MEMS in de Optica Jonas Vermeulen Jean-Yves Wielandts

Transcriptie

1 MEMS in de Optica Jonas Vermeulen Jean-Yves Wielandts 1. Inleiding MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) zijn geëvolueerd uit de microelektronica-revolutie die we de laatste 60 jaar gekend hebben. Ze vormen de integratie van mechanische elementen, sensoren, actuatoren en elektronica op een gemeenschappelijk substraat via microtechnology. Het productieproces ervan is zeer gelijkaardig aan dat van klassieke IC s. De huidige consument vraagt kleinere, lichtere producten met meer mogelijkheden. MEMS zijn extreem klein en daardoor in staat sneller, preciezer en betrouwbaarder te opereren dan hun beduidend grotere mechanische tegenpolen. MEMS worden onder meer gebruikt in toepassingen als druksensoren, accelerometers, inkjet printers, micromotoren, micro-koppelingen en de recentere lab-on-chip systemen. [2] Buiten dit alles is er nog een groot toepassingsgebied van MEMS in de (optische) telecommunicatie- en optica-wereld. Waar, vermits bandbreedte het voornaamste knelpunt is, het gebruik van optische vezels en geavanceerde modulatietechnieken een noodzaak zijn geworden voor onder andere de uitbreiding van de internet infrastructuur. MEMS, en in het bijzonder de optische MEMS (MOEMS), vormen hiertoe een noodzakelijke optische en elektrische interface alsook een meer tijds-efficiënte manieren om vezels onderling te verbinden (switches, etc...). Een ander belangrijk toepassingsdomein van MOEMS is de transmissie van signalen, we citeren hierbij versterkers en regeneratoren als voornaamste. [15] Het is vooral deze MOEMS waar we in deze paper een aantal voorbeelden van willen bespreken. Verder zullen we ook de productieprocessen of basic micromachining processes onder de loep nemen. We splitsen de toepassingen op in categorieën naargelang hun applicatiedomein. 1

2 2. Elektrostatische actuatoren In vele van de hieronder beschreven toepassingen wordt gebruik gemaakt van kam-actuatoren om voor de mechanische beweging te zorgen. We bespreken hem daarom eerst omdat hij zoveel ter sprake komt en het essentieel is bij alle MEMS. De werking van zo n actuator steunt op de onderlinge aantrekking van 2 platen met tegengestelde lading. De aantrekking komt tot stand van zodra een spanning wordt gezet over de twee platen. De kammen zijn eigenlijk capaciteiten en van zodra ze onder spanning komen, zullen ze evolueren naar een toestand van minimale energie, die overeenkomt met de situatie in figuur b. De kracht die ondervonden wordt door de platen bij aantrekking kan via virtuele arbeid berekend worden met als resultaat: Met n het aantal kammen en h de hoogte van de kammen. Men ziet dat de kracht kwadratisch samenhangt met de aangelegde spanning. De grote voordelen van dit type actuatoren zijn zijn goed bestudeerbare gedrag, zijn laag vermogenverbruik en het relatief gemak om ze te fabriceren. [16] 2

3 3. Switching A. 2-Dimensionale 2x2 MEMS Optische Switch Deze optische schakelaar (ook optical cross connector genoemd) gebruikt een verticale microspiegel om de lichtstroom te sturen. De spiegel bevindt zich op de kruising van 2 orthogonale vezelgroeven, en aan de hand van de electrostatic comb actuator (zie figuren en detailbespreking verder), kan het spiegeltje horizontaal bewogen worden zodat een van de twee uitwegen kan geselecteerd worden. Wat we als voordeel kunnen beschouwen door de implementatie met MEMS is de snelle schakeltijd, de lage overspraak en de relatief lage verliezen. Om dit laatste te bereiken worden alle optische componenten omringd door een index-matching fluid (zoals gezien in de les). Dit reduceert twee effecten: enerzijds het index verschil tussen het einde van een vezel en de omgeving (lees: het gebiedje rond de spiegel) en anderzijds de divergentie van het licht in de omgeving en zodoende de straaldiameter. Deze effecten leiden tot een betere koppeling tussen de twee vezels in kwestie. Een mogelijke implementatie van de comb actuator kan een bi-stabiel systeem zijn waarbij men enkel een spanningspuls nodig heeft om te schakelen en niet continu om het op zijn plaats te houden. Dit komt op zijn beurt weer het vermogenverlies ten goede uit. [13] 3

