(57)【要約】  電磁放射を誘導および吸収するためのデバイスであって、該デバイスは、電磁放射を吸収するための吸収手段と、吸収手段に結合され、電磁放射を吸収手段に誘導する導波路とを備え、導波路および吸収手段は、第１のクラッド層、第１のクラッド層の上の第２のクラッド層、および第１のクラッド層と第２のクラッド層との間の量子井戸層を備える構造から形成され、量子井戸層は、第１のクラッド層および第２のクラッド層とは異なる組成を有する材料から形成されており、量子井戸層の厚さおよび組成は、吸収手段内で電磁放射を吸収するのに適切なバンドギャップを提供しながら、導波路内で許容可能なレベルの電磁放射の吸収を可能にするように最適化される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射を誘導および吸収するためのデバイスであって、
前記電磁放射を吸収するための吸収手段と、  前記吸収手段に結合され、前記電磁放射を前記吸収手段に誘導する導波路と
を備え、
前記導波路および前記吸収手段は、第１のクラッド層、前記第１のクラッド層の上の第２のクラッド層、および前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間の量子井戸層を備える構造から形成され、
前記量子井戸層は、前記第１のクラッド層および前記第２のクラッド層とは異なる組成を有する材料から形成され、
前記量子井戸層の厚さおよび組成は、前記吸収手段内で前記電磁放射を吸収するのに適切なバンドギャップを提供しながら、前記導波路内で許容可能なレベルの電磁放射の吸収を可能にするように最適化される、デバイス。
【請求項２】
基板
をさらに備え、
前記導波路および前記吸収手段は、前記基板上に設けられ、
前記吸収手段は、少なくとも１つの共振器を備え、
前記少なくとも１つの共振器の各々は、前記電磁放射の所定波長において共振する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記導波路内の前記許容可能なレベルの吸収は、前記量子井戸の前記厚さおよび組成が前記導波路内の吸収を最小限に抑えるように最適化されるような、前記量子井戸層の所定範囲内の厚さおよび組成で得ることができる最小レベルの吸収である、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記量子井戸の前記厚さおよび前記組成は、前記少なくとも１つの共振器の共振のクオリティＱファクタを最大化し、活性層内の歪みを適切な最大値よりも低いままにしながら、所望の量子井戸バンドギャップを提供するように構成される、請求項２または３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記適切な最大値は、１．５％である、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記量子井戸層は、前記導波路の厚さよりも実質的に小さい厚さを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記デバイスは、スペクトロメータである、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記量子井戸層は、所定のエネルギーより小さいか等しいバンドギャップを提供する組成および厚さを有するように構成され、
前記所定のエネルギーは、前記スペクトロメータが検出するように構成されている電磁放射の最大波長λｍａｘに対応する、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
波長間隔Δλに対応する最小の自由スペクトル領域ＦＳＲ値を有する少なくとも１つの共振器
を備え、
前記量子井戸層は、波長λｍａｘ＋Δλにおける放射の前記エネルギーに対応する基底状態遷移エネルギーを提供する組成および厚さを有するように構成される、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
電磁放射を誘導および吸収するためのデバイスに対して量子井戸層の層厚および組成を最適化する方法であって、
前記デバイスは、
基板と、
前記基板上に位置し、前記電磁放射を吸収する吸収手段と、
前記吸収手段に結合され、前記電磁放射を前記吸収手段に誘導する、前記基板上の導波路と
を備え、
前記導波路および前記吸収手段は、第１のクラッド層、前記第１のクラッド層の上の第２のクラッド層、および前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間の前記量子井戸層を備える構造から形成され、
