CN105659126A - 具有机械元件和用于驱动和/或检测该元件的移动的光滤波器的光学机械装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的装置包括：支撑件(30)，在所述支撑件上有：机械元件(34)的阵列(32)，所述机械元件锚定至所述支撑件并能够相对于所述支撑件移动，以及驱动和/或检测装置，所述驱动和/或检测装置用于驱动所述元件和/或检测所述元件的移动或所述移动的频率变化。根据本发明，所述驱动和/或检测装置包括光滤波器(42)的阵列。每个滤波器在特定波长处谐振，并耦合至所述元件(34)中的一个。所述驱动和/或检测装置在所述元件与所述支撑件之间定位在所有或一些的所述元件的附近。所述光滤波器相对于所述支撑件固定，并且所述机械元件和所述光滤波器是叠置的。

Description

具有机械元件和用于驱动和/或检测该元件的移动的光滤波器的光学机械装置
技术领域
本发明涉及光学机械装置，该光学机械装置包括机械元件的阵列和用于驱动和/或检测机械元件的移动的装置。
本发明通过呈三维形态的光学机械耦合来特别地应用于MEMS或NEMS阵列的移动的驱动和检测。
值得注意的是，MEMS是微机电系统，NEMS是纳米机电系统。
更一般地说，本发明应用于所有类型的传感器(物理、化学或生物传感器)，特别是质量传感器和气体传感器。
背景技术
从以下文献已知具有谐振梁的装置：
S.Hentz的发明WO2012/034949，
S.Hentz等人的发明WO2012/034951，
S.Hentz的发明WO2012/034990。
MEMS和NEMS通常用作惯性传感器。在该方面，可以参考下面的文献：
N.Yazdi等人.(1998).微机械惯性传感器(MicromachinedInertialSensors),86(8)。
它们也用作质量传感器(例如，用于气体)。在该方面，可以参考下面的文献：
P.S.Waggoner等人.(2007).用于环境、化学及生物检测的微纳机械传感器(Micro-andnanomechanicalsensorsforenvironmental,chemical,andbiologicaldetection).Labonachip,7(10),1238-55。
诸如红外流量测量或质量测量的新应用需要使用多个MEMS或NEMS传感器(特别是由于捕获或冗余表面的增加)。在这方面，可以参考下面的文献:
L.Duraffourg等人的发明，US2013/0170517,具有频率检测的辐射热测定器(Bolometerhavingfrequencydetection)。
I.Bargatin等人.(2012).用于气体感应应用的纳米机电系统的大尺度集成(Large-scaleintegrationofnanoelectromechanicalsystemsforgassensingapplications).Nanoletters,12(3),1269-74。
M.S.Hanay等人.(2012).单蛋白质纳米机械质量团的实时光谱测定法(Single-proteinnanomechanicalmassspectrometryinrealtime).NatureNanotechnology,7(9),602-608。
现今，M/NEMS阵列主要被电力地寻址、读取和驱动。与这些成像器接近的读取电路例如已被提出-参见下面的文献：
B.Mesgarzadeh等人.(2009).用于低成本非冷却FPA红外网络相机的0.35μmCMOS中的低噪读出回路(Alow-noisereadoutcircuitin0.35-μmCMOSforlow-costuncooledFPAinfrarednetworkcamera).ProceedingsofSPIE,7298,72982F-72982F-8。
三维解决方案也已被提出-参见下面的文献：
T.Ernst等人的发明WO2011/154363。
T.Sakurai(2008).通过三维堆叠解决集成电路的问题--遇见时代的力量、完整攻击和NRE爆发以及关于未来的一点遐想(Solvingissuesofintegratedcircuitsby3D-stackingMeetingwiththeeraofpower,integrityattackersandNREexplosionandabitoffuture).ESSCIRC2008–34thEuropeanSolid-StateCircuitsConference,10-16。
当阵列的尺寸变得非常大时，从系统视角(例如，复杂的读取模式以便能够寻址许多像素而不会过分劣化传感器的检测性能)和技术视角(例如互连的密度)来看，寻址和读取策略变得非常复杂。
发明内容
本发明的目的在于解决上述缺陷。
