JP2019118116A - 共振器の最適化 - Google Patents

共振器の最適化 Download PDF

Info

Publication number
JP2019118116A
JP2019118116A JP2019029690A JP2019029690A JP2019118116A JP 2019118116 A JP2019118116 A JP 2019118116A JP 2019029690 A JP2019029690 A JP 2019029690A JP 2019029690 A JP2019029690 A JP 2019029690A JP 2019118116 A JP2019118116 A JP 2019118116A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
resonator
resonators
waveguide
disk
wavelength
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Abandoned
Application number
JP2019029690A
Other languages
English (en)
Inventor
スティーブン スウィーニー
Sweeney Stephen
スティーブン スウィーニー
ヤピン ザン
Yaping Zhang
ヤピン ザン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space Ltd
Original Assignee
Airbus Defence and Space Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Defence and Space Ltd filed Critical Airbus Defence and Space Ltd
Publication of JP2019118116A publication Critical patent/JP2019118116A/ja
Abandoned legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
    • G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
    • G02B6/29338—Loop resonators
    • G02B6/29343—Cascade of loop resonators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
    • G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
    • G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
    • G02B6/29338—Loop resonators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
    • G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
    • G02B6/29338—Loop resonators
    • G02B6/29341—Loop resonators operating in a whispering gallery mode evanescently coupled to a light guide, e.g. sphere or disk or cylinder
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
    • G02B6/29389—Bandpass filtering, e.g. 1x1 device rejecting or passing certain wavelengths
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
    • G02B6/29391—Power equalisation of different channels, e.g. power flattening

