KR20140108218A - 양자 우물층을 갖는 장치 - Google Patents

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Abstract

전자기 복사를 안내 및 흡수하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는 상기 전자기 복사를 흡수하기 위한 흡수 수단; 및 상기 흡수 수단으로 상기 전자기 복사를 안내하기 위해 상기 흡수 수단에 연결되는 도파관을 포함하고, 상기 도파관 및 상기 흡수 수단은 제1 클래딩층, 상기 제1 클래딩층 상부의 제2 클래딩층 그리고 상기 제1 및 제2 클래딩층들 사이의 양자 우물층을 구비하는 구조로부터 형성되며, 상기 양자 우물층은 상기 제1 및 제2 클래딩층들에 대해 다른 조성을 갖는 물질로 형성되고, 상기 양자 우물층의 두께와 조성은 상기 흡수 수단 내의 전자기 복사의 흡수를 위한 적절한 밴드 갭을 제공하면서 상기 도파관 내의 전자기 복사의 흡수의 허용 레벨을 제공하도록 최적화된다.

Description

양자 우물층을 갖는 장치{DEVICE WITH QUANTUM WELL LAYER}
본 발명은 전자기 복사를 안내 및 흡수하기 위한 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 양자 우물층(quantum-well layer)을 포함하는 구조에 관한 것이다.
분광기는 파장들의 범위에 걸쳐 광의 성질들을 측정하기 위한 많은 응용들에 사용된다. 예를 들면, 분광기는 관심의 대상이 되는 물체의 흡수 또는 방출 스펙트럼들을 수득함에 의해 조성 분석을 위해 사용될 수 있다. 상기 스펙트럼들 내의 피크들(peaks)의 존재와 위치는 특정한 원소들 또는 화합물들의 존재를 나타낼 수 있다. 분광기들은 통상적으로 광학적 파장들에서 분석을 위해 사용되지만, 또한 마이크로파 및 라디오 파장들과 같은 다른 파장들에서 사용될 수 있다.
분광기는 통상적으로 고도의 정확성으로 조절되는 수많은 이동하는 부품들의 정렬을 요구하는 상대적으로 복잡하고 비싼 장치들이다. 예를 들면, 전형적인 분광기는 입사 빔을 분리된 파장들로 분할하도록 광을 회절격자로 집중시킬 수 있고, 상기 회절격자는 특정한 파장의 광을 검출기로 유도하도록 특정 각도로 회전할 수 있다. 최근에, 고도로 소형화될 수 있고, 이동하는 부품들을 갖지 않을 수 있으며, 잘 정립된 리소그래피 기술들을 이용하여 제조될 수 있는 칩-베이스의 분광기들이 개발되어 왔다.
분광기-온-어-칩(spectrometer-on-a-chip)으로도 언급되는 전형적인 칩 분광기는 도파관 및 상기 도파관에 연결되는 복수의 디스크 공진기들이 상부로 패터닝되는 기판을 포함한다. 상기 도파관은 입력 광을 상기 디스크 공진기들로 안내한다. 광은 상기 도파관의 하나의 단부에 입력되며, 각 공진기는 특정 파장에서 공진 모드를 유지하도록 배치되어 상기 파장의 광만이 상기 공진기 내로 결합된다. 각 디스크 공진기의 상단 상에 상기 공진기 내에 존재하는 광의 양에 비례하는 전류를 검출하기 위한 전극이 존재한다. 각 공진기 내에서 검출된 전류는 이에 따라 광의 입력 빔 내에 존재하였던 상기 파장에서 광의 양을 나타낸다. 각 전극은 상기 분광기를 상기 전류를 측정하기 위한 외부 장치에 연결하기 위한 신호 본드 패드에 더 연결된다. 상기 도파관에 의해서가 아니라 상기 디스크 공진기에 의해 상기 도파관에 입력되는 광이 흡수되는 점을 보장하기 위하여, 상기 디스크 공진기들 및 도파관은, 예를 들면, 상기 도파관 내의 반도체 밴드 갭을 상기 디스크 공진기들 내의 밴드 갭보다 높게 확보하는 것에 의해 다른 성질들을 가지도록 구성되어야 한다. 다른 밴드 갭들에 대한 필요는 추가적인 에피택셜 재성장 및 처리 단계들이 요구되는 사실로 인하여 제조의 복잡성을 증가시킨다.
본 발명은 전자기 복사를 안내 및 흡수하기 위한 양자 우물층을 포함하는 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전자기 복사를 안내 및 흡수하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는 상기 전자기 복사를 흡수하기 위한 흡수 수단(absorbing means); 상기 흡수 수단으로 상기 전자기 복사를 안내하기 위해 상기 흡수 수단에 연결되는 도파관(waveguide)을 포함하고, 상기 도파관 및 상기 흡수 수단은 제1 클래딩층(cladding layer), 상기 제1 클래딩층 상부의 제2 클래딩층 그리고 상기 제1 및 제2 클래딩층들 사이의 양자 우물층(quantum-well layer)을 구비하는 구조로부터 형성되며, 상기 양자 우물층은 상기 제1 및 제2 클래딩층들과 다른 조성을 갖는 물질로 형성되고, 상기 양자 우물층의 두께와 조성은 상기 흡수 수단 내의 전자기 복사의 흡수를 위한 적절한 밴드 갭을 제공하면서 상기 도파관 내의 전자기 복사의 흡수의 허용 레벨을 제공하도록 최적화된다.
