JP6201218B2 - スペクトロメータ - Google Patents

Description

本発明は、スペクトロメータに関する。より詳しくは、本発明は、伸張部と伸張部に光を導くための入力部とを備える導波路を含むスペクトロメータに関するが、これに限定されるものではない。

ある波長の範囲にわたって光の特性を測定するための多くの用途において、スペクトロメータが用いられる。たとえば、スペクトロメータは、対象となるものについて吸収スペクトルまたは発光スペクトルを得ることによって、組成分析のために用いることができる。スペクトルの中のピークの存在および位置は、特定の元素または化合物の存在を示すことができる。スペクトロメータは普通、光学波長における分析のために用いられるが、他の波長、たとえばマイクロ波およびラジオ波長においても用いることができる。

通常、スペクトロメータは、複数の可動部品の位置合わせが高い精度で制御されることを必要とする比較的複雑かつ高価なデバイスである。たとえば、通常のスペクトロメータは、光を回折格子に集束させて入射ビームを個別の波長に分けてよく、回折格子は、特定の角度に回転させられて特定の波長の光を検出器の方へ誘導してよい。近年、高度に小型化することができ、可動部品をもたず、十分に確立されたリソグラフィ技法を用いて製造することができる、チップベースのスペクトロメータが開発されている。そのようなスペクトロメータ・オン・チップの例が図１に示される。

チップスペクトロメータ１００は、基板１１０を含み、基板１１０の上には、導波路１２０と導波路に結合された複数のディスク共振器とがパターン形成される。導波路１２０は、入力光をディスク共振器に導く。導波路の一端に光が入力され、各共振器１３０は、特定の波長における共振モードを維持するように構成され、これによってその波長の光だけが共振器１３０に結合される。各ディスク共振器１３０の表面の上には、その共振器の中に存在する光の量に比例する電流を検出するための電極１４０がある。したがって、各共振器において検出された電流は、光の入力ビームの中に存在したその波長の光の量を示す。各電極１４０は、電流を測定するための外部デバイスにスペクトロメータ１００を接続するための信号ボンドパッド１５０にさらに接続される。導波路１２０に入力される光は、導波路２２０の中への最適な結合を実現するために、導波路２２０の中心と厳密に一直線でなければならない。

本発明によれば、基板と基板上の導波路とを含むスペクトロメータであって、導波路は、伸張部と電磁放射を伸張部に導くためのテーパ型入力部とを含み、テーパ型入力部は、電磁放射を受け取るための入力端と伸張部に結合された出力端とを有し、入力端の幅は出力端の幅より大きい、スペクトロメータが提供される。

入力端の幅は、導波路が受け取るように構成されている電磁放射の自由空間波長λ_ｆより大きくてよい。

入力端の幅は、１．５λ_ｆから５λ_ｆの間であってよい。ここでλ_ｆは自由空間波長である。

テーパ型入力部は、光モードが断熱的に圧縮されて導波路に入ることを可能にするように設計された長さを有してよい。

伸張部は、テーパ型入力部の出力端の幅と実質的に同じ幅を有してよい。

伸張部の幅は、導波路が形成される材料の中の放射の波長λ_ｗと実質的に同じであってよい。

伸張部とテーパ型入力部とは、同じ材料から形成されてよい。

伸張部とテーパ型入力部とは、一体として形成されてよい。

導波路が導くように構成されている放射は、複数の波長を含んでよく、スペクトロメータは、導波路の伸張部に結合された複数の共振器をさらに含んでよく、各共振器は、複数の波長の１つにおける共振モードを維持するように構成される。

次に、例でしかないが、添付の図面の図２から６を参照して、本発明の実施形態が記載される。

従来技術のスペクトロメータ・オン・チップを例示する。 本発明の実施形態による導波路へのテーパ型入力部を有するスペクトロメータを例示する。 本発明の実施形態による導波路へのテーパ型入力部を例示する。 図３のテーパ型入力部に中心から外れて入力された光線の有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションを例示する。 ３μｍ幅の入力部を有するテーパ型導波路の中への光の結合を示すグラフである。 ５μｍ幅の入力部を有するテーパ型導波路の中への光の結合を示すグラフである。

