CN106537200A - 基于反射镜的微机电系统和方法 - Google Patents

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弗雷德里克·纳比克
穆罕默德·拉希姆
乔纳森·布里埃
菲利普·奥利维尔·比尤利
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Abstract

与大多数在多个光设备中两个不同位置之间简单切换的微机电系统设备配置不同，最新微光机电系统在所有转换位置中都很重要。它可以决定一个和其他应用中光延迟线路系统以及借此的光学相干断层成像术系统的特性、波长通道的数量和在其他应用中动态波长切换性能。微机电系统的作用非常重要，它可改变任一设备中不同波长的路径，有益于提升这种微机电系统的性能，并由此提升光组件和光系统等组成部分的性能。发明者对这种微光机电系统反射镜、平面内光处理的光波导技术以及中红外光谱学的设计和实施进行了改进。

Description

基于反射镜的微机电系统和方法
技术领域
本发明涉及微机电系统，尤其是微机电系统反射镜以及利用这种微机电系统反射镜元件的光组件的设计和强化。
背景技术
波分复用(WDM)已使电信服务供应商能够充分利用核心网络中光纤的传输容量。目前，远程网中现有技术的系统已增强了兆兆位每秒的容量。此外，通过提供多个独立的多千兆位通道，波分复用技术为服务供应商提供了建立和扩大网络直接方式，以支持有不同需求的多个客户。同时，这些技术已从局域网演绎到用户接入网以及数据中心，以支持数据持续发展的必然需求。为降低成本、增强网络灵活性、减少零部件并提供可重构性，许多服务供应商已将固定波长发送器、接收器和收发器改进成可调波长发送器、接收器和收发器以及波长相关分插复用器、空间开关等。
同时，成像技术方面的改进已对现代医学产生了重要的影响。成像是实现非侵入性诊断的一种有力工具，有助于规划和指导外科手术并有利于治疗监测。光学相干断层成像术(OCT)为一种新兴的成像技术，可提供高清晰度的三维图像。这种技术为一种非侵入性和非接触式技术。过去十年中，光学相干断层成像术已应用于一些医疗领域，包括眼科、皮肤科、心血管内科、口腔科、神经内科和消化内科。
用于光电信可调波长发送器、接收器和收发器的配备可能乍一看没有什么共同之处，医疗成像系统在循环速率超过1kHz和延迟范围超过3.33ps的视频帧率下运行，利用光学相干断层成像术来支持毫米深度穿透。尽管如此，这两种应用中，对减小刻痕、改进性能并降低成本的要求已实现单片光电路技术、光电混合集成的利用，以及诸如微机电系统技术(MEMS)的开发。
两种应用共同使用的微机电系统元件为能在电子控制之下偏移的微机电系统反射镜。然而，与利用微机电系统简单地在这些设备两个位置之间切换的大多数微机电系统设备配置不同，现有微机电系统在所有过渡位置中都起到重要作用。另外，根据本发明实施例所述的光系统设计中，所述微机电系统反射镜在平面内旋转。所述微机电系统的特性决定一个和其他应用中整个光延迟线路系统以及借此的光学相干断层成像术系统的特性、波长通道的数量和在其他应用中动态波长切换性能。微机电系统的作用非常重要，它可改变任一设备中不同波长的路径。
由此，它有益于提升这种微机电系统的性能，进而提升光学组件和光学系统等组成部分的性能。发明者从中受到启发，已对这种微机电系统反射镜以及支持这些设备概念延伸的光波导技术的设计和实施进行了一系列改进，例如在中红外光谱学方面。
通过参阅下文对于本发明具体实施例的说明并结合附图，本领域技术人员可清楚了解本发明的其它方面内容和特性。
发明内容
本发明的目的在于减少有关微机电系统现有技术的限制，尤其是微机电系统反射镜以及利用这种微机电系统反射镜元件的光组件的设计和增强。
根据本发明一个实施例提供的一种设备，包括微机电元件(所述微机电元件设有至少一个前表面和一个后表面)，以及邻近具有耦合表面的所述微机电元件而设置的光电路(所述耦合表面的轮廓与所述前表面相匹配)。
根据本发明的一个实施例所提供的一种设备，包括：
微机电元件，所述微机电元件设有至少一个前表面和一个后表面；
邻近具有耦合表面的所述微机电元件而设置的光电路，所述耦合表面的轮廓与所述前表面相匹配；以及
耦合至所述微机电元件的线性微机电致动器。
根据本发明的一个实施例所提供的一种设备，包括：
微机电元件，所述微机电元件设有至少一个前表面和一个后表面，并包括由预设陶瓷材料形成的预设部分；以及
邻近具有耦合表面的所述微机电元件而设置的光电路，所述耦合表面的轮廓与所述前表面相匹配，所述光电路包括波导，其芯由预设陶瓷材料形成。
根据本发明的一个实施例所提供的一种设备，包括：
包括设有枢轴点的微机电设备预设部分，并在致动作用下绕着所述枢轴点旋转的微机电元件；以及
连接所述微机电元件预设部分的锚部弹簧，其中，所述微机电元件旋转预设角度时，所述锚部弹簧顶着啮合所述微机电设备的预设部分。
通过以下对本发明的具体实施例及附图进行的描述，本领域技术人员将会对本发明的其它方面和特征有更清晰的了解。
附图说明
以下通过示例和参考附图对本发明的实施例进行说明，其中：
图1示出了根据现有技术的固定和可调半导体光源以及根据本发明一个实施例的可调半导体光源；
图2示出了根据本发明一个实施例的可调半导体光源；
图3A示出了根据本发明一个实施例的光学相干断层成像术(OCT)系统，以及用于硅微机电系统的偏振无关反射涂层的设计和性能；
图3B示出了根据本发明一个实施例，利用微机电系统反射镜的光学相干断层成像术的可调光延迟线路及其性能；
图4A示出了根据本发明一个实施例的微机电系统反射镜和可调光延迟线路组件；
图4B示出了根据如图4A所示本发明一个实施例中可调光延迟线路组件的可调延迟线路性能；
图5示出了根据本发明一个实施例的可调光延迟线路组件的可调延迟线路性能及其设计；
图6示出了根据本发明实施例，利用微机电系统反射镜的光谱仪设计；
图7示出了根据本发明实施例的光波导和微机电系统设计变型；
图8示出了根据本发明实施例，基于氮化硅芯波导线路的示意图以及随着所述微机电系统反射镜最大旋转角度的变化所得的光通道数量；
图9A示出了根据两种不同芯波导厚度的波导间间隙，氮化硅芯波导的波导间耦合强度；
图9B示出了布拉格光栅长度对氮化硅芯波导的光栅带宽；
图10至13示出了根据本发明一个实施例，布拉格光栅波导阵列和可调微机电系统反射镜的示例性制造流程；
图14示出了隔离波导和阵列中波导的硅脊形波导设计和模拟；
图15示出了根据本发明实施例，基于硅脊形波导线路的示意图以及随着所述微机电系统反射镜最大旋转角度的变化所得的光通道数量；
图16示出了随着脊形深度变化的硅脊形波导的布拉格光栅长度对光栅带宽；
图17至20示出了根据本发明一个实施例，布拉格光栅波导阵列和可调微机电系统反射镜的示例性制造流程；
图21示出了根据本发明一个实施例的半圆形微机电系统反射镜(SC-MEMSM)和致动器；
图22A示出了根据本发明一个实施例的半圆形微机电系统反射镜和致动器；
图22B示出了如图21A所示半圆形微机电系统反射镜致动器的元件；
图23示出了根据本发明实施例的半圆形微机电系统反射镜和致动器；
图24示出了根据如图21、22A和23所示的本发明实施例，所述半圆形微机电系统反射镜和致动器设计的模拟和测量旋转角度对静电致动器电压；
图25示出了根据如图21所示本发明一个实施例，140V偏压下半圆形微机电系统反射镜和致动器的光显微图以及用于设计的试验旋转角度对静电致动器电压；
图26示出了根据本发明一个实施例的半圆形微机电系统反射镜和设有用于调整将所述半圆形微机电系统反射镜从邻近结构隔离的额外线性致动器的致动器；以及
图27示出了根据本发明一个实施例的另一种半圆形微机电系统反射镜设计，其设有旋转致动器联合间隙致动器，用于调整所述半圆形微机电系统反射镜的间隙并闩锁/锁定致动器以使半圆形微机电系统反射镜固定于所设位置；
图28示出了根据本发明一个实施例、用于半圆形微机电系统反射镜设备的间隙致动器示例；
图29示出了根据本发明一个实施例、用于半圆形微机电系统反射镜设备的闩锁致动器示例；
图30示出了根据本发明一个实施例、用于半圆形微机电系统反射镜设备的闩锁致动器的闩锁示例；
图31示出了如图27所示半圆形微机电系统反射镜设计的模拟旋转角度对静电电压；
图32示出了用于如图28所示半圆形微机电系统反射镜间隙致动器的位移对静电电压；
图33示出了如图29所示、用于闩锁微机电系统反射镜旋转角度的半圆形微机电系统反射镜闩锁结构的位移对静电电压；以及