상기 흡수 수단은 임의의 흡수 구조, 층 또는 구성 요소가 될 수 있다. 예를 들면, 이는 복사를 검출하기 위한 검출기(detector)의 일부를 형성할 수 있다.
상기 흡수 수단은 적어도 하나의 공진기(resonator)를 포함할 수 있고, 각기 또는 상기 적어도 하나의 공진기는 상기 전자기 복사의 소정의 파장에서 공진한다. 상기 장치는 기판을 더 포함할 수 있고, 상기 공진기들 및 상기 도파관은 상기 기판 상에 제공될 수 있다. 이상적으로는, 손실들을 최소화하기 위하여, 상기 도파관 내의 흡수층을 방지하는 것이 요구된다. 그러나, 상기 흡수 수단 및 상기 도파관 내에 다른 조성들의 물질을 갖는 장치들을 제조하기는 어렵다. 본 발명에 따르면, 상기 양자 우물 흡수층이 상기 흡수 수단 및 상기 도파관 모두 내에 제공된다. 상기 흡수 수단이 공진기들을 포함할 때, 상기 양자 우물이 각각의 상기 공진기들 및 상기 도파관 내에 제공된다. 양자 우물층을 이용함에 의해, 상기 도파관 및 상기 공진기들 내의 흡수의 정도가 조절될 수 있으며, 상기 흡수층의 밴드 갭에 대한 보다 큰 제어가 제공된다.
상기 도파관 내의 흡수의 허용 레벨이 상기 양자 우물층의 두께들과 조성들의 소정의 범위 내에서 수득할 수 있는 흡수의 최대 레벨일 수 있으므로, 상기 양자 우물층의 두께와 조성이 상기 도파관 내의 흡수를 최소화하도록 최적화된다.
상기 양자 우물층은 상기 도파관의 두께 보다 실질적으로 작은 두께를 가질 수 있다.
상기 양자 우물층의 두께와 조성은 상기 공진기들의 공진의 품질(Q) 계수를 최대화하고 상기 액티브층 내의 변형률(strain)을 최대 적정 값 보다 작게 유지하면서 원하는 양자 우물 바닥 상태 전이 에너지(ground state transition energy)를 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 최대 적정 값은 1.5%가 될 수 있다.
상기 장치는 분광기(spectrometer)가 될 수 있다. 상기 양자 우물층은 소정의 에너지보다 작거나 동등한 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있으며, 상기 소정의 에너지는 상기 분광기가 검출하도록 구성되는 전자기 복사의 최대 파장 λmax에 대응된다. 상기 공진기들은 디스크(disk) 공진기들이 될 수 있다.
상기 공진기들은 파장 간격 Δλ에 대응되는 최대 공진 주파수 간격(free-spectral range; FSR) 값을 가질 수 있고, 상기 양자 우물층은 파장 λmax＋Δλ에서 복사의 에너지에 대응되는 바닥 상태 전이 에너지를 제공하는 조성과 두께를 가지도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 또한 전자기 복사를 안내 및 흡수하기 위한 장치를 위하여 양자 우물층의 층 두께와 조성을 최적화하는 방법이 제공되며, 상기 장치는 상기 전자기 복사를 흡수하기 위한 흡수 수단 및 상기 흡수 수단으로 상기 전자기 복사를 안내하기 위해 상기 흡수 수단에 연결되는 도파관을 포함하고, 상기 도파관 및 상기 흡수 수단은 제1 클래딩층, 상기 제1 클래딩층 상부의 제2 클래딩층 그리고 상기 제1 및 제2 클래딩층들 사이의 양자 우물층을 구비하는 구조로부터 형성되며, 상기 양자 우물층은 상기 제1 및 제2 클래딩층들과 다른 조성을 갖는 물질로 형성되고, 상기 방법은 상기 흡수 수단 내의 전자기 복사를 흡수하기 위하여 상기 양자 우물층을 위한 적절한 바닥 상태 전이 에너지를 결정하는 단계; 및 원하는 바닥 상태 전이 에너지를 제공하고 상기 도파관 내의 흡수의 허용 레벨을 제공하도록 구성되는 상기 양자 우물층의 두께와 조성을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 흡수 수단 및 상기 도파관은 상기 장치의 기판 상에 제공될 수 있다. 또한, 상기 흡수 수단은 적어도 하나의 공진기들을 포함할 수 있고, 상기 공진기 또는 각각의 상기 적어도 하나의 공진기들은 복사의 소정의 파장에서 공진한다. 상기 양자 우물층의 두께와 조성을 결정하는 단계는 상기 공진기들의 품질(Q) 계수를 최대화하고 상기 양자 우물층 내의 변형률을 소정의 허용 한계 보다 작게 유지하면서 상기 원하는 바닥 상태 전이 에너지를 제공하도록 구성되는 상기 두께와 상기 조성을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 양자 우물의 두께와 조성을 결정하는 단계는 두께들과 조성들의 소정의 범위로부터 상기 양자 우물층의 초기 두께와 조성을 선택하는 단계; 상기 초기 두께와 조성에 기초하여 상기 적어도 하나의 공진기 내의 휨 손실(bend loss)을 결정하는 단계; 상기 휨 손실에 기초하여 상기 공진기를 위한 품질(Q) 계수의 값을 수득하는 단계; 상기 Q 계수의 수득된 값이 상기 두께들과 조성들의 소정의 범위 내의 상기 Q 계수의 최대 허용 값인지를 결정하는 단계; 상기 선택된 두께와 조성에 기초하여 상기 양자 우물층 내의 변형률의 값을 수득하는 단계; 상기 변형률의 수득된 값이 소정의 허용 한계보다 낮은 지를 결정하는 단계; 그리고 상기 Q 계수의 값이 최대 허용 값인 것이 결정되는 경우 및 상기 수득된 변형률이 상기 소정의 허용 한계보다 낮을 경우에 상기 양자 우물층의 최종 두께와 조성으로서 상기 선택된 두께와 조성을 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 초기 조성과 두께를 위한 Q의 값이 최대값이 아닌 것으로 결정되는 경우 또는 상기 수득된 변형률이 상기 소정의 허용 한계보다 낮지 않은 경우에, 새로운 두께와 조성을 수득하도록 상기 초기 두께와 조성을 조정하는 단계 그리고 휨 손실을 수득하는 단계, Q 계수 값을 결정하는 단계, 상기 수득된 값이 최대인 지를 결정하는 단계, 변형률 값을 수득하는 단계 및 상기 수득된 변형률 값이 상기 새로운 두께와 조성을 위한 소정의 허용 한계 보다 낮은 지를 결정하는 단계를 반복하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 변형률을 위한 상기 소정의 허용 한계는 1.5%가 될 수 있다.