前記量子井戸層は、前記第１のクラッド層および前記第２のクラッド層とは異なる組成を有する材料から形成され、
前記方法は、
前記吸収手段内の前記電磁放射を吸収するために前記量子井戸層にとって適切な量子井戸基底状態遷移エネルギーを決定するステップと、
所望の基底状態遷移エネルギーを提供し、前記導波路内で許容可能なレベルの吸収を提供するように構成される前記量子井戸の厚さおよび組成を決定するステップと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記デバイスは、
基板
をさらに備え、
前記吸収手段および前記導波路は、前記基板上に設けられており、
前記吸収手段は、少なくとも１つの共振器を備え、
前記少なくとも１つの共振器の各々は、放射の所定波長において共振し、
前記厚さおよび前記組成を決定するステップは、
前記少なくとも１つの共振器の共振のクオリティＱファクタを最大化し、前記量子井戸層内の歪みを所定の許容限界よりも低いままにしながら、前記所望の基底状態遷移エネルギーを提供するように構成される前記厚さおよび前記組成を決定するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記量子井戸の前記厚さおよび前記組成を決定するステップは、
所定範囲の厚さおよび組成から前記量子井戸層の初期厚さおよび組成を選択するステップと、
前記初期厚さおよび組成に基づいて前記少なくとも１つの共振器内の曲げ損失を決定するステップと、
前記曲げ損失に基づいて、前記少なくとも１つの共振器についての前記Ｑファクタの値を得るステップと、
得られた前記Ｑファクタの前記値が、前記所定範囲の厚さおよび組成内で利用可能な前記Ｑファクタの最大値であるか否かを決定するステップと、
選択された前記厚さおよび組成に基づいて、前記量子井戸層内の前記歪みの値を得るステップと、
得られた前記歪みの前記値が前記所定の許容限界を下回るか否かを決定するステップと、
前記Ｑファクタの前記値が利用可能な最大値であると決定された場合、かつ、得られた前記歪みが前記所定の許容限界を下回る場合には、選択された前記厚さおよび組成を前記量子井戸層の最終的な前記厚さおよび組成として使用するステップと
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記初期厚さおよび組成についての前記Ｑファクタの前記値が最大値でないと決定された場合、または、得られた前記歪みが前記所定の許容限界を下回らないと決定された場合には、新たな厚さおよび組成を得るために前記初期厚さおよび組成を調整するステップと、
曲げ損失を得る前記ステップ、Ｑファクタ値を決定する前記ステップ、得られた前記値が最大値であるか否かを決定する前記ステップ、歪み値を得る前記ステップ、得られた前記歪み値が前記新たな厚さおよび組成についての所定の許容限界を下回るか否かを決定する前記ステップを繰り返すステップと
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記初期厚さおよび組成は、前記量子井戸層についてのバンドギャップの目標値に基づいて選択される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの共振器は、最小の自由スペクトル領域ＦＳＲ値を有し、
前記方法は、
前記少なくとも１つの共振器の最小のＦＳＲ値よりも小さい波長差分値を得るステップと、
前記波長差分値および前記所定波長の合計に等しい波長における放射の前記エネルギーに対応する値を得ることによって、前記バンドギャップの前記目標値を得るステップと
をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁放射を誘導および吸収するためのデバイスに関する。特に、本発明は、量子井戸層を備える構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
スペクトロメータは、一定範囲の波長にわたる光の特性を測定するために、多くの用途において使用されている。たとえば、スペクトロメータは、対象の物体に関する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、組成分析に使用することができる。スペクトル内にピークが存在すること、およびその位置によって、特定の元素または化合物が存在することを示すことができる。スペクトロメータは、光学波長における分析に一般的に使用されているが、マイクロ波波長および電波波長のような他の波長において使用することもできる。
