專利名稱：使用亞波長共振光柵濾波器的拉曼光譜儀系統(tǒng)和方法
使用亞波長共振光柵濾波器的拉曼光譜儀系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
在拉曼光譜儀中，包含一個或多個分子的樣品可以散射或吸收入 射在該樣品上的光子。分子-光子相互作用可以臨時改變樣品內(nèi)分子 的能量狀態(tài)，即，分子的能量狀態(tài)可以通過偶極允許躍遷從初態(tài)改變
到激發(fā)態(tài)。在短時間之后，通常小于約io-"秒之后，分子可以從其激
發(fā)態(tài)弛豫，同時發(fā)射新光子。發(fā)射的光子以及由樣品散射的光子的能 量可以歸類到三種類別之一。
首先，能量小于入射光子(即，低頻)的發(fā)射光子被稱為"斯托克
斯(Stokes)"發(fā)射。當(dāng)分子吸收入射光子能量并弛豫到激發(fā)旋轉(zhuǎn)和/或 振動狀態(tài)時，發(fā)生斯托克斯發(fā)射。樣品中的每個分子種類可以產(chǎn)生斯 托克斯發(fā)射特征組，其強度正比于該樣品中該分子種類的密度。
第二，能量大于入射光子(即，高頻)的發(fā)射光子被稱為"反斯托 克斯"發(fā)射。當(dāng)入射光子與已經(jīng)處于激發(fā)態(tài)的分子相互作用時，可能發(fā) 生反斯托克斯發(fā)射。在分子-光子相互作用時，分子可以從激發(fā)態(tài)衰 變到低能量狀態(tài)。反斯托克斯光子被發(fā)射，能量等于入射光子的能量 加上分子激發(fā)態(tài)和分子低能量狀態(tài)之間的能量差。隨著斯托克斯發(fā)射， 樣品中的每個分子種類可以產(chǎn)生反斯托克斯發(fā)射特征組，其強度正比 于該樣品中該分子種類的密度。斯托克斯和反斯托克斯發(fā)射(統(tǒng)稱為 拉曼發(fā)射)可以提供有關(guān)對散射過程有貢獻的分子種類的定量信息。
第三，彈性散射光子具有與入射光子相同的能量.對彈性散射有 貢獻的樣品分子返回到其初始能量狀態(tài)。典型地，彈性(或瑞利)散 射光子的強度決定了散射/發(fā)射光譜。不同濾波器裝置已被用于除去或 減小瑞利散射光子的強度。例如，三單色儀、邊緣濾波器、以及陷波 濾波器已被使用。這些濾波器裝置昂貴和/或?qū)е轮辽俨糠掷庾V的 衰減。
發(fā)明內(nèi)容
一種拉曼系統(tǒng)，包括(i)輻射源；(ii)探測器，布置成從該輻 射源接收輻射；以及(iii)亞波長共振光柵濾波器，布置于該輻射源和
該探測器之間，其中該亞波長共振光柵濾波器包括波導(dǎo)層以及包含衍 射元件陣列的圖案化層。
示例性的拉曼系統(tǒng)包括(i)使用單波長激發(fā)輻射來照射樣品的 裝置；(ii)用于探測來自使用該激發(fā)輻射照射的樣品的散射輻射的裝 置；以及(iii)亞波長共振光柵濾波器，用于在探測該散射輻射之前從 該散射輻射移除特征波長的輻射，其中該亞波長共振光柵濾波器包括 波導(dǎo)層以及包含衍射元件陣列的圖案化層。
披露了一種通過拉曼光譜儀測量化學(xué)組成的一個或多個選定成份 的方法，該方法包括(i)使用基本單色輻射源照射包含該一個或多個 化學(xué)成份的化學(xué)組成；(ii)將從該化學(xué)組成散射和/或發(fā)射的輻射引導(dǎo) 經(jīng)過亞波長共振光柵濾波器，該亞波長共振光柵濾波器包括波導(dǎo)層以 及具有特征周期和特征高度的衍射元件陣列；以及(iii)探測穿過該濾 波器透射的輻射.