상기 초기 조성과 두께는 상기 양자 우물층을 위한 밴드 갭의 목표값에 기초하여 선택될 수 있다. 상기 적어도 하나의 공진기들은 최소 공진 주파수 간격(FSR) 값을 가질 수 있고, 상기 방법은 상기 복수의 공진기들의 최소 FSR 값 보다 작은 파장 차이값을 수득하는 단계; 및 상기 파장 차이값과 상기 소정의 파장의 합과 동등한 파장에서 복사의 에너지에 대응되는 값을 수득함에 의해 상기 밴드 갭의 목표값을 수득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들을 예시적으로만 첨부된 도면들들 참조하여 설명한다. 첨부된 도면들에서,
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분광기를 나타내고,
도 2는 도 1의 분광기 내의 디스크 공진기 및 도파관을 나타내며,
도 3은 도 2의 디스크 공진기 및 도파관을 통한 단면을 나타내고,
도 4는 도 2의 디스크 공진기 내의 양자 우물 액티브층의 세부 구조를 나타내며,
도 5는 본 발명의 실시예들에 따라 도 2의 디스크 공진기 내의 손실들이 액티브층 두께에 의해 어떻게 영향을 받는 가를 나타내는 그래프이며,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 양자 우물 액티브층을 위한 적절한 조성과 층 두께를 선택하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
이제 도 1을 참조하면, 분광기-온-어-칩(spectrometer-on-a-chip)이 본 발명의 실시예에 따라 예시되어 있다. 상기 분광기(100)는 기판(110), 연장된 도파관(waveguide)(120), 그리고 상기 도파관에 연결되는 복수의 디스크 공진기들(disk resonators)(130)을 포함한다. 상기 도파관(120)은 리지(ridge) 도파관이 될 수 있다. 각 디스크 공진기(130)는 상기 디스크 공진기 내의 전류를 감지하기 위한 전극(140)을 가지고 제공될 수 있으며, 상기 전극(140)은 상기 분광기(100)를 다른 구성 요소들에 연결하기 위한 본드 패드(bond pad)(150)에 연결된다. 상기 디스크 공진기들(130)의 하나가 도 2에 평면으로 도시되어 있고, 도 3은 도 2의 III-III 라인들 따른 단면을 나타낸다. 도 4는 도 3에 도시된 액티브층의 구조를 상세하게 예시한다. 상기 도면들은 개략적이며, 예시적은 목적으로서만 제공되는 것이다. 특히, 다른 층들 및 구성 요소들이 존재할 수 있지만, 명료성을 위해 상기 도면들에서는 생략되었다. 예를 들면, 금속화의 추가적인 층들이 전기적 콘택들로서 상기 공진기 내로 현재 연결되는 광 에너지의 양을 나타내는 상기 디스크 공진기 내를 흐르는 전류를 측정하도록 상기 디스크 공진기의 상부 및 하부에 증착될 수 있다.
종래의 칩-베이스의 분광기와 같이, 본 실시예에서의 상기 연장된 도파관(120)은 상기 디스크 공진기(130)에 연결되어 입력 광을 상기 디스크 공진기(130)로 안내한다. 상기 디스크 공진기(130)가 특정한 소정의 광의 파장에서 공진 모드를 지지하도록 구성될 수 있어, 소정의 파장의 광만이 상기 도파관(120)으로부터 상기 디스크 공진기(130) 내로 결합된다.
본 실시예에 있어서, 상기 디스크 공진기 및 상기 도파관은 지지층(232), 액티브층 스택(stack)(234), 그리고 캡핑층(capping layer)(236)을 포함하는 다층 구조를 가진다. 상기 액티브층 스택(234)은 상기 도파관(120) 및 상기 디스크 공진기(130) 모두 내에 위치할 수 있게 배치될 수 있으며, 여전히 상기 광이 상기 도파관 내에서 낮은 손실들(losses)로 안내되게 하면서 상기 디스크 공진기 내의 복사를 흡수하기 위한 적절한 밴드 갭을 제공할 수 있다. 상기 기판은 약 1-3 × 1018㎝-3의 도펀트 농도로 n-도핑된 InP로부터 형성된다. 상기 지지층(232)도 약 4-6 × 1017㎝-3의 도펀트 농도를 갖는 n-도핑된 InP로부터 형성된다. 상기 액티브층 스택(234)은 도핑되지 않은 InGaAsP로부터 형성될 수 있다. 상기 캡핑층(236)은 약 2-10 × 1018㎝-3의 도펀트 농도를 갖는 p-도핑된 InP로부터 형성된다. 그러나 본 발명이 이들 물질들에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예들에서는 다른 물질들이 사용될 수 있다.
