(57)【要約】【解決手段】電磁放射を導くための構造であって、基板（２３０）と、基板上に設けられ、電磁放射を受け取るための第１の端（２２０ａ）および第２の端（２２０ｂ）を有する導波路（２２０）と、基板の上の導波路の第２の端（２２０ｂ）に設けられた反射防止領域（２７０）と、を含み、反射防止領域の長さおよび幅は、第２の端に到達する放射の後方反射を抑制するように最適化されている構造。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられ、電磁放射を受け取るための第１の端および第２の端を有する導波路と、
前記基板上の前記導波路の前記第２の端に設けられた反射防止領域であって、前記反射防止領域の長さおよび幅は、前記第２の端に到達する放射の後方反射を抑制するように最適化された前記反射防止領域と、
を含む、電磁放射を導くための構造。
【請求項２】
前記反射防止領域は、前記導波路の幅より実質的に広い幅を有する、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記反射防止領域は、前記反射防止領域の中の放射の波長より大きな幅を有する、請求項１または２に記載の構造。
【請求項４】
前記反射防止領域は、前記反射防止領域の中の前記放射の波長より少なくとも３倍広い幅を有する、請求項３に記載の構造。
【請求項５】
前記反射防止領域は、前記反射防止領域の中の前記放射の波長より実質的に長い長さを有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の構造。
【請求項６】
前記反射防止領域は、前記反射防止領域の中の前記電磁放射の事前に定められた波長の少なくとも５倍の長さを有する、請求項５に記載の構造。
【請求項７】
前記導波路および前記反射防止領域は、同じ材料から形成される、請求項１から６のいずれか１項に記載の構造。
【請求項８】
前記導波路および前記反射防止領域を形成する１または複数の層を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の構造。
【請求項９】
前記１または複数の層は、量子井戸を含む、請求項８に記載の構造。
【請求項１０】
前記構造は、半導体材料を含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の構造。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の構造を含むフォトニックコンポーネント。
【請求項１２】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の構造を含むチップ。
【請求項１３】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の構造を含むスペクトロメータ。
【請求項１４】
前記基板上に設けられ、前記導波路に結合された複数の共振器をさらに含み、前記複数の共振器のそれぞれは前記電磁放射の事前に定められた波長において共振する、請求項１３に記載のスペクトロメータ。
【請求項１５】
前記複数の共振器は、ディスク共振器である、請求項１４に記載のスペクトロメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路に関する。より詳しくは、本発明は、スペクトロメータに用いられる導波路の中の放射の後方反射の抑制に関するが、これに限定されるものではない。
【背景技術】
【０００２】
導波路は、デバイスの１つのコンポーネントから別のコンポーネントに電磁放射を導くため、またはコンポーネントの中で放射を導くために用いられる。導波路を利用するデバイスの一例は、スペクトロメータである。
【０００３】
ある範囲の波長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。
【０００４】
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。
【０００５】
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１３０とがパターン形成される。光は第１の端１２０ａにおいて導波路に入り、第２の端１２０ｂの方へ導かれる。共振器は、導波路の中の光の一部がディスク共振器１３０に結合されるように、構成される。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の中に結合される。各ディスク共振器１３０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、入力光線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。光の一部は、共振器のいずれの中にも結合されず、導波路の第２の端１２０ｂに到達する。導波路の端からの後方反射は、スペクトロメータチップ内の干渉を引き起こすことがあり、干渉はスペクトロメータの性能を低下させる。したがって、導波路の端に到達する光からの後方反射を止めるために、導波路の第２の端１２０ｂに低反射コーティング１６０が蒸着されるかまたはスパッタされる。しかし、低反射コーティングの塗布は、スペクトロメータの製作において追加のプロセス工程を必要とする。