【０００３】
スペクトロメータは、一般的に、いくつかの可動部の位置整合を高い精度で制御する必要がある、相対的に複雑で高価なデバイスである。たとえば、一般的なスペクトロメータは、光を回折格子上に合焦して、入射ビームを別個の波長に分割することができ、回折格子は、特定の波長の光を検出器に向けて方向づけるために特定の角度まで回転され得る。近年、高度に小型化することができ、可動部を有さず、確立されたリソグラフィ技法を使用し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。
【０００４】
オンチップスペクトロメータと称される場合もある一般的なチップスペクトロメータは、その上に導波路および導波路に結合されている複数のディスク共振器がパターニングされている基板を備える。導波路は、入力光をディスク共振器に誘導する。光は、導波路の１つの端部へと入力され、各共振器は、特定の波長における共振モードをサポートするように構成され、それによって、その波長の光のみが共振器内に結合される。各ディスク共振器の上には、その共振器内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がある。それゆえ、各共振器内で検出される電流は、入力光線内に存在していたその波長における光の量を示す。各電極は、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を接続するための信号ボンドパッドにさらに接続されている。導波路に入力される光が導波路によってではなくディスク共振器によって吸収されることを保証するために、ディスク共振器および導波路は、たとえば、導波路内の半導体バンドギャップが、ディスク共振器内のバンドギャップよりも高いことを保証することによって、異なる特性を有するように構築されなければならない。追加のエピタキシャル再成長および処理ステップが必要とされることに起因して、複数の異なるバンドギャップが必要であることによって製造の複雑さが増大する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、電磁放射を誘導および吸収するためのデバイスが提供され、該デバイスは、電磁放射を吸収するための吸収手段と、電磁放射を吸収手段に誘導するための、吸収手段に結合されている導波路とを備え、導波路および吸収手段は、第１のクラッド層、第１のクラッド層の上の第２のクラッド層、および第１のクラッド層と第２のクラッド層との間の量子井戸層を備える構造から形成され、量子井戸層は、第１のクラッド層および第２のクラッド層とは異なる組成を有する材料から形成されており、量子井戸層の厚さおよび組成は、吸収手段内で電磁放射を吸収するのに適切なバンドギャップを提供しながら、導波路内で許容可能なレベルの電磁放射の吸収を可能にするように最適化される。
【０００６】
吸収手段は、任意の吸収構造、層または構成要素であってもよい。たとえば、吸収手段は、放射を検出するための検出器の一部を形成してもよい。
【０００７】
吸収手段は、少なくとも１つの共振器を備えてもよく、少なくとも１つの共振器のそれぞれは、電磁放射の所定波長において共振する。デバイスは、基板および共振器を備えてもよく、導波路は、基板上に設けられてもよい。理想的には、損失を最小限に抑えるために、導波路内に吸収層があることを回避することが望ましい。しかしながら、吸収手段および導波路内に異なる組成の材料を用いてデバイスを製造することは困難である。本発明によれば、吸収手段および導波路の両方の中に量子井戸吸収層が設けられる。吸収手段が共振器を備えるとき、量子井戸は、共振器および導波路の各々の中に設けられる。量子井戸層を使用することによって、導波路および共振器内の吸収の度合いを制御することができ、吸収層のバンドギャップに対するより良好な制御が可能になる。
【０００８】
導波路内の許容可能なレベルの吸収とは、量子井戸の厚さおよび組成が導波路内の吸収を最小限に抑えるように最適化されるような、量子井戸層の所定範囲の厚さおよび組成内で得ることができる最小レベルの吸収のことであり得る。
【０００９】
量子井戸層は、導波路の厚さよりも実質的に小さい厚さを有してもよい。
【００１０】
量子井戸の厚さおよび組成は、共振器の共振のクオリティファクタ（Ｑ）を最大化し、量子井戸層内の歪みを適切な最大値よりも低いままにしながら、所望の基底状態遷移エネルギーを提供するように構成され得る。適切な最大値は、１．５％であってもよい。
【００１１】
