具有密封的内部容积的波长可调的光子源

摘要

本发明给出了一种提供波长可调的光子源(200)的方法，包括在包围内部容积(214)的结构中将具有第一镜子(106)的第一元件(101)、具有第二镜子(108)的第二元件(102)以及具有光子发射器的第三元件(103)连接在一起，内部容积是密封容积，以及形成粘接界面(212)，其是气密的，使得第一镜子(106)被放置在内部容积(214)中，以便第一镜子(106)可以在内部容积(214)中移动。该方法提供了一种获得可调节的光子源的相对简单的方法，其中内部容积是密封的。本发明还涉及相应的光子源以及这样的光子源的用途。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光子源，更具体地，本发明涉及一种波长可调的光子源。

背景技术

波长可调的光子源可以用于多个用途，能够调节所发射的波长对这些用途 是有利的。

参考文献“利用Si-MEMS技术的高速微机械可调的表面发射激光器”， KANBARANobuhiko等，Yokogawa技术报告英语版本No.47(2009)，描述 了可调表面发射激光器。该激光器由半VCSEL(垂直腔表面发射激光器)晶 片组成，而不具有一侧介电镜和微型机加工的以凹透镜为基底的SOI(绝缘体 上硅结构)。这两个晶片使用高准确度金属热压缩粘接方法粘接在一起。通过 在具有镜子的硅膜和硅基底之间应用可变电压来实现高速、宽波长调节。在原 型中，我们已经实现了超过500kHz的高性能波长调制、没有任何模式跳变的 55nm的宽调范围以及超过60dB的边模抑制比。

改进的可调光子源将是有利的。

发明内容

提供一种提供改进的波长可调的光子源的方法可以被看作本发明的一个 目标。提供对现有技术的替代方案是本发明的进一步目标。

从而，通过提供一种提供波长可调的光子源的方法可以在本发明的第一方 面中获得上文描述的目标和若干其它目标，该方法包括：

-提供第一元件，例如为固体元件的第一元件，包括第一镜子，

-提供第二元件，例如为固体元件的第二元件，包括第二镜子，

-提供第三元件，例如为固体元件的第三元件，包括光子发射器，

-将第一元件和第二元件以及第三元件彼此相关地设置，使得

i.第一镜子和第二镜子定义了光腔的至少一部分，且使得

ii.光子发射器被放置在光腔内部，

-在包围内部容积的相干结构中，例如通过物理和/或化学力保持在一起的 相干结构，再例如刚性相干结构，通过粘接和/或沉积，例如通过物理和/或化 学粘接，将至少第一元件和第二元件以及第三元件连接在一起，其中内部容积 是密封容积，上述密封容积例如被密封使得气体和/或液体无法进入内部容积 或从内部容积中出来，例如密封的内部容积被气封，例如非固体的内部容积， 以及

-邻接内部容积形成粘接界面，其中粘接界面是气密的，其抵接在第一元 件的第一侧以及第三元件的第二侧上，

其中

第一镜子被放置在内部容积中，使得第一镜子可以在内部容积中移动，例 如相对于第二镜子移动，且其中该方法还包括：

-提供能够在内部容积中移动第一镜子的装置，例如用于电接入第一镜子 的装置，例如用于静电移动第一镜子的装置，例如移动第一镜子，以便能够改 变光腔的腔长。

本发明具体地，但不排他地，有利于获得波长可调的光子源，这是由于该 方法提供了获得这样的源的相对简单的方式，在这样的源中内部容积被密封。 具有密封的内部容积可以被看作是有利的，这是由于其能够控制气氛(例如压 力和流体成分)，继而能够改进第一镜子的Q因子(例如增加Q因子以使得能 够移动更大的幅度或减小Q因子以避免振铃)。此外，密封的内部容积可以使 得光子源能够针对污染更稳定和/或更坚固，这是由于污染物被保留在内部容 积之外。该方法提供了一种简单但是有效的梳理第一、第二和第三元件的方式， 使得第一元件具有作为第一镜子和作为内部容积的边界墙的双重功能，且其中 第二元件和/或第三元件类似地具有分别作为第二镜子/光子发射器和作为内部 容积的边界墙的双重功能。

本发明可以被看作是基于如所描述的将元件粘接在一起可能足够实现密 封的内部容积的观点，其中第一镜子可以被移动。可以注意的是，当提及“其 中第一镜子可以被移动”和/或“以便第一镜子可以在内部容积中移动”时， 一般而言要理解的是，第一镜子可以在第一容积内移动，例如第一镜子在第一 容积内被可移动地悬挂，例如第一镜子可以在第一容积内移动，而无需使第一 容积之外的结构性特征的移动成为必要，例如第一镜子不被限制成与限定内部 容积边界的外墙一起移动。可以被看作优点的是，布置第一镜子以便其可以在 第一容积内被移动，第一镜子的机械属性可以被控制，例如通过控制流体成分， 例如第一容积中的气体的压力，而直接控制。可以被看作优点的是，布置第一 镜子以便其可以在第一容积内被移动，第一镜子的机械属性不受在内部容积之 外的流体压力的影响，例如大气条件。

通过‘波长可调的光子源’可理解为，其中光子的波长可以被可控地调节 的光子源。

‘第一元件’可以被理解为，包括第一镜子的结构性元件。

‘第一镜子’可以被理解为，能够在光腔中限定镜面的镜子。可以理解的 是，第一镜子可以移动，例如相对于第二镜子移动，例如移动以改变光腔的光 路径长度。可以理解的是，第一镜子可以是微机电系统(MEMS)结构的至少 一部分，例如第一镜子可以是MEMS结构，其中所述MEMS结构被放置在内 部容积中，使得MEMS结构可以在内部容积中移动，例如相对于第二镜子移 动。可以理解的是，所述MEMS结构被放置在内部容积中，且内部容积的至 少一部分被设置在所述MEMS结构的面对光腔的一侧上，且其中内部容积的 至少一部分，例如内部容积的另一部分，被放置在MEMS结构的相对侧上， 所述MEMS结构的相对侧例如为与所述MEMS结构的面对光腔的一侧的相对 的所述MEMS结构的一侧。

在具体的实施例中，第一元件可以通过高指数对比亚波长光栅(HCG) 预构图的绝缘体上硅结构(SOI)基底而形成，其可以包括掩埋的HCG，例如 在间隔层之间作为较低镜面反射器沉积的HCG，如在WO2012/0149497A2中 所描述的，通过引用将其全部并入。

‘第二元件’可以被理解为包括第二镜子的结构性元件。

‘第二镜子’可以被理解为能够在光腔中限定镜面的镜子。在一些实施例 中，第二元件可以基本上被实现为，例如由第二镜子组成，例如第二元件是第 二个，例如第二元件是沉积在另一元件上的第二镜子，例如沉积在第三元件上。

在示例性的实施例中，第一镜子和/或第二镜子中的任何一个可以包括分 布式布拉格反射器或HCG。在其他实施例中，镜子和/或第二镜子可以包括金 属镜子和/或高反射性且高度极化选择性衍射光栅(GIRO光栅)中的任何一个， 如在IEEE光子技术快报(卷：10，发布：9)，1998年9月，页数：1205-1207 中GoemanS.等著的“用于长波长VCSEL的高反射性且高度极化选择性衍射 光栅(GIRO光栅)的第一示范”所描述的，通过引用的方式将其全部包含在 本申请中。不同类型的镜子的组合可以由本发明包含。

在特定的实施例中，第二元件可以与第三元件在具有上部镜子反射器(即， 第二镜子)和在所述上部镜子反射器之下的有源区域(即，光子发射器)的半 VCSEL激光异质结构中的集成，例如在WO2012/0149497A2中所描述的，通 过引用的方式将其全部并入。

‘第三元件’可以被理解为包括光子发射器的结构性元件。‘光子发射器’ 可以被理解为，能够发射光子的实体，例如能够在接收光子或电子时发射光子。 示例性的光子发射器一般可以包括光增益介质(例如激光增益介质)。在一些 实施例中，光子发射器包括一个或多个量子井、量子线或量子点。在特定的示 例中，光子发射器包括半导体材料，例如体状的或一个或多个量子井、量子线 或量子点形式的半导体。可以从商业供应商购买‘第三元件’，例如III-V半导 体外延晶片可以从外延晶片代工厂商购买。

‘光腔’可以根据本领域中的现有技术理解，且其描述了对于光波来说形 成驻波谐振腔的镜子布置。

‘光子发射器被放置在光腔内部’(例如该方法包括将光子发射器放置在 光腔内部)可以被理解为光子发射器被放置为能够直接将光子发射到腔内，例 如直接发射到腔模内。通过将光子发射器放置在腔内，消除了进入到腔内的光 子的潜在损失。此外，如果光子发射器是有源激光介质，则可以提供激光器。

‘粘接’可以被理解为一种连接方法，例如通过诸如化学的和/或物理的 粘接剂的化学力和/或物理力将两个表面永远地和/或不可逆地连接。可以使用 例如融合粘接、附着粘接、热压缩粘接或共晶粘接中的任何一个来实现诸如永 远的粘接之类的粘接。

‘融合粘接’可以根据本领域的现有技术来理解，且其通过将第一和第二 元件或一般而言要粘接的任何两个元件的两个表面(其可能是高度平坦和光滑 的)按压在一起以便形成化学接触来实现。可以通过高温退火来增加粘接力。

‘附着粘接’可以根据本领域的现有技术来理解，且其可以通过在第一和 第二元件之间或一般而言在要粘接的任何两个元件之间将例如苯并环丁烯 (BCB)之类的喷雾或旋转涂布聚合物用作中间层来实现。在将第一和第二元 件或一般而言要粘接的任何两个元件按压在一起之后，聚合物被消除。

‘热压缩粘接’可以根据本领域的现有技术来理解，且其可以通过将金属 薄膜(例如，Au或AuSn)构图在第一和第二元件或一般要粘接的任何两个元 件上且在高温下迫使它们在一起来实现。

‘共晶粘接’可以根据本领域的现有技术来理解，且其可以通过将金属薄 膜例如Au构图在第一或第二元件或一般而言要粘接的任何两个元件上并在高 温下将其连接在一起来实现。

将(元件)‘连接’(在一起)可以被理解为将其彼此附接。在一实施例中， 连接的步骤包括一个或多个粘接步骤。在一实施例中，连接的步骤包括一个或 多个沉积的步骤，例如将第二镜子(其中第二镜子可以是第二元件)沉积到第 三元件上。

‘相干结构’被理解为包括一个或多个元件的结构，其被彼此连接以形成 连接的元件的结构，例如连接的元件的刚性结构。在一实施例中，通过物理的 和/或化学的粘接剂将相干结构保持在一起。

‘密封的容积’被理解为一种被封闭的容积，例如为了实际的目的相对于 周围的容积被封闭，例如被密封以便诸如空气之类的气体和/或液体不能进到 密封的容积内，例如在实际的环境中不能进入到密封的容积中。但是，还可以 理解的是，‘密封的容积’未必隐含着密封是无限的好。可能存在一些非零泄 漏。在一实施例中，密封的内部容积具有低于对应于10毫巴每(pr.)10年 (当被放置在标准大气情况下时)的泄漏率，例如低于1毫巴每10年，例如， 低于0.1毫巴每10年。在另一实施例中，密封的内部容积具有在1个大气压 差下不超过1×10^-20cc的泄漏率(其中，cc指的是立方厘米)，例如在1个大 气压差下不超过5×10^-21cc，例如在1个大气压差下不超过1×10^-21cc，例如在 1个大气压差下不超过5×10^-22cc，例如在1个大气压差下不超过1×10^-21cc。

