申请/专利权人：原子能和替代能源委员会

申请日：2019-01-17

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN110058429B

主分类号：G02F1/01

分类号：G02F1/01;G01S7/481

优先权：["20180118 FR 1850411"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2021.01.19#实质审查的生效;2019.07.26#公开

摘要：本发明涉及一种光学器件100，该光学器件包括：‑波导200，该波导包括沿对称轴线XX’延伸并且封装在包覆层220中的芯部210；‑宽度为La的致动器400，该致动器与芯部210重叠并且沿平行于对称轴线XX’的对称轴线YY’延伸，所述致动器400被设计成使得当将电压施加到致动器时，致动器在芯部210处施加机械应力以改变致动器的折射率；该器件的特征在于，第二对称轴线YY’从波导200的、包括第一对称轴线并垂直于包覆层220的对称平面偏移一横向偏移量D，该横向偏移量在宽度La的15％至50％之间。

主权项：1.光学器件100，所述光学器件包括：-波导200，所述波导包括沿第一对称轴线XX’延伸并且封装在包覆层220中的芯部210，所述包覆层设置有分别被称为正面220a和背面220b的两个基本平行的主面；-宽度为La的致动器400，所述致动器位于所述正面上并且至少部分地与所述芯部210重叠并且沿基本上平行于所述第一对称轴线XX’的第二对称轴线YY’延伸，所述致动器400被设计成使得当将电场施加到所述致动器时，所述致动器在所述芯部210处施加机械应力以改变所述致动器的折射率；所述光学器件的特征在于，所述第二对称轴线YY’从所述波导200的、包括所述第一对称轴线并与所述包覆层220的主面垂直的对称平面横向地偏移一被称为横向偏移量D的偏移量，并且在于，所述横向偏移量D在所述宽度La的15％至50％之间。

