DE102018119712A1

DE102018119712A1 - Vorrichtung zur leitung von strahlung, eine photodetektor-anordnung und ein verfahren zur ortsaufgelösten spektralanalyse

Info

Publication number: DE102018119712A1
Application number: DE102018119712.8A
Authority: DE
Inventors: Marius Grundmann
Original assignee: Universitaet Leipzig
Current assignee: Universitaet Leipzig
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2020-02-20
Also published as: US11543346B2; US20210164892A1; JP2021534581A; CN112567215A; WO2020035530A1; EP3837514A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leitung von Strahlung, eine Photodetektor-Anordnung und ein Verfahren zur ortsaufgelösten Spektralanalyse für Strahlung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leitung von Strahlung, eine Photodetektor-Anordnung und ein Verfahren zur ortsaufgelösten Spektralanalyse.
Stand der Technik:
Im Stand der Technik sind zur Detektion eines Spektrums konventionelle Spektrometer bekannt, die üblicherweise über ein dispersives Element und/oder einen optischen Strahlengang verfügen. Das dispersive Element wird üblicherweise dazu verwendet, die einfallende Strahlung nach Wellenlängen zu sortieren. Als dispersive Elemente werden üblicherweise Gitter oder Prismen eingesetzt. Die nach Wellenlänge sortierte Strahlung beziehungsweise die Strahlungsbestandteile können dann auf verschiedene Orte eines feststehenden Photodetektor-Arrays abgebildet werden, wodurch eine Spektralanalyse der zu untersuchenden Strahlung erfolgen kann. Alternativ kann mit einem Photodetektor gearbeitet werden, bei dem das dispersive Element bewegt werden kann. Die Bewegung kann beispielsweise eine Drehung sein. Dies erfordert typischerweise eine aufwendige Mechanik. Nachteilig an einer solchen Vorrichtung mit dispersivem Element oder optischem Strahlengang ist, dass die entsprechenden Vorrichtungen dadurch häufig sehr groß und unhandlich sind. Insbesondere wenn die Vorrichtung in einem kleineren elektrischen oder elektronischen Gerät eingebaut werden soll, wäre es aber wünschenswert, wenn eine raumsparende und kompakte Ausführung des Spektrometers verfügbar wäre. Ein Beispiel für ein Spektrometer, das beispielsweise mit einer Linsenanordnung arbeitet, wird in der US 2012 / 026 8745 A1 offenbart. Nachteilig an konventionellen Vorrichtungen, die im Stand der Technik beschrieben sind, ist, dass bei einer Aufteilung der zu untersuchenden Strahlung auf eine Reihe von Detektoren, die eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen, ein hohes Maß an Strahlungsintensität, das für den einzelnen Detektor zur Verfügung steht, verloren geht.
Es sind im Stand der Technik im Bereich der integrierten Optik ferner Spektrometer mit mikrofabrizierten dispersiven Elementen, wie Gittern oder arrayed waveguides, bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird die zu untersuchende Strahlung nach Wellenlängen auf einem Chip sortiert und dann mit verschiedenen Photodetektoren detektiert. Allerdings sind solche Vorrichtungen zumeist nur für Untersuchungen in kleinen Wellenlängenbereichen geeignet. Beispielsweise wird in der US 8,282/882 B2 ein Miniaturspektrometer offenbart, bei dem zwei Mantelschichten eines Wellenleiters mit einem Schlitz miteinander verbunden sind, wobei der Schlitz beispielsweise mit dem Material, aus dem die obere Mantelschicht gebildet ist, gefüllt sein kann.
Es ist demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Leitung von Strahlung, eine Photodetektor-Anordnung und ein Spektralanalyse-Verfahren bereitzustellen, die nicht die Nachteile und Mängel des Standes der Technik aufweisen. Die Vorrichtung soll ohne ein raumgreifendes dispersives Element und ohne optischen Strahlengang auskommen, um eine kompakte Spektrometer-Vorrichtung bereitstellen zu können, die beispielsweise auch in Mobilgeräten, wie Smartphone oder Tablets, eingebaut werden kann. Es wäre wünschenswert, wenn eine besonders kompakte Vorrichtung bereitgestellt werden kann, die dennoch einen vergleichbaren Spektralbereich und eine spektrale Auflösung wie die herkömmlichen Vorrichtungen abdeckt. Insbesondere soll die Spektralanalyse nicht von thermischen und/oder statistischen Effekten abhängen, sondern von der Auswahl und dem Design des Materials und der Struktur der Vorrichtung beziehungsweise der einzelnen Komponenten der Vorrichtung. Ferner soll mit der Vorrichtung und dem Verfahren möglich sein, einen großen Wellenlängenbereich auszumessen
Beschreibung der Erfindung:
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Leitung von Strahlung vorgesehen, die ein Absorptionselement umfasst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement eine entlang seines Verlaufs variierende chemische Zusammensetzung aufweist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung als Wellenleiter bezeichnet wird und/oder fungiert. Insbesondere dient die Vorrichtung daher zur Leitung von Strahlung, die in den Wellenleiter eingekoppelt wird oder vorliegt. Das Absorptionselement kann im Sinne der Erfindung vorzugsweise auch als Absorber bezeichnet werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die vorgeschlagene Vorrichtung als Spektrometer verwendet werden kann. Es ist ferner bevorzugt, die vorgeschlagene Vorrichtung als Wavemeter zu verwenden. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass die vorgeschlagene Vorrichtung dafür eingerichtet ist, zur ortsaufgelösten Spektralanalyse verwendet zu werden, so dass die Vorrichtung im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als Vorrichtung zur ortsaufgelösten Spektralanalyse bezeichnet werden kann.
