技术领域
[0001] 本
发明涉及用于引导和吸收电磁
辐射的设备。具体地，本发明涉及一种包括量子阱层的结构。
背景技术
[0002]
光谱仪用于多种应用，以便测量
波长范围内光的特性。例如，通过获得感兴趣对象的吸收或发射谱，可以将光谱仪用于成份分析。光谱内峰值的存在和
位置可以指示特定元素或化合物的存在。通常将光谱仪用于光波长下的分析，也可以将光谱仪用在例如
微波和
无线电波长等其它波长下。
[0003] 通常光谱仪是相对复杂和昂贵的设备，需要以高
精度控制多个移动部件的对准。例如，典型光谱仪可以将光聚焦到衍射光栅以便将入射波束分为分离波长，可以将衍射光栅旋转到特定
角度以便将特定波长的光定向至检测器。近年来，已经开发了基于芯片的光谱仪，所述基于芯片的光谱仪高度小型化，没有移动部件，并且可以使用发展成熟的
光刻技术来进行制作。
[0004] 典型的芯片光谱也也可以称作片上光谱仪，芯片光谱仪包括：衬底，将
波导以及与所述波导相耦合的多个盘式
谐振器图案化到衬底上。波导将输入光引导至盘式谐振器。将光输入到波导的一端，将每个谐振器排列为支持特定波长处的谐振模式，使得仅该波长的光耦合进入谐振器。每个盘式谐振器的顶部是用于检测
电流的
电极，所述电流与谐振器中存在的光量成比例。因此，在每个谐振器中检测到的电流指示了输入光束中存在的该波长的光量。每个电极还与
信号接合焊盘相连，信号接合焊盘用于将光谱仪与用于测量电流的外部设备相连。为了确保输入到波导的光被盘式谐振器而不是由波导吸收，盘式谐振器和波导必须构造为具有不同特性，例如，通过确保波导内的
半导体带隙高于盘式谐振器内的带隙。由于需要额外的
外延再生长和工艺步骤的事实，对不同带隙的需要增加了制造复杂程度。
发明内容
[0005] 根据本发明，提供了一种用于引导和吸收
电磁辐射的设备，所述设备包括：吸收装置，用于吸收电磁辐射；波导，与吸收装置相耦合，用于将电磁辐射引导至吸收装置，其中所述波导和吸收装置由包括第一覆层、第一覆层上的第二覆层以及第一和第二覆层之间的量子阱层的结构形成，所述量子阱层由具有与第一和第二覆层不同成份的材料形成，其中量子阱层的厚度和成份被优化为：提供波导中对电磁辐射的可接受吸收等级，同时提供适合带隙以便在吸收装置中吸收电磁辐射。
[0006] 吸收装置可以是任意吸收结构、层或组件。例如，吸收装置可以构成用于检测辐射的检测器的一部分。
[0007] 吸收装置可以包括至少一个谐振器，每一个谐振器在电磁辐射的预定波长处进行谐振。所述设备可以包括衬底，可以将谐振器和波导设置在所述衬底上。理想情况下，为了缩小化损耗，需要在波导内避免吸收层。然而，很难在吸收装置和波导中用不同成份的材料制造设备。根据本发明，将量子阱吸收层设置在吸收装置和波导二者内。当吸收装置包括谐振器时，将量子阱设置在每个谐振器和波导内。通过使用量子阱层，可以控制波导和谐振器内的吸收程度，并且提供了对吸收层带隙的更好控制。
[0008] 波导内的可接受吸收等级可以是在量子阱层厚度和成份的预定范围内可获得的最小吸收等级，使得量子阱的厚度和成份被优化为最小化波导内的吸收。
[0009] 量子阱层的厚度可以实质上小于波导的厚度。
[0010] 量子阱的厚度和成份可以配置为：提供所需量子阱基态跃迁
能量，同时最大化谐振器的谐振品质因数(Q)并保持有源层中的应
力低于最大适合值。最大适合值可以是1.5％。
[0011] 所述设备可以是光谱仪。量子阱层可以由具有小于或等于预定能量的带隙的材料形成，预定能量与配置所述光谱仪以检测的电磁辐射的最大波长λmax相对应。所述谐振器可以是盘式谐振器。
[0012] 谐振器可以具有与波长间隔Δλ相对应的最小
自由光谱范围FSR值，量子阱层可以配置为具有提供基态跃迁能量的成份和厚度，所述基态跃迁能量与在波长λmax+Δλ处的辐射能量相对应。
