光譜儀的制作方法
【專利摘要】一種光譜儀，包括襯底以及襯底上的波導(dǎo)，所述波導(dǎo)包括細長部分和用于將電磁輻射引導(dǎo)至細長部分的錐形輸入。所述錐形輸入具有用于接收電磁輻射的輸入端和與細長部分相耦合的輸出端，所述輸入端的寬度大于輸出端的寬度。所述光譜儀還可以包括與波導(dǎo)的細長部分相耦合的多個諧振器。
【專利說明】光譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜儀。更具體地，但非排他地，本發(fā)明涉及一種包括波導(dǎo)的光譜儀，所述波導(dǎo)包括細長部分和用于將光引導(dǎo)至細長部分的輸入。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜儀用于多種應(yīng)用，以便測量波長范圍內(nèi)光的特性。例如，通過獲得感興趣對象的吸收或發(fā)射譜，可以將光譜儀用于成份分析。光譜內(nèi)峰值的存在和位置可以指示特定元素或化合物的存在。通常將光譜儀用于光波長下的分析，也可以將光譜儀用在例如微波和無線電波長等其它波長下。
[0003]通常光譜儀是相對復(fù)雜和昂貴的設(shè)備，需要以高精度控制多個移動部件的對準。例如，典型光譜儀可以將光聚焦到衍射光柵以便將入射波束分為分離波長，可以將衍射光柵旋轉(zhuǎn)到特定角度以便將特定波長的光定向至檢測器。近年來，已經(jīng)開發(fā)了基于芯片的光譜儀，所述基于芯片的光譜儀高度小型化，沒有移動部件，并且可以使用發(fā)展成熟的光刻技術(shù)來進行制作。圖1示出了這種片上光譜儀的示例。
[0004]芯片光譜儀100包括:襯底110，將波導(dǎo)120以及與所述波導(dǎo)相耦合的多個盤式諧振器圖案化到襯底上。波導(dǎo)120將輸入光引導(dǎo)至盤式諧振器。將光輸入到波導(dǎo)的一端，將每個諧振器130排列為支持特定波長處的諧振模式，使得僅該波長的光耦合進入諧振器130。每個盤式諧振器130的頂部是用于檢測電流的電極140，所述電流與諧振器中存在的光量成比例。因此，在每個諧振器中檢測到的電流指示了輸入光束中存在的該波長的光量。每個電極140還與信號接合焊盤150相連，信號接合焊盤150用于將光譜儀100與用于測量電流的外部設(shè)備相連接。為了實現(xiàn)向波導(dǎo)220中的最佳耦合，必須將輸入波導(dǎo)120的光與波導(dǎo)220的中心緊密對準。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種光譜儀，包括:襯底；以及襯底上的波導(dǎo)，所述波導(dǎo)包括細長部分和用于將電磁輻射引導(dǎo)至細長部分的錐形輸入，其中所述錐形輸入具有用于接收電磁福射的輸入端和與細長部分相I禹合的輸出端，輸入端的寬度大于輸出端的寬度。
[0006]所述輸入端的寬度可以大于波導(dǎo)布置接收的電磁輻射的自由空間波長Af。
[0007]所述輸入端的寬度可以在1.5 λ f和5 λ f之間，其中λ f是自由空間波長。
[0008]所述錐形輸入的長度可以設(shè)計為允許光學模式絕熱壓縮到波導(dǎo)中。
[0009]所述細長部分的寬度可以與錐形輸入的輸出端的寬度實質(zhì)上相同。
[0010]所述細長部分的寬度可以與形成波導(dǎo)的材料中輻射的波長Xw相同。
[0011 ] 所述細長部分和錐形輸入可以由相同材料形成。
[0012]所述細長部分和錐形輸入可以是一體化形成的。
