JP2014530388A - 損失が低減された共振器 - Google Patents

Abstract

電磁放射を検出するためのデバイスが、導波路と、基板上にある少なくとも１つの共振器と、各共振器と基板との間にある低屈折率領域とを備える。低屈折率領域は、共振器の材料より屈折率が低い。低屈折率領域は、環状であってもよく、電磁放射がウィスパリングギャラリー共振モードで集まる領域の幅に対応する幅を有してもよい。低屈折率領域は、基板と共振器との間にあるエアギャップであってもよい。デバイスは、電磁放射の複数の所定波長を検出するスペクトロメータであってもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、共振器における損失を低減することに関する。より具体的には、本発明は、基板上にある共振器と、基板と共振器との間にある低屈折率領域とを備えるデバイスに関する。

スペクトロメータは、さまざまな波長の光の特性を測定する多くの用途で使用される。例えば、スペクトロメータは、関心対象の吸収または発光スペクトルを得ることによって、組成分析のために使用することができる。スペクトル内のピークの存在および位置によって、特定の元素または化合物の存在を示すことができる。スペクトロメータは、一般に、光の波長における分析で使用されるが、マイクロ波や電波の波長といった他の波長で使用することもできる。

スペクトロメータは、典型的には、複数の可動部の位置合わせを高精度でコントロールすることが必要な比較的複雑で高価なデバイスである。例えば、典型的なスペクトロメータは、光を回折格子に集束して入射ビームを別々の波長に分割するものであり、この回折格子は、特定の角度になるよう回転させて特定波長の光を検出器に向けることができる。近年、高度な小型化が可能で、可動部がなく、確立したリソグラフィ技術を用いて製造することが可能なチップベースのスペクトロメータが開発されている。

また、スペクトロメータオンチップと呼ばれることもある典型的なチップスペクトロメータは、導波路が上部にパターニングされた基板と、導波路に結合された複数のディスク共振器とを備える。導波路は、入力光をディスク共振器に導く。導波路の一端に光が入力され、各共振器は、特定波長の光のみが共振器に結合されるように、その波長で共振モードを維持するよう配置される。各ディスク共振器の上には、その共振器内にある光の量に比例した電流を検出する電極がある。したがって、各共振器で検出された電流は、光の入射ビーム内に存在した波長の光の量を示す。各電極は、電流を測定する外部デバイスにスペクトロメータを接続するための信号ボンドパッドにさらに接続される。

本発明により、電磁放射を検出するためのデバイスを提供し、このデバイスは、基板と、基板上にあり、各々が電磁放射の所定波長で共振する少なくとも１つの共振器と、基板上にあり、少なくとも１つの共振器に結合され、電磁放射を少なくとも１つのディスク共振器に導くための導波路と、共振器の各々と基板との間にあり、共振器の材料より低い屈折率を有する低屈折率領域とを備える。

共振器の各々は、所定波長の電磁放射が共振器の外周に隣接する領域に集まるウィスパリングギャラリー共振モードを支持するように構成されてよく、共振器の各々の低屈折率領域は、電磁放射が集まる領域の幅に対応する幅を有してもよい。

低屈折率領域は、共振器と基板との間のエアギャップであってもよい。

本デバイスは、基板上にあり、共振器を支持し、エアギャップに対して横方向に隣接する支持層をさらに備えていてもよい。

基板および支持層は、両方ともリン化インジウム（ＩｎＰ）で形成してもよい。

本デバイスは、基板上にあり、基板と低屈折率領域との間にあるエッチング停止層を備えてもよい。

低屈折率領域は、共振器と基板との間に誘電体層を備えてもよい。

共振器は、第１のバンドギャップを有する第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上にある吸収層と、第２のバンドギャップを有し、吸収層の上に配置される第２のクラッド層とを含み、吸収層は、第１および第２のバンドギャップより低いバンドギャップを有してもよく、吸収層のバンドギャップは、共振器に結合された電磁放射が吸収層に吸収されるように選択され、低屈折率領域は、基板と第１のクラッド層との間で第１のクラッド層に隣接して配置されていてもよい。