[0013] 根据本发明，还提供了一种优化用于引导和吸收电磁辐射的设备的量子阱层的层厚度和成份的方法，所述设备包括：吸收装置，用于吸收电磁辐射；以及波导，与吸收装置相耦合，用于将电磁辐射引导至吸收装置，其中所述波导和吸收装置由包括第一覆层、第一覆层上的第二覆层以及第一和第二覆层之间的量子阱层的结构形成，所述量子阱层由具有与第一和第二覆层不同成份的材料形成，所述方法包括：针对量子阱确定适合的量子阱基态跃迁能量，以便在吸收装置中吸收电磁辐射；以及确定量子阱的厚度和成份，所述厚度和成份配置为提供所需的基态跃迁能量并提供波导内的可接受吸收等级。
[0014] 吸收装置和波导可以设置在设备的衬底上。此外，吸收装置可以包括至少一个谐振器，每个谐振器在辐射的预定波长处进行谐振。确定量子阱的厚度和成份可以包括确定配置为提供所需的基态跃迁能量同时最大化谐振器的谐振品质因数(Q)并保持有源层中的
应力低于预定可接受限制的厚度和成份。
[0015] 确定量子阱的厚度和成份可以包括：从厚度和成份的预定范围选择量子阱层的初始厚度和成份；基于所述初始厚度和成份，确定所述至少一个谐振器中的弯曲损耗；基于所述弯曲损耗，获得所述谐振器的品质Q因数值；确定所获得的Q因数值是否是在厚度和成份预定范围内的最大可用Q因数值；基于所选厚度和成份，获得量子阱层中的应力值；确定所获得的应力值是否在预定可接受限制以下；以及如果确定所述Q因素值是最大可用值，并且如果所获得的应力在预定可接受限制以下，则将所选厚度和成份用作量子阱的最终厚度和成份。
[0016] 所述方法还可以包括：如果确定初始成份和厚度的Q值不是最大值或如果所获得的应力不在预定可接受限制以下，则调整初始厚度和成份以便获得新厚度和成份，并针对新厚度和成份重复以下步骤：获得弯曲损耗，确定Q因数值，确定所获得的值是否是最大值，获得应力值并确定所获得的应力值是否在预定可接受限制以下。应力的预定可接受限制可以是1.5％。
[0017] 可以基于量子阱层带隙的目标值来选择初始成份和厚度。所述至少一个谐振器可以具有最小自由光谱范围FSR值，所述方法还可以包括：获得比多个谐振器的最小FSR值小的波长差值；以及通过获得与跟所述波长差值和预定波长之和相等的波长处的辐射能量相对应的值，来获得带隙的目标值。
附图说明
[0018] 现参考附图示例性地描述了本发明的
实施例，附图中：
[0019] 图1示出了根据本发明实施例的光谱仪；
[0020] 图2示出了图1的光谱仪中的盘式谐振器和波导；
[0021] 图3示出了经过图2的盘式光谱仪和波导的截面；
[0022] 图4示出了图2的盘式谐振器中量子阱有源层的具体结构；
[0023] 图5是示出了根据本发明实施例的有源层厚度如何影响图2的盘式谐振器中的损耗的图；以及
[0024] 图6是示出了根据本发明实施例的选择量子阱有源层的适合成份和层厚度的过程的
流程图。
具体实施方式
[0025] 现参考图1，示出了根据本发明实施例的片上光谱仪。所述光谱仪100包括：衬底110、细长波导120以及与波导120相耦合的多个盘式谐振器130。波导120可以是脊形波导。每个盘式谐振器130具有用于感测所述盘式谐振器中的电流的电极140，电极140与接合焊盘150相连，接合焊盘150用于将光谱仪100连接到其它组件。图2在平面图中示出了盘式谐振器130之一，图3示出了沿图2线III-III的截面。图4详细示出了图3所示有源层的结构。附图是示意性的，仅用于说明的目的。具体地，可以存在其它层和组件，然而为了清楚省略了所述其它层和组件。例如，还可以将
金属化的附加层作为电学触点沉积在盘式谐振器的上方和下方，以测量在盘式谐振器中流动的电流，所述电流表示当前耦合到谐振器中的光能的量。
