KR20140108220A - 손실을 감소시킨 공진기 - Google Patents

손실을 감소시킨 공진기 Download PDF

Info

Publication number
KR20140108220A
KR20140108220A KR20147012932A KR20147012932A KR20140108220A KR 20140108220 A KR20140108220 A KR 20140108220A KR 20147012932 A KR20147012932 A KR 20147012932A KR 20147012932 A KR20147012932 A KR 20147012932A KR 20140108220 A KR20140108220 A KR 20140108220A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
resonator
substrate
film
refractive index
index region
Prior art date
Application number
KR20147012932A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102033398B1 (ko
Inventor
스티븐 스위니
야핑 장
Original Assignee
아스트리움 리미티드
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 아스트리움 리미티드 filed Critical 아스트리움 리미티드
Publication of KR20140108220A publication Critical patent/KR20140108220A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102033398B1 publication Critical patent/KR102033398B1/ko

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
    • G02B6/24—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
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/22—Absorbing filters
    • 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

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

전자기적 방사를 검출하기 위한 장치는 기판 상의 도파관 및 적어도 하나의 공진기, 각각의 공진기 및 상기 기판 사이의 저-굴절률 영역을 포함한다. 상기 저-굴절률 영역은 상기 공진기의 물질보다 낮은 굴절률을 갖는다. 상기 저-굴절률 영역은 환형 형상이고, 전자기적 방사가 휘스퍼링-화랑 공진 모드에서 집중되는 영역의 폭에 대응하는 폭을 가질 수 있다. 상기 저-굴절률 영역은 상기 기판 및 상기 공진기 사이의 에어 갭일 수 있다. 상기 장치는 전자기적 방사의 복수의 기 설정된 파장들을 검출하기 위한 분광기일 수 있다.

