不同的光學共振腔1061、1062、1063中，光學共振腔1061內的光波則會由出口波導114b1導出，而被出口波導114b1上設置的金屬薄層(即光偵測材料區塊)1121所偵測，光學共振腔1062內的光波則會由出口波導114b2導出，而被出口波導114b2上設置的金屬薄層(即光偵測材料區塊)1122所偵測，光學共振腔1063內的光波則會由出口波導114b3導出，而被出口波導114b3上設置的金屬薄層(即光偵測材料區塊)1123所偵測。藉此，使得各個光學共振腔1061、1062、1063內的光波可以經由不同的出口波導114b1、114b2、114b3傳遞到不同的金屬薄層(即光偵測材料區塊)1121、1122、1123進行轉換與輸出，而使由各個光學共振腔內傳遞出來的光波不會互相摻雜與干擾。

第三D圖為採取第三B圖之結構組成且具有多個光學共振腔的設計的實施例。參照第三D圖，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300C與第三B圖所示之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300A具有類似的結構以及光譜分析機制，都是由基板102、設置於基板102上的光學共振腔1061、1062、1063、一用以將入射光傳遞至光學共振腔的波導114a、出口波導114b1、114b2、114b3、以及石墨烯層(即光偵測材料區塊)1081、1082、1083所組成，這些元件之組成與配置大多於前文中詳述，於此不再贅述。兩者不同之處在於，光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)300C中具有3個光學共振腔1061、1062、1063分別設置於基板102上，但並不以此為限，而是可以依需求減少或增加光學共振腔的數量，而在每一光學共振腔1061、1062、1063的鄰近位置皆設置有一對應出口波導114b1、114b2、114b3，並且每一出口波導114b1、114b2、114b3上則分別鋪設有一石墨烯層(即光偵測材料區塊)1081、1082、1083，每一石墨烯層(即光偵測材料區塊)1081、1082、1083設置有一成對電極1161與116’1、1162與116’2、1163與116’3。亦即，光學共振腔1061旁設置有一對應的出口波導114b1，而在出口波導114b1上則鋪設有石墨烯層(即光偵測材料區塊)1081，其可以鋪設於出口波導114b1的一部分(例如後半部分、前半部分、中間部分)的表面上以及鄰近出口波導114b1此部分(例如後半部分、前半部分、或中間部分)的基板102表面上，而包覆部分的出口波導114b1(例如後半部分、前半部分、或中間部分)與其鄰近的基板102表面，石墨烯層(即光偵測材料區塊)1081上則設置有成對電極1161與116’1。光學共振腔1062旁設置有一對應的出口波導114b2，而在出口波導114b2上則鋪設有石墨烯層(即光偵測材料區塊)1082，其可以鋪設於出口波導114b2的一部分(例如後半部分、前半部分、或中間部分)的表面上以及鄰近出口波導114b2此部分(例如後半部分、前半部分、或中間部分)的基板102表面上，而包覆部分的出口波導114b2(例如後半部分、前半部分、或中間部分)與其鄰近的基板102表面，石墨烯層(即光偵測材料區塊)1082上則設置有成對電極1162與116’2。光學共振腔1063旁設置有一對應的出口波導114b3，而在出口波導114b3上則鋪設有石墨烯層(即光偵測材料區塊)1083，其可以鋪設於出口波導114b3的一部分(例如後半部分、前半部分、中間部分)的表面上以及鄰近出口波導114b3此部分(例如後半部分、前半部分、或中間部分)的基板102表面上，而包覆部分的出口波導114b3(例如後半部分、前半部分、或中間部分)與其鄰近的基板102表面，石墨烯層(即光偵測材料區塊)1083上則設置有成對電極1163與116’3。

當波導114a將入射光中不同頻段的光波分別耦合進不同的光學共振腔1061、1062、1063中，光學共振腔1061內的光波則會由出口波導114b1導出，而被鋪設於出口波導114b1與其鄰近基板102上的石墨烯層(即光偵測材料區塊)1081與其上設置的成對電極1161與116’1所偵測，光學共振腔1062內的光波則會由出口波導114b2導出，而被鋪設於出口波導114b2與其鄰近基板102上的石墨烯層(即光偵測材料區塊)1082與其上設置的成對電極1162與116’2所偵測，光學共振腔1063內的光波則會由出口波導114b3導出，而被鋪設於出口波導114b3與其鄰近基板102上的石墨烯層(即光偵測材料區塊)1083與其上設置的成對電極1163與116’3所偵測。藉此，使得各個光學共振腔1061、1062、1063內的光波可以經由不同的出口波導114b1、114b2、114b3傳遞到不同的石墨烯層(即光偵測材料區塊)1083進行轉換與輸出，而使由各個光學共振腔內傳遞出來的光波不會互相摻雜與干擾。