[0026] 类似于传统的基于芯片的光谱仪，在本实施例中，细长波导120与盘式谐振器130相耦合以便将输入光引导至盘式谐振器130。盘式谐振器130配置为支持光线的特定预定波长处的谐振模式，使得从波导120仅将该预定波长的光耦合进入盘式谐振器130。
[0027] 本实施例中，盘式谐振器和波导具有多层结构，多层结构包括
支撑层232、有源层叠234和
覆盖层236。将有源层叠234布置为可以位于波导120和盘式谐振器130二者中，以提供适合带隙用于在盘式谐振器中吸收辐射，同时仍允许在波导中以低损耗引导光。衬18 -3
底可以由掺杂浓度大约为1-3×10 cm 的n掺杂InP来形成。支持层232也可以由n掺杂
17 -3
InP来形成，掺杂浓度为4-6×10 cm 。有源层叠234可以由未掺杂的InGaAsP来形成。覆
18 -3
盖层236可以由掺杂浓度为2×10 cm 的p掺杂InP来形成。然而，本发明不限于这些材料，在其它实施例中可以使用其它材料。
[0028] 图4更详细地示出了有源层叠234，有源层叠234包括上覆层234-1和下覆层234-2，在本实施例中，上覆层234-1和下覆层234-2均为0.2485μm厚并由未掺杂InGaAsP形成。在上下覆层234-1、234-2之间沉积3nm厚的量子阱有源层234-3。量子阱具有比覆层的带隙小的带隙。量子阱层还可以由未掺杂InGaAsP来形成，但是具有不同成份，以便提供比覆层的带隙小的带隙。覆层234-1、234-2二者可以由相同材料或不同材料形成，布置为相较于支撑层232和覆盖层236，具有高折射系数对比，使得由覆层234-1、234-2和支撑层以及覆盖层之间的界面形成所述波导。由于引导光通过覆层243-1、234-2并且量子阱243-3夹在覆层之间，因此光还行进通过量子阱。也就是说，在本实施例中，覆层234-1、
234-2确保在盘式谐振器130和波导120二者中，输入光波与量子阱有源层234-3强重叠。
将量子阱置于覆层中心确保了最大化与量子阱的重叠。量子阱本身充分薄，以至于对波导
120内的光场具有极小影响或没有影响。量子阱有源层234-3的厚度实质上小于波导120的厚度，波导120内的模式损耗被最小化。此外，量子阱有源层234-3的厚度减小会将
电子态
密度从三维降低到二维，从而减小吸收系数。这样降低了波导120中量子阱有源层234-3对光能的吸收，从而当形成波导120和盘式谐振器130时，允许均匀沉积量子阱有源层234-3。
同时，一旦将光耦合到盘式谐振器130，由于光围绕量子阱内的谐振器行进多个来回，其中向盘式谐振器130外仅有较弱耦合，所以即便是相较于较厚的层而言量子阱中的吸收系数减小，光最终还是被量子阱有源层234-3吸收。波导确保了光场在量子阱上最大，这有助于增加吸收。
[0029] 应认识到，可以将有源叠层设计为仅量子阱吸收辐射，而覆层不吸收辐射。通常，覆盖层236、支撑层232和覆层可以具有大于感兴趣的最高能量
光子的带隙，即，大于配置光谱仪以检测的最短波长处的光子的能量。相反，量子阱有源层234-3可以具有小于感兴趣的最低能量光子的带隙，即，低于配置光谱仪以检测的最大波长的光子的能量。这样，可以通过量子阱有源层234-3吸收每个谐振器130中的光。此外，量子阱有源层234-3的相同成份可以用在光谱仪的所有盘式谐振器中，从而简化了制造工艺。具体地，当预定波长的光从波导120进入谐振器130时，光子可以被量子阱有源层234-3的材料吸收，原因在于，带隙足够低，以至于甚至最低能量的光子将电子从
价带激励到导带中，从而产生电子空穴对。可以测量得到的电流，该电流与盘式谐振器130内光能的量成比例。因此，可以将盘式谐振器130中量子阱有源层234-3用于检测和测量在向波导120输入的光束中在预定波长处存在的光能的量。