Description

손실을 감소시킨 공진기{RESONATOR WITH REDUCED LOSSES}
본 발명은 공진기들에 있어서 손실들을 감소시키는 것에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본 발명은 기판 상의 공진기, 및 상기 기판과 상기 공진기 사이의 저-굴절률 영역을 포함하는 장치에 관한 것이다.
분광기들은 어떤 파장 범위에서 광의 성질을 측정하기 위해 많은 애플리케이션들에서 사용된다. 예를 들어, 분광기는 관심 있는 대상에 대한 흡수 또는 방출 스펙트럼들을 획득함으로써, 성분 분석을 위해 사용될 수 있다. 스펙트럼 내의 피크들(peaks)의 존재 및 위치는 특정 성분 또는 물질의 존재를 나타낼 수 있다. 분광기들은 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 가동부들(moving parts)의 정렬이 조정되는 것이 필요하다. 예를 들어, 전형적인 분광기는 회절 격자 상으로 광을 포커싱하여 입사 빔을 별개의 파장들로 쪼개며, 상기 회절 격자는 특정 각도로 회전하여 특정 파장의 광을 검출기로 유도한다. 최근, 고도로 소형화되고 가동부들을 가지고 있지 않으며, 기초가 확립된 리소그래피 기술을 사용하여 제조될 수 있는 칩-기반의 분광기들이 개발되고 있다.
전형적인 칩 분광기는 칩-온-분광기로 불릴 수 있는데, 도파관 및 상기 도파관에 결합된 복수의 디스크 공진기들이 패터닝된 기판을 포함한다. 상기 도파관은 입력된 광을 상기 디스크 공진기로 가이드한다. 광이 상기 도파관의 일단부로 입사되고, 각각의 공진기는 특정 파장에서 공진 모드를 지지하도록 배열되어 상기 특정 파장의 광만이 상기 공진기에 결합된다. 각 디스크 공진기의 최상부에는 상기 공진기 내에 존재하는 광량에 비례하는 전류를 검출하기 위한 전극이 배치된다. 이에 따라, 각 공진기에서 검출되는 전류는 상기 파장에서 입사 빔에 존재하는 광량을 나타낸다. 각 전극은 또한 상기 분광기를 전류 측정을 위한 외부 장치로 연결시키기 위한 신호 본딩 패드에 연결된다.
본 발명의 과제는 손실을 감소시킨 공진기를 포함하는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 있어서, 전자기적 방사(electromagnetic radiation)를 검출하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 기판, 상기 기판 상에서 상기 전자기적 방사의 기 설정된 파장에서 공진되는 적어도 하나의 공진기, 상기 기판 상에서 상기 적어도 하나의 공진기에 결합되어 상기 전자기적 방사를 상기 적어도 하나의 공진기로 가이드하기 위한 도파관, 및 각각의 상기 공진기 및 상기 기판 사이에서 상기 공진기의 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저 굴절률 영역을 포함한다.
각각의 상기 공진기는 상기 기 설정된 파장의 전자기적 방사가 상기 공진기 둘레에 인접한 영역에서 집중되는 휘스퍼링 화랑 공진 모드를 지지하도록 구성될 수 있고, 각각의 상기 공진기를 위한 상기 저 굴절률 영역은 상기 전자기적 방사가 집중되는 상기 영역의 폭에 대응하는 폭을 가질 수 있다.
상기 저 굴절률 영역은 상기 공진기 및 상기 기판 사이의 에어 갭일 수 있다.
상기 장치는, 상기 기판 상에서 상기 공진기를 지지하고 상기 에어 갭에 측면으로 인접한 지지막을 더 포함할 수 있다.
상기 기판 및 상기 지지막은 인화 인듐(Indium Phosphide)(InP)으로 형성될 수 있다.
상기 장치는, 상기 기판 상에서 상기 기판 및 상기 저 굴절률 영역 사이에 구비되는 식각 저지막을 더 포함할 수 있다.
상기 저 굴절률 영역은 상기 공진기 및 상기 기판 사이의 유전막을 포함할 수 있다.
상기 공진기는 제1 밴드 갭을 갖는 제1 클래딩막, 상기 제1 클래딩막 상에 흡수막, 및 상기 흡수막 상에 배치되고 제2 밴드 갭을 갖는 제2 클래딩막을 포함할 수 있고, 상기 흡수막은 상기 제1 및 제2 밴드 갭들보다 작은 밴드 갭을 갖고, 상기 흡수막의 상기 밴드 갭은 상기 공진기 내부로 결합된 전자기적 방사가 상기 흡수막에 흡수되도록 선택될 수 있고, 상기 저 굴절률 영역은 상기 기판 및 상기 제1 클래딩막 사이에서 상기 제1 클래딩막에 인접하도록 배치될 수 있다.
상기 저 굴절률 영역은 환형 형상일 수 있다.
상기 장치는 전자기적 방사의 복수의 기 설정된 파장들을 검출하기 위한 분광기일 수 있고, 상기 장치는 상기 복수의 기 설정된 파장들 중 다른 파장에서 각각 공진하도록 구성된 복수의 공진기들을 포함할 수 있다.
상기 도파관은 상기 적어도 하나의 공진기에 측면으로 인접하게 배치되고 상기 적어도 하나의 공진기에 측부-결합(side-coupled)될 수 있다.
상기 도파관은 상기 적어도 하나의 공진기에 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판, 상기 기판 상에 공진기, 및 상기 기판 상에서 상기 공진기에 결합되어 전자기적 방사를 상기 공진기로 가이딩하기 위한 도파관을 포함하는 장치에서 상기 공진기와 상기 기판 사이에서 저-굴절률 영역을 사용하여 상기 공진기로부터의 손실들을 감소시키는 방법이 제공된다. 상기 공진기는 전자기적 방사의 기 설정된 파장에서 공진하고 상기 저-굴절률 영역은 상기 공진기의 물질보다 낮은 굴절률을 갖는다.