Das Merkmal, dass das Absorptionselement eine variierende chemische Zusammensetzung aufweist, kann mit anderen Worten als Materialgradient entlang des Absorptionselements beschrieben werden. Die Erfindung stellt insofern eine Abkehr vom Stand der Technik dar, als das die Fachwelt bisher stets bemüht war, besonders homogene Legierungssysteme bereitzustellen, um die üblicherweise erwünschten homogenen Materialeigenschaften zu erzielen. Insbesondere die Verwendung eines sich kontinuierlich ändernden Zusammensetzungsgradienten in einer Halbleiterlegierung wendet sich von den bekannten Hetero-Strukturen ab, bei denen beispielsweise zwei verschiedene Konzentrationen innerhalb eines Bauteils verwendet werden, um verschiedene Funktionen des Bauteils zu realisieren. Dies geschieht beispielsweise bei sogenannten Quantentöpfen, bei denen die „Barriere“ und der „Topf“ durch unterschiedliche Konzentrationen realisiert werden. Allerdings wendet sich die vorliegende Erfindung gerade von solchen Bauteilen mit zwei unterschiedlichen Material- und/oder Elementkonzentrationen ab, in dem insbesondere ein sich kontinuierlich, beispielsweise linear oder im Wesentlichen linear, ändernder Materialgradient innerhalb des Absorptionselements vorgeschlagen wird.
Durch die Vorsehung des Materialgradienten innerhalb des Absorptionselements ist es vorteilhafterweise möglich, der Absorption verschiedener Wellenlängen einem bestimmten Ort entlang des Absorptionselements beziehungsweise des Wellenleiters zuzuordnen. Dadurch kann die zu untersuchende und in den Wellenleiter eingekoppelte Strahlung vorzugsweise ortsaufgelöst besonders genau spektral analysiert werden. Die Bereitstellung der besonders genauen Spektralanalyse wird im Kontext der vorliegenden Erfindung durch die Vorsehung des Materialgradienten im Absorptionselement erreicht, der vorteilhafterweise das Absorptionsverhalten des Absorptionselements beeinflusst, so dass eine lokale Zuordnung von Wellenlänge und Detektionsort ermöglicht wird. Durch diese Zuordnungsmöglichkeit kann bei der vorgeschlagenen Vorrichtung auf ein dispersives Element verzichtet werden, wobei die Fachwelt bisher davon ausgegangen war, dass ein dispersives Element bei Vorrichtungen der genannten Gattung erforderlich sind. Insofern wendet sich die Erfindung auch in diesem Punkt von der im Stand der Technik beschriebenen Entwicklung ab. Vorzugsweise wird auch eine Verwendung des Wellenleiters zur Durchführung einer ortsaufgelösten Spektralanalyse offenbart beziehungsweise eine Verwendung des Wellenleiters in einer Photodetektor-Anordnung.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement ein Material umfasst, das eine binäre, ternäre oder quaternäre Halbleiterlegierung ist. Das Absorptionselement des Materials kann insbesondere ein binäres, ternäres oder quaternäres Halbleiterlegierung-Material umfassen. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement ein Material umfasst, das zumindest teilweise von einer Halbleiterlegierung gebildet wird, wobei die Legierung vorzugsweise aus zwei, drei oder vier Legierungspartnern besteht. Ein Beispiel für eine ternäre Legierung ist (Mg,Zn)O, also eine Legierung aus Magnesium, Zink und Sauerstoff. Vorzugsweise kann das Absorptionselement (Mg,Zn)O umfassen beziehungsweise das Material des Absorptionselements kann von (Mg,Zn)O gebildet werden. Die Verwendung einer (Mg,Zn)O-Legierung ist besonders dann von Vorteil, wenn Strahlung im Nah-UV-Bereich untersucht werden soll. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass der zu untersuchende Wellenlängenbereich durch die geeignete Wahl der Materialien der Absorptionselemente bestimmt wird.
Andere möglich Legierungen sind (In,Ga)₂O₃ und (Al,Ga)₂O₃, die beispielsweise auf einem Saphir-Substrat aufgedampft werden können. Das Material für das Absorptionselement kann ferner ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend (Ge,Si), (Ge,Si)C, (In,Ga)As, (AI,Ga)As, (AI,Ga,ln)(As,P), (In,Ga)N, (AI,Ga)N, (AI,ln,Ga)N, (Cd,Zn)O und/oder Zn(O,S), wobei die unterschiedlichen Materialen vorzugsweise die Untersuchung unterschiedlicher Spektralbereiche ermöglichen. Das Material für das Absorptionselement kann darüber hinaus auch ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend (AI,Ga,ln)As, (In,Ga)(As,P), (AI,Ga,ln)N, (Mg,Zn,Cd)O und/oder (Al,Ga,In)₂O₃. Vorzugsweise kann das Absorptionselement auch aus mehr als einem Legierungsmaterial zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann ein vorderer Bereich eines Wellenleiters ein (Mg,Zn)O-Material umfassen und ein hinterer Bereich des Wellenleiters ein (Zn,Cd)O-Material. Mit einem solchen Wellenleiter können beispielsweise im hinteren Teil des Wellenleiters besonders niedrige Photonen-Energien detektiert werden. Der Übergang zwischen den unterschiedlichen Materialien kann beispielsweise fließend ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Absorptionselement mehrere Materialgradienten aufweisen. Ein solcher Aufbau wird im Sinne der Erfindung bevorzugt als Schichtaufbau mit mehreren Gradientenschichten bezeichnet.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der spektrale Empfindlichkeitsbereich des Wellenleiters von dem verwendeten Halbleitermaterial und dessen Design, insbesondere des Absorptionselementes und der Absorptionskante, abhängt. Insofern ermöglicht die Erfindung eine Einstellbarkeit des Empfindlichkeitsbereichs des Wellenleiters beziehungsweise des Spektrometers durch eine geeignete Materialauswahl. Durch eine geeignete Auswahl des Halbleitermaterials kann somit vorteilhafterweise das Absorptionsverhalten des Absorptionselements eingestellt werden. Insbesondere ist das Absorptionsverhalten des Absorptionselements auch durch die Ausgestaltung des Materialgradienten innerhalb des Absorbers einstellbar. Es kann im Kontext der vorliegenden Erfindung auch bevorzugt sein, mehrere Materialgradienten entlang eines Wellenleiters beziehungsweise eines Absorptionselements miteinander zu kombinieren. Dadurch kann überraschenderweise ein größerer Spektralbereich oder verschiedene Spektralbereiche abgedeckt werden.