상기 액티브층 스택(234)은 도 4에 보다 상세하게 도시되어 있고, 상부 클래딩층(cladding layer)(234-1) 및 하부 클래딩층(234-2)을 포함하며, 본 실시예에서는 각기 0.2485㎛ 두께이고, 도핑되지 않은 InGaAsP로부터 형성된다. 3㎚ 두께의 양자 우물 액티브층(234-3)이 상기 상부 및 하부 클래딩층들(234-1, 234-2) 사이에 증착된다. 상기 양자 우물층은 상기 클래딩층들보다 작은 밴드 갭을 가진다. 상기 양자 우물층도 도핑되지 않은 InGaAsP로부터 형성될 수 있지만, 상기 클래딩층보다 작은 밴드 갭을 제공하도록 다른 조성을 가질 수 있다. 상기 클래딩층들(234-1, 234-2)은 모두 동일한 물질로부터 또는 다른 물질들로부터 형성될 수 있고,
상기 지지층(232) 및 캡핑층들(236)에 비해 높은 비굴절률차(refractive index contrast)를 가지도록 배치되어, 상기 도파관이 상기 클래딩층들(234-1, 243-2)과 상기 지지 및 캡핑층들 사이의 계면에 의해 형성된다. 상기 광이 상기 클래딩층들(243-1, 234-2)을 통해 안내되고, 상기 양자 우물층(234-3)이 상기 클래딩층들 사이에 끼이기 때문에, 상기 광도 상기 양자 우물층을 통해 진행할 것이다. 즉, 본 실시예에서 상기 클래딩층들(234-1, 234-2)은 입력 광 파장들이 상기 디스크 공진기(130) 및 상기 도파관(120) 모두 내에서 상기 양자 우물 액티브층(234-3)과 강하게 중첩되는 점을 보장한다. 상기 클래딩층들의 중심에 상기 양자 우물을 배치하는 것은 상기 양자 우물과의 중첩이 최대화되는 점을 보장한다. 상기 양자 우물은 그 자체가 상기 도파관(120)의 광학적 필드에 작은 영향이나 영향을 갖지 않도록 충분하게 얇다. 상기 양자 우물 액티브층(234-3)의 두께는 실질적으로 상기 도파관(120)의 두께 보다 작으며, 상기 도파관(120) 내의 모드 감쇠들(modal losses)이 최소화된다. 또한, 상기 양자 우물 액티브층(234-3)의 감소된 두께는 2차원적으로부터 2차원적으로 전자적 상태들의 밀도를 감소시키며, 흡수 계수를 감소시킨다. 이는 상기 도파관(120) 내에서 상기 양자 우물 액티브층(234-3)에 의한 광 에너지의 흡수를 감소시키고, 상기 도파관(120)과 상기 디스크 공진지(130)가 형성될 때에 상기 양자 우물 액티브층(234-3)이 불균일하게 증착되게 한다. 동시에, 광이 디스크 공진기(130)에 일단 결합되면, 상기 광이 상기 디스크 공진기(130) 외부의 약한 결합으로 상기 양자 우물 내의 상기 공진기 주위에서 다중 사이클들을 겪기 때문에, 비록 흡수 계수가 보다 두꺼운 층에 비하여 상기 양자 우물층 내에서 감소된다고 하더라도 상기 광은 궁극적으로는 상기 양자 우물 액티브층(234-3)에 의해 흡수된다. 상기 도파관은 상기 광학적 필드가 흡수를 증가시키는 데 도움이 되는 상기 양자 우물 상부에서 최대가 되는 점을 보장한다.
상기 액티브층 스택이 상기 클래딩층들이 아니라 상기 양자 우물만이 상기 복사를 흡수하도록 설계될 수 있는 점이 이해되어야 할 것이다. 대체로, 상기 캡핑층(236), 상기 지지층(232) 및 상기 클래딩층들은 관심의 대상인 가장 높은 에너지의 포톤(photon) 보다 큰, 즉 상기 분광기가 검출하도록 구성되는 가장 짧은 파장의 포톤의 에너지 보다 큰 밴드 갭들을 가질 수 있다. 이에 비하여, 상기 양자 우물 액티브층(234-3)은 관심의 대상이 되는 가장 낮은 에너지의 포톤 보다 작은, 즉 상기 분광기가 검출하도록 구성되는 가장 긴 파장의 포톤의 에너지 보다 작은 밴드 갭을 가질 수 있다. 이러한 방식에 있어서, 각각의 상기 공진기들(130) 내의 광이 상기 양자 우물 액티브층(234-3)에 의해 흡수될 수 있다. 또한, 상기 양자 우물 액티브층(234-3)의 동일한 조성이 모든 디스크 공진기들 내에 사용될 수 있으며, 제조 공정들 간략화시킨다. 상세하게는, 소정의 파장의 광이 상기 도파관(120)으로부터 상기 공진기(130) 내로 들어갈 때, 가전자대로부터 전도대로 전자들을 여기시키도록 상기 밴드 갭이 상기 가장 낮은 에너지의 포톤들을 위한 경우보다도 충분히 작기 때문에 상기 포톤들이 상기 양자 우물 액티브층(234-3) 내의 물질에 의해 흡수될 수 있으며, 전자-홀 쌍들을 발생시킨다. 결과적인 전류가 측정될 수 있으며, 상기 디스크 공진기(130) 내의 광 에너지의 양에 비례한다. 따라서, 상기 디스크 공진기(130) 내의 상기 양자 우물 액티브층(234-3)은 상기 도파관(120)으로 입력되는 광선 내의 소정의 파장에 존재하는 광 에너지의 양을 검출하고 측정하는 데 사용될 수 있다.
