專利名稱：分光光度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種識別和量化物質(zhì)的設(shè)備，更具體地，本發(fā)明涉及分光光度計，其中在光色散裝置和光探測裝置之間沒有物理的分離。此外，本發(fā)明還涉及一種無移動部件的分光光度計。
背景技術(shù)：
分光光度學(xué)是對電磁光譜的研究。分光光度學(xué)涉及分光光度計的使用。分光光度計是可根據(jù)光的波長測量光的強度的一種光度計——用于測量光強度的設(shè)備。這樣的分光光度計用在很多領(lǐng)域例如化學(xué)、生物學(xué)、法庭科學(xué)、空間和地球觀測、安全以及多種工業(yè)中。 分光光度計例如在平板顯示器或電子照相機中的顏色識別、對靜電印刷的顏色控制、環(huán)境監(jiān)測和與顏色/波長識別相關(guān)的過程控制中有另外的廣泛應(yīng)用。分光光度計的最常見的應(yīng)用是光吸收的測量，但分光光度計可被設(shè)計成測量例如材料或設(shè)備的漫反射比和透射或發(fā)射光譜。分光光度計原則上可以在光的電磁輻射光譜的整個波長范圍內(nèi)操作。但是，大多數(shù)分光光度計在電磁光譜的可見光、紅外光、近紅外光、中紅外光或紫外光波長范圍內(nèi)操作。分光光度計的波長區(qū)域和范圍部分地由該分光光度計被設(shè)計成收集的光譜數(shù)據(jù)、光色散的類型以及所使用的光探測系統(tǒng)確定。這又限制了分光光度計的采集速度、靈敏度和分辨率能力。傳統(tǒng)的分光系統(tǒng)可分為兩類(a)色散系統(tǒng)和(b)干涉(FTIR)系統(tǒng)。在這兩種情況下，基本系統(tǒng)由光利用光柵或線性驅(qū)動機構(gòu)被色散(在光譜上或時間上)所使用的裝置加上探測元件(通常是基于半導(dǎo)體的光電探測器或光電倍增管)構(gòu)成。因此這樣的系統(tǒng)至少由兩個部件組成。實際上，為了使分光光度計有效地運行，這樣的系統(tǒng)需要多個額外的光學(xué)元件，例如透鏡、反射鏡、遮光器、狹縫和光學(xué)斬波器。歷史上，分光光度計使用單色器來分析光譜，但是也有使用諸如CCD陣列的光傳感器陣列的分光光度計。例如在GB 0525408. 1中示出了這樣的系統(tǒng)。由于部件的數(shù)量，這樣的分光光度計是復(fù)雜的。這些系統(tǒng)通常包含使光色射的機械光柵單色器、狹縫、遮光板和冷卻式光電探測器、透鏡、反射鏡和遮光器，為了使分光光度計正確地運行，所有這些部件必須恰當(dāng)?shù)貙?。由于部件的?fù)雜性和大數(shù)量，這些系統(tǒng)易于發(fā)生故障，有相對慢的采集時間，制造起來昂貴，并且有與雜散光相關(guān)的問題，因為被引入光學(xué)系統(tǒng)的每個額外的組件均會造成光子的損失，所以降低了信號強度。這一問題在包括光色散和光探測組件(光路)的分光光度計的組件之間有大的空間分離時增大。此外，基于陣列的分光計具有其光學(xué)特性是固定的額外的缺點，使得例如不可能如在常規(guī)的基于光柵的分光計中可能的那樣通過改變狹縫的寬度來增加光譜分辨率或靈敏度。此外，在嚴格的應(yīng)用例如要求分光光度計是便攜式的那些應(yīng)用中，這些系統(tǒng)不是理想的，因為它們很重，尺寸大，且易于由于光路的損壞或未對準、由于應(yīng)力破壞等而發(fā)生故障。這在系統(tǒng)用在太空、航空和其他惡劣的環(huán)境中時加劇，因為傳統(tǒng)的FIlR和具有機械驅(qū)動移動部件的基于光柵的儀器是脆弱的儀器，其不能很好地處理振動應(yīng)力和發(fā)射的應(yīng)力、太空真空和溫度的極限。質(zhì)量和尺寸是對分配給有效載荷的資源的額外消耗。對可見光區(qū)域的CCD陣列當(dāng)用在分光光度計中時稍微減少對能量資源的壓力，但可受到宇宙輻射的影響并易受對準誤差的影響。如果在儀器中的分光光度計有顯著更低的成本、更輕的重量、更小的尺寸、嚴格的和組合的信號處理能力，則很多所關(guān)注的額外應(yīng)用產(chǎn)生。為了克服這些缺點的一些，本領(lǐng)域開發(fā)出了微型化的分光光度測定系統(tǒng)，例如微機電系統(tǒng)(MEMS)，如題為 “Structure and method for a microelectromechanic cylindrical reflective diffraction grating spectrophotometer，，的美國專利 US7106441的微機電系統(tǒng)，該專利公開一種具有旋轉(zhuǎn)圓柱形反射衍射光柵的可調(diào)諧MEMS分光光度計，該旋轉(zhuǎn)圓柱形反射衍射光柵與光電探測器和羅蘭圓上的光纖光源集成在一個單塊硅基底上。其他的例子包括在US2008198388中公開的分光光度計，US2008198388描述了具有移動掃描反射鏡的小型傅立葉變換分光光度計；US2006132764描述了具有耦合到光電探測器的陣列式波導(dǎo)光柵的基于集成光學(xué)器件的高分辨率分光光度計；US2004145738描述了具有旋轉(zhuǎn)光柵的MEMS分光光度計；DE10216047描述了具有內(nèi)部樣本保持腔、光入射口和光出射口的多反射光學(xué)單元，其沒有可移動的反射鏡或其它可移動地連接的光學(xué)組件， 該單元的反射表面可以采用多個反射鏡的相對的拋物面或平行對、圓柱形、圓形或螺旋形布置的形式；以及US6249346描述了一種整體地構(gòu)造在硅基底上的微型分光光度計。該分光光度計包括凹光柵，凹光柵用于使光波色散并將反射光聚焦在位于硅橋上的光電二極管陣列上。所有上述分光光度計的方法克服了上面確定的問題，因為它們提供分光光度計的尺寸的減小，然而它們都具有下列缺點它們具有一個或多個移動部件、在結(jié)構(gòu)上不單一或在其結(jié)構(gòu)上復(fù)雜、或者由于微型化而具有差的光色散特性和差的分辨率。因此，這些技術(shù)并不能完全解決上面描述的問題，因為它們易于發(fā)生故障、有雜散光問題、且通常生產(chǎn)起來昂貴和困難、或由于微型化而有差的光色散特性和差的分辨率。為了克服這些缺點的一些，開發(fā)了其他類型的分光光度計。