Der Begriff der „variierenden chemischen Zusammensetzung“ bedeutet im Kontext der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement entlang seines Verlaufs unterschiedlich zusammengesetzt ist. Beispielsweise kann das Material, aus dem das Absorptionselement gebildet ist, in einem vorderen Bereich, der beispielsweise auch als Einkopplungsbereich für die zu untersuchende Strahlung verwendet werden kann, eine größere Bandlücke aufweisen als in dem hinteren Bereich. Das Material kann im Einkopplungsbereich einen größeren Anteil an Magnesium aufweisen, wobei dieser Anteil an Magnesium im Verlauf des Absorptionselements in Richtung Auskopplungsbereich abnimmt, wodurch beispielsweise der Anteil des Zinks zunehmen kann. Beispielsweise kann die Zusammensetzung des (Mg,Zn)O-Legierungssystems durch die Vorschrift Mg_xZn_1-xO beschrieben werden, so dass ein Mehr an Magnesium ein Weniger an Zink zur Folge hat. Es kann im Sinne der Erfindung ebenso bevorzugt sein, dass die Absorptionselemente andere binäre, ternäre oder quaternäre Legierungen umfassen, wobei die Konzentrationen beziehungsweise Anteile der einzelnen Legierungspartner über einen Index x miteinander gekoppelt sind. Abhängig von dem gewählten Materialsystem einer Beispiel-Legierung umfassend die Legierungspartner A und B kann der Index x für die Legierung A_xB_1-x vorzugsweise von 0 bis 1 laufen beziehungsweise einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen. Für das besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel Mg_xZn_1-xO kann sich das Vorliegen eines chemischen Materialgradienten innerhalb des oberen Absorptionselements vorzugsweise so äußern, dass der Index x von oben nach unten variierend einen Wert zwischen 0,3 bis 0,0 annimmt, wobei der Wert von x = 0,3 beispielsweise in einem vorderen Bereich des Absorptionselements angenommen wird, der beispielsweise einem Einkopplungsbereich für die zu untersuchende Strahlung entspricht, und der Wert von x ~ 0,0 in einem hinteren Bereich des Absorptionselements.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Materialgradient im Wesentlichen linear verläuft, wobei die Formulierung „im Wesentlichen“ für den Fachmann nicht unklar ist, da der Fachmann weiß, im welchem Genauigkeitsbereich die Konzentrationen in einem Legierungssystem eingestellt werden können. Es können für einzelne Anwendungen aber auch nicht-lineare, beispielsweise quadratische Verläufe des Materialgradienten bevorzugt sein. Diese können beispielsweise in der folgenden Form dargestellt werden: $x = x_{0} + x_{1} \cdot d + x_{2} \cdot d^{2},$
wobei die x_i vorzugsweise Koeffizienten darstellen, die bevorzugt konstant sind.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Absorption von Strahlungsanteilen der zu untersuchenden und in den Wellenleiter eingekoppelten Strahlung durch das Absorptionselement in Abhängigkeit von dem Material, der chemischen Zusammensetzung des Absorptionselements, dem Design, der Anordnung der Vorrichtung beziehungsweise der Komponenten der Vorrichtung und in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Strahlung erfolgt. Vorzugsweise ist das Absorptionselement dazu eingerichtet, die Strahlung entlang des Verlaufs der Vorrichtung in Abhängigkeit von mindestens einer Eigenschaft der Strahlung unterschiedlich stark zu absorbieren. Bei den Eigenschaften der Strahlung kann es sich vorzugsweise um die Frequenz f oder die Wellenlänge λ der Strahlung handeln. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass durch die Absorption der Strahlung Ladungsträger in dem Absorptionselement freigesetzt werden. Je nach Menge, Energie und/oder Intensität der absorbierten Strahlung werden unterschiedlich viele Ladungsträger freigesetzt, wobei die Ladungsträger insbesondere auch unterschiedliche Teilchenenergien aufweisen können. Diese Teilchenenergien werden vorzugsweise in der Einheit Elektronenvolt (eV) angegeben.
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass das Material des Absorptionselements vorzugsweise an jeder Stelle jeweils eine scharfe Absorptionskante aufweist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Absorptionskante in ihrer energetischen Lange kontinuierlich entlang des Wellenleiters variiert. Vorzugsweise weist das Material des Absorptionselements im vorderen Bereich, beispielsweise im Bereich des Einkopplungsbereichs des Wellenleiters, eine große Bandlücke auf, wodurch vorzugsweise in diesem Bereich die Strahlung mit der größten Photonen-Energie absorbiert wird. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass bei der Propagation der Strahlung durch den Wellenleiter verstärkt die Anteile der Strahlung mit den höheren Photonen-Energien aus der Strahlung herausabsorbiert werden. Dadurch verändert sich das Spektrum der Strahlung, wobei es im Verlauf des Wellenleiters zunehmend seine hochfrequenten Anteile verliert, wodurch sich das Spektrum vorzugsweise zu geringeren Photonen-Energien verschiebt. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass Strahlung mit geringerer Photonen-Energie im hinteren Bereich des Wellenleiters absorbiert wird, wobei ein verbleibender Rest der Strahlung transmittiert wird. Vorzugsweise beginnt die Absorption einer bestimmten Photonen-Energie an dem Ort innerhalb des Wellenleiters, an dem die Photonen-Energie der Größe der Bandlücke des Materials des Absorptionselements entspricht. An diesem Ort könnte ein Photodetektor oder mehrere Photodetektoren angeordnet vorliegen, um den Beginn der Absorption zu detektieren.