【０００６】
本発明は、従来技術を改良することを目的とする。
【発明の概要】
【０００７】
本発明によれば、基板と、基板の上に設けられ、電磁放射を受け取るための第１の端および第２の端を有する導波路と、導波路の第２の端において基板の上に設けられた反射防止領域と、を含み、反射防止領域の長さおよび幅は、導波路の第２の端に到達する放射の後方反射を抑制するように最適化されている、電磁放射を導くための構造が提供される。
【０００８】
導波路の中の後方反射は、放射が反射防止領域に入ると、そこで発散する放射場が反射防止領域を形成する材料によって吸収され、放射が導波されなくなることの結果として、減少する。反射防止領域の長さおよび幅を最適化することによって、ほとんど０％の有効反射率が実現され得る。
【０００９】
導波路と反射防止領域とは、同じ材料から形成されてよい。導波路と反射防止領域とは、単一コンポーネントとして一体形成されてよい。それらは、同じプロセス工程において基板上に設けられてよい。導波路と反射防止領域とは、同じ層の一部として設けられてよい。導波路が２つ以上の層を含むなら、導波路と反射防止領域とは、同じ層の一部として設けられてよい。層は、量子井戸を備えてよい。
【００１０】
反射防止領域は、導波路の幅より実質的に広い幅を有してよい。さらに、反射防止領域は、反射防止領域が形成される材料の中の放射の波長より実質的に大きな幅を有してよい。反射防止領域が導波路と同じ材料から形成されると、波長は導波路の中の放射の波長でもある。たとえば、反射防止領域は、導波路および反射防止領域が形成される材料の中の放射の波長の少なく３倍の幅を有してよい。構造は、半導体ベースの構造であってよく、反射防止領域は、半導体導波路の中の放射の波長の少なくとも３倍の幅を有してよい。より詳しくは、反射防止領域の寸法が決定されるベースとなる波長は、自由空間波長ではなく、導波路および反射防止領域が形成される材料の中の波長である。
【００１１】
反射防止領域は、反射防止領域が形成される材料の中の前記電磁放射の波長より実質的に長い長さを有してよい。反射防止領域が同じ材料から形成されると、波長は、導波路の中の放射の波長でもある。反射防止区域は、通常は電磁放射の波長の長さの一般には少なくとも５倍の長さを有してよい。もちろん、反射防止領域が長いほど、後方反射されない放射の割合が大きい。導波路と反射防止領域とがある半導体材料から形成されると、導波路の中の放射の波長は、半導体材料の中の放射の波長であろう。
【００１２】
本発明によれば、上記に記載の構造を含むフォトニックコンポーネントが提供される。
【００１３】
本発明によれば、上記に記載の構造を含むチップも提供される。
【００１４】
本発明によれば、上記に記載の構造を含むスペクトロメータも提供される。スペクトロメータは、基板上に設けられ、導波路に結合された複数の共振器をさらに含んでよい。
【００１５】
複数の共振器は、ディスク共振器であってよい。
【００１６】
次に、添付の図面のうち図２から６を参照し、例として本発明の実施形態が記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術のスペクトロメータの透視図である。
【図２】本発明のいくつかの実施態様による導波路構成を有するスペクトロメータの透視図である。
【図３】本発明による導波路構成の平面図である。
【図４】図３の導波路構成の断面を示す。
【図５】本発明による導波路構成の中の伝播する連続波パターンを例示する。
【図６ａ】導波路の中の特定の位置における放射強度が時間とともにどのように変化するかを示すグラフである。
【図６ｂ】図６ａのグラフのために放射の強度が観測される導波路の中の位置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図２を参照すると、本発明のいくつかの実施態様による導波路構成を有するスペクトロメータ２００の透視図が示される。スペクトロメータは、基板２１０を含むスペクトロメータ・オン・チップであり、基板２１０の上には細長い導波路２２０と、導波路に結合された複数のディスク共振器２３０とがパターン形成されている。導波路は、光学波長、マイクロ波波長またはラジオ波長を含むが、これに限定されるものではない事前に定められた範囲の波長の電磁放射を受け取り、導くように構成することができ、リッジ導波路であってよい。光は、導波路の第１の端２２０ａで受け取られ、第２の端２２０ｂの方へ導かれ、各共振器２３０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２３０の中に結合される。各ディスク共振器２３０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２４０がある。したがって、各共振器において検出された電流は、入力光線の中に存在したその波長における光の量を示す。各電極２４０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２００を接続するための信号ボンドパッド２５０にさらに接続される。共振器は、導波路とは別個のものとして記載されるが、共振器は、導波路の一部とみなされてよいと理解されるべきである。