一種集成的光電二極管-濾波器，包括襯底，至少一個光電二極 管包括形成于該襯底之內(nèi)和之上的有源表面；以及集成的亞波長共振 光柵濾波器，其中該亞波長共振光柵濾波器包括形成于該有源表面上 的波導(dǎo)層以及包含形成于該波導(dǎo)層上的衍射元件陣列的圖案化層。
可以結(jié)合附圖閱讀優(yōu)選實施例的下述詳細(xì)描述，附圖中相同的數(shù)
字表示相同部件，其中
圖1示出示例性的亞波長共振光柵濾波器的剖面示意圖。
圖2示出由納米壓印光刻制作的示例性的一維亞波長共振光柵濾
波器的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖3示出示例性的一維亞波長共振光柵濾波器的光譜反射。
圖4示出由納米壓印光刻制作的示例性的二維亞波長共振光柵濾
波器的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖5示出示例性的二維亞波長共振光柵濾波器的光譜反射。
圖6為包含示例性的亞波長共振光柵濾波器的拉曼系統(tǒng)的示意圖。
圖7為包含亞波長共振光柵濾波器的單個光電二極管的示意圖。
發(fā)明詳述
披露了一種包括亞波長共振光柵濾波器的拉曼光譜儀系統(tǒng)，該亞 波長共振光柵濾波器可以由一個或多個濾波器構(gòu)成。這些濾波器可以 由相同或不同的晶片(例如，玻璃或其它合適的材料)制成。置于樣 品和探測器之間的亞波長共振光柵濾波器可用于抑制入射在濾波器上 的特定波長的輻射并透射其它波長，從而減小入射在探測器上的彈性 散射輻射的強度。因此，亞波長共振光柵濾波器可以顯著減小從樣品 發(fā)射的彈性散射光子的強度，同時拉曼散射輻射可以基本無衰減地穿 過濾波器以由合適的分光計來記錄。
示例性的亞波長共振光柵濾波器具有大于約IO的消光比(例如，
入射在濾波器上的特征波長輻射與其它波長輻射的強度比通過該濾波
器減小至少10，更優(yōu)選地至少100，最優(yōu)選地至少1000倍)。備選的 亞波長共振光柵濾波器可以將彈性散射輻射的強度減小至少90% (例 如，至少90, 92， 94， 96， 98， 99或99.9%)
可以提供離散波長區(qū)分的示例性的亞波長共振光柵濾波器包括光 學(xué)耦合到波導(dǎo)層的單個圖案化層。該圖案化層(即，光柵層)可以交 疊該波導(dǎo)層并包括衍射元件的重復(fù)陣列。波導(dǎo)層可以為基本平坦的層。 圖案化層和波導(dǎo)層均可由高折射率的非吸收材料形成。該濾波器可包 括可選的襯底層。如果設(shè)置襯底層，該襯底層可以支持該波導(dǎo)層。
該圖案化層可包括線性(即， 一維)陣列或者備選地二維陣列的 衍射元件。該衍射元件陣列可以形成沿兩個正交方向(x， y)是周期 性的二維光柵結(jié)構(gòu)。衍射元件可以是圓柱形柱，不過也可以提供諸如 矩形柱、錐形或者任何其它合適形狀的備選形狀.衍射元件可以形成 于波導(dǎo)層上方。備選地，衍射元件可以內(nèi)陷在該圖案化層內(nèi)(即，衍 射元件可包括圓形孔陣列)。
衍射元件可具有小于約500nm (例如，小于約350nm )的至少一 個橫向尺寸(例如，直徑、長度或?qū)挾?，以及小于約500nm (例如， 小于約350nm)的在該波導(dǎo)層上方的高度(或者該圖案化層內(nèi)的深度)。 衍射元件的形狀可以用縱橫比來表示，其中縱橫比在這里定義為元件 的高度與元件的橫向尺寸的比例。示例性的共振光柵濾波器包括縱橫 比介于約0.1和2之間，更優(yōu)選地介于約0.2和1之間的二維衍射元件 陣列。
在光柵包括一維元件陣列的實施例中，該陣列沿X方向具有比待