Anwendungstest haben gezeigt, dass mit der Erfindung in Abkehr zum Stand der Technik eine Beeinflussung der Absorptionskante des Absorptionselements nicht wesentlich durch thermische und/oder statistische Effekte besteht, sondern durch die Materialzusammensetzung beziehungsweise die Gestaltung des Materialgradienten bestimmt ist. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Leistungsparameter der Erfindung nicht von den thermischen und/oder statistischen Effekten abhängen, sondern vom Design des Materials, aus dem das Absorptionselement gebildet ist beziehungsweise vom Design des Materialgradienten innerhalb des Absorptionselements.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die verschiedenen spektralen Anteile der einfallenden Strahlung im Wellenleiter nach dem Ort sortiert und mit dem Photodetektorarray dann detektiert werden. Diese lokale Zuordnung erfolgt insbesondere in dem Absorptionselement, das einen Materialgradienten aufweist. Dadurch kann eine unbewegte und sehr kompakte Bauform bereitgestellt werden. Zudem wird vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Strahlung im relevanten spektralen Bereich in ein Photosignal umgesetzt, so dass die vorgeschlagene Vorrichtung im Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen besonders effizient ist.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die zu untersuchende Strahlung in den Wellenleiter beziehungsweise das Absorptionselement eingekoppelt wird. Die Strahlung kann beispielsweise durch die Anpassung einer Glasfaser oder durch eine Fokussierung in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der zu untersuchenden Strahlung um Strahlung im infraroten (IR), sichtbaren und/oder ultravioletten (UV) Spektral- oder Wellenlängenbereich. Bei der zu untersuchenden Strahlung kann es sich beispielsweise um IR-, UV-Strahlung, sichtbares Licht oder Laserstrahlung handeln, wobei die Strahlung vorzugsweise im Wesentlichen nicht monochromatisch ist. Vorzugsweise kann auch eine beliebige Wellenlängenverteilung vorliegen, wobei beispielsweise ein Peak oder mehrere Peaks bevorzugt sein können. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass es sich bei der Strahlung, die untersucht werden soll, um elektromagnetische Strahlung handelt.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich durch den vorgesehenen Materialgradienten innerhalb des Absorptionselements beziehungsweise entlang seines Verlaufs das Absorptionsverhalten des Absorptionselements mit der Änderung der Zusammensetzung des Materials ändert. Mit anderen Worten kommt es durch die Änderung der chemischen Komposition des Absorbers zu einer Änderung der Absorptionskante des Absorptionselements. Damit ändert sich vorteilhafterweise auch das Spektrum während der Propagation der Strahlung durch den Wellenleiter beziehungsweise entlang des Absorptionselements. Es ist dabei im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement so ausgebildet ist, dass kurzwellige Strahlungsanteile in einem vorderen Bereich des Wellenleiters beziehungsweise des Absorptionselements absorbiert werden. Vorzugsweise liegt der vordere Bereich des Wellenleiters in räumlicher Nähe zum Einkopplungsbereich des Wellenleiters vor.
Der Begriff „kurzweilige Strahlung“ kann im Sinne der Erfindung bevorzugt als Strahlung mit vergleichsweise kurzer Wellenlänge verstanden werden, wobei eine kurze Wellenlänge λ über die Relation $c = f \cdot λ$
mit einer hohen Frequenz f und einer hohen Strahlungsenergie verbunden ist; der Buchstabe c bezeichnet in dieser Gleichung die Lichtgeschwindigkeit. Vorzugsweise ist das Absorptionselement so ausgebildet, dass langwellige Strahlung in einem hinteren Bereich des Absorptionselements absorbiert wird, wobei sich die chemische Zusammensetzung des Absorptionselements und sein Absorptionsverhalten bevorzugt kontinuierlich und stetig ändern und nicht sprunghaft oder abrupt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass nicht absorbierte Strahlung in einem hinteren Bereich des Wellenleiters aus dem Wellenleiter ausgekoppelt werden kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass Photodetektoren, die auf und/oder um den Wellenleiter herum angeordnet sein können, eine Photodetektor-Anordnung bilden, wobei die Photodetektoren beziehungsweise die Photodetektor-Anordnung dazu eingerichtet sind/ist, die freigesetzten Ladungsträger, ihre Anzahl und/oder ihre Energien entlang des Wellenleiters und/oder des Absorptionselements zu registrieren. Die Erfindung betrifft somit in einem zweiten Aspekt eine Photodetektor-Anordnung umfassend eine vorgeschlagene Vorrichtung, wobei entlang der Vorrichtung eine Anzahl von N Photodetektoren angeordnet vorliegt, die in ihrer Gesamtheit dazu eingerichtet sind, eine variierende Absorption der Strahlung durch das Absorptionselement entlang des Verlaufs der Vorrichtung zu detektieren. Vorzugsweise kann mit der Photodetektor-Anordnung beziehungsweise den Photodetektoren eine Strahlung, die durch die Anordnung geführt wird, detektiert beziehungsweise untersucht werden. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Möglichkeit zur ortsaufgelösten Spektralanalyse für Strahlung, die in einem Wellenleiter eingekoppelt ist, geschaffen. Vorzugsweise kann die Photodetektor-Anordnung auch als Spektrometer verwendet werden, wobei es einen besonderen Verdienst der Erfindung darstellt, dass mit der Anordnung überraschenderweise ein besonders kompaktes Spektrometer bereitgestellt werden kann, da es ohne dispersives Element und ohne Strahlengang auskommt.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Anzahl von N Photodetektoren in einem Bereich von 50 bis 10.000, bevorzugt in einem Bereich von 100 bis 3.000 und besonders bevorzugt in einem Bereich von etwa 200 bis 1.000. Tests haben gezeigt, dass insbesondere Vorrichtungen mit 200 bis 1.000 Photodetektoren ein besonders gutes Verhältnis zwischen Größe der Vorrichtung und abgedecktem Wellenlängenbereich aufweisen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Anzahl der Detektoren von der Geschwindigkeit abhängt, mit der das Spektrum der Strahlung untersucht werden soll. Es ist ferner bevorzugt, dass die Anzahl der Detektoren von der Anzahl der spektralen Kanäle anhängt, die detektiert werden sollen. Vorzugsweise korreliert die Anzahl der Detektoren mit der Länge des Wellenleiters. Mit anderen Worten bestimmt die Anzahl und die Größe der Detektoren dessen Länge.
