光谱仪制造技术

一种光谱仪，包括衬底以及衬底上的波导，所述波导包括细长部分和用于将电磁辐射引导至细长部分的锥形输入。所述锥形输入具有用于接收电磁辐射的输入端和与细长部分相耦合的输出端，所述输入端的宽度大于输出端的宽度。所述光谱仪还可以包括与波导的细长部分相耦合的多个谐振器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光谱仪
本专利技术涉及光谱仪。更具体地，但非排他地，本专利技术涉及一种包括波导的光谱仪，所述波导包括细长部分和用于将光引导至细长部分的输入。
技术介绍
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。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。图1示出了这种片上光谱仪的示例。芯片光谱仪100包括：衬底110，将波导120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120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130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130。每个盘式谐振器130的顶部是用于检测电流的电极140，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140还与信号接合焊盘150相连，信号接合焊盘150用于将光谱仪100与用于测量电流的外部设备相连接。为了实现向波导220中的最佳耦合，必须将输入波导120的光与波导220的中心紧密对准。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了一种光谱仪，包括：衬底；以及衬底上的波导，所述波导包括细长部分和用于将电磁辐射引导至细长部分的锥形输入，其中所述锥形输入具有用于接收电磁辐射的输入端和与细长部分相耦合的输出端，输入端的宽度大于输出端的宽度。所述输入端的宽度可以大于波导布置接收的电磁辐射的自由空间波长λf。所述输入端的宽度可以在1.5λf和5λf之间，其中λf是自由空间波长。所述锥形输入的长度可以设计为允许光学模式绝热压缩到波导中。所述细长部分的宽度可以与锥形输入的输出端的宽度实质上相同。所述细长部分的宽度可以与形成波导的材料中辐射的波长λw相同。所述细长部分和锥形输入可以由相同材料形成。所述细长部分和锥形输入可以是一体化形成的。波导布置为引导的辐射可以包括多个波长，所述光谱仪还可以包括与波导的细长部分相耦合的多个谐振器，每个谐振器配置为支持在多个波长之一处的谐振模式。附图说明现参考附图的图2到6，示例性地描述了本专利技术的实施例，附图中：图1示出了现有技术的片上光谱仪；图2示出了根据本专利技术实施例的光谱仪，所述光谱仪具有至波导的锥形输入；图3示出了根据本专利技术实施例的至波导的锥形输入；图4示出了向图3的锥形输入偏心输入的光束的时域有限差分(FDTD)仿真；图5是示出了将光耦合到具有3μm宽输入的锥形波导的图；以及图6是示出了将光耦合到具有5μm宽输入的锥形波导的图。具体实施方式现参考图2，根据本专利技术实施例，示出了具有至波导的锥形输入的光谱仪。如图2所示，光谱仪200是片上光谱仪，包括衬底210、细长波导220以及与波导相耦合的多个盘式谐振器230。波导可以是脊形波导。每个盘式谐振器230设置有用于感测所述盘式谐振器中的电流的电极240，电极240与接合焊盘250相连，接合焊盘250用于将光谱仪200连接到其它组件。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，然而为了清楚起见，图2省略了所述其它层和组件。例如，在波导220和/或盘式谐振器230中可以存在附加层。类似于图1传统的基于芯片的光谱仪，在本实施例中，细长波导220与盘式谐振器230相耦合以便将输入光引导至盘式谐振器230。每个盘式谐振器230配置为支持在光的特定预定波长处的谐振模式，使得从波导220仅将该预定波长的光耦合进入盘式谐振器230。然而，不同于细长波导沿其长度具有均匀宽度的传统光谱仪，在本实施例中，所述波导包括与细长部分相耦合的锥形输入。