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

【課題】導波路に沿った共振器のそれぞれの共振次数が、共振器への光の結合を最大化するように最適化されているデバイスを提供する。【解決手段】スペクトロメータ１００において、基板１１０と、基板上で、複数の共振器のそれぞれが、電磁放射の所定の波長で共振し、共振器の少なくとも一部が、異なる共振次数で動作するように構成されている複数の共振器１３０と、基板上で、電磁放射を複数の共振器に案内するために複数の共振器と結合されている導波路１２０とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、デバイスの共振器の最適化に関する。より具体的には、限定的ではないが、本発明は、スペクトロメータの共振器の次数の最適化に関する。
共振器は、特定波長の電磁放射の検出を可能にするために多くのデバイスで使用されている。電磁放射を検出するためのデバイスの１つの種類は、スペクトロメータである。スペクトロメータは、ある波長の範囲にわたって光の特性を測定する多くの用途で使用されている。例えば、スペクトロメータは、目的の物体に関して吸収スペクトルまたは発光スペクトルを得ることによって組成分析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が示され得る。スペクトロメータは、一般に光学波長での分析に使用されるが、マイクロ波の波長および電波の波長などの他の波長でも使用され得る。
一般にスペクトロメータは、高精度で制御されるべき多数の可動部の位置合わせを必要とする比較的複雑で高価なデバイスである。例えば、一般的なスペクトロメータは、光の焦点を回折格子に合わせて、入射ビームを別々の波長に分割することができ、回折格子は、特定波長の光を検出器に向けるために特定の角度に回転させられることができる。
近年、非常に小型化することができ、可動部を有さず、十分に確立されたリソグラフィ技術を使用して製造することができるチップベースのスペクトロメータが開発されている。国際公開第２０１０１２８３２５号パンフレットは、いかなる可動部も有さないチップスペクトロメータについて開示している。オンチップスペクトロメータと呼ぶこともできるチップスペクトロメータは、基板を備え、該基板上には、導波路および該導波路と結合される複数のディスク共振器がパターン形成される。光は、第１の端部から導波路に入射するようにされ、共振器は、導波路内の光の一部がディスク共振器に結合されるように配置される。各共振器は、特定波長における共振モードをサポートするように構成され、これにより、この波長の光のみが、共振器に結合されるようになる。各ディスク共振器の上部には、その共振器内に存在する光の量に比例する電流を検出するための電極がある。したがって、各共振器内で検出された電流は、光の入力ビーム内に存在した波長の光の量を示す。各電極は、スペクトロメータと電流を測定するための外部デバイスとを接続するための信号ボンドパッドとさらに接続される。国際公開第２０１０１２８３２５号パンフレットでは、すべてのディスク共振器が、同じ共振次数で機能し、ディスク共振器の共振モード波長が大きくなるほど、ディスク共振器の寸法が大きくなる。さらに、ディスク共振器は、ディスク共振器の寸法が大きくなるほど、ディスク共振器が、導波路の入口から遠くに離れて位置するように基板上に配置される。
本発明は、上記に関連してなされる。
本発明によれば、基板と、基板上の複数の共振器であって、該複数の共振器のそれぞれが、電磁放射の所定の波長で共振し、共振器の少なくとも一部が、異なる共振次数で動作するように構成されている複数の共振器と、基板上の導波路であって、電磁放射を複数の共振器に案内するために複数の共振器と結合されている導波路とを備え、導波路に沿った各共振器の共振次数が、共振器への光の結合を最大化するように最適化されているデバイスが提供される。
デバイスの複数の共振器を異なる共振次数で機能するように構成することによって、デバイスの分解能および感度を改善することができる。
各共振器のための適切な次数および位置を選択することによって、各共振器への光の結合を最大化することができ、これによって、検出される信号が最大化され、ノイズが最小化される。各波長における背景損失を低減することによって、共振のクオリティファクタ（Ｑ）が最大化され、これにより、スペクトロメータチップのスペクトル分解能の改善がもたらされる。
各共振器は、共振器における曲げ損失を最小化し、デバイスの動作スペクトル帯域幅より大きい共振器の自由スペクトル領域をもたらすように決定された次数で動作してもよい。
デバイスは、隣接する波長を含む波長の範囲の電磁放射を検出するように構成されてもよく、隣接する波長で共振する２つの共振器は、異なる次数で動作してもよい。隣接する波長のための共振器が、同じ次数を有する場合、共振器は、同様の寸法を有する。共振器を製造することのできる精度に関しては限界があり、隣接する波長のための２つの共振器が、同様の寸法を有する場合、精度の限界により、一方の共振器が、他方の共振器のターゲット波長の光を結合することになり得る。共振器が異なる次数を有することを可能にすることによって、共振器の製造は容易になる。
導波路に沿った各共振器の位置は、導波路における目的の波長の放射の損失を最小化するように最適化されてもよい。
複数の共振器のうちのより短い共振波長を有する共振器は、複数の共振器のうちのより長い共振波長を有する共振器より、導波路の始端の近くに配置されてもよい。
共振器は、任意の高いＱのキャビティーであってもよい。例えば、共振器は、ディスク共振器であってもよい。
本発明によれば、本デバイスを備えるスペクトロメータがさらに提供される。
