光谱仪芯片制备方法、光谱仪及光谱测试方法

1.本说明书涉及光谱技术领域，具体涉及一种光谱仪芯片制备方法、光谱仪及光谱测试方法。


背景技术：

2.光谱技术在民用、军事等诸多领域有着重要的应用价值，光谱仪作为获取光谱信息的重要仪器，影响光谱技术应用和发展。
3.光谱仪包括分光元件，分光元件决定了光谱仪的光谱分辨率和仪器体积。常用的色散型分光元件，例如，光栅、棱镜；或者干涉型分光器件，例如，迈克尔逊干涉仪等，虽然光谱分辨率高，但仪器体积庞大，不适用于便携应用，应用场景受到限制。
4.目前市场已上市的便携式光谱仪所采用的分光元件多为拼接式滤光片阵列、数字式可调分光器、拼接光栅、mems迈克尔逊干涉仪等。包括上述光学元件的光谱仪虽然体积有所下降，但是无法达到厘米级或厘米级以下。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本说明书多个实施方式致力于提供光谱仪芯片制备方法、光谱仪及光谱测试方法，有利于降低光谱仪尺寸。
6.本说明书一个实施方式提供一种光谱仪芯片制备方法，包括：在衬底背对探测器阵列的表面蒸镀第一光子晶体层；其中，所述第一光子晶体层由沿着背离所述表面方向周期性交替生长的至少两层折射率不同的介质层构成；所述探测器阵列包括多个阵列排布的探测器像元；在所述第一光子晶体层表面蒸镀初始缺陷层；所述初始缺陷层折射率不等于所述初始缺陷层所接触的介质层的折射率；在所述初始缺陷层表面旋涂光刻胶；采用灰度曝光工艺曝光所述光刻胶；其中，至少部分所述探测器像元对应的光刻胶采用互不相同的曝光强度；对曝光后的光刻胶进行显影形成光刻胶层；其中，至少部分所述探测器像元对应的所述光刻胶层厚度互不相同；均匀刻蚀所述光刻胶层及所述初始缺陷层；其中，刻蚀后的初始缺陷层形成缺陷层阵列，缺陷层阵列由具有不同厚度的缺陷层单元组成；在所述缺陷层阵列上蒸镀第二光子晶体层；其中，所述第二光子晶体层由周期性交替生长的所述介质层构成。
7.本说明书一个实施方式提供一种光谱仪芯片制备方法，包括：在衬底背对探测器阵列的表面蒸镀第一光子晶体层；其中，所述第一光子晶体层包括沿着背离所述表面方向周期性交替生长的至少两种折射率不同的介质层；所述探测器阵列包括多个阵列排布的探测器像元；在所述第一光子晶体层表面旋涂电子束光刻胶；采用电子束灰度曝光工艺曝光所述光刻胶；其中，至少部分所述探测器像元对应的电子束光刻胶采用互不相同的曝光强度；对曝光后的电子束光刻胶进行显影形成光刻胶层；其中，所述光刻胶层的折射率不等于所述光刻胶层所接触的介质层的折射率，至少部分所述探测器像元对应的光刻胶层厚度互不相同，光刻胶层由多个不同厚度的光刻胶层单元组成，光刻胶层作为缺陷层阵列使用；在
所述光刻胶层上蒸镀第二光子晶体层；其中，所述第二光子晶体层由周期性交替生长的所述介质层构成。
8.本说明书一个实施方式提供一种光谱仪，包括：光谱仪芯片和与所述光谱仪芯片电连接的光谱重构模块；所述光谱仪芯片包括层叠设置的缺陷光子晶体阵列、衬底、探测器阵列和探测器读出电路，所述探测器阵列位于所述缺陷光子晶体阵列和所述探测器读出电路之间，所述探测器阵列和所述缺陷光子晶体阵列制备于所述衬底相对的表面上；所述缺陷光子晶体阵列包括依次层叠的第一光子晶体层、缺陷层阵列和第二光子晶体层，所述缺陷光子晶体阵列划分为多个缺陷光子晶体单元，相邻所述缺陷光子晶体单元的缺陷层厚度不同；所述探测器阵列包括多个探测器像元，所述探测器像元用于将入射光信号转换为电信号；各所述缺陷光子晶体单元与至少一个所述探测器像元相对应；所述探测器读出电路用于接收所述电信号，并将所述电信号传输至所述光谱重构模块；所述光谱重构模块用于根据标准响应光谱和所述电信号，基于预设算法重构所述入射光信号对应的目标光谱。
9.本说明书一个实施方式提供一种光谱测试方法，采用包括光谱仪芯片和与所述光谱仪芯片电连接的光谱重构模块的光谱仪；所述光谱仪芯片包括用于过滤入射光信号的缺陷光子晶体阵列、衬底和用于将经过对应的缺陷光子晶体阵列的光信号转化为电信号的探测器阵列，所述探测器读出电路与所述探测器阵列电连接；所述缺陷光子晶体阵列和所述探测器阵列制备在衬底相对的表面；所述方法包括：所述探测器阵列将入射光信号转换为电信号；所述探测器读出电路接收所述电信号并传输至所述光谱重构模块；所述光谱重构模块接收所述电信号，并根据标准响应光谱和所述电信号采用预设算法重构所述入射光信号对应的目标光谱。
10.本说明书多个实施方式提供的光谱仪芯片制备方法，通过直接在衬底背对探测器阵列的表面形成缺陷光子晶体阵列，缺陷光子晶体阵列包括多个缺陷层厚度不同的缺陷光子晶体单元，从而可以将光谱仪的分光功能元件体积缩小到芯片级，有利于降低光谱仪体积；此外，由于直接制备在衬底表面，改变了传统组装结构，有利于降低串扰和提高稳定性；由于采用了灰度曝光工艺，可以一次性形成具有不同厚度的缺陷层单元阵列，有利于降低工艺难度和提高良率。
附图说明
11.图1a-1e所示为一实施方式提供的光谱仪芯片制备过程中处于不同阶段的结构示意图。