상기 액티브 스택층이 광을 상기 도파관 내에서 낮은 손실들로 안내하지만 여전히 상기 공진기들 내에서 상기 광을 흡수하기 때문에, 상기 도파관(120) 및 상기 디스크 공진기들(130)은 단일 에피택셜(single epitaxial) 단계에서 형성될 수 있다. 상기 도파관 및 상기 디스크 공진기들의 액티브 스택층은 단일 구조로서 일채로 형성될 수 있다. 이에 비하여, 종래의 분광기-온-어-칩에 있어서, 상기 도파관 내의 흡수층이 선택적으로 식각되고 보다 넓은 밴드 갭의 합금에 의해 대체되어야 하거나, 상기 흡수층이 제1 위치 내에서 상기 디스크 공진기 내에 증착되어야만 한다. 본 발명의 실시예들은 이에 따라 상기 양자 우물 액티브층(234-3)이 상기 도파관과 상기 디스크 공진기들 모두 내에 증착되고 유지될 수 있기 때문에 단순화된 제조 공정을 제공할 수 있다.
본 발명이 도 3 및 도 4에 도시된 층 구조에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예들에서 다른 구조들이 이용될 수 있는 점이 이해되어야 할 것이다. 상기 구조는 추가적인 층들 또는 보다 적은 층들을 포함할 수 있다. 기재된 층 두께와 물질들은 단지 예시적인 것이며, 다른 실시예들에서는 다른 두께와 물질들이 사용될 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 상기 도파관 내의 손실들 상에서 상기 양자 우물 액티브층(234-3)의 두께를 변화시키는 효과를 예시하는 그래프가 도시된다. 도 5에 도시된 곡선들을 위한 3가지 실시예들에 있어서, 1000㎛의 도파관 파장이 사용되며, 상기 분광기는 중심 파장, 즉 1.6㎛의 중간 파장을 갖는 입력 광을 수용하도록 구성된다. 도 5에 있어서, 강도는 상기 도파관 내로의 광 입력을 위한 파장에 대해 그려진다. 여기서, 상기 강도는 상기 도파관 내에서 측정 파장에서 입력 에너지에 대한 출력 에너지의 비율로서 측정된다. 보다 큰 강도는 상기 도파관의 단부에서 상기 입력 에너지의 보다 큰 비율이 여전히 존재하는 점, 즉 상기 도파관 내의 상기 양자 우물 액티브층에 의해 흡수되지 않았던 점을 나타낸다. 1㎛ 및 14㎛ 부근의 강도에서 경사들(dips)은 상기 디스크 공진기들 내로 결합되는 상기 중심 파장 상부의 1㎛ 및 14㎛의 파장들의 광에 대응한다.
제1 실시예에 있어서, 도 5에서 실선(501)으로 나타낸 바와 같이, 상기 양자 우물 액티브층은 3㎚의 두께를 가진다. 제2 실시예에 있어서, 도 5에서 파선(502)으로 나타낸 바와 같이, 상기 양자 우물 액티브층은 4㎚의 두께를 가진다. 제3 실시예에 있어서, 도 5에서 점선(503)으로 나타낸 바와 같이, 상기 양자 우물 액티브층은 5㎚의 두께를 가진다. 대체로, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 양자 우물 액티브층이 얇아질수록, 상기 도파관 내의 손실들이 보다 작아진다. 즉, 임의의 주어진 광의 파장과 임의의 주어진 상기 액티브층의 물질을 위하여, 상기 도파관 내의 손실들은 보다 얇은 양자 우물 액티브층을 위해서는 보다 작아질 것이다. 그러므로 바람직하게는 상기 양자 우물 액티브층은 실제로 균일한 방식으로 제조되도록 가장 작은 두께로 형성된다.
이제 도 6을 참조하면, 상기 양자 우물 액티브층을 위하여, 관심의 대상이 되는 알려진 최대 파장 λmax, 즉 검출되는 최대 파장을 위하여, 층 두께와 조성을 최적화시키기 위한 공정이 예시된다. 상기 두께 및 조성은 적절한 밴드 갭들 제공하도록, 상기 디스크 공진기들을 위한 공진의 품질(Q) 계수를 최대화하도록, 그리고 상기 양자 우물층 내에 1.5% 보다 작은 고정된 변형률(strain)을 제공하도록 선택될 수 있다.
먼저, 단계 S601에서, 파장 오프셋(offset) Δλ가 결정된다. 각 디스크 공진기는 다른 차수들의 공진 모드들을 유지하며 이들 모드들 사이의 파장 분리는 공진 주파수 간격(free-spectral range: FSR) 값으로서 언급된다. 상기 파장 오프셋 Δλ는 상기 복수의 디스크 공진기들의 가장 작은 공진 주파수 간격 보다 작게 선택된다.