本発明によれば、基板と、基板上の複数の共振器であって、該複数の共振器のそれぞれが、電磁放射の所定の波長で共振する複数の共振器と、基板上の導波路であって、電磁放射を複数の共振器に案内するために複数の共振器と結合されている導波路とを備えるデバイスを最適化する方法であって、目的の波長を選択するステップと、目的の波長から各共振器のためのターゲット波長を決定するステップと、共振器の共振波長が、当該共振器のためのターゲット波長に当たり、共振深さが増加し、少なくとも１つの共振器の共振次数が、複数の共振器の少なくとも１つの他の共振器の共振次数と異なるように、複数の共振器の各共振器の共振次数を決定するステップとを含む方法がさらに提供される。
各共振器の次数を決定するステップは、共振器の曲げ損失が低減されるように、デバイスの動作スペクトル帯域幅より大きい共振器の自由スペクトル領域をもたらす次数を決定することを含んでもよい。
目的の波長は、隣接する波長を含む一組の波長を含んでもよく、次数を決定するステップは、共振器の寸法が、隣接する波長の光を結合するための共振器の寸法と大幅に異なるように共振器の次数を決定することをさらに含んでもよい。
本方法は、導波路における目的の波長の放射の損失を最小化するために、導波路に沿って、他の共振器に対する各共振器の位置を決定するステップをさらに含んでもよい。
共振器の位置を決定するステップは、複数の共振器のうちのより長い共振波長を有する各共振器より、複数の共振器のうちのより短い共振波長を有する共振器を、導波路の始端の近くに配置することを含んでもよい。
複数の共振器は、ディスク共振器であってもよい。
本発明によれば、基板と、基板上の複数の共振器であって、該複数の共振器のそれぞれが、電磁放射の所定の波長で共振する複数の共振器と、基板上の導波路であって、電磁放射を複数の共振器に案内するために複数の共振器と結合されている導波路とを備え、導波路に沿った各共振器の共振次数が、本方法に従って最適化されるデバイスがさらに提供される。また、導波路に沿った各共振器の位置は、本方法に従って最適化されてもよい。
次に、本発明の実施形態について、添付図面の図１〜図７を参照しながら例を挙げて説明する。
スペクトロメータチップの斜視図である。 図１のスペクトロメータチップの断面を示している。 長さの異なる複数の導波路に関する出力強度の変化を示すグラフである。 強度が導波路に沿った距離に応じてどのように変化するのかを示すグラフである。 導波路における損失が波長に応じてどのように減少するのかを示している。 スペクトロメータにおけるディスク共振器の配置を最適化するためのプロセスを示している。 特定のスペクトロメータに関してディスク共振器の最適化された配置を示している。
図１を参照すると、スペクトロメータの斜視図が示されている。スペクトロメータは、その上に細長い導波路１２０がパターン形成された基板１１０と、該導波路と結合された複数のディスク共振器１３０とを備えるオンチップスペクトロメータである。光は、一端１２０ａから導波路に入射するようになっており、共振器１３０のそれぞれは、特定波長における共振モードをサポートするように構成されていて、これにより、その波長の光のみが、共振器１３０に結合されるようになっている。ディスク共振器１３０のそれぞれの上部には、その共振器内に存在する光の量に比例する電流を検出するための電極１４０がある。したがって、各共振器内に検出された電流は、光の入力ビーム内に存在したその波長の光の量を示す。電極１４０のそれぞれは、スペクトロメータ１００と電流を測定するための外部デバイスとを接続するための信号ボンドパッド１５０とさらに接続されている。共振器１３０は、導波路１２０とは区別して説明されているが、共振器は、導波路の一部であると考えてもよいことが理解されるべきである。導波路は、リッジ導波路であってもよい。
図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩ'に沿ったスペクトロメータチップの断面が、図２に示されている。図示のように、多数の層が、基板１１０の上部に堆積されている。図２は、少数の層しか示しておらず、この構造は、さらなる層を含むことができることを理解されたい。基板は、任意の適切な種類の半導体から製造されてもよい。例えば、基板は、ドーパント濃度が約１〜３×１０１８ｃｍ−３であるｎ型ドープリン化インジウム（ＩｎＰ）から形成されてもよい。基板の上部には、基板のエッチングを防止するエッチング停止層（図示せず）が設けられてもよく、エッチング停止層の上部には、支持層（図示せず）が設けられてもよい。一例として、エッチング停止層は、ドーパント濃度が０．１８〜１．２×１０１８ｃｍ−３であるｎ型ドープＩｎＧａＡｓＰから形成されてもよく、支持層は、ドーパント濃度が４〜６×１０１７ｃｍ−３であるｎ型ドープＩｎＰから形成されてもよい。この場合、導波路１２０および共振器１３０は、支持層の上部に１または１より多い層として設けられる。一例として、これらの層は、非ドープＩｎＧａＡｓＰから形成されてもよい。導波路および共振器を形成する１または１より多い層の上部には、キャッピング層（図示せず）が形成されてもよい。キャッピング層は、ドーパント濃度が約２×１０１８ｃｍ−３であるｐ型ドープＩｎＰから形成されてもよい。さらに、キャッピング層の上部には、メタライゼーションのための絶縁層が設けられてもよい。
導波路１２０および共振器１３０を形成する１または１より多い層は、支持層およびキャッピング層より高い屈折率を有してよく、導波路は、導波路を形成する層と支持層およびキャッピング層との間の屈折率のコントラストから形成される。上述した層構造は単なる例であり、１または１より多い層が、除外または交換されてもよいことが理解されよう。例えば、この構造は、支持層を含まなくてもよく、この場合、導波路は、１または１より多い導波路層、基板、およびキャッピング層の間の対照的な屈折率から形成される。導波路１２０および共振器１３０のための１または１より多い層は、放射を吸収するように設計されたバンドギャップを有する層を備えてもよい。このような層は、放射が共振器に吸収されることを可能にしながらも、導波路における吸収を制限する低い吸収係数を有するように設計されてもよい。１または１より多い層は、２つのクラッド層に挟まれた薄い活性吸収層を含んでもよい。クラッド層が、光導波路を形成してもよい。薄い吸収層は、クラッド層より小さいバンドギャップを有してもよい。一部の実施形態では、吸収層は量子井戸である。この層は、単分子層に至るまで層厚さを制御することができる分子線エピタキシー法または化学蒸着によって成長されてもよい。量子井戸は、導波路における放射にほとんどまたは全く影響を及ぼさないほど十分に薄い。例えば、量子井戸の厚さは、およそ３ｎｍであってもよい。共振器１３０に入射する放射は、共振器に設けられた量子井戸に吸収される。この層の構造は、光場が、吸収を高めることを助ける量子井戸にわたって最大となることを保証する。