上述實施例所揭示之有光譜分析裝置100、100A、200、200A、300、300A、300B、300C，皆可以包含一訊號放大電路(圖中未示)，分別連接電極，用以對光偵測材料區塊經由電極輸出或是直接輸出的電訊號進行放大處理，再傳遞至處理器進行計算。鑑於前述實施例，可以清楚得知本發明之光譜分析裝置(例如光譜分析裝置100、100A、200、200A、300、300A、300B、300C)皆為一光譜分析儀晶片，所以相較於傳統的光譜分析裝置(散射系統與干涉系統兩類)，不但在體積上大幅地縮小，便於移動與攜帶，並且不需要稜鏡、衍射光柵、麥克森干涉儀等裝置，所以在價格上也較為便宜，並且利用成熟的半導體製程技術，可以低廉的製造成本，製作優於以往的光譜儀裝置。另外，其架構為耳語迴廊模態型光學共振腔或環形光學共振腔，可不使用Ⅲ-Ⅴ族半導體材料製作的複雜吸光層結構，故方便新增表面粗糙度優化步驟，導致光學共振腔的Q值(Q-factor)至少都在100以上，可超越採用Ⅲ-Ⅴ族半導體材料製作的複雜吸光層結構的共振腔，而使得本發明之光譜分析裝置具有高Q值，即具有高解析度。其次，由於光偵測材料若置於共振腔表面，可能會些微影響共振腔之Q值或品質因子(例如第一A圖至第二B圖所示之實施例)，但是仍然遠大於習知超越採用Ⅲ-Ⅴ族半導體材料製作的複雜吸光層結構的共振腔，所以若對於共振腔之Q值或品質因子有更高或更嚴苛的要求，則可以採取本發明將光偵測材料至於導出光波導表面此一設計的實施例(例如第三A圖至第三D圖所使之實施例)，可使共振腔有更佳的品質因子(或Q值)。此外，由於本發明之光譜分析裝置可不使用Ⅲ-Ⅴ族半導體材料(InGaAsP/InP)形成的吸光層結構或是光子晶體共振腔架構，所以可不採用成本高與製程費時的磊晶技術製造Ⅲ-Ⅴ族半導體吸光層結構，也不需要採用製程條件的要求較高、製程較為困難、成本較高的光子晶體共振腔製程，所以可以製程簡單、低製程條件、製程時間短、成本低的製程進行製作。

此外，本發明更提供一種製程簡單、低製程條件、製程時間短、成本低的光譜分析裝置製作方法。雖然本發明之光譜分析裝置有許多不同的實施例，但是其製作方法大多都類似，所以僅以上述實施例中的一個光譜分析裝置說明其製作方法。參照第四A圖至第四D圖，其為製作本發明第二A圖所示之光譜分析裝置200的流程圖，而以不同立體示意圖展示各個步驟，但是其所展示之光譜分析裝置製作方法可以應用於本發明的所有實施例中。首先，參照第四A圖，提供一基板102，基板102上係由矽、二氧化矽、半導體、有機化合物、玻璃、或介電材料所組成 ，基板102上設置有一絕緣層104，但是在其他實施例中，基板上也可以不設置絕緣層。接著，參照第四B圖，以微影製程(lithography)或其他類似方法於基板102(或絕緣層104)上形成4個光學共振腔106a、106b、106c、106d於與一波導114。其中，光學共振腔106a、106b、106c、106d所使用的材料的折射率大於相鄰絕緣層104的折射率，但是若所採用的基板上並未設置有絕緣層，則光學共振腔106a、106b、106c、106d所使用的材料的折射率則需大於基板102的折射率。光學共振腔106a、106b、106c、106d的Q值(Q-factor)至少為100，且光學共振腔106a、106b、106c、106d在共振波段之吸收率不超過1％，即光學共振腔106a、106b、106c、106d所使用的材料於此共振波段為透明，且光學共振腔106a、106b、106c、106d為非光子晶體共振腔，例如耳語迴廊模態型光學共振腔、或環形光學共振腔。於此一步驟，若欲形成第三A圖所示之光譜分析裝置300或是第三B圖所示之光譜分析裝置300A，則與此一步驟一併以微影製程(lithopgraphy)或其他類似方法形成一出口波導。

