集成光学微电子机械系统中应力和间隙缓解的结构和方法技术方案

硅光子学是如下候选技术，通过利用CMOS微电子工业的规模经济，并将诸如氮化硅(Si

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成光学微电子机械系统中应力和间隙缓解的结构和方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请案要求2018年11月8日提交的标题为“集成光学微电子机械系统中应力和间隙缓解的结构和方法”的美国临时专利第62/757,317号的优先权益，所述美国临时专利以全文引用的方式并入本文中。


[0002]本专利技术涉及集成光学MEMS(IO
‑
MEMS)概念，更具体地说，涉及建立用于缓解IO
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MEMS中波导对接耦合和间隙闭合中的应力影响的结构和方法。本专利技术改进了光学开关、光学组件封装、光学耦合和应力补偿组件制造的设计技术。

技术介绍

[0003]硅光子学(Silicon Photonics)是利用CMOS微电子产业的规模经济，为集成电路增加集成光学功能的一种很有前途的技术。硅光子学的一些变体可以使用其它材料作为波导芯，例如氮化硅(Si
x
N
y
)和氮氧化硅(SiO
x
N1‑
x
)。
[0004]微电子机械系统(MEMS)是小型集成装置或系统，其结合了硅集成电路中的电气和机械功能，但也可以采用其它材料系统。MEMS的尺寸可以从亚微米级到毫米级，并且在特定系统中可以有任何数量，从一个到几个，甚至可能有数千或数百万个。历史上，MEMS装置利用并扩展了硅集成电路行业的制造技术，即薄膜沉积、光刻、蚀刻等，以向硅电路添加梁、齿轮、膜片以及弹簧等机械元件，作为分立装置或与硅电子装置相结合。今天，MEMS装置应用的例子包括喷墨打印机墨盒、加速计、微型机器人、微型发动机、锁、惯性传感器、微型驱动器、微型镜、微型致动器、光学扫描仪、流体泵、换能器、化学传感器、压力传感器和业务传感器。这些MEMS系统能够在微观尺度上感知、控制和激活机械工艺，并在宏观尺度上单独或以阵列的形式发挥作用，已经成为一种成功的致动技术。
[0005]MEMS作为在自由空间中改变光路的结构，通常被称为传统的微光电子机械系统(MOEMS)。另一方面，集成光学MEMS或IO
‑
MEMS利用了MEMS的最新发展，实现了基于硅光子学的集成光学集成电路(IC)。在本专利技术引入能够实现对接耦合的间隙闭合波导之前，IO
‑
MEMS已被限制为水平或垂直致动的空气包层波导，与固定波导进行倏逝或绝热耦合。
[0006]因此，存在对MEMS致动的集成光学波导的间隙闭合和对接耦合的要求，以在MEMS致动的集成光学介电包层波导和位于同一芯片上的锚波导之间提供更有效、宽带和偏振不敏感的光学耦合。考虑到作为介电包层和波导芯的材料会在支撑波导的MEMS结构中产生显著的应力，从而导致MEMS结构的变形，专利技术人不得不设计两种不同的IO
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MEMS微制造工艺类别；首先是依赖于设计的工艺，图16
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22中描绘了本专利技术的示例性实施例，用于应力缓解的多种变体；其次是独立于设计的工艺，图23
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25中描绘了本专利技术的示例性实施例。此外，利用根据本专利技术实施例的这些工艺类别由专利技术人通过利用上述两个工艺类别的新IO
‑
MEMS设计来扩展，并且能够最小化间隙闭合和对接耦合时的光学失调。
[0007]因此，希望向电路设计者和生产团队提供独立于装置设计的电路设计方法，以便
消除针对特定设计的制造工艺的复杂且昂贵的生产调谐，并且可以将单个制造工艺/配方用于硅电子装置中来制造各种各样的装置。
[0008]此外，在光学装置中，将IO
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MEMS用于诸如开关之类的有源功能并向电路设计者提供构建块(例如光学开关统一单元)将是有益的，可以利用基于IO
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MEMS的配置，在IO
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MEMS元件之间具有或不具有中间光学电路，并且可以在小阵列和大阵列中光学互连，以实现小基光学保护电路开关或大基严格无阻塞或可重排无阻塞光学切换结构。
[0009]最后，到目前为止，当采用对接耦合而非表面光栅时，使用标准单模玻璃光纤(标准玻璃包层直径为125微米)封装IO
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MEMS需要光纤的有源对准。有源对准既麻烦又昂贵，因为在执行对准时需要用光和光电探测器动态跟踪耦合效率。表面光栅是带宽受限的偏振敏感装置，不适合用于光纤与光子集成电路的高性能耦合。
[0010]因此，希望通过对接耦合将标准直径单模光纤的无源封装建立到IO
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MEMS，既使用单个光纤，也使用多个光纤组件，也称为光纤带，通常12根或更多的光纤通过围绕其125微米直径玻璃包层的聚合物涂层连接在一起。
[0011]在结合附图回顾本专利技术的具体实施例的以下描述之后，本专利技术的其它方面和特征对于所属领域的一般技术人员将变得显而易见。