濾波的輻射的波長小的周期Dx。在光柵包括二維元件陣列的實施例中， 該陣列沿x方向具有周期Dx且沿y方向具有周期Dy。 Dx和Dy均比待 濾波的輻射的波長小。亞波長周期Dx和Dy可以相等，但不一定相等。
衍射元件的周期被選擇為小于待處理的輻射的波長，該周期可以 小于約1.2微米(例如，約0.2、 0.4、 0.6、 0.8或1.0微米士O.l微米)。 該周期為從一個衍射元件上的點到相鄰衍射元件上的相應(yīng)點的距離的 度量。因此，衍射元件的周期為兩個元件之間的距離d和沿周期性方 向的元件橫向尺寸I之和。當(dāng)在此使用時，占空比為元件的橫向尺寸除 以陣列內(nèi)沿周期性方向的周期的比例。示例性的共振光柵濾波器具有 約50%的占空比(即，ISd)，不過該占空比可以小于或大于50%。
光柵層、波導(dǎo)層和可選的襯底層包括光學(xué)透明介電材料。光柵層 的有效折射率為neff。波導(dǎo)層和可選的襯底層的折射率分別為nw和ns。 波導(dǎo)層的折射率可以大于光柵層的有效折射率，且如果設(shè)置有襯底層， 可以大于該襯底層的折射率."光學(xué)波長"定義為給定介質(zhì)內(nèi)電磁波的 波長，且等于真空內(nèi)該波的波長除以該介質(zhì)的折射率。
光柵層和波導(dǎo)層可以由諸如氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化鉿、 氧化鉭等的材料形成。光柵層和/或波導(dǎo)層可以摻雜。
波導(dǎo)層的厚度可以小于約500nm (例如，約100、 200、 300或 400nm士50nm )。可選的襯底層可包括厚度大于約0.5mm的陶資材料。 示例性的襯底材料包括氧化硅(例如，石英、熔融石英)、氧化鋁等。 示例性的亞波長共振光柵濾波器包括厚度約lmm的熔融石英襯底。
由于共振光柵濾波器僅包括形成于波導(dǎo)層上方的單個圖案化層， 該共振光柵濾波器可形成于各種村底材料上并結(jié)合到拉曼系統(tǒng)中。例 如，該襯底可包含透鏡(諸如光學(xué)透鏡)，用于聚焦或者引導(dǎo)從樣品散 射的輻射。該襯底可包括結(jié)合到拉曼探測器內(nèi)的光電二極管或者光電 二極管陣列。在示例性實施例中，亞波長共振光柵濾波器可形成于一 個或多個光電二極管的有源表面區(qū)域上方。該共振光柵濾波器可形成 于多元件光電二極管陣列、CCD類型陣列、有源像素傳感器陣列等的 上方。
在操作中，從拉曼樣品散射的光子被引導(dǎo)到亞波長共振光柵濾波 器的光柵表面上，通常垂直入射到光柵層的平面。在入射到濾波器上
的共振波長Xres，來自光柵元件的衍射在波導(dǎo)的平面內(nèi)產(chǎn)生倏逝波
(evanescent wave )。當(dāng)表面?zhèn)鞑サ牟ū徊东@在光柵/波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)時，會 發(fā)生共振。如果被捕獲的波耦合到波導(dǎo)的模式內(nèi)，輻射將共振并導(dǎo)致 窄波段內(nèi)的入射束的全反射。如果入射輻射不在該共振帶寬內(nèi)，入射 束的大多數(shù)能量將穿過該濾波器傳播(即，透射)。
除了光柵的周期小于入射束的波長之外，如果光柵的有效折射率 Heff大于光柵上方介質(zhì)(即，空氣)的折射率，且如上所述，波導(dǎo)層的 折射率大于光柵層的有效折射率以及襯底層(如果設(shè)置有的話)的折 射率，則會發(fā)生窄帶寬上的反射。
主要為光柵周期的函數(shù)的共振波長的值可以表達(dá)為Xres=aD+b，其 中D為光柵周期，a和b為常數(shù)。對于垂直入射到光柵平面的輻射束，