次に、図２を参照すると、本発明の実施形態による導波路へのテーパ型入力部を有するスペクトロメータが例示される。図２に示されるように、スペクトロメータ２００は、スペクトロメータ・オン・チップであり、基板２１０、伸張導波路２２０および導波路に結合された複数のディスク共振器２３０を含む。導波路は、リッジ導波路であってよい。各ディスク共振器２３０は、ディスク共振器の中の電流を検出するための電極２４０を備え、電極２４０は、スペクトロメータ２００を他のコンポーネントに接続するためのボンドパッド２５０に接続される。図面は略図であり、例示のためにだけ提供される。詳しくは、図２においては分りやすくするために省かれるが、他の層およびコンポーネントが存在してよい。例えば、導波路２２０および／またはディスク共振器２３０の中に追加の層が存在してよい。

図１の従来のチップベースのスペクトロメータと同じく、本実施形態においては、伸張導波路２２０は、ディスク共振器２３０に結合されて入力光をディスク共振器２３０に導く。各ディスク共振器２３０は、特定の事前に定められた光の波長における共振モードを維持するように構成され、これによって、事前に定められた波長の光だけが導波路２２０からディスク共振器２３０に結合される。しかし、伸張導波路がその長さに沿って均一な幅を有する従来のスペクトロメータとは異なり、本実施形態においては、導波路は、伸張部に結合されたテーパ型入力部を備える。テーパ型入力部は、入力光線が導波路の中心線と完璧に一直線でなくても、依然として入力エネルギーの十分な割合が伸張部に結合され、ディスク共振器に誘導され得ることを確実にすることができる。したがって、テーパ型入力部の使用は、チップベースのスペクトロメータが入力光線の光源と正確に一直線である要件を緩めることによって、製作公差を低くすることを可能にする。

図２に示されたものと同様なテーパ型入力部を有する導波路が図３にさらに詳しく例示される。図２および３において、分りやすくするためにテーパの度合いは誇張されている。すなわち、図３における水平スケールと垂直スケールとは同じではない。図３に示されるように、導波路３２０は、テーパ型入力部３２０−１と伸張部３２０−２とを備える。伸張部３２０−２の幅は、図１の従来のスペクトロメータの伸張導波路の幅と実質的に同様であってよい。伸張部の幅は、共振の単一モードを維持するように設計されてよい。たとえば、伸張部３２０−２の幅は、導波路３２０の中の入力光線の１つの波長λ_ｗと同様であるかまたはわずかに大きくてよい。しかし、他の幅も可能であると考えられる。

また、図３に示されるように、テーパ型入力部は、Ｔ１の幅を有する入力端とＴ２の幅を有する出力端とを有する。出力端は、伸張部３２０−２に結合され、これによって、テーパ型入力部３２０−１に入力された光は伸張部３２０−２に導かれ、伸張部３２０−２に結合される。Ｔ１の幅は、出力端の幅Ｔ２より実質的に大きい。また、いくつかの実施形態において、幅Ｔ１は、導波路によって受け取られる放射の自由空間波長λ_ｆより大きい。入力ビームは、たとえばデバイスが図２に示されるスペクトロメータであるとき、複数の波長を含んでよい。そのような場合、波長λ_ｆおよびλ_ｗは、たとえば自由空間および導波路の材料の中の入力ビームの対象波長範囲のそれぞれ平均波長であってよい。テーパ型入力部３２０−１の長さは、テーパ型入力部の幅とともに、共振モードが断熱的に圧縮されることを確実にするように設計されてよい。

