CN100549755C - 分布式布拉格反射器系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种分布式布拉格反射器包括形成为第一厚度的第一层以及形成为第二厚度的第二层。一种形成分布式布拉格反射器的方法包括形成具有第一厚度的第一层以及形成具有第二厚度的第二层。利用邻近该分布式布拉格反射器的光波段的中心波长的波长确定该第一和第二厚度。
Description
技术领域
本发明涉及可以与微机电(MEMS)设备一起使用的分布式布拉格反射器(DBR)系统及方法。
背景技术
在静电彩色印刷应用中,希望具有测量印刷的彩色精确度的系统。例如,可以将分光光度计与彩色印刷机一起使用,来进行色彩检测和测量。还可以将分光光度计用于静电印刷中的色彩检测和测量。
可以将具有法布里-珀罗空腔滤光器的分光光度计与硅光电探测器集成,然后可以将光纤用于将光垂直输入以检测颜色。可以静电调整法布里-珀罗空腔厚度,以分析透射光信号的光谱分布。可以将电荷驱动模式用于调整该法布里-珀罗空腔滤光器,以避免由于使用电压驱动模式而造成的静电不稳定性。这种配置比电压驱动模式提供了更好的线性。
分布式布拉格反射器(DBR)广泛用于提高光电设备的性能,该设备例如发光设备、分光光度计、调制器和光电探测器。例如,可以将DBR用于提高基于MEMS的全宽度阵列法布里-珀罗分光光度计的反射率,例如分辨率,该分光光度计能够用于在线静电色彩测量。对于一些DBR应用而言,出于诸如制造成本等经济方面的考虑,限制了DBR层的数量。
当形成DBR时,必须确定该DBR的每层的厚度。希望在该DBR的光波段上为均匀的高反射率。为了获得在该光波段上的均匀高反射率,可以利用λ0/4n来确定该DBR每层的厚度,其中λ0是该光波段的中心波长,n是该层材料的光学折射率。尽管利用这种方法可以提高该DBR对于接近λ0的波长的反射率,但是对于远离λ0的波长,例如邻近中心波长的波长的反射率未提高到希望的程度。
发明内容
基于上述问题,需要对于一定光波段具有均匀高反射率的分布式布拉格反射器系统及方法。
一种分布式布拉格反射器,包括形成为第一厚度的第一层和形成为第二厚度的第二层。一种形成分布式布拉格反射器的方法包括形成具有第一厚度的第一层,以及形成具有第二厚度的第二层。利用邻近该分布式布拉格反射器的光波段中心波长的波长确定该第一和第二厚度。
该DBR可以用于分光光度计、光电探测器、可调谐激光器、可调谐半导体发光二极管和/或可调谐有机发光二极管中。
可以将半导体光电探测器的DBR形成为具有均匀增长的反射率,以提高该光电探测器的性能。此外,发光二极管的DBR可以形成为提高电致发光,从而提高发光二极管的性能。
可以将DBR用作具有高反射率和窄波长范围的光谱滤光器。然而,通过优化DBR层对的厚度,可以提高对于某个波长带的反射率。例如,可以对于约为400nm-700nm的光波段优化一对、两对或三对Si-SiO2DBR中每层的厚度。
附图说明
参考下面附图详细描述系统和方法的各种示例性实施例,其中:
图1是分光光度计的示例性图示;
图2是比较具有DBR的设备与不具有DBR的设备的反射率结果的示例性图示;
图3是表示通过测试两对Si-SiO2 DBR得到的反射率结果的示例性图示;
图4表示了当DBR包括层厚度由λ0/4n确定的一对Si-SiO2层时的反射率结果的示例性图示;
图5表示了包括层厚度不同于λ0/4n的一对Si-SiO2层的DBR的示例性图示;
图6表示了图5中的一对DBR的反射率结果的示例性图示;
图7表示了当DBR包括层厚度由λ0/4n确定的两对Si-SiO2层时的反射率结果的示例性图示;
图8表示了包括层厚度不同于λ0/4n的两对Si-SiO2层的DBR的示例性图示;
