KR102054785B1 - 공진기 최적화 - Google Patents

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Abstract

기판(110); 상기 기판 상에 형성되며, 각각이 미리 결정된 전자기파 파장에서 공진되고, 적어도 일부가 서로 다른 공진 차수들에서 동작하도록 배열되는 복수의 공진기들(130); 및 상기 기판 상에 형성되며, 상기 복수의 공진기들에 결합하여 전자기파를 상기 복수의 공진기들로 가이드 하는 도파관(120)을 포함하고, 상기 도파관을 따라 각 공진기의 공진 차수가 최적화되어 광의 상기 공진기들로의 커플링을 최대화한다.

Description

공진기 최적화{RESONATOR OPTIMISATION}
본 발명은 장치의 공진기 최적화에 관한 것이다. 보다 자세하게 본 발명은, 반드시 이에 한정되지는 않지만, 분광기(spectrometer) 내의 공진기들의 차수(order)의 최적화에 관한 것이다.
특정 파장의 전자기파 검출을 위해서 많은 장치들에서 공진기들이 사용된다. 전가기파 검출을 위한 장치의 하나의 유형은 분광기이다. 분광기는 어떤 파장 범위에서 광의 성질을 측정하기 위해서 많은 애플리케이션들에서 사용된다. 예를 들어, 분광기는 관심 있는 대상에 대한 흡수 또는 방출 스펙트럼을 획득함으로써, 성분 분석에 사용될 수 있다. 스펙트럼 내의 피크(peak)의 존재 및 위치는 특정 성분 또는 물질의 존재를 지시할 수 있다. 분광기는 일반적으로 광 파장에서의 분석에 사용될 수 있으나, 마이크로파 및 라디오파의 파장과 같이 다른 파장에서도 사용될 수 있다.
분광기는 통상 상대적으로 복잡하고 값비싼 장치로서, 고도의 정확성으로 다수의 이동 부품들(moving parts)이 정렬되어 조정되는 것이 필요하다. 예를 들어, 전형적인 분광기는 회절 격자 상으로 광을 포커싱하여 입사 빔을 별개의 파장들로 분리하며, 상기 회절 격자는 특정 각도로 회전하여 특정 파장의 광을 검출기로 유도한다.
최근, 고도로 축소되고 이동 부품들이 없으며, 잘 정비된 리소그래피 기술에 의해 제조될 수 있는 칩-기반의 분광기가 개발되고 있다. 국제공개특허 WO2010128325에는 이동 부품들을 갖지 않는 칩 형태의 분광기가 개시되고 있다. 상기 칩 분광기는 칩 상의 분광기로도 불릴 수 있는데, 도파관(waveguide) 및 이에 결합된 복수 개의 디스크 공진기들이 패터닝되는 기판을 포함한다. 광은 상기 도파관의 일단으로 입사하며, 상기 공진기들은 상기 도파관 내의 광 부분들이 상기 디스크 공진기들로 결합되도록 배열된다. 각 공진기는 특정 파장에서 공진 모드를 지지하도록 배열되어 상기 파장의 광만이 상기 공진기에 결합된다. 각 디스크 공진기 상면에 상기 공진기 내에 존재하는 광량에 비례하는 전류를 검출하기 위한 전극이 배치된다. 이에 따라, 각 공진기에 의해 검출되는 전류는 상기 파장에서 입사 빔에 존재한 광량을 지시한다. 각 전극은 또한 상기 분광기를 전류 측정을 위한 외부 장치로 연결시키기 위한 신호 본딩 패드로 연결된다. 국제공개특허 WO2010128325에서, 모든 디스크 공진기들이 동일한 공진 차수로 작동하며, 디스크 공진기의 공진 모드 파장이 클수록, 상기 디스크 공진기의 크기가 크다. 또한, 디스크 공진기의 크기가 클수록 상기 도파관의 입구로부터 멀어지도록 상기 디스크 공진기들이 상기 기판 상에 배열된다.
본 발명은 이와 같은 맥락에서 만들어진다.
본 발명의 과제는 최적화된 공진기를 포함하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 각각이 미리 결정된 전자기파 파장에서 공진되고, 적어도 일부가 서로 다른 공진 차수들에서 동작하도록 배열되는 복수의 공진기들; 및 상기 기판 상에 형성되며, 상기 복수의 공진기들에 결합하여 전자기파를 상기 복수의 공진기들로 가이드 하는 도파관을 포함하고, 상기 도파관을 따라 각 공진기의 공진 차수가 최적화되어 광의 상기 공진기들로의 커플링을 최대화하는 것을 특징으로 하는 장치가 제공된다.
상기 장치 내의 공진기들을 설정하여 서로 다른 공진 차수들에서 동작하도록 함으로써, 상기 장치의 분해능 및 감응도가 증진될 수 있다.
각 공진기를 위한 적절한 차수 및 위치를 선택함으로써, 광의 각 공진기로의 커플링이 최대화될 수 있으며, 이에 따라 검출되는 신호를 최대화하고 노이즈를 최소화할 수 있다. 각 파장에서의 배경 손실을 감소시킴으로써, 공진 양호도(Q)가 최대화되어 분광기 칩의 스펙트럼 분해능을 증진시킬 수 있다.