Ves=k°res，其中XVs為垂直入射地被引導(dǎo)的輻射的共振波長.通過改變 入射束相對于濾波器表面的平面的入射角，可以調(diào)制(即，調(diào)諧)濾 波器的共振反射響應(yīng)。
濾波器的帶寬和消光比主要為光柵層厚度的函數(shù)。例如，減小光 柵結(jié)構(gòu)的厚度(即，高度)將減小光譜響應(yīng)的半高寬(full width at half maximum, FWHM)。另一方面，減小光柵結(jié)構(gòu)的厚度將減小消光比。
盡管衍射元件的高度可以大于波導(dǎo)層的厚度，不過優(yōu)選的共振光 柵濾波器包括高度比波導(dǎo)層的厚度小的衍射元件的陣列。例如，波導(dǎo) 層的厚度可以為衍射元件的厚度(即，高度)的1.5、 2或2.5倍。示 例性的拉曼系統(tǒng)包括具有衍射元件陣列的共振光柵濾波器，該衍射元 件陣列被配置成使由輻射源供應(yīng)的激發(fā)波長的消光比最大化。
光柵層和波導(dǎo)層可以使用可用的薄膜沉積技術(shù)來形成，諸如磁控 濺射真空沉積(MSVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、噴霧熱解(即，熱 解沉積)、常壓CVD (APCVD)、低壓CVD (LPCVD )、等離子體增 強CVD(PECVD)、等離子體輔助CVD(PACVD)、熱或電子束蒸鍍、 陰極電弧沉積、等離子體噴霧沉積、或者濕法化學(xué)沉積(例如，溶膠 -凝膠等)。可用的光刻(即，圖案化和蝕刻工藝)可用于形成衍射元 件。制作亞波長共振光柵濾波器的示例性方法使用納米壓印光刻 (NIL)。納米壓印光刻可用于形成光柵層內(nèi)的衍射元件。使用納米壓 印光刻在襯底上形成圖案化薄膜披露于美國專利No.6，309，580和 5,772,905以及美國專利申請公開No.2004/0120644，此處引用其全部內(nèi)
容作為參考。
圖1示出亞波長共振光柵濾波器的剖面示意圖。亞波長共振光柵
濾波器100包括圖案化層102、波導(dǎo)層110和可選的襯底層120。單個 圖案化層102包括衍射元件104陣列，每個衍射元件104分別具有上表 面102a。波導(dǎo)層110和襯底層120分別包括上表面110a和120a，并分 別包括下表面110b和120b。圖案化層102和波導(dǎo)層IIO可包括相同或 不同的材料。
該亞波長共振光柵濾波器可包括抗反射涂層(未示出)?？狗瓷渫?層可形成于至少一個表面102a、 110a、 110b、 120a或120b上。
圖2示出設(shè)計成工作于1.5微米光譜范圍的示例性一維共振光柵 濾波器的掃描電子顯微圖像。該濾波器包括形成于氮化硅波導(dǎo)層上方 的線性氮化硅衍射元件陣列。氮化硅通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積 (PECVD)而沉積在熔融石英襯底上，且光柵結(jié)構(gòu)使用納米壓印光刻 來制作。
氮化硅(光柵層加上波導(dǎo)層)的總厚度約為350nm。光柵結(jié)構(gòu)的 高度約為50nm。光柵的周期約為1.04微米且衍射元件的寬度約為 500nm(即，共振光柵濾波器的占空比約為1)。氮化硅的折射率約為 1.9，熔融石英襯底的折射率為1.46。該一維濾波器的光譜響應(yīng)示于圖 3。
圖3示出對于垂直入射在圖2所示的示例性濾波器上的橫電(TE) 偏振輻射的光鐠反射與波長的關(guān)系的曲線圖(曲線A)。在約1532nm 的共振波長3iVs，約98%的峰值反射和約0.3811111的半高寬(FWHM) 被記錄。該數(shù)據(jù)(曲線A)與理論響應(yīng)(曲線B)吻合，其中使用圖2 所示濾波器的制作參數(shù)基于嚴(yán)格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analysis, RCWA)計算得到該理論響應(yīng)。邊帶內(nèi)的振蕩是由于在熔融石 英襯底的上表面和下表面的菲涅耳反射。如曲線C所示，該曲線為另 外的FCWA計算，使用抗反射涂層涂覆村底的至少一側(cè)可以消除菲涅 耳反射。