這些分光光度計包括例如題為 “Integrated optics based high resolution spectrophotometer，，的美國申請?zhí)?US 11/015，482 ；題為“Spectrophotometer and spectrophotometric processing using Fabry-Perot resonators"的 W02007072428 ； M % "Multiple-wavelength spectrophotometer and photodiode arrayed photodetector”白勺日本專禾U 串 i青號 JP1990128765 ；題為 “variable filter based optical spectrometer” 的美國國家專利號 6785002 ；題為 “Monolithic spectrophotometer” 的美國國家專利號 6249346 ；題為 “Chip-scale optical spectrum analyzers with enhanced resolution，，的美國國家專利申請?zhí)?1/206,900。所有上述現(xiàn)有技術(shù)利用用于光色散和探測的分離的組件，導(dǎo)致在制造期間的問題和性能的下降。所有上述分光光度計依然具有分離的單色器和探測光學(xué)器件，意味著在微型等級上，它們將缺乏分辨率(由于色散和探測元件之間有限的空間分離)，且難以制造(由于需要精確的對準)，并具有與雜散光的效應(yīng)相關(guān)的問題(因為強光在分光光度計中可被容易地散射)。
也稱為微圓盤諧振器或諧振器的、用于在電信中將特定的波長添加到光纖電纜并從光纖電纜移除的圓盤共振器在本領(lǐng)域中是已知的。圓盤諧振器的實例包括題為“Tuneable optical filter”的美國專利申請?zhí)?0/323195，其描述了具有諧振器的可調(diào)諧濾波器，該諧振器具有依賴于所提供的可變間隙的諧振器頻率。盡管該申請描述了光濾波器，它并未用于探測；Optical Express, 2006, vol 14，no 11，p4703_4712 (Lee 禾口 Wu)，題為"Tuneable coupling regimes of silicon micro disk resonators using actuators"的論文。該論文描述了由MEMS致動所控制的硅微圓盤諧振器的可調(diào)諧耦合機制。該公開描述了需要MEMS移動部件起作用的可調(diào)諧光濾波器，且微圓盤并未用于探測； 題為"ultra-high Q micro-resonators and methods of fabrication，，的美國專利申請?zhí)?0/678354，其描述了包括能夠有高和超高Q值的微腔和硅基底的微腔共振器。該申請描述了可調(diào)諧光濾波器，但是沒有設(shè)想用于探測或色散的使用的裝置；Applied Physics Letters，2002，vol 80，no 19，p3467_3469，題為"Gain trimming of the resonator characteristics in vertically coupled InP micro disk switches，，，其描述了展不單模操作的垂直耦合的微圓盤諧振器/波導(dǎo)開關(guān)設(shè)備。本發(fā)明描述了用在通信應(yīng)用中的光學(xué)開關(guān)。諧振器未用于探測。以上所描述的現(xiàn)有技術(shù)均在電信領(lǐng)域中，其中圓盤諧振器被用來引導(dǎo)/轉(zhuǎn)移/添加或移除來自光纜或波導(dǎo)的特定的波長。以上的現(xiàn)有技術(shù)沒有一個考慮使用用于探測、光譜學(xué)的微圓盤諧振器作為單色器或者甚至作為在該波長處的光的強度的探測器。本發(fā)明的公開技術(shù)問題本領(lǐng)域已經(jīng)確定分光光度計技術(shù)中的幾個問題，這些問題在上文被描述。由于部件的數(shù)量，這樣的分光光度計是復(fù)雜的。這些系統(tǒng)通常包含使光色散的機械光柵單色器、狹縫、遮光板、冷卻式光電探測器、透鏡、反射鏡和遮光器，為了使分光光度計正確地運行，所有這些部件必須恰當(dāng)?shù)貙省Ｓ捎诓考膹?fù)雜性和大數(shù)量，這些系統(tǒng)易于發(fā)生故障，具有慢的采集時間，生產(chǎn)起來昂貴并具有與雜散光關(guān)聯(lián)的問題，因為被引入光學(xué)系統(tǒng)中的每個額外的組件均會造成光子的損失，所以降低了信號強度。此外，基于陣列的分光計具有其光學(xué)特性是固定的另外的缺點，使得不可能像在傳統(tǒng)的基于光柵的分光計中可能的那樣通過改變狹縫的寬度來提高光譜分辨率或靈敏度。 通常這些系統(tǒng)很沉，因此不適合于便攜式應(yīng)用。MEMS系統(tǒng)克服了這些缺點中的一些。然而這些系統(tǒng)具有下列缺點它們具有一個或多個移動部件、在結(jié)構(gòu)上不單一或在其結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，或者由于微型化而具有差的光色散特性和差分辨率。因此，這些技術(shù)沒有完全解決以上所描述的問題，因為它們易于出現(xiàn)故障、具有雜散光問題并且通常生產(chǎn)起來很昂貴和困難，或者由于微型化而具有差的光色散特性和差的分辨率。為了克服這些缺點，使用了基于芯片的組件。然而，以上所描述的所有分光光度計方法具有單獨的單色器和探測光學(xué)器件，意味著在微型等級上，它們將缺少分辨率(由于色散和探測元件之間有限的空間分離)、難以制造(由于需要精確的對準)、并具有與雜散光的效應(yīng)相關(guān)的問題(因為強光在分光光度計內(nèi)可容易地被散射)。因此，現(xiàn)有技術(shù)未解決以上所確定的問題。
技術(shù)解決方案因此本發(fā)明的目的是提供解決以上所確定的一個或多個問題的分光光度計。特別地，本發(fā)明涉及包括單塊半導(dǎo)體基底(1)，一個或多個波長色散裝置(3-14)和一個或多個波長探測裝置(3-14)的分光光度計，其特征在于，色散裝置(3-14)和探測裝置(3-14)之間沒有物理的分離。有益效果有利地，這種分光光度計將具有小的輸入光子損失和高信號低噪聲比，因此將具有提高的信號強度。相應(yīng)地，本發(fā)明的實施方式也提供沒有物理移動部件的分光光度計。有利地，這種分光光度計將產(chǎn)生不復(fù)雜、維護費用低、沒有光柵-探測器對準問題或雜散光問題的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)也將產(chǎn)生具有快的采集時間和高分辨率的分光光度計。在優(yōu)選的實施方式中，分光光度計包括單塊基底，其特征在于該單塊基底(1)是具有一個或多個波導(dǎo)裝置( 的以及一個或多個諧振器(3-14)的半導(dǎo)體，其中每個諧振器