12.图2所示为一实施方式提供的光谱仪芯片结构示意图。
13.图3所示为实施方式1的50通道标准响应光谱。
14.图4所示为光谱测试过程及结果示意图。
15.图5所示实施方式1对带通滤光片样品在900-1700nm的宽波段透射光谱进行光谱重构测试结果。
16.图6所示为实施方式1对1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm、1600nm波长窄带入射光的重构光谱结果。
17.图7所示为实施方式1对1500nm波长窄带入射光的重构光谱细节。
18.图8所示为实施方式1在1050nm波长处的双峰窄带入射光重构光谱结构。
19.图9所示为实施方式1在1550nm波长处的双峰窄带入射光重构光谱结构。
20.图10所示为实施方式2的20通道标准响应光谱。
21.图11所示为实施方式2对带通滤光片的900-1700nm宽光谱测试结果。
22.附图标记说明：探测器读出电路100；探测器阵列200；衬底300；缺陷光子晶体阵列400；缺陷光子晶体单元410；第一光子晶体层411；第二光子晶体层412；缺陷层阵列413；初始缺陷层413a；光刻胶层500。
具体实施方式
23.下面将结合说明书部分实施方式中的附图，对本说明书部分实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅是本说明书一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本说明书中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本说明书的范围。
24.正如背景技术提到的，可以通过分光元件的尺寸变小，而缩小整体尺寸。但是，分光元件和探测芯片分离组装结构的分光单元与探测像元之间的对准精度不够高，存在入射光串扰、易引入杂散光、固定装置易老化等弊端。本说明书一个实施方式提供一种光谱仪芯片制备方法。所述光谱仪芯片制备方法可以包括以下步骤。
25.步骤s110：在衬底300背对探测器阵列200的表面蒸镀第一光子晶体层411；其中，所述第一光子晶体层411包括沿着背离所述表面方向周期性交替生长的至少两种折不同射率的介质层；所述探测器阵列200包括多个阵列排布的探测器像元。
26.请参阅图1a和图1b。图1a示意出了探测器阵列200和衬底300相对位置关系。在一些实施方式中，在衬底300背对探测器阵列200的表面蒸镀第一光子晶体层411。蒸镀可以是电子束蒸发方式，或者可以采用热蒸发方式，或者可以是其他镀膜方式。
27.在一些实施方式中，探测器阵列200可以是ingaas探测器阵列200。探测器阵列200包括多个阵列排布的探测器像元。探测器阵列200用于将经过缺陷光子晶体单元410的光信号转换为电信号。
28.在一些实施方式中，在衬底300背对探测器阵列200的表面蒸镀第一光子晶体层411，相应的，第一光子晶体层411和探测器阵列200设置在衬底300相对的两个表面上。
29.在一些实施方式中，第一光子晶体层411包括沿着背离所述表面的方向周期性交替生长的至少两种不同折射率的介质层。第一光子晶体层411可以包括两种介质层，或者可以包括两种以上介质层。第一光子晶体层411中各介质层的折射率可以互不相同。多个介质层按照周期性规律排布。
30.在一些实施方式中，第一光子晶体层411包括周期性交替排布的第一介质层和第二介质层。同一重复周期中，第一介质层的折射率不等于第二介质层的折射率。可以是第一介质层的折射率大于第二介质层的折射率；或者，可以是第一介质层的折射率小于第二介质层的折射率。第一介质层和第二介质层的重复周期可以大于等于2。以第一介质层折射率小于第二介质层折射率，第一介质层和第二介质层的重复周期为3为例，将第一介质层和第二介质层分别记作l和h，则第一光子晶体层411包括lhlhlh结构，可以记作(lh)3。
31.步骤s120：在所述第一光子晶体层411表面蒸镀初始缺陷层413a；所述初始缺陷层413a的折射率不等于所述初始缺陷层413a所接触的介质层的折射率。
32.请参阅图1b。在一些实施方式中，初始缺陷层413a可以与第一光子晶体层411采用同一工艺制备。初始缺陷层413a的折射率不等于初始缺陷层413a所接触的介质层的折射率。可以是，初始缺陷层413a的折射率大于初始缺陷层413a接触的介质层的折射率。可以是，初始缺陷层413a的折射率小于初始缺陷层413a接触的介质层的折射率。
33.步骤s130：在所述初始缺陷层413a表面旋涂光刻胶。
34.在一些实施方式中，光刻胶可以是紫外光刻胶，可以是电子束光刻胶，或者可以是其他类型的光刻胶。旋涂有利于提高光刻胶的厚度均一性。
35.步骤s140：采用灰度曝光工艺曝光所述光刻胶；其中，至少部分所述探测器像元对应的光刻胶采用互不相同曝光强度。