이하에서 본 발명의 실시예들이 예시적으로 첨부된 도면들 즉, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광기를 나타낸다.
도 2는 도 1의 분광기의 디스크 공진기를 나타낸다.
도 3은 도 2의 디스크 공진기의 단면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 디스크 공진기에서의 손실들과 종래의 디스크 공진에서의 손실들을 비교하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 공진기의 단면도이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분광기의 디스크 공진기가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 분광기(100)는 기판(110), 긴 도파관(120) 및 상기 도파관에 결합된 복수의 디스크 공진기들(130)을 포함하는, 칩-온-분광기(spectrometer-on-a-chip)이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 도파관(120) 및 디스크 공진기들(130)은 기판(110) 상에서 측면으로 인접하고, 도파관(120)은 디스크 공진기들(130) 각각에 측부-결합(side-coupled)된다. 측부-결합(side-coupling)은 수평 결합(horizontal coupling) 또는 측면 결합(lateral coupling)이라 할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 도파관은 상기 디스크 공진기들에 수직-결합(vertically-coupled)되고, 상기 도파관은 상기 기판 상에서 각각의 공진기 상부 또는 하부에 배치된다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 도파관은 상기 공진기들에 연결될 수 있거나 상기 공진기들로부터 이격될 수 있다.
각각의 디스크 공진기(130)에는 상기 디스크 공진기 내의 전류를 센싱하기 위한 전극(140)이 제공되고, 전극(140)은 분광기(100)를 다른 구성요소들에 연결시키기 위한 본딩 패드(150)에 연결된다. 디스크 공진기들(130) 중 하나가 도 2의 평면도에서 도시되어 있고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 라인을 따라 절단된 단면도를 나타낸다. 도면들은 도시적이고, 예시적인 목적만을 위해 제공된다. 구체적으로, 다른 막들 및 구성요소들이 존재하지만, 명확화를 위하여 도 2 및 도 3에서는 생략되어 있다. 예를 들면, 금속화된 추가적인 막들이 전기적 콘택들로서 상기 디스크 공진기이 상부 및 하부에 증착되어, 상기 공진기 내로 현재 결합된 광 에너지의 양을 나타내는 상기 디스크 공진기에서 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
종래의 칩-기반의 분광기와 같이, 본 실시예에 있어서 긴 도파관(120)은 디스크 공진기(130)에 결합되어 입력 광을 디스크 공진기(130)로 가이드한다. 디스크 공진기(130)는 특정의 기 설정된 파장의 광에서 공진 모드를 지지하도록 구성되어, 기 설정된 파장의 광만이 도파관(120)으로부터 디스크 공진기(130) 내로 결합된다. 그러나, 상기 도파관 및 디스크 공진기들이 상기 기판 상에 직접 증착되어 있는 종래의 분광기와는 달리, 본 실시예에 있어서 저-굴절률 영역(260)이 디스크 공진기(130) 및 기판(110) 사이에 배치된다.
더욱 상세하게는, 도 1에 도시된 바와 같은 칩-기반 분광기에 있어서, 상기 도파관은 상기 공진기들과 일체로 형성될 수 있다. 상기 기판 상에서 상기 공진기들과 동일한 공정 단계 및 적당한 반도체 물질과 같은 동일한 물질로 형성될 수 있다. 상기 기판은 또한 적당한 반도체 물질로부터 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판은 n형 불순물이 도핑된 인화 인듐(Indium Phosphide)(InP)으로 형성될 수 있다. 상기 도파관 및 상기 공진기들은 상기 기판의 상부면 상에서 하나 또는 그 이상의 막들로 제공될 수 있다. 상기 도파관 및 상기 공진기들을 형성하는 하나 또는 그 이상의 막들 상에는 캐핑막이 형성되어, 상기 공진기들 및 도파관의 상부면으로부터 빠져나가는 광에 의해 유발되는 손실들을 감소시킨다. 또한, 상기 캐핑막의 상부면 상에는 금속화를 위한 분리막이 제공될 수 있다. 여기서, 하나의 막이 또 다른 막의 상부면 상에 증착되는 것을 나타낼 때, 이것은 다른 중간막들(intervening layers)이 존재하는 가능성을 배제하지는 않는다. 구체적으로, 본 실시예에 있어서 식각 저지막이 상기 기판의 상부면 상에 형성되어, 상기 디스크 공진기들의 바닥에서 지지막이 부분적으로 식각되어 상기 저-굴절률 영역을 형성하게 된다. 디스크 공진기의 구조가 도 2 및 도 3에 더욱 상세하게 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 있어서, 상기 디스크 공진기는 지지막(232), 액티브 영역(234), 및 캐핑막(236)을 포함하는 다층막 구조를 갖는다. 상기 기판은 1-3×1018cm-3의 도핑 농도를 갖는 n형 불순물이 도핑된 InP으로 형성될 수 있다. 