可以理解的是，‘内部容积’是‘密封的内部容积’且‘密封的容积’和 ‘内部容积’可以互换地使用。可以理解的是，波长可调的光子源(例如第一 元件和/或第三元件，例如，第一元件、第二元件和/或第三元件)在结构上是 稳定的，例如是刚性的，以对抗环境压力的变化，以便密封的容积的数值容积 在实际的环境下，例如在改变环境压力，例如改变大气压，不发生变化，例如 不发生显著的变化。

可以通过在第一元件和/或第三元件中具有非贯通孔来提供‘内部容积’， 例如与最后的结构中的内部容积的至少一部分相对应的非贯通孔。内部容积可 以在数量上与小于5000倍的参考波长的立方(拉姆达＾3)相对应，即，小于 例如小于2500倍的参考波长的立方，例如小于1000倍的参考波长 的立方，例如小于500倍的参考波长的立方，例如小于250倍的参考波长的立 方，例如小于110倍的参考波长的立方，例如小于100倍的参考波长的立方， 例如小于50倍的参考波长的立方，例如小于10倍的参考波长的立方。这样的 相对较小容积的优点可以是其能够实现较小的总体尺寸，例如外部尺寸。

‘密闭的’是本领域公知的且其可以被理解为基本上不渗透的密封，例如 不渗透流体，诸如例如气体或液体之类的流体，不能进入密闭的容积或从密闭 的容积出来。

‘非固体内部容积’可以被理解为不是固体的内部容积，例如包含例如气 体、例如液体的流体的内部容积。

‘形成粘接界面’可以被理解为通过粘接将两个元件连接在一起，使得它 们的粘接的表面形成接口。‘粘接界面’被理解为在被粘接在一起的两个元件 之间的接口。本发明包含了，粘接界面包括除了两个元件的材料之外的另外的 材料，例如连接两个元件的材料；以及粘接界面不包括材料，例如两个元件被 直接粘接在一起。‘与内部容积邻接’被理解为粘接界面紧挨着内部容积设置 和/或与内部容积物理接触例如包围内部容积。

‘气密的’可以被理解为气体无法穿过，例如气密的接口可以包围密封的 容积。与上文描述的‘密封的容积’类似，可以理解的是，‘气密的’不一定 要隐含例如气密的粘接界面是无限的气密。可以理解的是，本上下文中的‘气 密的’能够形成如上文所描述的‘密封的容积’，可以通过‘气密的’接口来 包围如上文所描述的密封的容积。

‘抵接’可以被理解为邻接，例如物理接触。

‘能够在内部容积中移动第一镜子的装置’可以被理解为到被布置为用于 静电驱动的电极的电连接，到压电式元件(其中压电式元件可以被布置为用于 机械性驱动第一镜子)的电连接或能够实现热驱动的电连接，例如到电阻检测 元件的电连接使得能够通过电阻加热实现对第一镜子的加热。

在另一实施例中，提供了一种方法，其中形成粘接界面包括通过直接粘接 的方式形成粘接界面。‘直接粘接’可以被理解为基于基底的硅和/或复合半导 体通过例如熔合的直接粘接将它们的表面彼此粘接在一起。‘直接粘接’还可 以被理解为熔合粘接、硅-氧化物粘接、氧化物-氧化物粘接中的任何一种。该 实施例的优点在于，可以以很好地控制元件之间的距离的方式来形成粘接界面， 这是由于没有中间层影响或增加该距离，且此外在元件之间的距离可以被保持 在最小。因此，光腔长度可以被很好地限定和/或相对短地限定。可以理解的 是，为了准备用于直接粘接的样本，诸如化学机械抛光(CMP)之类的方法 可以用于减少下文要被直接粘接的表面的粗糙度，例如将表面粗糙度减少到低 于1nm，例如低于0.5nm。可以被看作优点的是，通过将其表面直接粘接，如 熔合，在一起的将被彼此粘接的基于基底的硅和/或复合半导体可以接触而无 需巨大压力、电场和/或中间层的任何协助。要注意的是，在由潘斯坦福出版 私人有限公司(2012)出版的由谈川森、陈宽能和斯蒂芬J.克斯特在参考文 献“用于VLSI系统的3D集成”中描述了直接粘接。

在另一实施例中，提供了一种方法，其中形成粘接界面的步骤之前是提供 高于或低于例如标准大气压的大气压的压力的步骤，或是提供与大气不同的流 体化合物的步骤，以在形成粘接界面的步骤之后在内部容积中提供高于或低于 大气压的相应压力，和/或以在标准大气压下在内部容积中提供与大气基本不 同的流体化合物，例如该流体化合物是具有高于或低于标准大气压的压力的气 体。该实施例的优点可以在于，低压便于实现可以以更少的阻尼移动第一镜子， 例如具有较高Q因子的第二镜子。本实施例的优点可以是，高压便于实现以 更多的阻尼来移动第一镜子，例如处于临界阻尼的第二镜子，其继而引起更快 的调整时间，即更少的振铃。在另一实施例中，该方法可以包括调节气体成分， 以与大气成分不同。例如，这对于改进内部容积中的气体成分的热属性可以是 有利的。

在另一实施例中，提供了一种方法，其中该方法包括将抗反射(AR)涂 层设置在界定了内部容积的第三元件的表面的至少一部分上。抗反射涂层是本 领域公知的，且其例如可以包括TiO₂/SIO₂、Al2O₃、SiO_N、BCB中的任何一 个。在一实施例中，AR涂层是介电涂层，例如氧氮化硅。在一实施例中，AR 涂层具有基本等于其被放置在其上的元件的折射率的平方根的折射率。

在一实施例中，在界定了内部容积的第三元件的表面的至少一部分例如在 表面上不存在抗反射涂层，例如由第一镜子和第二镜子限定的光腔包括在所述 光腔内的另外的镜子。

在另一实施例中，提供了一种方法，其中形成粘接界面包括放置元件以便 抵接第二元件和/或第三元件。这可以使得能够以相对简单的方式提供紧凑的 光子源。此外，该实施例可以导致具有与其关联的益处的部分的集成。

根据本发明的第二方面，提供了一种波长可调的光子源包括：

-第一元件，其包括第一镜子，

-第二元件，其包括第二镜子，

-第三元件，其包括光子发射器，

其中第一元件和第二元件以及第三元件被彼此相关地设置，使得

i.第一镜子和第二镜子定义了光腔的至少一部分，且使得

ii.光子发射器被放置在光腔内部，

其中在包含为密封容积的内部容积的相干结构中将至少第一元件和第二 元件以及第三元件连接在一起，例如粘接在一起和/或通过沉积连接，例如通 过物理的和/或化学的粘接剂连接，上述密封容积例如被密封以致空气和/或液 体无法进入内部容积或从内部容积出来，例如密封的内部容积是密闭的，例如 非固体的内部容积，且

其中相干结构包括邻接内部容积的粘接界面，其中粘接元件是气密的，其 抵接在第一元件的第一侧上以及第三元件的第二侧上，

其中

第一镜子被放置在内部容积中，使得第一镜子可以在内部容积中移动，例 如相对于第二镜子移动，且其中波长可调的光子源还包括能够在内部容积中移 动第一镜子的装置，例如用于电接入第一镜子的装置，例如用于静电移动第一 镜子的装置，例如移动第一镜子以使得能够改变光腔的腔长。

本发明的该方面具体且不排他地是有利的，因为在根据本方面的光子源可 以根据第一方面的方法实现。

在一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其被电泵，例如包括用于 电泵的装置，例如电极。电泵的优点可以是，一旦提供了用于电泵的结构，例 如连接到pn结的电极，仅通过提供电流就可以执行泵出，例如，与在光泵的 情况下相比，其可以被看作为相对简单。

在一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其被光泵，例如包括用于 光泵的装置，例如包括泵光源，例如泵激光器。泵光源可以发出具有与参考波 长相比较小的波长的光。光泵的优点在于，波长可调的光子源的结构可以保持 地相对简单，这是由于可以免除在电泵的情况下对例如电极的需要。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中能够在内部容积中 移动第一镜子的装置包括用于维持第一镜子与电极之间的电场的电极，例如电 极组，以便移动第一镜子，例如在朝向或远离第二镜子的方向上移动第一镜子。 电极可以从波长可调的光子源的外部电接入，且其可以被布置成使得电场能够 通过静电驱动来移动第一镜子。该实施例的优点可以在于，其能够实现以简单 但是有效的方式来移动第一镜子。在一实施例中，电极被布置用于远离第二镜 子地移动，例如静态移动，第一镜子。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中电场被布置用于在 远离第二镜子的方向上移动第一镜子。其优点可以在于，可以减轻所谓的吸引 效应。这对于第一镜子在比其共振频率显著低的频率处驱动，例如静态地驱动， 第一镜子的应用可能尤其相关。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中能够在内部容积 (214)中移动第一镜子(106)的装置包括用于维持在第一镜子(106)与电 极之间的电场的电极(418B、418C)，以移动第一镜子，其中电场被布置为用 于在朝向第二镜子(108)的方向移动。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中能够在内部容积 (214)中移动第一镜子(106)的装置(418B、418C、418D)包括：

i.电极(418C、418D)，其用于维持在第一镜子(106)与电极之间的电 场，以移动第一镜子，其中电场被布置为用于在远离第二镜子(108)的方向 上移动第一镜子(106)，以及

ii.电极(418B、418C)，其用于维持在第一镜子(106)与电极之间的电 场，以在移动第一镜子，其中电场被布置为用于在朝向第二镜子(108)的方 向上移动第一镜子(106)。

能够在两个方向有源地，例如静态地，移动镜子的优点可以在于，其使得 能够对镜子的移动进行更大的控制，因为其能够实现有源地，例如静态地，在 两个方向，例如远离和朝向第二镜子的方向，扰动和/或移动第一镜子。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中光子发射器是激光 增益介质，且其中波长可调的光子源被布置为能够发射激光。在一实施例中， 波长可调的光子源是波长可调的激光器。激光器是本领域公知的。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中第一镜子包括高对 比度光栅(HCG)。在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中光 腔包括至少一个抗反射涂层。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其被布置为用于以参考 波长拉姆达来发射光子，其中在第一镜子和第二镜子之间的光路径长度(OPL) 小于5倍的拉姆达(5×λ₀)，例如小于2.5倍的拉姆达(2.5×λ₀)，例如小于1.5 倍的拉姆达(1.5×λ₀)。小OPL的优点可以在于，其能够实现相对较大的自由 光谱范围和/或增加调节效率。在一实施例中，提供了一种小于4倍的拉姆达 (4×λ₀)的电泵腔长，例如小于2倍的拉姆达(2×λ₀)。在一实施例中，提供 了一种小于3.5倍的拉姆达(3.5×λ₀)的光泵腔长，例如小于2.5倍的拉姆达 (2.5×λ₀)，例如小于1.5倍的拉姆达(1.5×λ₀)。

当提及‘腔长’时，其与光腔长可互换地使用，其可以被理解为，针对单 次穿过腔的光路径长度(OPL)，例如在两个镜子(即第一和第二镜子)之间 的光路径长度。往返的路径长度可以是这些线性腔的两倍，且其将是由两个镜 子组成的腔的两倍。