각 공진기는 벤드 손실(bend losses)을 최소화하고, 상기 장치의 동작 스펙트럼 대역폭보다 큰 공진기 자유 스펙트럼 범위를 제공하도록 결정된 차수에서 동작할 수 있다.
상기 장치는 인접하는 파장들을 포함하는 특정한 파장들 범위 내에서 전자기파를 검출할 수 있도록 설정될 수 있으며, 인접하는 파장들에서 공진하는 두 개의 공진기들은 서로 다른 차수들에서 동작할 수 있다. 인접하는 파장들을 위한 공진기들이 동일한 차수를 가질 때, 상기 공진기들은 동일한 크기를 가질 수 있다. 공진기들이 제조될 수 있는 정밀도에 한계가 있으며, 만약 인접하는 파장들을 위한 두 개의 공진기들이 동일한 크기를 가지면, 상기 정밀도 한계는 다른 공진기의 타깃 파장에서 상기 공진기들 중 하나가 광을 커플링 하는 결과가 될 수 있다. 상기 공진기들이 서로 다른 차수들을 갖도록 허용함으로써, 상기 공진기들은 용이하게 제조된다.
상기 도파관을 따라 각 공진기의 위치가 최적화되어 상기 도파관 내에서 관심 있는 파장들에서의 방사 손실(loss of radiation)을 최소화할 수 있다.
상기 복수 개의 공진기들 중 보다 짧은 공진 파장을 갖는 공진기는 상기 복수 개의 공진기들 중 보다 긴 공진 파장을 갖는 공진기보다 상기 도파관의 입구에 보다 가까이에 위치할 수 있다.
상기 공진기들은 높은 양호도(Q) 캐비티일 수 있다. 예를 들어, 상기 공진기들은 디스크 공진기들일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 장치를 포함하는 분광기가 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판, 상기 기판 상에 형성되고 각각이 미리 결정된 전자기파 파장에서 공진하는 복수 개의 공진기들, 및 상기 기판 상에 형성되고 상기 복수 개의 공진기들에 결합되어 상기 전자기파를 상기 복수 개의 공진기들로 가이드 하는 도파관을 포함하는 장치의 최적화 방법이 제공된다. 상기 방법은, 관심 있는 파장들을 선택하는 단계; 상기 관심 있는 파장들로부터 각 공진기를 위한 타깃 파장을 결정하는 단계; 및 상기 복수 개의 공진기들의 각 공진기의 공진 차수를 결정하여, 상기 공진기의 공진 파장이 상기 공진기를 위한 타깃 파장에 해당하도록 하고 공진 깊이가 증가하도록 하는 단계를 포함하며, 상기 복수 개의 공진기들 중에서 적어도 하나의 공진기의 공진 차수가 다른 적어도 하나의 공진기의 공진 차수와 다르다.
상기 각 공진기의 차수를 결정하는 단계는, 상기 장치의 동작 스펙트럼 대역폭보다 큰 공진기 자유 스펙트럼 범위를 제공하고 상기 공진기의 벤드 손실이 감소되도록 하는 차수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 관심 있는 파장들은 인접하는 파장들을 포함하는 파장 세트(set of wavelengths)를 가질 수 있으며, 상기 차수를 결정하는 단계는, 상기 공진기의 크기가 인접하는 파장들에서 광들을 커플링하기 위한 공진기들의 크기와 다르도록 상기 공진기의 차수를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 도파관을 따라 다른 공진기들에 대해서 각 공진기의 위치를 결정하여, 상기 도파관에서 관심 있는 파장들에서 방사 손실을 최소화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 공진기의 위치를 결정하는 단계는 상기 복수 개의 공진기들 중에서 보다 짧은 공진 파장을 갖는 공진기를 상기 복수 개의 공진기들 중에서 보다 긴 공진 파장을 갖는 공진기보다 상기 도파관의 입구에 보다 가까이 위치하도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 공진기들은 디스크 공진기들일 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 각각이 미리 결정된 전자기파 파장에서 공진되는 복수의 공진기들; 및 상기 기판 상에 형성되며, 상기 복수의 공진기들에 결합하여 상기 전자기파를 상기 복수의 공진기들로 가이드 하는 도파관을 포함하고, 상기 도파관을 따라 각 공진기의 공진 차수가 상기 방법에 의해 최적화되는 것을 특징으로 하는 장치가 제공된다. 상기 도파관을 따라 각 공진기의 위치는 상기 방법에 의해 최적화될 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예들이 예시적으로 첨부된 도면들 즉, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명된다.
도 1은 분광기 칩의 사시도이다.
도 2는 도 1의 분광기 칩의 단면도이다.
도 3은 서로 다른 길이의 복수 개의 도파관들에 대한 출력 세기의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 4는 도파관의 길이에 따른 세기 변화를 도시하는 그래프이다.
도 5는 도파관에서의 손실이 파장에 따라 감소하는 것을 도시한다.
도 6은 분광기에서 디스크 공진기들의 배열을 최적화하기 위한 공정을 도시한다.
도 7은 특정 분광기를 위한 디스크 공진기들의 최적화된 배열을 도시한다.