デバイスは、スペクトロメータであってもよい。量子井戸層は、所定のエネルギーより小さいか等しいバンドギャップを有する材料から形成されてもよく、所定のエネルギーは、スペクトロメータが検出するように構成されている電磁放射の最大波長λｍａｘに対応する。共振器は、ディスク共振器であってもよい。
【００１２】
共振器は、波長間隔Δλに対応する最小の自由スペクトル領域ＦＳＲ値を有してもよく、量子井戸層は、波長λｍａｘ＋Δλにおける放射のエネルギーに対応する基底状態遷移エネルギーを提供する組成および厚さを有するように構成されてもよい。
【００１３】
本発明によれば、電磁放射を誘導および吸収するためのデバイスに対して量子井戸層の層厚および組成を最適化する方法も提供され、該デバイスは、電磁放射を吸収するための吸収手段と、電磁放射を吸収手段に誘導するための、吸収手段に結合されている導波路とを備え、導波路および吸収手段は、第１のクラッド層、第１のクラッド層の上の第２のクラッド層、および第１のクラッド層と第２のクラッド層との間の量子井戸層を備える構造から形成され、量子井戸層は、第１のクラッド層および第２のクラッド層とは異なる組成を有する材料から形成されており、該方法は、吸収手段内の電磁放射を吸収するために量子井戸にとって適切な量子井戸基底状態遷移エネルギーを決定するステップと、所望の基底状態遷移エネルギーを提供し、導波路内で許容可能なレベルの吸収を提供するように構成される量子井戸の厚さおよび組成を決定するステップとを含む。
【００１４】
吸収手段および導波路は、デバイスの基板上に設けられてもよい。さらに、吸収手段は、少なくとも１つの共振器を備えてもよく、少なくとも１つの共振器の各々は、電磁放射の所定波長において共振する。量子井戸の厚さおよび組成を決定するステップは、共振器の共振のクォリティファクタ（Ｑ）を最大化し、活性層内の歪みを所定の許容限界よりも低いままにしながら、所望の量子井戸基底状態遷移エネルギーを提供するように構成される厚さおよび組成を決定するステップを含んでもよい。
【００１５】
量子井戸の厚さおよび組成を決定するステップは、所定範囲の厚さおよび組成から量子井戸層の初期厚さおよび組成を選択するステップと、初期厚さおよび組成に基づいて少なくとも１つの共振器内の曲げ損失を決定するステップと、曲げ損失に基づいて、共振器についてのクオリティＱファクタの値を得るステップと、得られたＱファクタの値が、所定範囲の厚さおよび組成内で利用可能なＱファクタの最大値であるか否かを決定するステップと、選択された厚さおよび組成に基づいて量子井戸層内の歪みの値を得るステップと、得られた歪みの値が所定の許容限界を下回るか否かを決定するステップと、Ｑファクタの値が利用可能な最大値である場合、かつ、得られた歪みが所定の許容限界を下回ると決定された場合には、選択された厚さおよび組成を量子井戸層の最終的な厚さおよび組成として使用するステップとを含んでもよい。
【００１６】
該方法は、初期組成および厚さについてのＱの値が最大値でないと決定された場合、または、得られた歪みが所定の許容限界を下回らない場合には、新たな厚さおよび組成を得るために初期厚さおよび組成を調整するステップと、曲げ損失を得るステップ、Ｑファクタ値を決定するステップ、得られた値が最大であるか否かを決定するステップ、歪み値を得るステップ、ならびに、得られた歪み値が新たな厚さおよび組成についての所定の許容限界を下回るか否かを決定するステップを繰り返すステップとをさらに含んでもよい。歪みに対する所定の許容限界は、１．５％であってもよい。
【００１７】
初期組成および厚さは、量子井戸層についてのバンドギャップの目標値に基づいて選択されてもよい。少なくとも１つの共振器は、最小の自由スペクトル領域ＦＳＲ値を有してもよく、方法は、複数の共振器の最小のＦＳＲ値よりも小さい波長差分値を得るステップと、波長差分値および所定波長の合計に等しい波長における放射のエネルギーに対応する値を得ることによって、バンドギャップの目標値を得るステップとをさらに含んでもよい。
【００１８】
ここで例示のみを目的として、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態によるスペクトロメータを示す図である。
【図２】図１のスペクトロメータのディスク共振器および導波路を示す図である。
【図３】図２のディスク共振器および導波路を示す断面図である。