本実施形態において、テーパ型入力部３２０−１の出力端は、伸張部３２０−２に直接接続されて光を伸張部３２０−２に結合させる。詳しくは、本実施形態において、テーパ型入力部３２０−１と伸張部３２０−２とは、単一コンポーネントとして一体に形成され、同じ材料、詳しくはＩｎＰおよびその合金で形成される。しかし、他の実施形態においては、他の構成が可能であり、たとえば、テーパ型入力部３２０−１と伸張部３２０−２とは、小さなエアギャップによって分離され、および／または異なる材料で形成され得るであろう。

導波路１２０は、共振器１３０と一体として形成されてもよい。導波路１２０は、共振器と同じプロセス工程において、および同じ材料、たとえば適当な半導体材料から、基板１１０の上に形成されてよい。基板は、どのような適当な種類の半導体から製造されてもよい。たとえば、基板は、約１〜３×１０^１８ｃｍ^−３のドーパント濃度を有するｎ型ドープＩｎＰから形成されてよい。基板の表面の上には基板のエッチングを防ぐエッチストップ層が設けられてよく、エッチストップ層の表面の上には支持層が設けられてよい。一例として、０．１８〜１．２×１０^１８ｃｍ^−３のドーパント濃度を有するｎ型ドープＩｎＧａＡｓＰからエッチストップ層が形成されてよく、４〜６×１０^１７ｃｍ^−３のドーパント濃度を有するｎ型ドープＩｎＰから支持層が形成されてよい。次に、支持層の表面の上に１つ以上の層として導波路および共振器が設けられる。これらの層は、ドーピングされていないＩｎＧａＡｓＰから形成されてよい。導波路を形成する１つ以上の層の表面の上にキャッピング層が形成されてよい。キャッピング層は、約２×１０^１８ｃｍ^−３のドーパント濃度を有するｐ型ドープＩｎＰから形成されてよい。キャッピング層の表面の上にメタル化のための絶縁層が設けられてもよい。

導波路および共振器を提供する１つ以上の層は、支持層およびキャッピング層より高い屈折率を有してよく、導波路は、導波路を形成する層と支持層およびキャッピング層との間の屈折率の差異から形成される。上記に記載の層構造は例でしかなく、１つ以上の層が取り除かれるかまたは置き換えられてもよいことは言うまでもない。たとえば、構造は支持層を含まなくてよく、その場合、導波路は、導波路層とキャッピング層および基板との間の屈折率の差異の間で提供される。

導波路および共振器を提供する１つ以上の層は、放射を吸収するように設計されたバンドギャップを有する吸収層を含んでよい。吸収層は、導波路における吸収を限定するべく低い吸収係数を有するように設計されてよい。１つ以上の層は、間に活性吸収層が挟まれている２つのクラッド層を含む活性層スタックを形成してよい。吸収層のバンドギャップは、対象となる最低エネルギー光子より小さく、すなわちスペクトロメータが検出するように構成されている最も長い波長の光子のエネルギーより低くてよい。こうすると、吸収層の組成は、スペクトロメータの中のすべてのディスク共振器において用いることができる。キャッピング層、支持層およびクラッド層は、対象となる最高エネルギー光子より大きなバンドギャップを有してよい。吸収層は、量子井戸であってよい。量子井戸は、層の厚さを単分子層の薄さにまで制御することができる分子線エピタクシーまたは化学蒸着によって成長させてよい。量子井戸は、十分に薄く、導波路の中の光場に対してほとんどまたはまったく影響を及ぼさない。たとえば、量子井戸は、大体３ｎｍの厚さを有してよい。特定の波長の光が導波路から共振器に入ると、光は共振器の周りを複数サイクル移動し、最低エネルギー光子でも電子を価電子帯から伝導帯に励起し、電子正孔対を発生させるのに十分なほどバンドギャップが低いので、光子は量子井戸の中の材料によって吸収され得る。その結果生じる電流は、測定することができ、ディスク共振器の中の光エネルギーの量に比例する。導波路は、光場が量子井戸の上で最大となることを確実にし、それによって吸収を増加させるのを助ける。