为此，根据本发明的一个方面，使用用于对诸如MEMS或NEMS的机械元件的阵列进行驱动和检测的新的结构，所述结构结合至少一个光子回路。
具体地，本发明涉及一种光学机械装置，所述光学机械装置包括：
-支撑件，在该支撑件上有：
-机械元件的阵列，所述机械元件锚定至所述支撑件并能够相对于所述支撑件移动，以及
-驱动和/或检测装置，所述驱动和/或检测装置用于驱动所述机械元件和/或检测所述机械元件的移动或所述移动的频率变化，
所述光学机械装置的特征在于，所述驱动和/或检测装置包括光子回路，所述光子回路包含光滤波器的阵列，所述光滤波器的数量小于或等于所述机械元件的数量，每个光滤波器在特定波长处谐振，并光耦合至所述机械元件中的一个以彼此独立地驱动所述机械元件和/或检测所述元件的移动或所述移动的频率变化，所述驱动和/或检测装置在所述机械元件与所述支撑件之间定位在所有或一些的所述机械元件的附近，其中，所述光滤波器相对于所述支撑件固定，并且其中，所述机械元件和所述光滤波器是叠置的。
使用用于每个光滤波器的特定波长能够执行所述机械元件的寻址。因此，化学元件在所述阵列中的每个位置具有相应的给定波长。
本发明覆盖的装置的结构是三维型的。
根据本发明的光学机械装置的优选实施例，每个机械元件具有锚定至所述支撑件的至少两个端部。
根据本发明的优选实施例，所述驱动和/或检测装置在所述机械元件与所述支撑之间定位在所有或一些的所述机械元件的下方或上方。
根据本发明覆盖的光学机械装置的一个特定实施例，所述光滤波器是光学谐振器。这些光学谐振器可以从环形光学谐振器、圆盘状光学谐振器和光子晶体当中选择。
根据本发明的一个特定实施例，所述光子回路进一步包括至少一个光波导，所述至少一个光波导从所述光学谐振器的一边延伸到另一边并置于距所述光学谐振器的足够小的距离处以允许它们之间的光学相互作用。优选地，所述距离包含在从10nm到1μm的间隔内。
根据本发明的一个特定实施例，所述驱动和/或检测装置包括用于所述机械元件的电驱动的装置。
所述机械元件可以是悬挂元件，该悬挂元件可以被驱动或可能不被驱动。这些元件可以是谐振的。它们可以从悬臂、双嵌入式梁、板或圆盘当中选择。梁的截面可以是可变的(沿着所考虑的梁，可变的宽度或甚至可变的厚度)。
根据本发明覆盖的光学机械装置的一个特定实施例，每个机械元件包括垂直于所述支撑件并具有第一端部和第二端部的大致直线式的梁，所述第一端部锚定至所述支撑件。将所述梁附接至其支撑件有许多可能性：“刚性”嵌入或“柔性”嵌入。
所述梁的第二端部可以设置有垂直于所述梁并形成接纳区域的大致平面的板。
附图说明
当参照附图阅读下面提供的示例性实施例的描述之后，本发明将会被更好地理解，这些描述仅出于提供信息的目的并且是非限制性的，在附图中：
-图1是环状光学谐振器的示意性俯视图，
-图2是相对于根据本发明的装置的示例性三维结构的非常概略的示意图，
-图3A至3C示意性地示出了使用放置在MEMS或NEMS阵列下方的光子回路的读取和驱动MEMS或NEMS阵列的原理，
-图4是本发明覆盖的装置的一个示例的示意性透视图，
-图5是能够在本发明中使用的光电路的示意性俯视图，
-图6是本发明覆盖的装置的一个示例的局部示意性透视图，
-图7示意性地示出了本发明的一个示例中的用于读取和驱动MEMS或NEMS的示例性系统，
-图8A至8J示意性地示出了用于制造根据本发明的装置的方法的步骤，
-图9A至图9E示意性地示出了用于制造根据本发明的装置的另一方法的步骤，以及
-图10是本发明覆盖的装置的另一示例的示意性局部横截面图。
具体实施方式
在本发明中，诸如MEMS或NEMS的机械系统耦合至能够执行换能器功能(驱动每个微/纳米结构并检测其移动)的光子系统。应当注意，根据本发明的装置与传统的所谓MOEMS系统不同，传统的所谓MOEMS系统是执行如下光学功能的MEMS：
-移动微反射镜(例如，扫描仪或投影仪)或者
-在通讯系统中添加/去除光通道(波长通道)。
在此例中，诸如梁的悬挂结构由光学力调动。为此，满足将该结构布置在光在其中被引导的光波导附近。即使光能被限制在波导内部，波的一小部分(被称作“消逝波”)在波导的侧部上“溢出”。通过将机械结构放置在所述消逝波的影响区域中，MEMS或NEMS经受由电弹场的梯度引起的光学力，所述消逝波可以从几百纳米到10nm。该光学力非线性地取决于将光波导与结构分开的间隔，并与光波导中注入的光学功率成正比。该波导可以是简单的直线型波导或谐振环型的光学谐振器或光子晶体。在这方面，可以参考下面的文献:
M.Li等人.(2008).在集成光子回路中利用光学力(Harnessingopticalforcesinintegratedphotoniccircuits).Nature,456(7221),480-4。