Beispielsweise können entlang des Wellenleiters und/oder des Absorptionselements in regelmäßigen Abständen Photodetektoren angeordnet sein, die dazu eingerichtet sind, die Ladungsträger zu registrieren. Durch die regelmäßige Anordnung der Photodetektoren kann die zu untersuchende Strahlung hinsichtlich der enthaltenen Wellenlängen-Anteile ortsaufgelöst untersucht werden. Es stellt einen wesentlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung dar, dass durch die Ausbildung des vorgeschlagenen Wellenleiters im Wesentlichen alle Photonen, die in den Wellenleiter eingekoppelt werden, absorbiert werden und mithin zur Spektralanalyse beitragen beziehungsweise zu diesem Zwecke ausgewertet werden können. Durch die Einbeziehung von im Wesentlichen allen Photonen der eingekoppelten Strahlung bei der Spektralanalyse kann ein besonders effizientes Bauelement zur Verfügung gestellt werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Strahlung in eine Photoresponse umgewandelt wird. Dadurch werden vorzugsweise besonders gut zu verarbeitende Signale mit großer Signalstärke erhalten, die eine besonders genaue Auswertung der ermittelten Daten ermöglichen. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass im Kontext der vorliegenden Erfindung die Strahlung nicht aufgeteilt werden muss, um untersucht zu werden, sondern dass eine Untersuchung des einfallenden Lichts in einem Wellenleiter ermöglicht wird, wobei bei der Untersuchung im Wesentlichen alle eingekoppelten Photonen teilnehmen.
Darüber hinaus ermöglicht der vorgeschlagene Wellenleiter auch eine zeitaufgelöste Spektralanalyse der zu untersuchenden und in den Wellenleiter eingekoppelten Strahlung. Tests haben gezeigt, dass überraschenderweise eine besonders hohe Zeitauflösung für zeitabhängige Signale erreicht werden kann, wobei die Zeitauflösung vorzugsweise bis in den Pikosekundenbereich gehen kann. Es stellt ein besonderes Verdienst der Erfindung dar, dass neben der spektralen Auflösung gleichzeitig eine besonders hohe Zeitauflösung erreicht werden kann. Dadurch kann vorteilhafterweise mit der Erfindung die Funktionalität einer streak-Kamera zur Verfügung gestellt werden. Es ist im Sinne der Erfindung eine Anzahl von vorgeschlagenen Wellenleitern im Wesentlichen parallel zueinander anzuordnen, wodurch ein Array von Wellenleitern gebildet wird, das vorzugsweise als hyperspectral imaging-Detektor benutzt werden kann. Vorteilhafterweise können mit einem solchen Detektor lineare oder eindimensionale Verteilungen von Spektren gemessen werden. Vorzugsweise werden eindimensionale Verteilung im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als 1D-Verteilungen bezeichnet. Durch die parallele Anordnung von vorgeschlagenen Wellenleitern können insbesondere orts- und spektral aufgelöste Messungen durchgeführt werden. Es war für die Fachwelt insbesondere überraschend, dass mit der vorliegenden Erfindung ein monolithischer, Wellenleiter-basierter Ansatz für eine Photodetektor-Anordnung zur Verfügung gestellt wird, mit dem orts- und spektral aufgelösten Messungen durchgeführt werden können.
Durch Stapelung von linearen Arrays solcher Wellenleiter können auch flächige oder zweidimensionale Arrays von hyperspectral imaging-Detektoren erreicht werden. Vorzugsweise werden zweidimensionale Arrays im Sinne der Erfindung bevorzugt als 2D- oder bildhafte Arrays bezeichnet. Mit der entsprechenden Weiterverarbeitung der Photoresponse-Daten ermöglicht die Erfindung, 1D- oder 2D-Verteilungen spektraler Merkmale, wie zum Beispiel Wellenlänge des spektralen Maximums, Breite des Spektrums sowie Zeilen beziehungsweise Bilder in bestimmten Wellenlängenbereichen, zu messen. Diese Informationen können zudem mit hoher Zeitauflösung bestimmt werden, die insbesondere durch die Geschwindigkeit und/oder Bandbreite der Photodetektoren bestimmt ist.
Die Vorsehung von Photodetektoren in räumlicher Nähe zu dem vorgeschlagenen Wellenleiter zur Bildung einer Photodetektor-Anordnung ermöglicht vorzugsweise die Umwandlung der lokal absorbierten Strahlung in eine sogenannte Photoresponse, wobei die Photoresponse beispielsweise von einem Photostrom gebildet werden kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass es sich bei einem Photostrom um einen Strom handelt, der aufgrund der Bestrahlung des Absorptionselements fließt. Vorzugweise wird der Photostrom von den freigesetzten Ladungsträgern gebildet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Spektrum der zu untersuchenden Strahlung aus der lateralen Verteilung der Photoresponse entlang des Wellenleiters und/oder des Absorptionselements zumindest näherungsweise rekonstruiert werden kann.