图34示出了如图30所示、用于锁定所述闩机制从而不利用静电控制便可将其定位的微机电系统反射镜闩锁的位移对静电电压；
图35示出了根据本发明实施例，用于减少微机电系统“吸入”的锚部弹簧的变型；以及
图36示出了如示意图27所示、利用旋转器微机电系统反射镜致动器、间隙拉近致动器、闩锁致动器和闩锁装配好的半圆形微机电系统反射镜的光显微图。
具体实施方式
本发明涉及微机电系统，尤其是光微机电系统反射镜以及利用这种微机电系统反射镜元件的光组件的设计和增强。
下文的实施例说明仅为示例性质，不限制本专利的范围、适用性或配置。当然，下文的示例性实施例内容将向本领域技术人员提供用于执行示例性实施例的适用性说明。需要了解的是，在不脱离上述所附权利要求书精神和范围的前提下，可对元件的功能和布局进行各种变型。
1.应用
1A：可调波长光源
上文所述的可调波长光源和/或接收器在当今光通信网络中发送器、接收器和收发器的配备，以及对具有动态波长分配功能的光网络、安装复杂性的降低、单独线路卡设计和可重构性的不断需求有着显著益处。现有技术中，已有一些方法应用于数据并同时实现了高性能发送器，但在组装复杂性、可达性能和高成本方面仍有局限性。两种利用现有技术的方法分别如第二和第三张图100B和100C所示，与其相比对的标准固定波长激光源如第一张图100A所示。
第一张图100A示出了双列线(DIL)包装配置的固定波长激光源，包括检测器光电二极管(未清晰示出)和安装在芯片载体112的激光二极管模具111，由于所述激光二极管模具111具有快速波长对温度曲线，因此所述芯片载体包括用于监测温度的热敏电阻(未清晰示出)。所述激光二极管模具111的输出经由光学透镜即光隔离器组件113耦合，从而聚焦在一个位置113，其中诸如箍圈组件114中的光纤被定位并组装，经由光纤尾纤115使光信号耦合至网络。例如，所述激光二极管模具111可以是分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射式(DBR)激光器或单片外调制分布式反馈激光器。
由此，第二张图100B示出了光纤尾纤和密封前的可设波长发送器组件。如图所示，所述组件包括激光器阵列121、微机电系统开关阵列122、监测器光电二极管123和波长锁定装置124。100GHz 1550nm所述波长锁定装置124提供了一种将所述激光器阵列121锁定至预设网格的工具，如长途通信周围的C波段网格。由此，所述激光器阵列121包括一阵列单片集成在同一半导体模具中的光源，如40个分布式反馈激光器。发送器选定波长的配备取决于所述激光器阵列121中适当的分布式反馈激光器电驱动电流的配备以及微机电系统开关阵列122的微机电系统开关元件的切换。这种方法不仅必须利用磷化铟(InP)M通道分布式反馈激光器阵列，还需要一阵列M微机电系统开关，因此成本很高。因此，有时从所述激光器阵列121到光纤(未清楚示出)的自由空间光学互连由波分复用器代替，如用同一模具上一阵列波导光栅(AWG)作为所述激光器阵列121。
第三张图100C示出了另一种利用外腔激光器(ECL)配置的可调波长发送器，其中，以具有一或零个高反射率平面并利用一或两个外反射镜形成谐振光学腔的激光二极管，代替了具有两个高反射率平面用于支持所需腔振荡以提供半导体设备中增益的激光二极管。此时，单独的外反射镜131与对于所述光纤尾纤135具有一个高反射率平面而对于所述外反射镜131具有一个低反射率平面的半导体光放大器(SOA)模具132同时使用。所生成的激光输出通过隔离器133和透镜134从半导体光放大器模具132耦合至光纤维尾纤135。此时，所述外反射镜132为提供波长相关反射率的可调法布里珀罗腔滤波器131，从而根据可调整发射波长的所述可调法布里珀罗腔滤波器131的设置，所述组件的输出为特定波长。但源的特性现由所述法布里珀罗腔滤波器的质量定义，即使在实施时使用微机电系统结构，也不会产生分布式反馈方法的旁瓣抑制。
这样，将有利于提供制造成本低廉的可调波长发送器，符合电信系统供应商和电信原始设备制造商(OEMs)的定价预期，从而在诸如光接入网络、局域网和数据中心实现高容量普遍布局。因此，发明者已建立用于1310nm或1550nm波长范围，利用磷砷化镓铟半导体光放大器的外腔激光器配置，联合硅微机电系统波长选择性反射器(MEMS-WSR)的混合电路实施方式。第四张图100D所示的方法利用了基于硅的微机电系统反射器，包括用于所述半导体光放大器145、可调微机电系统反射镜141和一阵列布拉格反射器143之间耦合的耦合区域144。光信号通过平面波导区域142在所述耦合区域144和所述布拉格反射器阵列143之间耦合，其中，来自所述布拉格反射器143的发散光信号由可调微机电系统反射镜141重新聚焦。由此，如第一和第二张图150A和150B所示，所述外腔激光器的波长操作从而由所述反射镜141的路径选择所控制，直至所述布拉格反射器阵列143中选定的布拉格光栅。
如图2所示的是第一和第二张图200A和200B分别示出的利用硅光子和微机电系统的外腔激光器的另一种配置200。由此，光增益元件210经由耦合区域220耦合到平面波导区域240。来自光增益元件210的发散光信号经由所述平面波导区域240和微机电系统反射镜230耦合至一阵列布拉格反射器250中选定的布拉格光栅，其中，所述微机电系统反射镜230是这样设计的，光信号耦合并重新聚焦至形成所述布拉格反射器250阵列中部分布拉格光栅的波导平面。
很明显，除了可调波长发送器，微机电系统反射镜联合一阵列布拉格反射器的方法也可形成诸如可调波长接收器、可重构光分插复用器(ROADM)、波长选择性光开关和其它波长选择性结构的一部分。
1B：集成的连续可调光延迟线
如上文概述，其中一种光学相干断层成像术方法为时域光学相干断层成像术，其中在可变延迟条件下扫描参考光信号，然后与从样本反射回的光进行比较以测量渡越时间。基本的时域光学相干断层成像术系统的图示参照图3中示意图300A。如图所示，宽带光源305的光输出通过环行器310耦合至无源分光器315，其中，它被分为两个部分：第一部分用于参考并通过驱动器330控制传输至可变延迟线路325；而另一部分用于扫描样本320。从样本反射回的光与所述参考相结合，产生的干扰由光探测器335截获。所产生的光探测器335输出通过去调制器340耦合至控制器345。所述光探测器335中产生的干扰图案用于产生沿所述样本320深度的图像。可变延迟线路325是时域光学相干断层成像术系统的主要组件，它用于定义扫描的最大速度和深度。
所述新型光延迟线路系统为微型以及现有技术中体积庞大的傅立叶域光延迟线路系统的新型设计版本，示例参见Rollins等在《体内视频码率光学相干断层成像术》(《光学快报》第3卷第6号21914)。本发明一个实施例中，来自集成光波导的光信号直接投射至微机电系统反射镜的主动面。根据本发明一个实施例，所述系统设计成可在硅绝缘体(SiO2)基板上实施，因为它是一种广泛使用、成熟和灵活的技术，且更易与微机电系统制造工艺结合。
然而，与利用微机电系统进行所述设备两个位置之间切换的大多数微机电系统设备配置不同，现有微机电系统在所有过渡位置中都起到重要作用。从而，所述微机电系统的特性在很大程度上决定了整个光延迟线路系统以及借此的光学相干断层成像术系统的特性。微机电系统的作用是改变不同波长的路径，从而在波长之间产生新的路径差以创造延迟时间。发明者已利用两种不同的微机电系统，且它们各自的特性如图3B中示意图300D所示，图中示出了集成的光机电系统的示例。整个系统适合于8mm×12mm的区域。来自宽带光源的光耦合至通过脊形波导350A形成延迟线路的平面波导350B。光束再传输进入所述平面波导350B，在那受到所有遇到的光栅和反射镜的反射。
第一和第二中阶梯光栅355和385分别提供所需的波长色散，从而进入所述设备的入射光信号根据波长分成多个路径，如图3B中不同线路所示。在本发明一个实施例中，如果p＝1.15μm且m＝1，则数据α＝38和β＝16分别为入射和反射角度。第一至第三反射镜360、365和395分别用于放大不同波长产生的路径差，不同波长之间的路径差产生时间延迟。第一至第三反射镜360、365和395分别为曲面，从而实现光信号的再聚焦，并防止波束离开所述系统，即使与微机电系统成不同倾斜角。第四反射镜385垂直于入射光信号用于将它们向后反射，从而所述入射光信号再穿过所述光路径回到所述脊形波导350A。第一至第四反射镜360、365、395和385的所有这些反射表面都通过平面波导的一个简单的蚀刻步骤实现。另一个反射元件为微机电系统380，可调谐由所述设备引起的延迟。假设硅的折射率是3.47且所有反射表面上的入射角度比16.75°临界角大，则可满足在这些表面上全内反射的条件。因此，第一至第三反射镜360、365和395不需要反射表面金属化，从而简化了制造过程。
