專利名稱：分布式布拉格反射器系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可以與微機(jī)電(MEMS)設(shè)備一起使用的分布式布拉格反射器(DBR)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在靜電彩色印刷應(yīng)用中，希望具有測量印刷的彩色精確度的系統(tǒng)。例如，可以將分光光度計(jì)與彩色印刷機(jī)一起使用，來進(jìn)行色彩檢測和測量。還可以將分光光度計(jì)用于靜電印刷中的色彩檢測和測量。
可以將具有法布里-珀羅空腔濾光器的分光光度計(jì)與硅光電探測器集成，然后可以將光纖用于將光垂直輸入以檢測顏色?？梢造o電調(diào)整法布里-珀羅空腔厚度，以分析透射光信號(hào)的光譜分布。可以將電荷驅(qū)動(dòng)模式用于調(diào)整該法布里-珀羅空腔濾光器，以避免由于使用電壓驅(qū)動(dòng)模式而造成的靜電不穩(wěn)定性。這種配置比電壓驅(qū)動(dòng)模式提供了更好的線性。
分布式布拉格反射器(DBR)廣泛用于提高光電設(shè)備的性能，該設(shè)備例如發(fā)光設(shè)備、分光光度計(jì)、調(diào)制器和光電探測器。例如，可以將DBR用于提高基于MEMS的全寬度陣列法布里-珀羅分光光度計(jì)的反射率，例如分辨率，該分光光度計(jì)能夠用于在線靜電色彩測量。對(duì)于一些DBR應(yīng)用而言，出于諸如制造成本等經(jīng)濟(jì)方面的考慮，限制了DBR層的數(shù)量。
當(dāng)形成DBR時(shí)，必須確定該DBR的每層的厚度。希望在該DBR的光波段上為均勻的高反射率。為了獲得在該光波段上的均勻高反射率，可以利用λ0/4n來確定該DBR每層的厚度，其中λ0是該光波段的中心波長，n是該層材料的光學(xué)折射率。盡管利用這種方法可以提高該DBR對(duì)于接近λ0的波長的反射率，但是對(duì)于遠(yuǎn)離λ0的波長，例如鄰近中心波長的波長的反射率未提高到希望的程度。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述問題，需要對(duì)于一定光波段具有均勻高反射率的分布式布拉格反射器系統(tǒng)及方法。
一種分布式布拉格反射器，包括形成為第一厚度的第一層和形成為第二厚度的第二層。一種形成分布式布拉格反射器的方法包括形成具有第一厚度的第一層，以及形成具有第二厚度的第二層。利用鄰近該分布式布拉格反射器的光波段中心波長的波長確定該第一和第二厚度。
該DBR可以用于分光光度計(jì)、光電探測器、可調(diào)諧激光器、可調(diào)諧半導(dǎo)體發(fā)光二極管和/或可調(diào)諧有機(jī)發(fā)光二極管中。
可以將半導(dǎo)體光電探測器的DBR形成為具有均勻增長的反射率，以提高該光電探測器的性能。此外，發(fā)光二極管的DBR可以形成為提高電致發(fā)光，從而提高發(fā)光二極管的性能。
可以將DBR用作具有高反射率和窄波長范圍的光譜濾光器。然而，通過優(yōu)化DBR層對(duì)的厚度，可以提高對(duì)于某個(gè)波長帶的反射率。例如，可以對(duì)于約為400nm-700nm的光波段優(yōu)化一對(duì)、兩對(duì)或三對(duì)Si-SiO2DBR中每層的厚度。


參考下面附圖詳細(xì)描述系統(tǒng)和方法的各種示例性實(shí)施例，其中圖1是分光光度計(jì)的示例性圖示；圖2是比較具有DBR的設(shè)備與不具有DBR的設(shè)備的反射率結(jié)果的示例性圖示；圖3是表示通過測試兩對(duì)Si-SiO2DBR得到的反射率結(jié)果的示例性圖示；圖4表示了當(dāng)DBR包括層厚度由λ0/4n確定的一對(duì)Si-SiO2層時(shí)的反射率結(jié)果的示例性圖示；圖5表示了包括層厚度不同于λ0/4n的一對(duì)Si-SiO2層的DBR的示例性圖示；圖6表示了圖5中的一對(duì)DBR的反射率結(jié)果的示例性圖示；圖7表示了當(dāng)DBR包括層厚度由λ0/4n確定的兩對(duì)Si-SiO2層時(shí)的反射率結(jié)果的示例性圖示；圖8表示了包括層厚度不同于λ0/4n的兩對(duì)Si-SiO2層的DBR的示例性圖示；圖9表示了圖8所示的兩對(duì)DBR的反射率結(jié)果的示例性圖示；圖10表示了當(dāng)DBR包括層厚度由λ0/4n確定的三對(duì)Si-SiO2層時(shí)的反射率結(jié)果的示例性圖示；