一般に、キャッピング層、支持層、およびクラッド層は、目的の最高エネルギーの光子より大きいバンドギャップを有してもよい。対照的に、複数のクラッド層の間に挟まれた活性吸収層は、目的の最低エネルギーの光子より小さい、すなわち、スペクトロメータが検出するように構成された最も長い波長の光子のエネルギーより低いバンドギャップを有する。このようにして、活性層の組成は、スペクトロメータのすべてのディスク共振器１３０で使用されてもよい。上記したように、吸収層が量子井戸であるとき、導波路の光場にほとんどまたは全く影響を及ぼさないほど十分に薄い。特定波長の光は、導波路から共振器に入射すると、共振器の周囲を複数サイクル回り、光子は、活性層の物質によって吸収される。これは、バンドギャップが、最低エネルギーの光子でさえ、電子を価電子帯から伝導帯へ励起し、電子正孔対を生成するほど十分に低いためである。結果として生じる電流は、測定することができ、また、ディスク共振器内の光エネルギーの量に比例する。しかしながら、この構造は、共振器１３０および導波路１２０にわたって一様である必要はないことが理解されるべきである。吸収層が、導波路に設けられなくてもよい。導波路１２０の吸収層は、選択的にエッチングされ、より広いバンドギャップの合金と交換されてもよいし、または、吸収層は、第１の位置のディスク共振器１３０にのみ堆積されてもよい。
言うまでもなく、本発明は、図２に示されている上述された層構造に限定されるわけではなく、他の実施形態では、他の構造が使用されてもよいことを理解されたい。
従来のスペクトロメータでは、すべてのディスク共振器は、一般に、同じ共振次数で動作する。本発明よれば、少なくとも一部の共振器は、異なる次数で動作する。導波路に沿った各ディスク共振器の次数および正確な位置は、ディスクへの光の結合を最大化するように最適化される。
より詳細には、ディスク共振器によって吸収される波長およびディスク共振器の次数は、一般に、ディスク共振器の寸法を決定する。簡単に言うと、直径Ｄは、式Ｄ＝ｎλ／πμ（式中、λは放射の自由空間波長であり、ｎは共振次数であり、μは共振器の有効屈折率である）によって決定されると考えることができる。実際には、直径および波長および次数の関係は、当業者によって理解されるようにもっと複雑である。しかしながら、波長がＤ／ｎとして見積もられることが理解されるべきである。したがって、直径が大きいほど、任意の一定の波長に対する次数は高くなる。
図３は、入射口とディスク共振器との間の導波路の長さが、共振の質に影響を及ぼすことを示している。グラフは、導波路の中間に位置する１つのディスク共振器を有するデバイスに関して得られる。言い換えれば、共振器の両方の側には、導波路の半分の長さがある。ディスク共振器は、８μｍの半径を有し、活性層は、１．４５μｍの波長に対応するバンドギャップを有する２つのクラッド層の間に挟まれた、１．６５μｍの波長に対応するバンドギャップを有する３ｎｍの深さの量子井戸によって提供される。１．６μｍの中心波長を有する波長の範囲を有する光が、導波路に結合される。グラフは、放射の波長に対する、導波路における入力強度に対する出力強度の比率を示している。曲線のディップは、Ｘ軸に沿ったディップの位置に対応する波長の光が、ディスク共振器に結合され、吸収されることを示している。グラフにおいて、曲線Ａは、２０μｍの導波路に関するものであり、曲線Ｂは、２００μｍの導波路に関するものであり、曲線Ｃは、１０００μｍの導波路に関するものであり、曲線Ｄは、２０００μｍの導波路に関するものである。図３から、導波路の入射口とディスク共振器との距離が長いほど、吸収される光の量が多くなることは明らかである。したがって、放射が導波路内で移動しなければならない距離は、共振の質に影響を及ぼす。
より多くのエネルギーが、ディスクに吸収される場合、図３の曲線における共振ディップはより深くなる。これは、より多くの入力エネルギーが、導波路の端部まで伝えられる代わりに、ディスクによって吸収されるためである。予期されるように、導波路が一部の放射を吸収するため、図３から、導波路が長いほど、導波路の端部まで伝わる光の比率が小さくなることを理解することができる。また、このことは、ディスクによって吸収される光に関係する、導波路に沿った光の伝達が、導波路の長さに強く依存することを意味している。このため、より短い導波路は、より深い共振を生じさせ、したがって、より高いキャビティークオリティ（Ｑ）ファクタをもたらす。
第１の次数で機能する共振器の場合、共振の１つのモードしか存在しない。しかしながら、より高い次数で動作する共振器の場合、共振の１つより多くのモードが存在する。図３に示されているように、グラフが作成されている特定のディスク共振器に関する第１の共振モードは、中心波長より上のおよそ０．７ｎｍで生じ、別の共振モードは、中心波長より上のおよそ１３．９ｎｍで生じる。共振モード間の波長範囲は、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）と呼ばれる。
各ディスク共振器の自由スペクトル領域は、各共振器が、単一波長の導波路に沿って案内される放射のみを結合するように、目的の波長範囲より大きいことが望ましい。次数が高く、ディスク共振器の寸法が大きいほど、自由スペクトル領域は小さくなる。したがって、ディスク共振器を大きくできる程度に関して限界があり、ディスク共振器が動作することができる次数の高さに関して限界がある。