36.请参阅图1c。在一些实施方式中，可以是各探测器像元对应的光刻胶均采用互不相同的曝光强度进行曝光；或者，可以部分探测器像元对应的光刻胶采用同一曝光强度进行曝光。多个探测器像元可以呈多行多列排布，部分探测器像元对应的光刻胶采用同一曝光强度进行曝光多个探测器像元，可以是同一行或者同一列探测器像元对应的光刻胶采用同一曝光强度进行曝光，相应的，不同行或者不同列的探测器像元对应的光刻胶采用不同的曝光强度进行曝光。或者，部分探测器像元对应的光刻胶采用同一曝光强度进行曝光多个探测器像元可以是将探测器阵列200划分为多个区域，各区域包括多个探测器像元，同一区域内各探测器像元对应的光刻胶采用不同的曝光强度进行曝光，不同区域对应位置的探测器像元可以采用同一曝光强度进行曝光，可以形成超像元的排布方式。多个探测器像元可以相互间隔，探测器像元之间的区域对应的光刻胶可以部分或者全部区域与相邻的探测器像元采用同一曝光强度进行曝光。可以根据需要，采用任一形式的曝光强度排布方式进行曝光，在此不再赘述。
37.步骤s150：对曝光后的光刻胶进行显影形成光刻胶层500；其中，至少部分所述探测器像元对应的光刻胶层500厚度不同。
38.请参阅图1c。图1c中以箭头示意不同的曝光强度，图中未示意光刻胶层具有不同厚度。在一些实施方式中，由于采用了灰度曝光工艺，显影后不同曝光强度对应的光刻胶层500厚度不同。光刻胶层500厚度为沿着垂直于衬底300设置第一光子晶体层411表面的方向的尺寸。光刻胶可以选择正性光刻胶，正性光刻胶受到的曝光量越小，在显影时越不易被溶解去除，相应的，形成的光刻胶层500厚度更大。光刻胶可以选择负性光刻胶，负性光刻胶受到的曝光量越小，在显影时越易被溶解去除，相应的，形成的光刻胶层500厚度更小。由于采用灰度曝光工艺曝光光刻胶；其中，至少部分探测器像元对应的光刻胶采用互不相同的曝光强度，相应的，至少部分探测器像元对应的光刻胶层500厚度互不相同。以各探测器像元对应的光刻胶均采用互不相同的曝光强度进行曝光为例，相应的，各探测器像元对应的光刻胶层500厚度各不相同。
39.步骤s160：均匀刻蚀所述光刻胶层500及所述初始缺陷层413a；其中，刻蚀后的初始缺陷层413a形成缺陷层阵列413，缺陷层阵列413由多个不同厚度的缺陷层单元组成。
40.请参阅图1d。在一些实施方式中，可以采用同一工艺参数进行刻蚀。可以采用干法刻蚀。均匀刻蚀光刻胶层500及初始缺陷层413a，从而将光刻胶层500互不相同厚度的形貌转移至初始缺陷层413a。刻蚀后的初始缺陷层413a形成缺陷层阵列413，由于至少部分所述探测器像元对应的光刻胶采用互不相同的曝光强度，因此至少部分探测器像元对应的缺陷
层阵列413的厚度互不相同。缺陷层阵列413由多个不同厚度的缺陷层单元组成，同一缺陷层单元的厚度相同，不同缺陷层单元的厚度不同。缺陷层阵列由多个不同厚度的缺陷层单元组成，从而，可以进一步形成一维缺陷光子晶体阵列。均匀刻蚀光刻胶层500及初始缺陷层413a，可以理解，由于至少部分探测器像元对应的光刻胶层500厚度互不相同，因此，可以是部分探测器像元对应的区域仅进行光刻胶层500的刻蚀，部分探测器像元对应的区域进行光刻胶层500的刻蚀及初始缺陷层413a的刻蚀。或者，针对显影后未覆盖光刻胶层500的区域，可以仅进行初始缺陷层413a的刻蚀。可以理解，就整个光刻胶层500和初始缺陷层413a而言，至少部分区域的光刻胶层500发生了刻蚀，至少部分区域的初始缺陷层413a发生了刻蚀，从而可以形成至少部分探测器像元对应的缺陷层阵列413的厚度互不相同。
41.步骤s170：在所述缺陷层阵列413上蒸镀第二光子晶体层412；其中，所述第二光子晶体层412由周期性交替生长的所述介质层构成。
42.请参阅图1e。在一些实施方式中，第二光子晶体层412可以与第一光子晶体层411采用同样的工艺制备。蒸镀可以是电子束蒸发方式，或者可以采用热蒸发方式，或者可以是其他蒸镀方式。第二光子晶体层412与第一光子晶体层411包括的膜层相同，只是交替规律与第一光子晶体层411相反。例如，第一光子晶体层411包括周期性交替排布的第一介质层和第二介质层，同一重复周期中，第一介质层位于第二介质层和衬底300之间；相应的，针对第二光子晶体层412，同一重复周期中，第二介质层位于第一介质层和衬底300之间。第二光子晶体层412交替生长的介质层的重复周期可以与第一介质层的重复周期不同。例如，第一光子晶体层411包括第一介质层和第二介质层，重复周期为3，将第一介质层和第二介质层分别记作l和h，则第一光子晶体层411包括lhlhlh结构，可以记作(lh)3；第二光子晶体层412重复周期为2，则第二光子晶体层412包括hlhl结构，可以记作(hl)2。第一光子晶体层411、缺陷层阵列413和第二光子晶体层412可以形成一维缺陷光子晶体。