C.J.Barrelet等人.(2006).混合单纳米线光子晶体和微谐振器结构(Hybridsingle-nanowirephotoniccrystalandmicro-resonatorstructures).Nanoletters,6(1),11-5。
有关不同的已知技术和不同的已知光学机械部件的概述，可以参考下面的文献：
D.VanThourhout等人.(2010).利用光梯度力的光学机械装置驱动(Optomechanicaldeviceactuationthroughtheopticalgradientforce).NaturePhotonics,4(4),211-217。
J.Ma等人.(2012).用于光信号芯片上操作的光学机械影响的应用(Applicationsofoptomechanicaleffectsforon-chipmanipulationoflightsignals).CurrentOpinioninSolid-StateandMaterialsScience,16(2),82-90。
NEMS或MEMS的移动引起将其与光波导分离的距离的变化。距离的这种变化导致对在波导中传播的波束的强度进行调制。这是光学驱动中起作用的反向现象(inversephenomenon)。消逝波或多或少被放置在其影响区域中的NEMS或MEMS的移动破坏。这是近场光学效应。
值得关注的是在NEMS或MEMS与诸如圆盘形谐振器、环船形谐振器或光子晶体的光学谐振器之间使用耦合。
这样的谐振器类似于法布里-珀罗谐振器。在这种情况下，前述的距离变化具有两个影响。
-光耦合的调制-波的强度然后作为谐振器与NEMS或MEMS(以强耦合模式)之间的间隔的函数被调制，以及
-谐振器的光频的调制(相当于光信号的相位的调制)。
由MEMS或NEMS的移动引起的相位调制甚至在光波导与MEMS或NEMS之间的弱耦合的情况下也是存在的。因此透射光强度的测量构成光学检测手段。该检测原理例如可以参考下面的文献得知：
G.Anetsberger等人.(2009).具有纳米机械振荡器的近场腔光学机械系统(Near-fieldcavityoptomechanicswithnanomechanicaloscillators).NaturePhysics,5(12),909-914。
M.Eichenfield等人.(2007).通过腔增强光学偶极力驱动微光学机械系统(Actuationofmicro-optomechanicalsystemsviacavity-enhancedopticaldipoleforces).NaturePhotonics,1(7),416-422。
应当注意，法布里-珀罗干涉仪包括两个相对的平面反射镜，该两个相对的平面反射镜间隔开给定的距离并形成具有高品质因数Q的光学谐振器。由此产生的光学谐振腔像仅选择一定内部传播模式的光滤波器一样作用。这些谐振光学模式间隔开自由光谱间隔FSI并具有谱宽δν。由此获得的谐振器的质量通过其光谱细度F＝FSI/δν来表征。光谱纯度与质量因数Q＝ν0/δν有关，其中，ν0表示与谐振腔的光学模式的中心波长相应的频率。
图1是环状光学谐振器2的示意性视图。在所示示例中，两个光学的、直线式的和平行的波导4和6放置在环2的两侧上。操作原理如下：
当光被注射到环状光波导中时，与光在法布里-珀罗谐振器中向后和向前行进很类似，该光在波导中旋转。
因此，该环构成光学谐振器，该光学谐振器仅引导具有与其长度成反比的特定频率的光学模式，该光学模式具有自由光谱间隔FSI，自由光谱间隔FSI不但取决于环的周长2πR，而且取决于耦合长度Lc，在该耦合长度Lc上直波导4和6对环2进行寻址(address)。
入射光被发送至波导4的一个端部B1。如果入射光具有宽光谱(一组波长λ1,λ2…λi…λn)，环将仅选择与其特定波长(或特定谐振频率)相应的波长λi。具有波长λi的光通过其一个端部B2退出波导6。其另一端部指示为B3。非选择光通过其另一端部B4从波导4离开。细度F，其中
F = π α | t 1 t 2 | 1 - α | t 1 t 2 | ,
与法布里-珀罗谐振器的细度相似。事实上它取决于环状波导的衰减系数α以及耦合器C1和C2的传输速率t1和t2，耦合器C1和C2分别由波导4和环2以及由波导6和所述环2来形成。
下面，我们将考虑本发明的不同方面。
这涉及通过使用包含所有必要的波导的光子回路(使用三维结构)来驱动和/或检测诸如MEMS或NEMS的机械元件的阵列的全部或部分，以及有利地读取和/或驱动由一个或多个MEMS或NEMS形成的每个像素。
图2示意性地示出了三维结构的一个示例，示出了两个平面8和10的堆叠。第一平面8由MEMS或NEMS的阵列构成，第二平面10由寻址和光学驱动/检测回路形成。