低屈折率領域は環状であってもよい。

本デバイスは、電磁放射の複数の所定波長を検出するスペクトロメータとしてもよく、複数の所定波長のうちの異なる１つの波長で共振するように各々構成された複数の共振器を備えていてもよい。

導波路は、少なくとも１つの共振器と横方向に隣接して配置され、少なくとも１つの共振器に側面結合されていてもよい。

導波路は、少なくとも１つの共振器に接続されていてもよい。

本発明によれば、基板と、基板上にある共振器と、基板上にあり、共振器に結合され、共振器に電磁放射を導くための導波路とを備え、共振器が電磁放射の所定波長で共振し、低屈折率領域が共振器の材料より低い屈折率を有するデバイスにおける、共振器からの損失を低減するための共振器と基板との間にある低屈折率領域の使用がさらに提供される。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら、単に例として説明する。

本発明の一実施形態によるスペクトロメータを示す。 図１のスペクトロメータのディスク共振器を示す。 図２のディスク共振器の断面図である。 図２および３のディスク共振器の損失を、従来のディスク共振器の損失と比較したグラフである。 本発明の一実施形態によるディスク共振器の断面を示す。

ここで図１、２および３を参照すると、本発明の一実施形態によるスペクトロメータのディスク共振器が示される。図１で示すように、スペクトロメータ１００は、基板１１０と、細長い導波路１２０と、この導波路に結合した複数のディスク共振器１３０とを備えるスペクトロメータオンチップである。図１で示すように、導波路１２０およびディスク共振器１３０は、基板１１０上で横方向に隣接しており、導波路１２０は、ディスク共振器１３０の各々に側面結合されている。側面結合は、水平結合または横方向結合と呼ぶことがある。他の一実施形態において、導波路は、ディスク共振器に垂直に結合されており、導波路は、基板上で各共振器の上または下に配置されている。どの実施形態でも、導波路を、共振器に接続させることがでるし、共振器から離間させることもできる。

各ディスク共振器１３０には、ディスク共振器内の電流を感知するための電極１４０が設けられており、電極１４０は、スペクトロメータ１００を他のコンポーネントに接続するためのボンドパッド１５０に接続されている。ディスク共振器１３０の１つを図２の平面図に示し、図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図を示す。図面は模式的なものであり、説明のみを目的として提供する。特に、他の層およびコンポーネントがあってもよいが、図２および３では明確化のために省略されている。例えば、追加の金属化層を、電気接点としてディスク共振器の上下に積層させ、共振器に現在結合されている光エネルギーの量を表すディスク共振器に流れる電流を測定してもよい。

従来のチップベースのスペクトロメータのように、本実施形態では、細長い導波路１２０がディスク共振器１３０に結合され、入力光をディスク共振器１３０に導く。ディスク共振器１３０は、特定の所定波長の光だけが導波路１２０からディスク共振器１３０に結合されるように、この所定波長の光での共振モードを維持するように構成される。ただし、導波路およびディスク共振器が基板上に直接積層される従来のスペクトロメータとは異なり、本実施形態では、低屈折率領域２６０がディスク共振器１３０と基板１１０との間に配置される。

より詳細には、図１で示すようなチップベースのスペクトロメータでは、導波路が共振器と一体的に形成されてもよい。導波路は、共振器と同じ処理ステップで、適当な半導体材料などの同一材料から、基板上に形成されてもよい。基板は、適当な半導体材料から製造することもできる。例えば、ｎ型ドープリン化インジウム（ＩｎＰ）から基板を形成してもよい。導波路および共振器は、基板上の１または１より多い層として提供される。導波路および共振器を形成する１または１より多い層の上に、共振器および導波路の上面から漏れる光による損失を低減するために、キャップ層が形成されてもよい。さらに、キャップ層の上に金属化のための絶縁層を設けてもよい。ここで、ある層が別の層の上に積層されるものとして書かれてあっても、これによって、他の介在層もあり得るという可能性が否定されるわけではない。特に、本実施形態では、エッチング停止層が基板上に形成され、これによって、低屈折率領域を形成するようにディスク共振器の基部の支持層を部分的にエッチングすることができるようになる。図２および３で、ディスク共振器の構造をより詳細に示す。