다음으로, 단계 S602에서, 초기의 원하는 밴드 갭을 제공하도록 상기 양자 우물 액티브층을 위한 출발 두께와 조성이 선택된다. 상기 출발 두께와 조성은 hc/(λmax＋Δλ)에서 양자 우물 바닥 상태 전이 에너지(ground state transition energy)를 제공하도록 선택되며, 여기서 h는 플랑크 상수(Planck constant)이고, c는 진공 중에서의 광속이다. 즉, 상기 밴드 갭의 초기 목표값은 상기 파장 차이 값 Δλ 및 상기 소정의 파장 λmax의 합과 동일한 파장에서 복사의 에너지에 대응된다. 상기 우물의 깊이는 상기 양자 우물 바닥 상태 에너지가 선택된 값과 부합할 때까지 변화된다. 그러나, 다른 방법들이 다른 실시예들에서 상기 출발 두께와 조성을 결정하는 데 이용될 수 있다. 예를 들면, 데이터베이스가 복수의 소정의 λ 및 Δλ 값들을 위해 적합한 근사치의 두께와 조성을 저장할 수 있으며, 출발 두께와 조성이 본 실시예에서 요구되는 실제의 값들에 가장 가까운 구할 수 있는 λmax 및 Δλ 값들을 위한 값들에 기초하여 선택될 수 있다.
다음에, 단계 S603에서, 디스크 공진기를 위한 휨 손실(bending loss)이 상기 양자 우물 액티브층을 위해 상기 선택된 출발 두께와 조성에 기초하여 결정된다. 상기 공진기들의 휨 손실은 또한 상기 공진기들의 크기에 의존한다. 이후에, 단계 S604에서, 상기 디스크 공진기를 위한 공진의 Q 계수가 결정된다. 상기 Q 계수는 단계 S603에서 수득된 상기 휨 손실뿐만 아니라 상기 도파관 내의 흡수의 레벨에 의존한다. 단계 S605에서, 상기 Q 계수가 최대화되었는지, 또는 보다 높은 Q를 구할 수 있는 지가 결정된다. 상기 Q 계수는 상기 디스크 공진기들 내의 흡수가 최대화되고 상기 도파관 내의 흡수가 최소화될 때에 최대화된다. 상기 양자 우물층은 상기 리지 도파관 내의 중첩을 감소시키기 위해 설계되며, 이에 따라 상기 도파관 내의 흡수를 최소화한다. 상기 Q 계수가 최대화되지 않을 경우, 상기 과정은 단계 S602로 돌아가고 다른 두께 및/또는 조성을 선택한다. 변수 공간들에서 상기 Q 계수를 위해 하나 만의 최대가 존재하며 상기 최대는 반복되는 절차에 의해 발견될 수 있다. 예를 들면, 상기 두께 및/또는 조성은 각 반복에서 상기 출발 값들로부터 소정의 양으로 변화될 수 있다.
단계 S605에서 현재에 선택된 두께와 조성을 위해 상기 Q 계수가 최대화되는 지가 결정될 경우, 그러면 단계 S606에서 상기 양자 우물 액티브층 내의 변형률이 허용 한계들 내에 있는 지가 결정된다. 예를 들면, 비록 또 다른 한계가 다른 실시예들에서 이용될 수 있지만 상기 변형률은 1.5% 보다 작을 경우에 허용될 수 있다. 1.5%의 예는 전술한 물질들을 위해 적합하며, 상기 최대 허용 변형률 값이 사용되는 물질과 함께 변화되는 점이 이해되어야 할 것이다. 상기 변형률은 상기 양자 우물 액티브층의 물질과 상기 기판의 물질 사이의 평면 내의 격자 불일치(lattice mismatch)에 의존할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 클래딩층들은 상기 기판에 대해 격자 불일치된다. 상기 변형률이 허용되지 않을 경우, 상기 과정은 단계 S603으로 돌아가고 다른 두께 및/또는 조성이 선택된다. 그러나, 상기 변형률이 허용 가능할 경우, 그러면 상기 과정이 완성되고 상기 현재에 선택된 두께와 조성이 상기 분광기를 제조할 때에 사용될 수 있다.
비록 도 6의 처리 단계들을 위한 특정한 순서가 기술되었지만, 상기 순서는 변화될 수 있는 점이 이해되어야 할 것이다. 대체로, 상기 양자 우물층의 조성과 두께를 최적화하기 위한 과정은 Q를 최대화하고 상기 변형률을 최대 적정 값 아래로 유지하면서 동일한 바닥 상태 전이 에너지를 제공하도록 상기 양자 우물층의 조성과 두께를 변화시키는 단계를 수반한다. 상기 바닥 상태 전이 에너지는 관심의 대상이 되는 가장 긴 파장의 에너지에 근접하도록 선택된다.
또한, 도 6의 과정에서 분석된 변수들의 적어도 일부가 상기 공진기들의 특성들에 의존하는 점이 인식되어야 할 것이다. 예를 들면, 상기 FSR 및 상기 휨 손실은 상기 공진기들의 크기 및 차수에 의존한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 공진기들의 크기가 변화될 수 있을 경우, 각 공진기의 반경들이 상기 양자 우물층의 주어진 두께와 조성을 위하여 최적화될 수 있다. 상기 디스크 공진기들의 반경들을 변화시키는 것은 상기 휨 손실 및 상기 FSR에 미칠 수 있으며, 이에 따라 각 디스크 공진기의 반경들을 최적화한 후, 도 6의 방법이 상기 양자 우물층의 두께와 조성을 더 조정할 지를 결정하도록 새로운 업데이트된 공진기 크기들을 위해 반복될 수 있다. 이는 상기 디스크 반경들 및 순서화를 반복적으로 최적화하는 단계, 상기 흡수층 조상과 두께를 최적화하는 단계, 상기 새로운 흡수층을 위해 상기 디스크 반경들 및 순서화를 조정하는 단계 및 기타 단계들을 수반하는 반복적인 과정이 될 수 있다. 상기 과정은 소정의 기준이 수행될 때까지, 예를 들면, 허용 가능한 손실들이 구현될 때까지 또는 상기 과정이 특정한 회수로 반복될 때까지 반복될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 각 최적화 과정이 한 번만 수행될 수 있거나, 상기 흡수층 최적화가 전혀 수행되지 않을 수 있다.
