CN103988104A - 降低损耗的谐振器 - Google Patents

Abstract

一种用于检测电磁辐射的设备包括：衬底上的波导和至少一个谐振器；以及在每个谐振器和衬底之间的低折射率区域。所述低折射率区域的折射率比谐振器的材料的折射率小。所述低折射率区域可以是环形的，其宽度可以与回音壁谐振模式下电磁辐射集中的区域的宽度相对应。所述低折射率区域可以是衬底和谐振器之间的空气间隙。所述设备可以是用于对电磁辐射的多个预定波长进行检测的光谱仪。

Description

降低损耗的谐振器

技术领域

本发明涉及降低谐振器中的损耗。更具体地，本发明涉及一种设备，所述设备包括衬底上的谐振器以及在衬底和谐振器之间的低折射率区域。

背景技术

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。

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。

典型的芯片光谱也也可以称作片上光谱仪，芯片光谱仪包括：衬底，将波导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。每个盘式谐振器的顶部是用于检测电流的电极，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。每个电极还与信号接合焊盘相连，信号接合焊盘用于将光谱仪与用于测量电流的外部设备相连接。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于检测电磁辐射的设备，所述设备包括：衬底；衬底上的至少一个谐振器，每个谐振器在电磁辐射的预定波长处进行谐振；衬底上的波导，与所述至少一个谐振器相耦合，以便将电磁辐射引导至所述至少一个盘式谐振器；以及低折射率区域，在每个谐振器和衬底之间，低折射率区域的折射率比谐振器的材料的折射率低。

每个谐振器可以配置为支持回音壁谐振模式，在回音壁谐振模式预定波长的电磁辐射集中在与谐振器周长相邻的区域内，每个谐振器的低折射率区域的宽度可以与电磁辐射集中的区域的宽度相对应。

低折射率区域可以是谐振器和衬底之间的空气间隙。

所述设备还可以包括衬底上的支撑层，支撑谐振器并与空气间隙横向相邻。

所述衬底和支撑层可以均由磷化铟(InP)形成。

所述设备还可以包括衬底上的刻蚀停上层，刻蚀停止层在衬底和低折射率区域之间。

所述低折射率区域可以包括在谐振器和衬底之间的电介质层。

所述谐振器可以包括：第一覆层，具有第一带隙；吸收层，在第一覆层上；以及第二覆层，具有第二带隙并位于吸收层上，其中所述吸收层可以具有比第一和第二带隙更低的带隙，选择吸收层的带隙使得在吸收层中吸收耦合到谐振器的电磁辐射，其中所述低折射率区域可以位于衬底和第一覆层之间，并与第一覆层相邻。

所述低折射率区域可以是环形的。

所述设备可以是用于对电磁辐射的多个预定波长进行检测的光谱仪，并且可以包括多个谐振器，每个谐振器配置为在多个预定波长中的不同预定波长处进行谐振。

所述波导可以与所述至少一个谐振器横向相邻，并且侧面耦合到所述至少一个谐振器。

所述波导可以与所述至少一个谐振器相连接。

根据本发明，还提供在设备中使用谐振器与衬底之间的低折射率区域来降低来自谐振器的损耗，所述设备包括：衬底；衬底上的谐振器；以及衬底上的波导，波导与所述谐振器相耦合以将电磁辐射引导至谐振器，所述谐振器在电磁辐射的预定波长处进行谐振，低折射率区域的折射率比谐振器的材料的折射率低。

附图说明

现参考附图示例性地描述了本发明的实施例，附图中：

图1示出了根据本发明实施例的光谱仪；

图2示出了图1的光谱仪中的盘式谐振器；

图3是图2的盘式谐振器的截面视图；

图4是将图2和3的盘式谐振器的损耗与传统盘式谐振器的损耗进行比较的图；以及

图5示出了根据本发明实施例的盘式谐振器的截面。

具体实施方式

现参考图1、2和3，根据本发明实施例示出了光谱仪中的盘式谐振器。如图1所示，光谱仪100是片上光谱仪，包括衬底110、细长波导120以及与波导120相耦合的多个盘式谐振器130。如图1所示，波导120和盘式谐振器130在衬底110上横向相邻，波导120与每个盘式谐振器130侧面耦合。侧面耦合还可以被称作水平耦合或横向耦合。在其它实施例中，波导与盘式谐振器垂直耦合，在衬底上将波导布置每个谐振器上方或下方。在任意实施例中，所述波导可以与谐振器相连，或可以与谐振器相分离。