技术实现思路

[0012]本专利技术的一个目的是通过集成光学MEMS(IO
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MEMS)概念来缓解与传统微光电子机械系统(MOEMS)相关的现有技术中的限制，更具体地说是在IO
‑
MEMS中建立波导的对接耦合和间隙闭合，以改进现有技术中光学开关的设计、光学组件封装、光学耦合和应力补偿组件制造。
[0013]根据本专利技术的一个实施例，提供了一种制造光信道波导的方法，包括：在衬底上沉积包括第一预定厚度的第一二氧化硅层的下包层；在所述下包层上沉积包括第二预定厚度和第一预定宽度的氮化硅的光信道波导的芯并图案化；沉积上包层，所述上包层包括在所述芯和下包层顶部的第三预定厚度的第二二氧化硅层；和在第一预定条件下在氮环境中退火所得到的结构。
[0014]根据本专利技术的一个实施例，提供了一种光学装置，包括：形成在衬底上的输入波导，在形成在所述衬底中的第一面上的第一预定位置处具有第一端；形成在所述衬底上的输出波导，在形成在所述衬底中的所述第一面上的第二预定位置处具有第一端；可移动平台，包括形成在与所述第一面相对设置的可移动平台中的第二面；栅极波导，形成在相对于所述衬底悬浮的可移动平台上，在所述第二面上的第一预定位置处具有第一端，在所述第二面上的第二预定位置处具有第二远端；和微电子机械系统(MEMS)致动器，耦合到所述可移动平台；其中处于第一位置的所述MEMS致动器移动所述可移动平台，使得所述第一面和所述第二面被所述第一面和所述第二面之间的间隙隔开，使得在所述输入波导内传播的光信号经
由栅极波导最小地耦合到所述输出波导，或者在预定衰减下耦合；且处于第二位置的所述MEMS致动器移动所述可移动平台，使得所述第一面和所述第二面彼此接触，并且在所述输入波导内传播的光信号经由所述栅极波导耦合到所述输出波导。
[0015]根据本专利技术的一个实施例，提供了一种装置，包括：第一集成光学微电子机械系统(IO
‑
MEMS)元件，包括多个第一光波导，每个第一光波导将所述MOEMS元件一侧的多个端口的第一预定端口连接到所述IO
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MEMS元件同一侧的所述多个端口的第二预定端口；线性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造光信道波导的方法，包括：在衬底上沉积包括第一预定厚度的第一二氧化硅层的下包层；在所述下包层上沉积包括第二预定厚度和第一预定宽度的氮化硅的光信道波导的芯并图案化；沉积上包层，所述上包层包括在所述芯和下包层顶部的第三预定厚度的第二二氧化硅层；和在第一预定条件下在氮环境中退火所得到的结构。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述退火导致减少了TE和TM偏振的所述光信道波导的传播损耗。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述退火导致在所述光信道波导的芯的预定部分周围形成一层氮氧化硅。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述退火导致所述光信道波导的折射率在相对于所述衬底的垂直和水平方向上以非逐步方式从所述氮化硅芯向所述二氧化硅包层变化。5.根据权利要求1所述的方法，还包括：执行一个或多个另外序列，每个另外序列包括：沉积另一上包层，所述上包层包括在所述芯和下包层顶部具有第四预定厚度的第三二氧化硅层；和在第二预定条件下在氮环境中退火所述所得结构。6.根据权利要求5所述的方法，还包括：沉积包括第五预定厚度的第四二氧化硅层的最终上包层。7.根据权利要求5所述的方法，其中，多个沉积和退火步骤导致变化的氮氧化硅层围绕所述光信道波导芯的预定部分。8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述多个沉积和退火步骤导致所述光信道波导的折射率在相对于所述衬底的垂直和水平方向上以非逐步方式从所述氮化硅芯到所述二氧化硅包层变化。9.一种光学装置，包括：形成在衬底上的输入波导，在形成在所述衬底中的第一面上的第一预定位置处具有第一端；形成在所述衬底上的输出波导，在形成在所述衬底中的所述第一面上的第二预定位置处具有第一端；可移动平台，包括形成在与所述第一面相对设置的可移动平台中的第二面；栅极波导，形成在相对于所述衬底悬浮的可移动平台上，在所述第二面上的第一预定位置处具有第一端，在所述第二面上的第二预定位置处具有第二远端；和微电子机械系统(MEMS)致动器，耦合到所述可移动平台；其中，处于第一位置的所述MEMS致动器移动所述可移动平台，使得所述第一面和所述第二面被所述第一面和所述第二面之间的间隙隔开，使得在所述输入波导内传播的光信号经由栅极波导最小地耦合到所述输出波导，或者在预定衰减下耦合；且处于第二位置的所述MEMS致动器移动所述可移动平台，使得所述第一面和所述第二面
