[发明专利]光子器件、光子器件操作方法以及光子器件制造方法

说明书

光子器件包括半导体衬底(10)和压敏膜(20)。压敏膜(20)被布置在衬底(10)之中或之上。光子结构(30)被至少部分地耦合至膜(20)，并被布置成根据由施加至膜(20)的压力所引起的变形而改变光学特性。

本发明涉及一种光子器件、一种用于操作光子器件的方法以及一种用于制造光子器件的方法。

另一方面涉及互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，例如用CMOS技术制造的电气和光电子电路。特别地，所提出的概念涉及压力传感器或诸如麦克风的声学传感器。更具体地说，所提出的概念涉及适合集成到用于消费市场的移动装置中的微机电系统(MEMS)麦克风。

如今，大多数商用麦克风和压力传感器都是电子的。事实上，其性能和价位还是比光学传感器等更具吸引力。尽管光学麦克风具有优异的噪声性能和动态范围，但由于缺乏光子集成路径，以及由此产生的大量分立元件的材料清单(BOM)，到目前为止，其部署受到了阻碍。电子解决方案通常采用电容式传感器，该电容式传感器能够被形成在线路后端的两个或多个金属层内。一些解决方案试图将MEMS传感器完全集成在芯片上，而另一种方法是将MEMS传感器与专用集成电路(ASIC)分离，这种方法能够提高成本效益，但限制了噪声性能。

光学方法使用各种分立的组件，这是因为到现在为止还缺少可行的集成路径。因此，尽管光学解决方案的性能较好，但并不普及且只针对小众市场。因此，到目前为止，光学麦克风和压力传感器由多个光学元件组成，并采用复杂的组装方案，这导致了较大的材料清单和整体系统成本。

本发明的目的是提供一种光子器件、光子器件的操作方法和光子器件的制造方法，以克服上述问题。特别是，其目的是提供一种集成路径，该集成路径有利于高成本效益并且敏感的光子器件、及其制造和操作。

这些目的通过独立权利要求的主题来实现。另外的实施例在从属权利要求中描述。

应当理解，除非另有说明，本文所述的与任何一个实施例相关的任何特征可以被单独使用，或与本文所述的其他特征结合使用，也可以与任何其他实施例的一个或更多个特征结合使用，或与任何其他实施例的任何其他特征的任何组合使用。此外，在不脱离所附权利要求所限定的光子器件、用于操作光子器件的方法以及制造光子器件的方法的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等同物和修改。

以下涉及在声学传感器(例如麦克风)和压力传感器领域中的改进概念。改进的构思提供了一种光子器件、一种用于操作光子器件的方法以及一种用于制造光子器件的方法。光子器件能够被视为一种特殊类型的光学麦克风或压力传感器。例如，在所检测到的不是膜的挠曲而是光学材料特性变化的意义上来说，光子器件为光子的而不是光学的。这可以通过将光子结构耦合至膜来实现，当声波或压力被施加至膜时，光子结构与膜一起挠曲。这样，光子结构的光学特性的变化能够与作用在膜上的声波或压力有关。特别地，所提出的光子器件允许感测材料内的应变而不是膜的挠曲。当膜由于压力或声压而弯曲时，光子器件上可能存在承受拉伸应变或压缩应变的区域。因此，所提出的概念允许通过光子结构来感测膜的精确运动。

能够将光子结构完全集成到光子器件中，从而为光子压力传感器和麦克风提供迄今为止所缺少的集成路径。此外，光学传感器能够位于同一器件内，甚至位于同一衬底内。当在波长范围为780至950nm的红色或近红外NIR光中操作时，可能是很有利的。特别地，当在850nm或940nm操作时，硅光电二极管可以被集成到同一衬底中。此外，诸如由砷化镓(GaAs)制成的在所述波长范围内操作的激光器之类的光源是相当便宜的，并且可广泛获得。

在替代实施例中，该器件也可以在远红外波长范围内(例如在1310nm左右或1550nm左右)工作，其中可以采用例如InP基激光源和锗基光电二极管。

能够通过光耦合器实现光与光子器件的耦合，例如用于垂向耦合的光栅耦合器或其他边缘耦合器，例如绝热耦合器。

在至少一个实施例中，光子器件包括半导体衬底、压敏膜和光子结构。压敏膜被布置在衬底之中或之上。光子结构被至少部分地耦合至膜。设置光子结构，以根据由施加至膜的压力所引起的变形来改变光学特性。