여기서, 상기 도파관 내의 허용 가능한 손실은 상기 두께들과 조성들의 허용 범위, 최대 적정 변형률 및 최대화된 Q 값과 같은 주어진 제약들 내에서 수득할 수 있는 최소 손실이 될 수 있다. 선택적으로는, 허용 가능한 손실이 필수적으로 상기 최대의 구현 가능한 손실이 되지 않을 수 있지만, 소정의 최대 허용 손실보다 낮은 임의의 손실이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 과정은 상기 최소 허용 한계 아래의 손실들을 제공하는 두께와 조성이 확인되었다면 심지어 보다 낮은 손실들을 제공하는 다른 두께들 및/또는 조성들이 존재하는 지에 관계없이 중지될 수 있으며, 상기 소정의 허용 한계가 상기 주어진 제약들 내에서 얻어질 수 있을 경우, 그러면 상기 두께들과 조성들의 소정의 범위 가운데 상기 가장 낮은 손실을 제공하는 두께와 조성이 선택된다.
앞에서는 본 발명의 특정한 실시예들을 기술하였지만, 해당 기술 분야의 숙련자라면 첨부된 특허 청구 범위에 정해진 바와 같은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 많은 변화들과 변형들이 가능한 점을 이해할 수 있을 것이다.
예를 들면, 본 발명의 실시예들에서 기술되었던 분광기가 분광 광도기로 간주될 수 있거나, 그 일부를 형성할 수 있는 점을 인지할 수 있을 것이다. 그러므로, "분광기(spectrometer)"라는 용어가 사용되는 경우, 상기 용어는 "분광 광도기(spectrophotometer)"라는 용어로 대체될 수 있다.
또한, 상기 분광기가 곳곳에서 광을 수용하고 안내하는 것으로 기술되었지만, 상기 분광기는 임의의 파장의 전자기 복사를 안내하고 검출하는 데 사용될 수 있다. 또한, 상기 분광기가 디스크 공진기들을 포함하는 것으로 기술되었지만, 상술한 도파관은 다른 형태의 공진기 내로 광을 안내하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 공진기들은 구형의 공진기들, 마이크로 링들 등과 같은 임의의 높은 Q 공동들이 될 수 있다.
또한, 본 발명의 특정 실시예들이 분광기-온-어-칩과 관련되어 기술되었지만, 상기 양자 우물 액티브층도 복사가 상기 구조의 흡수 부분 내에 흡수되게 하면서 광 안내 부분 내의 손실들을 최소화하도록 다른 장치들 내에 사용될 수 있다. 예를 들면, 다른 실시예들에서 상기 양자 우물 액티브층은 광학 집적 회로들, 광학 센서들과 시스템 그리고 분기 결합 다중화기들(add-drop multiplexers)과 같은 광학 통신 장치들과 같은 장치들과 같은 장치들에 포함될 수 있다. 상기 도파관은 상기 복사를 흡수 수단을 제공하는 임의의 유형의 검출기로 안내할 수 있으며, 상기 장치는 공진기들을 포함하지 않아야 한다. 일반적으로 및 도 4를 참조하여 상술한 바와 같이, 상기 흡수 수단은 전자기 복사의 소정의 파장을 검출하도록 배치되며, 성가 양자 우물 두께와 조성은 상기 소정의 파장의 전자기 복사가 상기 흡수 수단 내에 흡수될 수 있고 검출될 수 있는 점을 확보하도록 적절한 밴드 갭을 제공하여야 한다. 여기서, 적절한 밴드 갭은 상기 소정의 파장에서 포톤의 에너지보다 작거나 동일한 임의의 갭이 될 것이다.