(3-14)構(gòu)成波導(dǎo)裝置O)的部分，或者每個諧振器(3-14)被最佳地定位成靠近波導(dǎo)裝置 ⑵。有利地，沒有所描述類型的移動部件的這種類型的分光光度計可被制造成具有以下的特性。分光光度計可被制造成小尺寸。因此，這種分光光度計可以作為例如移動電話或者能夠從遠程位置傳送來自分光光度計(安裝在移動電話的表面上或移動電話內(nèi))的信息的其它設(shè)備的一部分而找到新的用途，從而允許移動或靜態(tài)化學(xué)傳感器的網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。這種小尺寸的傳感器也將在重量或尺寸例如在太空應(yīng)用中不合乎要求的分光光度計中找到用途。例如，在靜電印刷中，分光光度計可能是閉環(huán)顏色控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，其將使得打印機能夠在聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中產(chǎn)生可再生的彩色圖像。在照相機中，分光光度計芯片可被用來代替目前可用的感光芯片，以產(chǎn)生能夠探測在整個可見光范圍內(nèi)的光的照相機，而不是僅探測離散范圍內(nèi)的光。所描述的分光光度計具有低的功率要求。有利地，這種分光光度計將在便攜式分光光度計或未連接至干線電源的分光光度計中找到用途。有利地，由于所有波長的光將同時被讀入，這種分光光度計將允許數(shù)據(jù)的快速采集。因此整個光譜可在幾毫秒或更少時間內(nèi)被讀入。有利地，這種分光光度計將具有極好的光譜特性，因為這種分光光度計將具有低的雜散光，因此產(chǎn)生高分辨率光譜。此外，這種分光光度計可被制造成具有很高的分辨率和很寬的波長覆蓋范圍。有利地，這種分光光度計比目前市場上的那些造價更便宜，因為該分光光度計沒有移動部件、光柵、MEMS等。有利地，這種分光光度計沒有移動部件。因此，該分光光度計將不會因為移動部件故障而遭受故障。這種分光光度計將比目前市場上的分光光度計更加結(jié)實和可靠。在優(yōu)選的實施方式中，分光光度計包括單塊基底，其特征在于，該單塊基底(1)是具有一個或多個波導(dǎo)裝置( 和一個或多個諧振器(3-14)的半導(dǎo)體，其中波導(dǎo)可相對于輸入光的入射方向成一角度，其中每個諧振器(3-14)構(gòu)成波導(dǎo)裝置O)的部分，或者每個諧振器(3-14)被最佳地定位成靠近波導(dǎo)裝置O)，諧振器對于給定的電磁波波長最佳地形成所需尺寸，并被排序使得最小直徑的諧振器離進入波導(dǎo)裝置的入射光的入射點最近，且最大直徑的諧振器離進入波導(dǎo)裝置的入射光的入射點最遠，基底被劃分為三個功能區(qū)域，其中第一區(qū)域是由P-或η-型摻雜的半導(dǎo)體制造成的基底層(17)，第二活性區(qū)域(16)由半導(dǎo)體組成，其中帶隙被合并以覆蓋分光光度計的波長范圍，并具有大于基底折射率的折射率，以及第三光學(xué)鍍層區(qū)域(18)具有低于第二活性區(qū)域(16)的折射率，其中第二活性區(qū)域 (16)位于第一活性區(qū)域(17)和第三活性區(qū)域(18)之間，第三區(qū)域(18)是與第一區(qū)域(17) 的公共電接觸部，且諧振器(3-14)在其表面上具有電接觸部(19、20)。


現(xiàn)在將參照附圖并如附圖中的圖1-4所示僅作為例子來更加詳細地描述本發(fā)明的實施方式，其中，圖1是分光光度計的概念。圖2是對應(yīng)于在圖1中A和B所指示的半導(dǎo)體芯片的穿過半導(dǎo)體芯片[1]的兩個橫截面。圖3是半導(dǎo)體芯片的三維表示，其顯示水平地(A)或垂直地(B)與波導(dǎo)( 耦合的諧振器(3-18)。圖4是典型分光計芯片的外延設(shè)計，該分光計芯片在MR區(qū)域中工作并被設(shè)計成具有水平對準的諧振器，如圖3A中所描述的。應(yīng)當(dāng)注意，附圖的某些方面不是按比例的，且為了有助于清楚，某些方面被示范或者被省略。最佳方式本發(fā)明將參考其最優(yōu)選的實施方式來舉例說明。然而，本發(fā)明并不限于所述實施方式。本發(fā)明涉及分光光度計，其中在光色散裝置和光探測裝置之間沒有物理的分離， 這種分光光度計沒有移動部件。由于以上給出的原因，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，具有移動部件的一些分光光度計易于發(fā)生故障或者不能被微型化，或者制造起來昂貴/困難，或者有其他相關(guān)的問題。因此，本發(fā)明的目的是提供沒有移動部件的分光光度計。相應(yīng)地，本發(fā)明的實施方式提供包括單塊半導(dǎo)體基底(1)、一個或多個波長色散裝置(3-14)以及一個或多個波長探測裝置(3-14)的分光光度計，其特征在于，在色散裝置(3-14)和探測裝置(3-14)之間沒有物理的分離?？梢栽O(shè)想這種分光光度計將沒有移動部件。有利地，所描述類型的分光光度計可被制造成具有以下的特性。分光光度計可被制造成小尺寸。因此，這種分光光度計可以作為例如移動電話或者能夠從遠程位置傳送來自分光光度計(安裝在移動電話的表面上或移動電話內(nèi))的信息的其它設(shè)備的一部分而找到新的用途，從而允許移動或靜態(tài)化學(xué)傳感器的網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。這種小尺寸的傳感器也將在重量或尺寸不合乎要求的分光光度計中找到用途。例如，在靜電印刷中，分光光度計可能是閉環(huán)顏色控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，其將使得打印機能夠在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中產(chǎn)生可再生的彩色圖像。在照相機中，分光光度計芯片可被用來代替目前可用的感光芯片，以產(chǎn)生能夠探測在整個可見光范圍內(nèi)的光的照相機，而不是僅探測離散范圍內(nèi)的光。發(fā)明方式以下所描述的分光光度計將具有低的功率要求。有利地，這種分光光度計將在便攜式分光光度計、或者未與干線電源連接或在艱難環(huán)境例如太空、航天、防衛(wèi)等中操作的分光光度計中找到用途。有利地，由于所有波長的光將被同時讀入，這種分光光度計將允許數(shù)據(jù)的快速采集。