しかし、構造は、共振器および導波路の全体で均一でなくてよいことは言うまでもない。導波路の中に吸収層が設けられなくてもよい。導波路１２０の中の吸収層は、選択的にエッチングし、より広いバンドギャップの合金によって置き換えることができ、あるいは、吸収層は、そもそもディスク共振器１３０の中にだけ蒸着することができる。

もちろん、本発明は上に記載された層構造に限定されず、他の実施形態においては他の構造が用いられてよいと理解されるべきである。

次に図４を参照すると、図３に示されるテーパ型導波路に中心から外れて入力される光線の有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションが例示される。詳しくは、図４において、入力光線は、１６００ｎｍの自由空間中心波長を有し、導波路の中心軸から０．５μｍのオフセットで入力される。導波路が、たとえば３．１の屈折率を有する材料から形成されれば、導波路材料の中の放射は、ちょうど５００ｎｍを超える波長を有してよい。本実施形態において、テーパ型入力部３２０−１の入力端の幅Ｔ１は３μｍであり、導波路３２０−２に結合された出力端の幅Ｔ２は０．７５μｍであり、テーパ型入力部３２０−１の長さは約４２μｍである。したがって、入力端の幅Ｔ１は、放射の自由空間波長λ_ｆより著しく大きい。しかし、本発明は上記の寸法に限定されないと理解されるべきである。図４に示されるように、光が中心から外れて、すなわち導波路の中心軸と一直線上ではなく導波路に入力されても、依然として入力エネルギーの十分な割合が入力端においてより大きな幅を有するテーパ型入力部３２０−１に結合され、テーパによって狭くなった伸張部３２０−２の中に導かれる。電力の約８０％が集められ、電力の４０％が、伸張部の中の導波路への入口から５０μｍに位置する検出器に伝播することが示された。

図３および４に示される実施形態とは対照的に、テーパ型ではないがその他は同様な構造の０．７５μｍ幅の導波路、たとえば図１に示されるものに光線が０．５μｍのオフセットで入力されれば、入力電力の１０％だけが導波路に結合され、電力の５％だけが導波路への入口から５０μｍに位置する検出器に伝播する。したがって、図３および４に示されるように、テーパ型入力部の使用は、特に入力ビームが導波路の中心軸と不適切に揃えられているとき、実質的により多くの入力エネルギーが導波路に結合されることを可能にする。

次に図５および６を参照すると、テーパ型入力部の入力端の異なる幅について、図２、３および４のものと同様な導波路の伸張部の中への波長１．６μｍの入力光の結合を示すグラフが例示される。これらのグラフは、入力エネルギーの割合に対応するモニタ値が導波路内への距離に対してプロットされる、シミュレーションの結果を示す。図５および図６の両方において、入力ビームは導波路と軸を揃えられ、すなわち導波路軸からオフセットされない。図５のグラフは、３μｍの入力端幅の場合の結果を示し、図６のグラフは５μｍの入力端幅の場合の結果を示す。どちらの場合にも、テーパ型入力部の出力端および伸張部は、単一モードを維持するように設計される。

図５に示されるように、３μｍの入力端幅の場合には実質的にすべての入力光エネルギーが導波路軸に近い点において導波路に結合され、図５において実線および点線によって示される。破線は、導波路軸からある距離を置いて導波路に結合されるエネルギーの量を示し、この場合には入力エネルギーの約４５％が依然として導波路に結合されることを示す。