Claims (15)

  1. 전자기 복사를 안내 및 흡수하기 위한 장치에 있어서,
    전자기 복사를 흡수하기 위한 흡수 수단(absorbing means)(130); 및
    상기 전자기 복사를 상기 흡수 수단으로 안내하기 위해 상기 흡수 수단에 연결되는 도파관(waveguide)(120)을 포함하고, 상기 도파관 및 상기 흡수 수단은 제1 클래딩층(cladding layer), 상기 제1 클래딩층 상부의 제2 클래딩층 및 상기 제1 및 제2 클래딩층들 사이의 양자 우물층(quantum-well layer)을 구비하는 구조로부터 형성되며, 상기 양자 우물층은 상기 제1 및 제2 클래딩층들과 다른 조성을 갖는 물질로 형성되고, 상기 양자 우물층의 두께와 조성이 상기 흡수 수단 내의 전자기 복사의 흡수를 위한 적절한 밴드 갭을 제공하면서, 상기 도파관 내의 전자기 복사의 흡수의 허용되는 레벨을 제공하도록 최적화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 기판(110)을 더 포함하고, 상기 도파관 및 상기 흡수 수단은 적어도 하나의 공진기를 구비하며, 상기 공진기 또는 각각의 상기 적어도 하나의 공진기들은 상기 전자기 복사의 소정의 파장에서 공진되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 도파관 내의 흡수의 허용 레벨이 상기 양자 우물층의 두께들과 조성들의 소정의 범위 내에서 수득할 수 있는 흡수의 최소 레벨이어서 상기 양자 우물층의 두께와 조성이 상기 도파관 내의 흡수를 최소화하도록 최적화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 양자 우물층의 두께와 조성은 상기 공진기들의 공진의 품질(Q) 계수를 최대화하고 최대 적정 값 보다 작은 실제 값 내에 변형률을 유지하면서 원하는 양자 우물 밴드 갭을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 최대 적정 값은 1.5%인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양자 우물층은 상기 도파관의 두께보다 실질적으로 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 분광기(spectrometer)인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 양자 우물층은 소정의 에너지보다 작거나 동일한 밴드 갭을 제공하는 조성과 두께를 가지도록 구성되며, 상기 소정의 에너지는 상기 분광기가 검출하도록 구성되는 전자기 복사의 최대 파장 λmax에 대응되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 공진기들은 파장 간격 Δλ에 대응되는 최소 공진 주파수 간격(free-spectral range; FSR) 값을 가지며, 상기 양자 우물층은 파장 λmax＋Δλ에서 복사의 에너지에 대응되는 바닥 상태 전이 에너지를 제공하는 조성과 두께를 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 전자기 복사를 안내 및 흡수하는 장치를 위한 양자 우물층의 층 두께와 조성을 최적화시키는 방법에 있어서, 상기 장치는 기판(110); 상기 전자기 복사를 흡수하기 위해 상기 기판 상에 위치하는 흡수 수단(130); 상기 기판 상의 도파관(120)을 구비하며, 상기 도파관은 상기 흡수 수단으로 상기 전자기 복사를 안내하기 위해 상기 흡수 수단에 연결되고, 상기 도파관 및 상기 흡수 수단은 제1 클래딩층, 상기 제1 클래딩층 상부의 제2 클래딩층 그리고 상기 제1 및 제2 클래딩층들 사이의 양자 우물층을 구비하는 구조로부터 형성되며, 상기 양자 우물층은 상기 제1 및 제2 클래딩층들과 다른 조성을 갖는 물질로 형성되고, 상기 방법은,
    상기 흡수 수단 내의 상기 전자기 복사의 흡수를 위하여 상기 양자 우물층을 위한 적절한 양자 우물 바닥 상태 전이 에너지를 결정하는 단계; 및
    원하는 바닥 상태 전이 에너지를 제공하고 상기 도파관 내의 흡수의 허용 레벨을 제공하도록 구성되는 상기 양자 우물층의 두께와 조성을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 장치는 기판을 더 포함하고, 상기 흡수 수단 및 상기 도파관은 상기 기판 상에 제공되며, 상기 흡수 수단은 적어도 하나의 공진기들을 구비하며, 상기 공진기 또는 각각의 상기 적어도 하나의 공진기들은 복사의 소정의 파장에서 공진하고, 상기 두께와 조성을 결정하는 단계는 상기 공진기들의 공진의 품질(Q) 계수를 최대화하고 소정의 허용 한계보다 작은 상기 양자 우물층 내의 변형률을 유지하면서 상기 원하는 바닥 상태 전이 에너지를 제공하도록 구성되는 상기 두께와 조성을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 양자 우물층의 두께와 조성을 결정하는 단계는,
    두께들과 조성들의 소정의 범위로부터 상기 양자 우물층의 초기 두께와 조성을 선택하는 단계;
    상기 초기 두께와 조성에 기초하여 상기 적어도 하나의 공진기들 내의 휨 손실(bend loss)을 결정하는 단계;
    상기 휨 손실에 기초하여 상기 공진기를 위한 상기 Q 계수의 값을 수득하는 단계;
    상기 Q 계수의 수득된 값이 상기 두께들과 조성들의 소정의 범위 내에서 상기 Q 계수의 최대의 구할 수 있는 값인지를 결정하는 단계;
    상기 선택된 두께와 조성에 기초하여 상기 양자 우물층 내의 변형률의 값을 수득하는 단계;
    상기 변형률의 수득된 값이 소정의 허용 한계보다 낮은 지를 결정하는 단계; 및
    상기 Q 계수의 값이 최대 허용 값인 지가 결정되는 경우 및 상기 변형률의 수득된 값이 상기 소정의 허용 한계보다 낮은 지가 결정되는 경우, 상기 선택된 두께와 조성을 상기 양자 우물층의 최종 두께와 조성으로 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 초기 두께와 조성을 위한 상기 Q 계수의 값이 최대값이 아닌 경우 또는 상기 수득된 변형률이 상기 소정의 허용 한계보다 낮지 않을 경우, 새로운 두께와 조성을 수득하도록 상기 초기 두께와 조성을 조정하는 단계 그리고 휨 손실을 수득하는 단계, Q 계수 값을 결정하는 단계, 상기 수득된 값이 최대인지를 결정하는 단계, 변형률 값을 수득하는 단계 및 상기 수득된 변형률 값이 상기 새로운 두께와 조성을 위해 소정의 허용 한계보다 낮은 지를 결정하는 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 초기 두께와 조성은 상기 양자 우물층을 위한 밴드 갭의 목표값에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공진기는 최소 공진 주파수 간격(FSR) 값을 가지며, 상기 방법은,
    상기 복수의 공진기들의 최소 FSR 값보다 작은 파장 차이값을 수득하는 단계; 및
    상기 파장 차이값 및 상기 소정의 파장의 합과 동일한 파장에서 상기 복시의 에너지에 대응되는 값을 수득함에 의해 상기 밴드 갭의 목표값을 수득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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