因此整個光譜可在幾毫秒或更少時間內(nèi)被讀入。有利地，這種分光光度計將具有極好的光譜特性，因為這種分光光度計將具有低的雜散光，因此產(chǎn)生高分辨率光譜。此外，這種分光光度計可被制造成具有很高的分辨率和很寬的波長覆蓋范圍。有利地，這種分光光度計比目前市場上的那些造價更便宜，因為該分光光度計沒有移動部件、光柵、MEMS等。有利地，這種分光光度計沒有移動部件。因此，該分光光度計將不會因為移動部件故障而遭受故障。這種分光光度計將比目前市場上的分光光度計更加結(jié)實和可靠?？蛇x地，分光光度計的波導(dǎo)可以相對于光的入射方向成一角度以阻止光的背反射?？蛇x地，分光光度計的波導(dǎo)的寬度可以在大約1微米和大約50微米之間，長度為大約1000微米，且深度為大約1微米至大約20微米。在優(yōu)選的實施方式中，每個諧振器在尺寸上對于給定的波長被優(yōu)化，且每個諧振器可以是圓柱狀、杯狀、球狀、錐狀、階梯形錐狀、平板狀，或包括一個或多個平面或曲面。在最優(yōu)選的選項中，每個諧振器的形狀為球狀、圓柱狀或杯狀，且每個球體或圓柱體的直徑由公式D = ηλ/π μ確定，其中λ為光的自由空間波長，η為共振階而μ為諧振器的有效
折射率?？蛇x地，波導(dǎo)裝置可從諧振器(3-14)形成，諧振器(3-14)被布置成使得諧振器 (3-14)以線性方式布置，其中諧振器從小到大布置，使得最小的諧振器被定位在第一位置且最大的諧振器被定位在最后一個位置。在優(yōu)選的實施方式中，諧振器被排序使得最小直徑的諧振器離進入波導(dǎo)裝置的入射光的入射點最近，且最大直徑的諧振器離進入波導(dǎo)裝置的入射光的入射點最遠?？蛇x地，代替或除了諧振器尺寸以外，吸收層的成分分級或摻雜也可被用來為每個諧振器選擇特定的波長?？梢允褂镁哂邢嗤睆降囊唤M諧振器，且共振通過操縱折射率來改變。例如，對于具有大約1微米直徑的諧振器，通過成分/摻雜(有雜質(zhì))分級，在10個諧振器之間小于0. 02的總折射率步長將產(chǎn)生間隔開1納米的共振，例如從1500納米-1510 納米，而不改變諧振器的直徑?？蛇x地，分光計芯片可使用偏壓作為調(diào)節(jié)折射率的手段。因此，芯片測試的一部分可以是確定任何給定諧振器上的偏壓是否可被優(yōu)化以使一個或多個共振移動。這也是改變分光計芯片的分辨率的一種非常好的方式。在優(yōu)選的實施方式中，諧振器在第一階上工作并且僅對分光計中的單一波長做出響應(yīng)?？蛇x的實施方式設(shè)想使用在較高階上工作的諧振器(因此更大并且更容易被制造成
9具有足夠的容限)。當(dāng)較大的諧振器被用在較高的階上時，有可以排除不想要的波長的三種方式1.吸收層被選擇成具有其自己的固定的光譜吸收帶寬，因此它對高于某個限制的波長不響應(yīng)。2.在芯片的前面(光輸入端)使用薄膜濾波器可以用來抑制不關(guān)注的但可能耦合到諧振器中并被諧振器吸收的較短波長。3.波導(dǎo)本身將吸收低于特定截止波長的波長，因此可以用作濾波器。諧振器可以相對于波導(dǎo)水平或垂直地放置用于水平或垂直耦合。圖IBB顯示垂直耦合的實施例，其中諧振器跨越兩個脊。這種配置在諧振器在高階工作時特別適合。分光光度計由基底制造，基底可包括IV、III-V、II-VI、II-IV族半導(dǎo)體或其它半導(dǎo)體，這些半導(dǎo)體上添加有半導(dǎo)體合金。優(yōu)選地，基底是P-型或η-型摻雜的。在優(yōu)選的實施方式中，基底被劃分為三個功能區(qū)域，其中第一區(qū)域是由P-型或 η-型摻雜的半導(dǎo)體制造成的基底層(17)，第二活性區(qū)域(16)由半導(dǎo)體組成，其中帶隙被合并以覆蓋分光光度計的波長范圍，并具有大于基底折射率的折射率，且第三光學(xué)鍍層區(qū)域(18)具有低于第二活性區(qū)域(16)的折射率，其中第二活性區(qū)域(16)位于第一活性區(qū)域 (17)和第三活性區(qū)域(18)之間。第三區(qū)域(18)是與第一區(qū)域(17)的公共電接觸部。優(yōu)選地，電接觸部(18)為金電接觸部，金合金電接觸部或由其它導(dǎo)電材料或其合成物例如銀或其合成物制成的電接觸部。優(yōu)選地，諧振器(3-14)在其表面上具有電接觸部(19，20)，這些接觸部包括金電接觸部、金合金電接觸部或包含其它導(dǎo)電材料的電接觸部。可選地，半導(dǎo)體晶片的裂開的表面可以涂有多層涂層以接受或拒絕在特定波長范圍上的光。這種涂層是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。在另一選項中，基底可以包括一個或多個固態(tài)遮光器/調(diào)制器或光導(dǎo)光學(xué)器件。在更優(yōu)選的實施方式中，分光光度計包括單塊基底，其特征在于，該單塊基底(1) 是具有一個或多個波導(dǎo)裝置( 和一個或多個諧振器(3-14)的半導(dǎo)體，其中波導(dǎo)相對于輸入光的入射方向成一角度，其中每個諧振器(3-14)構(gòu)成波導(dǎo)裝置O)的部分，或者每個諧振器(3-14)被最佳地定位成靠近波導(dǎo)裝置O)，諧振器對于給定的電磁波波長最佳地形成所需尺寸，并被排序使得最小直徑的諧振器離進入波導(dǎo)裝置的入射光的入射點最近，且最大直徑的諧振器離進入波導(dǎo)裝置的入射光的入射點最遠，基底被劃分為三個功能區(qū)域，其中第一區(qū)域是由P-或η-型摻雜的半導(dǎo)體制造成的基底層(17)，第二活性區(qū)域(16)由半導(dǎo)體組成，其中帶隙被合并以覆蓋分光光度計的波長范圍，并具有大于基底折射率的折射率， 且第三光學(xué)鍍層區(qū)域(18)具有低于第二活性區(qū)域(16)的折射率，其中第二活性區(qū)域(16) 位于第一活性區(qū)域(17)和第三活性區(qū)域(18)之間，第三區(qū)域(18)是與第一區(qū)域(17)的公共電接觸部，且諧振器(3-14)在其表面上具有電接觸部(19、20)。傳統(tǒng)的分光鏡系統(tǒng)可被分為兩類(a)色散系統(tǒng)和(b)干涉(FTIR)系統(tǒng)。在這兩種情況下，基本系統(tǒng)由光利用光柵或線性驅(qū)動機構(gòu)被色散(在光譜上或時間上)所使用的裝置加上探測元件(通常是基于半導(dǎo)體的光電探測器或光電倍增管)構(gòu)成。因此這樣的系統(tǒng)至少包括兩個部件，光色散裝置和光探測裝置。實際上，這樣的系統(tǒng)需要多個額外的光學(xué)元件，例如透鏡、反射鏡、遮光器、狹縫和光學(xué)斬波器，其實例在GB 0525408. 