常规光谱仪通常由一个或几个衍射光栅，光路和检测器阵列组成。光穿过输入狭缝并被准直到衍射光栅上，该衍射光栅将光谱分量分散在不同的方向上。此外，凹面镜将该分散的光聚焦到检测器阵列。微米和纳米制造技术的进步为通过缩小这些系统的组件规模来开发显微光谱仪提供了机会。自1990年代以来，研究人员们实现了各种具有厘米级尺寸的日益小型化的空间色散光谱仪。这些分散式显微光谱仪通常是通过晶圆键合制造的，其光路是通过电化学控制蚀刻形成的（图2A）。

随着系统占用空间的减小以及组件尺寸的减小，必须考虑许多因素。检测器平面上光谱分量的分离取决于光在遇到色散元素后被允许传播的距离。这样，对于给定的光栅和检测器阵列，分辨率（最窄的可分辨光谱分量的半最大全宽）与系统的光路长度成比例。当器件变得更紧凑时，路径长度必定会减小，从而降低了光谱分辨率。通过在给定宽度内增加检测器的像素密度，可以在一定程度上补偿这种情况。然而，光学部件的质量和系统对准在制造中存在相互矛盾的问题。例如，蚀刻引起的表面粗糙度将导致更多的光在到达检测器阵列之前被散射。

如果没有准直分量将输入狭缝成像到检测器上，则分辨率会受到影响。一种可行的方法是使用凹面光栅，光被分散并从不同角度聚焦到检测器阵列上的不同位置而无需复杂的准直光学器件和多个反射组件（图2B）。基于这种设计的商业化，可制造的可见范围显微光谱仪已实现了约10 nm的分辨率，占地面积为1-2 cm。除了这些凹面光栅以外，还实现了超透镜和菲涅耳光栅是衍射光学元件。光栅-菲涅耳透镜（衍射光栅和菲涅耳透镜的集成组合）也在智能手机附带的光谱仪系统中进行了应用（图2C）。

此外，研究人员提出了波导作为自由空间光学器件的替代方案，它允许进行更紧凑的光限制，以进一步减小占位面积而不会显着影响性能。对于这种方法，在基板的两侧蚀刻输入和输出光栅，然后，在顶部沉积波导层。如图2D所示，在这些系统中，光通过输入光栅耦合到波导中。当通过波导传播时，光与波导表面上的分析物相互作用。然后，光电检测器阵列在光从输出光栅射出时对其进行检测。因此，该系统可以通过倏逝耦合来测量入射光光谱或被分析物在波导顶部的吸收光谱。

这些基于波导的光谱仪使用了各种色散方案（图2E至I），如平面光子晶体、全息元件、平面阶梯光栅、透射光栅、自聚焦透射光栅、啁啾光栅和阵列波导光栅以及超表面。与平面外设备一样，基于波导的光谱仪的分辨率本质上与系统足迹提供的光程长度有关，因此，小型化需要降低性能。此外，在可制造性方面，低沟道间距下的制造公差（例如，与侧壁粗糙度引起的损耗有关）和波导模式耦合对毫米级以下的极端小型化提出了挑战。然而，除了更大的光限制之外，这些优点还表现在直接集成到单片波导光学分析系统中。

除了在结构和色散元件方面的创新外，同时减小尺寸和增加光电探测器阵列的灵敏度还为实现更小，更高性能的微谱仪提供了另一条途径。例如，最近，超导纳米线已成为光谱仪应用中半导体光电探测器最有希望的替代品之一，因为它们显示出超高的灵敏度（单光子可检测性），低抖动和暗计数。实际上，最近使用超导纳米线的单光子显微光谱仪演示能够对超微弱的光进行光谱分析，这标志着它们在天文光谱学和量子计算中的应用迈出了一步。