锥形输入可以确保即使当输入光束并未与波导的中心线完美对准时，大部分输入能量仍可以耦合进入细长部分并定向至盘式谐振器。因此，通过放宽将基于芯片的光谱仪与输入光束源进行精确对准的要求，使用锥形输入可以允许降低制造容限。图3更详细的描述了类似于如图2所示的具有锥形输入的波导。在图2和3中，为了清楚起见，夸大了锥形的程度，即，图3中的水平比例和垂直比例并不相同。如图3所示，波导320包括锥形输入320-1和细长部分320-2。细长部分320-2的宽度可以与图1中传统光谱仪的细长波导的宽度实质上类似。细长部分的宽度可以设计为支持单一谐振模。例如，细长部分320-2的宽度可以类似于或略大于在波导320中输入光束的一个波长λw。然而，应认识到其它宽度也是有可能的。此外，如图3所示，锥形输入具有宽度为T1的输入端以及宽度为T2的输出端。输出端与细长部分320-2相耦合，使得将输入至锥形输入320-1的光向细长部分320-2引导并耦合到细长部分320-2中。宽度T1实质上大于输出端的宽度T2。在一些实施例中，宽度T1还大于由波导接收的辐射的自由空间波长λf。例如，当设备是如图2所示的光谱仪时，输入光束可以包括多个波长。在这种情况下，例如，波长λf和λw可以分别是输入光束在自由空间内和在波导材料内的感兴趣波长范围的平均波长。可以结合锥形输入的宽度来设计锥形输入320-1的长度，以便确保谐振模式绝热压缩。在本实施例中，锥形输入320-1的输出端直接与细长部分320-2相连，以便将光耦合进入细长部分320-2。具体地，在本实施例中，锥形输入320-1和细长部分320-2一体化地形成为单个组件，并且由相同材料(具体地，InP及其合金)形成。然而，在其它实施例中，其它布置是有可能的，例如，锥形输入320-1和细长部分320-2可以由小空气间隙分隔，和/或可以由不同材料形成。还可以将波导120与谐振器130一体化地形成。波导可以在与谐振器的相同处理步骤中形成在衬底110上，并且可以由例如适合半导体材料的相同材料形成。可以由任何适合类型的半导体制造所述衬底。例如，衬底可以由掺杂浓度大约为1-3x1018cm-3的n掺杂InP来形成。在衬底的顶部可以设置刻蚀停止层，防止刻蚀衬底，在刻蚀停止层的顶部可以设置支撑层。例如，可以由掺杂浓度为0.18-1.2x1018cm-3的n掺杂InGaAsP来形成刻蚀停止层，可以由掺杂浓度为4-6x1017cm-3的n掺杂InP来形成支撑层。接着，可以将波导和谐振器提供为支撑层顶部的一个或多个层。可以由未掺杂的InGaAsP形成所述层。可以在形成波导和谐振器的一个或多个层的顶部形成覆盖层。可以由掺杂浓度为2x1018cm-3的p掺杂InP来形成所述覆盖层。还可以在覆盖层的顶部设置用于金属化的隔离层。提供波导和谐振器的一个或多个层可以具有比支撑层和覆盖层更高的折射率，根据形成波导的层与支撑层和覆盖层之间的折射率对比形成波导。应理解，上述层结构仅是示例，可以移除或替换一个或多个层。例如，该结构可以不包括支撑层，在这种情况下，根据将波导层与覆盖层和衬底之间的折射率对比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光谱仪(200)，包括：衬底(210)；以及衬底上的波导(220，320)，所述波导包括细长部分(320‑2)和用于将电磁辐射引导至所述细长部分的锥形输入(320‑1)，其中所述锥形输入具有用于接收电磁辐射的输入端和与细长部分相耦合的输出端，所述输入端的宽度大于输出端的宽度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.14 EP 11275127.61.一种光谱仪(200)，包括：衬底(210)；以及衬底上的波导(220,320)，所述波导包括细长部分(320-2)和用于将电磁辐射引导至所述细长部分的锥形输入(320-1)，其中所述锥形输入具有用于接收电磁辐射的输入端和与细长部分相耦合的输出端，所述输入端的宽度大于输出端的宽度，以及其中所述输入端的宽度在1.5λf和5λf之间，其中λf是所述波导被配置用于接收的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·斯韦内，张亚平，
申请(专利权)人：阿斯特里姆有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB