MEMS positioners with silicon nitride waveguides for photonic integrated circuits alignment

Rabih, Almur Abdelkreem Saeed (2024). MEMS positioners with silicon nitride waveguides for photonic integrated circuits alignment. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The integration of active chips such as lasers and semiconductor optical amplifiers into silicon photonics is essential in photonic integrated circuits. Silicon as the main platform in the semiconductor industry, is not the right substrate for efficient active chips. Thus, externally fabricated active chips are currently integrated using flip-chip bonding. However, vertical and lateral misalignments, and horizontal gaps between the waveguides of the active chips and the waveguides of the silicon chips are the major sources of optical losses. This work proposed five MEMS positioner devices to provide dynamic alignment of active chips in photonic integrated circuits. Multi-degrees of freedom (MDOF) devices were fabricated and tested. The first device has an aluminum nitride piezoelectric actuator to provide downward and upward displacements in the z-axis. The second and third devices used hybrid piezoelectricelectrostatic actuations to provide 2DOF and 3DOF motions, respectively. All the devices were equipped with capacitive combs to track the displacements, where good correlation between the sensed capacitance and measured displacements were achieved. In addition, the dynamic alignment is provided by activating more than one actuator at a time, and suspended waveguides were aligned to the fixed ones by compensating in-plane and out-of-plane misalignments. The fourth device used three chevron thermal actuators to provide 3DOF motions in the x, y and z axes. A large z-axis displacement was achieved as a result of buckling caused by two opposite in-plane thermal forces. The fifth device provides 2DOF in-plane motions in x- and y- axes using thermal actuators. Prototypes of the devices show that in the x-axis, the third device provides total displacement of 300 nm at ±100 V, whereas the fourth device achieves a total of 6.7 μm displacement at 105 mW. In the y-axis, displacements of 3.16 μm at 120 V, 10.9 μm at 140 V, 4.5 μm at 140 mW and 6.92 μm at 189 mW were achieved by the second, third, fourth and fifth devices, respectively. In the z-axis, the first, second, third and fourth devices give 1.3 μm, 3.16 μm, 0.63 μm, at ±60 V, and 7 μm at 210 mW, respectively. Unlike the first four positioners that used 10 μm-thick silicon-on-insulator (SOI) layer, the fifth positioner utilized a 59 μm-thick SOI layer. Also, this positioner is fabricated with a suspended functional waveguide made of a stack of silicon dioxide-silicon nitride-silicon dioxide layers. The suspended waveguide is separated from another identical fixed waveguide by 6.92 ± 0.01 μm. Closing this gap achieved -1.60 ± 0.06 dB minimum insertion loss from 1550 to 1620 nm, whereas closing the gap while maintaining ± 2 μm lateral displacement can provide an attenuation of up to 20 dB. Thus, the device can operate as an attenuator or an on/off switch.

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 145-165).
Mots-clés libres:	désalignement, actionnements dans le plan et hors plan, actionneur piézoélectrique, MEMS, contrainte résiduelle, nitrure d'aluminium, micro-positionneur 3 axes, alignement optique, nitrure de silicium, électrothermique, flambage de faisceau, électrostatique, capteur de déplacement
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nabki, Frédéric
Codirecteur:	Codirecteur Ménard, Michaël
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 mai 2024 14:25
Dernière modification:	14 mai 2024 14:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3447

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