此外，为避免通过使反射表面小于光束来裁剪光信号而导致损耗，所述设备中的所有光表面设计成至少为入射光束半径的三倍，这是由功率从峰值减小至1/e2所定义的。这确保了所述系统的剪切损耗可忽略。本发明一个实施例中的所述微机电系统布拉格反射镜380由5.5对厚度为7.8μm、长度为300μm、宽度为12.46μm的硅/空气接口组成，如图3A中所述平面波导350B和所述微机电系统反射镜380的侧视图300C所示。所述微机电系统布拉格反射镜380通过去除所述微机电系统布拉格反射镜380下、厚度为2μm的SiO2层而从基板释放，保留连接所述基板不可移动部分的固定锚部。图3A中示意图300B示出了所述微机电系统布拉格反射镜380上S和P偏振反射的模拟；所述微机电系统布拉格反射镜380经优化，从而在54条件下可形成适当的入射角。图3B中微机电系统示意图300E示出了微机电系统布拉格380及其梳状驱动的顶视图，锚部作为旋转中心。所述设备中最大损耗维持在所述微机电系统布拉格反射镜380和所述平面波导350B之间的空气间隙中，这是由从光波导进入自由区的近场衍射导致的。发明者实施的本发明实施例中，由于所述平面波导350B的厚度，因此光模相对较大为7.8μm而空气间隙很小。所述空气间隙取决于微机电系统角度并在约1μm至约23μm之间变化。此外，所述平面波导表面上、此接口处的反射设有聚对二甲苯抗反射涂层，其衍射影响最小。对于这种基板模式，反射光束和平面波导之间的耦合通常超过83％。
现在参照第二示意图400C，此处所概述的设计基本与图3B中示意图300D相同，除了微机电系统布拉格反射镜380由半圆形微机电系统反射镜(SC-MEMSM)480B代替。图4中半圆形微机电系统反射镜示意图400A示出了所述半圆形微机电系统反射镜480B及其旋转时变型(灰色底纹)的顶视图。为清晰起见，所述半圆形微机电系统反射镜锚部及其梳状驱动未示出。所述半圆形微机电系统反射镜为半盘形，厚度为7.8μm且半径为300μm，通过去除所述半盘下厚度为2μm的SiO2层而从基板释放，保留连接所述基板不可移动部分的固定锚部。
这种反射镜形状使所述微机电系统反射镜旋转时，反射镜和平面波导之间的空气间隙距离保持固定，从而保持低光损耗和恒定性。这对于使所有延迟设置点上的损耗尽可能保持统一尤为重要。最大损耗维持在空气间隙中，这是由从光波导进入自由区的近场衍射导致的。在所述系统中，由于波导的厚度，因此光模相对较大为7.8μm而空气间隙很小，其衍射影响最小。对于基本模式和0.98μm空气间隙，衍射光束和平面波导之间的耦合约为99％。此外，通过使用聚对二甲苯抗反射涂层并使空气间隙长度为所述宽带源中心波长的四分之一的奇数倍，来抑制反射。这最大限度地减少了因破坏性干扰而导致的不必要反射。
鉴于如第二示意图400C所示的光延迟线路的构架，所述半圆形微机电系统反射镜的致动需要仅在一个角度方向上完成，从而简化了所需致动器并减少了其对所述微机电系统反射镜上共振频率的影响。此外，梳状驱动器设有成角定子指状物，以确保所述梳状驱动器可充分地旋转，而其可移动指状物不会与所述定子指状物碰撞。所述半圆形微机电系统反射镜必须提供旋转位移θ，例如2°度。所述梳状驱动所需的垂直位移d通过几何学方程式(1)来定义
d＝AM tan(θ) (1)
AM为梳状驱动附件和反射镜中心点之间的距离，且θ为旋转角度。
通过分析和模拟可得到所述梳状驱动的最佳尺寸和位置。值得注意的是，将最大旋转角度定为2°，并将所述梳状驱动连接于距离所述反射镜中心点17μm处，则所述梳状驱动所需的垂直位移计算为小于0.6μm。所述位移通过1.8μm的最小梳状间隙以及24 150μm长乘以17μm宽梳状指状物实现。
图3B中曲线图300F示出了所引起的光延迟对旋转角度的一种情况，其中，以0°角度下的时间延迟作为参照。旋转角度在-2°≤θ≤2°变化时进行计算，通过采用所述制造工艺和设计的已应用的半圆形微机电系统反射镜设备来实现。可得的时间延迟差-6.9ps≤τ≤4.2ps使总时间延迟范围大于10ps。所述光学相干断层成像术时间延迟设备如图3B中示意图300D和图4A中400C所示，为时域光学相干断层成像术系统提供单片光延时线路有两个问题：制造工艺和角度延迟线性度。就前者而言，该设计中使用的反射镜为曲率半径14mm的圆柱形。如果我们考虑到光束具有约50μm的束腰，则曲面反射镜的深度约为22nm。这对于制造工艺有着重大的影响，原因是微制造技术对反射镜表面的可达分辨率会产生限制。这种分辨率程度不可能通过大多数较低成本和/或低复杂性的制造技术来实现。因此，设计中乃至曲面反射镜尺寸的变化对于成功大规模生产所示光延迟线路系统十分重要。
后一问题是针对延迟曲率，这是由于光电路中小群速色散(二阶色散)导致的。在高性能光学相干断层成像术系统中，二阶色散可限制分辨率，这种效果可通过更复杂的中阶梯光栅设计减弱，其中光栅周期是变化的。为阐述这两个问题，发明者构建了新型设备设计以及它们各自计算好的时间延迟轮廓。
在这些设计中，计算在5μm光栅周期、1.44μm硅以及第三光栅阶条件下进行。使用较高阶色散是有益的，因为它产生较大色散角度、明显地影响总路径差并进而生成较长延迟差。图4A中第一示意图400B示出了所述第二代时间延迟电路的第一种设计示例。宽带光的入口和出口与以往的设计相同，除了调整入射角度使中心波长的反射光垂直于光栅。所述系统由10个反射表面组成。其中两个分别为第一和第二光栅455A和490A。此时，选择第一光栅455A入射角度的方式为，反射光垂直于光栅表面而第二光栅490A上的入射角度垂直于光栅。这样做的原因是为了确保中心波长两侧的对称色散。
第一至第四曲面反射镜460A、465A、470B和475B用作体积庞大光系统的透镜，并重新准直系统内部的光。第一至第三平面反射镜470A、475A和485A提供所述结构的折叠以实现较小刻痕。所述半圆形微机电系统反射镜480A包括最后部的反射镜，这样放置使得所述表面上的光束重新聚焦/重新准直形成小尺寸光束，此时不超过200μm。所述曲面反射镜的半径与第一至第四曲面反射镜460A、465A、470B和475B相同。实际上，这些反射镜的半径确定系统的大小，且所述反射镜之间的距离定义路径差乃至所述延迟。例如，给出两种不同的设置，并计算延迟时间得出反射镜的两种不同曲率半径。
图4B中第一曲线图400D示出了所述延迟对旋转角度的一种情况，以0°角度的时间延迟作为反射镜曲率半径R＝1.725mm和第一光栅曲率半径R＝1.5mm的参照。这些相对较小的半径使得硅微机电系统设备制造工艺中常用的大规模制造技术成为可能。如果我们考虑到光束半径为50μm，则覆盖表面所需的反射镜深度为724nm。对于微制造，这个值已经足够大。对于旋转角度-2°≤θ≤2°，时间延迟差变化范围为-3.15ps≤τ≤3.15ps。所述设计允许6.3ps延迟差。所述旋转角度的延迟取决于高度线性，这种线性度意味着二阶色散(群速色散)已经减少。第二半径尺寸为R＝0.69mm，这为50μm光束半径提供了1824nm反射镜深度。这个值大于上一设计中的值，并且甚至可以考虑较低分辨率的制造技术。图4B中第二曲线图400E示出了所述延迟对旋转角度的情况。该计算表明旋转角度的变化范围为-2°≤θ≤2°。所述时间延迟差的变化范围为-1.4ps≤τ≤1.4ps，因此可得总延迟时间为2.8ps。
随后对其他设计进行了改动以产出第三代光时间延迟装置，如图5中第一示意图500A所示。为方便制造工艺，这种设计的变化在于第二光栅520的位置。仔细地在离所述第一光栅510 0.5mm处选择入口和出口。曲面反射镜的曲率半径为0.966mm，并且再次调整所述第二光栅520上的入射角使得反射光垂直于光栅。所述半圆形微机电系统反射镜在其表面重新准直光已覆盖非常小的表面。图5中曲线图500C中第一曲线540示出了光延迟对选择角度的一种情况。现在对于变化范围-2°≤θ≤2°的旋转角度，总延迟时间为3.6ps时，时间延迟差变化范围为-1.8ps≤τ≤1.8ps。