‘参考波长’(拉姆达(λ₀))可以被理解为光子源的中心工作波长，例如 对于针对波长的激光功率图，其将被作为最高强度的波长给出，例如在正常使 用期间的最高强度的波长，该正常使用期间例如为第一镜子位于非驱动位置时。 在示例性的实施例中，参考波长可以处于1微米级，例如100nm-10微米中， 例如在350nm-5.5微米中，例如在800nm-3微米中，例如350nm，例如800nm， 例如1微米，例如1.3微米，例如1.5微米，例如2微米，例如3微米，例如 5.5微米，例如10微米。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其被布置为用于以参考 波长拉姆达来发射光子，其中沿光腔中的光路径的在内部容积中的第一镜子和 相对的固体元件之间的距离小于1.0倍的拉姆达(1×λ₀)，例如小于0.75倍的 拉姆达(0.75×λ₀)，例如小于0.5倍的拉姆达(0.5×λ₀)，例如小于0.25倍的 拉姆达(0.25×λ₀)。具有给定距离的实施例可以有利地被布置为和/或用于动 态驱动第一镜子。相对较小距离的优点可以在于，其能够实现相应的较小的 OPL。‘相对的固定元件’可以被理解为当在内部容积中在从第一镜子到第二 镜子的路径上行进通过非固体气体或流体时，光子遇见的为第一固体介质的元 件。在实施例中，相对的元件可以通过第三元件(可能包括抗反射涂层)来实 现。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其被布置为用于以参考 波长拉姆达来发射光子，其中沿光腔中的光路径的在内部容积中的第一镜子和 相对的固体元件之间的距离小于1/10λ₀，即0.1倍的拉姆达(0.1×λ₀)，例如小 于0.075倍的拉姆达(0.075×λ₀)，例如小于0.05倍的拉姆达(0.05×λ₀)，例 如小于0.025倍的拉姆达(0.025×λ₀)，例如小于0.01倍的拉姆达(0.01×λ₀)。 具有给定距离的实施例可以有利地被布置为和/或用于对第一镜子的静态驱动。 相对较小的距离的优点可以在于，其能够实现相应的较小的OPL。在具体的 实施例中，该距离可以小于1.0倍的拉姆达(1×λ₀)，例如小于0.75倍的拉姆 达(0.75×λ₀)，例如小于0.5倍的拉姆达(0.5×λ₀)，例如小于0.25倍的拉姆 达(0.25×λ₀)。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其被布置为用于以参考 波长拉姆达来发射光子，其中由粘接界面界定的面积小于参考波长的平方(拉 姆达＾2)的5000倍，即，小于例如小于参考波长的平方的2500 倍，例如小于参考波长的平方的1000倍，例如小于参考波长的平方的500倍， 例如小于参考波长的平方的250倍，例如小于参考波长的平方的100倍。在一 实施例中，该面积小于10000平方微米，例如小于5000平方微米，例如小于 2500平方微米，例如小于1000平方微米，例如小于500平方微米，例如小于 400平方微米，例如小于200平方微米。这样相对较小的面积的优点可以在于， 其使得波长可调的光子源能够经受在内部容积与周围环境之间的较大的压差。 在一实施例中，由粘接界面界定的面积被布置成使得在正常使用期间，在内部 容积与诸如大气之类的外部容积之间的压力差，例如1个大气压，不会导致内 部容积的壁的偏差超过1/1000拉姆达，例如超过1/100拉姆达。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中第一镜子的共振频 率高于0.5MHz，例如高于1MHz，例如高于5MHz，例如高于10MHz，例如 高于50MHz，例如高于100MHz。这样的相对较高的共振频率的优点可以在于， 其使得能够在相对小的功耗下以相对大的幅度在该相对高的频率下驱动即移 动第一镜子。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中相对于参考波长的 调节范围大于5％，例如大于7.5％，例如大于10％，例如大于12.5％，例如大 于15％。这样的相对较大的调节范围的可能性可以在于，光子源可以适用于更 宽的波长范围。在一实施例中，提供了一种光泵光子源，其中调节范围大于 10％，例如大于12.5％，例如大于15％。在一实施例中，提供了一种电泵光子 源，其中调节范围大于5％，例如大于6.5％，例如大于7.5％，例如大于10％。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中在内部容积中的压 力高于或低于大气压，例如标准大气压。

在另一实施例中，提供了一种波长可调的光子源，其中第一镜子被放置在 内部容积中，且其中内部容积的至少一部分被放置在第一镜子的面对光腔的一 侧，且其中诸如内部容积的另一部分的内容容积的至少一部分被放置在第一镜 子的相对侧，该相对侧例如为与第一镜子的面对光腔的一侧相对的第一镜子的 一侧。

从而，可以理解的是，第一镜子的面对光腔的一侧远离内部容积的外壁放 置，例如不与内部容积的外部接触放置，且第一镜子的相对侧远离内部容积的 外壁放置，例如不与内部容积的外壁接触放置。‘内部容积的部分’可以被理 解为内部容积的一部分，例如内部容积的子部分。‘内部容积的另一部分’可 以被理解为内部容积的另一部分，例如内部容积的另一子部分。

可以理解的是，

-在第一镜子的面对光腔的一侧的内部容积的部分，以及

-被放置在第一镜子的相对侧的内部容积的部分

可以流体连接，例如通过第一镜子中的贯通孔连接。具有这样的流体连接 的两个部分的优点可以在于，其能够确保在内部容积的两个部分中的每一个中， 例如在第一镜子的每一侧上的内部容积的部分中，的压力相同。

在一实施例中，密封的内部容积具有低于对应于10毫巴每10年的泄露率， 例如低于1毫巴每10年，例如低于0.1毫巴每10年。可以理解的是，当被放 置在标准大气条件下，可以针对波长可调的光子源给出泄漏率。

在另一实施例中，密封的内部容积具有在1个大气压差下不大于1× 10^-20cc气体/秒(其中cc指的是立方厘米)的泄露率，例如在1个大气压差下 不大于5×10^-21cc气体/秒，例如在1个大气压差下不大于1×10^-21cc气体/ 秒，例如在1个大气压差下不大于5×10^-22cc气体/秒，例如在1个大气压差下 不大于1×10^-22cc气体/秒。