全文数据：光学器件技术领域本发明涉及一种具有波导和致动器的光学器件，该致动器被设计成改变该光学器件的折射率。特别地，本发明涉及致动器的布局以在波导上施加比现有技术中已知的布局施加的压力更高的压力。背景技术光学技术的当前发展毋庸置疑。这些技术可以满足日益增长的高性能光学器件，特别是成像仪或光检测与测距“LightDetectionAndRanging”，LIDAR系统的要求。这种器件通常设置有波导，该波导将引导光辐射朝向目标。特别地，光辐射必须扫描目标的表面以便检测目标和或重构图像。例如，LIDAR器件可用在例如独立的车辆上，以使覆盖大约38×10m2的场景换句话说，区域成像。在这方面，这些器件还包括使光辐射偏转以致使对所述光辐射的扫描角的装置。然后，反射信号的检测使得可以检测这种障碍的存在。图1是表示用于检测物体2的LIDAR1的操作的示意图。特别地，LIDAR1包括光辐射源3、光学机械组件4以及检测器5，该光辐射源特别是LASER，该光学机械组件将致使对光辐射的扫描角，该检测器将收集由物体2反射的光辐射。实际上，光学器件的波导是通过使用源自微型制造技术的技术形成的，特别是利用硅技术。特别地，波导可以包括氮化硅。在这种情况下，光辐射的偏转可以利用不同的技术方案。因此，在说明书末尾引用的文献[1]公开了通过靠近波导集成的加热电阻使用热光效应，以使由这种波导引导的光辐射偏转。通过加热电阻来加热波导致使波导的折射率发生变化，并因此产生由所述波导引导的光辐射的相移。然而，该技术方案在致使产生大的能量消耗时并不令人满意。替代地，还考虑了PIN二极管在本说明书末尾提到的文献[2]中描述的，该PIN二极管旨在将自由载流子注入波导中以便改变波导的折射率。然而，对于该替代方案，与PIN二极管的制造相关的成本太高而不符合光子学工业的要求。仍替代地并且如图2所示，镜子11可用于使由激光器12发射的光辐射偏转。然而，这种镜子的集成在技术上是困难的，并且还与不符合光子学工业的要求的成本相关联。因此，该替代方案也不令人满意。最后，还设想了在图3中示出并在说明书末尾提到的文献[3]和[4]中描述的最后一种技术方案。该最后的解决方案是基于通过压电致动器在波导中施加应力，以便改变波导的折射率。虽然这种技术方案是有趣的，但该技术方案只能在波导中实现相对低的应力。因此，本发明的一个目的是公开一种光学器件，该光学器件设置有波导和致动器，以在波导中施加更高的应力，并因此使折射率发生更大的变化。发明内容本发明的目的至少部分地通过如下的一种光学器件实现，该光学器件包括：-波导，该波导包括沿第一对称轴线延伸并且封装在包覆层中的芯部，该包覆层设置有分别被称为正面和背面的两个基本平行的主面；-宽度为La的致动器，该致动器位于正面上并且至少部分地与芯部重叠并且沿基本上平行于第一对称轴线XX’的第二对称轴线YY’延伸，该致动器被设计成使得当将电场施加到致动器时，该致动器在芯部处施加机械应力以改变致动器的折射率。第二对称轴线YY’从波导的、包括第一对称轴线并与包覆层的主面垂直的对称平面横向地偏移一被称作横向偏移量的偏移量，并且使得该横向偏移量在宽度La的15％至50％之间。根据一个实施例，宽度La与芯部宽度之间的比率在8至100之间，有利地在15至100之间，并且甚至更有利地在30至100之间。根据一个实施例，宽度La在5μm至60μm之间，有利地在10μm至60μm之间，并且甚至更有利地在20μm至60μm之间。根据一个实施例，致动器包括安置在两个电极之间的第一材料，这两个电极将电场施加到所述致动器，该第一材料包括压电材料或铁电材料或电致伸缩材料。根据一个实施例，该第一材料包括选自如下元素中的至少一些：锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、聚偏二氟乙烯、铌酸锂用于LiNbO3的LNO、BaTiO3、PbTiO3。根据一个实施例，波导的厚度在1μm至3μm之间。根据一个实施例，包覆层包括二氧化硅。根据一个实施例，芯部包括氮化硅。根据一个实施例，波导以波导背面搁置在支撑衬底上，有利地，支撑衬底包括硅。本发明还涉及一种光学检测器，该光学检测器使用至少一个根据本发明的光学器件。附图说明在根据本发明的光学器件的、参考附图并作为非限制性示例给出的以下描述中，其他特征和优点将变得更加清晰，在附图中：-图1是表示用于检测物体的LIDAR的操作的示意图；-图2是表示根据本领域技术人员已知的技术的、使用镜子使光辐射偏转的示意图；-图3是表示根据本领域技术人员已知的技术的、使用压电致动器在波导中产生应力以便改变折射率的示意图；-图4是根据本发明的光学器件在与包覆层的正面和背面垂直的截面中的截面图；-图5是通过有限元模拟获得的、作为侧向偏移量D水平轴线，以μm为单位的函数的机械应力纵向轴线，以MPa为单位的冯米塞斯VonMises应力的图形视图；-图6a至图6c是适于形成根据本发明的光学器件的方法中的不同步骤的示意图。具体实施方式在下文详细公开的本发明涉及一种包括波导的光学器件，在该波导上形成有致动器。一旦将电场施加到致动器，所述致动器将在芯部处施加机械应力以改变折射率。特别地，致动器在预定范围内以所谓的横向偏移量横向地偏移。特别地，该横向偏移出乎意料地放大了施加在波导上的应力的幅度。图4示出了根据本发明的光学器件100的示例。特别地，光学器件100包括波导200。波导200特别地包括封装在包覆层220中的芯部210。“封装”是指包含在包覆层220的体积内。为了本发明的目的，应理解，芯部210的折射率nc大于包覆层220的折射率ng，并且对应于其中对由波导200引导的光辐射进行限制的介质。包覆层220包括分别称为正面220a和背面220b的两个基本上平行的面。