さらに、ディスク共振器がより小さい場合、曲げ損失が増加する。ディスク共振器の半径が、共振器が共振する特定波長によって決定される特定の半径より小さい場合、ディスク共振器の周囲を循環する放射は、ディスク共振器の縁に到達したときにディスク共振器から逃れ出る。言い換えれば、ディスク共振器の側壁に対する入射の角度は、より小さいディスク共振器の場合に小さくなり得るため、より小さい比率の光が、ディスク共振器へ後方反射し、より大きい比率の光が、エバネセントにディスク共振器の縁から「漏れる」。共振器における曲げ損失は、導波路とディスクとの間の結合の度合いを変化させる。共振の深さは、より小さいディスクでは曲げ損失がより高くなるため弱くなる。結果として、ディスク共振器を小さくできる程度に関して限界があり、使用することのできる次数の低さに関して限界がある。
したがって、一定の波長に関して、ディスク共振器には最適な寸法が存在する。共振器の次数は、適切な寸法のディスク共振器を設けるために選択される。
一部の実施形態では、各ディスク共振器の次数は、ｉ）自由スペクトル領域が、スペクトロメータチップの動作スペクトル帯域幅より大きくなり、ｉｉ）ディスクの曲げ損失を最小化することができ、また、共振の深さを最大化することができ、ｉｉｉ）波長が、目的のスペクトル窓に入り、特定のターゲット波長に当たるように選択される。
次数が選択されると、最適な位置が、各波長の最大量の光が各ディスクに確実に結合するように選択される。放射が、導波路内で遠くに移動するほど、導波路に吸収される光の比率はより高くなる。しかしながら、ディスク共振器のすべてを、導波路の入射口の近くに配置することはできない。ディスク共振器はすべて、特定の寸法を有しており、ディスク共振器を互いに近づけて配置することができる程度には限界がある。ディスク共振器を、互いにあまりに近づけて配置すると、ディスク間に結合が生じて、共振波長が変化し、共振器の波長選択性が阻害される可能性がある。一部のスペクトロメータでは、ディスク共振器は、少なくとも１μｍ離間されることが考えられる。
図４および図５に関連して示されているように、放射の波長が短いほど、導波路における損失は大きくなる。図４は、放射が導波路に沿って遠くに移動することに応じて、異なる波長の放射の強度が、どのように低下するのかを示している。波長がより短い場合に、強度がより高い割合で低下することは明らかである。図５は、損失と波長との関係を示している。線は、共振器の活性吸収層（例えば、量子井戸）の物質のバンドギャップに対応する波長でＸ軸と交わる。図５から、波長が長いほど、導波路における損失が低くなることは明らかである。
本発明の実施形態によれば、ディスク共振器の位置は、異なる波長に関する導波路における損失を考慮して損失が最小化されるように選択される。言い換えれば、より短い波長のディスク共振器は、より長い波長のディスク共振器より、光がスペクトロメータチップに入射する場所の近くに配置されるべきである。導波路における損失が最小化されるようにディスク共振器の位置を選択することによって、共振器と導波路との間の損失の差が最大化される。これにより、共振の深さ、したがって、各共振器のＱファクタもまた最大化され、この結果、分解能が最適化される。この目的のために、ディスクは、波長に基づいて導波路に沿って順序付けられる。言い換えれば、特定の共振波長を有するディスク共振器は、この特定波長より長い共振波長を有するディスク共振器より、導波路の入射口の近くに配置され、また、この特定波長より短い共振波長を有するディスク共振器より、入射口から遠くに配置される。
さらに、半導体産業では精度が問題となる。一般に、半導体部品は、１００ｎｍの精度で製造することができる。同じ次数が使用される場合、同様の波長で共振するように構成された２つのディスク共振器の寸法の差が極めて小さくなり得るため、製造は、費用のかかるものとなり、困難となる。次数が変更可能なパラメータである手法を使用することによって、隣接する波長で共振するように構成される共振器を、極めて異なる寸法を有するように設計することができる。これにより、製造が容易となる。特定波長で共振する共振器が、意図した直径より十分に大きいか、または十分に小さい直径を有するものとして製造された場合、共振器は、隣接するターゲット波長の放射をも結合する可能性がある。しかしながら、共振器が、異なる次数で機能する場合、寸法が極めて異なるため、製造誤差が十分に小さくなり、共振器がデバイスの他の共振器のターゲット波長にも共振することを回避することができる。したがって、特定の共振器の次数および寸法を決定するとき、隣接する波長のためのディスク共振器の次数および寸法がさらに考慮されてもよい。一部の実施形態では、隣接する波長で共振するディスク共振器のディスクの寸法は、製造の不確実性を許容するために可能な限り異なるよう選択される。
図６を参照すると、各ディスク共振器の寸法および位置を最適化するためのプロセスは、最初に波長の関数として吸収損失を計算すること（ステップ６０１）を含んでもよい。吸収損失の度合いは、導波路の吸収層の組成および厚さに依存する。吸収層（例えば、量子井戸）の組成および厚さは、測定される最も長い波長の光子エネルギーより小さいか等しいバンドギャップを得るために選択される。次に、第１のディスク共振器のためのディスク半径が見積もられる（ステップ６０２）。ディスク半径は、ディスク共振器が目的の波長の範囲から特定のターゲット波長の光を結合するように決定される。決定される特定のディスク半径は、共振の特定の次数に対応する。次に、見積もられたディスク半径におけるディスクの曲げ損失が決定される（ステップ６０３）。さらに、曲げ損失が、共振の質を検査することによって許容限界未満であるか否かが決定される（ステップ６０４）。