另一个设计选择是实施非对称设计，如图5中第二示意图500B所示，其目的是产生最大时间延迟差，但这会产生二阶色散。很明显，如第二示意图500B所示，该设计与上文提出的经过关键变化的设计十分类似。首先，所述半圆形微机电系统反射镜设于光电路中的稍前端，从而增加光谱色散光束的传输路径。这种设计称为不对称设计，因为光束不对称地色散于中心波长的两侧，且实际上产生群速色散。因此，对于-2°≤θ≤2°旋转角度(可通过所述微机电系统反射镜实现)，如图5中第二曲线550所示，所实施电路设计的时间延迟差在-2.0ps≤τ≤6.4ps范围变化，从而得到最大延迟变化范围8.4ps。而大于规模相当其他电路中所引起的延迟，则很明显应为非线性延迟对旋转角度轮廓，从而需要稍微增加控制器的复杂性，以便为期望延迟提供适当的旋转。
所模拟和实施的所述半圆形微机电系统反射镜设备的固有频率具有一个超过12kHz的固有频率。因此，频率约为10kHz时可扫描到所述延迟。
1C：光谱仪
在从研究到质量控制到安全的很多领域中，光谱法用于通过反射、发送或辐射的光来确定和/或监测材料，例如通过光致发光。不同材料中的每种材料都具有不同光谱，因此，通过这些光谱中一个或多个光谱既可确定合成物，也可判定一种材料的存在性。例如，一氧化碳的吸收线约为1.6μm、2.4μm和4.8μm，而甲烷具有更宽的吸收峰值约为1.7μm、2.3μm、3.2μm和7.9μm，氨的峰值约为2μm、2.3μm、3μm、6μm和10μm。在分析系统中，方法学通常用于扫描整个频率范围，以检测吸收带并进而将材料与所得光谱匹配。在检测/报警类应用中，已知相关材料，接着需要光谱仪来验证其是否存在吸收带。因此，处理较新型应用的光谱仪可能只需要监测一些波长。
如图6所示，根据本发明实施例的第一和第二光谱仪600A和600B具有形成压缩、单片实施方式的能力，且有可能实现低成本和小刻痕的目标。这种光谱仪可快速扫描预设范围或迅速逐步通过预设序列。第一光谱仪600A包括输入光波导6250，可选择性地用作来自外部环境直接耦合的光接口从而取代光纤、且耦合至平面波导6200。光信号反射自光栅6100并耦合至所述半圆形微机电系统反射镜6150，其中，它们的反射方向朝着输出波导6300。吸收器6350设于所述输出波导6300的两侧，用于吸收未耦合至所述输出波导6300的光信号，也可通过不同路径、在不同强度下反射并耦合至所述输出波导6300。因此，所述半圆形微机电系统反射镜6150的旋转产生耦合至所述输出波导6300的不同波长。所述输出波导6300可在可见和近红外(近IR)范围内耦合至光学光探测器或耦合至针对中红外的微测辐射热计。
类似地，第二光谱仪600B包括输入光波导6700，耦合至平面波导6600并进而耦合至光栅6750和设于所述吸收器6650之间的输出波导6700。但此时，从所述输入光波导6700至所述光栅6750的光路径通过第一反射器6500折叠且从所述光栅6750至所述输出波导6700的光路径类似通过第二反射镜6550折叠，并通过所述半圆形微机电系统反射镜6800导向。所述光栅6750类似于半圆形微机电系统反射镜设备，但现在后表面上蚀刻设有栅而非反射镜。因此，所述光栅6750对光束的角度可调整并且聚焦光信号可通过所述半圆形微机电系统反射镜6800导向。因此，所述第二光谱仪6800可通过折叠光路径和可旋转光栅提供增强的分辨率。
在本发明其他实施例中，如上文图4中第四张图100D和图2所示的反射式滤波器结构可用于逐步通过预设波长序列、由所述反射式滤波器定义，其中，反射信号通过环行器耦合至光探测器或测辐射热计。
2.不同光波导技术设计
2A：850NM和中红外-碳化硅芯
为光学相干断层成像术系统选择运行波长需在分辨率与穿透深度之间折衷。散射组织通常在1.3μm成像，而在眼科应用中，通常优选0.8μm作为处理视网膜的元件，参见Drexler等人所著《光学相干断层成像术：技术和应用》(斯普林格出版社，2008)中的示例。但这将有益于集成光时间延迟电路的广泛开发以及在这两种最小调整的波长范围内运行。但硅波导在1.1μm以下不透明。此外，对于其它应用，以分子光谱学为例，这将实现在3.0μm≤λ≤5.0μm中红外(mid-IR)中运行。化学计量非晶硅氮化物为透明的0.3μm≤λ≤11.0μm，而六方晶碳化硅传输光0.5μm≤λ≤20.0μm，参见Palik所著《固体光学常数手册》(学术出版社，1985)中的示例。这两种材料均可通过多种工艺沉积，使其易于且能够裁剪波导用于多种应用。而沉积的材料具有不同于所报道的散装材料的光学特性，文献中的试验测量表明，这些材料中的每一种均具有可容纳所需透明窗口上低损耗光波导的特性。
因此，发明者提出了一种支持微机电系统制成的新型集成波导结构，如第一波导的横截面700A所示，其中芯为碳化硅770且包层由氮化硅740形成。另一种设计具有在多层沉积氮化硅770的性能，可实现微机电系统元件，例如全部由碳化硅770制成的微机电系统反射镜，联合碳化硅光波导实施。根据本实施设备，除碳化硅和氮化硅以外可使用的其他陶瓷材料包括二氧化硅(SiO2)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)和金刚石(C)。
2B：电信窗口(1300nm和1550nm)-氮化硅芯
2B.1：光波导设计
如图7中第三波导横截面700B所示，根据本发明一个实施例的波导几何结构包括5μm二氧化硅730下包层、70nm氮化硅(Si3N4)740芯和5μm二氧化硅730上包层。如图所示的波导横截面700B中，光波导通过空气间隙耦合至所述半圆形微机电系统反射镜，形成所述半圆形微机电系统反射镜的材料堆与光波导的类似。
表格1示出了不同氮化硅740芯厚度下、根据不同空气间隙所计算的耦合。从该分析很明显看出，使所述氮化硅740芯变薄引起光束腰增加、200nm初始空气间隙处耦合增加以及为限制预设光插入损耗的空气间隙增加，例如1dB插入损耗代价(80％)。因此，对于有效波导模折射率1.492，光波导对空气的理想抗反射涂层的折射率为1.23。
表1：不同波导几何结构空气间隙长度的耦合效率
2B.2：微机电系统电路设计
如图8所示，微机电系统反射镜的第一到第三电路800A、800C和800E的设计半径分别为0.5mm、0.75mm和1.00mm。耦合至所述布拉格反射器的光波导与所述微机电系统反射镜的边缘间距均为200μm，并且从微机电系统反射镜的枢轴安装到光波导的距离均等于微机电系统反射镜的半径。因此，微机电系统反射镜在三种设计中所得的宽度，如图800A至800C中第一到第三电路所示，分别为500μm、750μm和950μm。因此，考虑到微机电系统反射镜的最大角移位为±3°，则上下端波导之间的侧向间距分别为52μm、78μm和105μm。第一至第三张图800B、800D和800F分别示出了间距分别为0.5μm和0.75μm的光波导可接入通道的数量。由此，对于间距为0.75μm的波导，设计半径为0.5mm、0.75mm和1.00mm时，最大可接入通道的数量为36(源自中心±18个通道)、54(源自中心±27个通道)和74(源自中心±37个通道)。通道间距为0.5μm的这些设计半径下，可接入通道的相应最大数量分别为40、60和80。
一旦光信号通过所述半圆形微机电系统反射镜耦合进入连接布拉格光栅的光波导，则应增加波导间距从而减少自所需波导至邻近波导的光(寄生)耦合。图9A中第一和第二曲线图900A和900B示出了根据波导间隙(间距)，针对厚度为70nm和100nm的氮化硅720芯所计算出的耦合系数。第一曲线图900A所示的情况分别代表1.8μm和4.0μm波导宽度，单模宽度限制约为4.5μm。第二曲线图所示的情况分别代表1.0μm和2.8μm波导宽度，单模宽度限制约为3.0μm。因此，表格2示出了对于长度为10mm的平行波导区域，目标波导和邻近波导之间20dB功率串音所得的波导间隙。
表2：70nm氮化硅芯布拉格波导段的波导间距
在所有波导模拟中，一种商业性微电子研究院(IME)工艺开发了假设248nm条件下，基于深紫外线光刻机的光刻术。这使得最小排斥距离为180nm和200nm。因此，布拉格光栅在厚度为70nm和100nm的氮化硅720芯中成型，进而建立带宽(Δλ)，所述带宽为光栅传递函数第一最小值之间的波长间距，如方程式(2)所示。
其中，δn0为具有和不具有光栅的波导折射率之间折射率中的变型，λ为中心波长，以及η为波导芯内功率级分。因此，图9B中第一和第二曲线图900C和900D分别示出了对于厚度为70nm和100nm的氮化硅740芯，当波导反射率值变化时，根据Δλ所需的光栅长度。当Δλ＝0.15的每个示例中，光栅长度必须大于10mm。表格3和4示出了针对分别在厚度为70nm和100nm氮化硅芯内、包层调制的一阶光栅的光栅设计和光栅模拟结果，其中，Λ为光栅间距、g为波导和光栅内边的隔离、w为光栅元件的宽度。