1中示出。此外，分光計的輸出被連接至信號處理設(shè)備如鎖定放大器、門積分平均器(box-car averager)、和其他允許輸出信號的譯碼的信號調(diào)整電路。此外，分辨率(最小可分辨的波長特征)與單元的物理尺寸成反比，因此對高分辨率來說需要大型儀器。因此，傳統(tǒng)的具有高分辨率的分光光度計由于必要而很大，因此很重且體積大。這導(dǎo)致了對分光光度計的使用的限制。此外，這種分光光度計本質(zhì)上很精密，因此往往本質(zhì)上不是便攜式的。本申請描述了基于單塊半導(dǎo)體芯片的分光計(元件)。該元件可使用標準的半導(dǎo)體制造工藝來制造。該芯片包括光色散系統(tǒng)和光探測系統(tǒng)，其中一個或多個諧振器用作光色散裝置和光探測裝置。此外，在特定的實施方式中，該芯片可包括遮光器/調(diào)制器(固態(tài))和其他光導(dǎo)光學(xué)器件?；靖拍钤趫D1中示出。[1]表示一般尺寸200微米寬X 1000微米長X 100微米厚的半導(dǎo)體芯片。包含半導(dǎo)體芯片的材料可包括IV族半導(dǎo)體、II-IV族半導(dǎo)體、II-VI族半導(dǎo)體或其中下面的III-V族半導(dǎo)體合金中的任何一個GaAs、GaN、GaP、GaSb、InAs, InN, InP, InSb, AlAs, A1N、AlP和AlSb，材料的選擇由分光計芯片的期望波長范圍確定。此外， 摻雜雜質(zhì)的包含可被用來對芯片的光和電特性進行微調(diào)。[2]表示由對于[1]的材料組成的光波導(dǎo)。波導(dǎo)相對于半導(dǎo)體芯片[1]有意地成一角度以便避免背反射。波導(dǎo)一般是在1 和50微米之間寬，1000微米長，和1-20微米深。此外，芯片的端面可被涂覆以接受和/或拒絕在特定波長范圍內(nèi)的入射光。[3-14]為可以是任意數(shù)量的圓形諧振器的代表性實例。 較大數(shù)量的諧振器將提供較寬的波長范圍和/或較高的光譜分辨率。典型的實施方式一般在單個芯片上包含10-1000個諧振器。諧振器的尺寸被選擇為使得諧振器的直徑(D)等于所關(guān)注的波長(λ)乘以共振階(η)再除以π和包括該諧振器的半導(dǎo)體的折射率(μ)(即 0 = ηλ/π μ)0因此，假定折射率為3的半導(dǎo)體在第一階上(η = 1)操作，則探測在1.55 微米波長處的光需要直徑為0. 164微米的諧振器。也可制造對η > 1操作的較大的圓盤 (例如，對于η = 10，D = 1.64微米)，假定光被預(yù)先濾波以移除在微圓盤內(nèi)形成共振的其他階。諧振器被排序，直徑最小的諧振器離入射光線的入射點最近，如圖1所示。共振也可通過折射率μ來控制，該折射率μ可通過改變合金組成和/或通過在諧振器中引入摻雜雜質(zhì)來改變。圖2示出了穿過半導(dǎo)體芯片[1]的兩個橫截面，其對應(yīng)于圖1中由A和B所指示的半導(dǎo)體芯片。圖2中的[17]表示由對于[1]所列出的材料制成的基底材料，且是η-型或P-型摻雜的?；滓话銥榇蠹s90微米厚，并用作分光計芯片的模板。在基底的頂部生長有活性區(qū)域(一般通過分子束外延或金屬有機氣相外延)[16]，該區(qū)域由按照[1]的半導(dǎo)體構(gòu)成，但是帶隙被設(shè)計成覆蓋分光計的目標波長范圍，且具有大于基底折射率的折射率。半導(dǎo)體的帶隙(Eg)被選擇成確定諧振器的最大探測波長，其中λ =hc/Eg，其中h為普朗克常數(shù)，而c為真空中的光速，該公式可近似為λ (nm) = lM0/\(eV)。在低維結(jié)構(gòu)如量子阱、 量子線或量子點的情形中，吸收半導(dǎo)體層的厚度被選擇成使得λ (nm) = 1240/(Eg+Ee+Eh) (eV)，其中Ee為電子約束能，且&為孔約束能。[18]為上部光學(xué)鍍層，其包括對于[1]的半導(dǎo)體材料，并被選擇為具有比層[16]更大的帶隙和更低的折射率。[18]表示設(shè)備的下表面共有的電接觸部，其一般由金和其合金制成。[19]和[20]示出直接對諧振器的上表面制成的電接觸部，其一般由金和其合金制成。諧振器可沿著波導(dǎo)以任何順序放置。然而，最佳的定位是將直徑最小的諧振器放置為離諧振器上的光入口最近，且直徑最大的被放置更遠。介于第一個和最后一個諧振器之間的諧振器在直徑上順序地增加。圖3A提供特定實施方式的拓撲圖，其中諧振器[3-13]和波導(dǎo)[2]通過對在基底頂上生長的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的蝕刻來限定。電接觸部通過蒸發(fā)的和/或濺射的導(dǎo)體和接觸焊盤來提供，如在[19、20]中的。在這個實施方式中，波導(dǎo)[2]和諧振器[3-13]之間的光學(xué)耦合是水平的。圖3B示出了可選的實施方式，其中光從波導(dǎo)[2]耦合到諧振器[3-14]中，由此，諧振器通過波導(dǎo)上的蝕刻來限定。電接觸部通過蒸發(fā)的和/或濺射的導(dǎo)體來提供，其實例被標記為[19]。圖4顯示了以在1. 5微米左右操作的設(shè)備為目標的概念的如圖3A所示的特定實施方式的典型的外延結(jié)構(gòu)其。芯片在InP基底上生長，基底[21]被η-型摻雜至lX1018cm_3 的濃度且之后被削薄至大約100微米的厚度。在該芯片上，生長有厚度為200納米的 In (0. 601) Ga (0. 399) As (0. 856) P (0. 144)層[22]，其具有等于1. 3微米的光學(xué)帶隙，然后是具有100納米的厚度和1. 5微米的光學(xué)帶隙的601) Ga (0. 399) As (0. 856) P (0. 144)層 [23]。接下來是厚度為200納米的第二 In (0. 72) Ga (0. 28) As (0. 6) P (0. 4)層[24]，其具有等于1. 3微米的光學(xué)帶隙，且接下來是被摻雜至hl018Cm_3的濃度的厚度為5微米的ρ-型 InP層[25]。在這個實施方式中，輸入光在波導(dǎo)(頂部InP層[25]和底部InP層[21]之間的[2]和[22-24])中被引導(dǎo)，主要穿過1.3微米的^1(0. 72)Ga(0. 28) As (0. 6) P (0. 4)層 [22、24]傳播。頂部 InPM [25]和 ln(0. 72)Ga(0. 28)As(0. 6)Ρ(0· 4)層被選擇性地蝕刻在諧振器區(qū)域中，其中601)Ga(0. 399)As (0. 856)P(0. 144)層構(gòu)成在1.5微米處及以下提供吸收的吸收層。