每个MEMS或NEMS被放置在光子回路的波导的影响(近场)区域中。“影响区域”指使光学力能够驱动微结构或纳米结构以获得约从1nm到100nm的移动的足够小的间隔差。有利地，该间隔距离介于10nm和1μm之间。MEMS或NEMS的平面8被放置在包含光学阵列的平面10的上方。通过这样的间隔距离，还能够执行每个像素的移动的光学检测。
图3A至3C示意性地示出了通过使用集成到MEMS或NEMS阵列中并放置在该阵列下方的光子回路来读取和驱动MEMS或NEMS阵列的原理。检测被光学地使用。驱动可以光学地或电力地完成。
在这些图的情况下，不但MEMS或NEMS阵列中的每个通过频分多路(frequencymultiplexing)来寻址，而且它们还彼此独立地被驱动。
图3A是两个叠置的芯片的示意性俯视图，两个叠置的芯片即芯片12和光学芯片14，芯片12支承MEMS或NEMS13并假定是透明的(仅为理解附图)。如果希望使用电驱动，我们还看到用于驱动电极16的互连件15。在所述示例中，每个MEMS或NEMS13的至少两个端部被锚定至芯片12。
图3B是光学芯片14的示意性俯视图，该光学芯片14支承环状谐振器18的阵列和光波导20，该光波导20稍微形成波状轮廓以沿着谐振器的阵列的每行延伸,如图所示。谐振器18相对于光学芯片14被固定。
图3C是支承MEMS或NEMS13的机械芯片12的示意性俯视图。能够再次看到互连件15和电极16。
光子回路包括分别被放置在待寻址的机械像素下方的光学谐振器(有利地，由硅制成的盘或光学环)的阵列。单纯为了提供信息并且是非限制性的，这样的阵列的布置可以与下面的文献中描述的光子天线的阵列类似：
J.Sun等人.,(2013).大规模纳米光子相控阵(Large-scalenanophotonicphasedarray).Nature,493(7431),195-9。
每个光学谐振器不仅是换能元件(用于驱动和检测，如上所述)，而且还是频率寻址元件。如上文关于法布里－珀罗谐振器和环状光学谐振器(图1)所看到的，每个光学谐振器事实上具有特定光学谐振。机械像素(MEMS或NEMS，或者MEMS或NEMS组)在机械元件的阵列中的位置可以然后在光学谐振器的自然频率上编码。然后通过频分多路能够执行希望驱动和/或检测的机械元件阵列的所有像素的同时寻址。有必要使用与待寻址的MEMS或NEMS一样多的光学谐振器。
应当注意，MEMS或NEMS可以是(机械地)谐振或非谐振的结构。在加速计的情况下，这些结构中的每个可以是试验质量。在该方面，可以参考下面的文献：
P.Robert等人.(2009).M&NEMS:用于超低成本3维惯性传感器的新方案(Anewapproachforultra-lowcost3Dinertialsensor).IEEESensors(pp.963-966)。
例如在质量传感器的情况下，这也可以是振动梁。在这方面，将参考前述的I.Bargatin等人(2012)的文章。
这也可以是在一定谐振微辐射热测定器中使用的类型的振动板，微辐射热测定器例如为在前述文献US2013/0170517中描述的具有频率检测的辐射热测定器。
图4是本发明覆盖的光学机械装置的一个示例的示意性透视图。该光学机械装置包括由硅基板30构成的支撑件。该光学机械装置还包括锚定至基板30并能够相对于基板30移动的机械元件34的阵列32。在示例中，这些元件34是MEMS或NEMS，例如纳米悬臂。它们形成在上层36上，上层36例如由硅制成。该层36通过例如由二氧化硅制成的牺牲层38靠置在基板30上。该光学机械装置还包括驱动交互装置40，以驱动机械元件34并检测机械元件的移动或检测它们移动的频率变化。
根据本发明，驱动和/或检测装置40是包括光滤波器42的阵列的光子回路，光滤波器42的数量与机械元件34的数量相等。每个光滤波器42相对于基板30固定，以特定波长谐振并光耦合至机械元件34中的一个。这能够彼此独立地驱动机械元件并检测元件34的移动或移动的频率变化。如所示的，驱动和检测装置在机械元件34与基板30之间被定位在机械元件34的附近、优选地被定位在机械元件34的下方或上方。
光滤波器42是光学谐振器，例如环形光学谐振器。
如所示的，光子回路40进一步包括例如由硅制成的成对的光波导44、46，成对的光波导44、46在光学谐振器的两侧上沿着光学谐振器的行延伸，并置于距这些光学谐振器的足够小的距离(优选地，从10nm到1μm)处，以允许所述谐振器与所述波导之间的光学相互作用。波导稍后将再讨论。
下面，对图4中所示的装置的操作原理进行解释。
与目标机械像素(或所有目标光学谐振器)相对应的所有光学频率被发送至同一输入波导44。
该发送由图4中的附图标记λs表示，其中，λs代表被发送至行i的波导44中的光学波长λi1、λi2、…、λij…λiM的组，M指示阵列42的列数。