Es ist besonderes bevorzugt, dass die Photodetektor-Anordnung umfassend einen vorgeschlagenen Wellenleiter als Spektrometer für die Analyse eines beliebigen einfallenden Spektrums eingesetzt wird. Vorzugsweise kann die Vorrichtung auch als Wavemeter verwendet werden, wobei ein Wavemeter bevorzugt eine Vorrichtung darstellt, die dazu eingerichtet ist, eine Wellenlänge und/oder Photonenenergie einer Strahlung festzustellen und/oder zu detektieren. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Messung der Wellenlänge der einfallenden Strahlung in einem besonders großen Wellenlängenbereich ermöglicht wird. Der besonders große Wellenbereich überrascht insbesondere im Vergleich zu der bevorzugten geringen Größe der vorliegenden Erfindung, die dadurch ermöglicht wird, dass im Kontext der vorliegenden Erfindung auf ein dispersives Element oder einen optischen Strahlengang verzichtet werden kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Photodetektoren ausgewählt sein können aus einer Gruppe umfassend Schottky-Dioden, MSM-Dioden, pn-Dioden und/oder Photoleiter, ohne darauf beschränkt zu sein. Durch die hohe Flexibilität bei der Auswahl der Photodetektoren kann die Erfindung besonders einfach an unterschiedliche Anwendungsanforderungen angepasst werden und ist somit vielseitig einsetzbar. Eine beispielhafte Ausgestaltung der Photodetektor-Anordnung wird in 2 gezeigt.
Ein weiterer Vorteil, der mit der vorgeschlagenen Wellenleiter-Vorrichtung und der vorgeschlagenen Photodetektor-Anordnung verbunden ist, ist, dass eine besonders kleine Spektrometer-Vorrichtung bereitgestellt werden kann, die überraschenderweise sogar in mobilen elektronischen Vorrichtungen, wie Smartphone, Tablets oder Mobiltelefonen, eingebaut werden kann. Der Vorteil, eine ultra-kompakte Spektrometer-Vorrichtung bereitzustellen, wird insbesondere dadurch erreicht, dass die vorgeschlagene Vorrichtung ohne optischen Strahlengang und ohne dispersives optisches Element auskommt. Mit anderen Worten umfassen die vorgeschlagene Wellenleiter-Vorrichtung und die vorgeschlagene Photodetektoren-Anordnung kein dispersives Element und keinen optischen Strahlengang. Ein dispersives Element kann beispielsweise ein Beugungsgitter oder ein Prisma sein. Der Fachmann weiß, welche weiteren optischen Elemente als „dispersive Elemente“ bezeichnet werden können. Da im Kontext der vorliegenden Erfindung auf die Vorsehung eines dispersiven Elements verzichtet werden kann, wird es möglich, eine besonders kompakte und raumsparende Spektrometer-Vorrichtung bereitzustellen, die trotz der kompakten Bauweise überraschenderweise dazu eingerichtet ist, Strahlung über einen sehr großen Wellenlängenbereich spektral zu analysieren. Dies stellt insofern eine Abkehr vom Stand der Technik dar, als das die Fachwelt bisher davon ausgegangen war, dass die Größe des Spektrometers mit dem später zu analysierenden Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung korreliert beziehungsweise dass insbesondere größere Vorrichtungen erforderlich sind, um die Strahlung in einem großen Spektralbereich analysieren zu können.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement unter Verwendung von Methoden des Laserstrahlverdampfens (pulsed laser deposition, PLD) hergestellt wird. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise besonders genau ein Materialgradient innerhalb des Absorptionselements eingestellt werden, indem die Zusammensetzung innerhalb des Absorptionselements entlang des Wellenleiters variiert wird. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, den Materialgradienten mit anderen Verfahren, wie der Sputterdeposition, die vorzugsweise auch als Kathodenzerstäubung bezeichnet wird, Molekularstrahlepitaxie und/oder chemischen Depositionsverfahren herzustellen. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Konzentration der einzelnen Bestandteile der Legierung, die das Absorptionselement bildet, einen Gradienten aufweist. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass der Materialgradient im Absorptionselement mit Methoden der Ionen-Implantation hergestellt wird. Tests haben gezeigt, dass durch das lonen-Implantation-Verfahren besonders starke Materialgradienten hergestellt werden können, wodurch die Länge des vorgeschlagenen Wellenleiters auf einen Sub-Millimeter-Bereich reduziert werden kann. Im Übrigen sind verschiedene Herstellungsverfahren denkbar, solange damit die Erzeugung eines Materialgradienten möglich ist. Vorzugsweise ist das Absorptionselement als dünne Schicht (Dünnschichttechnologie) ausgebildet und liegt auf einem Substrat vor, welches beispielsweise von einem Silizium-Wafer gebildet werden kann. Es kann für einige Anwendungen auch bevorzugt sein, dass das Substrat Saphir, Silizium, Germanium, SiC, G₂O₃, SrTiO₃, GaAs, InP, GaP oder Gläser umfasst.