도 1을 참조하면, 분광기의 사시도가 도시된다. 상기 분광기는 긴 도파관(120) 및 상기 도파관에 결합된 복수의 디스크 공진기들(130)이 패터닝된 기판(110)을 포함하는 칩 상의 분광기(spectrometer-on-a-chip)이다. 광이 일단(120a)에서 상기 도파관으로 입사하며, 각 공진기(130)는 특정 파장에서 공진 모드를 지지하여 상기 파장에서만 광이 공진기(130)에 결합되도록 배열된다. 각 디스크 공진기(130) 상면에는 상기 공진기 내에 존재하는 광량에 비례하는 전류를 검출하기 위한 전극(140)이 배치된다. 각 공진기에서 검출된 전류는 이에 따라, 상기 파장에서 입사 빔에 존재한 광량을 지시한다. 각 전극(140)은 또한 분광기(100)를 상기 전류 측정을 위한 외부 장치에 연결하기 위한 신호 본딩 패드(150)로 연결된다. 공진기들(130)은 도파관(120)으로부터 떨어지도록 도시되었으나, 상기 공진기들은 상기 도파관의 일부로 간주될 수도 있다. 상기 도파관은 리지 도파관(ridge waveguide)일 수 있다.
도 1의 III-III' 선을 따라 절단된 분광기 칩의 단면이 도 2에 도시된다. 도시된 바와 같이, 다수의 층들이 기판(100) 상면에 증착된다. 도 2는 작은 수의 층들만을 도시하고 있으나, 추가적인 층들을 더 포함할 수도 있다. 상기 기판은 어떠한 적합한 반도체 타입으로도 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 1 ~ 3 × 1018cm-3의 도핑 농도의 n형 불순물이 도핑된 인화 인듐(indium phosphide)(InP)으로 제조될 수 있다. 상기 기판 상면에는, 상기 기판의 식각을 방지하는 식각 저지막(도시되지 않음)이 형성될 수 있고, 상기 식각 저지막 상면에는 지지막(도시되지 않음)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 식각 저지막은 0.18 ~ 1.2 × 1018cm-3의 도핑 농도의 n형 불순물이 도핑된 InGaAsP으로 제조될 수 있으며, 상기 지지막은 4 ~ 6 × 1017cm-3의 도핑 농도의 n형 불순물이 도핑된 인화 인듐(InP)으로 제조될 수 있다. 도파관(120) 및 공진기들(130)은 상기 지지막 상에 하나 혹은 그 이상의 층들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 층들은 도핑되지 않은 InGaAsP로 형성될 수 있다. 상기 도파관 및 상기 공진기들을 형성하는 상기 하나 혹은 그 이상의 층들 상면에는 캐핑막(도시되지 않음)이 형성될 수 있다. 상기 캐핑막은 2 × 1018cm-3의 도핑 농도의 p형 불순물이 도핑된 인화 인듐(InP)으로 형성될 수 있다. 상기 캐핑막 상면에는 금속화를 위한 소자 분리막이 더 형성될 수 있다.
도파관(120) 및 공진기들(130)을 제공하는 상기 하나 혹은 그 이상의 층들은 상기 지지막 및 상기 캐핑막보다 높은 굴절률(refractive index)을 가질 수 있으며, 상기 도파관은 상기 도파관을 형성하는 층들과 상기 지지 및 캐핑막들 사이의 비굴절률 차이(refractive index contrast)로부터 형성된다. 이와 같은 층 구조는 단지 예시적인 것일 뿐이며, 하나 혹은 그 이상의 층들이 제거되거나 교체될 수도 있다. 예를 들어, 상기 구조는 지지막을 포함하지 않을 수도 있으며, 이 경우, 상기 도파관은 상기 하나 혹은 그 이상의 도파관 층들과, 상기 기판 및 상기 캐핑막들 사이의 굴절률 차이로부터 형성될 수 있다. 도파관(120) 및 공진기들(130)을 위한 상기 하나 혹은 그 이상의 층들은 방사(radiation)를 흡수하도록 설계된 밴드 갭을 갖는 층을 포함할 수 있다. 상기 방사가 상기 공진기들에는 흡수되는 반면, 상기 도파관에는 흡수가 제한되도록 낮은 흡수율을 갖도록 설계될 수 있다. 상기 하나 혹은 그 이상의 층들은 두 개의 클래딩 층들 사이에 끼워지는 얇은 활성 흡수층을 포함할 수 있다. 상기 클래딩 층들은 광 도파관(optical waveguide)을 형성할 수 있다. 상기 얇은 활성 흡수층은 상기 클래딩 층들보다 작은 밴드 갭을 갖도록 형성될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 흡수층은 양자 우물이다. 상기 층들은 두께를 일분자층 수준으로 낮게 컨트롤할 수 있는 분자 빔 에피택시 혹은 화학 기상 증착에 의해 성장될 수 있다. 상기 양자 우물은 상기 도파관에서 상기 방사에 대해 매우 작거나 혹은 전혀 영향을 주지 않도록 충분히 얇을 수 있다. 예를 들어, 상기 양자 우물은 대략 3nm의 두께를 가질 수 있다. 공진기들(130)로 입사하는 방사는 상기 공진기들에 배치된 상기 양자 우물에 흡수된다. 상기 층들 구조는 광 필드(optical field)가 흡수를 증가시키는 데 도움을 주는 상기 양자 우물 상에서 최고조로 되도록 한다.