4 B. 4x4 Switch De 2x2 OXC (optical cross connector) blijkt zeer betrouwbaar te zijn. Volgende stap is het ontwerpen van grotere matrices cross connectoren. Hierbij is belangrijk dat de glasvezels mooi gealigneerd blijven en dat de elektrische contacten aangevoerd worden en op hun plaats gehouden worden. Voor een 4x4 switch dient hiertoe een tweede chip bovenop de dragerchip van de 16 2x2 OXC s geplaatst te worden. De grote moeilijkheid is hier het vereiste precisiewerk om dit geheel aan mekaar te bevestigen. [13] C. WDM Add/Drop Een ander welbekend toestel is de add/dropnode. Deze heeft tot doel het afscheiden van frequenties van het multi-golflengte signaal. Op een analoge wijze kunnen extra kanalen toegevoegd worden aan het signaal. In eerste instantie worden de verschillende golflengtes gescheiden en door een grating in verschillende richtingen gestuurd (zie figuur a). Door deze ruimtelijke scheiding kan men nu de golflengtes elk apart op een verschillende wijze behandelen, een ervan is in dit geval het droppen, het wegspiegelen van de gedoelde frequentie. Dankzij deze techniek kan men WDM gemoduleerde signalen efficiënt routeren. [3] 4

5 4. Transmissie A. VOA s (Variable Optical Attenuators) Optische signalen die lange afstanden (lees: kilometers) afleggen in optische vezels, verliezen aan intensiteit door absorptie, verstrooiing en buigingsverliezen in het vezelnetwerk. Wanneer de intensiteit van een signaal niet langer een zekere drempelwaarde bereikt, wordt het versterkt met behulp van een EDFA (erbium doped fiber amplifier). De versterking is echter golflengte afhankelijk. Daartoe wordt na de versterking het signaal opgesplitst door WDM (wavelength division multiplexing) zodoende dat de ongelijke intensiteiten van de verschillende kanalen op gelijke waarde kunnen gezet worden. In plaats van extra versterking in elk kanaal worden de respectievelijke intensiteiten gepast afgezwakt tot de gewenste waarde. Na deze demping worden de kanalen door een wavelength multiplexer terug gecombineerd tot een kanaal. Comb actuator Spiegeltje In de foto hierboven zien we een voorbeeld van zo een VOA die dient om een bepaald kanaal te verzwakken. De opbouw heeft een zekere gelijkenis met de hierboven beschreven switchen, in die zin dat ook een mechanisch aangedreven spiegeltje tussen twee stukken glasvezel kan schuiven en zodoende een deel van het licht kan reflecteren in een onbepaalde richting. Bovendien heeft het spiegeltje op de figuur een zekere helling om niet rechtstreeks het licht terug te kaatsen in de aanvoerende vezel. Door het aangevoerde licht deels weg te werken, verzwakt men het doorgelaten signaal. Interessant te vermelden is echter dat de beweging van het spiegeltje niet lineair verloopt met de aangelegde spanning (zie figuur hiernaast). Het zal dus van belang zijn de VOA voor gebruik te calibreren. 5

6 Zo n VOA neemt relatief weinig plaats in op een chip en kan dus gemakkelijk in veelvouden vlak naast elkaar gezet worden. [13] Een andere mogelijk implementatie van de VOA is de zogenaamde drumhead VOA. Hierop zien we een schijfvormige afgesloten luchtruimte waarvan de dikte variabel is. Ze kan worden aangepast door een elektrostatische potentiaal aan te leggen tussen het substraat (roze) en het membraan (groen). Door deze luchtspleetdikte aan te passen kan de reflectiviteit van de luchtspleet aangepast worden en zo de intensiteit van de doorgelaten lichtstraal geregeld worden. De aanduiding PSG in de foto wijst op fosfosilicaat glas, SiO 2 waaraan fosfor is toegevoegd om aan de elektrisch isolerende eigenschappen van SiO 2 ook nog warmte-isolerende eigenschappen toe te voegen (uitzetting vermijden etc...). [3] Een derde en laatste implementatie van de VOA is de zogenaamde optical shutter fiber switch. Zoals afgebeeld in de figuur, brengt een mechanische sluiter een goudspiegeltje op de gewenste positie voor de glasvezel om zo een deel van de lichtstraal weg/terug te kaatsen. Veel verschil met de eerstgenoemde implementatie is er niet vermits het basisprincipe van licht deels af te kaatsen eigenlijk steeds behouden blijft. [15] 6