43.本说明书实施方式提供的光谱仪芯片制备方法，由于采用灰度曝光工艺形成缺陷层阵列413，一次性形成厚度互不相同的区域，进而形成具有互不相同厚度的缺陷层阵列413，相较于经过n次组合刻蚀或组合镀膜来完成2n个互不相同厚度区域的制备工艺，有利于制备工艺的简化和制备成本的降低。而且，通过控制灰度曝光工艺的曝光强度，可以相对独立且精确地确定每个缺陷层单元的厚度，而无需以一定的规律排列，相比于传统的组合刻蚀、组合镀膜方法，具有独立控制厚度的自由度，有利于形成多种类型的分光元件，提高适用范围。缺陷光子晶体透射光谱受缺陷层阵列413各缺陷层单元厚度的控制，可以用作分光元件，满足光谱分析需求。此外，由于缺陷光子晶体形成在衬底300背对探测器阵列200的表面，可以基于探测器阵列将分光元件体积缩小到芯片级，有利于降低光谱仪体积和提高稳定性。
44.在一些实施方式中，在衬底300背对探测器阵列200的表面蒸镀第一光子晶体层411的步骤中，包括：在衬底300背对探测器阵列200的表面蒸镀第一光子晶体层411；其中，所述第一光子晶体层411包括沿着背离所述表面方向周期性交替生长的第一介质层和第二介质层，所述第一介质层的折射率不等于所述第二介质层的折射率；所述探测器阵列200包括多个阵列排布的探测器像元；相应的，在所述缺陷层阵列413上蒸镀第二光子晶体层412的步骤中，包括：在所述缺陷层阵列413上蒸镀第二光子晶体层412；其中，所述第二光子晶体层412包括沿着背离所述表面方向周期性交替生长的所述第二介质层和所述第一介质
层。第一光子晶体层411的与第二光子晶体层412的重复周期可以不同。
45.在一些实施方式中，在衬底300背对探测器阵列200的表面蒸镀第一光子晶体层411的步骤中，包括：在衬底300背对探测器阵列200的表面蒸镀第一光子晶体层411；其中，所述第一光子晶体层411包括沿着背离所述表面方向周期性交替生长的第一介质层和第二介质层，所述第一介质层的折射率不等于所述第二介质层的折射率；所述探测器阵列200包括多个阵列排布的探测器像元；相应的，在所述第一光子晶体层411表面蒸镀初始缺陷层413a的步骤中，包括：在所述第一光子晶体层411表面蒸镀初始缺陷层413a；其中，所述初始缺陷层413a的材料与所述第一介质层的材料相同。始缺陷层413a的材料与第一介质层的材料相同，有利于简化工艺，提高制备效率。
46.在一些实施方式中，第一介质层的材料、第二介质层的材料可以分别选自以下之一：si、ge、ta2o5、tio2、nb2o5、bi2o3、cds、cdte、ceo2、cdse、gr2o3、金刚石、dy2o3、fe2o3、gaas、hfo2、ho2o3、inas、insb、in2o3、pbte、pbcl2、pbf2、se、sb2o3、sb2s3、sno2、si3n4、te、zno、znse、sio、zns、sio2、al2o3、aloxny、alf3、bif3、baf2、caf2、cef3、csbr、csi、eu2o3、gd2o3、lif、laf3、la2o3、mgf2、mgo、naf、na3al3f6、nd2o3、ndf3、pr6o
11
、sc2o3、srf2、smf3、sm2o3、thf4、ybf3、y2o3、zro2。第一介质层的折射率可以不等于第二介质层的折射率。在一些实施方式中，初始缺陷层413a材料可以选自上述材料之一。
47.请参阅图2。在一些实施方式中，所述探测器阵列200划分为多个探测器单元，所述探测器单元包括至少一个探测器像元；在采用灰度曝光工艺曝光所述光刻胶的步骤中，包括：采用灰度曝光工艺曝光所述光刻胶；其中，相邻所述探测器单元对应的光刻胶采用的曝光强度不同；相应的，在对曝光后的光刻胶进行显影形成光刻胶层500的步骤中，包括：对曝光后的光刻胶进行显影形成光刻胶层500；其中，相邻所述探测器单元对应的所述光刻胶层500厚度不同；相应的，在均匀刻蚀所述光刻胶层500及所述初始缺陷层413a的步骤中，包括：均匀刻蚀所述光刻胶层500及所述初始缺陷层413a；其中，刻蚀后的初始缺陷层413a形成缺陷层阵列413，缺陷层阵列由多个具有不同厚度的缺陷层单元组成；所述探测器单元对应的所述缺陷层阵列单元的厚度由相应光刻胶层500厚度控制。探测器单元包括至少一个探测器像元，探测器单元可以包括一个探测器像元，可以包括多个探测器像元。例如，两个，三个，四个等。探测器单元可以仅包括一个探测器像元，有利于缩小光谱仪芯片的尺寸，进一步有利于降低光谱仪尺寸。探测器单元包括多个探测器像元，有利于降低工艺难度。相邻探测器单元对应的光刻胶采用的曝光强度不同，相应的，相邻探测器单元对应的缺陷层单元的厚度不同，探测器单元与缺陷层单元一一对应。非相邻的探测器单元对应的缺陷层单元的厚度可以相同，可以不同。相邻可以指的是单一方向的相邻，或者多个方向的相邻。
48.在一些实施方式中，探测器单元对应的缺陷层单元的厚度由相应光刻胶层厚度控制，可以是光刻胶层厚度大的区域，最终形成的缺陷层单元的厚度大，可以是光刻胶层厚度小的区域，最终形成的缺陷层单元的厚度小。但是光刻胶层不同区域的厚度差，或者厚度比例，与最终形成的缺陷层单元的厚度差，或者厚度比例可以不同。只要光刻胶层厚度大的区域最终形成的缺陷层单元的厚度大于光刻胶层厚度小的区域最终形成的缺陷层单元的厚度即可。
49.在一些实施方式中，所述探测器阵列200划分为多个探测器单元，所述探测器单元包括至少一个探测器像元；在采用灰度曝光工艺曝光所述光刻胶的步骤中，包括：采用灰度