【００１９】
本発明によれば、スペクトロメータチップ２００は、導波路２２０の第２の端２２０ｂに結合された反射防止領域２７０も含む。反射防止領域は、導波路の端において突然の幅の広い界面を提供し、それによって、導波路の第２の端２２０ｂと反射防止領域２７０との間の界面において伝播する波は導波されなくなり、反射防止領域の中に広がり、そこで波は発散し、反射防止領域によって吸収されるようになる。反射防止領域は、導波路および共振器と同じプロセス工程において基板上に形成されてよい。反射防止領域は、導波路と同じ材料で設けられてよく、導波路と反射防止領域とは、単一コンポーネントとして一体形成されてよい。導波路と反射防止領域とは、たとえば半導体材料から形成することができる。あるいは、導波路と反射防止領域とは、異なる材料から形成することができる。しかし、それにはもちろん追加のプロセス工程が必要となる。これ以降、導波路と反射防止領域とは、同じプロセス工程において同じ材料から形成されたものとして記載される。反射防止領域２７０は、スペクトロメータチップのマスクレイアウトにおいて追加の構成要素として提供されてよい。反射防止領域の長さおよび幅は、無視することができる光の後方反射が発生することを確実にするように最適化される。後方反射は、反射防止領域を用いて効果的になくされるかまたは少なくとも減らされるので、導波路の端における低反射コーティングは必要なく、このコーティングを導波路へ蒸着するかまたはスパッタするコストのかかる余分なステップは回避することができる。
【００２０】
反射防止領域２７０は、上記のスペクトロメータ２００によって記載されてきたが、どのようなフォトニックコンポーネントにおいても後方反射を減らすかまたはなくすための機構を提供するために用いられ得ることは言うまでもない。一般的な導波路構成構造が図３および４によって示される。図３を参照すると、導波路２２０によって提供される光を導く区域は、反射防止領域２７０によって提供される放射吸収区域に直接接続される。どちらの区域も図４に示されるように基板２１０の上にパターン形成されてよい。導波路２２０および反射防止領域は、下記にさらに詳しく記載されるように、基板の上に設けられた１つの層または複数の層として提供されてよい。この１または複数の層の材料および深さは、導波路の中で高い損失なく放射を導くだけでなく、反射防止領域の中で放射が導波されなくなり、発散すると放射が吸収され、散乱されるようにも選ばれる。
【００２１】
上記で考察されたように、反射防止領域２７０の幅および長さは、導波路の端２２０ｂに到達する光の後方反射を最小限にするように最適化される。反射防止領域２７０は、必ずしも矩形の幾何学的形状を形成しなくてもよく、不規則な幾何学的形状を形成してもよいと考えられる。その場合、長さは波の伝搬の方向の距離と考えられ、幅は導波路２２０の中の波の伝搬の方向に垂直な方向の距離と見なされる。
【００２２】
図３に示されるように、反射防止領域２７０の幅Ｗａは、導波路２２０の幅Ｗｂより実質的に広くなるように選ばれる。導波路は、たとえば０．５μｍから５μｍの間の幅を有することができる。導波路は、共振の単一モードを維持するように設計されてよい。通常、導波路の幅Ｗｂは、導波路が形成される材料の中の放射の波長のオーダーである。Ｗｂは、導波路が形成される材料の中の放射の波長の幅と実質的に等しいか、またはわずかに大きくてよい。
【００２３】
より重要なこととして、反射防止領域２７０の幅Ｗａは、導波路および反射防止領域が形成される材料の中の光または他の放射の波長より実質的に広い。導波路および反射防止領域は、ある半導体材料から形成されてよく、幅Ｗａは、この半導体材料の中の放射の波長λより顕著に広くてよい。反射防止領域の幅は、反射防止領域の中に存在する放射がもはや導波されないことを確実にするのに十分に大きくされるべきである。導波路の幅Ｗａは、導波路の中への後方反射を抑制するように、導波路および反射防止領域が形成される材料の中の放射の波長λの３倍と等しいまたは３倍より大きくてもよい。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、複数の波長を含んでよい。そのような場合、反射防止領域の寸法が決定される根拠となる波長λは、たとえば、入力ビームの中で対象となる波長範囲の、反射防止領域の材料の中の平均波長であってよい。
【００２４】
さらに、反射防止領域の長さは、導波路および反射防止領域の中の放射の波長λより長い。すべての後方反射を効果的になくすために、反射防止領域の長さは、反射防止領域が形成される半導体の中の放射の波長λの少なくとも５倍の大きさとされるべきである。
【００２５】