圖11表示了包括層厚度不同于λ0/4n的三對(duì)Si-SiO2層的DBR的示例性圖示；圖12表示了圖11所示的三對(duì)DBR的反射率結(jié)果的示例性圖示；圖13表示了示出當(dāng)根據(jù)基于不同反射率系數(shù)選擇的波長確定了每對(duì)層的層厚度時(shí)的反射率結(jié)果的示例性圖示；圖14是示出當(dāng)根據(jù)基于不同反射率系數(shù)選擇的波長確定了每對(duì)層的層厚度時(shí)的反射率結(jié)果的另一示例性圖示。
具體實(shí)施例方式
以下描述的分布式布拉格反射器(DBR)系統(tǒng)及方法可以與微機(jī)電(MEMS)設(shè)備一起使用。為了方便，以下描述的DBR系統(tǒng)及方法用于分光光度計(jì)中。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本說明書的精神和范圍的情況下，可以將該DBR系統(tǒng)及方法用于諸如光電探測器、可調(diào)諧激光器、可調(diào)諧半導(dǎo)體發(fā)光二極管、可調(diào)諧有機(jī)發(fā)光二極管或者其它使用DBR的任何設(shè)備中。
圖1是表示分光光度計(jì)100的示例性圖示。該分光光度計(jì)100可以包括具有光電探測器175的基底185，該光電探測器可以是p-i-n光電二極管。該分光光度計(jì)100可以包括硅晶片190，該硅晶片190具有刻蝕在其中的凹槽192。可以在刻蝕圓孔195之前進(jìn)行光刻構(gòu)圖。通過匹配光纖199的直徑可以確定圓孔195的尺寸。可使用法布里-珀羅空腔濾光器110，其可包括用作底部分布式布拉格反射器(DBR)120的三對(duì)四分之一波長Si/SiN.sub.x疊層115、氣隙空腔125和用作頂部DBR 130的兩對(duì)四分之一波長Si/SiN.sub.x疊層115?？梢詫⒀趸熷a(ITO)用于形成透明底部電極135和透明頂部電極140。
通過在透明底部電極135與透明頂部電極140上施加100伏特范圍內(nèi)的電壓，或者在透明底部電極135和透明頂部電極140上施加10.sup.-11庫侖范圍內(nèi)的電荷，可以使頂部DBR 130變形，以改變氣隙空腔125的高度，從而實(shí)現(xiàn)氣隙空腔125的高度改變大約300到500nm。電極135和140構(gòu)成了電容器。法布里-珀羅空腔濾光器110可以具有相關(guān)的電容。隨著氣隙空腔125的高度降低，法布里-珀羅透射峰值向較短波長偏移，這時(shí)氣隙空腔125的高度降低到左側(cè)。
圖2是比較具有DBR的設(shè)備與不具有DBR的設(shè)備的反射率結(jié)果的示例性圖示。在許多光電應(yīng)用中，設(shè)備的性能關(guān)鍵取決于光學(xué)反射率。例如，基于上述法布里-珀羅空腔(硅與空氣之間的反射率約為0.3)并且不具有DBR的分光光度計(jì)100產(chǎn)生了圖2的線201所示的通過空腔的透射率(反射率)。線201的寬闊形狀對(duì)于該分光光度計(jì)100而言將產(chǎn)生低分辨率。然而，在該分光光度計(jì)100中包括DBR可以提高該設(shè)備的反射率。例如，如果將DBR用于將反射率提高到0.9，則可以將反射率的全光譜線寬減小到約10nm波段(如圖2中的線202所示)。0.9的反射率和10nm的波段將滿足大多數(shù)彩色分光光度計(jì)的要求。
圖3是表示通過測試兩對(duì)Si-SiO2DBR而得到的反射率結(jié)果的示例性圖示。該DBR可以形成為包括具有交替的高和低折射率的一組層，這是因?yàn)椴煌牟牧咸峁┝肆己玫墓鈱W(xué)對(duì)比度。例如，該DBR層可以由Si和SiO2構(gòu)成。Si具有約3.5的折射率，SiO2具有約1.45的折射率。利用用于DBR的麥克斯韋等式，可以精確控制兩對(duì)Si-SiO2DBR的層的厚度。具體講，每個(gè)DBR層i的厚度li可以由其折射率ni和中心波長λ0按照如下等式來確定li＝λ0/4ni等式(1)圖3表示了通過測試Si基底上的兩對(duì)Si-SiO2DBR獲得的數(shù)據(jù)，其中利用等式(1)來確定層厚度。利用圖3中A點(diǎn)處的約為850nm的中心波長λ0，可以確定DBR中每層的厚度，以獲得超過0.8的高折射率。盡管在850nm時(shí)的高折射率是可以接受的，但是如圖3中B點(diǎn)處所示的接近868nm時(shí)的反射率是不可接受的。實(shí)際上，圖3中B點(diǎn)處的反射率可能造成諸如分光光度計(jì)之類的一些設(shè)備的問題。