図３を参照すると、本実施形態において、ディスク共振器は、支持層２３２と、活性領域２３４と、キャップ層２３６とを含む多層構造を有する。基板は、約１〜３×１０^１８ｃｍ^−３のドーパント濃度でｎ型ドープされたＩｎＰから形成される。支持層２３２も、約４〜６×１０^１７ｃｍ^−３のドーパント濃度のｎ型ドープＩｎＰから形成される。本実施形態において、活性領域２３４は、共振器２３０内で光を導くための第１および第２のクラッド層と、第１および第２のクラッド層の間の吸収層とを含む多層構造を有する。第１および第２のクラッド層は、それぞれ非ドープＩｎＧａＡｓＰから形成され、それぞれ０．２４８５μｍの厚さを有する。クラッド層により、光学場が吸収層上で最大になり、吸収を最大化することが確実となる。いくつかの実施形態において、吸収層は、量子井戸であってもよい。層厚を単分子層まで制御できる分子線エピタキシーまたは化学蒸着によって吸収層を成長させてもよい。吸収層は、導波路内の光学場にほとんど影響がないか全く影響がないよう十分薄くすることができ、例えば、約３ｎｍの厚さにしてもよい。キャップ層２３６は、約２×１０^１８ｃｍ^−３のドーパント濃度のｐ型ドープＩｎＰから形成される。

当然のことながら、本発明は、これらの特定の材料および厚さに限定されず、他の実施形態において、他の構造を用いてもよい。例えば、いくつかの用途において、デバイスを他のオンチップコンポーネントと統合することが求められてもよく、このため、基板の材料の選択が制限されることもあろう。基板との適合性を提供するには、例えば、基板に対する格子整合を提供するためには、他の材料を他の層で選択することもできる。

図３で示すように、本実施形態において、共振器および導波路が同じ層構造を有している。ただし、当然のことながら、この構造は、共振器および導波路にわたって均一である必要はない。例えば、吸収層が共振器だけに提供され、導波路に提供されなくともよい。これを達成するために、導波路内の吸収層を選択的にエッチングして、より広いバンドギャップ合金に置き換えることもできるし、最初の段階で吸収層をディスク共振器内にのみ積層することもできる。

活性領域２３４を形成する層、支持層２３２を形成する層、およびキャップ層２３６を形成する層の屈折率の差異によって光が活性領域２３４に導かれるように、活性領域２３４内の１または１より多い層が支持層２３２およびキャップ層２３６より高い屈折率を有してもよい。当然のことながら、上述した層構造は、単に一例であり、１または１より多い層が取り除かれたり、または置き換えられたりしてもよい。当然のことながら、いくつかの実施形態では支持層が省略されてもよく、例えば、低屈折率領域がエアギャップではなく誘電体などの固体材料から形成されている場合に、共振器が低屈折率領域上で支持されることもできる。この場合、活性領域、キャップ層、低屈折率領域の各層の屈折率の差異によって、光が活性領域内に導かれる。

一般的に、キャップ層および支持層は、関与する最高エネルギー光子より大きい、すなわち、スペクトロメータが検出するように構成されている最短波長における光子のエネルギーより大きいバンドギャップを有してもよい。これにより、光がキャップ層および支持層で確実に吸収されなくなる。