導波路および反射防止領域は、空気より実質的に高い屈折率を有する材料から形成されてよい。たとえば導波路が大体３の屈折率を有する半導体材料を含み、導波路が空気中で１５００ｎｍの波長の放射を受け取るように構成されれば、光を導く区域の中の波長は、大体５００ｎｍであろう。次に、後方反射を顕著に減らすための反射防止領域の最小長さは、２．５μｍであろうということが見いだされている。大体３μｍの長さなら後方反射をなくすために十分な長さを提供するであろうと考えられる。さらに、最小幅は、１．５μｍであろう。前記のように、光の伝搬の方向の反射防止領域の距離が、反射防止領域が形成される材料の中の放射の波長λの５倍と等しいまたは５倍より大きくてもよく、かつ幅が、反射防止領域が形成される材料の中の放射の波長λの３倍と等しいまたは３倍より大きい限り、反射される放射の量は、顕著に減ると考えられる。
【００２６】
図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶ'に沿った断面を示す。図示のように、基板２１０の上に複数の層が堆積される。図４は、少数の層を示すだけであり、この構造が追加の層を含むことができることは言うまでもない。導波路は、１または複数の層として基板上に堆積されてよい。導波路２２０および反射防止領域２７０は、導波路と同じ平面に延在してよく、導波路と一体形成されてよい。基板は、どのような適当な型の半導体から製作されてもよい。たとえば、基板は、約１〜３×１０１８ｃｍ−３のドーパント濃度を有するｎ−型ドープリン化インジウム（ＩｎＰ）から形成されてよい。基板の上には、基板のエッチングを防ぐエッチストップ層（図示せず）が設けられてよく、エッチストップ層の上には、支持層（図示せず）が設けられてよい。例として、エッチストップ層は、０．１８〜１．２×１０１８ｃｍ−３のドーパント濃度を有するｎ−型ドープＩｎＧａＡｓＰから形成されてよく、支持層は、４〜６×１０１７ｃｍ−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。次に、導波路２２０および反射防止領域２７０が支持層の上の１または複数の層として設けられる。層は、非ドープＩｎＧａＡｓＰから形成されてよい。導波路を形成する１または複数の層の上には、キャッピング層（図示せず）が形成されてよい。キャッピング層は、約２×１０１８ｃｍ−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。キャッピング層の上には、メタル化のための絶縁層も設けられてよい。
【００２７】
導波路２２０および反射防止領域２７０を提供する１または複数の層は、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を形成する層との間の屈折率コントラストから形成される。上記に記載の層構造は例でしかなく、１または複数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、構造が支持層を含まなければ、導波路および反射防止領域は、導波路層とキャッピング層および基板との間の屈折率コントラストの間で提供される。導波路および反射防止領域を形成する１または複数の層は、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層を含んでよい。この層は、導波路の中の吸収を制限するべく低い吸収係数を有するように設計されてよい。光が反射防止領域に入ると、光は導波されなくなる。これは、光が吸収層を通ってより大きな距離を移動し、より多くの光が吸収されることを意味する。光の一部は散乱し、光の一部は半導体／空気界面から後方反射するが、次にさらに散乱し、戻る途中でさらに吸収される。言い換えると、重要な概念は、光が反射防止領域の中で損失の多い材料を通ってより大きな距離を移動し、強く吸収されることである。
【００２８】
１または複数の層は、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。吸収層は、反射防止領域の中の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量子井戸であってよい。量子井戸は、層の厚さを単一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であろう。たとえば、量子井戸は、大体３ｎｍの厚さを有してよい。反射防止領域２７０に入る放射は、反射防止領域の中に設けられた量子井戸に吸収される。導波路２２０は、光場が量子井戸の上で最大になることを確実にし、これは、吸収を増加させるのを助ける。
【００２９】
図２のスペクトロメータの中に図３および４の導波路構成が設けられれば、共振器２３０は、導波路２２０および反射防止領域２７０について記載された層の一部またはすべてを含むであろう。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。これに対して、上記のように、クラッド層の間に挟まれた活性層は、対象となる最低エネルギー光子より小さい、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いバンドギャップを有してよい。こうすると、活性吸収層の組成は、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。上記のように、吸収層が量子井戸であれば、吸収層は十分に薄く、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。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−正孔対を生み出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することができる。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。
