據麥姆斯咨詢報道，近日，瑞士聯邦材料科學與技術研究所（Empa）開發了一種微型傅里葉變換波導光譜儀，其集成了一個與CMOS兼容的亞波長膠體量子點（quantum dot，QD）光電探測器作為光傳感器。所開發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計使得將光學/分析測量儀器集成到消費電子和空間設備中成為可能。

紅外光譜儀的微型化對于將其集成到下一代消費電子產品、可穿戴設備和超小型衛星中至關重要。在色散元件、窄帶通濾波器和計算重構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。

在本項工作中，研究人員成功制造了波導集成的HgTe量子點光電探測器。這種室溫工作的光電探測器表現出高達2 μm波長的光譜響應。此外，線狀亞波長尺寸的光電探測器與光波導單片集成，實現了一種概念驗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。這項工作設計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（紅外光區域）。

波導光譜儀示意圖（未按比例繪制）

對于概念驗證器件，研究人員選擇了HgTe量子點光電探測器，因為不需要量子點層的能帶對準。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。包括兩個電極在內的量子點光電探測器的總厚度小于300 nm。與使用外部InGaAs相機及匹配光學器件的最先進波導光譜儀相比，這種成像傳感器的垂直尺寸縮小了1000倍。

量子點光電探測器的制造和表征

在量子點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，據研究人員所知，目前尚未開發出來。受石墨烯轉移的啟發，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，而是可以擴展到各種平坦襯底，如硅上的SiO?，這證明了與CMOS半導體片上集成的兼容性。

1570 nm激光光源的光譜儀應用

研究人員所開發的傅里葉變換波導光譜儀實驗如上圖a所示：1570?nm激光器（300?μW輸出功率）由機械斬波器（50%開口面積）調制并耦合到LiNbO?波導中。調制的光信號取決于亞波長量子點光電探測器的相對位置。反射鏡移動100?μm時可產生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行權衡。在這方面，此次開發的波導光譜儀達到了基本極限，并且進一步小型化可能需要更小的波導截面。所開發的波導光譜儀的最大可探測波長由HgTe量子點膜的吸收光譜確定，在實驗情況下達到約2 μm。

總之，單片集成的亞波長量子點光電探測器對于實現傅里葉變換波導光譜儀的完全微型化至關重要。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量子點的亞波長光電探測器已被單片集成到LiNbO?波導上，其光譜靈敏度高達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，從而實現了大帶寬、超緊湊的紅外光譜儀（50?cm?1的中等光譜分辨率）。本次研究結果為消費電子、空間應用和高光譜相機中的微型光譜儀的開發鋪平了道路。