일반적으로, 상기 캐핑막, 상기 지지막 및 상기 클래딩 층들은 관심 있는 가장 큰 에너지 광자보다 큰 밴드 갭들을 가질 수 있다. 반면, 상기 클래딩 층들 사이에 끼워지는 상기 활성 흡수층은 관심 있는 가장 낮은 에너지 광자보다 작은 밴드 갭, 즉 상기 분광기가 검출할 수 있는 가장 긴 파장의 광자 에너지보다 낮은 밴드 갭을 갖는다. 이러한 방식으로, 상기 활성층의 구성은 상기 분광기 내의 모든 디스크 공진기들(130)에 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 흡수층이 양자 우물인 경우, 상기 도파관 내의 광 필드 상에 매우 적거나 혹은 전혀 영향을 주지 않을 정도로 충분히 얇다. 특정 파장의 광이 상기 도파관으로부터 상기 공진기로 입사할 때, 상기 공진기 주위를 복수 회 이동하며, 밴드 갭이 상기 가장 낮은 에너지 광자보다도 충분히 낮아서 가전자대로부터 도전대로 전자들을 여기시켜 전자-홀 쌍들을 생성시킬 수 있으므로, 상기 광자들은 상기 활성층 내의 물질에 의해 흡수된다. 이에 따른 결과적인 전류가 측정되며, 이는 상기 디스크 공진기 내의 광 에너지양에 비례한다. 하지만, 상기 구조는 공진기들(130) 및 도파관(120)에서 균일할 필요는 없다. 상기 흡수층은 상기 도파관에 형성되지 않을 수도 있다. 도파관(120) 내의 상기 흡수층은 선택적으로 식각되어 보다 넓은 밴드 갭 합금에 의해 교체될 수도 있으며, 상기 흡수층은 우선 디스크 공진기들(130) 내에만 증착될 수도 있다.
본 발명은 도 2 에 도시되고 이전에 기재된 층 구조에만 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예들에 있어서, 다른 구조들이 사용될 수도 있다.
종래 분광기에서, 모든 디스크 공진기들은 전형적으로 동일한 공진 차수에서 작동한다. 본 발명에 따르면, 상기 공진기들 중 적어도 일부는 서로 다른 차수에서 작동한다. 상기 도파관을 따라서 각 디스크 공진기들의 차수 및 정확한 위치는 최적화되어 광을 상기 디스크로 커플링 하는 것을 최대화한다.
보다 자세하게는, 상기 디스크 공진기에 의해 흡수되는 파장 및 상기 디스크 공진기의 차수는 일반적으로 상기 디스크 공진기의 크기를 결정한다. 단순화하면, 직경(D)은 D = nλ/πμ 와 같은 공식에 의해 결정되는 것으로 간주될 수 있다. 이때, λ는 방사(radiation)의 자유 공간 파장이고, n은 공진 차수이며, μ는 상기 공진기의 유효 굴절률이다. 실제로, 상기 직경, 파장 및 차수 사이의 관계는 좀 더 복잡하다는 것을 당업자라면 알 수 있겠지만, 상기 파장의 스케일은 D/n이라는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 직경이 클수록 주어진 파장에서 차수가 크다.
도 3은 입구 및 디스크 공진기들 사이의 도파관의 길이가 공진 품질에 영향을 준다는 것을 도시한다. 그래프는 상기 도파관을 따라 중간 지점에 위치하는 하나의 디스크 공진기를 갖는 장치에 대해 얻어진 것이다. 달리 말하면, 상기 도파관 길이의 절반은 상기 공진기의 각 측면 상에 제공된다. 상기 디스크 공진기는 8μm의 반지름을 가지고, 상기 흡수층은 1.65μm의 파장에 대응하는 밴드 갭을 가지며, 1.45μm의 파장에 대응하는 밴드 갭을 갖는 두 개의 클래딩 층들 사이에 끼워진 3nm 깊이의 양자 우물에 의해 제공된다. 1.6μm의 중심 파장을 갖는 파장들 범위를 갖는 광이 상기 도파관으로 결합된다. 상기 그래프는 상기 도파관에서 입력 세기에 대한 출력 세기의 비율을 도시한다. 곡선에서 패인 부분 즉, 딥(dip)은 x축을 따라 상기 딥의 위치에 대응하는 파장에서 광이 상기 디스크 공진기에 결합되고 이에 의해 흡수됨을 보여준다. 상기 그래프에서, 곡선 A는 20μm 도파관에 대한 것이고, 곡선 B는 200μm의 도파관에 대한 것이며, 곡선 C는 1000μm의 도파관에 대한 것이고, 곡선 D는 2000μm의 도파관에 대한 것이다. 도 3으로부터, 상기 도파관의 입구와 상기 디스크 공진기 사이의 거리가 클수록, 흡수되는 광량도 크다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 방사(radiation)가 상기 도파관 내에서 이동해야하는 거리는 공진 품질에 영향을 준다.
만약 상기 디스크에 좀 더 많은 에너지가 흡수되면, 보다 많은 입력 에너지가 상기 도파관의 말단으로 이송되는 대신 상기 디스크에 의해 흡수되어, 도 3의 곡선에서 공진 딥들이 보다 깊어질 것이다. 예상되는 대로, 상기 도파관이 방사의 일부를 흡수하므로, 도 3으로부터 상기 도파관이 길어질수록 상기 도파관 말단으로 이송되는 광 비율이 작아진다는 것을 알 수 있다. 이는 또한 상기 디스크에 의해 흡수되는 광에 비해 상기 도파관을 따라 전송되는 광은 상기 도파관의 길이에 강하게 의존한다는 것을 의미한다. 따라서 보다 짧은 도파관은 보다 깊은 공진을 일으키며, 이에 따라 보다 높은 캐비티 양호도(cavity quality factor)(Q)를 갖는다.