图9表示了图8所示的两对DBR的反射率结果的示例性图示;
图10表示了当DBR包括层厚度由λ0/4n确定的三对Si-SiO2层时的反射率结果的示例性图示;
图11表示了包括层厚度不同于λ0/4n的三对Si-SiO2层的DBR的示例性图示;
图12表示了图11所示的三对DBR的反射率结果的示例性图示;
图13表示了示出当根据基于不同反射率系数选择的波长确定了每对层的层厚度时的反射率结果的示例性图示;
图14是示出当根据基于不同反射率系数选择的波长确定了每对层的层厚度时的反射率结果的另一示例性图示。
具体实施方式
以下描述的分布式布拉格反射器(DBR)系统及方法可以与微机电(MEMS)设备一起使用。为了方便,以下描述的DBR系统及方法用于分光光度计中。然而,应当理解,在不背离本说明书的精神和范围的情况下,可以将该DBR系统及方法用于诸如光电探测器、可调谐激光器、可调谐半导体发光二极管、可调谐有机发光二极管或者其它使用DBR的任何设备中。
图1是表示分光光度计100的示例性图示。该分光光度计100可以包括具有光电探测器175的基底185,该光电探测器可以是p-i-n光电二极管。该分光光度计100可以包括硅晶片190,该硅晶片190具有刻蚀在其中的凹槽192。可以在刻蚀圆孔195之前进行光刻构图。通过匹配光纤199的直径可以确定圆孔195的尺寸。可使用法布里-珀罗空腔滤光器110,其可包括用作底部分布式布拉格反射器(DBR)120的三对四分之一波长Si/SiN.sub.x叠层115、气隙空腔125和用作顶部DBR 130的两对四分之一波长Si/SiN.sub.x叠层115。可以将氧化铟锡(ITO)用于形成透明底部电极135和透明顶部电极140。
通过在透明底部电极135与透明顶部电极140上施加100伏特范围内的电压,或者在透明底部电极135和透明顶部电极140上施加10.sup.-11库仑范围内的电荷,可以使顶部DBR 130变形,以改变气隙空腔125的高度,从而实现气隙空腔125的高度改变大约300到500nm。电极135和140构成了电容器。法布里-珀罗空腔滤光器110可以具有相关的电容。随着气隙空腔125的高度降低,法布里-珀罗透射峰值向较短波长偏移,这时气隙空腔125的高度降低到左侧。
图2是比较具有DBR的设备与不具有DBR的设备的反射率结果的示例性图示。在许多光电应用中,设备的性能关键取决于光学反射率。例如,基于上述法布里-珀罗空腔(硅与空气之间的反射率约为0.3)并且不具有DBR的分光光度计100产生了图2的线201所示的通过空腔的透射率(反射率)。线201的宽阔形状对于该分光光度计100而言将产生低分辨率。然而,在该分光光度计100中包括DBR可以提高该设备的反射率。例如,如果将DBR用于将反射率提高到0.9,则可以将反射率的全光谱线宽减小到约10nm波段(如图2中的线202所示)。0.9的反射率和10nm的波段将满足大多数彩色分光光度计的要求。
图3是表示通过测试两对Si-SiO2 DBR而得到的反射率结果的示例性图示。该DBR可以形成为包括具有交替的高和低折射率的一组层,这是因为不同的材料提供了良好的光学对比度。例如,该DBR层可以由Si和SiO2构成。Si具有约3.5的折射率,SiO2具有约1.45的折射率。利用用于DBR的麦克斯韦等式,可以精确控制两对Si-SiO2 DBR的层的厚度。具体讲,每个DBR层i的厚度li可以由其折射率ni和中心波长λ0按照如下等式来确定:
li=λ0/4ni 等式(1)
图3表示了通过测试Si基底上的两对Si-SiO2 DBR获得的数据,其中利用等式(1)来确定层厚度。利用图3中A点处的约为850nm的中心波长λ0,可以确定DBR中每层的厚度,以获得超过0.8的高折射率。尽管在850nm时的高折射率是可以接受的,但是如图3中B点处所示的接近868nm时的反射率是不可接受的。实际上,图3中B点处的反射率可能造成诸如分光光度计之类的一些设备的问题。