曲げ損失が、許容限界未満でない場合、ステップ６０２〜６０４が、許容可能な曲げ損失をもたらす半径が発見されるまで繰り返えされる。許容可能な曲げ損失がステップ６０４で発見された場合、有効屈折率が計算される（ステップ６０５）。屈折率は、ステップ６０１で決定された吸収損失と関連付けられる。次に、ディスクに関する自由スペクトル領域が、ステップ６０５で計算された屈折率に基づいて計算され（ステップ６０６）、自由スペクトル領域が、スペクトロメータの目的の帯域幅より大きいか否かが決定される（ステップ６０７）。自由スペクトル領域が、目的の帯域幅より大きくない場合、ステップ６０２〜６０７が、別の可能なディスク半径を求めて繰り返される。新しく見積もられたディスク半径は、最初に見積もられたディスク半径とは異なる共振の次数に対応してもよい。最初に見積もられたディスク半径は、新しいディスク半径を得るために所定の量だけ調整されてもよい。所定の量は、ディスク共振器の所望の共振波長に依存してもよい。
自由スペクトル領域が、目的の帯域幅より大きい場合、ステップ６０２〜６０７のプロセスが、すべてのディスクに関して繰り返される（ステップ６０８）。次に、各ディスクの共振波長に関する損失が決定され（ステップ６０９）、ディスクが、損失に基づいて順序付けられる（ステップ６１０）。より詳細には、最も高い損失を有するディスクは、導波路の光入力に最も近い位置を与えられ、この後に、次に最も高い損失を有するディスクが続き、以降、すべてのディスクが順序付けられるまで同様である。損失が最小化され、各共振器のＱファクタが最大化されるように、位置が決定される。導波路における損失は、より低い波長の場合により高くなるため、ディスクは、最も短い共振波長を有するディスクが、導波路の入力端の最も近くにくるように、その共振波長に基づいて導波路に沿って配置されてもよい。一部の実施形態では、損失に基づいてディスクを順序付けるステップ（ステップ６１０）が省略され、その代わりに、ディスクは、導波路に沿って任意の順序で配置されてもよい。
図６の処理ステップに関する特定の順序について説明してきたが、この順序は変更されてもよいことを理解されたい。
上記したように、一部の実施形態では、同じ吸収層が、導波路および共振器の双方に存在してもよい。この吸収層の組成および厚さのそれ自体が、所与の組のディスク半径、すなわち、図６の方法を使用して計算された半径に関して最大のＱファクタをもたらすために順々に最適化されてもよい。組成および厚さの変更も、ステップ６０１に関連して上述したように導波路における吸収損失に影響を及ぼし得る。したがって、この組の半径に関して組成および厚さを最適化した後で、図６の方法が、ディスク半径および／または導波路における位置をさらに調整するか否かを決定するために、新しい組成および厚さを使用して再び繰り返されてもよい。これは、ディスク半径および次数付けを繰り返し最適化すること、吸収層の組成および厚さを最適化すること、ならびに新しい吸収層に関してディスク半径および次数付けを調整することなどを含む反復プロセスであってもよい。プロセスは、所定の基準が満たされるまで、例えば、許容可能な損失が達成されるまで、または、プロセスが一定の回数繰り返されるまで繰り返されてもよい。一部の実施形態では、各最適化プロセスは、１回だけ実行されてもよいし、または、吸収層の最適化は、全く実行されなくてもよい。
上述した最適化プロセスは単なる例示であり、修正形態が考えられることが理解されるべきである。例えば、上記したように、寸法および次数は、ディスク共振器のターゲット波長に隣接する波長の光を結合するディスクの次数および寸法をさらに考慮して選択されてもよい。次数は、ディスクの寸法が、隣接する波長の放射を結合するためのディスクの寸法と大幅に異なるように選択されてもよい。
導波路に沿って最適化されたディスクの配置の一例が、図７に関連して示されている。特定のディスクの配置は、１６００〜１６１０ｎｍの範囲の波長を検出するためのスペクトロメータに関するものである。図７から理解できるように、ディスク共振器の直径は異なっているが、共振器の寸法と導波路に沿った共振器の位置との間には相関がない。
本発明の特定の例について説明してきたが、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定されており、この例に限定されない。したがって、本発明は、当業者によって理解されるように他の方法で実施され得る。
例えば、スペクトロメータであって、これに関連して本発明の実施形態が説明されたスペクトロメータは、スペクトロフォトメータであるか、またはスペクトロフォトメータの一部を形成すると考えられてもよいことを理解されたい。したがって、「スペクトロメータ」という用語が使用されている場合、この用語は、「スペクトロフォトメータ」という用語と交換されてもよい。
次数の最適化が、スペクトロメータに関して説明されたが、最適化プロセスは、電磁放射を検出するための任意のデバイス用のディスク共振器に使用することができる。さらに、スペクトロメータは、光を受光し、案内するように所々で説明されたが、本発明の実施形態は、任意の波長の電磁放射を案内し、検出するために使用されてもよい。本発明は、フォトニック集積回路、光学センサおよび光学系、ならびに光通信デバイス（光通信のためのアドドロップマルチプレクサを含む）におけるディスク共振器の配置を最適化するために使用されてもよい。さらに、共振器は、ディスク共振器である必要はない。共振器は、球共振器、マイクロリングなどの任意の、高いＱのキャビティーであってもよい。
また、次数が最適化されるとき、個々それぞれの共振器への結合が最大化されるのではなく、全体としての複数の共振器への光の全体的な結合が最大化されることに留意すべきである。共振器への光の結合を最大化するために、共振器間の妥協が必要かもしれない。例えば、ある共振器への結合は、この共振器を導波路の入力端から遠くに移動させることによって、導波路の入力端のより近くに移動させることができる別の共振器への結合をより高めるために低減されてもよい。