지지막(232) 역시 4-6×1017cm-3의 도핑 농도를 갖는 n형 불순물이 도핑된 InP으로 형성될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 액티브 영역(234)은 공진기(230)에서 광을 가이드하기 위한 제1 및 제2 클래딩막들(first and second cladding layers), 및 상기 제1 및 제2 클래딩막들 사이의 흡수막을 포함하는 다층막 구조를 갖는다. 상기 제1 및 제2 클래딩막들은 각각 도핑되지 않은 InGaAsP로 형성되고, 0.2485㎛의 두께를 각각 갖는다. 상기 클래딩막들은 광 필드(optical field)가 상기 흡수막 상부에서 최대가 되어, 흡수를 최대화하는 것을 보장한다. 몇몇의 실시예들에 있어서, 상기 흡수막은 양자 우물(quantum well)일 수 있다. 상기 흡수막은 막 두께를 단분자층들 수준으로 낮게 제어할 수 있는 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy) 혹은 화학 기상 증착에 의해 성장될 수 있다. 상기 흡수막은 상기 도파관에서의 상기 광 필드 상에 매우 작거나 전혀 영향을 주지 않을 정도로 충분히 얇을 수 있고, 예를 들면 약 3㎚의 두께를 가질 수 있다. 캐핑막(236)은 약 2×1018cm-3의 도핑 농도를 갖는 p형 불순물이 도핑된 InP로부터 형성된다.
본 발명은 이러한 특정 물질들과 두께들에 한정되지 않으며, 다른 실시예들에 있어서 다른 구조물들이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 몇몇의 애플리케이션들에 있어서, 상기 장치와 다른 온-칩 구성요소들을 집적시킬 필요가 있으며, 이로 인해 상기 기판을 위한 물질들의 선택이 제한될 수 있다. 또한 다른 물질들이 다른 막들을 위해 선택되어, 상기 기판과의 적합성(compatibility), 예를 들면, 상기 기판에 격자-매칭(lattice-matching)을 제공할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 있어서 상기 공진기들 및 도파관은 동일한 막 구조를 갖는다. 그러나, 상기 구조는 상기 공진기들 및 상기 도파관에 걸쳐 균일할 필요가 없음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 흡수막은 상기 공진기들에만 제공될 수 있고, 상기 도파관에는 제공되지 않을 수 있다. 이를 위해, 상기 도파관에서의 상기 흡수막은 선택적으로 식각되고 더 넓은 밴드-갭 합금으로 대체되거나 상기 흡수막은 처음에 상기 디스크 공진기들에만 증착될 수 있다.
상기 액티브 영역(234)에서의 상기 하나 또는 그 이상의 막들은 지지막(232) 및 캐핑막(236)보다 더 높은 굴절률(refractive index)을 가짐으로써, 광은 액티브 영역(234)에서 액티브 영역(234)을 형성하는 상기 막들과 지지막(232) 및 캐핑막(236) 사이의 비굴절률 차이(refractive index contrast)로 인해 가이드된다. 상술한 막 구조는 단지 예시일 뿐이며 하나 또는 그 이상의 막들은 생략되거나 대체될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한 상기 지지막은 몇 개의 실시예들에 있어서 생략될 수 있고, 예를 들면 상기 저-굴절률 영역이 에어 갭(air gap)이 아닌 유전체와 같은 고체 물질로 형성된다면 상기 공진기가 상기 저-굴절률 영역 상에서 지지될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이 경우에 있어서, 상기 광은 상기 액티브 영역의 상기 막들과 상기 캐핑막 및 저-굴절률 영역 사이의 상기 비굴절률 차이에 의해 상기 액티브 영역에서 가이드된다.
일반적으로, 상기 캐핑막 및 지지막은 관심 있는 가장 큰-에너지 광자(the highest-energy photon of interest)보다 큰, 즉, 상기 분광기가 검출할 수 있는 가장 짧은 파장에서의 광자 에너지보다 큰, 밴드 갭들을 가질 수 있다. 이로 인해, 광이 상기 캐핑 및 지지막들에서 흡수되지 않도록 보장된다.
지지막(232) 및 캐핑막(236)에 대조적으로, 액티브 영역(234)에서의 상기 흡수막은 관심 있는 가장 낮은-에너지 광자(the lowest-energy photon of interest)보다 작은, 즉 상기 분광기가 검출할 수 있는 가장 긴 파장에서의 광자 에너지보다 낮은 밴드 갭을 갖는다. 이러한 방식에 있어서, 상기 흡수막의 동일한 성분이 상기 분광기 내의 모든 디스크 공진기들에서 사용될 수 있다. 이로 인해, 공진기(130)에서의 광이 상기 흡수막에 의해 흡수될 수 있게 된다. 구체적으로, 특정 파장의 광이 도파관(120)으로부터 공진기(130)로 입사할 때, 공진기(130)에서 복수 회 순환한다. 그러므로, 디스크 공진기(130)에서의 광 통로 길이는 도파관(120)에서의 광 통로 길이보다 실질적으로 더 길고, 이로 인해 상기 양자-우물 흡수막이 예를 들면, 자신의 얇은 두께로 인해 낮은 흡수 계수를 가질지라도 광이 공진기(130)에서 흡수될 수 있다. 상기 밴드 갭이 상기 가장 낮은-에너지 광자보다도 충분히 낮아서 가전자대로부터 도전대로 전자들을 여기시켜 전자-홀 쌍들을 생성시킬 수 있으므로 상기 광자들은 상기 흡수막 내의 물질에 의해 흡수될 수 있다. 