[0013]波導(dǎo)布置為引導(dǎo)的輻射可以包括多個波長，所述光譜儀還可以包括與波導(dǎo)的細長部分相耦合的多個諧振器，每個諧振器配置為支持在多個波長之一處的諧振模式。【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]現(xiàn)參考附圖的圖2到6，示例性地描述了本發(fā)明的實施例，附圖中:
[0015]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的片上光譜儀；
[0016]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的光譜儀，所述光譜儀具有至波導(dǎo)的錐形輸入；
[0017]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的至波導(dǎo)的錐形輸入；
[0018]圖4示出了向圖3的錐形輸入偏心輸入的光束的時域有限差分(FDTD)仿真；
[0019]圖5是示出了將光耦合到具有3μπι寬輸入的錐形波導(dǎo)的圖；以及
[0020]圖6是示出了將光耦合到具有5μπι寬輸入的錐形波導(dǎo)的圖。
【具體實施方式】
[0021]現(xiàn)參考圖2，根據(jù)本發(fā)明實施例，示出了具有至波導(dǎo)的錐形輸入的光譜儀。如圖2所示，光譜儀200是片上光譜儀，包括襯底210、細長波導(dǎo)220以及與波導(dǎo)相耦合的多個盤式諧振器230。波導(dǎo)可以是脊形波導(dǎo)。每個盤式諧振器230設(shè)置有用于感測所述盤式諧振器中的電流的電極240，電極240與接合焊盤250相連，接合焊盤250用于將光譜儀200連接到其它組件。附圖是示意性的，僅用于說明的目的。具體地，可以存在其它層和組件，然而為了清楚起見，圖2省略了所述其它層和組件。例如，在波導(dǎo)220和/或盤式諧振器230中可以存在附加層。
[0022]類似于圖1傳統(tǒng)的基于芯片的光譜儀，在本實施例中，細長波導(dǎo)220與盤式諧振器230相耦合以便將輸入光引導(dǎo)至盤式諧振器230。每個盤式諧振器230配置為支持在光的特定預(yù)定波長處的諧振模式，使得從波導(dǎo)220僅將該預(yù)定波長的光耦合進入盤式諧振器230。然而，不同于細長波導(dǎo)沿其長度具有均勻?qū)挾鹊膫鹘y(tǒng)光譜儀，在本實施例中，所述波導(dǎo)包括與細長部分相耦合的錐形輸入。錐形輸入可以確保即使當輸入光束并未與波導(dǎo)的中心線完美對準時，大部分輸入能量仍可以耦合進入細長部分并定向至盤式諧振器。因此，通過放寬將基于芯片的光譜儀與輸入光束源進行精確對準的要求，使用錐形輸入可以允許降低制造容限。
[0023]圖3更詳細的描述了類似于如圖2所示的具有錐形輸入的波導(dǎo)。在圖2和3中，為了清楚起見，夸大了錐形的程度，即，圖3中的水平比例和垂直比例并不相同。如圖3所示，波導(dǎo)320包括錐形輸入320-1和細長部分320-2。細長部分320-2的寬度可以與圖1中傳統(tǒng)光譜儀的細長波導(dǎo)的寬度實質(zhì)上類似。細長部分的寬度可以設(shè)計為支持單一諧振模。例如，細長部分320-2的寬度可以類似于或略大于在波導(dǎo)320中輸入光束的一個波長K。然而，應(yīng)認識到其它寬度也是有可能的。