每个盘式谐振器130具有用于感测所述盘式谐振器中的电流的电极140，电极140与接合焊盘150相连，用于接合焊盘150将光谱仪100连接到其它组件。图2在平面图中示出了盘式谐振器130之一，图3示出了沿图2线III-III的截面。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和3省略了所述其它层和组件。例如，还可以将金属化的附加层沉积在盘式谐振器的上方和下方，作为电学触点，来测量在盘式谐振器中流动的电流，所述电流表示当前耦合到谐振器中的光能的量。

类似于传统的基于芯片的光谱仪，在本实施例中，细长波导120与盘式谐振器130相耦合以便将输入光引导至盘式谐振器130。盘式谐振器130配置为支持光的特定预定波长处的谐振模式，使得仅将该预定波长的光从波导120耦合进入盘式谐振器130。然而，不同于将波导和盘式谐振器直接沉积在衬底上的传统光谱仪，在本实施例中，在盘式谐振器130和衬底110之间布置低折射率区域260。

更具体地，在例如如图1所示的基于芯片的光谱仪中，波导可以与谐振器一体化地形成。可以将波导在与谐振器的相同处理步骤中形成在衬底上，并且由例如适合半导体材料的相同材料形成。衬底也可以由适合半导体材料来制作。例如，衬底可以由n掺杂磷化铟(InP)来形成。将波导和谐振器设置为衬底顶部上的一个或多个层。可以在形成波导和谐振器的一个或多个层的顶部上形成覆盖层，以便降低由于光从谐振器和波导的上表面溢出而引起的损耗。还可以在覆盖层的顶部设置用于金属化的隔离层。这里，在提到将一层沉积在另一层的顶部时，这不排除可能还存在其它中间层的可能性。具体地，在本实施例中，刻蚀停止层形成在衬底的顶部，从而允许部分地刻蚀在盘式谐振器基部的支撑层，以便形成低折射率区域。图2和3详细描述了盘式谐振器的结构。

参考图3，在本实施例中，盘式谐振器具有多层结构，多层结构包括支撑层232、有源区域234和覆盖层236。衬底可以由掺杂浓度大约为1-3x10¹⁸cm^-3的n掺杂InP来形成。支撑层232也可以由掺杂浓度为4-6x10¹⁷cm^-3的n掺杂InP来形成。在本实施例中，有源区域234具有多层结构，多层结构包括用于在谐振器230中引导光的第一和第二覆层以及在第一和第二覆层之间的吸收层。第一和第二覆层分别均由未掺杂的InGaAsP形成，每个覆层的厚度都是0.2485μm。覆层确保光场在吸收层上方最大，以便最大化吸收。在一些实施例中，吸收层可以是量子阱。可以通过能够将层厚度向控制为单层的分子束外延或化学汽相沉积来生长吸收层。吸收层可以充分薄，以至于对波导内的光场仅有极小影响或没有影响。例如，厚度可以大约为3nm。可以由掺杂浓度为2x10¹⁸cm^-3的p掺杂InP来形成覆盖层236。

将认识到，本发明不限于这些特定材料和厚度，在其它实施例中可以使用其他结构。例如，在一些应用中，需要将设备与其它片上组件集成在一起，所述其它片上组件可能限制对衬底材料的选择。可以针对其它层选择其它材料，以便提供与衬底的兼容性，例如，提供与衬底的晶格匹配。

如图3所示，在本发明实施例中，谐振器和波导具有相同层结构。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，吸收层可以仅设置在谐振器内，而不设置在波导内。为此，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，或可以首先将吸收层仅沉积盘式谐振器中。

有源区域234内的一个或多个层可以具有比支撑层232和覆盖层236更高的折射率，使得由于形成有源区域234和支撑层232以及覆盖层236的层之间的折射率对比，而在有源区域234内引导光。应认识到，以上所述的层结构仅是示例，可以移除或替换一个或多个层。还应认识到，在一些实施例中可以省略支撑层，例如，如果由例如电介质的固态材料(与空气间隙不同)形成低折射率区域，则谐振器可以支撑在低折射率区域上。这种情况下，通过有源区域和覆盖层和低折射率区域的层之间的折射率对比，在有源区域内引导光。

通常，覆盖层和支撑层可以具有大于感兴趣的最高能量光子的带隙，即，大于光谱仪配置为检测的最短波长处的光子的能量。这确保在覆盖层和支撑层中不吸收光。

与支撑层232和覆盖层236相反，有源区域234中的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的光子的能量。这样，吸收层的相同成分可以用在光谱仪的所有盘式谐振器中。确保谐振器130中的光可以被吸收层吸收。具体地，当预定波长的光从波导120进入谐振器130时，它在谐振器130中绕行多次。因此，盘式谐振器130的光程远长于波导120内的光程，确保即使在量子阱吸收层例如由于厚度较薄而具有低吸收系数时，仍可以在谐振器130中吸收光。光子可以被吸收层的材料吸收，这是因为，带隙充分低，以至于甚至最低能量的光子将电子从价带激励到导带中，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130内光能的量成比例。因此，可以将盘式谐振器130用于检测和测量向波导120输入的光束中在预定波长处存在的光能的量。本发明不限于如图3所示的层结构，在其他实施例中可以使用其它结构。