Mit anderen Worten können durch solche Verfahren Wellenleiter mit Längen im Bereich von kleiner als 1 mm hergestellt werden, wobei Wellenleiter mit so geringen Abmessungen vorteilhafterweise in Mobilgeräte, wie Smartphones oder Tablets, eingebaut werden können. Das Absorptionselement kann insbesondere eine Länge in einem Bereich von 50 µm bis 20 mm aufweisen, bevorzugt in einem Bereich von 100 µm bis 10 mm. Insbesondere kann auch der Wellenleiter eine Länge in diesem bevorzugten Längenbereich aufweisen. Diese Werte sind insbesondere bei solchen Halbleitermaterialien bevorzugt, bei denen eine direkte Absorption auftritt. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass eine Länge des Wellenleiters vom Absorptionsvermögen der Materialien und insbesondere von der Dicke der Absorptionsschicht innerhalb des Wellenleiters abhängt. Beispielsweise kann bei der Verwendung von (Si,Ge) als Halbleitermaterial eine Länge des Wellenleiters von einigen Millimetern bevorzugt sein. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass der Wellenleiter so lang ausgebildet ist, dass eine große Anzahl von Photodetektoren entlang des Wellenleiters angeordnet werden kann, so dass vorteilhafterweise eine besonders gute spektrale Auflösung erreicht wird. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Anzahl der Photodetektoren an den spektral zu erfassenden Bereich angepasst werden kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Absorptionselement auf einem Substrat angeordnet vorliegt. Das Substrat ist vorteilhafterweise dazu eingerichtet, der Vorrichtung Stabilität und eine mechanische Festigkeit zu verleihen, so dass die Vorrichtung flexibel für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden kann. Das Substrat ermöglicht insbesondere den Einbau der Vorrichtung beziehungsweise der vorgeschlagenen Spektrometer-Anordnung in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung, wie einem Smartphone oder einem anderen mobile device. Vorzugsweise kann zwischen dem Substrat und dem Absorptionselement eine Mantelschicht angeordnet vorliegen. Es ergibt sich ein beispielhafter Aufbau des Wellenleiters, wie er in 1 dargestellt wird. Es kann im Sinne der Erfindung beispielsweise bevorzugt sein, dass der Wellenleiter insbesondere einen Absorber umfasst. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass der Wellenleiter sowohl einen Absorber, als auch eine Mantelschicht umfasst, wobei es insbesondere bevorzugt sein kann, dass die Mantelschicht deutlich dicker ausgebildet ist als das Absorptionselement des Wellenleiters. Es kann im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass das Substrat als Mantelschicht dient. Dies kann insbesondere dann bevorzugt sein, wenn der Brechungsindex des Substrats kleiner als der Brechungsindex des Absorbers ist. Es kann alternativ bevorzugt sein, dass zwischen dem Absorptionselement und dem Substrat eine hinreichend dicke Schicht mit einer Dicke von vorzugsweise mehr als einer Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung mit kleinerem Brechungsindex als dem Absorber vorliegt, die als Mantelschicht im Sinne der Erfindung dienen kann. Dadurch wird vorteilhafterweise vermieden, dass Strahlung aus dem Wellenleiter verloren geht, indem sie beispielsweise in das Substrat eindringt. Durch die Vorsehung der Mantelschicht kann daher vermieden werden, dass Strahlung für die Untersuchung der Absorption verloren geht.
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Mantelschicht beziehungsweise das Material, aus dem die Mantelschicht gebildet ist, für die in den Wellenleiter eingekoppelte Strahlung durchsichtig ist. Es ist im Sinne der Erfindung ferner bevorzugt, dass ein Brechungsindex der Mantelschicht erheblich größer ist als der Brechungsindex des Substrats. Es kann im Sinne der Erfindung darüber hinaus bevorzugt sein, dass ein Brechungsindex des Absorptionselements erheblich größer ist als ein Brechungsindex des Substrats, um die Leitung der Strahlung innerhalb des Wellenleiters zu ermöglichen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich die Brechungsindizes hinreichend deutlich voneinander unterscheiden. Die Differenz der Brechungsindizes sollte vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,1 liegen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur ortsaufgelösten Spektralanalyse für Strahlung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellung eines Wellenleiters, wobei der Wellenleiter ein Absorptionselement umfasst und das Absorptionselement eine variierende chemische Zusammensetzung aufweist,
b) Bereitstellung einer Strahlung, wobei die Strahlung in den Wellenleiter eingekoppelt wird,
c) Absorption von Strahlungsanteilen durch das Absorptionselement in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Absorptionselements und Eigenschaften der Strahlung, wobei durch die Absorption Ladungsträger in dem Absorptionselement freigesetzt werden,
d) Detektion der freigesetzten Ladungsträger durch eine Photodetektor-Anordnung, wobei die Photodetektoren entlang des Wellenleiters angeordnet vorliegen.

Für das vorgeschlagene Verfahren gelten die für den Wellenleiter und die für die Photonendetektor-Anordnung beschriebenen Definitionen, technischen Vorteile und überraschenden Wirkungen analog.
Darüber hinaus kann das Verfahren weitere Verfahrensschritte zur Auswertung der Informationen, die sich aus den freigesetzten Ladungsträgern ergeben, umfassen. Beispielsweise kann das vorgeschlagene Verfahren Entfaltungs- beziehungsweise Dekonvolutions-Methoden und/oder Dekonvolutions-Verfahrensschritte umfassen. Diese Dekonvolutions-Verfahren können im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als Entfaltungs-Verfahren bezeichnet werden. Vorzugsweise können solche Methoden als ein bevorzugt numerischer Verfahrensschritt bei der Auswertung der Messergebnisse im Rahmen eines Verfahrens zur ortsaufgelösten Spektralanalyse einer in einen Wellenleiter eingekoppelten Strahlung eingesetzt werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich die Photoresponse, aus der das Leistungsspektrum der Strahlung rekonstruiert wird, durch die Photo-Signale der verschiedenen Photodetektoren manifestiert. Als Grundlage für die Entfaltung können Kalibrationsschritte dienen, mit denen die Response des Photodetektorarrays auf einfallende monochromatische Strahlung verschiedener Wellenlänge bestimmt werden kann.