[0024]此外，如圖3所示，錐形輸入具有寬度為Tl的輸入端以及寬度為Τ2的輸出端。輸出端與細長部分320-2相耦合，使得將輸入至錐形輸入320-1的光向細長部分320-2引導(dǎo)并耦合到細長部分320-2中。寬度Tl實質(zhì)上大于輸出端的寬度Τ2。在一些實施例中，寬度Tl還大于由波導(dǎo)接收的輻射的自由空間波長Xf。例如，當設(shè)備是如圖2所示的光譜儀時，輸入光束可以包括多個波長。在這種情況下，例如，波長入{和入￥可以分別是輸入光束在自由空間內(nèi)和在波導(dǎo)材料內(nèi)的感興趣波長范圍的平均波長?？梢越Y(jié)合錐形輸入的寬度來設(shè)計錐形輸入320-1的長度，以便確保諧振模式絕熱壓縮。[0025]在本實施例中，錐形輸入320-1的輸出端直接與細長部分320-2相連，以便將光耦合進入細長部分320-2。具體地，在本實施例中，錐形輸入320-1和細長部分320-2 —體化地形成為單個組件，并且由相同材料(具體地，InP及其合金)形成。然而，在其它實施例中，其它布置是有可能的，例如，錐形輸入320-1和細長部分320-2可以由小空氣間隙分隔，和/或可以由不同材料形成。
[0026]還可以將波導(dǎo)120與諧振器130 —體化地形成。波導(dǎo)可以在與諧振器的相同處理步驟中形成在襯底110上，并且可以由例如適合半導(dǎo)體材料的相同材料形成?？梢杂扇魏芜m合類型的半導(dǎo)體制造所述襯底。例如，襯底可以由摻雜濃度大約為l_3xl018cm_3的η摻雜InP來形成。在襯底的頂部可以設(shè)置刻蝕停止層，防止刻蝕襯底，在刻蝕停止層的頂部可以設(shè)置支撐層。例如，可以由摻雜濃度為0.18-1.2xl018Cm_3的η摻雜InGaAsP來形成刻蝕停止層，可以由摻雜濃度為4-6xl017cm_3的η摻雜InP來形成支撐層。接著，可以將波導(dǎo)和諧振器提供為支撐層頂部的一個或多個層?？梢杂晌磽诫s的InGaAsP形成所述層?？梢栽谛纬刹▽?dǎo)和諧振器的一個或多個層的頂部形成覆蓋層?？梢杂蓳诫s濃度為2X1018cm_3的P摻雜InP來形成所述覆蓋層。還可以在覆蓋層的頂部設(shè)置用于金屬化的隔離層。提供波導(dǎo)和諧振器的一個或多個層可以具有比支撐層和覆蓋層更高的折射率，根據(jù)形成波導(dǎo)的層與支撐層和覆蓋層之間的折射率對比形成波導(dǎo)。應(yīng)理解，上述層結(jié)構(gòu)僅是示例，可以移除或替換一個或多個層。例如，該結(jié)構(gòu)可以不包括支撐層，在這種情況下，根據(jù)將波導(dǎo)層與覆蓋層和襯底之間的折射率對比形成波導(dǎo)。
[0027]提供波導(dǎo)和諧振器的一個或多個層可以包括吸收層，吸收層具有設(shè)計為吸收輻射的帶隙?？梢詫⑽諏釉O(shè)計為具有低吸收系數(shù)以便限制波導(dǎo)內(nèi)的吸收。一個或多個層可以形成包括兩個覆層的有源層疊，其中在所述兩個覆層之間夾有有源吸收層。吸收層的帶隙可以小于感興趣的最低能量光子，即，低于光譜儀配置檢測的最大波長的光子的能量。這樣，吸收層的成分可以用在光譜儀的所有盤式諧振器中。覆蓋層、支撐層和覆層可以具有大于感興趣的最高能量光子的帶隙。吸收層可以是量子阱。可以通過能夠?qū)雍穸认蛳驴刂茷閱螌拥姆肿邮庋踊蚧瘜W汽相沉積來生長量子阱。量子阱充分薄，以至于對波導(dǎo)內(nèi)的光場僅有極小影響或沒有影響。例如，量子阱厚度可以大約為3nm。當特定波長的光從波導(dǎo)進入諧振器時，光圍繞諧振器行進多個周期，并且光子被量子阱的材料吸收，這是因為，帶隙充分低，以至于甚至最低能量的光子將來自價帶的電子激勵到導(dǎo)帶中，從而產(chǎn)生電子空穴對?？梢詼y量得到的電流，該電流與盤式諧振器內(nèi)光能的量成比例。波導(dǎo)確保了光場在量子阱上方最大，這有助于增加吸收。
[0028]然而，應(yīng)認識到，該結(jié)構(gòu)不必在諧振器和波導(dǎo)上是均勻的。例如，吸收層可以不設(shè)置在波導(dǎo)內(nèi)。可以選擇性地刻蝕波導(dǎo)120內(nèi)的吸收層，并將其替換為較寬帶隙合金，或可以首先將吸收層僅沉積在盤式諧振器130中。