厚度(nm) NP Λ(nm) g(μm) w(nm)
70 8322 533 1.000 180
100 8123 527 1.050 180
表3：氮化物芯波导设计的光栅设计参数
表4：氮化物芯波导设计的光栅假定和模拟
2B.3：微机电系统流程
如图10中第一张图1000A平面图所示，波长相关反射器(WADER)电路包括与梳状驱动1010连接的半圆形微机电系统反射镜1020，且布拉格反射器阵列1040包括将光耦合进出所述波长相关反射器电路的中心通道波导1050和设于所述通道波导两侧的布拉格波导阵列1060。在所述波长相关反射器电路的其它实施例中，所述布拉格波导1060可对称设于通道波导的两侧、以不同的通道数量不对称设于通道波导的两侧，以及不对称设于通道波导的一侧。这种设计可能考虑的因素包括但不限于所述半圆形微机电系统反射镜1020的角度旋转范围、波长通道数量、所述微机电系统梳状驱动1010的设计、其他光元件的位置(例如光增益元件、光探测器等)和所述微机电系统梳状驱动1010静电驱动电路的设计。
因此，图10中第二示意图1000B所示的是所述波长相关反射器电路横截面的截面图，其包括二氧化硅(SiO2)730、硅(Si)720和铝(Al)710，已经过图案化和蚀刻处理。对于一般硅绝缘体(SOI)基板，硅720的厚度为5μm。厚度为300nm的所述铝710经过光刻工艺图案化后可能会溅射，可利用标准铝湿蚀刻工艺将其去除。随后的第三示意图1000C示出了所述波长相关反射器电路，所述暴露硅720经过光刻图案化和深蚀刻处理后，利用六氟化硫(SF6)和八氟环丁烷(C4F8)深反应离子蚀刻(DRIE)工艺去除了4.5μm，之后去除抗蚀剂。
现如图11中第四示意图1000D所示，所述沉积的所述光波导层堆包括4μm二氧化硅730、100nm氮化硅(Si3N4)740和4μm二氧化硅730。例如，该沉积物可通过化学汽相沉积(CVD)形成。随后的图11中第五示意图1000E示出了所述波长相关反射器电路，定义光波导和梳状驱动开口后，利用纵横比为1:1.6的SF6-C4F8-氩(Ar)深反应离子蚀刻工艺来蚀刻4μm二氧化硅730-100nm氮化硅(Si3N4)740-4μm二氧化硅730堆，并且利用纵横比为1:1的SF6-C4F8深反应离子蚀刻工艺定义梳状驱动来蚀刻5μm硅720。
随后，图11中第六示意图1000F示出了所述波长相关反射器电路的横截面，形成了所述空气间隙且去除了所述梳状驱动等顶上光波导的多余区域。利用纵横比为1:8的SF6-C4F8-氩(Ar)深反应离子蚀刻工艺实现这些步骤，以蚀刻所述二氧化硅730-氮化硅740-二氧化硅730堆，并且利用纵横比为2:1的SF6-C4F8深反应离子蚀刻工艺定义梳状驱动来蚀刻0.5μm硅720。而前述步骤通过大约5μm的临界尺寸实施，空气间隙光刻工艺的临界尺寸大约为1μm。所述流程的一个变型中，如第五和第六示意图1000E和1000F所示，工艺顺序可以对调，从而去除了多余的波导堆并且在蚀刻致动器前定义了波导。
随后如图12中第七示意图1000G所示，利用纵横比为1:8的SF6-C4F8-氩(Ar)深反应离子蚀刻工艺光刻定义并蚀刻所述光布拉格反射器的布拉格光栅段以部分蚀刻包括二氧化硅730的上包层。鉴于布拉格光栅工艺的需求，约180nm或更高的分辨率在此阶段是必需的。
现如图12中第八示意图1000H所示，金(Au)780的反射层在半圆形微机电系统反射镜的侧壁上沉积并图案化，且抗反射(AR)涂层在半圆形微机电系统反射镜侧壁及空气间隙两侧的光波导侧壁上沉积并图案化。例如抗反射涂层可为厚度为280nm的氟化镁MgF2。随后如第九张图1000I所示，保护波长相关反射器电路的前表面以进行晶片背侧的工艺步骤。由此，厚度为5μm的聚酰亚胺750可旋涂至晶片并固化，例如300℃2小时。可选地，在这点上，可使用例如化学机械抛光(CMP)使基板变薄。
如图13中第九示意图1000I所示，基板(例如硅)经过光刻处理以定义所述微机电系统梳状驱动下的沟槽和所述波长相关反射器电路的半圆形微机电系统反射镜段。例如，可以利用停留在所述二氧化硅720层上的SF6-C4F8深反应离子蚀刻来实现。随后如第十示意图1000J所示，在脱胶、晶片切割、通过例如等离子体灰化将聚酰亚胺去除以及为连接通道波导和光纤对波长相关反射器电路模具侧壁机械抛光后，利用例如反应离子蚀刻工艺将二氧化硅720从背侧蚀刻。
2C.电信窗口(1300nm和1550nm)-硅芯
2C.1光波导设计
如图7中第二波导横截面700C所示，根据本发明一个实施例的波导几何结构包括下部二氧化硅730下包层、硅720芯和空气上包层。如图所示的波导横截面700C中，光波导通过空气间隙耦合至所述半圆形微机电系统反射镜，形成所述半圆形微机电系统反射镜的材料堆与光波导的类似。
但由于用于单模波导的硅(Si)的厚度限制为220nm，对于微机电系统设备而言太薄了。但厚度为1μm时，模态指数为n＝3.405,3.203,2.845,2.281,1.487的硅中存在五种模式，相应地，可利用脊形波导几何结构来选择基本模式。考虑到折射率，在所述光波导和半圆形微机电系统反射镜的空气间隙上的所述抗反射(AR)层可由折射率为1.66的聚对二甲苯形成。所述抗反射涂层的厚度为233nm。
表格5示出了不同硅720芯厚度下、根据不同空气间隙所计算的耦合。从该分析很明显看出，使所述硅720芯变薄引起光束腰减小、200nm初始空气间隙处耦合减小。因此，对于预设光插入损耗限制应优选增加的厚度，例如1dB插入损耗代价(80％)。
表5：不同波导几何结构空气间隙长度的耦合效率
图14中第一张图1410示出了所述硅绝缘体(SOI)脊形波导的横截面，包括二氧化硅740下包层(绝缘体)和原始厚度为H、已通过蚀刻形成的脊形硅730，其中，剩余邻近的脊形硅730为高度r.H的平板。所述脊形波导为空气790包层。因此，下列表格6示出了根据脊形波导高度为H，最大限制的波导几何图形。第二示意图1420示出了所应用的脊形波导模结构的一个示例。
高度(H) 3.40μm 2.00μm 1.00μm
厚板(r.H) 2.04μm 1.20μm 0.51μm
宽度(W) 2.17μm 1.40μm 0.52μm
基本模式宽度 3.00μm 2.50μm 2.00μm
表6：最大限制下不同脊形高度的单模脊形波导
如果所述平板波导彼此放置得过于接近，则所述脊形波导之间会发生严重泄漏(交叉耦合)。因此，根据本发明实施例，需要对它们之间的隔离设一个下限，从而减少设备中的通道数量。第三和第四张图1430和1440分别示出了脊形阵列，其中，光耦合进入第三张图1430中的中心波导以及第四张图1440中的一对邻近波导。在每种情况下，所述邻近波导之间的功率耦合均很明显。因此，与上文第2B段氮化硅设计分析中隔离为0.50μm和0.75μm相比对，所述硅绝缘体脊形波导设计分析中的隔离分别为4.50μm和5.5μm。
2C.2：微机电系统电路设计
如图15所示，半圆形微机电系统反射镜的第一到第三电路1500A、1500C和1500E的设计半径分别为0.5mm、0.75mm和2.00mm。耦合至所述布拉格反射器的光波导与所述微机电系统反射镜的边缘间距均为200μm，并且从微机电系统反射镜的枢轴安装到光波导的距离均等于微机电系统反射镜的半径。因此，所述半圆形微机电系统反射镜在三种设计中所得宽度如图1500A至1500C中第一到第三电路所示，分别为160μm、250μm和680μm。因此，考虑到微机电系统反射镜的最大角移位为±3°，则上下端波导之间的侧向间距分别为52μm、78μm和209μm。第一至第三张图1500B、1500D和1500F分别示出了间距分别为4.50μm和5.5μm的光波导可接入通道的数量。由此，对于间距为5.5μm的波导，设计半径为0.5mm、0.75mm和2.00mm时，最大可接入通道的数量分别为16(源自中心±8个通道)、26(源自中心±13个通道)和74(源自中心±37个通道)。通道间距为4.50μm的这些设计半径下，可接入通道的相应最大数量分别为20、32和90。
现在图16中第一至第三张图1600A至1600C分别示出了根据3.40μm、2.00μm和1.00μm脊形高度硅720波导的不同波导反射率值Δλ，所需光栅长度。当Δλ＝0.15的每个示例中，光栅长度必须大于6mm。表格7A至9B示出了针对分别在高度为3.40μm、2.00μm和1.00μm脊形高度硅720波导内、包层调制的一阶光栅的光栅假定和光栅模拟结果，其中，Λ为光栅间距、g为波导和光栅内边的隔离、w为光栅元件的宽度。