이에 따른 결과적인 전류가 측정되며, 이는 디스크 공진기(130) 내의 광 에너지량에 비례한다. 따라서, 디스크 공진기(130)가 도파관(120)으로 입력된 광 빔의 기 설정된 파장에 존재하는 광 에너지량을 검출하고 측정하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 도 3에 도시된 막 구조에 제한되지 않으며, 다른 실시예들에 있어서 다른 구조들이 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 있어서, 저-굴절률 영역(260)은 환형 형상이고 폭(W)을 가지고, 기판(110) 및 디스크 공진기(130) 사이에 기판(110) 상에 배치된다. 저-굴절률 영역(260)은 기판(110) 및 액티브 영역(234) 사이의 에어 갭(air gap)이고, 액티브 영역(234) 및 캐핑막(236)의 물질들보다 지지막(232)의 물질에 대하여 실질적으로 더 높은 식각율을 갖는 식각액을 사용하여, 지지막(232)을 선택적으로 식각함으로써 형성된다. 본 실시예에 있어서, 식각-저지막(212)은 기판(110) 및 지지막(232) 사이에서, 기판(110)의 상부면 상에 증착된다. 이로 인해, 본 실시예에 있어서 지지막(232) 및 기판(110)은 유사한 물질, 즉, n형 불순물이 도핑된 InP으로 형성되므로, 공기 갭(260)을 형성할 때 기판(110)의 식각이 방지된다. 예시로서, 식각-저지막(212)은 0.18-1.2×1018cm-3의 도핑 농도를 갖는 n형 불순물이 도핑된 InGaAsP으로 형성될 수 있고 상기 지지막은 4-6×1017cm-3의 도핑 농도를 갖는 n형 불순물이 도핑된 InP으로 형성될 수 있다.
또한, 도 3에 있어서 상기 저-굴절률 영역이 에어 갭으로 형성될지라도, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지는 않는다. 다른 실시예들에 있어서, 에어 갭 대신에, 상기 저-굴절률 영역은, 상기 디스크 공진기의 인접한 막, 즉, 상기 저-굴절률 영역에 인접한 막보다 더 낮은 굴절률을 갖는다. 일반적으로, 상기 저-굴절률 영역은 상기 디스크 공진기의 상기 인접한 막의 굴절률보다 더 낮은 굴절률을 가짐으로써 전체 내부 반사(total internal reflection)가 상기 저-굴절률 영역 및 상기 디스크 공진기 사이의 경계에서 일어나야 한다. 이렇게 하여, 상기 저-굴절률 영역은 광이 상기 디스크 공진기의 하부면으로부터 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 저-굴절률 영역이 없는 종래의 배열에 비하여 산란 및 흡수 손실들(scattering and absorption losses)은 감소될 수 있다. 또한, 상기 저-굴절률 영역은 상기 디스크 공진기 및 도파관 모두에서 광학 모드(optical mode)가 수직 방향으로 리프트되도록 하고, 나아가 상기 공진기 및 상기 도파관으로부터 상기 기판 내부로의 누출(leakage)을 감소시키고, 상기 디스크 공진기에서의 벤딩 손실들(bending losses)을 감소시킬 수 있다.
상기 저-굴절률 영역은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 액티브 영역에 인접하게 배치되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 두개의 클래딩막들 사이의 흡수막을 포함하는 액티브 영역이 사용되면, 상기 저-굴절률 영역은 하부 클래딩막에 인접하게 배치되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 광이 상기 액티브 영역으로부터 빠져나가는 것을 방지하여, 상기 광 에너지의 더 큰 부분이 상기 흡수막에 흡수되도록 하고 손실들을 감소시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 디스크 공진기(130)는 기판(110) 상에 배치되고 에어 갭(260)에 측면으로 인접한 지지막(232) 상에서 지지된다. 지지막(232)은 상기 디스크 공진기의 일부일 수 있고, 예를 들면 액티브 영역(234) 하부의 상기 디스크 공진기 물질을 부분적으로 식각한 후에 남아있는 상기 디스크 공진기의 일부일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 배열에 제한되지는 않는다. 예를 들면, 상기 저-굴절률 영역이 에어 갭 대신에 유전막으로 형성된다면, 이러한 유전막은 전체 디스크 공진기 밑에 균일하게 증착될 수 있다. 예를 들면, 상기 유전막은 상기 기판 상부에서 균일하게 증착될 수 있으며, 상기 제조 공정을 단순화하고 식각 단계를 위한 요구를 제거할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 디스크 공진기는 상기 저-굴절률 영역을 포함하는 상기 유전막 상에 지지될 수 있고, 상기 지지막은 요구되지 않는다.
도 3을 다시 참조하면, 상기 분광기에서 각각의 디스크 공진기는 상기 공진기가 검출할 수 있는 기 설정된 파장에서 순수한 휘스퍼링 화랑 모드(whispering-gallery mode)를 지지하도록 선택된 직경을 갖는다. 휘스퍼링 화랑 공진 모드는 공진기 내부로 결합된 광이 상기 디스크 공진기의 둘레 근처의 영역에서 집중되는 모드이다. 구체적으로, 휘스퍼링 화랑 공진 모드에 있어서, 상기 디스크 공진기에서 대부분의 광 에너지는 폭(W1) 영역에서, 즉, 상기 디스크 공진기의 외측 가장자리로부터 거리(W1) 이내에 있는 영역에서 집중된다. 그러므로, 특정 공진기 아래의 저-굴절률 영역(260)은 이러한 공진기의 휘스퍼링 화랑 공진 모드의 폭(W1)보다 크거나 실질적으로 같은 폭(W)을 가질 수 있다.
