Development of a MEMS actuator for optical modulation enabling enhanced photonic sensing

Abstract

Silicon mechanical photonic wavelength converter (MPWC) has been investigated aiming at the need for all-silicon photodetectors in the infrared spectrum. All-silicon photodetectors have the advantage of low cost micromachining but suffer from low efficiency and poor resolution (high noise levels), being unsuitable for wavelengths larger than 1 um. The operation of a MPWC requires high-frequency modulation, in the order of 1MHz, of a light beam over a few hundred microns. Herein, a new MEMS (microelectromechanical system) actuator is proposed for integration into the MPWC. It consists of an interferometer in which the incident input light is modulated at a temporal fre quency matched to the mechanic resonance of nanorods in the reference beam waveguide and relies on the resonance of the nanorods due to optical gradient force. The challenge is fabricating a MEMS shut ter/actuator with high enough operating frequencies and enough displacement amplitude. High-frequency MEMS resonators exist but with limited displacements. This works reports the development of a MEMS optical modulator with a grate shape to decrease the displacement amplitude required to modulate a 100x100 µm2 beam area (necessary for application). Given the trade-off between resonance frequency and displacement amplitude typical of MEMS optical shutters, the challenge lies in having micrometre displacements at such a high frequency. MEMS design focused on minimizing movable mass, minimizing damping, and tuning the spring stiffness to set the resonance frequency at 500 kHz. The design includes 2 µm pitch grating (100x100 µm2 ) on a support frame with metal sputtered on top, four springs and either parallel-plate or comb drive actuation electrodes. The fabricated devices’ experimental in-plane displacement and resonance frequency were measured by stroboscopic video microscopy on a Polytec MSA-500. The device was set in an acrylic chamber, and the results were extracted at atmospheric pressure and low vacuum. At low vacuum pressure, the quality factor increases and maximum displacement amplitudes are achieved.

O conversor mecânico de comprimento de onda fotónico de silício (MPWC) foi investigado tendo em vista a necessidade de fotodetetores totalmente de silício no espectro infravermelho. Os fotodetetores totalmente de silício têm a vantagem de micro fabricação de baixo custo, mas sofrem de baixa eficiência e pouca resolução (níveis de ruído elevados), sendo inadequados para comprimentos de onda superiores a 1 µm. O funcionamento de um MPWC requer uma modulação de alta frequência, na ordem de 1 MHz, de um feixe de luz superior a algumas centenas de micros. Assim, um novo atuador MEMS (sistema microeletromecânico) é proposto para integração no MPWC. Consiste num interferómetro em que a luz de entrada incidente é modulada numa frequência temporal correspondente à ressonância mecânica dos nanorods. O desafio é fabricar um obturador/atuador MEMS com frequências de funcionamento suficientemente altas e amplitude de deslocamento suficiente. Este trabalho relata o desenvolvimento de um modulador ótico MEMS com uma forma de grelha para diminuir a amplitude de deslocamento necessária para modular uma área de 100x100 µm2 (necessário para aplicação). Dado o compromisso entre a frequência de ressonância e a amplitude de desloca mento típica dos moduladores óticos MEMS, o desafio reside em ter deslocamentos de micrómetros a uma frequência tão elevada. O desenho MEMS centrou-se em minimizar a massa móvel, minimizar o amortecimento, e ajustar a rigidez das mola para definir a frequência de ressonância a 500 kHz. O de senho inclui uma grelha (100x100 µm2 ) com 2 µm de espessura e metal no topo numa estrutura de suporte, quatro molas e elétrodos de acionamento (parallel plates ou comb drives). O deslocamento experimental no plano e a frequência de ressonância dos dispositivos fabricados foram medidos por microscopia vídeo estroboscópica num Polytec MSA-500. O dispositivo foi colocado numa câmara de acrílico, e os resultados foram extraídos à pressão atmosférica e a baixo vácuo. A baixa pressão de vácuo, o fator de qualidade aumenta e a amplitudes máximas de deslocamento são alcançadas.