【図４】図２のディスク共振器内の量子井戸活性層の詳細な構造を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による、図２のディスク共振器内の損失が活性層の厚さによってどのように影響を受けるかを示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による、量子井戸活性層に対して適切な組成および層厚を選択するプロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここで図１を参照すると、本発明の一実施形態によるオンチップスペクトロメータが示されている。スペクトロメータ１００は、基板１１０と、細長い導波路１２０と、導波路１２０に結合されている複数のディスク共振器１３０とを備える。導波路１２０は、リッジ導波路であってもよい。各ディスク共振器１３０には、ディスク共振器内の電流を感知するための電極１４０が設けられており、電極１４０は、スペクトロメータ１００を他の構成要素に接続するためのボンドパッド１５０に接続されている。複数のディスク共振器１３０のうちの１つが図２の平面図に示されており、図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面を示している。図４は、図３に示す活性層の構造を詳細に示している。図面は概略図であり、例示のみを目的として提供されている。特に、他の層および構成要素が存在する場合があるが、図面では明瞭にするために省略されている。たとえば、現在共振器内に結合されている光エネルギーの量を表す、ディスク共振器内を流れる電流を測定するために、追加の金属化層が、電気接点としてディスク共振器の上下に堆積されてもよい。
【００２１】
従来のチップベースのスペクトロメータと同様に、本発明において、細長い導波路１２０は、入力光をディスク共振器１３０に誘導するためにディスク共振器１３０に結合されている。ディスク共振器１３０は、所定波長の光のみが導波路１２０からディスク共振器１３０内へ結合されるように、光の特定の所定波長における共振モードをサポートするように構成されている。
【００２２】
本実施形態において、ディスク共振器および導波路は、支持層２３２と、活性層スタック２３４と、キャッピング層２３６とを含む多層構造を有する。活性層スタック２３４は、導波路１２０およびディスク共振器１３０の両方の中に位置し、光が導波路内を低損失で誘導されることを依然として可能にしながら、ディスク共振器内の放射を吸収するための適切なバンドギャップを提供することができるように構成される。基板は、約１〜３×１０１８ｃｍ−３のドーパント濃度でｎ型にドープされているＩｎＰから形成される。支持層２３２も、約４〜６×１０１７ｃｍ−３のドーパント濃度を有するｎ型ドープＩｎＰから形成される。活性層スタック２３４は、非ドープのＩｎＧａＡｓＰから形成されてもよい。キャッピング層２３６は、約２×１０１８ｃｍ−３のドーパント濃度を有するｐ型ドープＩｎＰから形成される。しかしながら、本発明はこれらの材料には限定されず、他の実施形態においては他の材料が使用されてもよい。
【００２３】
活性層スタック２３４は、図４により詳細に示されており、上側クラッド層２３４−１と、下側クラッド層２３４−２とを含み、これらは本実施形態においては各々０．２４８５μｍ厚であり、非ドープのＩｎＧａＡｓＰから形成される。３ｎｍ厚量子井戸活性層２３４−３が、上側クラッド層２３４−１と下側クラッド層２３４−２との間に堆積される。量子井戸は、クラッド層よりも小さいバンドギャップを有する。量子井戸層はまた、非ドープのＩｎＧａＡｓＰから、ただし、クラッド層よりも小さいバンドギャップを提供するために、異なる組成で形成されてもよい。クラッド層２３４−１、２３４−２は、両方とも同じ材料から形成されても、または異なる材料から形成されてもよく、導波路がクラッド層２３４−１、２３４−２と支持層およびキャッピング層との間の界面によって形成されるように、支持層２３２およびキャッピング層２３６と比較して高い屈折率コントラストを有するように構成される。光は、クラッド層２３４−１、２３４−２を通じて誘導され、量子井戸２３４−３は、クラッド層の間に挟まれているので、光は、量子井戸も通って進行することになる。すなわち、本実施形態において、クラッド層２３４−１、２３４−２は、入力光波がディスク共振器１３０および導波路１２０の両方の中で量子井戸活性層２３４−３と強く重なることを保証する。量子井戸をクラッド層の中心に置くことによって、量子井戸との重なりが最大化されることが保証される。量子井戸は、それ自体では不十分に薄く、導波路１２０の光場にほとんどまたはまったく影響を及ぼすことができない。量子井戸活性層２３４−３の厚さは、導波路１２０の厚さよりも実質的に小さく、導波路１２０内のモード損失が最小限に抑えられる。また、量子井戸活性層２３４−３の厚さが低減していることによって、電子状態の密度が３次元から２次元に低減しており、吸収係数が低減している。これによって、導波路１２０内の量子井戸活性層２３４−３による光エネルギーの吸収が低減し、導波路１２０およびディスク共振器１３０が形成されるときに、量子井戸活性層２３４−３が均一に堆積されることが可能になる。同時に、光がディスク共振器１３０内に結合されると、光は、ディスク共振器１３０から出る弱い結合のみで量子井戸内の共振器の周囲の複数サイクルを受けるので、より厚い層と比較して吸収係数が量子井戸内では低減しているとしても、光は、最終的には量子井戸活性層２３４−３によって吸収される。導波路は、光場が量子井戸にわたって最大値にあることを保証し、これは吸収を増大する一助となる。