在一实施例中，内部容积中的压力高于或低于大气压，例如高于或低于标 准大气压。

在一实施例中，密封的内部容积具有低于对应于10毫巴每10年泄漏率， 例如低于1毫巴每10年，例如低于0.1毫巴每10年。可以理解的是，当被放 置在标准大气条件下时，可以针对波长可调的光子源给出泄漏率，且其中在内 部容积中的压力高于或低于大气压，例如高于或低于标准大气压。

在另一实施例中，密封的内部容积具有在1个大气压差下不大于1× 10^-20cc气体/秒的泄露率(其中cc指立方厘米)，例如在1个大气压差下不大 于5×10^-21cc气体/秒，例如在1个大气压差下不大于1×10^-21cc气体/秒，例如 在1个大气压差下不大于5×10^-22cc气体/秒，例如在1个大气压差下不大于1 ×10^-22cc气体/秒，且其中在内部容积中的压力高于或低于大气压，例如高于 或低于标准大气压。

根据本发明的第三方面，提供了对根据第一方面或根据第二方面提供的光 子源的用途，用于产生光子，例如用于产生相对于彼此波长不同的多个光子。

本发明进一步可以涉及一种用于从通过根据第一方面或根据第二方面提 供的光子源中的光子发射器发射光子并移动第一镜子来产生光子的方法，例如 用于产生相对于彼此波长不同的多个光子。

在另一实施例中，提供了一种对光子源的用途，以进行光学相干断层扫描 (OCT)，例如所述光子源对于光学相干断层扫描的用途，其中第二镜子被动 态驱动，例如在低于标准大气压的压力下动态驱动，例如低于1atm，例如低 于1巴，例如低于100毫巴，例如低于10毫巴，例如低于1毫巴，例如低于 0.1毫巴。具有相对低的压力的可能的优点可能在于，第一镜子的移动的Q因 子增加，其继而可以使得能够使用更小的功率来实现该移动。

在另一实施例中，提供了一种根据针对光学通信的主张对光子源的用途， 例如所述光子源对于光学通信的用途，其中第二镜子被静态驱动，例如在至少 0.9巴的压力下被静态驱动，例如至少1巴，例如至少1atm，例如至少标准大 气压，例如高于标准大气压的压力，例如至少1.5巴，例如至少2巴。具有相 对高的压力的可能的优点可以在于，第一镜子的移动的Q因子被降低，例如 移动在阻尼下进行，例如在临界阻尼下进行。由于振铃被减小，这可以继而使 得镜子的位置的变化能够更快的实现。在第四方面，本发明涉及波长可调的光 子检测器，例如根据第一和/或第二方面的波长可调的光子源，其中利用光子 吸收器来替换光子发射器和/或其中光子发射器也可以充当光子吸收器。本方 面的优点可以在于，其使得能够实现对光子的波长选择性检测。可以理解的是， 在一些实施例中，提供了一种波长可调的光子检测器，其可以同时是波长可调 的光子源，例如其中光子发射器也可以充当光子吸收器。例如，光子发射器和 光子吸收器可以是相同的元件，例如其中当供应电流时发射光子且当光子被吸 收时可以产生可测量的电流。在一实施例中，波长可调的光子检测器包括用于 量化电流的安培表，例如指示一个或多个被吸收的光子的光电流。在进一步的 实施例中，还提供了一种光子发射器的用于电泵的电流源和/或用于光泵的光 源。

在一实施例中，根据第一方面和/或第二方的波长可调的光子源包括用于 电泵的电流源和/或用于光泵的光源。

本发明的第一、第二和第三方面可以各自与其他方面中的任何一个组合。 参考在下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的且被阐 明。

附图简要说明

现在将针对附图更详细地描述根据本发明的波长可调的光子源。附图示出 了一种实现本发明的方式且其不被解释为对落入所附权利要求组的范围中的 其他可能的实施例进行限制。

图1表示第一、第二和第三元件，

图2-3表示可调节的光子源的实施例，

图4表示可调节的光子源的详细示意图(侧视图)，

图5表示与图4中的示意图对应的示意图(顶视图)，

图6-14表示制造的方法。

具体实施方式

图1示出了包括第一镜子106的第一元件101，包括第二镜子108的第二 元件102，包括光子发射器110的第三元件103。元件被示出是间隔开的。可 以理解的是，附图是剖面侧视图，且上述元件可以具有任何的形状，例如当从 上方看时为圆形或方形。具体地，可以理解的是，附图图示了穿过第一元件的 剖面，且在第一元件101中的凹陷可以是包含第一镜子106的非贯通孔。

图2示出了波长可调的光子源200，包括：

-第一元件101，包括第一镜子106，

-第二元件102，包括第二镜子108，

-第三元件103，包括光子发射器110，

其中第一元件101和第二元件102和第三元件103彼此相关地放置，以便

iii.第一镜子106和第二镜子108定义了光腔的至少一部分，且以便

iv.光子发射器110放置在光腔的内部，以便从光子发射器110发射 的光子216可以直接进入到腔模中，

其中，至少第一元件101和第二元件102和第三元件103在包围内部容积 214的相干结构中彼此连接在一起(其中第一元件101和第三元件103粘接在 一起且第二元件包括设置在支撑结构上的第二镜子，该支撑结构粘接到第三元 件)，内部容积214是密封容积，且其中相干结构包括与内部容积214邻接的 粘接界面212(由在第一元件和第三元件之间的灰色区域图示)，其中粘接界 面212是气密的，抵接在第一元件101的第一侧上和第三元件103的第二侧上， 其中第一镜子106放置在内部容积214中以便第一镜子106可以在内部容积 214中移动，且其中波长可调的光子源200还包括能够移动内部容积中的第一 镜子的装置。附图示出了光子发射器被放置在光腔内部，在第一和第二镜子之 间，以便所发射的光子216可以从腔内发射并直接发射到腔模中。在另一实施 例中，第二元件可以大致由第二镜子组成，其可以直接设置在第三元件上，且 从而连接到第三元件。