此外，芯部210沿第一对称轴线XX’延伸第一对称轴线XX’垂直于图4的平面。“沿对称轴线延伸”是指具有大致细长形状的元件。波导200的厚度可以在约1μm至3μm之间。应理解，波导200的厚度对应于主面220a和220b之间的距离。特别地，波导200的厚度与包覆层220的厚度相关联。波导200可以支撑在支撑衬底300上，该支撑衬底特别是由半导体材料并且特别是硅制成的支撑衬底。包覆层220可以包括二氧化硅silicondioxide。芯部210可以包括氮化硅siliconnitride。芯部210的宽度可以在100nm至2μm之间。“波导宽度”是指垂直于第一对称轴线并且在垂直于两个主面中的一个的平面中的尺寸。光学器件100还包括位于正面220a和背面220b中的一个或另一个上的致动器400，该致动器至少部分地与芯部210重叠。“至少部分地与芯部重叠”是指致动器至少部分地面向芯部。致动器400沿第二对称轴线YY’第二对称轴线垂直于图4中的平面延伸，该第二对称轴线YY’基本上平行于第一对称轴线XX’。致动器400的宽度是La。应理解，在没有必要陈述致动器的宽度的情况下，致动器400的宽度La沿与第二对称轴线垂直的方向并且在与在其上支撑该致动器的面平行的平面中测量。一旦将电压施加到致动器，致动器400将在芯部上施加机械应力以改变该致动器的折射率。根据本发明，第二对称轴线YY’从波导200的、包括第一对称轴线并与包覆层220的主面垂直的对称平面P横向地偏移一偏移量，该偏移量被称为横向偏移量D。更特别地，横向偏移量D在宽度La的15％至50％之间。发明人已经观察到，对于该相对偏移的范围，施加到波导且特别是施加到芯部210的机械应力远高于在致动器400的偏移量为零的情况下观察到的应力。例如，图5是通过有限元方法模拟的、施加在芯部210上的机械应力的变化的图形表示。对于该模拟，氮化硅芯部210掩埋在包覆层的内侧220a的下方1μm的深度处，该氮化硅芯部的厚度和宽度分别约为300nm和600nm。致动器400由锆钛酸铅压电陶瓷PZT制成，并且致动器的宽度约为30μm。在图5中，可以看出，在对称平面P的每一侧图5中标记的区域A和B上，偏移量在5μm至20μm之间的机械应力远远高于零横向偏移量D所获得的应力。然后，对于致动器处的相对低的电压，这种出乎意料的并且尤其是反直觉的效果可以引起芯部210的折射率的变化。特别有利地，宽度La和芯部宽度之间的比率可以在8至100之间，有利地在15至100之间，并且甚至更有利地在30至100之间。还有利地，宽度La可以在5μm至60μm之间，有利地在10μm至60μm之间，并且甚至更有利地在20μm至60μm之间。最后，致动器400可以包括安置在两个电极420a和420b之间的第一材料410，这两个电极将对所述致动器400施加电场。特别地，第一材料410可以由压电材料或铁电材料或电致伸缩材料制成。特别地，第一材料可以包括选自如下元素中的至少一种：锆钛酸铅Leadzirconatetitanate、氮化铝aluminiumnitride、氧化锌zincoxide、聚偏二氟乙烯polyvinylidenefluoride、铌酸锂用于LiNbO3的LNO、BaTiO3、PbTiO3。本发明还涉及使用至少一个光学器件100的光学检测器。该器件100可以通过本领域技术人员已知的微型制造技术制造。在这方面，图6a至图6c是适于形成根据本发明的光学器件100的方法中的不同步骤的示意图。该方法包括用于形成波导200的步骤a图6a。特别地，该步骤a可以包括用于形成氧化硅siliconoxide层、氮化硅siliconnitride层的基本步骤和机械化学抛光步骤、基本蚀刻步骤或通过光刻技术来限定图案的基本步骤。特别地，与步骤a相关的基本步骤可以依次包括以下步骤：-形成2μm厚的Si2层；-形成300nm厚的Si3N4层；-通过光刻步骤和蚀刻步骤的组合限定波导的芯部；-形成1μm厚的Si2层；-抛光Si2层以计划产生Si2层。该过程还包括用于在正面220a上形成致动器400的步骤b图6b。特别地，该步骤b可以包括形成金属层例如铂Pt和或钌Ru的基本步骤、形成第一材料层特别是PZT的基本步骤、以及限定蚀刻的基本步骤或通过光刻技术限定图案的基本步骤。特别地，与步骤b相关的基本步骤可以依次包括以下步骤：-形成20nm厚的二氧化钛层，然后在步骤a中形成的波导上形成100nm厚的铂层；-形成2μm厚的PZT层；-形成钌和铂的叠层，或形成单个100nm厚的铂层；-通过光刻和蚀刻步骤的组合限定致动器，所述限定特别是界定出将在致动器上施加电场的电极。最后，该过程可以包括用于钝化并与光学器件100进行接触的步骤c。特别地，步骤c可以包括用于形成钝化层500的基本步骤，该钝化层例如是覆盖光学器件100的300nm厚的氧化硅层。进行接触的基本步骤将在步骤b中形成的电极处形成电触点600a和600b。然后，进行接触的基本步骤可以依次包括以下步骤：-打开钝化层上的触点以接近电极；-形成500nm的钛和金的叠层，并通过光刻步骤和蚀刻步骤的组合界定相出触点。因此，根据本发明的、可通过上述制造方法获得的光学器件可以解决现有技术中所描述的技术问题。特别地，相对于波导的芯部，致动器的相关布局使得能够在所述波导中施加更大的应力并因此使得折射率的变化更大。参考文献：[1]艾克莱特等，“在硅晶绝缘体上制造的二维分散式芯片外波束扫描器”，IEEE光子技术快报第23卷，第17期2011年9月：1270-1272；[2]艾比德百德鲁姆等，“用于集成光学相控阵列的电子二维波束转向控制”M2K.7.OSA，2014年；[3]US5383048；[4]侯赛因，“使用压电锆钛酸铅PZT薄膜的三层平台中的应力光调制器”，光学快讯14018，01062015。