曝光工艺曝光所述光刻胶；其中，相邻所述探测器单元对应的光刻胶采用的曝光强度互不相同；相应的，在对曝光后的光刻胶进行显影形成光刻胶层500的步骤中，包括：对曝光后的光刻胶进行显影形成光刻胶层500；其中，相邻所述探测器单元对应的所述光刻胶层500厚度互不相同；相应的，在均匀刻蚀所述光刻胶层500及所述初始缺陷层413a的步骤中，包括：均匀刻蚀所述光刻胶层500及所述初始缺陷层413a；其中，刻蚀后的初始缺陷层413a形成缺陷层阵列413，相邻所述探测器单元对应的所述缺陷层阵列413的厚度互不相同。
50.在一些实施方式中，相邻所述探测器单元对应的光刻胶采用的曝光强度互不相同，可以是曝光强度逐渐增强，可以是曝光强度逐渐降低，也可以自由设置每个探测器单元对应的光刻胶的曝光强度。从而，有利于形成相邻厚度互不相同的缺陷层阵列413单元。相邻可以是任一方向的相邻。同一探测器单元对应的光刻胶可以采用相同的曝光强。
51.在一些实施方式中，在均匀刻蚀所述光刻胶层500及所述初始缺陷层413a步骤中，包括：采用干法刻蚀工艺均匀刻蚀所述光刻胶层500及所述初始缺陷层413a。干刻工艺有利于提高刻蚀精度。
52.在一些实施方式中，在均匀刻蚀所述光刻胶层500及所述初始缺陷层413a的步骤中，还包括：清洗刻蚀后残留的光刻胶层500。可以采用有机溶剂清洗。例如，可以采用乙醇、丙酮等有机溶剂。
53.本说明书一个实施方式提供一种光谱仪芯片制备方法。所述光谱仪芯片制备方法可以包括以下步骤。
54.步骤s210：在衬底300背对探测器阵列200的表面蒸镀第一光子晶体层411；其中，所述第一光子晶体层411包括沿着背离所述表面方向周期性交替生长的至少两种折射率不同的介质层；所述探测器阵列200包括多个阵列排布的探测器像元。
55.步骤s220：在所述第一光子晶体层411表面旋涂电子束光刻胶。
56.在一些实施方式中，电子束光刻胶可以是氢硅倍半环氧乙烷(hsq,hydrogen silsesquioxane)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma,polymethyl methacrylate)等材料。
57.步骤s230：采用电子束灰度曝光工艺曝光所述电子束光刻胶；其中，至少部分所述探测器像元对应的电子束光刻胶采用互不相同的曝光强度。
58.步骤s240：对曝光后的电子束光刻胶进行显影形成光刻胶层500；其中，所述光刻胶层500的折射率不等于所述光刻胶层500所接触的介质层的折射率，至少部分所述探测器像元对应的光刻胶层500厚度互不相同，所述光刻胶层作为缺陷层阵列使用。
59.在一些实施方式中，采用电子束曝光光刻机在至少部分探测器像元对应的电子束光刻胶采用互不相同的曝光强度进行曝光，显影后形成少部分探测器像元对应的光刻胶层500厚度互不相同的结构。电子束光刻胶经曝光、显影后，形成的光刻胶层500折射率不等于与光刻胶层500所接触的介质层的折射率，光刻胶层500即作为缺陷层阵列413，发挥缺陷层阵列413的功能，和第一光子晶体层411以及第二光子晶体层412形成缺陷光子晶体结构。
60.步骤s250：在所述显影后的光刻胶层500上蒸镀第二光子晶体层412；其中，所述第二光子晶体层412由周期性交替生长的所述介质层构成。
61.步骤s210与s250以及其他相同的内容可以参照上文实施方式中的光谱仪芯片制备方法，在此不再赘述。
62.本实施方式提供的光谱仪芯片制备方法，通过选用电子束光刻胶，利用电子束光
刻胶曝光、显影后折射率的特性，可以无需额外设置初始缺陷层413a和无须进一步对光刻胶层500进行刻蚀，显影后的光刻胶层500可以作为缺陷层阵列413，有利于工艺步骤的减小，提高制备效率和降低成本。同时，直接制备的方式，可以避免分离组装式结构带来的光串扰、稳定性低等问题。由于缺陷光子晶体形成在衬底300背对探测器阵列200的表面，可以基于将发挥分光功能的元件体积缩小到芯片级，解决了光谱仪组件体积无法进一步缩小的问题。
63.请参阅图2。本说明书一个实施方式提供一种光谱仪。所述光谱仪可以包括光谱仪芯片和与所述光谱仪芯片电连接的光谱重构模块；所述光谱仪芯片包括层叠设置的缺陷光子晶体阵列400、衬底300、探测器阵列200和探测器读出电路100，所述探测器阵列200位于所述缺陷光子晶体阵列400和所述探测器读出电路100之间，所述探测器阵列200和所述缺陷光子晶体400阵列制备于所述衬底300相对的表面上；所述缺陷光子晶体阵列400包括依次层叠的第一光子晶体层411、缺陷层阵列413和第二光子晶体层412，所述缺陷光子晶体阵列400划分为多个缺陷光子晶体单元410，相邻所述缺陷光子晶体单元410的缺陷层厚度不同；所述探测器阵列200包括多个探测器像元，所述探测器像元用于将入射光信号转换为电信号；各所述缺陷光子晶体单元410与至少一个所述探测器像元相对应；所述探测器读出电路100用于接收所述电信号，并将所述电信号传输至所述光谱重构模块；所述光谱重构模块用于根据所述光谱仪芯片的标准响应光谱和所述电信号，基于采用预设算法重构所述入射光信号对应的目标光谱。