然後，參照第四C圖，以石墨烯轉移技術或其他類似方法形成分別覆蓋光學共振腔106a、106b、106c、106d與其鄰近的基板102表面的光偵測材料區塊(即石墨烯層) 108a、108b、108c、108d，其中，每一光偵測材料區塊對應一光學共振腔，用以偵測與其對應的光學共振腔內的光波，並將其轉換成電訊號輸出。於此一步驟，若欲以前述金屬薄層做為光偵測材料區塊，如同第一B圖所示之光譜分析裝置100A或是第二B圖所示之光譜分析裝置200A，則改以蒸鍍法或其他類似方法於各個光學共振腔上分別形成一金屬薄層。另外，若於此一步驟，若欲形成第三B圖所示之光譜分析裝置300A，則以石墨烯轉移技術或其他類似方法形成覆蓋出口波導的一部份的表面與該部分鄰近的基板102表面的光偵測材料區塊(即石墨烯層)。若於此一步驟，若欲形成第三A圖所示之光譜分析裝置300，則改以蒸鍍法或其他類似方法於出口波導上形成一金屬薄層。

接著，參照第四D圖，以蒸鍍法或其他類似方法分別於光偵測材料區塊(即石墨烯層) 108a、108b、108c、108d形成成對電極110a與110a’、110b與110b’、110c與110c’、110d與110d’。由於本發明之光譜分析裝置製作方法並未使用Ⅲ-Ⅴ族半導體吸光層結構以及光子晶體共振腔，所以可避免採用成本高與製程費時的磊晶(epitaxy)技術製造Ⅲ-Ⅴ族半導體吸光層結構，也不需要採用製程條件的要求較高、製程較為困難、成本較高的光子晶體共振腔製程，而可以製程簡單、低製程條件、製程時間短、成本低的製程製作具備非光子晶體共振腔的光譜分析裝置。再者，此製作方法可以靈活地更替光學共振腔材料而製作出不同頻段之光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)，並且可以利用調整或優化光譜分析裝置(或光譜分析儀晶片)表面粗糙度，而降低光學傳遞損失，從而進一步獲得絕佳的Q值(100-10 ⁹，甚至10 ⁹以上)。

有鑑於上述實施例，本發明提供了一種光譜分析裝置及製作方法，其以由矽、氧化矽、鍺、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、氮化銦鎵、氮化銦鋁、或硫化鋅等半導體材料所組成的耳語迴廊模態型(Whispering Gallery Mode)光學共振腔(或環形光學共振腔)與光偵測材料組成一體積小、體積小、便於移動與攜帶、具高Q值(＞100)、高解析度、不需要Ⅲ-Ⅴ族半導體吸光層結構、以及未具備光子晶體共振腔的光譜分析儀晶片。再者，本發明以製程要求低、困難度低、製程時間短、以及低成本的方法，而不需採用成本高與製程費時的磊晶(epitaxy)技術製造Ⅲ-Ⅴ族半導體吸光層結構，也不需採用製程條件的要求較高、製程較為困難、成本較高的光子晶體共振腔製程，即可以製作一體積小、便於移動與攜帶、且具有高Q值與高解析度的光譜分析裝置或光譜分析儀晶片，並且可以靈活地光學共振腔材料而製作出不同頻段之光譜分析裝置或光譜分析儀晶片。

100、100A、200、200A、300、300A、300B、300C‧‧‧光譜分析裝置

102‧‧‧基板

104‧‧‧絕緣層

106、106a、106b、106c、106d‧‧‧光學共振腔

108、108a、108b、108c、108d‧‧‧光偵測材料區塊

110a、110a’、110b、110b’、110c、110c’、110d、110d’‧‧‧電極

112、112a、112b、112c、112d‧‧‧金屬薄層

114、114a‧‧‧波導

114b‧‧‧出口波導

116、116’‧‧‧電極

1121、1122、1123‧‧‧金屬薄層

114b1、114b2、114b3‧‧‧出口波導

1061、1062、1063‧‧‧光學共振腔

1081、1082、1083‧‧‧光偵測材料區塊

1161、1162、1163、116’1、116’2、116’3‧‧‧電極

第一A圖為本發明之一實施例之光譜分析裝置示意圖。

第一B圖為本發明之另一實施例之光譜分析裝置示意圖。

第二A圖為本發明之又一實施例之光譜分析裝置示意圖。

第二B圖為本發明之又一實施例之光譜分析裝置示意圖。

第三A圖為本發明之又一實施例之光譜分析裝置示意圖。

第三B圖為本發明之又一實施例之光譜分析裝置示意圖。

第三C圖為本發明之又一實施例之光譜分析裝置示意圖。

第三D圖為本發明之又一實施例之光譜分析裝置示意圖。

第四A圖-第四D圖為本發明之一實施例之光譜分析裝置的製作方法的流程圖。

200‧‧‧光譜分析裝置

102‧‧‧基板

104‧‧‧絕緣層

106a、106b、106c、106d‧‧‧光學共振腔

108a、108b、108c、108d‧‧‧光偵測材料區塊

110a、110a’、110b、110b’、110c、110c’、110d、110d’‧‧‧電極

114‧‧‧波導

Claims (20)