도 4는 도 2 및 도 3의 디스크 공진기에서의 손실들과 종래의 디스크 공진에서의 손실들을 비교하는 그래프이다. 도 4에 있어서, 상기 수직축은 출력/입력의 비율로서 측정된 강도(intensity)를 나타낸다. 상기 입력 에너지는 상기 도파관으로의 광 에너지 입력이고, 상기 출력 에너지는 상기 도파관의 출력에서 측정된 에너지인 광 에너지이다. 그러므로, 특정 파장에서의 하락(dip)은 상기 파장에서의 광이 상기 디스크 공진기 내부로 결합되고, 흡수되는 것을 보여준다. 즉, 이러한 특정 파장에서의 광이 상기 도파관의 입력 단부로 입력될 때, 광의 실질적인 부분은 상기 도파관의 더 먼 단부에 도달할 수 있기 전에 상기 공진기에 의해 흡수되기 때문에 상기 도파관의 타단부에 도달할 수 없다. 상기 커브에서의 더 낮은 최소값은 더욱 많은 에너지가 상기 공진기에서 흡수되었음을 나타내고, 즉, 그 파장에서 공진의 더 우수한 품질이 달성되었음을 나타낸다. 도 4에 있어서, 실선(401)은 도 2 및 도 3에 도시된 저-굴절률 영역을 포함하는 공진기에서의 파장 대 강도를 나타낸다. 상기 파선은 저-굴절률 영역이 없는 종래의 디스크 공진기에서의 파장 대 강도를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 저-굴절률 영역의 사용은 더 많은 입력 에너지가 상기 액티브 층에 흡수되는 것을 보장함으로써 상기 디스크 공진기에서의 손실들을 감소시킨다.
도 2 및 도 3의 실시예에 있어서, 상기 저-굴절률 영역은 에어 갭으로서 형성된다. 그러나, 다른 실시예들에 있어서, 상기 디스크 공진기와의 경계에서 전체 내부 반사를 유발하는 충분히 작은 굴절률을 갖는 어떠한 물질도 사용될 수 있다. 하나의 또 다른 실시예가 도 5에 도시되어 있고, 기판(510) 상의 도파관(520) 및 디스크 공진기(530)를 설명하고 있고, 디스크 공진기(530)는 액티브막(534) 및 캐핑막(536)을 포함한다. 이러한 구성요소들은 도 3에 도시된 장치의 대응하는 구성요소들과 실질적으로 유사하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5의 실시예는, 도 5의 장치에서, 상기 저-굴절률 영역이 유전막(560)이라는 점에서 도 3의 실시예와 차별된다. 여기서, 유전막(560)은 디스크 공진기9530)의 인접한 막, 본 실시에에 있어서 액티브막(534)보다 더 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 도 5에 있어서, 유전막(560)은 디스크 공진기(530)와 기판(510) 사이의 연속막일지라도, 다른 실시예들에 있어서 상기 유전막은 특정 형상, 예를 들면 도 2에 도시된 바와 같은 환형 형상일 수 있다. 도 3의 식각 저지막은 본 실시예에서는 필요하지 않으므로, 생략된다.
상기에서는 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에서 정의된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들이 다수개의 광 파장들을 검출하기 위한 분광기와 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 이러한 애플리케이션들에 제한되지는 않는다. 본 발명의 실시예들은 어떤 파장의 전자기적 방사(electromagnetic radiation)를 검출하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 저-굴절률 영역은 광학 파장들과는 다른 파장들에서 공진 모드를 지지할 수 있는 어떠한 공진기를 위해 제공될 수 있다. 디스크 공진기는 광학 파장 대신에 마이크로파 파장에서 공진될 수 있도록 구성될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 실시예들은 칩-기반 분광기들에서만 아니라 하나 또는 그 이상의 디스크 공진기들을 포함하는 어떠한 장치에서 사용될 수 있다. 도 2, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같은 저-굴절률 영역은 도파관에 결합된 적어도 하나의 공진기를 포함하는 어떤 타입의 장치에서도 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 다른 실시예들은 광 집적 회로들, 광 센서들, 및 애드-드롭 멀티플렉서들(add-drop multiplexers)과 같은 광 통신을 위한 장치들에서 사용될 수 있다. 상기 공진기들이 반드시 디스크 공진기들일 필요는 없음을 이해할 수 있을 것이다. 상기 공진기들은 구형 공진기들, 마이크로링들 등과 같은 높은 Q 캐비티들을 가질 수 있다.
본 발명에서 설명된 분광기는 분광 광도계(spectrophotometer)로 고려되거나 적어도 일부를 형성할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, "분광기"라는 용어가 사용될 때, 이를 "분광 광도계"로 대체될 수 있다.