谐振器可以将尺寸(关于环的情况下的半径或光子晶体的情况下的空穴的半径和空穴之间的节距)设置成具有不同的自然光学模式。(也能够通过在谐振环的两侧上或在其下方添加电极来考虑控制装置，导致硅指标的热控制和谐振光学模式的波长控制。对包含在波导中的载流子(电子或空穴)的数量进行调制的电光效应也能够调节指标。然而，该方法尤其对于阵列而言仍然实现起来很沉重)。
与行i和列j相对应的每个谐振器42仅选择与其自然谐振频率相关联的波长λij。相对应的自然谐振模式能够产生对编号为ij的MEMS或NEMS34(或MEMS或NEMS组)进行驱动的光学力Fij。
借助图4中的由光学谐振器反射并标记为λsr的信号来完成检测。编号为ij的MEMS或NEMS的移动xij导致通过波长λij来调制光学波的光强度Iij(强耦合的情况)。当MEMS或NEMS用作机械谐振器(用于质量检测)时，然后每个输出(反射)光学信号在振幅和频率方面被调制。这些调制取决于由MEMS或NEMS的移动引起的光耦合的调制。
也能够使用不同波长处的两个相干的光源(例如，两个雷射二极管)，以在驱动与检测之间限制串道(cross-talk)：第一波长λp用作泵频信号(驱动信号)，第二波长λst用作试探信号(检测信号)。当MEMS或NEMS是机械谐振器时，泵频信号的光强度在MEMS或NEMS的谐振频率处被调制。试探信号也在同一频率(或接近频率)处被调制，以执行信号的零差或外差检测。
在其简单的形式中，试探信号未被调制，但是为连续的。然后该试探信号将通过MEMS或NEMS的移动来调制。
在更复杂的实施例中，能够(更确切地说通过相)调制试探信号，以执行外差检测(参见下面图7的描述)。
要指明的是，编号为ij的每个光学谐振器具有与其他的光学谐振器不同的半径Rij，这能够获得具有不同于其他的波长λij的光学自然模式。该波长λij对置于考虑的谐振器上方的MEMS或NEMS的位置进行编码。能够检测传输的波长或反射的波长，这能够限制由光学驱动信号造成的连续背景。应当注意，能够发送用于驱动的一组泵频波长并通过另一系列的波长来检测MEMS或NEMS的移动，信号是反向传播的。在该情况下，通过装置(光子网络/MEMS或NEMS阵列组件)与检测器之间的光学滤波来容易地消除驱动。
图4中所示的装置的独创性在于使用光学力、近场光学检测和使用光学谐振器的通过波分复用进行的光寻址的结合来测量NEMS或MEMS阵列的响应。波分复用技术用作用于MEMS或NEMS的寻址技术。该寻址能够通过光学机械耦合进行，这改变了每个光学谐振器的自然波长。
图5是能够在本发明中使用的光学芯片即光电路48的示意性俯视图。这里，光学谐振器具有附图标记50。每个谐振器行由两个光波导构建，两个光波导即用于光学输入的驱动波导52和用于光学输出的检测波导54。因此，光学信号在不同的波导上被读取以将驱动和检测分离，从而限制串道。
图6是根据本发明的光学机械装置的一个示例的示意性局部透视图。它示出支承光电路的芯片56。固定的光学谐振器具有附图标记58。如图3B的情况，光波导60在谐振器的行之间延伸。芯片56靠置在印刷电路板62上。借助耦合布拉格光栅68和70将两个光纤64、66分别连接至波导60的两个端部。光纤64能够将来自外部激光源(未示出)的光注入到波导60中。光纤66能够重新获得来自波导60的光以将它发送至外部电路(未示出)，该外部电路包括光放大器、光解复用器和在光解复用器的每个输出处的光探测器。
也示出了定位于光电路上方的MEMS或NEMS的阵列72。额外地示出了设计用于MEMS或NEMS的光电驱动的电气连接件74，该光电驱动即示例中的热弹性驱动，该光电驱动使用适当电极75来完成。
让我们再回到图4。
检测到的信号被光过滤、光放大(例如，使用掺铒光纤放大器)并被光多路解编。对于MEMS或NEMS机械谐振器的阵列，还值得关注的是，通过对检测信号或与激励信号相同的频率处的试探信号或与MEMS或NEMS的谐振频率或微偏移频率相对应的泵频信号进行振幅调制或相位调制来执行同步检测。由在微不同频率下调制试探信号构成的该外差作用技术进一步能够在低频率处工作，同时消除连续背景并且消除低频率噪音。在该方面，将参考下面的文献：
I.Bargatin等人.(2005).使用压敏电阻信号下混音的纳米机械运动的感光检测(Sensitivedetectionofnanomechanicalmotionusingpiezoresistivesignaldownmixing).AppliedPhysicsLetters,86(13),133109。
下面简要描述的图7示意性地示出了能够读取并驱动MEMS或NEMS机械元件76的系统的一个示例。