1. 一種光譜分析裝置，包含：一基板；至少一光學共振腔設置於該基板上，該光學共振腔可與一特定頻率的光波耦合，而使該光波進入該光學共振腔，其中，該光學共振腔的Q值(Q-factor)至少為100，該光學共振腔在共振波段之吸收率不超過1%，即該光學共振腔所使用的材料於該共振波段為透明，且該光學共振腔為非光子晶體共振腔；以及至少一光偵測材料區塊鋪設於基板上一特定區域上，其中，每一該光偵測材料區塊對應一光學共振腔，用以偵測與其對應的該光學共振腔內的光波，並將其轉換成電訊號輸出。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之光譜分析裝置，其中該基板係由矽、二氧化矽、半導體、有機化合物、玻璃、或介電材料所組成。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之光譜分析裝置，其中該基板上設置有一絕緣層，且該光學共振腔所使用的材料的折射率大於該絕緣層的折射率。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之光譜分析裝置，其中該光學共振腔的形狀為圓盤形、球形、橢圓形、長方體形、立方體形、三角柱形、正多邊形、碟形、或環形。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之光譜分析裝置，其中該光學共振腔係由矽、氧化矽、鍺、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、氮化銦鎵、氮化銦鋁、或硫化鋅所組成。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之光譜分析裝置，其中該光學共振腔係為耳語迴廊模態型(Whispering Gallery Mode)光學共振腔或環形光學共振腔。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之光譜分析裝置，其中該光學共振腔的表面粗糙度的方均根小於5奈米(nm)。
8. 根據申請專利範圍第1項所述之光譜分析裝置，其中更包含至少一波導設置於該基板上，用以將入射光傳遞至該光學共振腔中。
9. 根據申請專利範圍第8項所述之光譜分析裝置，其中該波導係由矽、氧化矽、鍺、氧化鋁、氧化鈦、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁、氮化鎵鋁、氮化銦鎵、氮化銦鋁、或硫化鋅所組成。
10. 根據申請專利範圍第8項所述之光譜分析裝置，其中該波導的形狀係為帶狀、脊狀、或圓柱形。
11. 根據申請專利範圍第8項所述之光譜分析裝置，其中該波導的表面粗糙度的方均根小於5奈米(nm)。
12. 根據申請專利範圍第8項所述之光譜分析裝置，其中更包含至少一出口波導設置於該基板上，用以將該光學共振腔中的光波導出，其中，每一出口波導對應一光學共振腔。
13. 根據申請專利範圍第12項所述之光譜分析裝置，其中該光偵測材料區塊為一石墨烯層。
14. 根據申請專利範圍第13項所述之光譜分析裝置，其中該石墨烯層鋪設於該光學共振腔的表面上以及鄰近該光學共振腔的該基板表面上，而包覆該光學共振腔與鄰近的該基板表面。
15. 根據申請專利範圍第13項所述之光譜分析裝置，其中該石墨烯層鋪設於該出口波導的部分表面上以及其鄰近的該基板表面上，而包覆部分的該出口波導與其鄰近的該基板表面。
16. 根據申請專利範圍第13項所述之光譜分析裝置，其中更包含一對電極與該石墨烯層相連接。
17. 根據申請專利範圍第12項所述之光譜分析裝置，其中該光偵測材料區塊為一金屬薄層。
18. 根據申請專利範圍第17項所述之光譜分析裝置，其中該金屬薄層直接鋪設於該光學共振腔的一表面上，或是鋪設於該基板表面上而與該光學共振腔接觸。
19. 根據申請專利範圍第17項所述之光譜分析裝置，其中該金屬薄層直接鋪設於該出口波導的一表面上，或是鋪設於該基板表面上而與該出口波導接觸。
20. 根據申請專利範圍第1項所述之光譜分析裝置，其中更包含一訊號放大電路用以對該光偵測材料區塊輸出的電訊號進行放大處理。