7 B. WDM equalizer De WDM equalizer wordt gebruikt om na versterking de amplitudes van de verschillende golflengtes bij te regelen om een zo vlak mogelijk spectrum te bekomen. Optische versterkers hebben de neiging met de tijd van versterkingseigenschappen te veranderen en hebben dus met andere woorden een tijdsafhankelijke transferfunctie. Dit maakt het onmogelijk een vast filter te gebruiken om alles gelijk te zetten. De WDM equalizer biedt hiertoe een oplossing: men kan door spanningen aan te leggen aan de elektrodes de reflectiviteit van het nabijgelegen deel van het optische venster wijzigen. Indien men nu de frequenties ruimtelijk kan scheiden, kan men ze dus ook apart behandelen, en in meer of mindere mate doorlaten, in de equalizer (een beetje [3] [15] zoals de equalizer van een HiFi-systeem). 5. Filters De laatste jaren heeft men veel onderzoek gedaan naar het ontwerp van instelbare optische filters. Deze inspanningen waren nodig omdat men zulk een filter nodig had bij Wavelength Division Multiplexing in optische communicatie en bij gas-analyse in het nabije IR. De belangrijkste eigenschappen van een filter zijn de transmissie op de golflengte waarvoor het filter ontworpen is, zijn bandbreedte en zijn instelbaar spectraal bereik. A. Fabry-Perot interferometer Deze filter is gebaseerd op Fabry-Perot interferometers (FPI). De relevante karakteristieken zijn bepaald door de reflectiviteit en de transmissie van de gebruikte spiegels en door de kromming en helling ervan. [14] Wanneer we kijken naar de opbouw van een Fabry-Perot interferometer, zien we dat nog steeds dezelfde opbouw aan de basis ligt als bij de caviteit gebruikt bij 7

8 lasers: twee reflecterende spiegels op een afstand c met frequentie λ = n doorlaat. 2d d van elkaar die dan licht Een eenvoudig model dat deze functionaliteit in micro-technologie beschrijft wordt gegeven door onderstaande tekening. [12] Al. or stacked-deielectric layer mirror with transparent electrodes Licht treedt langs het substraat in de luchtspleet binnen die de caviteit vormt. De actuator van deze MEMS wordt gevormd door het Si 3 N 4 membraan en zorgt ervoor dat de afstand d variabel gemaakt wordt: de optische weglengte verandert en een andere frequentie wordt doorgelaten. Bovendien kan er ook voor worden gekozen totaal geen licht door te laten door d=0 te maken. Een stap verder dan het bovenstaande wordt getoond in volgende figuur: 8

9 De FPI bestaat uit een drager voor een vaste spiegel en elektrodes, een beweegbare drager voor de tweede spiegel en de bovenste elektrodes. Hier is resoluut gekozen voor diëlektrisch gestapelde spiegels. Sommige FPI s die gebruikt worden in het zichtbare spectrum bestaan uit opgedampte single-layer zilverspiegels. Deze reflecteren wel over een breed golflengtegebied, maar hun doorlaatbaarheid in de smalle ontwerpbandbreedte is beperkt tot ongeveer 20% door de absorptie van de zilverlaag. De diëlektrische spiegels zijn typisch opgebouwd uit reflecterende stacks. Deze bestaan dan uit thermisch opgedampte λ /4laagjes van afwisselend een laag (bijv. SiO 2 ) en hoog index materiaal (bijvoorbeeld polykristallijn Si). Belangrijk hierbij is dus wel dat zij voldoende licht moeten doorlaten bij de ingestelde bandbreedte. Om geen reflectie van het substraat te hebben wordt dikwijls ook nog een antireflectielaag aangebracht. De wafers zelf bestaan uit relatief dik (300 µm) silicium. Ze zijn zo ontworpen dat ze een minimale spiegel-kromming hebben en dus goed parallellisme kunnen garanderen. Dit is nodig voor een uniforme caviteitsgrootte en tussenruimte (zelfde d over hele caviteit) te garanderen over het hele optisch actieve oppervlak. Om absorptieverliezen van het substraat te vermijden wordt licht gedopeerd silicium gebruikt. [14] B. Filters op basis van Photonic Band Gap (PBG) kristallen. Vele kleureffecten in de natuur, zoals bij vlinders en vogels, zijn het gevolg van speciale structuren: photonic band gap kristallen. In essentie zijn deze kristallen een periodieke herhaalde nano-structuur. Indien deze ingesteld zijn op een kwart golflengte (~100nm), kunnen ze licht reflecteren en controleren. Wanneer zonlicht bijvoorbeeld invalt op de veren van een vogel kunnen Photonic Band Gap structure obtained by stacking micro-fabricated silicon wafers. The gap is between 87 and 107 GHz. 9