光栅类型 NP Λ(nm) g(nm) w(nm)
A 21807 223 800 180
B 7258 670 200 180
C 7258 670 200 190
表7A：3.40μm硅脊形波导设计的光栅设计参数
表7B：3.40μm硅脊形波导设计的光栅假定和模拟
表8A：2.00μm硅脊形波导设计的光栅设计参数
表8B：2.00μm硅脊形波导设计的光栅假定和模拟
光栅类型 NP Λ(nm) g(nm) w(nm)
A 20409 232 1000 180
B 6803 696 750 180
表9A：1.00μm硅脊形波导设计的光栅设计参数
表9B：1.00μm硅脊形波导设计的光栅假定和模拟
因此，图16示出了布拉格反射器的设计流程1600D，其中，在步骤1610中，选择所需Δλ和反射比R，从而在步骤1620中，光栅长度为L且光栅波矢为K。随后的步骤1630中，设计流程通过找到对假设波导产生所需光栅波矢K的光栅设计来完成。
2C.3：微机电系统流程
如图17中第一张图1700A平面图所示，波长相关反射器(WADER)电路包括与梳状驱动1010连接的半圆形微机电系统反射镜1020，且布拉格反射器阵列1040包括将光耦合进出所述波长相关反射器电路的中心通道波导1050和设于所述通道波导两侧的布拉格波导阵列1060。在所述波长相关反射器电路的其它实施例中，所述布拉格波导1060可对称设于通道波导的两侧、以不同的通道数量不对称设于通道波导的两侧，以及不对称设于通道波导的一侧。这种设计可能考虑的因素包括但不限于所述半圆形微机电系统反射镜1020的角度偏移范围、波长通道数量、所述微机电系统梳状驱动1010的设计和所述微机电系统梳状驱动1010静电驱动电路的设计。
因此，图17中第二示意图1700B所示的是所述波长相关反射器电路横截面的截面图，其包括二氧化硅(SiO2)730、硅(Si)720和铝(Al)710，已经过图案化和蚀刻处理，如第三示意图1700C所示。对于一般硅绝缘体(SOI)基板，硅720的厚度为5μm。厚度为300nm的所述铝710经过光刻工艺图案化后可能会溅射，可利用标准铝湿蚀刻工艺将其去除。随后，图18中第四示意图1700D示出了所述波长相关反射器电路，所述暴露硅720利用六氟化硫(SF6)和八氟环丁烷(C4F8)深反应离子蚀刻工艺、经过光刻图案化和深蚀刻(DRIE)处理去除以形成梳状驱动，随后去除抗蚀剂。随后，图18中第五示意图1700E示出了经过3μm反应离子蚀刻将硅720蚀刻形成厚度为2μm的波导区域后的所述波长相关反射器电路。
随后，图18中第六示意图1700F示出了利用SF6反应离子蚀刻工艺蚀刻2μm硅720(纵横比为1:2)形成空气间隙后的所述波长相关反射器电路横截面。而前述步骤须在约5μm的临界尺寸下进行，下一步布拉格光栅制造的光刻术利用电子束(e-beam)光刻或临界尺寸为180nm的光刻工艺来实现。因此，图19中第七示意图1700G所示了利用SF6反应离子蚀刻工艺(纵横比为1:4.5)通过去除800nm以部分蚀刻硅720的光布拉格反射器的布拉格光栅段。
现在如图19中第八示意图1700H所示，金(Au)780的反射层在半圆形微机电系统反射镜的侧壁上沉积并图案化，且抗反射(AR)涂层在半圆形微机电系统反射镜侧壁及空气间隙两侧的光波导侧壁上沉积并图案化。如上文所述，例如所述抗反射涂层可为厚度为233nm的聚对二甲苯790。平面示意图1700I示出了反射镜侧壁和空气间隙，而第八示意图1700H示出了穿过所述半圆形微机电系统反射镜及其锚部的、而非横切所述半圆形微机电系统反射镜侧壁的横截面。
随后，如第九示意图1700J所示，保护波长相关反射器电路的前表面以进行随后晶片背侧的工艺步骤。由此，厚度为5μm的聚酰亚胺750可旋涂至晶片并固化，例如300℃2小时。另外，光致抗蚀剂或其他材料可用于覆盖和保护背侧处理前的晶片。可选地，在这点上，可使用例如化学机械抛光(CMP)使基板变薄。
如图20中第十示意图1700K所示，基板(例如硅)经过光刻处理以定义所述微机电系统梳状驱动下的沟槽和所述波长相关反射器电路的半圆形微机电系统反射镜段。例如，可以利用停留在所述二氧化硅720层上的SF6-C4F8深反应离子蚀刻来实现。随后，如第十一示意图1700L所示，在脱胶、晶片切割、通过例如等离子体灰化将聚酰亚胺去除以及为连接通道波导和光纤对波长相关反射器电路模具侧壁机械抛光后，利用例如反应离子蚀刻工艺将二氧化硅720从背侧蚀刻。
3.半圆形微机电系统反射镜(SC-MEMSM)和致动器设计
因此，图21示出了根据本发明一个实施例、利用设有倾斜指状物的静电致动的半圆形微机电系统反射镜(SC-MEMSM)设计2100。由此根据该设计，所述8μm半圆形微机电系统反射镜指状物静电连接驱动触点时，所述半圆形微机电系统反射镜开始旋转。邻近固定VDD电极的所述半圆形微机电系统指状物成4.5°角，而邻近VDD电极指状物的其他半圆形微机电系统指状物成6°角。所述半圆形微机电系统圆盘对向135°弧，并通过3μm枢轴元件连接至VSS电极。但很显然，这里所提出的连接所有致动器的反射镜形状可随意更改和/或设有任意对向角度。这种设计因素由利用所述半圆形微机电系统反射镜的光电路所决定。朝向所述固体VDD电极的端部，由所述半圆形微机电系统指状物提供止动电极，选择性地偏向VSS。图21还分别示出了制成的半圆形微机电系统反射镜的第一至第三扫描电子显微镜(SEM)图像2110、2120和2150。
现在图22A示出了根据本发明一个实施例、利用设有梳状驱动和倾斜指状物的静电致动的半圆形微机电系统反射镜(SC-MEMSM)设计2200。由此根据该设计，所述梳状驱动中的11μm半圆形微机电系统反射镜指状物静电连接驱动触点时，所述半圆形微机电系统反射镜开始旋转。所述半圆形微机电系统反射镜还包括邻近所述固体VDD电极、成4.5°角的半圆形微机电系统反射镜指状物，而所述半圆形微机电系统反射镜梳状驱动指状物可旋转并成6°角，其中，(右手边)与其它梳状驱动指状物相吸引且不成角度，(左手边)与其它梳状指状物相排斥。所述半圆形微机电系统圆盘对向135°弧，并通过3μm枢轴元件连接至VSS电极。朝向所述固体VDD电极的端部，由所述8μm半圆形微机电系统指状物提供止动电极，选择性地偏向VSS。图22还分别示出了制成的半圆形微机电系统反射镜的第一至第三扫描电子显微镜(SEM)图像2210、2220和2250。图22B示出了所述半圆形微机电系统反射镜驱动的梳状驱动部分的元件。可选地，第二致动器可增设于所述半圆形微机电系统反射镜的另一侧，从而实现拉-拉配置以达到更大的致动角度。
图23示出了根据本发明一个实施例的另一种半圆形微机电系统反射镜，其中，所述梳状驱动器由多个曲形指状物(偏VSS)组成、设于静电驱动元件(偏VDD)的指状物之间。可选地，第二静电驱动元件可增设于所述半圆形微机电系统反射镜曲形指状物的另一侧端，以增加另一拉动方向并由此增加与半圆形微机电系统反射镜2350的致动角度，如图23所示。
图24分别示出了分别对应所述半圆形微机电系统反射镜设计2100、2350、2300和2200的第一至第四张图2410至2440。第一至第三张图2410和2430示出了模拟旋转角度对电压的情况，而第四张图2440示出了测量的旋转角度对电压的情况。因此，这些表明了使所述半圆形微机电系统反射镜2°旋转的所需电压分别约为200V、200V和320V(从模拟中得出)以及170V(实验数据)。图25示出了如图21所示设计中偏140V半圆形微机电系统反射镜的光显微图2500，显示了从非偏状态开始旋转的所述半圆形微机电系统反射镜。图2550示出了测量的旋转对电压，其中，2°旋转在140V下实现。可通过减小各自致动结构中的间隙尺寸来降低所述致动电压。
4.半圆形微机电系统反射镜设计
本发明实施例中，上图1至25讨论和说明的流程和变型对本领域的技术人员是显而易见的，所述半圆形微机电系统反射镜设计的特点是：在这些指状物中设有两类不同的半圆形微机电系统，每个都设有随着邻近弧形平面波导结构的微小空气间隙旋转的半圆形圆盘。然而，所述半圆形微机电系统反射镜的后反射镜表面分为两类。
第一类是所述后反射镜表面为平面镜，从而与平面表面法线成β°角入射于其上的光信号，在法线的另一侧以β°角反射并传播出去。图4、6、10、17、21、22A、23、25和26示出了这种后反射平面反射镜。由此平行的光信号将反射并保持平行，而发散光束将反射并保持发散。