【００３０】
しかし、構造は、共振器２３０、導波路２２０および反射防止領域２７０にわたって一様でなくてよいことは言うまでもない。たとえば、いくつかの実施態様において、導波路２２０の中に吸収層は設けられない。これを実現するために、導波路の中の吸収層は、選択的にエッチングされ、より広いバンドギャップ合金によって置き換えることができるか、あるいは、吸収層は、そもそもディスク共振器および／または最初の場所内の反射防止領域の中にだけ堆積させることができる。
【００３１】
もちろん、本発明は、図３に示され、上記に記載された層構造に限定されず、他の実施態様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。
【００３２】
図５は、導波路および反射防止領域が形成される半導体材料の中における大体５００ｎｍの波長を有する放射に対する、長さ２．５μｍおよび幅３μｍの反射防止領域の効果を例示するシミュレーションの結果を示す。ｘ軸は導波路の中の波の伝搬の方向に垂直な方向の距離を示し、ｙ軸は導波路の中の波の伝搬の方向の距離を示す。図５から、放射は、反射防止領域に入ると発散することが明らかである。図５から、光は、導波路の幅より実質的に広い面積にわたって発散することがさらに明らかである。導波路の端における領域は、放射のための行き止まりを提供し、導波路の中への後方反射は最小限にされる。
【００３３】
図６ａは、図６ｂに示される反射防止領域を含む導波路構成の別のシミュレーションの結果を示す。光は、図６ｂに示されるように、導波路より実質的に広い反射防止領域に結合された導波路の端に近い位置にある探知器によって検出される。光が検出される位置は、矢印で示される。図６ａのグラフは、検出された光の強度を時間に対して示す。図６ａから、導波路の中で受け取られた光が導波路を通って反射防止領域の方へ導かれると光のパルスが検出されること、および導波路の端に到達する光の事実上０％が導波路の中に後方反射されることが明らかである。
【００３４】
本発明の特定の実施例が記載されてきたが、本発明の範囲は、添付の請求項によって定義され、これらの実施例に限定されない。したがって、本発明は、当業者が理解するであろうように、他の方法で実装することができるであろう。
【００３５】
たとえば、本発明の実施態様が記載されてきたスペクトロメータは、スペクトロフォトメータである、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「スペクトロフォトメータ」で置き換えることができたであろう。
【００３６】
さらに、スペクトロメータは光を受け取り、導く場所において記載されてきたが、スペクトロメータは、どのような波長の電磁放射を導き、検出するために用いることもできる。さらに、スペクトロメータはディスク共振器を含むと記載されてきたが、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、球形共振器、マイクロリング等、など、どのような高Ｑキャビティーであってもよい。
【００３７】
本発明は、スペクトロメータ・オン・チップに関して記載されてきたが、本発明は、光子を導くために導波路を用い、後方反射が好ましくないどのようなデバイスにも実装することができると理解されるべきである。たとえば、本発明は、干渉計、光スイッチ、レーザ、格子等において用いることができるであろう。本発明は、導波路を利用するどのようなフォトニックコンポーネントにおいても用いることができるであろう。フォトニックコンポーネントは、光を発生し、放出し、伝送し、変調し、処理し、スイッチし、増幅し、検出し、感知するあらゆるコンポーネントである。フォトニックコンポーネントは、たとえば、フォトニック集積回路、光センサ、または光通信デバイスのためのアドドロップマルチプレキサを含むが、これに限定されるものではない光通信デバイスにおいて用いることができる。
【図１】
2014531049.tif 000003
【図２】
2014531049.tif 000004
【図３】
2014531049.tif 000005
【図４】
2014531049.tif 000006
【図５】
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【図６ａ】
2014531049.tif 000008
【図６ｂ】
2014531049.tif 000009
【国際調査報告】
2014531049.tif 000010
2014531049.tif 000011