應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本說明書的精神和范圍的情況下，可以將除Si和SiO2之外的另外的材料用于構(gòu)成DBR層。例如，該DBR層可以由GaAs和AlAs，或者多晶硅和氮化硅(Si3N4)構(gòu)成。如果這些材料用于構(gòu)成DBR層，則在折射率差別小于使用Si和SiO2時(shí)獲得的折射率差別的情況下，需要更多的層來構(gòu)成該DBR。
圖4是表示當(dāng)DBR包括具有依照等式(1)確定的層厚度的一對(duì)Si-SiO2層時(shí)的反射率結(jié)果的示例性圖示。應(yīng)當(dāng)理解，以下的討論僅為示例目的使用了400nm到700nm的光學(xué)波段，并且在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以使用任何波段。如圖4所示，光學(xué)波段400nm到700nm的中心波長λ0為550nm。等式(1)中用于Si的折射率ni為3.42，用于SiO2的折射率ni為1.45。因此，DBR的Si層的厚度為40.2nm，SiO2層的厚度為94.8nm。如上所述，諸如分光光度計(jì)之類的設(shè)備的性能關(guān)鍵取決于光學(xué)反射率，例如均勻且高的反射率。圖4所示的反射率在接近400nm-450nm時(shí)較低，其為不均勻的且不可接受。這個(gè)問題存在是因?yàn)槔玫仁?1)形成層僅僅考慮了對(duì)于單一波長，例如550nm的反射率。然而，通過根據(jù)不集中在400nm到700nm光學(xué)波段內(nèi)的不同波長改變DBR每層的厚度，可以提高整個(gè)光學(xué)波段的反射率的均勻性。
圖5是表示包括具有變化的層厚度的一對(duì)Si-SiO2層，并且使用不集中在400nm到700nm光學(xué)波段內(nèi)的波長λa的DBR 500的示例性圖示。Si-SiO2層形成在基底501上。通過改變圖4中使用的層厚度，反射率變得更加均勻。如圖5所示(當(dāng)λa＝約510nm時(shí))，可以將Si層503形成為37.3nm厚，將SiO2層502形成為87.9nm厚。因?yàn)镾i的折射率可以改變，所以每層的厚度可以包含公差。例如，Si層503的厚度可以是37.3nm±2nm，并且SiO2層502的厚度可以是87.9±1nm。因此，每層的層厚度可以由以下等式確定li＝λa/4ni等式(2)圖6是表示利用圖5所示的一對(duì)DBR的反射率結(jié)果的示例性圖示。如圖6所示，顯著提高了整個(gè)400nm-700nm波段的均勻反射率，并且圖4所示的接近400nm-450nm處的低反射率不再存在。
圖7是表示當(dāng)DBR包括不具有變化的層厚度的依照等式(1)的兩對(duì)Si-SiO2層并且使用λ0＝550nm的中心波長時(shí)的反射率結(jié)果的示例性圖示。如果將3.42的折射率ni用于Si以及將1.45的折射率ni用于SiO2，則可以將DBR的兩個(gè)Si層形成為分別為40.2nm厚，并且可以將DBR的兩個(gè)SiO2層形成為分別為94.8nm厚。因此，圖7所示的反射率在接近400nm-450nm時(shí)再次變小，這是非均勻且不可接受的。然而，可以改變Si和SiO2的四層的厚度，以提高整個(gè)光學(xué)波段上的反射率的均勻性。
圖8是表示包括具有變化的層厚度的兩對(duì)Si-SiO2層并且使用不集中在400nm-700nm光學(xué)波段內(nèi)的多個(gè)波長的DBR 800的示例性圖示。將使用圖7所示的折射率的Si-SiO2層802-805形成在基底801上。然而，通過改變圖7中使用的層厚度，反射率變得更為均勻。如圖8所示，(當(dāng)λa＝約500nm時(shí))，可以將頂部對(duì)中的Si層802的層厚度形成為36.5±2nm，可以將頂部對(duì)中的SiO2層803的層厚度形成為86.2±1nm?？梢詫⒌诙?duì)中的Si層804的層厚度(當(dāng)λa＝約520nm時(shí))形成為38.0±2nm，并且將第二對(duì)中的SiO2層805的層厚度形成為89.7±1nm。因此，可以顯著提高整個(gè)光學(xué)波段上兩對(duì)DBR的均勻反射率。圖9是表示使用圖8所示的兩對(duì)DBR的反射率結(jié)果的示例性圖示。如圖9所示，整個(gè)光學(xué)波段上的反射率比圖7中的反射率更加均勻，并且接近400nm-450nm時(shí)不可接受的非均勻反射率不再存在。