彼此接触，并且在所述输入波导内传播的光信号经由所述栅极波导耦合到所述输出波导。10.根据权利要求9所述的光栅极，其中，所述输入波导管的所述第一端相对于所述第一面具有第一角度；所述输出波导管的所述第一端相对于所述第一面具有第二角度；所述栅极波导的所述第一端相对于所述第二面具有第三角度；所述栅极波导的所述第一端相对于所述第二面具有第四角度；当所述MEMS致动器处于所述第二位置时，所述第一角度和所述第三角度在所述第一面和所述第二面之间的间隙内产生光信号；和当所述MEMS致动器处于所述第二位置时，所述第二角度和所述第四角度在所述第一面和所述第二面之间的间隙内产生光信号，所述光信号终止于开口间隙并且最小程度地耦合到所述栅极波导中。11.一种装置，包括：第一集成光学微电子机械系统(IO
‑
MEMS)元件，包括多个第一光波导，每个第一光波导将所述MOEMS元件一侧的多个端口的第一预定端口连接到所述IO
‑
MEMS元件同一侧的所述多个端口的第二预定端口；线性微电子机械系统(MEMS)转换器，耦合到所述IO
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MEMS元件以移动所述IO
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MEMS元件；多个第二光波导，限定在也形成所述IO
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MEMS元件的衬底上；其中在第一位置，所述IO
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MEMS元件将所述多个端口的第三预定子集耦合到所述多个第二光波导的第一预定子集，并将所述多个端口的第四预定子集耦合到所述多个第二光波导的第二预定子集；且在第二位置，所述IO
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MEMS元件将所述多个端口的第五预定子集耦合到所述多个第二光波导的第三预定子集，并将所述多个端口的第六预定子集耦合到所述多个第二光波导的第四预定子集；其中所述IO
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MEMS元件还包括间隙闭合功能。12.一种装置，包括：第一集成光学微电子机械系统(IO
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MEMS)元件，包括多个第一光波导，每个第一光波导将所述MOEMS元件一侧的多个端口的第一预定端口连接到所述IO
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MEMS元件同一侧的所述多个端口的第二预定端口；第一线性微电子机械系统(MEMS)致动器，耦合到所述IO
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MEMS元件，用于沿着平行于所述IO
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MEMS元件的具有所述多个端口的一侧的第一轴移动所述IO
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MEMS元件；第二线性MEMS致动器，耦合到所述IO
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MEMS元件，用于沿垂直于所述第一轴的第二轴移动所述IO
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MEMS元件；多个第二光波导，限定在衬底上，所述IO
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MEMS元件也形成在所述衬底上，所述多个第二光波导的第一端设置在所述IO
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MEMS元件的具有所述多个端口的所述一侧附近；其中，所述第二线性MEMS致动器将所述IO
‑
MEMS元件从在所述多个第二光波导的所述第一端和具有所述多个端口的所述IO
‑
MEMS元件的所述一侧之间具有第一预定间隙的第一位置移动到具有小于所述第一间隙的第二预定间隙的第二位置；当所述第二线性MEMS致动器处于所述第二位置时，所述第一线性MEMS致动器将所述
IO
‑
MEMS从第一位置移动到第二位置，从而：在所述第一位置，所述IO
‑
MEMS元件将所述多个端口的第三预定子集耦合到所述多个第二光波导的第一预定子集，并将所述多个端口的第四预定子集耦合到所述多个第二光波导的第二预定子集；且在第二位置，所述IO
‑
MEMS元件将所述多个端口的第五预定子集耦合到所述多个第二光波导的第三预定子集，并将所述多个端口的第六预定子集耦合到所述多个第二光波导的第四预定子集。13.一种微电子机械(MEMS)元件，包括：第一部分，限定沿所述第一部分的轴的第一剖面；第二部分，限定沿所述第一部分的所述轴的第二剖面；和多个静电致动器，沿所述第二部分布置以在至少第一位置和第二位置之间沿垂直于所述第一部分的所述轴的方向移动所述第二部分；其中，在所述第一位置，通过一个或多个第一间隙止动特征将机械地耦合到所述第一部分或所述第二部分的MEMS结构的运动限制在沿所述第一部分的所述轴的第一预定位置；和在所述第二位置，通过一个或多个第二间隙止动特征将机械地耦合到所述第一部分或所述第二部分之一的所述MEMS结构的运动限制在沿所述第一部分的所述轴的第二预定位置。14.一种光接口，包括：第一波导，位于设置在间隙一侧的集成光学微电子机械系统(IO