【００２４】
量子井戸のみが放射を吸収し、クラッド層は吸収しないように、活性スタック層が設計されることができることが認識されるべきである。一般に、キャッピング層２３６、支持層２３２、およびクラッド層は、対象の最高エネルギー光子よりも大きい、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短波長にある光子のエネルギーよりも大きいバンドギャップを有し得る。対照的に、量子井戸活性層２３４−３は、対象の最低エネルギー光子よりも小さい、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長波長にある光子のエネルギーよりも低いバンドギャップを有し得る。このように、共振器１３０の各々の中の光は、量子井戸活性層２３４−３によって吸収されることができる。また、量子井戸活性層２３４−３の同じ組成をスペクトロメータ内のすべてのディスク共振器内に使用することができ、製造プロセスが単純になる。具体的には、所定波長の光が導波路１２０から共振器１３０に入ると、バンドギャップは、最低エネルギーの光子がなお価電子帯からの電子を伝導帯へと励起して、電子−正孔対を生成するのに十分低いため、光子は、量子井戸活性層２３４−３内の材料によって吸収されることができる。結果生じる電流を測定することができ、電流は、ディスク共振器１３０内の光エネルギーの量に比例する。したがって、ディスク共振器１３０内の量子井戸活性層２３４−３を使用して、導波路１２０に入力される光ビーム内の、所定波長において存在する光エネルギーの量を検出および測定することができる。
【００２５】
活性スタック層は、光を導波路内に低損失で誘導し、しかし依然として共振器内で光を吸収するように最適化することができるので、導波路１２０およびディスク共振器１３０は、単一のエピタキシャルステップにおいて形成することができる。導波路およびディスク共振器の活性スタック層は、単一構造として一体的に形成することができる。対照的に、従来のオンチップスペクトロメータでは、導波路内の吸収層は、選択的にエッチングされて、よりバンドギャップの広い合金に置き換えられなければならないか、または吸収層は、最初の段階でディスク共振器内にのみ堆積されなければならない。それゆえ、量子井戸活性層２３４−３が導波路およびディスク共振器の両方の中に堆積および保持されることができるので、本発明の実施形態は、単純化された製造プロセスを提供することが可能であり得る。
【００２６】
本発明は図３および図４に示す層構造には限定されず、他の実施形態では他の構造が使用されてもよいことが認識されるべきである。構造は、追加の層またはより少ない層を含んでもよい。記載されている層厚および材料は例示に過ぎず、他の実施形態においては他の厚さおよび材料が使用されてもよい。
【００２７】
ここで図５を参照すると、量子井戸活性層２３４−３の厚さの変化の、導波路内の損失に対する影響を示すグラフが示されている。図５に曲線が示されている３つの実施形態において、１０００μｍの導波路長が使用されており、スペクトロメータは、１．６μｍの中心波長、すなわち中央波長を有する入力光を受け入れるように構成されている。図５において、導波路内に入力される光の波長に対して強度がプロットされている。ここで、強度は、導波路内で、特定の波長における出力エネルギーと入力エネルギーとの比として測定される。より高い強度は、より高い割合の入力エネルギーが依然として導波路の端部に存在する、すなわち、導波路内の量子井戸活性層によって吸収されていないことを示す。１ｎｍおよび１４ｎｍ辺りの強度の下落は、中心波長の１ｎｍおよび１４ｎｍ上の波長の光がディスク共振器内に結合されていることに対応する。
【００２８】
