光谱仪正向新一代混合信号趋势发展

 “混合信号”传统上指的是模拟与数字电路或功能的集成或混合。如今这个术语有了一个吸引人的新定义：即先进的光学器件或功能与模拟/数字电路或功能的集成。

首先，我们看一下光学构建模块与电子构建模块集成方面的进展，目前是通过共用封装光学器件(CPO)来实现的，其中光学元件和电子元件被封装在很小的同一个封装中，或者是板载光学器件(OBO)中，其光波导和其他结构使用PCB内层来制造。图1所示为瑞士Vario optics AG公司所开发的OBO产品。

图1：通过将电路板的特殊内层用作光波导和其他功能模块，公司正在开发一种称为板载光学器件(OBO)的集成式光电器件。资料来源：Vario Optics AG

当然，业界的目标是最终形成一种单片器件，它能起到光子集成电路(PIC)的作用，并具有支持数Gbps数据速率的光源和接收器。这就是Ayar Labs等公司现在正在做的事情，这些公司也在使用CMOS工艺开发高速、高密度、低功耗的光学互连“小芯片”和激光器，用于取代传统的电气I/O CMOS工艺(图2)。

图2：在使用同一基板制造电子与光学器件方面已取得重大进展，产品主要用于单片高速互连。来源：Ayar实验室

然而，除了光源、光学链路、波导和光接收器之外，集成式电子与光学器件还有更多东西集成：比如光谱分析领域。这方面主要的是光谱仪，通过评估光谱成份，系统可以提供分析数据并执行其他功能。

基于这些原因，可以看到研发人员正在努力制造很大程度上是单片的、或者至少高度集成的微型光谱仪，以下是两个具体实例：

1.红外光谱仪

由著名的瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA)研究人员领导的一个研究团队，设计了一种基于量子点光电探测器的红外光谱仪微型化工艺，采用该工艺的红外光谱仪可以被集成在单颗芯片上。潜在应用包括使用智能手机评估食品质量、检测危险化学品、空气污染监测和可穿戴电子设备，以及检测假冒医疗药品以及甲烷和二氧化碳等温室气体。

这种概念验证式微型傅里叶变换波导光谱仪，采用亚波长光电探测器作为光传感器，并包含胶体碲化汞量子点(Hg-Te)，且与标准CMOS技术兼容(图3)。

图3：EMPA光谱仪设计在一个公共基板上使用了多个光层和结构，并集成了嵌入式可控固态反射镜。资料来源：EMPA

在该设计中，光电探测器被安装在LiNbO3基板的顶部，用以产生光波导。整个设计包括底部用作散射中心的一个金电极；由胶体HgTe量子点组成并作为反射镜的光敏层；以及顶部金电极。通过移动反射镜，测量得到的光电流可以反映红外光的驻波光强度，通过对被测信号进行傅立叶变换可以得出光谱。

整个有源光谱仪的体积不到100×100×100μm。这种超小型光谱仪设计支持在消费电子产品和太空设备中集成光学/分析测量仪器。具体在“用于紧凑型傅里叶变换波导光谱仪的集成式光电探测器” 一文(发表在《Nature Photonics》上)中有完整描述。

2.计算型光谱仪

俄勒冈州立大学的研究人员与芬兰阿尔托大学以及其他大学合作设计了另一种基于高性能计算型光谱仪的方法。他们使用了具有电可调谐光谱响应的单van der Waals(vdW)结，并将尺寸小至22×8μm的该可调谐结与计算型重建算法结合在了一起(图4)。

图4：这种与众不同的超微型光谱仪概念使用了栅极可调谐的vdW结来区分单色光的峰值波长，并使用计算型处理方法分析图像的光谱信息。资料来源：阿尔托大学

实现上述光谱仪概念需要三个步骤：

学习过程-利用多个已知入射光谱测量栅极可调谐光谱响应。

测试过程-测量待分析的未知入射光的栅极可调谐光电流。

重建过程-在学习和测试过程获得的结果基础上，利用重建算法计算未知入射光的光谱信息。

这一切听起来确实很复杂，也许通过阅读全文会有助于理解。该全文名为《带可调谐vdW结的微型光谱仪》，发表在《科学》杂志上，不过需要付费才能看到。幸运的是，阿尔托大学已经在其网站上发布了预印本。

使光谱仪切实可行

这两种非常不同的微型光谱仪的有趣之处在于，它们都依赖于大量的计算工作来提取有用数据，因为它们不仅仅是面向频谱的滤波器。对于如何使这些高度集成的电子-光学混合信号器件变得切实可行来说，也许这些都是所需的额外工作，至少目前是如此。如果的确是这样的话，这对于其收益来说，也是一个非常值得付出的代价。

此类PIC和仪器的作用越来越大，超越了点对点数据链路。一二十年后，这有可能成为一项重大变革性技术的前沿阵地！

(参考原文：Spectrometers point to the next mixed-signal trend）

本文为《电子工程专辑》2023年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