Claims (1)

  1. ある波長範囲の電磁放射を検出するように構成されたデバイスであって、
    基板と、
    前記基板上の複数の共振器であって、前記複数の共振器のそれぞれが、電磁放射の所定の波長で共振するように構成された複数の共振器と、
    前記基板上の導波路であって、電磁放射を前記複数の共振器に案内するために前記複数の共振器と結合されている導波路と
    を備え、
    前記複数の共振器は、隣接する波長で共振するように構成された２つの共振器をそれぞれが含む複数の共振器ペアを含み、各共振器ペア内の前記２つの共振器は異なる共振次数で動作するよう構成されているデバイス。
JP2019029690A 2011-10-14 2019-02-21 共振器の最適化 Abandoned JP2019118116A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11275129.2 2011-10-14
EP11275129.2A EP2581775A1 (en) 2011-10-14 2011-10-14 Resonator Optimisation

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014535023A Division JP6537129B2 (ja) 2011-10-14 2012-10-09 共振器の最適化

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019118116A true JP2019118116A (ja) 2019-07-18

Family

ID=47040700

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014535023A Expired - Fee Related JP6537129B2 (ja) 2011-10-14 2012-10-09 共振器の最適化
JP2019029690A Abandoned JP2019118116A (ja) 2011-10-14 2019-02-21 共振器の最適化

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014535023A Expired - Fee Related JP6537129B2 (ja) 2011-10-14 2012-10-09 共振器の最適化

Country Status (10)

Country Link
US (1) US9703037B2 (ja)
EP (2) EP2581775A1 (ja)
JP (2) JP6537129B2 (ja)
KR (1) KR102054785B1 (ja)
CN (1) CN103959116B (ja)
AU (1) AU2012323084B2 (ja)
CA (1) CA2855792C (ja)
MY (1) MY170473A (ja)
SG (1) SG11201401485XA (ja)
WO (1) WO2013053689A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102454950B1 (ko) 2015-12-11 2022-10-14 삼성전자주식회사 분광기 및 분광기를 포함하는 이미지 센서
KR20180090107A (ko) * 2017-02-02 2018-08-10 삼성전자주식회사 분광기 및 그 분광기가 적용된 성분 측정 장치
KR101953293B1 (ko) * 2017-03-14 2019-03-04 서강대학교산학협력단 전자기파 및 멀티 캐비티 공진을 이용한 글루코스 농도 측정 장치 및 방법

