光谱仪的制作方法

光谱仪的制作方法
【专利摘要】一种光谱仪，包括衬底以及衬底上的波导，所述波导包括细长部分和用于将电磁辐射引导至细长部分的锥形输入。所述锥形输入具有用于接收电磁辐射的输入端和与细长部分相耦合的输出端，所述输入端的宽度大于输出端的宽度。所述光谱仪还可以包括与波导的细长部分相耦合的多个谐振器。
【专利说明】光谱仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及光谱仪。更具体地，但非排他地，本发明涉及一种包括波导的光谱仪，所述波导包括细长部分和用于将光引导至细长部分的输入。
【背景技术】
[0002]光谱仪用于多种应用，以便测量波长范围内光的特性。例如，通过获得感兴趣对象的吸收或发射谱，可以将光谱仪用于成份分析。光谱内峰值的存在和位置可以指示特定元素或化合物的存在。通常将光谱仪用于光波长下的分析，也可以将光谱仪用在例如微波和无线电波长等其它波长下。
[0003]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波束分为分离波长，可以将衍射光栅旋转到特定角度以便将特定波长的光定向至检测器。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。
[0004]芯片光谱仪100包括:衬底110，将波导120以及与所述波导相耦合的多个盘式谐振器图案化到衬底上。波导120将输入光引导至盘式谐振器。将光输入到波导的一端，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，在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的光量。每个电极140还与信号接合焊盘150相连，信号接合焊盘150用于将光谱仪100与用于测量电流的外部设备相连接。为了实现向波导220中的最佳耦合，必须将输入波导120的光与波导220的中心紧密对准。

【发明内容】

[0005]根据本发明，提供了一种光谱仪，包括:衬底；以及衬底上的波导，所述波导包括细长部分和用于将电磁辐射引导至细长部分的锥形输入，其中所述锥形输入具有用于接收电磁福射的输入端和与细长部分相I禹合的输出端，输入端的宽度大于输出端的宽度。
[0006]所述输入端的宽度可以大于波导布置接收的电磁辐射的自由空间波长Af。
[0007]所述输入端的宽度可以在1.5 λ f和5 λ f之间，其中λ f是自由空间波长。
[0008]所述锥形输入的长度可以设计为允许光学模式绝热压缩到波导中。
[0009]所述细长部分的宽度可以与锥形输入的输出端的宽度实质上相同。
[0010]所述细长部分的宽度可以与形成波导的材料中辐射的波长Xw相同。
[0011 ] 所述细长部分和锥形输入可以由相同材料形成。
[0012]所述细长部分和锥形输入可以是一体化形成的。
[0013]波导布置为引导的辐射可以包括多个波长，所述光谱仪还可以包括与波导的细长部分相耦合的多个谐振器，每个谐振器配置为支持在多个波长之一处的谐振模式。【专利附图】

【附图说明】
[0014]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:
[0015]图1示出了现有技术的片上光谱仪；
[0016]图2示出了根据本发明实施例的光谱仪，所述光谱仪具有至波导的锥形输入；
[0017]图3示出了根据本发明实施例的至波导的锥形输入；
[0018]图4示出了向图3的锥形输入偏心输入的光束的时域有限差分(FDTD)仿真；
[0019]图5是示出了将光耦合到具有3μπι宽输入的锥形波导的图；以及
[0020]图6是示出了将光耦合到具有5μπι宽输入的锥形波导的图。
【具体实施方式】
[0021]现参考图2，根据本发明实施例，示出了具有至波导的锥形输入的光谱仪。如图2所示，光谱仪200是片上光谱仪，包括衬底210、细长波导220以及与波导相耦合的多个盘式谐振器230。波导可以是脊形波导。每个盘式谐振器230设置有用于感测所述盘式谐振器中的电流的电极240，电极240与接合焊盘250相连，接合焊盘250用于将光谱仪200连接到其它组件。附图是示意性的，仅用于说明的目的。具体地，可以存在其它层和组件，然而为了清楚起见，图2省略了所述其它层和组件。例如，在波导220和/或盘式谐振器230中可以存在附加层。
[0022]类似于图1传统的基于芯片的光谱仪，在本实施例中，细长波导220与盘式谐振器230相耦合以便将输入光引导至盘式谐振器230。每个盘式谐振器230配置为支持在光的特定预定波长处的谐振模式，使得从波导220仅将该预定波长的光耦合进入盘式谐振器230。然而，不同于细长波导沿其长度具有均匀宽度的传统光谱仪，在本实施例中，所述波导包括与细长部分相耦合的锥形输入。锥形输入可以确保即使当输入光束并未与波导的中心线完美对准时，大部分输入能量仍可以耦合进入细长部分并定向至盘式谐振器。因此，通过放宽将基于芯片的光谱仪与输入光束源进行精确对准的要求，使用锥形输入可以允许降低制造容限。