図５において実線５０１として示されている第１の実施形態において、量子井戸活性層は、３ｎｍの厚さを有する。図５において破線５０２として示されている第２の実施形態において、量子井戸活性層は、４ｎｍの厚さを有する。図５において点線５０３として示されている第３の実施形態において、量子井戸活性層は、５ｎｍの厚さを有する。一般に、図５に示すように、量子井戸活性層が薄くなるほど、導波路内の損失は低くなる。すなわち、光の任意の所与の波長および活性層の任意の所与の材料について、導波路内の損失は、より薄い量子井戸活性層に関してより低くなる。それゆえ、量子井戸活性層は、均一に製造するのに実際的である最小の厚さで形成されることが好ましい。
【００２９】
ここで図６を参照すると、既知の対象の最大波長λｍａｘ、すなわち、検出されるべき最大波長について、量子井戸活性層の層厚および組成を最適化するためのプロセスが示されている。厚さおよび組成は、ディスク共振器の共振のクオリティ（Ｑ）ファクタを最大化し、量子井戸層内で１．５％よりも小さい一定の歪みをもたらすために、適切なバンドギャップを提供するように選択され得る。
【００３０】
最初に、ステップＳ６０１において、波長オフセットΔλが決定される。各ディスク共振器は、異なる次数の共振モードをサポートし、これらのモード間での波長分離が、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）値と称される。波長オフセットΔλは、複数のディスク共振器の最低の自由スペクトル領域よりも低くなるように選択される。
【００３１】
次に、ステップＳ６０２において、量子井戸活性層の、最初の所望のバンドギャップを提供するための開始厚さおよび組成が選択される。開始厚さおよび組成は、ｈｃ／（λｍａｘ＋Δλ）において量子井戸基底状態遷移エネルギーを提供するように選択され、ここで、ｈはプランク定数であり、ｃは真空中の光の速さである。すなわち、バンドギャップの最初の目標値は、波長差分値Δλおよび所定波長λｍａｘの合計に等しい波長における放射のエネルギーに対応する。井戸の深さは、量子井戸基底状態エネルギーが選択された値に一致するまで変化する。しかしながら、他の実施形態では、開始厚さおよび組成を決定するための他の方法が使用されてもよい。たとえば、データベースが、複数の所定のλおよびΔλ値にとって適切なおおよその厚さおよび組成を記憶していてもよく、開始厚さおよび組成は、本実施形態において必要とされる実際の値に最も近い利用可能なλｍａｘおよびΔλ値に対する値に基づいて選択されてもよい。
【００３２】
次に、ステップＳ６０３において、量子井戸活性層の選択された開始厚さおよび組成に基づいて、ディスク共振器の曲げ損失が決定される。共振器の曲げ損失も、共振器のサイズによって決まる。その後、ステップＳ６０４において、ディスク共振器の共振のＱファクタが決定される。Ｑファクタは、ステップＳ６０３において得られた曲げ損失によって決まるが、導波路内の吸収のレベルによっても決まる。ステップＳ６０５において、Ｑファクタが最大化されているか否か、または、より高いＱが利用可能であるか否かが決定される。ディスク共振器内の吸収が最大であり、かつ導波路内の吸収が最小であるとき、Ｑファクタは最大になる。量子井戸は、リッジ導波路内の重なりを低減し、それによって導波路内の吸収を最小限に抑えるために、薄くなるように設計される。Ｑファクタが最大でない場合、プロセスはステップＳ６０２に戻り、異なる厚さおよび／または組成を選択する。パラメータ空間内にＱファクタの最大値は１つしかなく、この最大値は反復法によって求めることができる。たとえば、厚さおよび／または組成は、各反復において開始値から所定量だけ変化し得る。
【００３３】
ステップＳ６０５において、現在選択されている厚さおよび組成についてＱファクタが最大であると決定された場合、ステップＳ６０６において、量子井戸活性層内の歪みが許容限界内であるか否かが決定される。たとえば、歪みは、１．５％よりも小さい場合に許容可能で有り得るが、他の実施形態では別の限界が使用されてもよい。１．５％の例は、上述の材料にとって適切であり、最大許容可能歪み値は、使用される材料によって変化することが理解されるべきである。歪みは、量子井戸活性層の材料と基板の材料との間の面内格子不整合によって決まり得る。理解されるように、クラッド層は、基板に格子整合している。歪みが許容可能でない場合、プロセスはステップＳ６０２に戻り、異なる厚さおよび／または組成を選択する。一方、歪みが許容可能である場合、プロセスは完了し、現在選択されている厚さおよび組成を、スペクトロメータを製造するときに使用することができる。
【００３４】