Das Verfahren kann vorzugsweise mit einem vorgeschlagenen Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Es kann aber auch bevorzugt sein, andere Wellenleiter zu verwenden. Das Merkmal, wonach das Absorptionselement eine variierende chemische Zusammensetzung aufweist, kann im Sinne der Erfindung vorzugsweise auch dadurch beschrieben werden, dass das Absorptionselement einen Materialgradienten aufweist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass hochenergetische Strahlungsanteile in einem vorderen Bereich des Wellenleiters und niederenergetische Strahlungsanteile in einem hinteren Bereich des Wellenleiters absorbiert werden, wobei die Absorption vorzugsweise fließend verläuft. Durch die sich örtlich verändernde Absorption der Strahlung kann eine Relation hergestellt werden zwischen dem Ort, an dem die Absorption stattfindet, und der Photonenenergie der entsprechenden Strahlung. Vorzugsweise besteht - wie oben beschrieben - ein Zusammenhang zwischen der Energie der absorbierten Strahlung und der Bandlücke des Materials am Absorptionsort. Vorzugsweise beeinflusst die Energie der absorbierten Strahlung die Menge und/oder Anzahl der freigesetzten Ladungsträger, so dass von dem ermittelten Photostrom, der bevorzugt durch die freigesetzten Ladungsträger erzeugt wird, auf den Anteil einer bestimmten Photonen-Energie in der Strahlung geschlossen werden kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die beschriebenen Merkmale einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein können.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben; es zeigt:

1 Darstellung eines schematischen Querschnitts durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
2 Darstellung einer schematischen Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung (10). Insbesondere zeigt 1 einen Wellenleiter (10), wobei die in 1 dargestellte beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung (10) ein Substrat (14), eine Mantelschicht (16) und ein Absorptionselement (12) umfasst. Die Mantelschicht (16) kann vorzugsweise auch als „cladding“ bezeichnet werden.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform einer Photodetektor-Anordnung (18). Die Photodetektor-Anordnung (18) umfasst einen Wellenleiter (10), sowie eine Reihe von Photodektoren (20), die auf beiden Seiten entlang des Wellenleiters (10) angeordnet vorliegen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Photodetektoren (20) miteinander verschaltet sind, so dass sie in ihrer Gesamtheit eine Photodetektor-Anordnung (18) bilden. Vorzugsweise sind jeweils zwei Photodetektoren (20) gegenüberliegend zueinander angeordnet, wobei je ein erster Photodetektor (20) eines solchen Photodetektor-Paares auf der rechten Seite des Wellenleiters (10) angeordnet sein kann und ein zweiter Photodetektor (20) eines solchen Photodetektor-Paares auf der linken Seite des Wellenleiters (10) angeordnet sein kann. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass ein Kontakt eines ersten Photodetektors (20) auf der einen Seite des Wellenleiters (10) angeordnet ist und der andere Kontakt auf der anderen Seite des Wellenleiters (10). Es kann ferner im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass die Photodetektoren (20) mit beiden Kontakten auf derselben Seite des Wellenleiters (10) angebracht sind.
Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass das Absorptionselement (12) einen Materialgradienten aufweist. Das Vorhandensein eines Materialgradienten bedeutet, dass die chemische Zusammensetzung des Absorptionselements (12) mit dem Verlauf des Absorptionselements (12) variiert, so dass das Absorptionselement (12) an unterschiedlichen Stellen jeweils eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweist. Das Absorptionselement (12) umfasst bevorzugt eine Halbleiterlegierung mit zwei, drei oder vier Legierungspartnern, wobei sich der Materialgradient bevorzugt darin äußert, dass an unterschiedlichen Orten des Absorptionselements (12) die einzelnen Legierungspartner variierende Bestandteile an der Gesamtzusammensetzung der Halbleiterlegierung aufweisen. Der Pfeil in 2 symbolisiert beispielhaft die einfallende und zu analysierende Strahlung beziehungsweise ihren Weg und/oder Richtung. Die drei Punkte in 2 sollen vorzugsweise symbolisieren, dass sich die Anordnung von Photodetektoren (20) auch in diesem Bereich des Wellenleiters (10) fortsetzt; aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die entsprechenden Photodetektoren (20) an den zwei betroffenen Stellen oberhalb und unterhalb des Wellenleiters (10) jedoch in 2 nicht dargestellt.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung/Wellenleiter
12: Absorptionselement
14: Substrat
16: Mantelschicht/cladding
18: Photonendetektor-Anordnung
20: Photonendetektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8282882 B2 [0003]

Claims

Vorrichtung (10) zur Leitung von Strahlung umfassend ein Absorptionselement (12) dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement (12) eine entlang seines Verlaufs variierende chemische Zusammensetzung aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement (12) auf einem Substrat (14) angeordnet vorliegt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement (12) ein Material umfasst, das eine binäre, ternäre oder quaternäre Halbleiterlegierung ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (14) und dem Absorptionselement (12) eine Mantelschicht (16) angeordnet vorliegt.
Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement (12) dazu eingerichtet ist, die Strahlung entlang des Verlaufs der Vorrichtung (10) in Abhängigkeit von mindestens einer Eigenschaft der Strahlung unterschiedlich stark zu absorbieren.
Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionselement (12) eine Länge in einem Bereich von 50 µm bis 20 mm aufweist, bevorzugt einem Bereich von 100 µm bis 10 mm.
Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass ein Material für das Absorptionselement (12) ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend (Mg,Zn)O, (Si,Ge), (Si,Ge)C, (In,Ga)₂O₃, (Al,Ga)₂O₃, (In,Ga)As, (AI,Ga)As, (In,Ga)N, (AI,Ga)N, (Cd,Zn)O, Zn(O,S), (AI,Ga,ln)As, (In,Ga)(As,P), (AI,Ga,ln)N, (Mg,Zn,Cd)O, (AI,Ga,ln)(As,P), (AI,ln,Ga)N und/oder (Al,Ga,In)₂O₃.
Photodetektor-Anordnung (18) umfassend eine Vorrichtung (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Vorrichtung (10) eine Anzahl von N Photodetektoren (20) angeordnet vorliegen, die in ihrer Gesamtheit dazu eingerichtet sind, eine variierende Absorption der Strahlung durch das Absorptionselement (12) entlang des Verlaufs der Vorrichtung (10) zu detektieren.
Verfahren zur ortsaufgelösten Spektralanalyse umfassend die folgenden Schritte a) Bereitstellung eines Wellenleiters (10), wobei der Wellenleiter (10) ein Absorptionselement (12) umfasst und das Absorptionselement (12) eine variierende chemische Zusammensetzung aufweist, b) Bereitstellung einer Strahlung, wobei die Strahlung in den Wellenleiter (10) eingekoppelt wird, c) Absorption von Strahlungsanteilen durch das Absorptionselement (12) in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Absorptionselements (12) und Eigenschaften der Strahlung, wobei durch die Absorption Ladungsträger in dem Absorptionselement (12) freigesetzt werden, d) Detektion der freigesetzten Ladungsträger durch eine Photodetektor-Anordnung (18), wobei eine Anzahl von N Photodetektoren (20) entlang des Wellenleiters (10) angeordnet vorliegen.