如图2和3所示，在本实施例中，低折射率区域260是环形形状的，宽度为W，设置在衬底110上，在衬底110和盘式谐振器130之间。低折射率区域260是衬底110和有源区域234之间的空气间隙，通过使用刻蚀剂选择性地刻蚀支撑层232来形成低折射率区域260，其中所述刻蚀剂对支撑层232材料的刻蚀速率实质上高于对有源区域234和覆盖层236的材料的刻蚀速率。在本发明中，刻蚀停止层212沉积在衬底110的顶部，位于衬底110和支撑层232之间。这防止在形成空气间隙260时刻蚀衬底110，原因在于在本发明中支撑层232和衬底110由相同材料形成(即，n掺杂InP)。例如，刻蚀停止层212可以由掺杂浓度为0.18-1.2x10¹⁸cm^-3的n掺杂InGaAsP来形成，支撑层可以由掺杂浓度为4-6x10¹⁷cm^-3的n掺杂InP来形成。

此外，尽管图3中示出了低折射率区域形成为空气间隙，然而本发明不限于该实施例。在其他实施例中，代替空气间隙，可以由例如电介质的其它材料形成低折射率区域，所述其它材料的折射率比盘式谐振器的相邻层(即，与低折射率区域相邻的层)的折射率小。通常，低折射率区域的折射率应比盘式谐振器的相邻层的折射率小一定量，使得在低折射率区域和盘式谐振器之间的边界处发生全内反射。这种情况下，低折射率区域可以防止光从盘式谐振器的下表面溢出。因此，相较于没有低折射率区域的传统装置，可以降低散射和吸收损耗。此外，低折射率区域导致盘式谐振器和波导二者内的光学模式沿垂直方向提升了在，进一步降低了从谐振器和波导向衬底的泄漏，并降低了盘式谐振器内的弯曲损耗。优选地，低折射率区域位于与有源区域相邻，如图3所示。具体地，如果使用在两个覆层之间包括吸收层的有源区域，则低折射率区域优选地与下方覆层相邻。这可以防止光从有源区域溢出，确保光能的更大比例在吸收层中被吸收，从而降低损耗。

本实施例中，盘式谐振器130支撑在支撑层232上，所述支撑层232位于衬底110上，与空气间隙260横向相邻。支撑层232可以是盘式谐振器的一部分，例如，可以仅是在部分刻蚀有源区域234下方盘式谐振器的材料之后剩余的盘式谐振器的部分。然而，本发明不限于这种布置。例如，如果由电介质层代替空气间隙形成低折射率区域，则这种电介质层可以均匀地沉积在整个盘式谐振器的下方。例如，电介质层可以均匀沉积在衬底上，从而简化制造工艺并使得无需刻蚀步骤。在该情况下，盘式谐振器可以支撑在包括低折射率区域的电介质层上，不需要支撑层。

继续参考图3，将光谱仪中的每个盘式谐振器的直径选择为支持在谐振器配置检测的预定波长处的全回音壁谐振模式。回音壁谐振模式是以下模式：在该模式下，耦合到谐振器的光集中在盘式谐振器周界附近的区域内。具体地，在回音壁谐振模式下，盘式谐振器中的大部分光能集中在宽度为W₁的区域内，即，与盘式谐振器的外缘相距距离W₁以内。因此，特定谐振器下方的低折射率区域260的宽度W可以大于或实质上等于该谐振器内回音壁谐振模式的宽度W₁。

图4是将图2和3的盘式谐振器的损耗与传统盘式谐振器的损耗进行比较的图。图4中，垂直轴表示强度，测量为输出/输入比。输入能量是向波导输入的光能，输出能量是作为在波导输出处测量到的能量的光能。因此，曲线中在特定波长处的凹陷表明该波长的光耦合到盘式谐振器并且被盘式谐振器吸收。也就是说，当将该特定波长下的光输入到波导的输入端时，光的实质部分没有到达波导的另一端，原因在于其在能够到达波导的远端之前就被谐振器吸收。曲线中较低的最小值指示在谐振器中吸收了更多能量，即，在该波长处实现更高的谐振质量。在图4中，实线401示出了针对如图2和3所示包括低折射率区域的盘式谐振器的强度-波长。虚线示出了针对没有低折射率区域的传统盘式谐振器的强度-波长。如图4所示，通过确保在有源层吸收更多输入能量，低折射率区域的使用降低了盘式谐振器中的损耗。