图3是光子源300，除了在第三元件303的面对内部容积314的表面上设 置了抗反射涂层326之外，其类似于图2中的光子源200，上述涂层确保了对 于穿过该表面的诸如特定波长的光子的光子存在很少反射或没有反射。在图3 中示出的实施例中，所发射的光子316被直接发射到腔模内。此外，在该实施 例中，第二元件302由直接设置在第三元件303上的第二镜子308实现。

图4示出了可调节的光子源的详细示意图(侧视图)，在本实施例中，其 为电泵可调激光器，包括第一元件401，第一元件401包括：

-载体晶片420，诸如掺杂Si，

-间隔层422，其具有包围容积414较低部分的非贯通孔。间隔层422可 以是由HF蚀刻的SiO₂，

-第一镜子406，其是微机电系统(MEMS)镜子，例如在硅中制造的HCG，

-隔层424，例如热生长SiO₂或LPCVDSi₃N₄。

间隔层422的蚀刻可以以朝向硅基底的SiO₂的剩余厚度基本等于1/4参考 波长的奇数倍的方式来进行，从而朝基底提供了部分的AR涂层。

例如，第一镜子可以通过横跨放置第一镜子上的电极418C和放置在载体 晶片420上的电极418D施加电压来驱动，从而在第一镜子406和载体晶片420 之间生成电场，以将第一镜子406朝向载体晶片420吸引。通过以此方式施加 静态电势，镜子可以如由单头箭头434所指示的远离第二镜子地静态偏离。例 如，第一镜子可以通过横跨放置在第一镜子上的电极418C和放置在n掺杂半 导体428上的电极418B(其自身被放置在抗反射(AR)涂层426(例如， TiO2/SiO2,Al2O3,SiON)上)施加电压来驱动，从而在第一镜子406和n掺杂 的半导体428之间产生电场，以将第一镜子406朝向n掺杂的半导体428吸引。 通过以此方式施加静态电势，镜子可以在与由单头箭头434所指示的方向相反 的方向上朝向第二镜子地静态偏离。通过在电极418B和电极418C之间或者 在电极418C和电极418D之间施加动态变化的电势，例如具有与第一镜子406 的机械共振频率(或其泛音)的一半匹配的频率的在时间上正弦的电势，可以 动态地驱动第一镜子，以如由双头箭头436所指示的围绕其平衡位置动态地震 荡。第一元件401在气密粘接界面412处被粘接到第三元件403。第三元件包 括光子发射器410，其是有源电光材料(例如，量子井(QW))。在本实施例 中，光子发射器410包含在有源区域429中。在更通用的实施例中，有源区域 可以包括量子结构(例如，量子井、量子线、量子点等)。在本实施例中的第 三元件包括：

-抗反射(AR)涂层426(例如，TiO2/SiO2,Al2O3,SiON)，

-n掺杂半导体428，

-放置在光子发射器410上的电流限制结构430，

-p掺杂半导体432。

光子发射器410可以通过电极418A和电极418B(电极418A-B也可以被 看作第三元件403的一部分)被电泵。在可供替换的实施例中，光子发射器 410可以例如通过发射比光子源的参考波长更小的波长的光的外部光源而被 光泵，且其中来自外部光源的光通过例如第二镜子408被引导到光腔。

电流限制结构取决于材料系统。其是用于确保电流仅在结构的中部，例如 激光发射将发生的地方，运行的装置。其可以以许多方式来实现，例如通过隔 离材料(例如，形成AlOx的氧化了的AlGaAs或通过植入深陷阱的半绝缘半 导体，例如氢或铁)。可供替换地，可以通过n-p-n结构来控制电流，其中p-n 转换中的一个是隧道连接，其可以通过植入以形成电流壁垒来构图或混杂。可 供替换地，可以通过空气柱结构来控制电流。电流限制结构对于本领域的技术 人员而言是已知的，且例如在参考文献US2012/10008658A1中进行了描述(作 为‘介质孔径’或‘电流孔径’)，在此通过引用的方式将其全部并入。

光子源400进一步包括第二镜子408，在本实施例中其可以是DBR镜子 (例如，Si/SiO₂)。

附图进一步示出了腔414，即内部容积，其中第一镜子406可以移动。腔 414可以被保持在低于大气压的压力下，例如在真空中，其对于增加Q因子而 言是有利的(当在动态模式操作时，其可能是有利的)。可供替换地，腔中的 压力高于大气压，其对于增加阻尼可能是有利的(当在静态模式操作时，其可 能是有利的)。

在特定的实施例中，可以利用与大气不同的气体成分来填充腔414，例如 包括相对较高量的例如He、H₂或N₂。在内部容积即腔414内密封有惰性气体 可能是有利的，这是由于其可以改进热性能和/或增加或减小第一镜子406的 阻尼(例如，相对于，例如，在相同压力下的大气)。通常，可以理解的是， 本领域的技术人员可以选择压力和气体成分，以改进热传导和/或以增加或减 小阻尼，以具有专用于特定用途的属性(例如，相对高的热传导性和低阻尼)。 氦例如可以改进热属性，且由于其相对较低的粘性，其可以进一步减小阻尼(例 如，与在相同压力下的大气相比较)。在一实施例中，可以利用相对于大气而 言相对较高的热传导性和粘性的气体来填充腔414(例如，在0.1、0.5、0.75、 0.9、1.0、1.25、2atm的压力下)，例如六氟化硫(SF₆)。其优点可以是，其便 于实现将热远离第一镜子传输且可以同时确保高阻尼以避免振铃。

