[发明专利]具有量子阱层的设备

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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。

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。

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。

量子阱层的厚度可以实质上小于波导的厚度。

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％。

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λ_max相对应。所述谐振器可以是盘式谐振器。

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λ_max+Δλ处的辐射能量相对应。

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。