圖4示出設(shè)計成工作于1.5微米光譜范圍的二維共振光柵濾波器 的掃描電子顯微圖像。該濾波器包括形成于氮化硅波導(dǎo)層上方的氮化 珪柱陣列。柱陣列的周期沿x方向和y方向均約為1.055微米。每個柱 直徑約500nm,在波導(dǎo)層上方的高度約50nm。波導(dǎo)層的厚度約350nm。
圖5中示出兩個正交偏振的光譜響應(yīng)(將濾波器沿其表面法線旋 轉(zhuǎn)90。之前和之后進行測量而得到)。在約1517nm的共振波長k°res，約 88%的峰值反射和約0.95nm的半高寬(FWHM)被記錄。由于柱陣列 沿兩個垂直方向具有相同的周期和占空比，該濾波器的光譜響應(yīng)基本 上不依賴于垂直入射的偏振。
圖6中示意性示出的示例性拉曼系統(tǒng)600可包括輻射源602;諸 如光學(xué)系統(tǒng)603的裝置，用于將源輻射傳輸和聚焦到樣品604;諸如光 學(xué)系統(tǒng)606的裝置，用于收集發(fā)射的輻射；諸如亞波長共振光柵濾波 器608的裝置，用于從發(fā)射的輻射除去期望的波長；諸如處理器610 的裝置，用于將發(fā)射的輻射分散或分離為分量波長；以及諸如探測器 612的裝置，用于探測該輻射。可以設(shè)置諸如計算機614的裝置，用于 控制該輻射源、數(shù)據(jù)采集和/或提供樣品標(biāo)識信息等。亞波長共振光柵 濾波器608可包括諸如濾波器固定架616的裝置，用于控制共振光柵 濾波器相對于入射束的取向.該拉曼系統(tǒng)可包括表面增強拉曼系統(tǒng)。
示例性的輻射源602為激光器，其可以發(fā)射高強度的單色輻射。 可用于從樣品產(chǎn)生拉曼散射的激光器包括氣體激光器，諸如氦-氖、 氮氣、氬離子和氪離子激光器；固體激光器，諸如紅寶石激光器或者 釹釔鋁石榴石(Nd-YAG)激光器；染料激光器；以及二極管激光器， 諸如單?；蚨嗄６O管激光器。通過將激光束反射通過多光程單元
(multi-pass cell)或者具有增益介質(zhì)的腔體，可以增大激光器的輸出 強度。示例性光學(xué)系統(tǒng)603、 606包括透鏡、反射鏡、棱鏡和其它光學(xué) 元件(例如，光學(xué)纖維)。
處理器610可以是分光計，該分光計可以將散射輻射分離為其分 量波長，且可包括傅立葉變換分光計或者適于聚焦和準(zhǔn)直散射輻射的 其它分光計。可以設(shè)置參考激光器(未示出)，用于將該輻射源和/或傳 輸/聚焦裝置與該共振光柵濾波器、分光計和/或光電探測器光學(xué)對準(zhǔn)。
光電探測器612可包括光電二極管陣列(PDA)或者電荷耦合裝 置(CCD )。陣列光電探測器包括可以同時觀測散射光譜的區(qū)域的多個 光學(xué)元件。還披露了一種具有集成的亞波長共振光柵濾波器的光電二 極管。
圖7示出具有集成的共振光柵濾波器的示例性光電二極管的截面 圖。該光電二極管可以使用VLSI (超大規(guī)模集成電路)或者ULSI (特