제1 차수(first order)에서 작동하는 공진기에 대해서는 하나의 공진 모드만이 존재한다. 하지만 보다 높은 차수에서 작동하는 공진기들에 대해서는, 하나보다 많은 공진 모드들이 존재한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 그래프가 생성되는 특정 디스크 공진기에 대한 제1 공진 모드는 중심 파장으로부터 대략 0.7nm 위에서 제공되고, 또 다른 공진 모드는 상기 중심 파장으로부터 대략 13.9nm 위에서 제공된다. 상기 공진 모드들 사이의 파장 범위는 자유-스펙트럼 범위(free-spectra range)(FSR)로 불린다.
각 디스크 공진기의 자유 스펙트럼 범위가 관심 있는 파장 범위보다 커서 각 공진기가 하나의 파장의 도파관을 따라 가이드 되는 방사에만 결합하는 것이 바람직하다. 상기 디스크 공진기의 차수가 높을수록 그리고 사이즈가 클수록, 상기 자유 스펙트럼 범위는 작다. 결과적으로, 디스크 공진기가 클 수 있는 범위에는 제한이 있으며, 상기 디스크 공진기가 작동할 수 있는 차수의 정도에도 제한이 있다.
또한, 상기 디스크 공진기들이 작아지면 벤드 손실(bend loss)이 증가한다. 상기 공진기가 공진하는 특정 파장에 의해 결정된 특정 반경 이상으로 상기 디스크 공진기의 반경이 감소하면, 상기 디스크 공진기 주위로 회전하는 방사가 상기 디스크 공진기의 에지에 도달하여 상기 디스크 공진기를 탈출한다. 다시 말하면, 상기 디스크 공진기의 측벽들 상의 입사각은 보다 작은 디스크 공진기에 대해 감소하여, 결과적으로 광의 보다 작은 비율은 상기 디스크 공진기로 반사되고, 상기 광의 보다 큰 비율은 상기 디스크 공진기의 에지들에서 미세하게(evanescently) "누설"된다. 상기 공진기 내의 벤드 손실은 상기 도파관 및 상기 디스크 사이의 결합도(degree of coupling)를 변경시킨다. 공진의 깊이는 보다 작은 디스크들 내에서의 보다 높은 벤드 손실에 의해서 약화된다. 결과적으로, 디스크 공진기가 얼마나 작아질 수 있는지에 대해 제한이 있으며, 또한 차수가 얼마나 낮아질 수 있는 지에 대해서도 제한이 있다.
주어진 파장에 대해, 이에 따라 상기 디스크 공진기에 대한 최적 크기가 있다. 상기 공진기의 차수는 디스크 공진기에 적절한 크기를 제공할 수 있도록 선택된다.
몇몇 실시예들에서, 각 디스크 공진기의 차수는 다음과 같이,
i) 자유 스펙트럼 범위가 상기 분광기 칩의 동작 스펙트럼 대역폭(bandwidth)보다 크고
ii) 상기 디스크의 벤드 손실이 최소화되고 공진 깊이가 최대화되며
iii) 파장이 관심 있는 스펙트럼 윈도우 내에 특정 타깃 파장에 있도록 선택된다.
한번 차수가 선택되면, 각 파장에서 최대 광량이 각 디스크에 결합되는 것이 보장되도록 최적 위치가 선택된다. 방사가 상기 도파관 내에서 보다 멀리 이동할수록, 상기 도파관 내에 흡수되는 광의 비율이 보다 높다. 하지만, 상기 디스크 공진기들이 모두 상기 도파관의 입구 근처에 위치할 수는 없다. 상기 디스크 공진기들 모두는 특정 크기를 가지며, 상기 디스크 공진기들이 서로 얼마나 가깝도록 배열될 수 있는 지에 대해서도 제한이 있다. 만약 상기 디스크 공진기들이 서로 너무 가깝도록 위치하면, 상기 디스크들 사이에 커플링이 발생하여, 공진 파장들을 변경시키고 상기 공진기들의 파장 선택을 지연시킬 수 있다. 몇몇 분광기들에서, 상기 디스크 공진기들은 적어도 1μm만큼 서로 이격될 수 있다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 상기 방사의 파장이 짧을수록 상기 도파관 내의 손실이 크다. 도 4는 상기 도파관을 따라 방사가 멀리 이동할수록, 서로 다른 파장들의 방사 세기가 상기 도파관을 따라 얼마나 감소하는지를 보여준다. 상기 파장이 짧을수록 상기 세기가 보다 높은 비율로 감소하는 것이 명백하다. 도 5는 손실과 파장 사이의 관계를 보여준다. 상기 공진기들 내의 활성 흡수층, 예를 들어 양자 우물의 물질의 밴드 갭에 대응하는 파장에서 라인이 x축에 교차한다. 도 5로부터 파장이 길수록, 상기 도파관의 손실이 낮다는 것이 명백하다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 디스크 공진기의 위치는 상기 손실이 서로 다른 파장들에 대한 도파관에서의 손실 관점에서 최소화되도록 선택된다. 다시 말하면, 보다 짧은 파장에서의 디스크 공진기는 보다 긴 파장에서의 디스크 공진기보다 광이 상기 분광기 칩에 입사하는 곳에 보다 가까이 위치해야 한다. 상기 도파관에서의 손실이 최소화되도록 디스크 공진기의 위치를 선택함으로써, 상기 공진기들 및 상기 도파관 사이의 손실 차이가 최대화된다. 따라서 공진 깊이 및 각 공진기의 양호도(Q) 역시 최대화되며, 이는 최적 분해능(resolution)을 낳는다. 이러한 목적으로, 상기 디스크들은 파장에 기초하여 상기 도파관을 따라 배열된다. 다시 말하면, 특정 공진 파장을 갖는 디스크 공진기는 상기 특정 파장보다 긴 공진 파장들을 갖는 디스크 공진기들보다 도파관 입구에 보다 가까이 위치하며, 상기 특정 파장보다 짧은 공진 파장을 갖는 디스크 공진기들보다 상기 입구로부터 보다 멀리 떨어진다.