10 slechts enkele golflengten reflecteren en we krijgen dus een mooi kleurenpatroon. De huidige technologie maakt het mogelijk om ook zulke kleine structuren te maken in bepaalde materialen. Precies ontwerp en engineering zorgen voor de creatie van bijvoorbeeld instelbare filters. De periodieke structuur wordt hier gemaakt door sleuven en gaten verticaal te etchen in een Si-substraat met een deep reactive ion etcher. Het probleem met deze structuren is hun instelbaarheid, welke golflengten doorgelaten en welke gereflecteerd worden door het device. Dit kan door het optisch pad te veranderen, de brekingsindex aan te passen of door fysische verplaatsing. Het eerste kan verwezenlijkt worden door bijvoorbeeld temperatuursmodifcatie (thermo-optisch effect). MEMS komen hier aan de orde om net de fijnregeling (tweede manier) aan te passen. Met een soort hefboomprincipe in de actuator ingebed in een PBG structuur zijn aanpassingen tot tienden van een nanometer mogelijk. Op die manier kan men een hele range van golflengten instellen. De onderstaande figuur toont een microfilter tussen twee optische vezels, instelbaar met comb actuator. Aangezien de beweging van de filter in het vlak evenwijdig met het substraat gebeurt, kan de vezel geïntegreerd worden in datzelfde vlak, wat dus het aantal fabricagestappen ten goede komt. [11] 6. Fabricage van een MEMS-device Heel veel van de hierboven beschreven MEMS zijn gebaseerd op de Silicon-On- Insulator (SOI) technologie. Het grote voordeel hiervan is zijn eenvoud en het beperkt aantal procestappen. Wanneer we een MEMS-device iets meer in detail bekijken zien we dat de onderste laag van het wafer bestaat uit een Si substraat (100 mm). Daarboven zit een SiO 2 laag van 2µm. In de bovenste laag komt de device zelf die ook van Si is. (a). 10

11 De eerste echte processtap is de fotolithografie (b) die de positieve photo resist aanbrengt. Deze wordt gebruikt om een dry-etch op het Si uit te voeren op de bovenste Si-laag. Dit wordt gedaan met deep reactive ion etching (DRIE). Deze stap (c) bepaalt de structuur zelf en de zijwanden van de cruciale optische elementen. Op deze manier kunnen heel smalle en goed afgelijnde wanden gecreëerd worden. Het hoeft geen betoog dat dit de meest kritische stap in heel het proces is. Hierna wordt de photo resist verwijderd. Om alle structuren los te maken moet ook de SiO 2 laag verwijderd worden en dit gebeurt in geconcentreerd HF-zuur (d). Soms moeten SiO 2 -stukken echter onder de ondersteunende stukken van een MEMS structuur blijven of moet het als isolator dienen tussen verschillende elektrodes. Daarom laat men het HF-zuur slechts een beperkte tijd inwerken. Om de geleidbaarheid van het device-oppervlak te vergroten wordt er goud opgedampt (e). In de laatste stap kunnen de verschillende optische componenten, bijvoorbeeld Optische vezels, vastgehecht worden aan de MEMS component (f). U-grooves om de optische vezels te leiden worden geïntegreerd in het MEMS ontwerp om een goede uitlijning met de andere componenten te garanderen. [13] 11

12 Referenties [1] MEMS and Nanotechnology Clearinghouse, t.org/ [2] Introduction to MEMS [3] The future of MEMS in telecommunications networks, org/links/q09/jkv3tebpgkbcdduvk24quw/jm03r1. pdf [4] MEMS Optical, Inc., [5] RF MEMS switch - Silicon switch, [6] Rotary Optical MEMS Switching Mirror, htm [7] MEMS Introduction, [8] MEMS Technology, [9] MEMS Optical (Infrared) Gas Sensor, ionoptics.com/sensorchip. asp [10] Optical MEMS, edu/~gale/mems/lecture%2021%20optical%20mems. pdf [11] [12] Micromachined Active Mirrors for Fabry-Perot Interferometers, SSSC/pdf_3/SEM_00.pdf [13] Applications of SOI-based optical MEMS, pdf [14] A Tunable Fabry-Perot-Interferometer for µm Wavelength with Bulk Micromachined Reflector Carrier, [15] Marek Novotny, Telecommunication Networks [16] An Introduction to MEMS Optical Switches, 12