激光源78(1530nm)通过强度调制器80调强并发射通过光波导81传输的光，并且能够使用环状谐振器82来驱动元件76。附图标记FPC1指示第一偏振控制器。附图标记Pd1指示用于检测已调信号的光探测器。信号与来自相位调制信号的光强度相对应，相位调制信号由光学谐振腔反射，其光学谐振腔的响应本身通过MEMS或NEMS的移动来调制(参见关于波导与MEMS或NEMS之间耦合的调制的说明)。
附图标记NA指示可选的网络分析仪。相位调制激光源83(1560nm)提供试探信号以检测元件76的移动。相位调制器84允许信号的外差检测和探测激光的稳定化(Pound-Drever-Hall技术)。在图7所示的示例中，谐振MEMS或NEMS的移动引起谐振腔的自然光学模式的变化，从而引起由光学谐振腔反射/过滤的光强度的变化。
附图标记FPC2指示第二偏振控制器，附图标记86指示50/50耦合器。附图标记88指示90/10耦合器。附图标记90指示掺铒光纤放大器。附图标记TOF1指示能够选择试探波长周围的信号的光滤波器。附图标记TOF2指示能够选择泵浦波长周围的信号的光滤波器。附图标记Pd2和Pd3指示光探测器。附图标记PC指示用于对信息进行处理的计算机。附图标记92指示电动混合器(使两个信号倍增)以便执行外差作用。附图标记94和96指示低通滤波器以仅选择调制频率。附图标记SA指示频谱分析仪(可选的)。
光波导基本上具有远远大于1GHz(相对于电气多路复用)的非常宽的带宽。因此通过波分复用能够获得对大的MEMS或NEMS矩阵的同时寻址。
为了增加像素的数量，能够将波分复用与时分复用结合。例如，对于MxN，排j的MEMS或NEMS列通过波分复用被同时寻址，M行通过时分复用被扫描。
应当注意，MEMS或NEMS可以使用电气装置来驱动，该电气装置可以集成到芯片(例如，静电、压电、热驱动)中或可能部集成到芯片中，检测保持光学性。
每个NEMS或MEMS可以支承相应的耦合器的两个臂中的一个。然而，它也可以构成耦合器的臂中的一个。NEMS或MEMS的移动引起耦合的调制。
在本发明中，机械元件可以呈例如圆盘、平盘或薄膜的形式。
对于光学机械装置的操作所必需的光源可以附接在该装置的光子部分上。并且，对于操作必需的光探测器可以集成或附接在所述光子部分中。
MEMS或NEMS可以具有多种尺寸。仅为了提供信息并且非限制性地，它们通常的长度从10μm到500nm，宽度从1μm到10nm，厚度从200nm到10nm。
下面，我们考虑根据本发明的装置的制造。
波导可以由刚性支撑件上的硅或氮化硅制成，刚性支撑件例如为硅钢板。也可以通过聚合物光波导在柔性基板上生产光子回路。
能够在本发明中使用的MEMS或NEMS可以由硅、氮化硅、二氧化硅、碳化硅或任何其他材料(甚至聚合物)制成。优选地，悬挂结构由硅、氮化硅或碳化硅制成。
I、制造方法的第一示例(图8A至8J)。
I.1光子晶片的制造(图8A)
为了制造装置，以BOX(隐埋氧化物)板100开始，BOX板100包括在硅基板104上的200nm厚的二氧化硅层102。该板构造为获得期望的光子回路(标准过程)。每个波导106由硅制成，并具有例如约100x100nm2到500x500nm2的截面。每个环状光学谐振器108具有约5μm到20μm的内径、约200nm到500nm的宽度以及约200nm到500nm的厚度。芯片内波导的通常长度将为约100μm到几毫米。
在该方面，例如可以参考下面的文献：
LaurentGrenouillet等人的发明，US2012/0063717，生产光子器件的方法和相应的光子器件(Methodofproducingaphotonicdeviceandcorrespondingphotonicdevice)。
ChristopheKopp等人的发明，US2010/0265504，具有耦合至一个或多个光波导的叠置光子回路的光学装置(Opticaldevicewithsuperimposedphotoniccircuitsforcouplingtooneormoreopticalwaveguides)。
I.2晶片的制备/保护(图8B和图8C)
氧化物细层110被沉积以例如通过PECVD来保护硅光波导。该层110的厚度例如为10nm。
接下来，牺牲多晶硅层112被沉积在大于500nm的高度上。该高度例如为550nm，以在最终释放时在使用的MEMS或NEMS与波导之间留下50nm的空间。(替代性地，能够在波导上或在先前沉积的数纳米的二氧化硅上直接沉积HfO2刻蚀阻挡层，以然后沉积例如550nm的氧化硅，它将用作由氢氟酸释放的牺牲层)。
测量10nm厚的最终的薄氧化物层114然后例如通过PECVD被沉积。(在前述替代性的实施例中，该步骤是没有用的。)
由此获得的结构116的表面是平坦化的并被清洗以使它为粘合做准备。层114在构造MEMS或NEMS期间用作阻挡层。
I.3上层、未来MEMS或NEMS层的粘合(图8D至图8F)