[0030] 由于可以优化有源叠层以在波导中以低损耗引导光而仍在谐振器中吸收光，可以在单个外延步骤中形成所述波导120和盘式谐振器130。波导和盘式谐振器的有源叠层可以集成形成为单个结构。相反，在传统片上光谱仪中，必须选择性地
刻蚀波导内的吸收层，并将其替换为较宽带隙
合金，或必须首先将吸收层仅沉积盘式谐振器130中。由于可以将量子阱有源层234-3沉积并保留在波导和盘式谐振器二者内，本发明的实施例可以提供简化的制造工艺。
[0031] 应认识到，本发明不限于如图3和4所示的层结构，在其它实施例中，可以使用其它结构。所述结构可以包括附加层或更少层。所述层厚度和材料仅是示例性的，在其它实施例中可以使用其它厚度和材料。
[0032] 现参考图5，附图示出了量子阱有源层234-3的厚度变化对波导内损耗的影响。在如图5所示曲线的三个实施例中，使用1000μm的波导长度，光谱仪配置为接收中心波长(即，平均波长)为1.6μm的输入光。图5中，相对于向波导输入的光的波长绘制强度。这里，将强度测量为波导内特定波长处的输出能量与输入能量的比值。较高强度指示输入能量的较大部分仍存在于波导端部处，即，没有被波导内量子阱有源层吸收。1nm和14nm周围的强度凹陷对应于在中心波长以上1nm和14nm的波长的光耦合到盘式谐振器。
[0033] 在第一实施例中，如图5实线501所示，量子阱有源层厚度为3nm。在第二实施例中，如图5虚线502所示，量子阱有源层厚度为4nm。在第三实施例中，如图5点线503所示，量子阱有源层厚度为5nm。通常，如图5所示，量子阱有源层越薄，波导内的损耗越少。也就是说，对于任意给定波长的光和任意给定材料的有源层，量子阱有源层越薄，波导内的损耗越小。因此，优选地，将量子阱有源层形成为具有对于以均匀方式制造而言实际可行的最小厚度。
[0034] 现参考图6，示出了针对已知最大感兴趣波长λmax(即，要检测的最大波长)优化量子阱有源层的层厚度和成份的过程。厚度和成份可以被选择为提供适合的带隙，以最大化盘式谐振器的谐振品质(Q)因数，并在量子阱层中提供小于1.5％的固定应力。
[0035] 首先，在步骤S601，确定波长偏移Δλ。每个盘式谐振器支持不同阶次的谐振模式，将这些模式之间的波长分隔称作自由光谱范围(FSR)值。将波长偏移Δλ选择为小于多个盘式谐振器的最小自由光谱范围。
[0036] 接下来，在步骤S602，针对量子阱有源层选择起始厚度和成份，以便提供初始所需带隙。选择起始厚度和成份以便提供hc/(λmax+Δλ)的量子阱基态跃迁能量，其中h是普朗克常数，c是
真空中的光速。也就是说，带隙的初始目标值对应于与波长差值Δλ和预定波长λmax之和相等的波长处的辐射能量。改变阱的深度直到量子阱基态能量与所选的值匹配。然而，在其它实施例中，可以使用其它方法来确定初始厚度和成份。例如，
数据库可以存储适合多个预定λ和Δλ值的近似厚度和成份，可以基于与本实施例所需真实值最接近的可用λmax和Δλ值的值，来选择起始厚度和成份。
[0037] 接下来，在步骤S603，基于针对量子阱有源层选择的起始厚度和成份，确定盘式谐振器的弯曲损耗。谐振器的弯曲损耗还取决于谐振器的尺寸。接着，在步骤S604，确定盘式谐振器的谐振Q因数。Q因数取决于步骤S603处获得的弯曲损耗，但是也取决于波导内的吸收等级。在步骤S605，确定Q因数是否被最大化，或是否有更高的Q。当最大化盘式谐振器中的吸收并最小化波导内的吸收时，Q因数被最大化。将量子阱设计为较薄，以便降低脊状波导内的重叠，从而最小化波导内的吸收。如果没有最大化Q因数，则过程返回到步骤S602，选择不同厚度和/或成份。在参数空间中Q因数只有一个最大值，可以通过