図６のプロセスステップについて特定の順序が記載されているが、順序は変更されることができることが理解されるべきである。一般に、量子井戸の組成および厚さを最適化するためのプロセスは、Ｑを最大化し、歪みを適切な最大値よりも低いままにしながら、同じ選択基底状態エネルギーを提供するように量子井戸の組成および層厚を変化させることを含む。基底状態エネルギーは、対象の最長波長のエネルギーに近くなるように選択される。
【００３５】
さらに、図６のプロセスにおいて分析されるパラメータの少なくとも一部は、共振器の特性によって決まることが認識されるべきである。たとえば、ＦＳＲおよび曲げ損失は、共振器のサイズおよび次数によって決まる。いくつかの実施形態において、共振器のサイズを変更することができる場合、各共振器の半径を、量子井戸の所与の厚さおよび組成に対して最適化することができる。ディスク共振器の半径を変更することで曲げ損失およびＦＳＲが影響を受ける場合があり、それゆえ、各ディスク共振器の半径を最適化した後、量子井戸の厚さおよび組成をさらに調整すべきか否かを決定するために、新たな更新された共振器サイズについて図６の方法を繰り返すことができる。これは、繰り返し、ディスク半径および次数付けを最適化すること、吸収層の組成および厚さを最適化すること、新たな吸収層についてディスクの半径および次数付けを調整することなどを含む、反復プロセスとすることができる。プロセスは、所定基準が満たされるまで、たとえば、許容可能な損失が達成されるまで、または、プロセスが一定回数繰り返されるまで繰り返され得る。いくつかの実施形態において、各最適化プロセスは、一回のみ実行され得るか、または、吸収層の最適化は、まったく実行されなくてもよい。
【００３６】
ここで、導波路内の許容可能な損失は、利用可能な範囲の厚さおよび組成、適切な最大歪み、および最大Ｑ値のような、所与の制約の中で得ることができる最小限の損失であり得る。代替的に、許容可能な損失は、必ずしも達成可能な最小限の損失でなくてもよく、所定の最大の許容限界を下回る任意の損失であり得る。たとえば、プロセスは、さらにより低い損失をもたらす他の厚さおよび／または組成が存在するか否かにかかわらず、最小の許容限界を下回る損失を提供する厚さおよび組成が識別されると停止し得、所定の許容限界を所与の制約の中で得ることができない場合、所定範囲の厚さおよび組成の中で最低の損失を与える厚さおよび組成を選択することができる。
【００３７】
本発明の特定の実施形態が上記で説明されたが、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲から逸脱することなく多くの変更および改変が可能であることを当業者は理解しよう。
【００３８】
たとえば、本発明の実施形態がそれに関して説明されているスペクトロメータは、スペクトロフォトメータであるとみなされてもよいか、またはその一部を形成してもよいことが明らかであろう。それゆえ、「スペクトロメータ」という用語が使用されている場合、この用語は「スペクトロフォトメータ」という用語と置き換えることができる。
【００３９】
さらに、スペクトロメータは、所々で光を受け取り誘導するように記載されているが、スペクトロメータは、任意の波長の電磁放射を誘導および検出するのに使用されてもよい。さらに、スペクトロメータは、ディスク共振器を備えるように記載されているが、記載されている導波路は、光を異なるタイプの共振器に誘導するのに使用されてもよい。たとえば、共振器は、球形共振器、マイクロリングなどのような、任意の高Ｑキャビティーであってもよい。
【００４０】
さらに、本発明の特定の実施形態が、オンチップスペクトロメータに関連して説明されているが、放射が構造の吸収区画内で吸収されることを可能にしながら、光誘導区画内の損失を最小限に抑えるために、量子井戸活性層をまた、他のデバイスに使用してもよい。たとえば、他の実施形態では、量子井戸活性層は、フォトニック集積回路、光学センサおよびシステム、ならびにアドドロップマルチプレクサのような光通信デバイスのようなデバイス内に含まれてもよい。導波路は、吸収手段を提供する任意のタイプの検出器に放射を誘導してもよく、デバイスは、共振器を含む必要はない。一般に、また図４を参照して上述したように、吸収手段は、電磁放射の所定波長を検出するように構成され、量子井戸の厚さおよび組成は、所定波長の電磁放射が吸収手段内で吸収され検出されることができることを保証するために適切なバンドギャップを提供すべきである。ここで、適切なバンドギャップは、所定波長における光子のエネルギーより小さいか等しい任意のギャップになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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