支持層２３２およびキャップ層２３６とは対照的に、活性領域２３４中の吸収層は、関与する最低エネルギー光子より小さい、すなわち、スペクトロメータが検出するように構成されている最長波長における光子のエネルギーより低いバンドギャップを有する。このように、同一組成の吸収層が、スペクトロメータ内のすべてのディスク共振器で使用されてよい。これにより、共振器１３０内の光が吸収層で確実に吸収されることができる。特に、所定波長の光が導波路１２０から共振器１３０内に入ると、光は、共振器１３０内で何回も循環する。したがって、ディスク共振器１３０の光路長は、導波路１２０の光路長より実質的に長くなり、例えば厚さの薄さに起因して、量子井戸吸収層が低吸収係数を有する場合であっても、共振器１３０で光が確実に吸収されることができる。最低エネルギーの光子であっても、価電子帯から伝導帯へ電子を励起して電子正孔対を生成するには十分なほどバンドギャップが低いので、吸収層の材料によって光子が吸収されることができる。得られる電流は測定されることができ、ディスク共振器１３０内の光エネルギーの量に比例する。従って、ディスク共振器１３０を使って、導波路１２０に入力される光ビームにおける所定波長に存在する光エネルギーの量を検出し測定することができる。本発明は、図３に示す層構造に限定されるものではなく、他の実施形態において、他の構造を用いてもよい。

図２および３で示すように、本実施形態において、低屈折率領域２６０は、環状形状で、幅Ｗを有し、基板１１０とディスク共振器１３０と間で基板１１０の上に配置される。低屈折率領域２６０は、基板１１０と活性領域２３４との間のエアギャップであり、活性領域２３４およびキャップ層２３６の材料より支持層２３２の材料に対する方がエッチング速度が実質的に高いエッチング液を用いて支持層２３２を選択的にエッチングすることにより形成される。本実施形態において、エッチング停止層２１２は、基板１１０と支持層２３２との間で、基板１１０の上に積層される。このようにすると、本実施形態では、支持層２３２と基板１１０とが同様の材料、すなわち、ｎ型ドープＩｎＰで形成されるため、エアギャップ２６０を形成する際に基板１１０がエッチングされてしまうのを防ぐことができる。一例として、エッチング停止層２１２が、ドーパント濃度０．１８〜１．２×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ドープＩｎＧａＡｓＰから形成され、支持層が、ドーパント濃度４〜６×１０^１７ｃｍ^−３のｎ型ドープＩｎＰから形成されてもよい。

さらに、図３では、低屈折率領域がエアギャップとして形成されるものの、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。他の実施形態において、エアギャップの代わりに、低屈折率領域を、ディスク共振器の隣接層、すなわち低屈折率領域が隣接する層、より屈折率が低い誘電体など別の材料で形成してもよい。一般的に、低屈折率領域は、全反射が低屈折率領域とディスク共振器との間の境界で生じるような量の分、ディスク共振器の隣接層の屈折率より低い屈折率を有さなければならない。このように、低屈折率領域は、ディスク共振器の下面から光が漏れるのを防ぐことができる。したがって、低屈折領域がない従来の構成に比べると、散乱および吸収の損失を低減することができる。さらに、低屈折率領域により、ディスク共振器と導波路との両方の光学モードが垂直方向に上昇し、共振器および導波路から基板への漏れがさらに低減し、ディスク共振器の曲げ損失が低減する。

図３に示すように、低屈折率領域は、好ましくは、活性領域に隣接して配置される。特に、２つのクラッド層の間に吸収層を含む活性領域が使用される場合、低屈折率領域は、好ましくは、より下のクラッド層に隣接して配置される。これにより、活性領域から光が漏れることを防止することができ、吸収層で吸収される光エネルギーの割合が確実に大きくなり、ひいては、損失が低減する。

本実施形態において、ディスク共振器１３０は、基板１１０上に配置されてエアギャップ２６０に対して横方向に隣接する支持層２３２上で支持される。支持層２３２は、ディスク共振器と一体であってもよく、例えば、活性領域２３４の下にあってディスク共振器の材料を部分的にエッチングした後に残るディスク共振器の単に一部であってもよい。ただし、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、低屈折率領域が、エアギャップでなく、誘電体層から形成される場合、この誘電体層は、ディスク共振器全体の下に均一に積層されてもよい。例えば、誘電体層が基板上で均一に積層されることができ、製造工程が簡素化され、エッチング工程の必要性をなくすことができる。この場合、ディスク共振器を、低屈折率領域を含む誘電体層上で支持することができ、支持層は不要である。