迭代过程发现该最大值。例如，每次迭代中相对于起始值将厚度和/或成份改变预定的量。
[0038] 如果在步骤S605确定针对当前所选厚度和成份最大化了Q因数，则在步骤S606，确定量子阱有源层中的应力是否在可接受限制内。例如，如果应力小于1.5％，则该应力是可接受的，尽管在其它实施例中可以使用其它限制。1.5％的示例适于上述材料，应理解最大可接受应力值根据所用材料而改变。应力可以取决于量子阱有源层材料和衬底材料之间的平面内晶格失配。应理解，覆层与衬底是
晶格匹配的。如果应力是不可接受的，则该过程返回到步骤S603，并选择不同厚度和/或成份。然而，如果应力是可接受的，则完成该过程，当制造光谱仪时可以使用当前所选厚度和成份。
[0039] 应理解，尽管描述了图6过程步骤的特定顺序，然而可以改变该顺序。通常，优化量子阱成份和厚度的过程包括：改变量子阱的成份和层厚度，以便提供相同所选基态能量，同时最大化Q值并将应力保持为低于最大适合值。将基态能量选择为接近感兴趣最大波长的能量。
[0040] 此外，应认识到，图6过程中所分析的至少一部分参数取决于谐振器的特性。例如，FSR和弯曲损耗取决于谐振器的尺寸和阶次。在一些实施例中，如果可以改变谐振器的尺寸，则可以针对给定厚度和成份的量子阱，优化每个谐振器的半径。改变盘式谐振器的半径可以影响弯曲损耗和FSR，因此，在优化每个盘式谐振器的半径之后，可以针对新更新的谐振器尺寸重复图6的方法以便确定是否进一步调整量子阱的厚度和成份。这可以是迭代过程，涉及重复地优化盘的半径和顺序、优化吸收层成份和厚度、针对新吸收层调整盘的半径和顺序等。可以重复该过程直到实现预定标准，例如，直到实现了可接受损耗，或直到将该过程重复特定次数。在一些实施例中，每个优化过程可以仅实施一次，或可以根本不实施吸收层优化。
[0041] 这里，波导内的可接受损耗可以是在给定限制中(例如，厚度和成份的可用范围、最大适合应力和最大化Q值)可获得的最小损耗。备选地，可接受损耗可以不必是最小可实现损耗，而可以是预定最大可接受限制之下的任意损耗。例如，当识别到提供小于最低可接受限制的损耗的厚度和成份时，可以停止该过程，而无论是否存在提供甚至更小损耗的其它厚度和/或成份，在给定限制内无法获得预定可接受限制的情况下，可以在厚度和成份的预定范围内选择给予最小损耗的厚度和成份。
[0042] 尽管以上描述了本发明的特定实施例，然而技术人员应认识到在不脱离由所附
权利要求限定的本发明范围的前提下，有可能进行多种改变和
修改。
[0043] 例如，应认识到可以将描述本发明时参考的光谱仪看做是分光光度计或其一部分。因此，所用的术语“光谱仪”可以用术语“分光光度计”来代替。
[0044] 此外，尽管将光谱仪描述为接收并引导光，然而光谱仪可以用于引导和检测任何波长的电磁辐射。此外，尽管将光谱仪描述为包括盘式谐振器，然而所述波导可以用于将光引导至不同类型的谐振器。例如，谐振器可以是任何高Q腔体，例如，球形谐振器、微环等。
[0045] 此外，尽管相对片上光谱仪描述了本发明的特定实施例，然而量子阱有源层还可以用于其它设备中，以便最小化导光部分中的损耗，同时允许在该结构的吸收部分中吸收辐射。例如，在其它实施例中，量子阱有源层可以包括在多种设备中，例如，光子集成
电路、光学
传感器和系统以及例如
分插复用器的光学通信设备。波导可以将辐射引导至设有吸收装置的任意类型检测器，所述设备不必包括谐振器。通常，如以上参考图4所述，吸收装置布置为检测电磁辐射的预定波长，量子阱厚度和成份应提供适合带隙以便确保可以在吸收装置中检测和吸收预定波长的电磁辐射。这里，适合带隙是小于或等于在预定波长处光子的能量的任意带隙。