应当理解,在不背离本说明书的精神和范围的情况下,可以将除Si和SiO2之外的另外的材料用于构成DBR层。例如,该DBR层可以由GaAs和AlAs,或者多晶硅和氮化硅(Si3N4)构成。如果这些材料用于构成DBR层,则在折射率差别小于使用Si和SiO2时获得的折射率差别的情况下,需要更多的层来构成该DBR。
图4是表示当DBR包括具有依照等式(1)确定的层厚度的一对Si-SiO2层时的反射率结果的示例性图示。应当理解,以下的讨论仅为示例目的使用了400nm到700nm的光学波段,并且在不背离本发明精神和范围的情况下可以使用任何波段。如图4所示,光学波段400nm到700nm的中心波长λ0为550nm。等式(1)中用于Si的折射率ni为3.42,用于SiO2的折射率ni为1.45。因此,DBR的Si层的厚度为40.2nm,SiO2层的厚度为94.8nm。如上所述,诸如分光光度计之类的设备的性能关键取决于光学反射率,例如均匀且高的反射率。图4所示的反射率在接近400nm-450nm时较低,其为不均匀的且不可接受。这个问题存在是因为利用等式(1)形成层仅仅考虑了对于单一波长,例如550nm的反射率。然而,通过根据不集中在400nm到700nm光学波段内的不同波长改变DBR每层的厚度,可以提高整个光学波段的反射率的均匀性。
图5是表示包括具有变化的层厚度的一对Si-SiO2层,并且使用不集中在400nm到700nm光学波段内的波长λa的DBR 500的示例性图示。Si-SiO2层形成在基底501上。通过改变图4中使用的层厚度,反射率变得更加均匀。如图5所示(当λa=约510nm时),可以将Si层503形成为37.3nm厚,将SiO2层502形成为87.9nm厚。因为Si的折射率可以改变,所以每层的厚度可以包含公差。例如,Si层503的厚度可以是37.3nm±2nm,并且SiO2层502的厚度可以是87.9±1nm。因此,每层的层厚度可以由以下等式确定:
li=λa/4ni 等式(2)
图6是表示利用图5所示的一对DBR的反射率结果的示例性图示。如图6所示,显著提高了整个400nm-700nm波段的均匀反射率,并且图4所示的接近400nm-450nm处的低反射率不再存在。
图7是表示当DBR包括不具有变化的层厚度的依照等式(1)的两对Si-SiO2层并且使用λ0=550nm的中心波长时的反射率结果的示例性图示。如果将3.42的折射率ni用于Si以及将1.45的折射率ni用于SiO2,则可以将DBR的两个Si层形成为分别为40.2nm厚,并且可以将DBR的两个SiO2层形成为分别为94.8nm厚。因此,图7所示的反射率在接近400nm-450nm时再次变小,这是非均匀且不可接受的。然而,可以改变Si和SiO2的四层的厚度,以提高整个光学波段上的反射率的均匀性。
图8是表示包括具有变化的层厚度的两对Si-SiO2层并且使用不集中在400nm-700nm光学波段内的多个波长的DBR 800的示例性图示。将使用图7所示的折射率的Si-SiO2层802-805形成在基底801上。然而,通过改变图7中使用的层厚度,反射率变得更为均匀。如图8所示,(当λa=约500nm时),可以将顶部对中的Si层802的层厚度形成为36.5±2nm,可以将顶部对中的SiO2层803的层厚度形成为86.2±1nm。可以将第二对中的Si层804的层厚度(当λa=约520nm时)形成为38.0±2nm,并且将第二对中的SiO2层805的层厚度形成为89.7±1nm。因此,可以显著提高整个光学波段上两对DBR的均匀反射率。图9是表示使用图8所示的两对DBR的反射率结果的示例性图示。如图9所示,整个光学波段上的反射率比图7中的反射率更加均匀,并且接近400nm-450nm时不可接受的非均匀反射率不再存在。