또한, 반도체 산업에서 정밀성이 큰 이슈이다. 전형적으로, 반도체 부품들은 100nm의 정밀도로 제조될 수 있다. 만약 동일한 차수가 사용되면, 유사한 파장들에 서 공진할 수 있는 두 개의 디스크 공진기들의 크기 차이는 매우 유사하며, 그 제조는 비싸고 어렵다. 상기 차수가 플렉서블 파라미터인 방법을 사용하여, 인접하는 파장들에서 공진할 수 있는 공진기들은 상당히 다른 크기들을 갖도록 디자인될 수 있다. 이는 제조를 보다 용이하게 한다. 만약 특정 파장에서 공진하는 공진기가 의도한 것보다 충분히 더 크거나 혹은 충분히 더 작은 직경으로 제조되면, 상기 공진기는 인접하는 타깃 파장에서 방사와 결합할 수 있다. 하지만, 상기 공진기들이 서로 다른 차수들에서 작동하면, 상기 크기들이 상당히 달라서, 상기 장치에서 다른 공진기들의 타깃 파장들에서 공진하는 공진기를 피할 수 있을 정도로 제조 에러가 충분히 작을 수 있다. 결과적으로, 특정 공진기의 차수 및 크기를 결정할 때, 인접하는 파장들에 대한 디스크 공진기의 상기 차수 및 크기 역시 고려될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 인접하는 파장들에서 공진하는 디스크 공진기들의 디스크 크기들은 제조 불확실성을 허용할 수 있을 정도로 가능한 한 다르게 선택될 수 있다.
도 6을 참조하면, 각 디스크 공진기들의 크기 및 위치를 최적화하기 위한 공정은 먼저 파장의 함수로서 흡수 손실을 계산하는 것을 포함한다(601 단계). 흡수 손실도는 상기 도파관 내의 흡수층의 조성 및 두께에 의존한다. 상기 흡수층, 예를 들어 양자 우물의 조성 및 두께는 측정되는 최대 파장 광자 에너지와 동일하거나 이보다 작은 밴드 갭을 얻을 수 있도록 선택된다. 제1 디스크 공진기의 디스크 반경이 이제 산정된다(602 단계). 상기 디스크 반경은 상기 디스크 공진기가 관심 있는 파장들 범위로부터 특정 타깃 파장의 광과 결합하도록 결정된다. 상기 결정된 특정 디스크 반경은 특정 차수의 공진에 대응될 것이다. 상기 산정된 디스크 반경에서의 상기 디스크의 벤드 손실이 이제 결정된다(603 단계). 또한, 공진 품질을 검사함으로써, 상기 벤드 손실이 수용할 수 있는 한계 아래에 있는지 결정된다(604 단계). 만약 상기 벤드 손실이 상기 수용할 만한 한계보다 작지 않으면, 602 단계 내지 604 단계가 수용할 만한 벤드 손실을 주는 반경이 발견될 때까지 반복된다. 만약 상기 벤드 손실이 604 단계에서 수용할 만한 것으로 발견되면, 이제 유효 굴절률이 계산된다(605 단계). 상기 굴절률은 601 단계에서 결정된 흡수 손실에 연관된다. 이제 상기 디스크에 대한 자유 스펙트럼 범위가 605 단계에서 계산된 굴절률에 기초하여 계산되며(606 단계), 상기 자유 스펙트럼 범위가 상기 분광기 내의 관심 있는 대역폭보다 큰지 결정한다(607 단계). 만약 상기 자유 스펙트럼 범위가 상기 관심 있는 대역폭보다 크지 않으면, 또 다른 가능한 디스크 반경을 위해 602 단계 내지 607 단계가 반복된다. 상기 새롭게 산정된 디스크 반경은 상기 최초 산정된 디스크 반경과 다른 차수의 공진에 대응할 수 있다. 상기 최초 산정된 디스크 반경은 미리 결정된 양만큼 조정되어 상기 새로운 디스크 반경을 얻을 수 있다. 상기 미리 결정된 양은 상기 디스크 공진기를 위한 원하는 공진 파장에 의존할 수 있다.