[0029]當然應(yīng)理解，本發(fā)明不限于上述層結(jié)構(gòu)，其它實施例中，可以使用其它結(jié)構(gòu)。
[0030]現(xiàn)參考圖4，示出了向圖3所示錐形波導(dǎo)偏心輸入的光束的時域有限差分(FDTD)仿真。具體地，圖4中，輸入光束的自由空間中心波長為1600nm，并且是相對于波導(dǎo)的中心軸以0.5μπι的偏移輸入的。如果所述波導(dǎo)由例如折射率為3.1的材料形成，則波導(dǎo)材料內(nèi)的輻射可以具有僅超過500nm的波長。在本實施例中，錐形輸入320-1的輸入端的寬度Tl是3 μ m，與波導(dǎo)320-2相耦合的輸出端的寬度T2是0.75 μ m,錐形輸入320-1的長度大約42μπι。因此，輸入端的寬度Tl明顯大于輻射的自由空間波長xf。然而，應(yīng)認識到，本發(fā)明不限于上述尺寸。如圖4所示，即使光偏心輸入到波導(dǎo)，S卩，沒有與波導(dǎo)的中心軸對準，輸入能量的實質(zhì)部分仍耦合進入在輸入端寬度較大的錐形輸入320-1，通過所述錐形端將光引導(dǎo)至較窄的細長部分320-2。已示出，大約80%的光能被收集，40%的光能傳播到在細長部分中與波導(dǎo)入口相距50 μπι的檢測器。
[0031]相較于圖3和4所示實施例，如果以0.5 μ m到0.75 μ m的偏置將光輸入例如如圖1所示的具有相似結(jié)構(gòu)的非錐形波導(dǎo)，則只有10%的輸入功率耦合進入該波導(dǎo)，而5%的功率傳播到與波導(dǎo)入口相距50 μ m的檢測器。因此，使用如圖3和4所示的錐形輸入允許將更多輸入能量耦合進入波導(dǎo)，尤其在輸入光束與波導(dǎo)的中心軸非適當對準的情況下。
[0032]現(xiàn)參考圖5和6，附圖示出了針對錐形輸入的輸入端的不同寬度，將波長為1.6 μ m的輸入光耦合進入與圖2、3和4的波導(dǎo)類似的波導(dǎo)的細長部分。附圖示出了仿真結(jié)果，其中相對進入波導(dǎo)的距離，繪制了與輸入能量的比例相對應(yīng)的監(jiān)測值。在圖5和6中，輸入光束與波導(dǎo)軸向?qū)剩?，相對于波?dǎo)軸沒有偏移。圖5的圖示出了輸入端寬度為3μπι的結(jié)果，圖6的圖示出了輸入端寬度為5 μ m的結(jié)果。在這兩者情況下，將錐形輸入的輸出端和細長部分設(shè)計為支持單個模式。
[0033]如圖5所示，對于寬度為3 μ m的輸入端而言，在與波導(dǎo)軸靠近的點處，實質(zhì)上所有輸入光能都耦合進入波導(dǎo)，如圖5的實線和點狀線所示。虛線示出了在與波導(dǎo)軸相距一定距離處耦合進入波導(dǎo)的能量的量，示出了在這種情況下，大約45%的輸入能量仍然耦合進入波導(dǎo)。
[0034]如圖6所不，對于寬度為5 μ m的輸入端而言,在與波導(dǎo)軸靠近的點處，大約95 %的輸入光能耦合進入波導(dǎo)，如實線和點狀線所示。虛線示出了在與波導(dǎo)軸相距一定距離處大約35%的輸入能量仍然耦合進入波導(dǎo)。也就是說，如果錐形寬度增加超過特定點，則耦合進入波導(dǎo)細長部分的輸入能量的量開始降低。因此，優(yōu)選地可以在特定范圍內(nèi)選擇錐形寬度，例如，在1.5 λ和5λ之間，其中λ是自由空間波長。在一些實施例中，可以從1.5 λ和2.5λ的范圍內(nèi)選擇錐形寬度。然而，具體值取決于形成波導(dǎo)的材料。如上所述，適合波導(dǎo)的材料可以是半導(dǎo)體材料。
