对波导中的背向反射的抑制的制作方法

对波导中的背向反射的抑制的制作方法
【专利摘要】一种用于引导电磁辐射的结构，包括：衬底(230)；波导(220)，设置在所述衬底上，具有用于接收电磁辐射的第一端(220a)和第二端(220b)；以及抗反射区域(270)，设置在衬底上的波导的第二端处(220b)，优化抗反射区域的长度和宽度，以便抑制到达所述第二端的辐射的背向反射。
【专利说明】对波导中的背向反射的抑制
【技术领域】
[0001]本发明涉及波导。更具体地，但非排他地，本发明涉及抑制辐射在用于光谱仪的波导中的背向反射。
【背景技术】
[0002]波导用于将电磁辐射从设备的一个组件导向另一组件，或将辐射导入组件内。光谱仪是使用波导的设备的一个示例。
[0003]光谱仪用于多种应用，以便测量波长范围内光的特性。例如，通过获得研究目标的吸收或发射谱，可以将光谱仪用于成分分析。光谱内波峰的存在和位置可以指示特定元素或化合物的存在。通常将光谱仪用于分析光波长，也可以将光谱仪用于分析例如微波和无线电波长的其它波长。
[0004]通常光谱仪是相对复杂和昂贵的设备，需要以高精度控制多个移动部件的对准。例如，典型光谱仪可以将光聚焦到衍射光栅以便将入射光分为分离波长，可以将衍射光栅旋转特定角度以便将特定波长的光导向检测器。近年来，已经开发了基于芯片的光谱仪，所述基于芯片的光谱仪高度小型化，没有移动部件，并且可以使用发展成熟的光刻技术来进行制作。图1示出了这种片上光谱仪的示例。
[0005]芯片光谱仪100包括:衬底110，将波导120图案化(pattern)到衬底上；以及多个盘式谐振器130,与所述波导相稱合。光从第一端120a进入波导，导向第二端120b。排列谐振器使得将波导内的部分光耦合到盘式谐振器130。将每个谐振器130排列为支持特定波长处的谐振模式，使得仅该波长的光耦合进入谐振器130。每个盘式谐振器130的顶部是用于检测电流的电极140，所述电流与谐振器中存在的光量成比例。因此，每个谐振器检测到的电流指示了输入光束中存在的该波长处的光量。每个电极140还与信号接合焊盘150相连接，以便将光谱仪100与用于测量电流的外部设备相连接。部分光没有耦合到任何谐振器，到达波导的第二端120b。来自波导端部的背向反射可能在光谱仪芯片内引起干涉，从而降低光谱仪的性能。因此，将低反射涂层160蒸发或溅射在波导的第二端120b上，以阻止来自到达该波导端部的光发生背向反射。然而，涂覆低反射涂层在制造光谱仪过程中需要额外处理步骤。
[0006]本发明是为了改善现有技术。

【发明内容】

[0007]根据本发明，提供了一种用于引导电磁辐射的结构，包括:衬底；波导，设置在所述衬底上，具有用于接收电磁辐射的第一端和第二端；以及抗反射区域，设置在衬底上的波导的第二端处，优化抗反射区域的长度和宽度，以便抑制到达波导第二端的辐射的背向反射。
[0008]由于当辐射进入抗反射区域时变为无导向(unguided)，因此降低了波导中的背向反射，在所述抗反射区域中，通过形成抗反射区域的材料吸收发散的辐射场。通过优化抗反射区域的长度和宽度，可以实现几乎0%的有效反射率。
[0009]波导和抗反射区域可以由相同材料形成。可以将波导和抗反射区域整体形成为单个组件。可以在相同处理步骤中将它们设置在衬底上。可以将波导和抗反射区域设置为相同层的部件。如果波导包括多于一个的层，则可以将波导和抗反射区域设置为相同层的部件。所述层可以包括量子阱。