[0023]图3更详细的描述了类似于如图2所示的具有锥形输入的波导。在图2和3中，为了清楚起见，夸大了锥形的程度，即，图3中的水平比例和垂直比例并不相同。如图3所示，波导320包括锥形输入320-1和细长部分320-2。细长部分320-2的宽度可以与图1中传统光谱仪的细长波导的宽度实质上类似。细长部分的宽度可以设计为支持单一谐振模。例如，细长部分320-2的宽度可以类似于或略大于在波导320中输入光束的一个波长K。然而，应认识到其它宽度也是有可能的。
[0024]此外，如图3所示，锥形输入具有宽度为Tl的输入端以及宽度为Τ2的输出端。输出端与细长部分320-2相耦合，使得将输入至锥形输入320-1的光向细长部分320-2引导并耦合到细长部分320-2中。宽度Tl实质上大于输出端的宽度Τ2。在一些实施例中，宽度Tl还大于由波导接收的辐射的自由空间波长Xf。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。在这种情况下，例如，波长入{和入￥可以分别是输入光束在自由空间内和在波导材料内的感兴趣波长范围的平均波长。可以结合锥形输入的宽度来设计锥形输入320-1的长度，以便确保谐振模式绝热压缩。[0025]在本实施例中，锥形输入320-1的输出端直接与细长部分320-2相连，以便将光耦合进入细长部分320-2。具体地，在本实施例中，锥形输入320-1和细长部分320-2 —体化地形成为单个组件，并且由相同材料(具体地，InP及其合金)形成。然而，在其它实施例中，其它布置是有可能的，例如，锥形输入320-1和细长部分320-2可以由小空气间隙分隔，和/或可以由不同材料形成。
[0026]还可以将波导120与谐振器130 —体化地形成。波导可以在与谐振器的相同处理步骤中形成在衬底110上，并且可以由例如适合半导体材料的相同材料形成。可以由任何适合类型的半导体制造所述衬底。例如，衬底可以由掺杂浓度大约为l_3xl018cm_3的η掺杂InP来形成。在衬底的顶部可以设置刻蚀停止层，防止刻蚀衬底，在刻蚀停止层的顶部可以设置支撑层。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来形成支撑层。接着，可以将波导和谐振器提供为支撑层顶部的一个或多个层。可以由未掺杂的InGaAsP形成所述层。可以在形成波导和谐振器的一个或多个层的顶部形成覆盖层。可以由掺杂浓度为2X1018cm_3的P掺杂InP来形成所述覆盖层。还可以在覆盖层的顶部设置用于金属化的隔离层。提供波导和谐振器的一个或多个层可以具有比支撑层和覆盖层更高的折射率，根据形成波导的层与支撑层和覆盖层之间的折射率对比形成波导。应理解，上述层结构仅是示例，可以移除或替换一个或多个层。例如，该结构可以不包括支撑层，在这种情况下，根据将波导层与覆盖层和衬底之间的折射率对比形成波导。
[0027]提供波导和谐振器的一个或多个层可以包括吸收层，吸收层具有设计为吸收辐射的带隙。可以将吸收层设计为具有低吸收系数以便限制波导内的吸收。一个或多个层可以形成包括两个覆层的有源层叠，其中在所述两个覆层之间夹有有源吸收层。吸收层的带隙可以小于感兴趣的最低能量光子，即，低于光谱仪配置检测的最大波长的光子的能量。这样，吸收层的成分可以用在光谱仪的所有盘式谐振器中。覆盖层、支撑层和覆层可以具有大于感兴趣的最高能量光子的带隙。吸收层可以是量子阱。可以通过能够将层厚度向下控制为单层的分子束外延或化学汽相沉积来生长量子阱。量子阱充分薄，以至于对波导内的光场仅有极小影响或没有影响。例如，量子阱厚度可以大约为3nm。当特定波长的光从波导进入谐振器时，光围绕谐振器行进多个周期，并且光子被量子阱的材料吸收，这是因为，带隙充分低，以至于甚至最低能量的光子将来自价带的电子激励到导带中，从而产生电子空穴对。可以测量得到的电流，该电流与盘式谐振器内光能的量成比例。波导确保了光场在量子阱上方最大，这有助于增加吸收。
[0028]然而，应认识到，该结构不必在谐振器和波导上是均匀的。例如，吸收层可以不设置在波导内。可以选择性地刻蚀波导120内的吸收层，并将其替换为较宽带隙合金，或可以首先将吸收层仅沉积在盘式谐振器130中。
[0029]当然应理解，本发明不限于上述层结构，其它实施例中，可以使用其它结构。
[0030]现参考图4，示出了向图3所示锥形波导偏心输入的光束的时域有限差分(FDTD)仿真。具体地，图4中，输入光束的自由空间中心波长为1600nm，并且是相对于波导的中心轴以0.5μπι的偏移输入的。如果所述波导由例如折射率为3.1的材料形成，则波导材料内的辐射可以具有仅超过500nm的波长。在本实施例中，锥形输入320-1的输入端的宽度Tl是3 μ m，与波导320-2相耦合的输出端的宽度T2是0.75 μ m,锥形输入320-1的长度大约42μπι。因此，输入端的宽度Tl明显大于辐射的自由空间波长xf。然而，应认识到，本发明不限于上述尺寸。如图4所示，即使光偏心输入到波导，S卩，没有与波导的中心轴对准，输入能量的实质部分仍耦合进入在输入端宽度较大的锥形输入320-1，通过所述锥形端将光引导至较窄的细长部分320-2。已示出，大约80%的光能被收集，40%的光能传播到在细长部分中与波导入口相距50 μπι的检测器。