64.在一些实施方式中，探测器阵列200位于缺陷光子晶体阵列400和探测器读出电路100之间，可以是缺陷光子晶体阵列400、衬底300、探测器焦平面200、探测器读出电路100层叠设置。探测器焦平面200和缺陷光子晶体阵列400位于衬底300相对的表面上。请参阅图2，光谱仪芯片包括自上而下设置的缺陷光子晶体阵列400、衬底300、探测器阵列200和探测器读出电路100。可以理解，上下并不必然特指重力方向，只是为了便于理解缺陷光子晶体阵列400、衬底300、探测器阵列200和探测器读出电路100的相对位置关系。
65.在一些实施方式中，缺陷光子晶体阵列400包括依次层叠的第一光子晶体层411、缺陷层阵列413和第二光子晶体层412，所述缺陷光子晶体阵列400划分为多个缺陷光子晶体单元410，相邻所述缺陷光子晶体单元410的缺陷层厚度不同。缺陷光子晶体单元410基于缺陷层阵列413厚度划分，或者说基于缺陷层单元划分，可以理解，以缺陷光子晶体阵列400的厚度变化为划分依据，相应的，相邻缺陷光子晶体单元410的缺陷层厚度不同。未相邻的缺陷光子晶体单元410的厚度可以不同。可以理解，不同缺陷光子晶体单元410包括的第一光子晶体层411厚度相同，不同缺陷光子晶体单元410包括的第二光子晶体层412厚度相同。相邻缺陷光子晶体单元410的缺陷层厚度不同，同一缺陷光子晶体单元410的缺陷层厚度相同。相邻可以是单一方向的相邻，可以是多个方向的相邻。基于缺陷层阵列413各缺陷层单元厚度的差异，第一光子晶体层411、缺陷层阵列413和第二光子晶体层412具有缺陷光子晶体的特征。可以理解，缺陷光子晶体单元410的缺陷层阵列413厚度在不同区域存在差异，相应的，各缺陷光子晶体单元410的厚度互不相同。
66.在一些实施方式中，探测器阵列200包括多个探测器像元，所述探测器像元用于将入射光信号转换为电信号；各所述缺陷光子晶体单元410与至少一个所述探测器像元相对应。缺陷光子晶体单元410可以与一个探测器像元相对应，可以与多个探测器像元相对应。
缺陷光子晶体单元410与一个探测器像元相对应，可以是缺陷光子晶体单元410在探测器阵列200的正投影覆盖一个探测器像元。缺陷光子晶体单元410用于过滤入射光信号，探测器像元用于将入射光信号转换为电信号。
67.在一些实施方式中，所述探测器读出电路100用于接收所述电信号，并将所述电信号传输至所述光谱重构模块；所述光谱重构模块用于根据标准响应光谱和所述电信号获取所述入射光信号对应的目标光谱。
68.在一些实施方式中，光谱仪芯片的可以基于缺陷光子晶体单元410划分为多个通道，各通道与一个缺陷光子晶体单元410对应。可以标定缺陷光子晶体单元410的标准相应光谱。具体可以参照下文光谱测试方法实施例，在此不再赘述。
69.在一些实施方式中，所述预设算法包括：最小二乘法、压缩感知算法、深度学习算法、神经网络算法中任一种。
70.在一些实施方式中，标准响应光谱在光谱截止带范围内包括至少一个干涉峰。
71.本说明书实施方式提供的光谱仪，由于光谱仪芯片包括缺陷光子晶体阵列400，可以利用缺陷光子晶体阵列400的透射光谱受缺陷层阵列413各缺陷层单元厚度控制的性质，进行光谱重构型光谱测试；探测器阵列200和缺陷光子晶体阵列400位于衬底300相对的表面上，探测器阵列200和缺陷光子晶体阵列400为一体结构，无须额外的组装，有利于降低光谱仪尺寸、防止入射光串扰和提高光谱仪稳定性；由于采用预先标定的各通道标准响应光谱，可以降低噪声干扰，提高测试准确度；由于采用了预设算法，可以将缺陷光子晶体单元410光谱截止带内所有干涉峰代入预设算法得到光信号对应的目标光谱，有利于拓展光谱仪的工作波长范围。
72.在一些实施方式中，提供了一种光谱测试方法。可以采用如下光谱仪进行光谱测试。光谱仪可以包括：光谱仪芯片和与所述光谱仪芯片电连接的光谱重构模块；所述光谱仪芯片自上而下由缺陷光子晶体阵列400、衬底300、探测器阵列200、探测器读出电路100构成；光谱仪包括的光谱仪芯片可以采用上述任一实施方式提供的光谱仪芯片制备方法制备。所述光谱测试方法可以包括以下步骤。
73.步骤s310：所述探测器阵列200将入射光信号转换为电信号。
74.在一些实施方式中，光谱仪芯片的缺陷光子晶体阵列400包括多个缺陷光子晶体单元410，相邻缺陷光子晶体单元410可以具有厚度不同的缺陷层单元。各缺陷光子晶体单元的透射光谱可以不同。探测器像元与缺陷光子晶体单元410可以是一一对应，可以是多个探测器像元对应一个缺陷光子晶体单元410。探测器像元用于实现光信号到电信号的转化。
75.在一些实施方式中，缺陷光子晶体阵列400和探测器阵列200制备在衬底的相对的表面。缺陷光子晶体阵列400直接生长在探测器阵列200所在的衬底的另一侧，可以无须利用机械机构等进行拼接，有利于避免入射光串扰、避免引入杂散光、提高固定装置稳定性等。