SOI型的晶片118被粘合在由结构116形成的光子晶片的表面上，晶片118包括500μm的背景Si120、400nm的隐埋氧化物BOX122和200nm的顶层硅124。晶片126和128的粘合例如是分子键合。要指明的是，能够使用Si晶片来代替SOI型晶片，该Si晶片被薄化，然后被平坦化直到获得期望的厚度为止。
接下来，产生的结构被薄化，以消除硅120的整个厚度(即500μm)以在隐埋氧化物(BOX)上显现。
然后隐埋氧化物122被移除(图8F)，顶层硅124被平坦化以获得约200nm到10nm的期望厚度。然后得到带有硅/氧化物界面的两个晶片的堆叠。因此，在构造MEMS或NEMS之前，SOI的形态被发现:200nm的顶层Si/10nm的氧化物/550nm的多晶硅。
I.4MEMS或NEMS阵列的构造(图8G至8I)
实施常规的光刻/RIE(反应离子蚀刻)步骤以在硅层124中构造MEMS或NEMS(例如，参见E.Mile等人的前述文章)。然后一个显现在测量10nm厚的氧化物层112上。(然而，在前述的替代性实施例中，一个直接显现在用作牺牲层的550nm的氧化硅上。)
接下来，MEMS或NEMS在例如10nm的厚度上被均匀地氧化(图8I)以在牺牲Si层释放期间保护这些MEMS或NEMS结构。由此产生的氧化物层具有附图标记126。(在前述的替代性实施例中，该步骤不是必要的。)
MEMS或NEMS阵列将具有比光子回路更小的表面以允许用于通过使用光纤将光注入的空间。
然后在必须被释放的区域上通过RIE(各向异性蚀刻)来实施氧化物(10nm+10nm)的蚀刻光刻。(在前述的替代性实施例中，该步骤不是必要的。)
I.5移动结构的释放(图8J)
通过使用XeF2的多晶硅的各向异性蚀刻来释放MEMS或NEMS结构。(在前述的替代性实施例中，使用了另一方法：使用氢氟酸通过对550nm的氧化硅进行蚀刻并止于HfO2来释放该结构。)
最终在涂覆有氧化物层的硅波导的上方获得由10nm的氧化物/200nm到50nm的Si/20nm的氧化物构成的悬挂MEMS或NEMS结构，该氧化物层的厚度介于5nm与10nm之间并且例如等于10nm。
II、制造方法的第二示例(图9A至图9E)
该第二示例与第一示例之间的区别在于MEMS或NEMS晶片在光子晶片上的粘合同时保留了凸起部分(在腔上粘合)。
光子回路保持相同。然而，对于其设计，有利地，可以提供大的粘合表面。例如通过分子键合直接完成将一个晶片粘合至另一个。支撑未来MEMS或NEMS的晶片由硅制成，并通过将构成粘合界面和牺牲层的氧化物来覆盖。
在图9A中，晶片130被示出对波导132和光学环134进行支撑。该光学环靠置在被晶片130包括的二氧化硅层136上。
还看到硅晶片140。它设置有通过PECVD获得并具有例如约10nm到500nm厚度的二氧化硅表面层142。该层142将用作牺牲层，以将光学谐振器与MEMS或NEMS结构之间的间隔固定。
图9B示出了彼此粘合的晶片130和140。然后晶片140的层142被粘合至晶片130的表面，该表面在图9A中具有附图标记138。
接下来(图9C)，晶片140通过物理化学铣削被薄化，然后完成最终平坦化(打磨)以获得介于10nm与200nm之间的期望厚度。
然后通过光刻/蚀刻来构造(图9D)MEMS或NEMS。附图标记144指示这些MEMS或NEMS，附图标记146指示其机械支撑件。
然后它足以(图9E)执行例如通过HF蒸汽蚀刻进行的释放。在所示示例中，位于光子回路下方的氧化物将在释放期间被轻微地蚀刻。这可以以不同方式被控制：牺牲层的氧化物没有置于光子回路下方的热氧化物更密实，因此比该热氧化物更快地蚀刻。也可以执行在先的氧化硅的各向异性蚀刻以限制HF等向性蚀刻时间。
III、制造方法的第三示例
从制造方法的视角来看，可以将两种标准“硅上光子回路”和“硅上MEMS或NEMS”结合：
-基底晶片可以是例如包括220nm厚的顶层和2μm厚的BOX层的SOI晶片。
-第一光刻/蚀刻周期能够在SOI晶片的顶层和耦合阵列中模制波导和光学谐振器，耦合阵列对于与光纤的连接是必需的，光纤用于将光学机械装置连接至激光和光探测装置。
-然后完成例如500nm厚的SiO2沉积。
-通过CMP(化学机械抛光)完成平坦化，并且停止该CMP以在光学谐振器与机械谐振器之间限定出垂直光学间隔。
-接下来沉积例如为20nm厚的HfO2层的阻挡层，以防止机械结构的释放还导致将光波导和光学谐振器释放。
-实施光刻/蚀刻周期以打开阻挡层/氧化物堆并模制用于未来机械结构的锚定件。
-沉积期望在其中形成机械结构的材料层。这例如是100nm厚的多晶硅层。
-对前一层实施光刻/蚀刻周期以限定机械谐振器。
-然后例如使用HF蒸汽蚀刻来释放机械结构。