図３を続けて参照すると、スペクトロメータ内の各ディスク共振器は、共振器が検出するように構成されている所定波長で純粋なウィスパリングギャラリー共振モードを維持するように選択される直径を有する。ウィスパリングギャラリー共振モードは、共振器に結合された光が、ディスク共振器の外周の近くの領域に集まるモードである。特に、ウィスパリングギャラリー共振モードにおいて、ディスク共振器内の光エネルギーの大部分は、幅Ｗ_１の領域、すなわち、ディスク共振器の外縁から距離Ｗ_１内に集まる。したがって、特定の共振器の下の低屈折率領域２６０は、その共振器におけるウィスパリングギャラリー共振モードの幅Ｗ_１より大きいまたは実質的に等しい幅Ｗを有していてもよい。

図４は、図２および３のディスク共振器の損失を従来のディスク共振器の損失と比較したグラフである。図４において、縦軸は、出力／入力の比として測定された強度を表す。入力エネルギーは、導波路への光エネルギー入力であり、出力エネルギーは、導波路の出力で測定されたエネルギーである光エネルギーである。したがって、特定波長における曲線の下降は、その波長の光がディスク共振器に結合され吸収されることを示す。すなわち、この特定波長の光が導波路の入力端に入力されると、光の大部分が導波路の遠端に到達できる前に共振器によって吸収されるため、導波路の他端に到達しない。曲線での最小値が低いほど、共振器でより多くのエネルギーが吸収されることを意味し、言い換えれば、その波長で高品質な共振器が実現される。図４において、実線４０１は、図２および３に示す低屈折率領域を含むディスク共振器の強度対波長を示す。破線は、低屈折率領域がない従来のディスク共振器の強度対波長を示す。図４で示すように、低屈折率領域を使用すると、より多くの入力エネルギーが確実に活性層で吸収され、これによって、ディスク共振器の損失が減少する。

図２および３の実施形態において、低屈折率領域は、エアギャップとして形成される。ただし、他の実施形態において、ディスク共振器との境界で全反射が生じるよう屈折率が十分に低い任意の材料を使用してもよい。代替実施形態の１つを図５に示す。図５は、基板５１０上にある導波路５２０およびディスク共振器５３０を示し、ディスク共振器５３０は、活性層５３４およびキャップ層５３６を含む。これらの要素は、図３に示すデバイスの対応する要素と実質的に同じであり、かかる詳細な説明は、簡潔さを保つために省略される。

図５のデバイスでは、低屈折率領域が誘電体層５６０であり、その点で、図５の実施形態は図３の実施形態と異なっている。ここで、誘電体層５６０は、ディスク共振器５３０の隣接層、本実施形態では活性層５３４である、より屈折率が低い任意の材料から形成されてもよい。図５において、誘電体層５６０は、ディスク共振器５３０と基板５１０との間の連続層であるものの、他の実施形態では、誘電体層は、特定の形状を有する、例えば、図２に示すように、環状であってもよい。図３のエッチング停止層は、本実施形態では必要とされないため、省略されている。

本発明の特定の実施形態について上記のように説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変形および変更が可能であることを理解するであろう。

本発明の実施形態を、光の複数の波長を検出するスペクトロメータに関して説明したが、本発明は、このような用途に限定されない。本発明の実施形態は、任意の波長の電磁放射を検出するために使用してもよい。例えば、光学波長以外の波長で共振モードを維持するよう構成された任意のディスク共振器に低屈折率領域を設けてもよい。ディスク共振器は、光学波長の代わりに、マイクロ波の波長で共振するよう構成されてもよい。さらに、本発明の実施形態は、チップベースのスペクトロメータの用途だけでなく、１または１より多いディスク共振器を含む任意のデバイスにおいても用途があるであろう。図２、３および５に示すような低屈折率領域が、導波路に結合された共振器を少なくとも１つ含む他のタイプのデバイスで使用されてもよい。例えば、本発明の他の実施形態では、光集積回路、光学センサ、およびアド−ドロップマルチプレクサなどの光通信用デバイスでの用途があるであろう。当然のことながら、共振器がディスク共振器である必要はない。共振器は、球形共振器、マイクロリング等の任意の高Ｑキャビティでも可能である。