76.步骤s320：所述探测器读出电路100接收所述电信号并传输至所述光谱重构模块。
77.在一些实施方式中，光谱重构模块与探测器读出电路100电连接，探测器读出电路100与探测器像元电连接。探测器读出电路100接收探测器像元发出的电信号，并将电信号输出至光谱重构模块。
78.步骤s330：所述光谱重构模块接收所述电信号，并根据标准响应光谱和所述电信
号采用预设算法重构所述入射光信号对应的目标光谱。
79.在一些实施方式中，缺陷光子晶体单元410与标准响应光谱具有对应关系。不同的缺陷光子晶体单元410可以对应不同的标准响应光谱。可以预先标定缺陷光子晶体单元410对应的标准响应光谱。具体的，光谱仪芯片自上而下由缺陷光子晶体阵列400、衬底300、探测器阵列200和探测器读出电路100组成；缺陷光子晶体阵列400可以包括多个缺陷层厚度各不相同的缺陷光子晶体单元410，探测器阵列200包括多个探测器像元，缺陷光子晶体单元410与至少一个所述探测器像元相对应，探测器读出电路100用于接收探测器像元产生的电信号并传输至光谱重构模块。缺陷光子晶体单元410对应的标准响应光谱受缺陷光子晶体单元410的透射光谱、探测器像元的原始响应光谱、探测器读出电路100噪声的影响而成。将光谱仪芯片划分为多个通道，各所述通道与一个所述缺陷光子晶体单元410对应，可以理解，各通道包括缺陷光子晶体单元410、缺陷光子晶体单元410对应的探测器像元，并且各通道的探测器像元产生的电信号经探测器读出电路100传输至光谱重构模块。采用光谱标定系统标定每个所述通道的标准响应光谱。具体的，可以采用波长可调的准单色光测试系统标定每个通道的标准响应光谱形成所述缺陷光子晶体单元410对应的标准响应光谱，此时，缺陷光子晶体单元410对应的标准响应光谱是由缺陷光子晶体单元410的透射光谱、探测器像元的原始响应光谱、探测器读出电路100的噪声复合而成。在得到通道的标准响应光谱后，在进行光谱测试时候，可以排除光谱仪芯片自身的干扰，提高测试准确度。
80.在一些实施方式中，所述预设算法包括：最小二乘法、压缩感知算法、深度学习算法、神经网络算法中任一种。
81.在一些实施方式中，目标光谱可以是波长与透射率的对应关系。或者，可以是波长与反射率的对应关系。
82.在一些实施方式中，标准响应光谱在光谱截止带范围内包括至少一个干涉峰。通过采用预设算法，可以将缺陷光子晶体单元410光谱截止带内所有干涉峰代入预设算法得到入射光信号对应的目标光谱。从而，光谱仪的工作谱段不再局限于一个单级干涉峰调控范围内，有利于拓展光谱仪的工作波长范围。
83.本说明书实施方式提供的光谱测试方法，通过缺陷光子晶体单元410对应的标准响应光谱和所述电信号采用预设算法重构所述入射光信号对应的目标光谱，通过采用预设算法，可以利用标准响应光谱的多个干涉峰，有利于获取更宽波长的测试范围。
84.为使本说明书实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式对本本说明书实施方式的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本说明书实施方式一部分实施例，而不是全部的实施方式。
85.实施方式1
86.探测器阵列200为ingaas探测器阵列200，探测器像元尺寸为30
×
30μm。每个缺陷光子晶体单元410的尺寸为60
×
60um，即缺陷光子晶体单元410与四个探测器像元相对应。
87.第一介质层折射率大于第二子介质折射率，第一子介质材料sio2，第二介质层材料si，两种材料交替生长组成第一光子晶体层411。重复周期为3。第一介质层记作l，第二子介质记作h。第一光子晶体层411记作(lh)3。缺陷层阵列413材料为sio2。第二光子晶体层412重复周期为3，第二光子晶体层412与第一光子晶体层411材料相同。第二光子晶体层412记作(hl)3。
88.每层第一介质层厚度为215nm，每层第二介质层厚度为115nm。初始缺陷层413a的厚度为第一介质层厚度的4.2倍。缺陷层阵列413的厚度变化范围为0-903nm。
89.基于上述参数，可以采用如下工艺制备光谱仪芯片：1.在ingaas探测器阵列200上蒸镀第一光子晶体层(lh)3和初始缺陷层413a；2.在初始缺陷层413a上旋涂紫外光刻胶；3.使用曝光强度阶梯变化的灰度曝光工艺进行曝光；4.显影光刻胶并清洗，获得厚度呈阶梯变化的光刻胶层500；5.使用干法刻蚀工艺对光刻胶层500进行均一刻蚀，刻蚀完毕后，清洗去除多余的光刻胶层500，获得厚度呈阶梯变化的sio2缺陷层阵列413。缺陷层阵列413的厚度变化范围为0-903nm。通道数量为50，每通道尺寸为60
×
60um；在缺陷层阵列413上蒸镀第二光子晶体层(hl)3。
90.通过一次灰度曝光工艺获得的厚度呈阶梯变化的一维光子晶体缺陷层阵列413，有效调控了互不相同缺陷光子晶体单元410的透射光谱。
