[发明专利]谐振器优化

说明书

技术领域

本发明涉及对设备中的谐振器进行优化。更具体地，但非排他地，涉及对光谱仪中的谐振器阶次进行优化。

背景技术

谐振器用于多种设备中以便检测特定波长的电磁辐射。一类用于检测电磁辐射的设备是光谱仪。光谱仪用于多种应用，以便测量波长范围内光的特性。例如，通过获得研究目标的吸收或发射谱，可以将光谱仪用于成分分析。光谱内波峰的存在和位置可以指示特定元素或化合物的存在。通常将光谱仪用于分析光波长，也可以将光谱仪用于分析例如微波和无线电波长的其它波长。

通常光谱仪是比较复杂和昂贵的设备，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光分为分离波长，可以将衍射光栅旋转特定角度以便将特定波长的光导向检测器。

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。WO2010128325公开了一种没有任何移动部件的芯片光谱仪。这种可以被称作片上光谱仪的芯片光谱仪包括：衬底，将波导图案化到(pattern)衬底上；以及多个盘式谐振器(disk resonator)，与所述波导相耦合。光从第一端进入波导，排列谐振器使得将波导内的部分光耦合到盘式谐振器。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，每个谐振器检测到的电流指示了输入光束中存在的该波长处的光量。每个电极还与信号接合焊盘(bond pad)相连接，以便将光谱仪与用于测量电流的外部设备相连接。WO2010128325中，所有盘式谐振器以相同谐振阶次工作，盘式谐振器的谐振模式波长越长，盘式谐振器的尺寸就越大。此外，将盘式谐振器以如下方式排列在衬底上：盘式谐振器的尺寸越大，盘式谐振器到波导入口的距离越远。

本发明基于以上背景。

发明内容

根据本发明，提供了一种设备，包括：衬底；多个谐振器，位于衬底上，多个谐振器中的每个谐振器在预定波长的电磁辐射处谐振，将至少一些谐振器排列为以不同谐振阶次操作；以及波导，位于衬底上，波导与多个谐振器相耦合以便将电磁辐射引导到多个谐振器，其中优化波导上每个谐振器的谐振阶次以便将光最大化地耦合到谐振器内。

通过将设备内的谐振器配置为以不同谐振阶次工作，可以改善设备的分辨率和灵敏度。

通过针对每个谐振器选择适当的阶次和位置，可以将光最大化地耦合到每个谐振器，从而最大化检测到的信号并最小化噪声。通过降低每个波长处的背景损耗，最大化谐振质量因子(Q)，从而改善光谱仪芯片的光谱分辨率。

每个谐振器可以以所确定的阶次操作以便最小化谐振器内的弯曲损耗，提供大于设备工作光谱带宽的谐振器自由光谱范围。

设备可以配置为检测波长范围内的电磁辐射，该波长范围包括相邻波长，相邻波长处谐振的两个谐振器可以以不同阶次操作。当相邻波长的谐振器具有相同阶次时，谐振器尺寸相同。这样限制了制造谐振器的精度，如果相邻波长的两个谐振器具有相同尺寸，则精度限制可能会导致谐振器之一耦合到另一谐振器的目标波长的光。通过允许谐振器具有不同阶次，谐振器更易于制造。

可以优化波导上每个谐振器的位置以便最小化波导内感兴趣波长处辐射的损耗。

相较于多个谐振器中具有较长谐振波长的谐振器，可以将多个谐振器中具有较短谐振波长的谐振器置于更接近波导的起点。

谐振器可以是任何高Q腔体。例如，谐振器可以是盘式谐振器。

根据本发明，还提供了一种包括所述设备的光谱仪。

根据本发明，还提供了一种优化设备的方法，所述设备包括：衬底；多个谐振器，位于衬底上，多个谐振器中的每一个都在预定波长处的电磁辐射下谐振；以及波导，位于衬底上，波导与多个谐振器相耦合以便将电磁辐射引导到多个谐振器，所述方法包括：选择感兴趣波长；根据感兴趣波长确定每个谐振器的目标波长；确定多个谐振器中每个谐振器的谐振阶次，使得谐振器的谐振波长是该谐振器的目标波长并增加谐振深度，至少一个谐振器的谐振阶次不同于多个谐振器中的至少另一个谐振器的谐振阶次。

确定每个谐振器的阶次可以包括确定提供大于设备工作光谱带宽的谐振器自由光谱范围的阶次，使得降低谐振器的弯曲损耗。

感兴趣波长可以包括包含相邻波长的波长集合，确定阶次还可以包括确定谐振器的阶次，使得谐振器的尺寸完全不同于用于耦合相邻波长的光的谐振器的尺寸。