‑
MEMS)装置的第一部分上；第二波导，位于设置在所述间隙的另一侧的所述IO
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MEMS装置的第二部分上；其中所述第一波导耦合到模式扩展结构的第一预定部分；且所述第二波导耦合到所述模式扩展结构的第二预定部分；且当所述模式扩展结构的所述第一和第二预定部分对准并且在间隙闭合时，所述光信号从所述第一波导耦合到所述第二波导。15.一种装置，包括：第一集成光学微电子机械系统(IO
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MEMS)元件，包括机械地耦合到衬底的锚和在一端机械地耦合到所述锚的梁；第一光波导，沿所述梁和锚设置，终止于所述梁的末端上远离所述锚的预定点；微电子机械(MEMS)致动器，设置在沿所述梁的预定点处；以及多个第二光波导，机械地耦合到所述衬底；其中，所述MEMS致动器的致动导致所述梁在第一变形和第二变形之间的变形，使得在间隙闭合时，所述第一光波导从所述多个第二光波导的第一第二光波导耦合到所述多个第二光波导的第二光波导。16.一种装置，包括：四个集成光学微电子机械系统(IO
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MEMS)元件，每个元件包括：锚，机械地耦合到衬底；梁，一端机械地耦合到所述锚；第一光波导，设置在所述梁上，所述锚终止于所述梁的末端上远离所述锚的预定点；和
微电子机械(MEMS)致动器，设置在沿所述梁的预定点处；和多个第二光波导，机械地耦合到所述衬底；以及波导，在所述IO
‑
MEMS的所述固定部分上交叉；其中，每个IO
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MEMS元件内的所述MEMS致动器的致动导致所述梁在第一变形和第二变形之间的变形，使得所述第一光波导在间隙闭合时从所述多个第二光波导的第一第二光波导耦合到所述多个第二光波导的第二光波导；在第一配置中，向每个MEMS致动器施加第一预定电压导致所述梁的所述第一变形，使得第一对IO
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MEMS元件耦合到所述多个第二光波导的第一第二光波导的相对端，并且第二对IO
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MEMS元件耦合到所述多个第二光波导的第二光波导的相对端；且在第二配置中，向每个MEMS致动器施加第二预定电压导致所述梁的所述第二变形，使得所述第一对IO
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MEMS元件的IO
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MEMS元件耦合到所述多个第二光波导的第三第二光波导，并且所述第二对IO
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MEMS元件的IO
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MEMS元件耦合到所述多个第二光波导的所述第三第二光波导的另一端，且所述第一对IO
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MEMS元件的另一个IO
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MEMS元件耦合到所述多个第二光波导的第四第二光波导的一端，并且所述第二对IO
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MEMS元件的另一个IO
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MEMS元件耦合到所述多个第二光波导的所述第四第二光波导的另一端；且所述波导交叉在所述多个第二光波导的所述第一第二光波导和所述多个第二光波导的所述第二第二光波导，或所述多个第二光波导的所述第三第二光波导和所述多个第二光波导的所述第四第二光波导中实施。17.一种装置，包括：四个集成光学微电子机械系统(IO
‑
MEMS)元件，每个元件包括：锚，机械地耦合到衬底；梁，一端机械地耦合到所述锚；第一光波导，设置在所述梁上，所述锚终止于所述梁的末端上远离所述锚的预定点；和微电子机械(MEMS)致动器，设置在沿所述梁的预定点处；其中每个IO
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MEMS元件内的所述MEMS致动器的致动导致所述梁在第一变形和第二变形之间的变形；且在第一配置中，向每个MEMS致动器施加第一预...

【专利技术属性】
技术研发人员：‑，
申请(专利权)人：乔纳森，
类型：发明
国别省市：