91.使用准单色光测试系统标定每个通道的标准响应光谱。请参阅图3。图3为50通道光谱仪芯片的标准响应光谱。标准响应光谱记作ti(λ)。可以看出缺陷光子晶体的光谱调控范围完整覆盖ingaas的响应波段900-1700nm。
92.请结合参阅图2和图4。包括该光谱仪芯片的光谱仪的光谱测试流程如图4所示。1.使用光谱仪芯片对入射光进行拍照式信号采集，读取50个探测通道的信号值，记作ii，i取1-50的整数；2.根据预先标定好的50个通道标准响应光谱，使用光谱重构算法反解入射光光谱，各通道标准响应光谱分别记作ti，i取1-50的整数；将入射光在900-1700nm的宽波段光谱进行重构，将所计算出的光谱与大型光栅光谱仪(本实验选用安捷伦cary5000，作为对比例。)所测试的光谱进行比较，结果如图4所示。可以看出本实施方式中的光谱结果和对比例的光谱结果重合度好，光谱仪芯片整个光谱工作范围内均精度高。
93.对带通滤光片样品在900-1700nm的宽波段透射光谱进行光谱重构。请参阅图5。图5展示了将光谱重构得到的光谱与大型光栅光谱仪(本实验选用安捷伦cary5000，作为对比例。)所测试的光谱进行比较的结果。可以看出本实施方式中的光谱结果和对比例的光谱结果重合度好，光谱仪芯片整个光谱工作范围内均精度高。
94.使用单色仪对所制备的光谱仪芯片照射窄带入射光，对窄带入射光进行光谱重构。入射光波长为1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm、1600nm，带宽为2nm。请参阅图6。该光谱仪芯片对该系列入射光的重构结果如图6所示。其中对1500nm波长窄带入射光的重构光谱细节如图7所示。对相邻2nm、带宽2nm的双峰入射光进行光谱重构，在1050nm波长处的重构光谱如图8所示。在1550nm波长处的重构光谱如图9所示。结果表明，该光谱仪芯片的光谱分辨率达到了2nm，工作范围覆盖900-1700nm，即所采用的ingaas全探测范围。
95.可以看出，该光谱仪芯片能够在实现宽光谱工作范围的同时，保持高的光谱分辨率，且所占用的芯片像素数量较少，具有良好的应用前景。
96.实施方式2
97.本实施方式以20通道的光谱仪芯片的制备和应用进行说明。使用电子束灰度曝光工艺，将20通道的像元级缺陷光子晶体单元410集成在探测器阵列200上，展示包括缺陷光子晶体的光谱仪芯片的电子束灰度曝光制备方法及窄带光谱探测效果。
98.缺陷光子晶体采用第一介质层低折射率材料sio2(l)、第二介质层高折射率材料
tio2(h)，两种材料交替生长组成周期性光子晶体，作为第一光子晶体层411，记作(lh)4，第二光子晶体层412记作(hl)4。缺陷层阵列413材料为电子束光刻胶本身，其在电子束曝光、显影后具有低折射率材料光学性质，可等效为3.6l的初始缺陷层413a厚度。所选用的探测器阵列200像元的尺寸为15
×
15μm，所设计的缺陷光子晶体阵列400每个像元的尺寸为15
×
15μm，即每个缺陷光子晶体单元410与一个探测器像元对应。
99.本实施例的光谱仪芯片制备流程具体如下：1.在ingaas探测器阵列200上蒸镀第一光子晶体层(lh)4；2.在第一光子晶体层411上旋涂电子束光刻胶，使用电子束灰度曝光工艺在不同单元位置上使用不同的曝光强度进行电子束曝光；3.显影电子束光刻胶并清洗，获得阶梯厚度的电子束光刻胶层500；电子束光刻胶层500的厚度变化范围为0-706nm，并按照曝光强度形成不同厚度的电子束光刻胶层500，作为缺陷层阵列413。总通道数量为20，每通道尺寸为15
×
15μm，且与探测器像元对准；阶梯的缺陷层阵列413上蒸镀第二光子晶体层(hl)4。
100.每层高折射率材料h层厚度为98nm；每层低折射率材料l厚度为196nm。
101.使用准单色光测试系统标定每个通道的标准响应光谱。请参阅图10。图10为20通道缺陷光子晶体的光谱仪芯片的标准响应光谱。可以看出光谱调控范围完整覆盖ingaas的响应波段900-1700nm。
102.光谱仪的光谱测试流程可参照实施方式1和图4，具体过程不再赘述。本实施方式使用该20通道缺陷光子晶体光谱仪芯片对带通滤光片样品在900-1700nm宽波段透射光谱进行光谱重构，展示了将光谱重构得到的光谱与大型光栅光谱仪(本实验选用安捷伦cary5000，作为对比例。)结果如图11所示。结果表明，该光谱仪芯片仅需要20像素单元即可完成对900-1700nm宽工作范围的光谱探测。
103.本说明书中的多个实施方式本身均着重于强调与其他实施方式不同的部分，各实施方式之间可以相互对照解释。所属领域技术人员基于一般的技术常识对本说明书中的多个实施方式的任意组合均涵盖于本说明书的揭示范围内。
104.以上实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
105.以上所述仅为本说明书中的部分实施方式而已，并不用以限制本说明书，凡在本说明书的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本说明书的公开范围之内。