MEMS positioners with silicon nitride waveguides for photonic integrated circuits alignment

Résumé

L'intégration de puces actives telles que les lasers et les amplificateurs optiques semiconducteurs avec la photonique sur silicium est essentielle dans les circuits intégrés photoniques. Le silicium, en tant que plateforme principale de l’industrie des semiconducteurs, n’est pas le bon substrat pour des puces actives efficaces. Ainsi, les puces actives fabriquées en externe sont actuellement intégrées à l’aide d’un assemblage flip-chip. Cependant, les désalignements verticaux et latéraux ainsi que les écarts horizontaux entre les guides d'onde des puces actives et les guides d'onde des puces de silicium sont des sources majeures de pertes optiques. Ce travail propose cinq dispositifs positionneurs MEMS pour assurer l'alignement dynamique des puces actives dans les circuits intégrés photoniques. Des dispositifs à plusieurs degrés de liberté (MDOF) ont été fabriqués et testés. Le premier dispositif est doté d'un actionneur piézoélectrique en nitrure d'aluminium pour assurer des déplacements vers le bas et vers le haut sur l'axe z. Le deuxième et le troisième dispositif utilisent des actionnements hybrides piézoélectriques-électrostatiques pour fournir respectivement des mouvements sur 2DOF et 3DOF. Tous les appareils sont équipés de peignes capacitifs pour suivre les déplacements, où une bonne corrélation entre la capacité détectée et les déplacements mesurés a été obtenue. De plus, l'alignement dynamique est assuré en activant plusieurs actionneurs à la fois et les guides d'ondes suspendus ont été alignés sur les guides fixes en compensant les désalignements dans le plan et hors du plan. Le quatrième appareil utilise trois actionneurs thermiques à chevrons pour fournir des mouvements 3DOF sur les axes x, y et z. Un déplacement important sur l'axe z a été obtenu grâce au flambage provoqué par deux forces thermiques opposées dans le plan. Le cinquième appareil fournit des mouvements dans le plan 2DOF sur les axes x et y à l'aide d'actionneurs thermiques. Les prototypes des dispositifs montrent que sur l'axe des x, le troisième dispositif fournit un déplacement total de 300 nm à ±100 V, tandis que le quatrième dispositif atteint un déplacement total de 6,7 μm à 105 mW. Sur l'axe y, des déplacements de 3,06 μm à 120 V, 10,9 μm à 140 V, 4,5 μm à 140 mW et 6,92 μm à 189 mW ont été obtenus respectivement par les deuxième, troisième, quatrième et cinquième dispositifs. Sur l'axe des z, les premier, deuxième, troisième et quatrième dispositifs assurent un déplacement respectivement de 1,3 μm, 3,16 μm, 0,63 μm à ±60 V et 7 μm à 210 mW. Contrairement aux quatre premiers positionneurs qui utilisent une couche de silicium sur isolant (SOI) de 10 μm d'épaisseur, le cinquième positionneur utilise une couche SOI de 59 μm d'épaisseur. De plus, ce positionneur est fabriqué avec un guide d'onde fonctionnant suspendu constitué d'un empilement de couches de dioxyde de silicium-nitrure de silicium-dioxyde de silicium. Le guide d'onde suspendu est viii séparé d’un autre guide d'onde fixe identique de 6,92 ± 0,01 μm. La fermeture de cet écart a permis d'obtenir une perte d'insertion minimale de -1,60 ± 0,06 dB dans la plage de longueurs d'onde de 1550 à 1620 nm, tandis que la fermeture de l'écart tout en maintenant un déplacement latéral de ± 2 μm peut fournir une atténuation allant jusqu'à 20 dB. Ainsi, le dispositif peut fonctionner comme un atténuateur ou un interrupteur optique marche/arrêt. L'appareil dispose de deux guides d'ondes de sortie suspendus séparés de 10 μm et moins de -40 dB de diaphonie entre les guides d'ondes a été observée.

Date	5 mars 2024
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Frédéric Nabki (Directeur(-trice)) & Michaël Ménard (Codirecteur(-trice))