其他外延結(jié)構(gòu)實施方式是可以被設(shè)想且在本領(lǐng)域中是已知的。操作原理本發(fā)明至少在三個方面不同于現(xiàn)有技術(shù)1. (a)在光色散裝置和光探測裝置之間沒有物理的分離，2. (b)使用一系列諧振器使一波長范圍內(nèi)的光色散，以及3. (C)使用一系列諧振器探測在特定波長處的光的水平。從所關(guān)注的點發(fā)出的光進入設(shè)備，如圖1的箭頭所顯示的。芯片的入射表面可以被涂覆以拒絕/選擇所關(guān)注的波長-預(yù)濾波器。入射點也可包括電吸收調(diào)制器以在任何指定的時間光學(xué)地隔離芯片。由于波導(dǎo)[2]和其周圍環(huán)境之間的折射率差異，光沿著波導(dǎo)傳播。光的電場分布(光場分布)一般在分布上是高斯的，在整個芯片上橫向并對稱地衰減且具有逐漸消失的場尾。如果入射光的特定的波長分量匹配諧振器(在圖中為[3-14]，盡管實際上將有多得多的諧振器)之一的共振波長，它將耦合到該諧振器中，而其余光繼續(xù)沿著波導(dǎo)行進。當(dāng)光經(jīng)過每一個諧振器時，具有與諧振器波長相匹配的波長的光的任何分量將耦合到該諧振器中。因此，每個諧振器選擇性地耦合入射光的一部分，有效地選擇不同的波長。包括諧振器的半導(dǎo)體材料被選擇成使得它吸收在特定波長范圍內(nèi)的光。因此，當(dāng)光進入諧振器中的一個時，它也被吸收，在該諧振器中產(chǎn)生電子-空穴對。當(dāng)通過電接觸部 (例如[18]和[19]或者[18]和[20])被連接至外部電路時，這形成與諧振器中存在的光的數(shù)量成比例的電路。因此，每個諧振器充當(dāng)對特定波長敏感的探測器，并且當(dāng)來自每個探測器的信號被連接至適當(dāng)?shù)碾娐窌r，可產(chǎn)生光的光譜。光譜可被記錄的速度僅被諧振器中的電子和空穴逃逸時間限制(一般為幾微秒或更短)，允許以一般高達每秒100萬的速度獲得光譜。
工業(yè)實用性所公開的半導(dǎo)體芯片提供具有低質(zhì)量和低功率要求、抗宇宙射線、熱穩(wěn)定、抗振動、氧原子免疫、太空真空兼容且沒有移動部件的分光光度計，芯片將不需要維護。因此，這個分光光度計在整個環(huán)境、保健(包括用于保健/醫(yī)療設(shè)備的“可佩戴”的監(jiān)測系統(tǒng))、工業(yè)和安全市場上理想地適用于對地球觀察(例如氣候和大氣監(jiān)測)和太空觀察的超光譜成像、安全監(jiān)測和監(jiān)視、化學(xué)分析、遠程感測以及成像應(yīng)用。可以利用分光光度計芯片的線性陣列從太空中執(zhí)行使用這種分光光度計的超光譜成像，因為每個芯片可提供寬帶光譜信息。目前利用CCD探測器的方法具有典型的大約7秒的積分時間，允許大約50米的地面像素尺寸。在傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)中，使用2D硅CCD陣列，一維提供空間信息，而另一維提供光譜信息。更快的采集時間提供了增強地球上的特殊分辨率窗口(地面像素尺寸)的潛力。在我們的概念中，分光光度計的線性陣列既提供光譜信息，又提供特殊信息。在要求高分辨率的應(yīng)用中，每個諧振器將被用于以特定的波長為目標。該方法的分辨率與諧振器尺寸關(guān)聯(lián)， 對此，我們預(yù)期能夠使用當(dāng)前的技術(shù)來實現(xiàn)大約1納米的分辨率。對于速度遠比分辨率重要的應(yīng)用，多個微圓盤(諧振器)可耦合在一起以覆蓋具有更快的數(shù)據(jù)采集的更寬的波長區(qū)域，或者來自特定諧振器的數(shù)據(jù)可能不被探測到，從而減少數(shù)據(jù)收集時間。因此，分光光度計可以在不工作時被動態(tài)調(diào)節(jié)以優(yōu)化采集時間或分辨率。例如分光光度計設(shè)置可以從在 1納米的分辨率(1000個數(shù)據(jù)點)時覆蓋1000納米至2000納米的光譜范圍變化至覆蓋相同的范圍但具有更低的分辨率，例如，10個諧振器的耦合組一起提供10納米的分辨率，但是快得多的數(shù)據(jù)收集速度。這個可以被遠程控制并可根據(jù)特定應(yīng)用的要求而重新配置。采集時間受到光產(chǎn)生的電子離開芯片的過渡時間的限制，并被期望小于1毫秒。有利地，這種系統(tǒng)也將不需要使用反射鏡和光柵并減少了采集時間，反射鏡和光柵在太空中由于宇宙輻射而嚴重老化。這種系統(tǒng)使用諧振器技術(shù)來開發(fā)光學(xué)上有效的直接帶隙半導(dǎo)體合金，如第 III-V族中的那些。因此，產(chǎn)生單塊解決方案是非常有吸引力的，該解決方案以不同的波長窗口為目標，每個窗口可被配置成具有動態(tài)可變的分辨率。這提供對工作中的選擇性的靈活性，以滿足小地面像素尺寸或高光譜分辨率的要求。例如，這種分光光度計也可例如用在用傳感器(分光光度計芯片)代替當(dāng)前可用的彩色傳感器來拍攝真彩色圖像的數(shù)碼相機裝置中。此外，分光光度計芯片可用來確保電視的真彩色校準(測量光譜輻照度和勒克斯(Iux)水平)。有利地，這種分光光度計可具有粗分辨率性質(zhì)并被用來定義分辨率為大約5納米的可見光感知。本發(fā)明是傳統(tǒng)成像技術(shù)的備用方案，傳統(tǒng)技術(shù)基于具有濾波器窗口的探測器的使用以提供在寬的波長范圍內(nèi)(具有所導(dǎo)致的低分辨率)的基本的波長選擇性，或者基于使用FIlR或基于光柵的儀器的光譜方法。后者是復(fù)雜系統(tǒng)，一些系統(tǒng)具有高維護機械移動部件和慢的數(shù)據(jù)采集，所有系統(tǒng)都有雜散光問題和大量的離散光學(xué)組件。被引入光學(xué)系統(tǒng)中的每個額外的組件都造成光子的損失，因此降低信號強度。因此，諧振器提供波長色散和探測能力的單塊系統(tǒng)的發(fā)展將提供提高的信號強度，沒有移動部件，沒有光柵-探測器對準或雜散光問題，以及具有快的采集時間和高的分辨率?？梢栽O(shè)想，這種分光光度計將具有大約1納米的分辨率和大約1毫秒的快的采集時間，并可在整個可見光至紅外光譜范圍內(nèi)發(fā)展，具有大約1000納米的帶寬。