大規(guī)模集成電路)工藝制作。襯底700包括摻雜半導(dǎo)體材料(例如， 硅或砷化鎵)。襯底700可以摻雜為p型或n型，不過這里將結(jié)合p型 襯底來描述該示例性光電二極管。厚度約1至100微米的p型外延層 702形成于襯底700上。n+電接觸區(qū)域704、 p+溝道停止區(qū)域706以及 摻雜(例如，磷摻雜或者砷摻雜)的無缺陷n型區(qū)域708形成于外延 層內(nèi)，且場氧化層710形成于外延層上。鈍化氧化層712形成于外延 層上，且導(dǎo)電(例如，鋁)層714形成于電接觸區(qū)域704上和場氧化 層710上。鈍化氧化層712的厚度可以為約50nm至約500nm。導(dǎo)電層 714可用于形成電接觸(例如，通過引線結(jié)合，未示出)。亞波長共振 光柵濾波器718形成于鈍化氧化層712上(即，光電二極管有源表面 上)。導(dǎo)電的(例如，金-鉻)電接觸層720可形成于光電二極管背側(cè) 上。
集成的光電二極管-濾波器包括襯底(例如半導(dǎo)體、塑料、玻璃 或其它合適襯底)，至少一個光電二極管包括形成于該半導(dǎo)體襯底之內(nèi) 和之上的有源表面；以及集成的亞波長共振光柵濾波器，其中該亞波 長共振光柵濾波器包括形成于該有源表面上的波導(dǎo)層以及包含形成于 該波導(dǎo)層上的衍射元件陣列的圖案化層。該共振光柵濾波器可以被配 置成覆蓋單個光電二極管或者光電二極管陣列內(nèi)的任意一個或多個光 電二極管。
使用拉曼光諳儀測量樣品的化學(xué)組成的示例性方法包括使用基 本單色輻射源照射該化學(xué)組成；將從該化學(xué)組成散射和/或發(fā)射的輻射 引導(dǎo)經(jīng)過亞波長共振光柵濾波器，該亞波長共振光柵濾波器包括波導(dǎo) 層以及具有特征周期和特征高度的衍射結(jié)構(gòu)；以及探測穿過該濾波器 透射的輻射。
該衍射結(jié)構(gòu)的周期和/或該衍射結(jié)構(gòu)的高度可以確定為輻射源和/ 或一個或多個化學(xué)成份的函數(shù)，從而最小化穿過濾波器透射的彈性散 射輻射的強度。
輻射源可以被調(diào)諧以匹配該共振光柵濾波器的吸收帶，或者更優(yōu) 選地，該共振光柵濾波器可以被調(diào)諧以匹配輻射源的輸出波長。例如， 共振光柵濾波器的共振波長可以通過改變?yōu)V波器相對于入射在濾波器 上的入射束的取向而改變。
在垂直入射(phi =90°),濾波器可以用于抑制共振波長lambda 0 res。然而，
通過將濾波器相對于入射束對準(zhǔn)(例如，傾斜)使得入射束和濾波器
平面之間的角度小于90°，濾波器可以展示在共振響應(yīng)中的對稱偏移。 對于高達(dá)約5。的傾斜角度，濾波器可以抑制在兩個波長的入射輻射。 非垂直入射的兩個反射峰的共振波長可以表達(dá)為Ves=X°res±^,其中X 為共振波長的改變。在示例性實施例中，通過傾斜共振光柵濾波器高 達(dá)約5°，共振波長的值可以增加(和減小)高達(dá)約40nm。在偏離垂直 大于約5°時，共振濾波器特性通常消失。因此，示例性拉曼系統(tǒng)包括 亞波長共振光柵濾波器和用于調(diào)整該濾波器相對于入射在濾波器上的 輻射束的取向(即，傾斜角度)的控制裝置。
包含亞波長共振光柵濾波器的拉曼系統(tǒng)可以通過結(jié)合下述部件而 更為精制反饋控制系統(tǒng)，用于將發(fā)射或散射的輻射引導(dǎo)穿過共振光 柵濾波器；光電探測器，置為截取穿過該濾波器之后的輻射；以及用 于控制共振光柵濾波器相對于發(fā)射或散射束的取向的裝置。通過將共 振光柵濾波器的抑制波長調(diào)諧至輻射源的工作波長，到達(dá)光電探測器 的工作波長的強度可以減小。