[0031]相较于图3和4所示实施例，如果以0.5 μ m到0.75 μ m的偏置将光输入例如如图1所示的具有相似结构的非锥形波导，则只有10%的输入功率耦合进入该波导，而5%的功率传播到与波导入口相距50 μ m的检测器。因此，使用如图3和4所示的锥形输入允许将更多输入能量耦合进入波导，尤其在输入光束与波导的中心轴非适当对准的情况下。
[0032]现参考图5和6，附图示出了针对锥形输入的输入端的不同宽度，将波长为1.6 μ m的输入光耦合进入与图2、3和4的波导类似的波导的细长部分。附图示出了仿真结果，其中相对进入波导的距离，绘制了与输入能量的比例相对应的监测值。在图5和6中，输入光束与波导轴向对准，即，相对于波导轴没有偏移。图5的图示出了输入端宽度为3μπι的结果，图6的图示出了输入端宽度为5 μ m的结果。在这两者情况下，将锥形输入的输出端和细长部分设计为支持单个模式。
[0033]如图5所示，对于宽度为3 μ m的输入端而言，在与波导轴靠近的点处，实质上所有输入光能都耦合进入波导，如图5的实线和点状线所示。虚线示出了在与波导轴相距一定距离处耦合进入波导的能量的量，示出了在这种情况下，大约45%的输入能量仍然耦合进入波导。
[0034]如图6所不，对于宽度为5 μ m的输入端而言,在与波导轴靠近的点处，大约95 %的输入光能耦合进入波导，如实线和点状线所示。虚线示出了在与波导轴相距一定距离处大约35%的输入能量仍然耦合进入波导。也就是说，如果锥形宽度增加超过特定点，则耦合进入波导细长部分的输入能量的量开始降低。因此，优选地可以在特定范围内选择锥形宽度，例如，在1.5 λ和5λ之间，其中λ是自由空间波长。在一些实施例中，可以从1.5 λ和2.5λ的范围内选择锥形宽度。然而，具体值取决于形成波导的材料。如上所述，适合波导的材料可以是半导体材料。
[0035]尽管将本发明实施例描述为波导具有在水平面(即，平行于衬底表面的平面)对称成锥形的输入，然而本发明不限于这种结构。例如，在一些实施例中，波导的锥形输入可以是非对称的。此外，锥形输入可以在垂直方向成锥形而不在水平方向成锥形，或在垂直和水平方向都成锥形。在一些实施例中，锥形输入可以是圆锥形，或形状设计为具有圆锥截面。此外，尽管在示例所述实施例中锥形输入的输出端的宽度与跟锥形输入相耦合的细长部分的宽度相同，然而在其它实施例中，输出端的宽度可以大于或小于细长部分的宽度，例如，波导可以具有阶梯状轮廓，其中将输出端与细长部分相耦合。
[0036]此外，尽管将实施例描述为用于接收和引导光波长处的电磁辐射，然而本发明不限于光波长。例如，锥形波导可以配置为引导任意波长的电磁辐射，例如，在微波波长处的电磁福射而不是光波长处的电磁福射。
[0037]尽管以上描述了本发明的特定实施例，然而技术人员应认识到在不脱离由所附权利要求限定的本发明范围的前提下，有可能进行多种改变和修改。
[0038]应认识到，可以将描述本发明时参考的光谱仪看作是分光光度计或其一部分。因此，所用的术语“光谱仪”可以用术语“分光光度计”来代替。
[0039]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引导至任意类型的谐振器。例如，谐振器可以是任何高Q腔体，例如，球形谐振器、微环等。
【权利要求】
1.一种光谱仪(200)，包括: 衬底(210);以及 衬底上的波导(220，320)，所述波导包括细长部分(320-2)和用于将电磁辐射引导至所述细长部分的锥形输入(320-1)， 其中所述锥形输入具有用于接收电磁辐射的输入端和与细长部分相耦合的输出端，所述输入端的宽度大于输出端的宽度。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述输入端的宽度大于布置波导以接收的电磁辐射的自由空间波长入f。
3.根据权利要求2所述的光谱仪，其中所述输入端的宽度在1.5 λ f和5 λ f之间。
4.根据任一前述权利要求所述的光谱仪，其中所述细长部分的宽度与锥形输入的输出端的宽度实质上相同。
5.根据任一前述权利要求所述的光谱仪，其中所述细长部分和锥形输入由相同材料形成。
6.根据权利要求5所述的光谱仪，其中所述细长部分和锥形输入是一体化形成的。
7.根据任一前述权利要求所述的光谱仪，其中所述波导配置为引导多个波长的电磁辐射，所述光谱仪还包括: 与波导的细长部分相耦合的多个谐振器(230)，每个谐振器配置为支持在多个波长之一处的谐振模式。
【文档编号】G02B6/293GK103998962SQ201280061657
【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