また、図６に示されるように、５μｍの入力端幅の場合には入力光エネルギーの約９５％が導波路軸に近い点において導波路に結合され、実線および点線によって示される。破線は、入力エネルギーの約３５％が導波路軸からある距離を置いて導波路に結合されることを示す。すなわち、テーパの幅が特定の点を超えて増加すれば、導波路の伸張部に結合される入力エネルギーの量は減少し始める。したがって、好ましくは、テーパの幅は、特定の範囲内、たとえば１．５λから５λの間から選ばれてよい。ここで、λは自由空間波長である。いくつかの実施形態において、テーパの幅は、１．５λから２．５λの範囲から選ばれてよい。しかし、正確な値は、導波路を形成する材料に依存する。上記のように、導波路のための適当な材料は、半導体材料であってよい。

導波路が、水平な面、すなわち基板の表面に平行な面の中で対称形にテーパを付けられた入力部を有する本発明の実施形態が記載されてきたが、本発明は、この構成に限定されない。たとえば、いくつかの実施形態においては、導波路のテーパ型入力部は非対称であってよい。また、テーパ型入力部は、水平方向にテーパを付けられる代わりに、または水平方向にテーパを付けられるとともに、垂直方向にテーパを付けられてもよい。いくつかの実施形態においては、テーパ型入力部は、円錐形であってもよく、あるいは、円錐の一部分の形であってもよい。さらに、記載された実施形態においては、テーパ型入力部は、それが結合される伸張部と同じ幅を有する出力端を有するが、他の実施形態においては、出力端の幅は、伸張部の幅より大きくてもよく小さくてもよく、たとえば導波路は、出力端が伸張部に結合される場所で段差のあるプロフィルを有してもよい。

さらに、光学波長における電磁放射を受け取り、導くことに関する実施形態が記載されてきたが、本発明は、光学波長に限定されない。たとえば、テーパ型導波管は、光学波長の代わりに、任意の波長の電磁放射、たとえばマイクロ波波長における電磁放射、を導くように構成されてもよい。

本発明の特定の実施形態が上に記載されてきたが、当業者は、添付の請求項にいて定められる本発明の範囲から逸脱することなく、多数の変化形および変更形が可能であることを理解するだろう。

本発明が記載されてきた主題であるスペクトロメータは、スペクトロフォトメータであるかまたはスペクトロフォトメータの一部を形成するとみなされてよいことは言うまでもない。したがって、用語「スペクトロメータ」が用いられてきた箇所で、この用語は、用語「スペクトルフォトメータ」で置き換えることができたであろう。

さらに、スペクトロメータは、ディスク共振器を含むとして記載されてきたが、記載された導波路は、どのような型の共振器の中に光を導くために用いられてもよい。たとえば、共振器は、どのような高Ｑキャビティー、たとえば球形共振器、マイクロリング等、であってもよい。

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上の導波路と
   を備え、
   前記導波路は、
   伸張部と、
   前記伸張部に電磁放射を導くためのテーパ型入力部と
   を有し、
   前記テーパ型入力部は、
   前記電磁放射を受け取るための入力端と、
   前記伸張部に結合された出力端と
   を含み、
   前記入力端の幅は、前記出力端の幅より大きく、
   前記入力端の前記幅は、１．５λ_ｆと２．５λ_ｆとの間であり、λ_ｆは、前記導波路が受け取るように構成される前記電磁放射の自遊空間波長である、スペクトロメータ。
2. 前記伸張部は、前記テーパ型入力部の前記出力端の前記幅と実質的に同じ幅を有する、請求項１に記載のスペクトロメータ。
3. 前記伸張部と前記テーパ型入力部とは、同じ材料から形成される、請求項１または２に記載のスペクトロメータ。
4. 前記伸張部と前記テーパ型入力部とは、一体として形成される、請求項３に記載のスペクトロメータ。
5. 前記導波路は、複数の波長の電磁放射を導き、
   前記スペクトロメータは、
   前記導波路の前記伸張部に結合された複数の共振器
   をさらに備え、
   前記複数の共振器のそれぞれは、前記複数の波長の１つにおける共振モードを維持する、請求項１から４のいずれか一項に記載のスペクトロメータ。

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