Claims (13)

  1. 기판(110; 510);
    상기 기판 상에 구비되며, 전자기적 방사(electromagnetic radiation)의 기 설정된 파장에서 공진되는 적어도 하나의 공진기(130; 530);
    상기 기판 상에 구비되며, 상기 적어도 하나의 공진기에 결합되어 상기 전자기적 방사를 상기 적어도 하나의 공진기로 가이드하기 위한 도파관(120; 520); 및
    각각의 상기 공진기 및 상기 기판 사이에 구비되며, 상기 공진기의 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 저 굴절률 영역(260; 560)을 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 공진기는 상기 기 설정된 파장의 전자기적 방사가 상기 공진기 둘레에 인접한 영역에서 집중되는 휘스퍼링 화랑 공진 모드를 지지하도록 구성되고,
    각각의 상기 공진기를 위한 상기 저 굴절률 영역은 상기 전자기적 방사가 집중되는 상기 영역의 폭에 대응하는 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 저 굴절률 영역은 상기 공진기 및 상기 기판 사이의 에어 갭(260)인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판 상에 구비되며, 상기 공진기를 지지하고 상기 에어 갭에 측면으로 인접한 지지막(232)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 기판 및 상기 지지막은 인화 인듐(Indium Phosphide)(InP)으로 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 상에서, 상기 기판 및 상기 저 굴절률 영역 사이에서 구비되는 식각 저지막(212)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 저 굴절률 영역은 상기 공진기 및 상기 기판 사이의 유전막을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진기는 제1 밴드 갭을 갖는 제1 클래딩막, 상기 제1 클래딩막 상에 흡수막, 및 상기 흡수막 상에 배치되고 제2 밴드 갭을 갖는 제2 클래딩막을 포함하고,
    상기 흡수막은 상기 제1 및 제2 밴드 갭들보다 작은 밴드 갭을 갖고, 상기 흡수막의 상기 밴드 갭은 상기 공진기 내부로 결합된 전자기적 방사가 상기 흡수막에 흡수되도록 선택되고,
    상기 저 굴절률 영역은 상기 기판 및 상기 제1 클래딩막 사이에서 상기 제1 클래딩막에 인접하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저 굴절률 영역은 환형 형상인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 전자기적 방사의 복수의 기 설정된 파장들을 검출하기 위한 분광기이고,
    상기 장치는 상기 복수의 기 설정된 파장들 중 다른 파장에서 각각 공진하도록 구성된 복수의 공진기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관은 상기 적어도 하나의 공진기에 측면으로 인접하게 배치되고 상기 적어도 하나의 공진기에 측부-결합(side-coupled)되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관은 상기 적어도 하나의 공진기에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 기판, 상기 기판 상에 공진기, 및 상기 기판 상에서 상기 공진기에 결합되어 전자기적 방사를 상기 공진기로 가이딩하기 위한 도파관을 포함하는 장치에서 상기 공진기와 상기 기판 사이에서 저-굴절률 영역을 사용하여 상기 공진기로부터의 손실들을 감소시키는 방법이고, 상기 공진기는 상기 전자기적 방사의 기 설정된 파장에서 공진하고 상기 저-굴절률 영역은 상기 공진기의 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020147012932A 2011-10-14 2012-10-09 손실을 감소시킨 공진기 KR102033398B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20110275126 EP2581771A1 (en) 2011-10-14 2011-10-14 Resonator with reduced losses
EP11275126.8 2011-10-14
PCT/EP2012/069957 WO2013053700A1 (en) 2011-10-14 2012-10-09 Resonator with reduced losses

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140108220A true KR20140108220A (ko) 2014-09-05
KR102033398B1 KR102033398B1 (ko) 2019-10-17

Family

ID=46980997

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147012932A KR102033398B1 (ko) 2011-10-14 2012-10-09 손실을 감소시킨 공진기

Country Status (10)

Country Link
US (1) US9335479B2 (ko)
EP (2) EP2581771A1 (ko)
JP (1) JP2014530388A (ko)
KR (1) KR102033398B1 (ko)
CN (1) CN103988104B (ko)
AU (1) AU2012323095B2 (ko)
CA (1) CA2856650C (ko)
MY (1) MY170767A (ko)
SG (1) SG11201401491QA (ko)
WO (1) WO2013053700A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104238009B (zh) * 2014-09-12 2017-07-18 北京大学 利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法及光隔离器
CN106646738B (zh) * 2017-01-16 2019-02-01 电子科技大学 一种光子态与微波量子态转换器
CN109001158B (zh) * 2018-06-22 2020-10-02 东南大学 一种基于双内齿轮环形腔的纳米传感器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003534650A (ja) * 2000-05-20 2003-11-18 キネティック リミテッド 水平アクセス半導体フォトダイオード
US7616850B1 (en) * 2008-04-09 2009-11-10 Sandia Corporation Wavelength-tunable optical ring resonators
WO2010128325A1 (en) * 2009-05-08 2010-11-11 Zinir Ltd Spectrophotometer

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5303319A (en) * 1992-12-28 1994-04-12 Honeywell Inc. Ion-beam deposited multilayer waveguides and resonators
CA2126468C (en) * 1994-06-22 1996-07-02 Raafat R. Mansour Planar multi-resonator bandpass filter
JP3314796B2 (ja) * 1994-08-29 2002-08-12 日本電信電話株式会社 光導波路一体型半導体レーザおよびその製造方法
WO1996011516A1 (en) * 1994-10-05 1996-04-18 Massachusetts Institute Of Technology Resonant microcavities employing one-dimensional periodic dielectric waveguides
US6633696B1 (en) 1998-12-07 2003-10-14 California Institute Of Technology Resonant optical wave power control devices and methods
US7266271B2 (en) * 1999-10-06 2007-09-04 Nomadics, Inc. System, probe and methods for colorimetric testing
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
US20030035120A1 (en) * 2001-08-14 2003-02-20 Myatt Christopher J. Multiple-interferometer device for wavelength measuring and locking
US6771147B2 (en) * 2001-12-17 2004-08-03 Remec, Inc. 1-100 GHz microstrip filter
US7236068B2 (en) * 2002-01-17 2007-06-26 Paratek Microwave, Inc. Electronically tunable combine filter with asymmetric response
US6909824B1 (en) * 2002-03-05 2005-06-21 Avi Messica Mechanically actuated evanescent-wave coupled optical devices
US7444045B2 (en) * 2003-10-14 2008-10-28 3M Innovative Properties Company Hybrid sphere-waveguide resonators
US7242705B2 (en) * 2003-12-17 2007-07-10 Palo Alto Research Center, Incorporated Grating-outcoupled cavity resonator having uni-directional emission
US7532656B2 (en) 2005-02-16 2009-05-12 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York All-silicon raman amplifiers and lasers based on micro ring resonators
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
CN1896786A (zh) * 2005-09-30 2007-01-17 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 波导式可选波长波分复用/解复用器件及其制备方法
GB0803465D0 (en) 2008-02-26 2008-04-02 Billericay Farm Services Ltd Flow control device
JP2009294464A (ja) * 2008-06-05 2009-12-17 Sumitomo Electric Ind Ltd リング共振器
EP2287592B1 (de) * 2009-08-22 2014-11-12 Karlsruher Institut für Technologie Mikrooptisches Bauelement mit einem mikrofluidischen Kanal und Verfahren zu dessen Herstellung
CN101840028A (zh) * 2010-04-07 2010-09-22 中国科学院半导体研究所 基于微环谐振器的集成化可重构光插分复用器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003534650A (ja) * 2000-05-20 2003-11-18 キネティック リミテッド 水平アクセス半導体フォトダイオード
US7616850B1 (en) * 2008-04-09 2009-11-10 Sandia Corporation Wavelength-tunable optical ring resonators
WO2010128325A1 (en) * 2009-05-08 2010-11-11 Zinir Ltd Spectrophotometer

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013053700A1 (en) 2013-04-18
AU2012323095B2 (en) 2015-04-23
CN103988104A (zh) 2014-08-13
AU2012323095A1 (en) 2014-07-03
CA2856650C (en) 2019-09-24
US20150124251A1 (en) 2015-05-07
JP2014530388A (ja) 2014-11-17
KR102033398B1 (ko) 2019-10-17
EP2766756A1 (en) 2014-08-20
CN103988104B (zh) 2017-09-19
US9335479B2 (en) 2016-05-10
EP2581771A1 (en) 2013-04-17
CA2856650A1 (en) 2013-04-18
EP2766756B1 (en) 2018-08-08
MY170767A (en) 2019-08-28
SG11201401491QA (en) 2014-08-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10326036B2 (en) Device with a quantum well layer
KR102033398B1 (ko) 손실을 감소시킨 공진기
KR102032155B1 (ko) 도파관 내에서 후방 반사의 억제
JP2019118116A (ja) 共振器の最適化
AU2012323079B2 (en) A spectrometer

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right