先前所描述的根据本发明的光学机械装置包括谐振机械元件。然而，本发明不限于这些情况：根据本发明的光学机械装置可以使用一个或多个非谐振机械元件以例如检测诸如细胞力的力。在该情况下，光学机械装置未使用用于机械元件的任何驱动装置，而仅使用用于使用光学波来检测元件移动的装置，如参见上文的。
在本发明中，机械元件可以是校样块、振动梁或振动板。并且每个机械元件的至少两个端部可以锚定至其支撑件。
在本发明覆盖的装置的由图10示意性地示出的另一示例中，每个机械元件150包括直线式的梁152，梁152垂直于装置的基板并具有锚定至基板的一个端部。梁的另一端部设置有与梁152垂直并构成接纳区域的平板154，平板154能够接纳粒子156，粒子156能引起或改变机械元件的移动以便确定粒子的物理性能，例如其质量。
可以例如通过在支撑件上使用遮蔽技术以及在遮罩的开口中使用用于此类型模式的生长技术来完成在支撑件上制造直线式的梁。
要指明的是，根据本发明的一个特定的用途，机械元件能够接纳例如电磁型(热和/光学流)的外部流或者一个或多个粒子。因此，例如，流或粒子的接纳区域通过以下方式形成：
-在图3C的情况下，通过板状元件13，
-在图4的情况下，通过梁状元件34，以及
-在图10的情况下，通过板154。
这种流或这些流或者这种粒子或这些粒子能够引起或改变机械元件的移动，以便确定所述流或所述粒子的物理性能。

Claims (12)

1.一种光学机械装置，包括：
支撑件(30，150)，在所述支撑件(30，150)上有：
机械元件(13，34)的阵列(32)，所述机械元件(13，34)锚定至所述支撑件并能够相对于所述支撑件移动，以及
驱动和/或检测装置(40)，所述驱动和/或检测装置(40)用于驱动所述机械元件(13，34)和/或检测所述机械元件的移动或所述移动的频率变化，
所述光学机械装置的特征在于，所述驱动和/或检测装置(40)包括光子回路，所述光子回路包含光滤波器(18，42，50)的阵列，所述光滤波器(18，42，50)的数量小于或等于所述机械元件(13，34)的数量，每个光滤波器在特定波长处谐振，并光耦合至所述机械元件中的一个以彼此独立地驱动所述机械元件和/或检测所述元件(13，34)的移动或所述移动的频率变化，所述驱动和/或检测装置(40)在所述机械元件(13，34)与所述支撑件(30，150)之间定位在所有或一些的所述机械元件(13，34)的附近，其中，所述光滤波器相对于所述支撑件固定，并且其中，所述机械元件(13，34)和所述光滤波器(18，42)是叠置的。
2.根据权利要求1所述的光学机械装置，其中，每个机械元件具有锚定至所述支撑件的至少两个端部。
3.根据权利要求1或2所述的光学机械装置，其中，所述驱动和/或检测装置(40)在所述机械元件(13，34)与所述支撑件(30,150)之间定位在所有或一些的所述机械元件(13，34)的下方或上方。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学机械装置，其中，所述光滤波器是光学谐振器(18，42，50)。
5.根据权利要求4所述的光学机械装置，其中，所述光学谐振器(18，42，50)从环形光学谐振器、圆盘状光学谐振器和光子晶体当中选择。
6.根据权利要求4和5中任一项所述的光学机械装置，其中，所述光子回路进一步包括至少一个光波导(20；44，46；52，54)，所述至少一个光波导(20；44，46；52，54)从所述光学谐振器的一边延伸到另一边并置于距所述光学谐振器的足够小的距离处以允许它们之间的光学相互作用。
7.根据权利要求6所述的光学机械装置，其中，所述距离包含在从10nm到1μm的间隔内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学机械装置，其中，所述驱动和/或检测装置包括用于所述机械元件的电驱动的装置(15，16；74，75)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学机械装置，其中，所述机械元件(13，34)是机械谐振元件。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学机械装置，其中，所述机械元件(13，34)从校样块、振动梁或振动板当中选择。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学机械装置，其中，每个机械元件包括垂直于支撑件(150)并具有第一端部和第二端部的大致直线式的梁(152)，所述第一端部锚定至所述支撑件(150)。
12.根据权利要求11所述的光学机械装置，其中，所述梁(152)的第二端部设置有垂直于所述梁并形成接纳区域的大致平面的板(154)。
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