만약 상기 자유 스펙트럼 범위가 상기 관심 있는 대역폭보다 크면, 602 내지 607 단계가 모든 디스크들을 위해 반복된다(608 단계). 각 디스크 공진 파장의 손실이 이제 결정되며(609 단계), 상기 디스크들은 상기 손실에 기초하여 배열된다. 보다 자세하게는, 가장 높은 손실을 갖는 디스크는 도파관 광 입력에 가장 가까이 위치하고, 그 다음 높은 손실을 갖는 것이 이를 따르며, 이러한 순서로 모든 디스크들이 배열된다. 상기 위치는 손실이 최소화되도록 결정되며, 각 공진기의 양호도(Q)가 최대화되도록 결정된다. 보다 낮은 파장들에 대해 상기 도파관 내의 손실이 보다 높으므로, 상기 디스크들은 이들의 공진 파장들에 기초하여, 가장 짧은 공진 파장을 갖는 디스크가 상기 도파관의 입력단에 가장 가깝도록 상기 도파관을 따라 위치할 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 손실에 기초한 디스크 배열 단계(610 단계)는 생략될 수 있으며, 그 대신에 상기 디스크들은 상기 도파관을 따라 어떠한 순서로도 위치할 수 있다.
비록 도 6의 공정 단계들에 대해 특정 순서가 도시되었으나, 상기 순서는 다양할 수 있다.
전술한 바와 같이, 몇몇 실시예들에 있어서, 동일한 흡수층이 상기 도파관 및 상기 공진기들 모두에 존재할 수 있다. 상기 흡수층의 조성 및 두께 자체는 주어진 디스크 반경 세트들, 즉 도 6의 방법을 사용하여 계산된 반경들에 대해 최대 양호도(Q)를 제공할 수 있도록 최적화될 수 있다. 601 단계를 참조하여 전술한 바와 같이, 상기 조성 및 두께를 변경하여 상기 도파관 내의 흡수 손실에 영향을 줄 수 있다. 따라서 이러한 반경 세트를 위한 조성 및 두께를 최적화한 후, 새로운 조성 및 두께를 사용하여 도 6의 방법을 반복함으로써 상기 도파관 상에서 상기 디스크 반경 및/또는 위치 중 어느 것을 더 조절할 수 있는지 결정할 수 있다. 이는 반복적으로 디스크 반경을 최적화하고 순서화(ordering)하는 것, 상기 흡수층 조성 및 두께를 최적화하는 것, 상기 디스크 반경을 조절하고 상기 새로운 흡수층을 위해 순서화하는 것 등에 연관된 반복 공정일 수 있다. 상기 공정은 미리 결정된 기준이 충족될 때까지, 예를 들어 수용할 만한 손실이 획득되거나 혹은 상기 공정이 특정 횟수만큼 반복될 때까지 반복될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 각 최적화 공정은 한번만 수행될 수도 있으며, 상기 흡수층 최적화는 전혀 수행되지 않을 수도 있다.
전술한 최적화 공정은 단지 예시적인 것으로서 변형들이 고려될 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 상기 크기 및 차수는, 상기 디스크 공진기에 대한 타깃 파장에 인접하는 파장들에서 광을 커플링하기 위한 디스크들의 차수 및 크기를 고려하여 선택될 수 있다. 상기 차수는, 상기 디스크의 크기가 인접하는 파장들에서 방사를 커플링하기 위한 디스크들의 크기들과 실질적으로 다르도록 선택될 수 있다.
도파관을 따라 디스크들의 최적화된 배열의 일 예가 도 7을 참조로 도시된다. 특정 디스크 배열은 1600 내지 1610nm의 범위에서 파장들을 검출하기 위한 분광기를 위한 것이다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 디스크 공진기들은 서로 다른 직경들을 갖지만, 공진기의 크기와 상기 도파관을 따라 상기 공진기의 위치 사이에는 어떠한 상관 관계도 없다.
본 발명의 특정 예들이 기재되었지만, 본 발명의 범위는 추가되는 청구항에 의해 정의되며, 상기 예들에 제한되지 않는다. 본 발명은 따라서 다른 방법들로 구현될 수도 있으며, 이는 당업자라면 당연히 이해할 수 있을 것이다.
예를 들어, 상기 분광기는 본 발명의 실시예들이 기재된 것에 관련하여, 분광 광도계(spectrophotometer)이거나 일부분일 수 있다. 따라서 "분광기"라는 용어가 사용된 곳에서, 상기 용어는 "분광 광도계"라는 용어로 대체될 수 있다.
비록 상기 차수의 최적화가 분광기에 대해 기술되었지만, 상기 최적화 공정은 전자기파 검출을 위한 어떠한 장치를 위한 디스크 공진기들을 위해서도 사용될 수 있다. 나아가, 비록 분광기가 광의 수용 및 가이드 하는 곳에서 기재되었지만, 본 발명의 실시예들은 어떠한 파장의 전자기파를 가이드하고 검출하는 데에도 사용될 수 있다. 본 발명은 광자 집적 회로, 광학 센서 및 시스템, 광통신을 위한 애드-드랍 멀티플렉서(add-drop multiplexer)를 포함하는 광통신 장치에서 디스크 공진기의 배열을 최적화하는 데 사용될 수 있다. 또한, 상기 공진기들은 반드시 디스크 공진기일 필요가 없다. 상기 공진기들은 구면 공진기, 마이크로 링 등과 같은 높은 양호도(Q) 캐비티라면 어떠한 것도 상관없다.