图10是表示当DBR包括不具有变化的层厚度的依照等式(1)的三对Si-SiO2层并且使用λ0=550nm中心波长时的反射率结果的示例性图示。如果将3.42的折射率ni用于Si以及将1.45的折射率ni用于SiO2,则可以将DBR的三个Si层形成为分别为40.2nm厚,并且可以将DBR的三个SiO2层形成为分别为94.8nm厚。因此,图10所示的反射率在接近410nm-450nm时变小,这是非均匀且不可接受的。然而,可以改变六个Si和SiO2层的厚度,以提高在整个光学波段上的反射率均匀性。
图11是表示包括具有变化的层厚度的三对Si-SiO2层并且使用不集中在400nm-700nm波段内的多个波长的DBR 1100的示例性图示。如图11所示,(当λa=约500nm时),可以将顶部对中的Si层1102形成为36.5±2nm,并且可以将顶部对中的SiO2层1103的层厚度形成为86.2±1nm厚。可以将第二对中的Si层1104(当λa=约510nm时)形成为37.3±2nm厚,并且将第二对中的SiO2层1105形成为87.9±1nm厚。可以将第三对中的Si层1106(当λa=约520nm时)形成为38.0±2nm厚,以及将第三对中的SiO2层形成为89.7±1nm厚。因此,该DBR获得了在整个光学波段上均匀的反射率。图12表示了图11所示的三对DBR的反射率结果的示例性图示。如图12所示,在整个光学波段上的反射率比图9中的反射率更加均匀,并且接近410nm-450nm时的不可接受的非均匀反射率不再存在。
如先前图10中所示的仅依照等式(1)形成的三对DBR,在接近410nm-450nm时的反射率较低,这是不可接受的。然而,可以根据基于不同反射系数选择的波长形成每对层。例如,可以依照等式(3)确定第二对层的层厚度,如下:
li=λ1/4ni 等式(3)
其中λ1是在希望的光学波段上具有最低反射率的波长。仍然可以根据等式(1)确定第一对层的厚度。可以根据等式(4)确定第三对层的层厚度,如下:
li=λ2/4ni 等式(4)
其中λ2是在根据等式(3)调整了第二对的层厚度之后,光学波段上具有最低反射率的波长。由于在形成DBR过程中需要许多层,所以重复这种方法。
图13是表示当根据等式(1)确定第一和第三对层的层厚度,以及根据等式(3)确定第二对层的厚度时的反射率结果的示例性图示。如图13所示,在接近400nm时的反射率高得多。尽管在650nm以上出现反射率的下降,但是对于该DBR而言整体反射率在0.7以上。图14是表示当根据等式(1)确定第一对层的层厚度,根据等式(3)确定第二对层的厚度,以及根据等式(4)确定第三对层的厚度时的反射率结果的示例性图示。如图14所示,与图13中使用的DBR相比,在650nm以上时该DBR的反射率高得多。此外,与图13中的整体反射率相比,图14中的整体反射率显著保持较高并且更为均匀。
可以理解如果需要可以将上述公开的以及其它的各种特征和功能或其替换方案组合到许多其它不同的系统或应用中。此外,本领域技术人员随后可以作出各种当前未预料到的替换方案、修改方案、变化方案或是改进方案,因此这些也应该包括在所附的权利要求书的范围内。
Claims (1)
1.一种分布式布拉格反射器,包括:
形成为第一厚度的第一层;以及
形成为第二厚度的第二层,
其中利用邻近该分布式布拉格反射器的光波段的中心波长的波长确定该第一和第二厚度,以提高分布式布拉格反射器在其整个光波段上反射率的均匀性。
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