據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所（Empa）開發(fā)了一種微型傅里葉變換波導(dǎo)光譜儀，其集成了一個(gè)與CMOS兼容的亞波長膠體量子點(diǎn)（quantum dot，QD）光電探測器作為光傳感器。所開發(fā)的光譜儀具有較大的光譜帶寬和50 cm?1的中等光譜分辨率，總有效體積小于100 μm × 100 μm × 100 μm。這種超緊湊的光譜儀設(shè)計(jì)使得將光學(xué)/分析測量儀器集成到消費(fèi)電子和空間設(shè)備中成為可能。

紅外光譜儀的微型化對于將其集成到下一代消費(fèi)電子產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備和超小型衛(wèi)星中至關(guān)重要。在色散元件、窄帶通濾波器和計(jì)算重構(gòu)光譜儀小型化的過程中，必須考慮大光譜帶寬和高光譜分辨率之間的權(quán)衡。傅里葉變換光譜儀以其在紅外波段的大帶寬和高光譜分辨率而聞名；然而，它們還沒有完全小型化。基于波導(dǎo)的傅里葉變換光譜儀雖然占位面積小，但需要依賴外部成像傳感器，如笨重且昂貴的銦鎵砷（InGaAs）相機(jī)。

在本項(xiàng)工作中，研究人員成功制造了波導(dǎo)集成的HgTe量子點(diǎn)光電探測器。這種室溫工作的光電探測器表現(xiàn)出高達(dá)2 μm波長的光譜響應(yīng)。此外，線狀亞波長尺寸的光電探測器與光波導(dǎo)單片集成，實(shí)現(xiàn)了一種概念驗(yàn)證的傅里葉變換微型光譜儀，其光譜分辨率為50 cm?1，有效體積小于100 μm?×?100 μm?×?100 μm。這項(xiàng)工作設(shè)計(jì)了一種超緊湊的短波紅外光譜儀，其具有大帶寬、中等光譜分辨率以及較高的光譜靈敏度（紅外光區(qū)域）。

波導(dǎo)光譜儀示意圖（未按比例繪制）

對于概念驗(yàn)證器件，研究人員選擇了HgTe量子點(diǎn)光電探測器，因?yàn)椴恍枰孔狱c(diǎn)層的能帶對準(zhǔn)。光電探測器以垂直堆疊的配置（通常用于光電二極管）制造，減少了傳感器的占位面積。包括兩個(gè)電極在內(nèi)的量子點(diǎn)光電探測器的總厚度小于300 nm。與使用外部InGaAs相機(jī)及匹配光學(xué)器件的最先進(jìn)波導(dǎo)光譜儀相比，這種成像傳感器的垂直尺寸縮小了1000倍。

量子點(diǎn)光電探測器的制造和表征

在量子點(diǎn)薄膜上制作具有亞微米尺寸的合適頂部電極十分具有挑戰(zhàn)，據(jù)研究人員所知，目前尚未開發(fā)出來。受石墨烯轉(zhuǎn)移的啟發(fā)，一種變通方法是通過旋涂和退火，在二氧化硅襯底上的100 nm銅緩沖層上制備聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）雙層。重要的是，探測器的制造不限于LiNbO?襯底，而是可以擴(kuò)展到各種平坦襯底，如硅上的SiO?，這證明了與CMOS半導(dǎo)體片上集成的兼容性。

1570 nm激光光源的光譜儀應(yīng)用

研究人員所開發(fā)的傅里葉變換波導(dǎo)光譜儀實(shí)驗(yàn)如上圖a所示：1570?nm激光器（300?μW輸出功率）由機(jī)械斬波器（50%開口面積）調(diào)制并耦合到LiNbO?波導(dǎo)中。調(diào)制的光信號取決于亞波長量子點(diǎn)光電探測器的相對位置。反射鏡移動(dòng)100?μm時(shí)可產(chǎn)生50?cm?1的光譜分辨率。與其他類型的光譜儀相比，50?cm?1的光譜分辨率可能不是很高；然而，所有光譜儀都要在光譜分辨率、帶寬和光譜儀體積之間進(jìn)行權(quán)衡。在這方面，此次開發(fā)的波導(dǎo)光譜儀達(dá)到了基本極限，并且進(jìn)一步小型化可能需要更小的波導(dǎo)截面。所開發(fā)的波導(dǎo)光譜儀的最大可探測波長由HgTe量子點(diǎn)膜的吸收光譜確定，在實(shí)驗(yàn)情況下達(dá)到約2 μm。

總之，單片集成的亞波長量子點(diǎn)光電探測器對于實(shí)現(xiàn)傅里葉變換波導(dǎo)光譜儀的完全微型化至關(guān)重要。這種探測器的制造方法包括引入避開對溫度敏感的處理步驟。基于HgTe量子點(diǎn)的亞波長光電探測器已被單片集成到LiNbO?波導(dǎo)上，其光譜靈敏度高達(dá)2 μm，并可在室溫下工作。光電探測器的單片集成將成像傳感器的厚度縮小了1000倍，從而實(shí)現(xiàn)了大帶寬、超緊湊的紅外光譜儀（50?cm?1的中等光譜分辨率）。本次研究結(jié)果為消費(fèi)電子、空間應(yīng)用和高光譜相機(jī)中的微型光譜儀的開發(fā)鋪平了道路。