用于控制共振光柵濾波器的傾斜角度的裝置可包括濾波器固定架 且可以通過反饋電路系統(tǒng)耦合到光電探測器.可用的反饋方法可以用 于控制共振光柵濾波器的傾斜角度，從而使以給定波長照射該光電探 測器的輻射的強度最小化。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明可以實施為其它特定形式而不背 離本發(fā)明的精神或基本特征。因此從各個方面而言，所披露的實施例 視為是說明性而非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求界定而不 是由前述說明書界定，且所附權(quán)利要求旨在涵蓋落在其含義和范圍以 及等同特征之內(nèi)的所有變化。
權(quán)利要求
1.一種拉曼系統(tǒng)(600)，包括輻射源(602)；探測器(612)，布置成從所述輻射源(602)接收輻射；以及亞波長共振光柵濾波器(608)，布置于所述輻射源和所述探測器之間，其中所述亞波長共振光柵濾波器(608)包括波導(dǎo)層(110)以及包含衍射元件(104)陣列的圖案化層(102)。
2. —種集成的光電二極管-濾波器，包括襯底，至少一個光電二極管包括形成于所述襯底之內(nèi)和之上的有 源表面；以及集成的亞波長共振光柵濾波器，其中所述亞波長共振光柵濾波器 (100)包括形成于所述有源表面上的波導(dǎo)層(110)以及包含形成于 所述波導(dǎo)層(110)上的衍射元件(104)陣列的圖案化層(102)。
3. 如權(quán)利要求2所述集成的光電二極管-濾波器，其中所述亞波 長共振光柵濾波器(100)包括單個圖案化層.
4. 如權(quán)利要求2所述集成的光電二極管-濾波器，其中所述衍射 元件(104)為從所述波導(dǎo)層上方凸出的圓形柱，所述衍射元件具有小 于約500nm的橫向尺寸，或者所述衍射元件具有小于約500nm的在所 述波導(dǎo)層上方的高度。
5. 如權(quán)利要求2所述集成的光電二極管-濾波器，其中所述圖案 化層(102)包括沿第一和第二正交方向具有周期的二維陣列。
6. 如權(quán)利要求5所述集成的光電二極管-濾波器，其中沿所述第 一和第二正交方向的周期相等。
7. 如權(quán)利要求2所述集成的光電二極管-濾波器，其中連續(xù)衍射 元件(104)之間的間隔小于約500nm。
8. 如權(quán)利要求2所述集成的光電二極管-濾波器，其中所述波導(dǎo) 層(110)為基本平坦的波導(dǎo)層。
9. 如權(quán)利要求2所述集成的光電二極管-濾波器，其中所述波導(dǎo) 層(110)的折射率大于所述圖案化層的有效折射率。
10. 如權(quán)利要求2所述集成的光電二極管-濾波器，其中所述圖 案化層(102)和所述波導(dǎo)層(110)由光學(xué)透明介電材料形成，所述 光學(xué)透明介電材料選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化鉿和氧化鉭 及其混合物。
全文摘要
披露了一種包括亞波長共振光柵濾波器(508)的拉曼光譜儀系統(tǒng)(600)以及一種具有集成的亞波長共振光柵濾波器的光電二極管。該共振光柵濾波器(608)包括衍射元件(104)陣列，該陣列具有比待濾波的輻射的波長小的周期性間隔且形成于波導(dǎo)層(110)上?？梢种铺囟úㄩL的輻射的所述濾波器(608)可以置于拉曼樣品和拉曼探測器(602)之間，從而濾除從樣品彈性散射的輻射，同時透射其它波長。通過相對于入射在濾波器上的輻射而傾斜該濾波器(608)，可以選擇該濾波器所抑制的波長。
文檔編號G02B5/18GK101360981SQ200680051251
公開日2009年2月4日 申請日期2006年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月17日
發(fā)明者S·-Y·王, W·吳, Z·李 申請人:惠普開發(fā)有限公司