[0035]盡管將本發(fā)明實施例描述為波導(dǎo)具有在水平面(即，平行于襯底表面的平面)對稱成錐形的輸入，然而本發(fā)明不限于這種結(jié)構(gòu)。例如，在一些實施例中，波導(dǎo)的錐形輸入可以是非對稱的。此外，錐形輸入可以在垂直方向成錐形而不在水平方向成錐形，或在垂直和水平方向都成錐形。在一些實施例中，錐形輸入可以是圓錐形，或形狀設(shè)計為具有圓錐截面。此外，盡管在示例所述實施例中錐形輸入的輸出端的寬度與跟錐形輸入相耦合的細長部分的寬度相同，然而在其它實施例中，輸出端的寬度可以大于或小于細長部分的寬度，例如，波導(dǎo)可以具有階梯狀輪廓，其中將輸出端與細長部分相耦合。
[0036]此外，盡管將實施例描述為用于接收和引導(dǎo)光波長處的電磁輻射，然而本發(fā)明不限于光波長。例如，錐形波導(dǎo)可以配置為引導(dǎo)任意波長的電磁輻射，例如，在微波波長處的電磁福射而不是光波長處的電磁福射。
[0037]盡管以上描述了本發(fā)明的特定實施例，然而技術(shù)人員應(yīng)認識到在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍的前提下，有可能進行多種改變和修改。
[0038]應(yīng)認識到，可以將描述本發(fā)明時參考的光譜儀看作是分光光度計或其一部分。因此，所用的術(shù)語“光譜儀”可以用術(shù)語“分光光度計”來代替。
[0039]此外，盡管將光譜儀描述為包括盤式諧振器，然而所述波導(dǎo)可以用于將光引導(dǎo)至任意類型的諧振器。例如，諧振器可以是任何高Q腔體，例如，球形諧振器、微環(huán)等。
【權(quán)利要求】
1.一種光譜儀(200)，包括: 襯底(210);以及 襯底上的波導(dǎo)(220，320)，所述波導(dǎo)包括細長部分(320-2)和用于將電磁輻射引導(dǎo)至所述細長部分的錐形輸入(320-1)， 其中所述錐形輸入具有用于接收電磁輻射的輸入端和與細長部分相耦合的輸出端，所述輸入端的寬度大于輸出端的寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中所述輸入端的寬度大于布置波導(dǎo)以接收的電磁輻射的自由空間波長入f。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜儀，其中所述輸入端的寬度在1.5 λ f和5 λ f之間。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的光譜儀，其中所述細長部分的寬度與錐形輸入的輸出端的寬度實質(zhì)上相同。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的光譜儀，其中所述細長部分和錐形輸入由相同材料形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光譜儀，其中所述細長部分和錐形輸入是一體化形成的。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的光譜儀，其中所述波導(dǎo)配置為引導(dǎo)多個波長的電磁輻射，所述光譜儀還包括: 與波導(dǎo)的細長部分相耦合的多個諧振器(230)，每個諧振器配置為支持在多個波長之一處的諧振模式。
【文檔編號】G02B6/293GK103998962SQ201280061657
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月14日
【發(fā)明者】斯蒂芬·斯韋內(nèi), 張亞平 申請人:阿斯特里姆有限公司