[0010]抗反射区域可以具有实质上宽于波导宽度的宽度。抗反射区域的宽度还可以实质上大于形成抗反射区域的材料中辐射的波长。当由与波导相同的材料形成抗反射区域时，所述波长也是辐射在波导内的波长。例如，抗反射区域的宽度可以是形成波导和抗反射区域的材料中该辐射的波长的至少3倍。所述结构可以是基于半导体的结构，抗反射区域的宽度可以至少是半导体波导中辐射的波长的3倍。更具体地，确定抗反射区域的尺寸所依赖的波长并非自由空间波长，而是在形成波导和抗反射区域的材料内的波长。
[0011]抗反射区域的长度可以实质上长于形成抗反射区域的材料中所述电磁辐射的波长。当由相同材料构成抗反射区域时，波长也是福射在波导内的波长。抗反射部分的长度通常可以是电磁辐射波长长度的至少5倍。当然，抗反射区域越长，不被背向反射的辐射的比率就越大。当由半导体材料形成波导和抗反射区域时，辐射在波导内的波长应是辐射在半导体材料内的波长。
[0012]根据本发明，提供了一种包括上述结构的光子组件。
[0013]根据本发明，还提供了 一种包括上述结构的芯片。
[0014]根据本发明，还提供了一种包括上述结构的光谱仪。所述光谱仪还可以包括多个谐振器，设置在所述衬底上并与所述波导相耦合。
[0015]多个谐振器可以是盘式谐振器。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]现参考附图的图2到6，示例性地描述了本发明的实施例，附图中:
[0017]图1是现有技术光谱仪的透视图；
[0018]图2是根据本发明一些实施例的具有波导排列的光谱仪的透视图；
[0019]图3是根据本发明的波导排列的平面图；
[0020]图4示出了图3的波导排列的横截面；
[0021]图5示出了根据本发明在波导排列中传播的连续波图案；
[0022]图6a是示出了波导内特定位置处的辐射强度随时间变化的图；以及
[0023]图6b指示了针对图6a的图，在波导中监测辐射强度的位置。
【具体实施方式】
[0024]参考图2，示出了根据本发明一些实施例的具有波导排列的光谱仪200的透视图。
[0025]光谱仪是片上光谱仪，包括:衬底210，在其上图案化细长的波导220 ;以及多个盘式谐振器230，与波导耦合。可以将波导排列为接收并引导预定波长范围的电磁辐射，包括但不限于光波波长、微波波长或无线电波长，可以是脊形波导。在波导的第一端220a处接收光，并将其导向第二端220b，将每个谐振器230排列为在特定波长处支持谐振模式，使得仅将该波长的光耦合到谐振器230。每个盘式谐振器230的顶部是用于检测电流的电极240，电流与该谐振器中存在的光量成比例。因此，每个谐振器中检测到的电流指示了输入光束中存在的该波长处的光量。每个电极240还连接到信号接合焊盘250，以便将光谱仪200与用于测量电流的外部设备相连接。应理解，尽管将谐振器描述为与波导分离，也可以将谐振器理解为波导的一部分。
[0026]根据本发明，光谱仪芯片200还包括与波导220的第二端220b相耦合的抗反射区域270。抗反射区域在波导端部处设置有陡峭并较宽的界面(abrupt and wideinterface)，使得在波导的第二端220b和抗反射区域270之间的接口处传播的波变为无导向，并扩散到抗反射区域，在抗反射区域中发散并由抗反射区域吸收。可以在与波导和谐振器相同的处理步骤中将抗反射区域形成在所述衬底上。可以将抗反射区域设置为与波导相同的材料或多种材料，可以将波导和抗反射区域整体形成为单个组件。例如，波导和抗反射区域可以由半导体材料形成。备选地，波导和抗反射区域可以由不同材料形成。然而，当然还需要其他处理步骤。下文中，将波导和抗反射区域描述为在相同处理步骤中由相同材料形成。可以在光谱仪芯片的掩膜布局(mask layout)中将抗反射区域270设置为附加特征。优化抗反射区域的长度和宽度，以确保出现可忽略的背向反射。由于使用抗反射区域有效消除了背向反射，或至少降低了背向反射，因此不需要波导端部的低反射涂层，可以避免将涂层蒸发或溅射到波导上的昂贵额外步骤。