圖10是表示當(dāng)DBR包括不具有變化的層厚度的依照等式(1)的三對(duì)Si-SiO2層并且使用λ0＝550nm中心波長時(shí)的反射率結(jié)果的示例性圖示。如果將3.42的折射率ni用于Si以及將1.45的折射率ni用于SiO2，則可以將DBR的三個(gè)Si層形成為分別為40.2nm厚，并且可以將DBR的三個(gè)SiO2層形成為分別為94.8nm厚。因此，圖10所示的反射率在接近410nm-450nm時(shí)變小，這是非均勻且不可接受的。然而，可以改變六個(gè)Si和SiO2層的厚度，以提高在整個(gè)光學(xué)波段上的反射率均勻性。
圖11是表示包括具有變化的層厚度的三對(duì)Si-SiO2層并且使用不集中在400nm-700nm波段內(nèi)的多個(gè)波長的DBR 1100的示例性圖示。如圖11所示，(當(dāng)λa＝約500nm時(shí))，可以將頂部對(duì)中的Si層1102形成為36.5±2nm，并且可以將頂部對(duì)中的SiO2層1103的層厚度形成為86.2±1nm厚。可以將第二對(duì)中的Si層1104(當(dāng)λa＝約510nm時(shí))形成為37.3±2nm厚，并且將第二對(duì)中的SiO2層1105形成為87.9±1nm厚?？梢詫⒌谌龑?duì)中的Si層1106(當(dāng)λa＝約520nm時(shí))形成為38.0±2nm厚，以及將第三對(duì)中的SiO2層形成為89.7±1nm厚。因此，該DBR獲得了在整個(gè)光學(xué)波段上均勻的反射率。圖12表示了圖11所示的三對(duì)DBR的反射率結(jié)果的示例性圖示。如圖12所示，在整個(gè)光學(xué)波段上的反射率比圖9中的反射率更加均勻，并且接近410nm-450nm時(shí)的不可接受的非均勻反射率不再存在。
如先前圖10中所示的僅依照等式(1)形成的三對(duì)DBR，在接近410nm-450nm時(shí)的反射率較低，這是不可接受的。然而，可以根據(jù)基于不同反射系數(shù)選擇的波長形成每對(duì)層。例如，可以依照等式(3)確定第二對(duì)層的層厚度，如下li＝λ1/4ni等式(3)
其中λ1是在希望的光學(xué)波段上具有最低反射率的波長。仍然可以根據(jù)等式(1)確定第一對(duì)層的厚度。可以根據(jù)等式(4)確定第三對(duì)層的層厚度，如下li＝λ2/4ni等式(4)其中λ2是在根據(jù)等式(3)調(diào)整了第二對(duì)的層厚度之后，光學(xué)波段上具有最低反射率的波長。由于在形成DBR過程中需要許多層，所以重復(fù)這種方法。
圖13是表示當(dāng)根據(jù)等式(1)確定第一和第三對(duì)層的層厚度，以及根據(jù)等式(3)確定第二對(duì)層的厚度時(shí)的反射率結(jié)果的示例性圖示。如圖13所示，在接近400nm時(shí)的反射率高得多。盡管在650nm以上出現(xiàn)反射率的下降，但是對(duì)于該DBR而言整體反射率在0.7以上。圖14是表示當(dāng)根據(jù)等式(1)確定第一對(duì)層的層厚度，根據(jù)等式(3)確定第二對(duì)層的厚度，以及根據(jù)等式(4)確定第三對(duì)層的厚度時(shí)的反射率結(jié)果的示例性圖示。如圖14所示，與圖13中使用的DBR相比，在650nm以上時(shí)該DBR的反射率高得多。此外，與圖13中的整體反射率相比，圖14中的整體反射率顯著保持較高并且更為均勻。
可以理解如果需要可以將上述公開的以及其它的各種特征和功能或其替換方案組合到許多其它不同的系統(tǒng)或應(yīng)用中。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員隨后可以作出各種當(dāng)前未預(yù)料到的替換方案、修改方案、變化方案或是改進(jìn)方案，因此這些也應(yīng)該包括在所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種分布式布拉格反射器，包括形成為第一厚度的第一層；以及形成為第二厚度的第二層，其中利用鄰近該分布式布拉格反射器的光波段的中心波長的波長確定該第一和第二厚度。
全文摘要
一種分布式布拉格反射器包括形成為第一厚度的第一層以及形成為第二厚度的第二層。一種形成分布式布拉格反射器的方法包括形成具有第一厚度的第一層以及形成具有第二厚度的第二層。利用鄰近該分布式布拉格反射器的光波段的中心波長的波長確定該第一和第二厚度。
文檔編號(hào)G02B5/08GK1841120SQ20061006831
公開日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者Y·R·王, J·A·庫比 申請(qǐng)人:施樂公司