在图2和3的实施例中，将低折射率区域形成为空气间隙。然而，在其他实施例中，可以使用折射率足够低以至于在与盘式谐振器的边界处引起全内反射的任意材料。图5示出了一个备选实施例，其中示出了衬底510上的波导520和盘式谐振器530，盘式谐振器530包括有源层534和覆盖层536。这些元件实质上类似于如图3所示设备的对应元件，因此为了保持简洁，将不再进行赘述。

图5实施例与图3实施例的不同之处在于：在图5的设备中，低折射率区域是电介质层560。这里，电介质层560可以由折射率比盘式谐振器530的相邻层(本实施例中，是有源层534)的折射率低的任意材料形成。尽管如图6所示，电介质层560是在盘式谐振器530和衬底510之间的连续层，在其他实施例中，电介质层可以具有特定形状，例如，可以是如图2所示的环形。在该实施例中不需要图3的刻蚀停止层，因此可以省略。

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。

尽管参考用于检测多个光波长的光谱仪描述了本发明的实施例，然而本发明不限于这种应用。本发明的实施例可以用于检测任何波长的电磁辐射。例如，可以针对任意盘式谐振器提供低折射率区域，所述盘式谐振器配置为支持在除了光波长之外的波长处的谐振模式。盘式谐振器可以配置为在微波波长处进行谐振，而不是在光波长处。此外，可以将本发明的实施例用于包括一个或多个盘式谐振器的任意设备，而不仅限于基于芯片的光谱仪。可以将如图2、3和6所示的低折射率区域用于包括耦合到波导的至少一个谐振器的其他类型设备。例如，可以将本发明的其它实施例用于光子集成电路、光学传感器、以及例如分插复用器的光学通信设备。应理解，谐振器不必是盘式谐振器。谐振器可以是任何高Q腔体，例如，球形谐振器、微环等。

还应认识到，可以将描述本发明时参考的光谱仪看做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。

Claims (13)

1.一种设备，包括：

衬底(110；510)；

衬底上的至少一个谐振器(130；530)，每个谐振器在电磁辐射的预定波长处进行谐振；

衬底上的波导(120；520)，与所述至少一个谐振器相耦合，以便将电磁辐射引导至所述至少一个谐振器；以及

低折射率区域(260；560)，在每个谐振器和衬底之间，所述低折射率区域的折射率比谐振器的材料的折射率小。

2.根据权利要求1所述的设备，其中每个谐振器配置为支持回音壁谐振模式，在回音壁谐振模式下预定波长的电磁辐射集中在与谐振器周界相邻的区域内，以及

其中针对每个谐振器的低折射率区域的宽度与电磁辐射集中的区域的宽度相对应。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述低折射率区域是谐振器和衬底之间的空气间隙(260)。

4.根据权利要求3所述的设备，还包括：

衬底上的支撑层(232)，支撑谐振器并与空气间隙横向相邻。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述衬底和支撑层二者都由磷化铟InP形成。

6.根据权利要求3、4或5所述的设备，还包括：

衬底上的刻蚀停止层(212)，在衬底和低折射率区域之间。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述低折射率区域包括在谐振器和衬底之间的电介质层(560)。

8.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述谐振器包括：第一覆层，具有第一带隙；吸收层，在第一覆层上；以及第二覆层，具有第二带隙并位于吸收层上，

其中所述吸收层具有比第一和第二带隙更低的带隙，选择吸收层的带隙使得在吸收层中吸收耦合到谐振器的电磁辐射，以及

其中所述低折射率区域位于衬底和第一覆层之间，并与第一覆层相邻。

9.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述低折射率区域是环形的。

10.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述设备是用于对电磁辐射的多个预定波长进行检测的光谱仪，以及

其中所述设备包括多个谐振器，每个谐振器配置为在所述多个预定波长中的不同预定波长处进行谐振。

11.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述波导与所述至少一个谐振器横向相邻，并且侧面耦合到所述至少一个谐振器。

12.根据任一前述权利要求所述的设备，其中所述波导与所述至少一个谐振器相连接。

13.一种设备中的谐振器与衬底之间的低折射率区域的用途，来降低来自谐振器的损耗，所述设备包括：衬底；衬底上的谐振器；以及衬底上的波导，所述波导与所述谐振器相耦合以将电磁辐射引导至谐振器，所述谐振器在电磁辐射的预定波长处进行谐振，并且所述低折射率区域的折射率比谐振器材料的折射率低。