[0027]将认识到，尽管以上相对于光谱仪200描述了抗反射区域270，然而可以将其用于提供用于降低或消除任何光子组件中的背向反射的机械装置。相对于图3和4示出了通用波导排列结构。参考图3,由波导220提供的导光部分(light guiding section)直接与由抗反射区域270提供的辐射吸收部分相连接。如图4所示，两个部分可以图案化到衬底210的顶部。如下文所详述，可以将波导220和抗反射区域设置为设置在衬底顶部的一个或多个层。选择一个或多个层的材料和深度以便将辐射导入波导，而没有大量损耗，此外使得当辐射变为无导向并在抗反射区域中发散时，吸收并散射所述辐射。
[0028]如上所述，优化抗反射区域270的宽度和长度以便最小化到达波导端部220b的光的背向反射。认识到抗反射区域270不必形成为矩形，可以是不规则几何形状。于是将长度认为是沿波传播方向的距离，将宽度认为是在波导220中沿垂直于波传播方向的方向的距离。
[0029]如图3所示，将抗反射区域270的宽度Wa选择为实质上宽于波导220的宽度Wb。例如，波导可以具有在0.5μπι到5μπι之间的宽度。波导可以设计为支持单模谐振。通常，波导的宽度Wb是辐射在形成波导的材料中的波长的数量级(order)。它基本上等于或略大于该辐射在形成波导的材料中的波长的宽度。
[0030]更重要地，抗反射区域270的宽度Wa实质上宽于光或其它辐射在形成波导和抗反射区域的材料中的波长。可以由半导体材料形成波导和抗反射区域，宽度Wa可以实质上宽于该辐射在半导体材料中的波长λ。抗反射区域的宽度应足够大，以便确保在抗反射区域中存在的辐射不再被导向。波导的宽度Wa可以等于或宽于形成波导和抗反射区域的材料中该辐射的波长λ的三倍，以便抑制对波导的背向反射。例如，当设备是如图2所示的光谱仪时，输入光束可以包括多个波长。例如，在这种情况下，确定抗反射区域的尺寸所依赖的波长λ可以是抗反射区域的材料中输入光束中感兴趣波长范围的平均波长。
[0031]此外，抗反射区域的长度长于波导和抗反射区域中辐射的波长λ。为了有效消除所有的背向反射，抗反射区域的长度应至少是形成抗反射区域的半导体中该辐射的波长λ的五倍。
[0032]可以由具有实质上高于空气的折射率的材料形成波导和抗反射区域。例如，如果波导包括具有大约为3的折射率的半导体材料，并将波导排列为接收空气中波长为1500nm的辐射，则在导光部分中的波长大约为500nm。于是可以发现为了显著降低背向反射，抗反射区域的最小长度应是2.5 μ m。应认识到大约3 μ m的长度可以提供针对消除背向反射的适合长度。此外，最小宽度应是1.5μπι。如上所述，应认识到，只要抗反射区域沿光传播方向的距离等于或长于形成抗反射区域的材料中该辐射的波长λ的5倍，且宽度等于或宽于形成抗反射区域的材料中该辐射的波长λ的3倍，就会明显降低被反射辐射的量。
[0033]图4示出了沿图3的IV-1V’线的横截面。如图所示，将多个层沉积在衬底210的顶部。图4仅示出了少部分的层，将认识到，该结构可以包括附加层。波导可以在衬底上沉积为一个或多个层。波导220和抗反射区域270可以与波导在同一平面内延伸，并与波导一体化地形成。可以由任何适合类型的半导体制造衬底。例如，可以由掺杂浓度大约为l-3X1018cm_3的η掺杂磷化铟(InP)来形成衬底。在衬底的顶部可以设置刻蚀停止层(未示出)，防止刻蚀衬底，在刻蚀停止层的顶部可以设置支持层(未示出)。例如，可以由掺杂浓度为0.18-1.2xl018Cm_3的η掺杂InGaAsP来形成刻蚀停止层，可以由掺杂浓度为