또한, 상기 차수가 최적화될 때 전체적으로 최대화되는 복수의 공진기들로 광을 전반적으로 커플링 시키는 것이다. 상기 광의 공진기들로의 커플링을 최대화하기 위해서, 공진기들 사이에 타협이 필요할 수도 있다. 예를 들어, 하나의 공진기로의 커플링은, 또 다른 공진기를 상기 도파관의 입력단에보다 가까이 이동함으로써 보다 큰 증가를 얻기 위하여, 상기 공진기를 상기 도파관의 입력단으로부터 보다 멀리 이동시킴으로써 감소될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 기판(110);
    상기 기판 상에 형성되며, 각각이 특정 파장들 범위 내의 미리 결정된 전자기파 파장에서 공진되고, 적어도 일부가 서로 다른 공진 차수들에서 동작하도록 배열되는 복수의 공진기들(130); 및
    상기 기판 상에 형성되며, 상기 복수의 공진기들에 결합하여 전자기파를 상기 복수의 공진기들로 가이드 하는 도파관(120)을 포함하고, 상기 도파관을 따라 각 공진기의 공진 차수가 최적화되어 광의 상기 공진기들로의 커플링을 최대화하며,
    상기 복수의 공진기들은 복수의 공진기 쌍들을 포함하고, 상기 각 공진기 쌍들은 서로 인접하는 파장들에서 공진되도록 배열된 두 개의 공진기들을 포함하며, 상기 각 공진기 쌍 내의 공진기들은 서로 다른 차수들에서 동작하도록 배열된 것을 특징으로 하는 특정 파장들 범위 내에서 전자기파를 검출할 수 있는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 각 공진기는 벤드 손실(bend losses)을 최소화하고, 상기 장치의 동작 스펙트럼 대역폭보다 큰 공진기 자유 스펙트럼 범위를 제공하도록 결정된 차수에서 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 도파관을 따라 각 공진기의 위치가 최적화되어 상기 도파관 내에서 관심 있는 파장들에서의 방사 손실(loss of radiation)을 최소화하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 복수 개의 공진기들 중 보다 짧은 공진 파장을 갖는 공진기는 상기 복수 개의 공진기들 중 보다 긴 공진 파장을 갖는 공진기보다 상기 도파관의 입구에 보다 가까이에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 복수 개의 공진기들은 디스크 공진기들인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 따른 장치를 포함하는 분광기.
  7. 기판(110), 상기 기판(110) 상에 형성되고 각각이 특정 파장들 범위 내의 미리 결정된 전자기파 파장에서 공진하는 복수 개의 공진기들(130), 및 상기 기판 상에 형성되고 상기 복수 개의 공진기들에 결합되어 상기 전자기파를 상기 복수 개의 공진기들로 가이드 하는 도파관(120)을 포함하는 특정 파장들 범위 내에서 전자기파를 검출할 수 있는 장치의 최적화 방법으로서,
    관심 있는 파장들을 선택하는 단계;
    상기 관심 있는 파장들로부터 각 공진기를 위한 타깃 파장을 결정하는 단계; 및
    상기 복수 개의 공진기들의 각 공진기의 공진 차수를 결정하여, 상기 공진기의 공진 파장이 상기 공진기를 위한 타깃 파장에 해당하도록 하고 공진 깊이가 증가하도록 하는 단계를 포함하며, 상기 복수 개의 공진기들 중에서 적어도 하나의 공진기의 공진 차수가 다른 적어도 하나의 공진기의 공진 차수와 다르고,
    상기 복수의 공진기들은 복수의 공진기 쌍들을 포함하고, 상기 각 공진기 쌍들은 서로 인접하는 파장들에서 공진되도록 배열된 두 개의 공진기들을 포함하며, 상기 각 공진기 쌍 내의 공진기들은 서로 다른 차수들에서 동작하도록 배열된 것을 특징으로 하는 최적화 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 각 공진기의 차수를 결정하는 단계는,
    상기 장치의 동작 스펙트럼 대역폭보다 큰 공진기 자유 스펙트럼 범위를 제공하고 상기 공진기의 벤드 손실이 감소되도록 하는 차수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 차수를 결정하는 단계는, 상기 공진기의 크기가 인접하는 파장들에서 광들을 커플링하기 위한 공진기들의 크기와 다르도록 상기 공진기의 차수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 도파관을 따라 다른 공진기들에 대해서 각 공진기의 위치를 결정하여, 상기 도파관에서 관심 있는 파장들에서 방사 손실을 최소화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공진기의 위치를 결정하는 단계는 상기 복수 개의 공진기들 중에서 보다 짧은 공진 파장을 갖는 공진기를 상기 복수 개의 공진기들 중에서 보다 긴 공진 파장을 갖는 공진기보다 상기 도파관의 입구에 보다 가까이 위치하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 복수 개의 공진기들은 디스크 공진기들인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 기판(110);
    상기 기판 상에 형성되며, 각각이 미리 결정된 전자기파 파장에서 공진되는 복수의 공진기들(130); 및
    상기 기판 상에 형성되며, 상기 복수의 공진기들에 결합하여 상기 전자기파를 상기 복수의 공진기들로 가이드 하는 도파관(120)을 포함하고, 상기 도파관을 따라 각 공진기의 공진 차수가 제 7 항에 따른 방법에 의해 최적화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 도파관을 따라 각 공진기의 위치가 제 11 항에 따른 방법에 의해 최적화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 삭제
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