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4494873A (en) * 1981-02-17 1985-01-22 Raytheon Company Electromagnetic wave reflections absorber
US4720160A (en) * 1981-12-16 1988-01-19 Polaroid Corporation Optical resonant cavity filters
AU574814B2 (en) * 1984-10-01 1988-07-14 Sdl, Inc. Optical waveguide amplifier
US5483378A (en) * 1988-04-19 1996-01-09 Litton Systems, Inc. Fault tolerant anti-reflective coatings
JP3350442B2 (ja) * 1998-04-09 2002-11-25 科学技術振興事業団 顕微鏡システム
US6633696B1 (en) 1998-12-07 2003-10-14 California Institute Of Technology Resonant optical wave power control devices and methods
US6839491B2 (en) * 2000-12-21 2005-01-04 Xponent Photonics Inc Multi-layer dispersion-engineered waveguides and resonators
US6865314B1 (en) * 2001-01-11 2005-03-08 Steven M. Blair Tunable optical wavelength filters and multi-level optical integrated circuits
US6985644B2 (en) * 2002-04-26 2006-01-10 T-Networks, Inc. Semiconductor micro-resonator for monitoring an optical device
US8271241B2 (en) * 2005-01-18 2012-09-18 University Of Massachusetts Lowell Chiral metamaterials
US8032027B2 (en) * 2005-07-25 2011-10-04 Massachusetts Institute Of Technology Wide free-spectral-range, widely tunable and hitless-switchable optical channel add-drop filters
JP4505403B2 (ja) * 2005-11-15 2010-07-21 富士通株式会社 光送信装置
US8106379B2 (en) * 2006-04-26 2012-01-31 The Regents Of The University Of California Hybrid silicon evanescent photodetectors
EP2269101A4 (en) * 2007-12-10 2013-01-09 Univ City New York Res Found SUBWAVE LENGTH STRUCTURES, ARRANGEMENTS AND METHOD FOR LIGHT CONTROL IN MATERIAL COMPOSITIONS
CN101471479B (zh) * 2007-12-26 2013-09-11 中国科学院电子学研究所 一种零阶谐振器、窄带带通滤波器及优化设计方法
US8249405B2 (en) * 2008-02-01 2012-08-21 Nec Corporation Variable wavelength light source, optical module and manufacturing method of variable wavelength light source
JP2010008838A (ja) * 2008-06-30 2010-01-14 Oki Electric Ind Co Ltd 光共振器及びレーザ光源
US20090324163A1 (en) * 2008-06-30 2009-12-31 Jds Uniphase Corporation High confinement waveguide on an electro-optic substrate
KR101613998B1 (ko) * 2008-11-13 2016-04-21 코닌클리케 필립스 엔.브이. 적응 가능한 파장 변환 디바이스 및 태양 전지
GB0908027D0 (en) * 2009-05-08 2009-06-24 Zinir Ltd Spetrophotometer with no moving parts
US8670476B2 (en) * 2010-09-14 2014-03-11 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Distributed reflector in a microring resonator
US20120082943A1 (en) * 2010-09-30 2012-04-05 Georgia Tech Research Corporation Diffractive photo masks and methods of using and fabricating the same
US8519803B2 (en) 2010-10-29 2013-08-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Resonator systems and methods for tuning resonator systems
US8731345B2 (en) * 2011-12-15 2014-05-20 Kotura, Inc. System for managing thermal conduction on optical devices
US9195079B2 (en) * 2012-01-01 2015-11-24 Acacia Communications, Inc. Three port transceiver
WO2013145195A1 (ja) * 2012-03-28 2013-10-03 富士通株式会社 光半導体デバイス
US9170371B2 (en) * 2012-04-24 2015-10-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Micro-ring optical resonators
US9683928B2 (en) * 2013-06-23 2017-06-20 Eric Swanson Integrated optical system and components utilizing tunable optical sources and coherent detection and phased array for imaging, ranging, sensing, communications and other applications

Also Published As

Publication number Publication date
CN103959116A (zh) 2014-07-30
CN103959116B (zh) 2017-05-24
CA2855792C (en) 2019-11-12
SG11201401485XA (en) 2014-09-26
AU2012323084A1 (en) 2014-05-15
KR20140108217A (ko) 2014-09-05
CA2855792A1 (en) 2013-04-18
US20140233883A1 (en) 2014-08-21
EP2766758B1 (en) 2018-06-06
AU2012323084B2 (en) 2015-04-23
JP2014531048A (ja) 2014-11-20
EP2581775A1 (en) 2013-04-17
WO2013053689A1 (en) 2013-04-18
KR102054785B1 (ko) 2019-12-11
JP6537129B2 (ja) 2019-07-03
US9703037B2 (en) 2017-07-11
EP2766758A1 (en) 2014-08-20
MY170473A (en) 2019-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6084622B2 (ja) 量子井戸層を有するデバイス
JP2019118116A (ja) 共振器の最適化
KR102033398B1 (ko) 손실을 감소시킨 공진기
JP6201218B2 (ja) スペクトロメータ

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190325

A762 Written abandonment of application

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A762

Effective date: 20190719