第二类是曲形背面镜，其中反射镜表面具有预设的轮廓，从而反射镜表面的法线在表面上不同，因而每个光信号根据法线在其入射点上局部反射，所述反射镜在光束上的整体效果取决于反射镜的轮廓和光束入射点。考虑到如图1、2、8和15所示的后反射平面反射镜，由于入射光束对准曲面镜表面轴线，因此其表面为凹面。因此，凹面后反射镜使发散光束聚焦，从而后表面的曲率半径等于其来自发散光束源的距离，在同一距离上重新聚焦光束并根据所述半圆形微机电系统反射镜的旋转角度旋转抵消。因此，如图15中第三示意图1500E所示，例如，所述波长相关反射器具有对所述2000μm半圆形微机电系统反射镜后反射表面的曲率半径，枢轴点与中心通道波导相距2000μm。所述半圆形微机电系统反射镜的前表面为半径300μm的曲形表面。
但显而易见的是，可根据整个光学电路的功能性和所需的反射镜特性来应用后反射镜表面的其他轮廓。例如，后表面呈抛物线形以聚焦入射准直光束或产生来自光源的准直光束。此外，所述表面可呈波纹状以实现可移动色散元件的实施，例如中阶梯光栅。
如上文所述，对于包括半圆形微机电系统反射镜元件的光电路的设计和性能，所述间隙尺寸可明显影响所述性能。在一些光电路中，所述半圆形微机电系统反射镜曾用于设置包括光电路的设备，例如在装入网络时设置波长可调发送器的波长。在其他电路中，根据所述设备的重新设置，所述半圆形微机电系统反射镜可周期性或非周期性地设置，而非像光学相干断层成像术设备中的连续扫描。在这些示例中，发明者给出了改进的半圆形微机电系统反射镜26000，如图26所示，其中，一旦半圆形微机电系统反射镜驱动2620使其旋转时，所述半圆形微机电系统反射镜2630的锚部2640可在静电平移(线性)致动器2610作用下移动。因此，半圆形微机电系统反射镜驱动2620使其转动后，所述静电线性致动器2610可将所述半圆形微机电系统反射镜2630推向所述光电路的表面。一旦旋转完成，所述静电线性致动器2610可用于例如关闭空隙至预设值、关闭空隙直到所述半圆形微机电系统反射镜与光电路摩擦接触、关闭空隙直到所述半圆形微机电系统反射镜接触空气间隙另一侧上的短止动器2650或关闭空隙至预设值并设颤振于空隙处，其说明见下文第6段。很明显，所述平移致动器2610使得间隙尺寸比制造好的明显减小，从而降低制造成本并增加微机电系统产量。
现在图27示出了根据本发明一个实施例的半圆形微机电系统反射镜的另一种变型，其利用控制微机电系统反射镜2750旋转的旋转致动器2740联合间隙致动器2710来调整所述微机电系统反射镜间隙，并利用闩锁致动器2720/锁定致动器2730将微机电系统反射镜定位于所设位置。所述微机电系统旋转致动器2740包括宽度为12μm、与设于两端的接地电极之间具有不同半径的8个弧形电极，从而至外部/内部电极的一端间隙为10μm/7μm且另一端为7μm/10μm。旋转致动器2740与微机电系统反射镜2750之间的臂部宽度为12μm。所述微机电系统反射镜2750本身设有半径为550μm的后表面(反射表面)和半径为300μm的前表面。图31示出了微机电系统反射镜设计的模拟旋转角度对静电电压，如图27所述，它表明350V静电位可实现5°的旋转角度。图36示出了图27中所示半圆形微机电系统反射镜的光显微图。
5.微机电系统间隙致动器
图27示出了根据本发明一个实施例、利用一对间隙致动器2710(如图28中第一张图2800A所示)联合所述电路中微机电系统反射镜和平面2810的半圆形微机电系统反射镜，所述半圆形微机电系统反射镜构成了所述电路的一部分。图28中第二和第三张图2800B和2800C示出了所制造结构的光显微图。在运行中，所述间隙致动器2710允许所述微机电系统反射镜2750的前表面相对于所述平面2810移动。因此，所述微机电系统反射镜2750的前表面和所述平面2810之间的光空隙可调整和/或消除。图32示出了微机电系统反射镜间隙致动器2710的位移对静电电压，它表明了100V静电位下约0.5μm的移动。
所述微机电系统反射镜间隙致动器2710旨在使所述微机电系统反射镜2750更接近集成光电路的固定部分，例如所述平面2810。这降低了空气间隙中的光损耗。最小隔离由用于形成止动器的制造工艺栅格尺寸来定义，而非由所述工艺最小特征尺寸来定义间隔。这样，发明者明显减小了间隙关闭时反射镜与输入输出波导之间的空气间隙尺寸，并进而最大限度地减少了光传播损耗。在图28所示的示例性实施例中，通过具有3μm最小特征尺寸的制造工艺实施的间隙较近结构由三段(长度为205μm且宽度为3μm)的两个弹簧组成，反射镜的两侧各自连接桅杆，即光束将所述微机电系统反射镜2750连接至旋转致动器。这些弹簧使得致动器移动，从而所述致动器将间隙减小至“固定”距离，所述距离由致动器两侧上的“止动器”管理。这些止动器为3μm的“凹部”用于防止反射镜附着在致动器上。所述间隙较近结构利用100V致动电压来关闭所述间隙，如图32中测量值所示。
6.微机电系统闩锁致动器
一旦将所述微机电系统旋转至用于对准的适当角度，将有利于将反射镜定位，这样可去除静电电压并提升集成光电路的性能以对抗振动或机械冲击等。图29中第一张图2900A示出了根据本发明一个实施例、用于微机电系统反射镜设备的闩锁致动器的一个示例，所述闩锁致动器利用远离所述微机电系统反射镜的桅杆(将光束从所述旋转致动器连接至所述微机电系统反射镜)一端上的桅杆齿件2910，在所述闩锁致动器2930控制下啮合闩齿件2910、并当闩锁定时使所述闩齿件2910移动，此图中未示出、如图30所示。所述闩锁致动器2930利用的是静电致动器2940。图29中第二张图2900B示出了如第一张图2900A所示制成的闩锁结构光显微图。图30示出了如图3000A和3000B所示所述闩锁结构2940端部的所述闩锁元件，其制成结构的光显微图如第三张图3000C所示。图33示出了如图29所示用于闩锁机制的所述半圆形微机电系统反射镜闩锁结构的位移对静电电压，表明约80V电压下位移为2.5μm。图34示出了静电致动下所述闩锁的位移。
因此，所述闩锁致动器锁定桅杆位置并进而将反射镜固定在特定角度。此外，通过桅杆扭转使间隙更近，从而加强这一止动作用。如图29所示的示例性实施例中，所述闩结构通过具有3μm最小特征尺寸的制造工艺来开发实施。所述结构包括设有48个齿件的曲形架，其中，每个齿件宽度为3μm且深度为11μm，并使得所述桅杆可插入齿件之间。所述桅杆能锁定到位，且可锁定于8度覆盖范围内的19个不同位置，给出了约0.45度的角度分辨率。很显然，其他设计可提供不同的角度分辨率。所述闩的静电致动器使用允许8μm闩位移的两个线性架(宽度为3μm且长度为15μm、设有18个齿件)，由两个弹簧臂部(厚度为3.5μm且长度为375μm)锚定。所述结构需要80V致动电压将所述桅杆锁定到位，位移约为2.5μm，如图32所示。
如图29所示，所述闩锁结构锁定微机电系统反射镜的旋转角度，从而防止当模块供电失效或静电控制电路故障时重设微机电系统反射镜的位置。因此，如图30所示，所述闩锁防止闩到达锁定位置后又回到其初始位置。这使得一旦致动电压从致动器上移除，所述微机电系统反射镜可保留在其设定位置，从而在“设定后自动化”的使用模式下简化了使用方法，或可使系统更节能且可在断电时运行。因此，一旦闩锁已啮合使反射镜固定在位，则不需要直流偏压。
如图30所示的示例性实施例中，所述闩锁通过具有3μm最小特征尺寸的相同制造工艺开发实施，与其他微机电系统元件一致。如图30所示的所述闩锁由桅杆组成，可通过约350V的静电致动器将其移出所述闩，如图34所示。这使得所述闩可相对于所述闩锁自由移动。当所述闩固定到位时，移除电压并且所述锁物理性地阻塞所述闩就位，以防止其弹回到非闩锁状态。因此，这种结构可使锁在无需任何电压的条件下保持锁定。仅在移动所述闩锁使闩移动的情况下才需要致动所述闩。闩锁的成角结构不允许无闩锁致动的情况下释放闩。
7.微机电系统“吸入”减少
在很多微机电系统设备中存在一种称为“吸入”的现象，它说明由于微光束衰竭而引起设备故障(例如在谐振器中)或微机电系统元件中弹簧力的失效而无法实现静电吸引，从而相反电荷元件连在一起。因此，现有技术将应用微机电系统弹簧视为这一问题的解决方案。但还存在具有大刻痕的典型复杂结构。
图34分别示出了根据本发明一个实施例的第一至第三锚部变型3400A至3400C，其中，微机电系统锚部弹簧设于所述锚部以抵消“吸入”效应；如图所示，根据所需强度及其尺寸，所述微机电系统锚部弹簧可为三角形、阶梯锥形和双三角形，其中，调整所述尺寸从而在所述微机电系统致动中建立一个可啮合的点，并且根据所需弹性特性来改变其结构尺寸。还可利用其他形状和几何结构，包括圈形、矩形等。