权利要求：1.光学器件100，所述光学器件包括：-波导200，所述波导包括沿第一对称轴线XX’延伸并且封装在包覆层220中的芯部210，所述包覆层设置有分别被称为正面220a和背面220b的两个基本平行的主面；-宽度为La的致动器400，所述致动器位于所述正面上并且至少部分地与所述芯部210重叠并且沿基本上平行于所述第一对称轴线XX’的第二对称轴线YY’延伸，所述致动器400被设计成使得当将电场施加到所述致动器时，所述致动器在所述芯部210处施加机械应力以改变所述致动器的折射率。所述器件的特征在于，所述第二对称轴线YY’从所述波导200的、包括所述第一对称轴线并与所述包覆层220的主面垂直的对称平面横向地偏移一被称为横向偏移量D的偏移量，并且在于，所述横向偏移量D在所述宽度La的15％至50％之间。2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述宽度La与所述芯部210的宽度之间的比率在8至100之间，有利地在15至100之间，并且甚至更有利地在30至100之间。3.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述宽度La在5μm至60μm之间，有利地在10μm至60μm之间，并且甚至更有利地在20μm至60μm之间。4.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述致动器400包括安置在两个电极之间的第一材料，所述两个电极将所述电场施加到所述致动器400，所述第一材料包括压电材料或铁电材料或电致伸缩材料。5.根据权利要求4所述的器件，其中，所述第一材料包括选自如下元素中的至少一些：锆钛酸铅、氮化铝、氧化锌、聚偏二氟乙烯、铌酸锂用于LiNbO3的LNO、BaTiO3、PbTiO3。6.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述波导的厚度在1μm至3μm之间。7.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述包覆层220包括二氧化硅。8.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述芯部210包括氮化硅。9.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述波导200以波导背面200搁置在支撑衬底上，有利地，所述支撑衬底包括硅。10.一种光学检测器，所述光学检测器使用根据权利要求1或2所述的光学器件100。

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