本發(fā)明涉及可調(diào)諧寬帶單塊半導(dǎo)體分光光度計芯片，其在固態(tài)光學(xué)電路內(nèi)集成波長色散和探測能力。波長色散和探測發(fā)生，而不需要移動或空間上分離的部件，并且由于每個部件都嵌在單個堅固的芯片上，雜散光被最少化，同時光強度被最大化。本發(fā)明可在整個大的波長帶寬中工作。所使用的帶寬將部分地依賴于所使用的半導(dǎo)體的組成。然而，優(yōu)選地，分光光度計被設(shè)計成在從400納米至2000納米的vis-OTR帶寬內(nèi)工作，并允許在該帶寬內(nèi)波長范圍/分辨率的靈活性。對于在近紅外區(qū)域(900納米至 1700納米)內(nèi)的分光光度計的設(shè)計，優(yōu)選地使用基于第III-V族化合物半導(dǎo)體的合金，因為 III-V族半導(dǎo)體合金的光學(xué)特性是眾所周知的。盡管該方法可以和硅一起使用，III-V合金在光學(xué)上是更加活性的，并覆蓋大的波長范圍。典型的材料包括用于短波長光譜的AlInGaN合金，用于可見光范圍的AKialnAsP 合金，以及用于近紅外光和中紅外光的InGaAsP、InGaAsN和InGaAlAsSb合金。芯片的波長范圍因此可通過合理使用不同的半導(dǎo)體合金來調(diào)整。此外，將雜質(zhì)例如Zn、C和Te引入合金中可提供對芯片及其組件的光學(xué)和電子特性的微調(diào)。核心半導(dǎo)體設(shè)計分光光度計芯片幾乎是完全基于半導(dǎo)體的，其中半導(dǎo)體合金構(gòu)成用于入射光的波導(dǎo)和光被探測的諧振器。波導(dǎo)由大塊半導(dǎo)體材料構(gòu)成，其中合金被設(shè)計成使得其帶隙大于所關(guān)注的最高能量(最短波長)光子的能量。諧振器由半導(dǎo)體多層構(gòu)成，整體或量子阱活性區(qū)域形成核心吸收區(qū)域，使得該活性區(qū)域的光學(xué)間隙大于或等于最小能量(最大波長) 光子。因此，考慮到材料的電、光和熱特性，半導(dǎo)體合金的確切組成和摻雜針對特定的目標波長范圍來確定。波導(dǎo)和諧振器結(jié)構(gòu)波導(dǎo)可由傾斜的肋狀波導(dǎo)構(gòu)成。這是用來防止來自分光光度計芯片的端面的背反射。波導(dǎo)的高度和寬度被優(yōu)化，以允許進入分光光度計的光的最大通過量。如圖1至圖3所示，圓柱形諧振器將與波導(dǎo)緊密耦合以允許光逐漸泄露進每個諧振器中。由于每個諧振器以特定的波長為目的，直徑、厚度和相對于波導(dǎo)的間隔被優(yōu)化以最大化光耦合效率并最小化雜散光。作為一般的設(shè)計規(guī)則，諧振器直徑(D)將被設(shè)計成使得D =(波長Xm/Pi Xn)， 其中η為半導(dǎo)體的有效折射率，而m為諧振器階數(shù)。因此，對于在第二階操作的、具有典型的3. 2的折射率且對1. 5微米輻射敏感的諧振器，直徑D為300納米。這恰好在紫外光或電子束光刻技術(shù)的能力范圍之內(nèi)。使用電子束或深紫外光刻，小于20納米的容限是可行的。在原型測試階段，設(shè)想將使用電子束光刻，因為它是非常通用的，且當(dāng)前的技術(shù)對于在一個晶片上嘗試多種設(shè)計好得多。在生產(chǎn)階段，電子束也是可能的，然而，深紫外和全息光刻技術(shù)在以這種容限生產(chǎn)大量設(shè)備時要快得多。光學(xué)涂層可選地，分光光度計芯片的前和后表面涂有涂層以允許該分光光度計芯片在更高的階例如第一、第二或第三、第81階等工作。這是所期望的特征，因為它允許使用更大的諧振器來操作，因此使得制造更簡單。層的精確的組成、厚度和折射率被優(yōu)化以匹配所關(guān)注的波長。涂層將一般由多個介電層對組成，這些介電層對被選擇成使得其總的光學(xué)厚度在特定的波長范圍(通帶)上是共振的?？蛇x地，納米級顆粒涂層可被用來將特定波長的光共振地耦合到芯片中。電耦合來自分光計芯片的由光產(chǎn)生的電子形成電流，該電流提供光譜強度信息。為了提取電流，利用p-n結(jié)，其在被偏置了一電壓時提供電場以將電子從設(shè)備掃除。波長范圍如以上所陳述的，分光光度計芯片的波長范圍由組成它的半導(dǎo)體材料確定。對于在900-1700納米的波長范圍內(nèi)的近紅外應(yīng)用中操作的分光光度計，已有的方法利用冷卻式InGaAs探測器來實現(xiàn)這個范圍。也可使用基于InGaAs (P) ZinP合金的有效的多量子阱吸收區(qū)域。然而，在不同波長范圍內(nèi)操作的分光光度計芯片被設(shè)想有半導(dǎo)體材料、摻雜和諧振器尺寸的審慎組合。質(zhì)量和覆蓋區(qū)分光光度計芯片本身具有可忽略的質(zhì)量。假設(shè)具有1毫米x250微米x200微米的尺寸的基于InP的芯片，其InP的密度為4. 8g/cm3，芯片質(zhì)量為M毫克。因此，分光光光度計的主要質(zhì)量將是相關(guān)的微光學(xué)器件(小于100克)。不包括光學(xué)器件的一般基于CCD的分光光度計的等效質(zhì)量實質(zhì)上更高。CXD系統(tǒng)的一般尺寸在5厘米XlO厘米xl5厘米的區(qū)域內(nèi)。在傳統(tǒng)分光光度計中，分辨率由盒的尺寸所限定(以最大化色散)。在本發(fā)明中，分辨率與光的波長內(nèi)在地關(guān)聯(lián)，意味著分光光度計可以非常小。所提交的權(quán)利要求構(gòu)成說明書的一部分。
權(quán)利要求
1.一種分光光度計，包括單塊半導(dǎo)體基底(1)、一個或多個波長色散裝置(3-14)、以及一個或多個波長探測裝置(3-14)，特征在于，在所述色散裝置(3-14)和所述探測裝置 (3-14)之間沒有物理的分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分光光度計，其特征在于，所述色散裝置(3-14)和所述探測裝置(3-14)沒有物理移動部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的分光光度計，其特征在于，所述色散裝置 (3-14)和所述探測裝置(3-14)為微諧振器(3-14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分光光度計，其特征在于，每個微諧振器(3-14)被依尺寸制造成最佳地接受一個波長的光或多個波長的光，因為每個諧振器的直徑(D)由公式D = η λ /π μ確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的分光光度計，其特征在于，每個微諧振器充當(dāng)特定波長的光的水平的探測器。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的分光光度計，其特征在于，所述分光光度計包括一個或多個波導(dǎo)裝置(2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分光光度計，其特征在于，每個諧振器(3-14)構(gòu)成所述波導(dǎo)裝置O)的部分，或者每個諧振器(3-14)被最佳地定位成靠近所述波導(dǎo)裝置O)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的分光光度計，其特征在于，所述波導(dǎo)裝置(2)成一角度以阻止光的背反射。