さらに、当然のことながら、本発明が説明してきたスペクトロメータとは、スペクトロフォトメータであると考えてもよいし、あるいはスペクトロフォトメータの一部を成すものと考えてもよい。したがって、「スペクトロメータ」という用語を使用する場合、この用語を「スペクトロフォトメータ」という用語と置き換えることができよう。

Claims (13)

1. 基板と、
   前記基板上にあり、各々が電磁放射の所定波長で共振する少なくとも１つの共振器と、
   前記基板上にあり、前記少なくとも１つの共振器に結合され、前記電磁放射を前記少なくとも１つの共振器に導くための導波路と、
   前記少なくとも１つの共振器の各々と前記基板との間にあり、前記少なくとも１つの共振器の材料より低い屈折率を有する低屈折率領域と
   を備えるデバイス。
2. 前記少なくとも１つの共振器の各々は、前記所定波長の電磁放射が前記少なくとも１つの共振器の外周に隣接する領域に集まるウィスパリングギャラリー共振モードを維持するよう構成され、
   前記少なくとも１つの共振器の各々の前記低屈折率領域は、前記電磁放射が集まる前記領域の幅に対応する幅を有する請求項１に記載のデバイス。
3. 前記低屈折率領域は、前記少なくとも１つの共振器と前記基板との間のエアギャップである請求項１または２に記載のデバイス。
4. 前記基板上にあり、前記少なくとも１つの共振器を支持し、前記エアギャップに対して横方向に隣接する支持層
   をさらに備える請求項３に記載のデバイス。
5. 前記基板および前記支持層は、両方ともリン化インジウムＩｎＰで形成される請求項４に記載のデバイス。
6. 前記基板上にあり、前記基板と前記低屈折率領域との間にあるエッチング停止層
   をさらに備える請求項３から５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記低屈折率領域は、前記少なくとも１つの共振器と前記基板との間に誘電体層を備える請求項１または２に記載のデバイス。
8. 前記少なくとも１つの共振器は、
   第１のバンドギャップを有する第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層の上にある吸収層と、
   第２のバンドギャップを有し、前記吸収層上に配置される第２のクラッド層と
   を含み、
   前記吸収層は、前記第１のバンドギャップおよび前記第２のバンドギャップより低いバンドギャップを有し、
   前記吸収層の前記バンドギャップは、前記少なくとも１つの共振器に結合された電磁放射が前記吸収層に吸収されるように選択され、
   前記低屈折率領域は、前記基板と前記第１のクラッド層との間に、前記第１のクラッド層に隣接して配置される請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
9. 前記低屈折率領域は、環状である請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 前記デバイスは、電磁放射の複数の所定波長を検出するスペクトロメータであり、
    前記デバイスは、前記複数の所定波長のうちの異なる１つの波長で共振するように各々構成された複数の共振器を備える請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 前記導波路は、前記少なくとも１つの共振器と横方向に隣接して配置され、前記少なくとも１つの共振器に側面結合されている請求項１から１０のいずれか一項に記載のデバイス。
12. 前記導波路が、前記少なくとも１つの共振器に接続されている請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 基板と、前記基板上にある共振器と、前記基板上にあり、前記共振器に結合され、前記共振器に電磁放射を導くための導波路とを備え、前記共振器が前記電磁放射の所定波長で共振し、低屈折率領域が前記共振器の材料より低い屈折率を有するデバイスにおける、前記共振器からの損失を低減するための、前記共振器と前記基板との間にある前記低屈折率領域の使用。

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