有利之处是，与所述微机电系统结构上的现有技术弹簧相比，根据本发明实施例的所述微机电系统锚部简化了结构并减少了刻痕。另外，所述微机电系统锚部弹簧减小了弹性应力和弹簧变型，由于所述微机电系统锚部弹簧仅需处理小位移而非全位移。它还可减少接近其它结构放置时所产生的短路风险。
8.温度补偿和控制
如上文图26所示，静电梳状致动下的侧向移动可用于改变所述半圆形微机电系统反射镜与所述光波导之间的光间隙。根据本发明实施例，所述间隙可减小或关闭以减少光系统中的固有损耗，且所述间隙还可经调制产生用于调整光电路和/或包括半圆形微机电系统反射镜的光系统运行方面的低频颤动信号。例如，经调制的间隙信号可用于直接提供温度补偿，例如通过来自温度传感器或基于光学温度传感器的信号以提供反馈至其他控制电路和/或元件，目的是类似地管理光电路和/或光系统的性能。
这种动态间隙致动还可用于所述波长相关反射器的其他组件。例如，利用反应离子蚀刻/深反应离子蚀刻工艺从背侧蚀刻硅720和二氧化硅730时，如图13中第十和第十一示意图1000J和1000K以及图20中第十一和第十二示意图1700K和1700L所示，则所述布拉格光栅反射器可通过去除所述硅720和二氧化硅730类似地“释放”。因此，如果所述布拉格反射器正处于等待调试期，则可进行机械致动以实现温度补偿。另外，它们还可以通过加热器进行电力致动，其中，基板硅720的去处和二氧化硅730的蚀刻明显减少了需要控制的热量。
很明显，这种机械补偿可包括在反馈回路内，所述反馈回路可利用精确的温度传感器基本建立正确的反射镜间隙尺寸和布拉格反射器偏移。这种集成控制实现了更简洁的调控子系统。
如上图1-34所示的本发明实施例中，对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施例的说明都与一对特定应用设备有关。尽管如此，在本发明其他实施例中：
-所述布拉格光栅可用于过滤进入光电路和/或光系统其他部分的向前传输信号；
-所述布拉格光栅可用于反射预设部分并传输其余信号；
-所述半圆形微机电系统反射镜和/或所述光电路可耦合至自由空间光系统而非波导光电路元件；
-所述半圆形微机电系统反射镜可扫描光信号；
-所述布拉格光栅可利用除包层调制第一阶光栅以外的其他技术形成，这些技术包括但不限于波导宽度变化、不同光学材料、掺杂、离子注入和光致折射率变化；
-所述布拉格光栅可统一、采样、变迹、啁啾和倾斜。
-所述结构可包括中阶梯光栅，以达到衍射反射镜的效果；
其他光子集成电路的光滤波器可用于过滤波长，例如法布里珀罗滤波器和环形谐振器。
在如上图1-34所示的本发明实施例中，对于本领域技术人员显而易见的是这些实施例的说明都与特定配置有关。但在本发明其他实施例和可调波长发送器、接收器和收发器中，所述布拉格光栅可为：
-所述设备串联波长；
-伪随机顺序；以及
-根据预设波长计划。
在如上图1-34所示的本发明实施例中，对于本领域技术人员显而易见的，这些实施例的说明都与特定配置有关。尽管如此，在本发明其他实施例中的配置可：
-利用多个半圆形微机电系统反射镜元件增加角度范围；
-利用成对的半圆形微机电系统反射镜元件来选定/不选定光设备不同部分的特定波长；
-利用平面波导中额外的光元件；
-准直/聚焦传输式光栅；
-准直/聚焦反射式光栅；
-偏振镜；
-耦合至多个通道波导的多个光放大器；
-加工的波导透镜；
-指数感应波导透镜；以及
-波导菲涅耳透镜。
以上说明中给出了特定元件，以便透彻地理解本实施例。然而，需要了解的是本实施例可在缺少这些特定元件的情况下实施。例如，电路可在框图中示出，以免不必要的元件混淆对本实施例的理解。在其他示例中，未示出公知的电路、工艺、算法、结构和技术的不必要元件，以免混淆本实施例。
上述所公开的本发明示例性实施例用于例证和说明，而非旨在全部囊括或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于上述公开说明，本文所述实施例的多种变型和修改对本领域普通技术人员是显而易见的。本发明的范围仅由所附的权利要求书及其等效内容来定义。
此外，在说明本发明代表性实施例的过程中，本说明书可能已经给出本发明的方法和/或工艺作为特定的步骤顺序。尽管如此，在某种程度上所述方法或工艺不依赖于本文所给出的特定步骤顺序，所述方法或工艺不应限于所述的特定步骤顺序。根据本领域技术人员的理解，可采用其他步骤顺序。因此，本说明书中给出的特定的步骤顺序不应形成对权利要求书的限制。此外，涉及本发明方法和/或工艺的权利要求书不应限于本文所述的实施步骤顺序，并且本领域技术人员应清楚，所述顺序可以改变，但仍然包括在本发明的精神和范围内。

Claims (17)

1.一种设备，包括：
微机电元件，所述微机电元件设有至少一个前表面和一个后表面；以及
邻近具有耦合表面的所述微机电元件而设置的光电路，所述耦合表面的轮廓与所述前表面相匹配。
2.根据权利要求1所述的设备，其中
在所述光电路中传输的光信号通过所述耦合表面和前表面从所述光电路传输进所述微机电元件、从所述微机电元件的后表面反射、并通过所述前表面和耦合表面耦合回到所述光电路。
3.根据权利要求1所述的设备，其中
所述光电路包括平面波导，所述前表面和耦合表面为预设的圆形部分，并且所述微机电元件的后表面为平面反射镜。
4.根据权利要求1所述的设备，其中
所述前表面和耦合表面为预设的圆形部分，并且各自设有抗反射涂层；
所述微机电元件的后表面为设有预设轮廓的反射镜；以及
所述微机电元件的主体为平面光波导。
5.根据权利要求1所述的设备，其中
所述光电路包括平面波导，所述前表面和耦合表面为预设的圆形部分，并且所述微机电元件的后表面为平面反射镜、抛物面反射镜、曲面反射镜和色散元件中至少一个。
6.根据权利要求1所述的设备，其中
所述光电路包括多个光波导，所述前表面和耦合表面为预设的圆形部分，并且多个光波导中每个光波导的一端设于所述光电路前表面上的预设部分。
7.根据权利要求6所述的设备，其中
多个光波导的预设部分包括无源波导区和光滤波器，每个光滤波器都具有预设波长传输特性。
8.一种设备，包括：
微机电元件，所述微机电元件设有至少一个前表面和一个后表面；
邻近具有耦合表面的所述微机电元件而设置的光电路，所述耦合表面的轮廓与所述前表面相匹配；以及
耦合至所述微机电元件的线性微机电致动器。
9.根据权利要求8所述的设备，其中
所述平移(线性)微机电致动器调节所述微机电元件前表面和所述光电路耦合表面之间的间隙尺寸。
10.根据权利要求8所述的设备，其中
所述微机电元件通过枢轴耦合至旋转微机电致动器，用于旋转所述微机电元件，以及
所述平移(旋转)微机电致动器在其之上、远离耦合至所述旋转微机电致动器的一侧设有齿件，用于啮合所述设备另一部分上的相应齿件，其中，所述齿件啮合相应齿件以锁定所述微机电元件的旋转角度。
11.根据权利要求8所述的设备，其中
相应齿型与第二平移(线性)微机电致动器作用下的齿件相啮合/不啮合。
12.一种设备，包括：
微机电元件，所述微机电元件设有至少一个前表面和一个后表面，并包括由预设陶瓷材料形成的预设部分；以及
邻近具有耦合表面的所述微机电元件而设置的光电路，所述耦合表面的轮廓与所述前表面相匹配，所述光电路包括波导，其芯由预设陶瓷材料形成。
13.根据权利要求12所述的设备，其中
所述预设陶瓷材料为碳化硅；以及
上下包层为氮化硅。
14.根据权利要求12所述的设备，其中
所述光电路在至少一种以下波长范围运行：波长小于1μm，波长间于3μm-5μm，和波长间于2μm-10μm。
15.根据权利要求12所述的设备，其中
所述预设陶瓷材料选自以下这组材料，包括：碳化硅、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、和金刚石(C)。
16.一种设备，包括：
包括设有枢轴点的微机电设备预设部分，并在致动作用下绕着所述枢轴点旋转的微机电元件；以及
连接所述微机电元件预设部分的锚部弹簧，其中，所述微机电元件旋转预设角度时，所述锚部弹簧顶着啮合所述微机电设备的预设部分。
17.根据权利要求16所述的设备，其中
一旦达到预设角度，所述锚部弹簧会增加所述微机电元件的弹性并起到减少“吸入”可能性的作用。
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