图5示出了与图4中的示意图对应的顶视图。

示例1-光子源的制造方法

在该示例中，描述了一种示例性的制造方法。

图6示出了GaAs/AlAs或GOI/SOI晶片(MEMS晶片)，例如，其由具有 指定厚度(或设备层可以被减薄)的晶片代工制造。所示出的结构，SOI晶片， 包括硅层620；所谓的BOX氧化层，其为SiO2层622(其大约为2微米厚)； 以及顶部硅层605(大约为580nm厚)。

图7示出了图6的结构，其中氧化硅层724(大约为388nm厚)通过顶部 硅层605(该氧化硅层将最终与图4中示出的隔层424对应)的上部170nm的 热氧化而生长。

图8示出了图7的结构，其中深UV光刻、纳米压印光刻或电子束光刻被 用于对高指数对比亚波长光栅(HCG)(其与第一镜子806对应)的干法蚀刻 掩模进行构图，其也形成了在顶部硅层605中形成的微机电系统(MEMS)。 通过反应离子蚀刻(本领域公知的)来转移该图案。

抗蚀剂938被涂布。UV光刻用于对抗蚀剂构图，该图案被转移至隔层724 以在SiO₂层622中形成非贯通孔，其中非贯通孔将形成内部容积的至少一部 分。隔层724仅在执行Si结构化的区域中被移除。其将保留在晶片的大部分 中且用于粘接。如在本领域中已知的，排气道可以被应用成粘接区域的一部分。

图9示出了图8中的结构，其中使用液体或气相氢氟(HF)酸来进行MEMS 的牺牲层释放(即，第一镜子806)(BOX氧化物622的蚀刻)。可以使用为 了改进粘附力Cr或用于提高抗蚀剂938的粘附力的其他已知方法。

图10示出了图9中的结构，其中通过氧等离子体灰化或溶剂来移除抗蚀 剂938，通过湿法蚀刻来移除可选的粘附层且使用临界点干燥在RCA1(NH₄OH： H₂O₂：H₂O)和RCA2(HCI:H₂O₂:H₂O)中清洁晶片。图8中示出的结构与对 应于图4中的第一元件401的第一元件1001相对应。

图11示出了半VCSEL结构，其由外延晶片代工制造。外延结构包括蚀 刻终止层1142，例如InGaAs；p掺杂层1132，例如InP：p；电流收缩1130 (隧道连接/质子植入/介电孔)；有源区域1129，其包括光子发射器1110、例 如多个量子井、例如AlInGaAs；以及n掺杂层1128，例如InP：n。作为使用 如所描述的电流限制的替代，可以使用蚀刻台面设计。附图进一步示出了基底 1140。介电涂层1144(抗反射涂层)被沉积在半VCSEL上，例如折射率基本 等于n掺杂层1128的折射率的平方根的氧氮化硅。

要注意的是，p掺杂层1132、电流限制1130、包含光子发射器1110的有 源区域1129以及n掺杂层1128与第三元件1103对应(对应于图4中的第三 元件403)，在本图中其可以是1.5-4.5λ厚，光子发射器1110为例如多个量子 井，量子井为例如AlInGaAs。在本实施例中，第三元件1103也包括介电涂层 1144。

图12示出了图11中的半VCSEL结构(尽管与图11相比较上下颠倒) 以及来自图10的第一元件，其中半VCSEL和第一元件(MEMS晶片)粘接 在一起(例如，使用融合接合)，以便在第一元件1001和第三元件(更具体地， 第三元件1103的介电涂层1144)之间形成气密粘接界面1212。

图13示出了图12中的结构，其中通过湿法蚀刻来移除基底1140(图11 中)，例如使用盐酸(HCI)。通过湿法蚀刻(例如，硫酸和过氧化氢的混合物) 来移除蚀刻终止层1142(即，InGaAs层)。

图14示出了图13中的结构，其中薄膜堆栈、与第二镜子(且其中第二镜 子与第二元件对应)对应的分布式布拉格反射器1408被沉积在揭开式抗蚀剂 上，该揭开式抗蚀剂通过光刻构图，或通过光刻和湿法或干法蚀刻构图。在可 供替换的实施例中，第二镜子可以被沉积在单独的结构上，该单独的结构与第 二镜子一起形成第二元件，其中然后第二元件被连接例如粘接到第一元件和第 二元件。

为了达到与图4中的光子源400类似的结构，UV光刻和湿法或干法蚀刻 可以用于对结构/台面构图，以使得内腔接触到n掺杂层。UV光刻和湿法或干 法蚀刻可以用于对结构/台面构图，以与第一镜子的部分即MEMS接触。电触 头通过UV光刻来构图，例如揭开式或湿法或干法蚀刻。可选地，金属可以在 过程中的任何时刻被沉积到晶片的背面。用于欧姆接触的金属堆栈是本领域公 知的。

总之，本发明给出了一种提供波长可调的光子源(200)的方法，包括将 具有第一镜子(106)的第一元件(101)、具有第二镜子(108)的第二元件(102) 以及具有光子发射器的第三元件(103)在包围内部容积(214)的结构中粘接 在一起，，并且形成粘接界面(212)，使得第一镜子(106)被放置在内部容积 (214)中，以便第一镜子(106)可以在内部容积(214)中移动，该内部容 积(214)是密封容积，该粘接界面是气密的。该方法提供了一种获得可调节 的光子源的相对简单的方法，其中内部容积是密封的。本发明进一步涉及相应 的光子源以及这样的光子源的用途。

虽然已经结合指定的实施例描述了本发明，但是其不应被解释为以任何方 式受限于所给出的示例。本发明的范围通过所附权利要求组陈述。在权利要求 书的上下文中，术语“包含”或“包括”不排除其他可能的元件或步骤。此外， 对诸如“一”或“一个”等之类的引用的提及不应被解释为排除多个。权利要 求书中针对附图中所指示的元件的附图标记的使用不应被解释为限制本发明 的范围。此外，在不同权利要求中提及的单个特征由可能有利地被组合，且对 不同权利要求中的这些特征的提及不排除特征的组合是不可行的和有利的。