4-6xl017Cm_3的η掺杂InP来形成支持层。接着，可以将波导220和抗反射区域270提供为支持层顶部的一个或多个层。例如，可以由未掺杂的InGaAsP形成所述层。可以在形成波导的一个或多个层的顶部形成覆盖层(capping layer)(未示出)。可以由掺杂浓度大约2xl018cm-3的P掺杂InP来形成覆盖层。还可以在覆盖层的顶部设置用于金属化的隔离层。
[0034]提供波导220和抗反射区域270的一个或多个层可以比支持层和覆盖层具有更高的折射率，根据形成波导和支持层的层与覆盖层之间的折射率对比来形成波导。应理解，上述层结构仅是示例性的，可以移除或替换一个或多个层。例如，如果结构不包括支持层，则将波导和抗反射区域设置为在波导层、覆盖层和衬底之间的折射率对比之间。形成波导和抗反射区域的一个或多个层可以包括具有设计为吸收辐射的带隙的层。可以将其设计为具有低吸收系数以便限制波导内的吸收。当光进入抗反射区域时，它变为无导向的。这意味着光在吸收层中行进的距离越长，它被吸收的越多。一部分光被散射，一部分光从半导体/空气界面背向反射接着进一步散射并在返回路径上经历更多吸收。换言之，主要构思在于光在抗反射区域的损耗材料中行进更长距离，并被强烈吸收。
[0035]一个或多个层可以形成包括两个覆层的主动层堆叠，在所述两个覆层之间夹有主动吸收层。吸收层可以是量子阱，具有设计为吸收抗反射区域内的辐射的带隙。可以通过能够将层厚度控制为单层的分子束外延或化学汽相沉积来生长量子阱。量子阱非常薄，以至于对波导内的辐射仅有极小影响或没有影响。例如，量子阱厚度可以大约为3nm。设置在抗反射区域中的量子阱内吸收进入抗反射区域270的辐射。波导220确保光场在量子阱处最大，这有助于增加吸收。
[0036]如果将图3和4的波导排列设置在图2的光谱仪中，则谐振器230还应包括针对波导220和抗反射区域270描述的一部分层或全部层。覆盖层、支持层和覆层可以具有大于感兴趣的最高能量光子的带隙。相反，如上所述，夹在覆层之间的有源吸收层具有小于感兴趣的最低能量光子的带隙，即，低于光谱仪配置为检测的最大波长光子的能量。这样，主动吸收层的成分可以用于光谱仪中的所有盘式谐振器。如上所述，当吸收层是量子阱时，量子阱足够薄以至于对波导中的光场的影响非常小或没有影响。当特定波长的光从波导进入谐振器时，由于带隙即使对于最低能量的光子而言仍非常低，以至于从价带向导带激发电子从而产生电子空穴对，光在谐振器内行进多圈，通过量子阱的材料吸收光子。可以测量得到的电流，该电流与盘式谐振器内光能的总量成比例。
[0037]然而，应理解，该结构不必在谐振器230、波导220和抗反射区域270上均等设置。例如，在一些实施例中，吸收层可以不设置在波导内。为了实现此目标，可以选择性地刻蚀波导内的吸收层，并将其替换为较宽带隙合金，或可以一开始仅将吸收层沉积在盘式谐振器和/或抗反射区域中。
[0038]当然应理解，本发明不限于如图3所示的和上述的层结构，其它实施例中也可以使用其他结构。
[0039]图5示出了仿真的结果，该仿真示出了 2.5μπι长和3μπι宽的抗反射区域对在形成波导和抗反射区域的半导体材料中波长大约为500nm的辐射的影响。x轴指示波导中沿垂直于波传播方向的距离，y轴指示波导中沿波传播方向的距离。从图5应清楚，当辐射进入抗反射区域时发散。从图5还应清楚，光在实质上宽于波导宽度的区域上发散。波导端部处的区域设置了辐射的停止端(end-stop)，最小化对波导的背向反射。