9.如權(quán)利要求6、7或8所述的分光光度計，其特征在于，所述波導(dǎo)的寬度為大約1微米和大約50微米之間、長度為大約1000微米、且深度為大約1微米至大約20微米。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的分光光度計，其特征在于，每個諧振器對于給定的波長在尺寸上被優(yōu)化。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的分光光度計，其特征在于，所述諧振器(3-14) 為球狀、錐狀、階梯形錐狀、平板狀、圓柱形杯狀，或包括一個或多個平面或曲面。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的分光光度計，其特征在于，所述波導(dǎo)裝置O)由圓柱形諧振器(3-14)構(gòu)成，所述圓柱形諧振器(3-14)被布置成使得所述諧振器(3-14)以線性方式布置，其中所述諧振器從小到大布置，使得最小的諧振器被定位在第一位置，而最大的諧振器被定位在最后一個位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求5-12的任一項所述的分光光度計，其特征在于，所述諧振器被排序， 使得最小直徑的諧振器離進入所述波導(dǎo)裝置的入射光的入射點最近，而最大直徑的諧振器離進入所述波導(dǎo)裝置的入射光的入射點最遠。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的分光光度計，其特征在于，所述基底包括硅或 III-V族半導(dǎo)體，基于III-V族半導(dǎo)體的合金層被添加到所述硅或III-V族半導(dǎo)體上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的分光光度計，其特征在于，所述基底是P-型或η-型摻雜的。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的分光光度計，其特征在于，所述基底被劃分為三個功能區(qū)域，其中第一區(qū)域是由P-型或η-型摻雜的半導(dǎo)體制成的基底層(17)，第二活性區(qū)域(16)由其中具備一帶隙以覆蓋所述分光光度計的波長范圍的半導(dǎo)體組成，并具有比所述基底的折射率大的折射率，以及第三光學(xué)鍍層區(qū)域具有比所述第二活性區(qū)域(16)小的折射率，其中所述第二活性區(qū)域(16)位于第一活性區(qū)域(17)和第三活性區(qū)域(18)之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的分光光度計，其特征在于，所述第三區(qū)域(18)是與所述第一區(qū)域(17)的公共電接觸部。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求17所述的分光光度計，其特征在于，所述電接觸部 (18)為金電接觸部、金合金電接觸部或者由其他導(dǎo)電材料或其合成物制成的電接觸部。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的分光光度計，其特征在于，所述諧振器(3-14) 在其表面上具有電接觸部(19，20)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的分光光度計，其特征在于，所述電接觸部(19，20)包括金電接觸部、金合金電接觸部、或者由其他導(dǎo)電材料或其合成物制成的電接觸部。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的分光光度計，其特征在于，芯片的表面能夠涂有物質(zhì)以接受或拒絕在特定波長范圍上的光。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的分光光度計，其特征在于，所述基底能夠包括一個或多個固態(tài)遮光器或光導(dǎo)光學(xué)器件。
23.一種包括半導(dǎo)體的分光光度計，其特征在于，單塊基底(1)是具有波導(dǎo)裝置(2)和一個或多個諧振器(3-14)的半導(dǎo)體，其中所述波導(dǎo)相對于輸入光的入射方向成一角度，其中每個諧振器(3-14)構(gòu)成所述波導(dǎo)裝置O)的部分，或者每個諧振器(3-14)被最佳地定位成靠近所述波導(dǎo)裝置O)，所述諧振器對于給定的電磁波長最佳地形成所需尺寸，且被排序使得最小直徑的諧振器離進入所述波導(dǎo)裝置的入射光的入射點最近，而最大直徑的諧振器離進入所述波導(dǎo)裝置的入射光的入射點最遠，所述基底被劃分為三個功能區(qū)域，其中第一區(qū)域是由P-型或η-型摻雜的半導(dǎo)體制成的基底層(17)，第二活性區(qū)域(16)由其中具備一帶隙以覆蓋所述分光光度計的波長范圍的半導(dǎo)體組成，并具有比所述基底的折射率大的折射率，以及第三光學(xué)鍍層區(qū)域具有比第二活性區(qū)域(16)小的折射率，其中所述第二活性區(qū)域(16)位于第一活性區(qū)域(17)和第三活性區(qū)域(18)之間，所述第三區(qū)域(18)是與所述第一區(qū)域(17)的公共電接觸部，以及所述諧振器(3-14)在其表面上具有電接觸部(19， 20)。
全文摘要
公開了一種分光光度計，其包括單塊半導(dǎo)體基底、一個或多個波長色散裝置、以及一個或多個波長探測裝置，其中所述單塊基底(1)具有波導(dǎo)裝置(2)和一個或多個諧振器(3-14)，這些諧振器充當(dāng)特定光線波長的探測器，且被布置成靠近波導(dǎo)裝置，使得針對所述光波長可出現(xiàn)逐漸消失的光耦合。
文檔編號G01J3/02GK102414545SQ201080018226
公開日2012年4月11日 申請日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者斯蒂芬·約翰·斯威尼 申請人:澤尼爾有限公司