[0040]图6a示出了对包括如图6b所示抗反射区域的波导排列的另一仿真的结果。如图6b所示，通过波导端部附近的检测器检测光，所述检测器与实质上宽于波导的抗反射区域相耦合。用箭头指示检测到光的位置。图6a的图示出了检测到的光相对时间的强度。从图6a应清楚，当将波导内接收到的光通过波导导向抗反射区域时，检测到光脉冲，并且将到达波导端部的几乎0%的光背向反射到波导。
[0041]尽管描述了本发明的特定示例，然而本发明的范围由所附权利要求来限定，而不限于所述示例。因此，本领域技术人员应理解，本发明可以实现为其它形式。
[0042]例如，应认识到可以将参考本发明的实施例描述的光谱仪认为是分光光度计或分光光度计的一部分。因此，所用的术语“光谱仪”可以用术语“分光光度计”来代替。
[0043]此外，尽管将光谱仪描述为接收并引导光，然而可以将光谱仪用于引导和检测任何波长的电磁辐射。此外，尽管将光谱仪描述为包括盘式谐振器，然而所述波导可以用于将光导向任何类型的谐振器。例如，谐振器可以是任何高Q腔体，例如，球形谐振器、微环等。
[0044]应注意，尽管相对片上光谱仪描述了本发明，然而本发明可以实现为使用用于引导光子的波导并不需要背向反射的任何设备。例如，本发明可以用于干涉仪，光开关、激光、光栅等。本发明可以用于使用波导的任何光子组件。光子组件是产生、发射、发送、调制、处理、切换、放大、检测和感测光的任何组件。例如，可以将光子组件用于光子集成电路、光学传感器或光学通信设备中，包括但不限于光学通信设备的分插复用器(Add-Dix)PMultiplexer)。
【权利要求】
1.一种用于引导电磁福射的结构，包括: 衬底(230)； 波导(220)，设置在所述衬底上，具有第一端(220a)和第二端(220b)，所述第一端(220a)用于接收电磁辐射；以及 抗反射区域(270)，设置在衬底上波导的所述第二端处(220b)，优化抗反射区域的长度和宽度，以便抑制到达所述第二端的辐射的背向反射。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述抗反射区域的宽度(Wa)实质上宽于波导的宽度(Wb)。
3.根据权利要求1或2所述的结构，其中所述抗反射区域的宽度(Wa)大于抗反射区域中福射的波长。
4.根据权利要求3所述的结构，其中所述抗反射区域的宽度至少是抗反射区域中所述辐射的波长的3倍。
5.根据任一前述权利要求所述的结构，其中所述抗反射部分的长度实质上长于抗反射区域中所述辐射的波长。
6.根据权利要求5所述的结构，其中所述抗反射部分的长度至少是抗反射区域中电磁辐射的预定波长的5倍。
7.根据任一前述权利要求所述的结构，其中所述波导和抗反射区域由相同材料形成。
8.根据任一前述权利要求所述的结构，包括:形成波导和抗反射区域的一个或多个层。
9.根据权利要求8所述的结构，其中所述一个或多个层包括量子阱。
10.根据任一前述权利要求所述的结构，其中所述结构包括半导体材料。
11.一种光子组件，包括根据任一前述权利要求所述的结构。
12.一种芯片，包括根据权利要求1到10中任一权利要求所述的结构。
13.—种光谱仪，包括根据权利要求1到10中任一权利要求所述的结构。
14.根据权利要求12所述的光谱仪，还包括:多个谐振器，设置在所述衬底上并与所述波导相耦合，每个谐振器在电磁辐射的预定波长处进行谐振。
15.根据权利要求14所述的光谱仪，其中所述多个谐振器是盘式谐振器。
【文档编号】G02B6/293GK103998964SQ201280058439
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年10月9日 优先权日:2011年10月14日
【发明者】斯蒂芬·斯韦内, 张亚平 申请人:阿斯特里姆有限公司