中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
研究成果概述
2025年1月2日，浙江大學(xué)光電學(xué)院戴道鋅/李歡研究團隊在《Nature Communications》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為“Silicon photonic MEMS switch based on split waveguide crossings（基于分離波導交叉的MEMS硅光開(kāi)關(guān)）”的研究論文。
傳統光開(kāi)關(guān)工作機制是：基于折射率的微小變化進(jìn)行模式耦合或模式干涉狀態(tài)的調控，往往在理論上就存在尺寸、功耗和帶寬等方面的固有瓶頸。本文創(chuàng )新地提出一種獨特的分離波導交叉（split waveguide crossings, SWX）結構，實(shí)現了基于模式傳輸調控新原理的2×2開(kāi)關(guān)單元：通過(guò)分離或重組SWX操控入射光的傳輸方向，實(shí)現OFF/ON狀態(tài)的切換。在此基礎上，進(jìn)一步演示了Benes拓撲的64×64大規模硅光開(kāi)關(guān)陣列，展示其在光互連/路由、激光雷達、光譜學(xué)、光計算及微波光子等領(lǐng)域的突出應用潛力。
背景介紹
隨著(zhù)人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，超大容量數據傳輸與高效信號處理的需求持續增長(cháng)，使得可編程/可重構大規模光子集成芯片研究日益迫切，以實(shí)現光路靈活重構、資源高效配置、低延遲/低能耗，其核心部件正是高性能光開(kāi)關(guān)。目前，片上光波導開(kāi)關(guān)結構主要包括兩大類(lèi)：
（1）采用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x或光諧振腔結構，基于調控模式干涉實(shí)現開(kāi)關(guān)功能，主要存在尺寸、功耗和帶寬等方面的性能瓶頸；
（2）基于定向耦合或絕熱耦合結構，基于微/納機電系統（MEMS/NEMS）調控模式耦合實(shí)現開(kāi)關(guān)功能，其帶寬/功耗表現優(yōu)異，但仍存在制造工藝和封裝技術(shù)復雜性問(wèn)題。因此，如何實(shí)現低損耗、低串擾、大帶寬、低功耗和高魯棒性的硅光開(kāi)關(guān)及大規模陣列仍是光子集成領(lǐng)域亟需突破的重大問(wèn)題。
文章亮點(diǎn)
本文創(chuàng )新地提出一種獨特的SWX結構，實(shí)現了基于模式傳輸調控新原理的超緊湊2×2開(kāi)關(guān)單元，與此前報道的光開(kāi)關(guān)相比，具有以下突出優(yōu)勢：
(1) 結構緊湊：SWX結構尺寸僅23μm ×23μm；
(2) 超大帶寬：從原理上突破了波長(cháng)相關(guān)性制約，理論上工作帶寬達300nm；
(3) 超能耗低：開(kāi)關(guān)能耗僅0.42 pJ，遠低于此前報道的硅光開(kāi)關(guān)；
(4) 易于擴展：可實(shí)現1×2及2×2開(kāi)關(guān)單元，適用于各種陣列拓撲結構；
(5) 工藝簡(jiǎn)單：僅需單層薄硅，可采用常規SOI晶圓，完全兼容標準硅光流片；
(6) 性能優(yōu)異：
理論仿真表明，此開(kāi)關(guān)1400–1700 nm超寬波段內性能：損耗~0.1–0.5/0.1–0.4 dB、串擾<–37/–22 dB（ON/OFF狀態(tài)）；
實(shí)驗結果表明，此開(kāi)關(guān)1420–1600 nm波段（受限于輸入/輸出耦合光柵）內性能為：損耗為0.12–0.4/0.5–0.7 dB、串擾低于–44/–24 dB（ON/OFF狀態(tài)）；開(kāi)關(guān)速度為3.5/1.2 μs；超10億次開(kāi)關(guān)的高可靠耐久性。
圖1. SWX MEMS硅光開(kāi)關(guān)單元。a, b, SWX的OFF和ON狀態(tài)；c, 開(kāi)關(guān)整體結構，包括光學(xué)/機械結構；d, SWX反射面上的亞波長(cháng)齒和機械限位器；e, f, 開(kāi)關(guān)結構中SWX的OFF和OFF狀態(tài)。
如圖1所示，SWX結構由兩個(gè)結構近乎對稱(chēng)的固定件和移動(dòng)件構成，初始狀態(tài)下兩者完全分離（圖1a），即各自形成超緊湊波導反射鏡，則入射光被全內反射到位于同一側的輸出端口，此時(shí)為OFF狀態(tài)。而當施加電壓之后，移動(dòng)件受到靜電力作用貼近固定件（兩者間隙幾乎為零，圖1b），從而形成近乎完美的波導交叉結構，此時(shí)為ON狀態(tài)，入射光穿過(guò)間隙進(jìn)入另一側輸出端口。在此，本文設計了靜電梳推桿、定位器、折疊彈簧等MEMS結構（圖1c），并巧妙地引入了限位器和亞波長(cháng)齒等特殊結構（圖1d），解決了移動(dòng)件-固定件閉合時(shí)黏連問(wèn)題及光透射傳輸損耗問(wèn)題。
圖2. SWX開(kāi)關(guān)單元的模擬仿真。a, b, OFF狀態(tài)下SWX光場(chǎng)傳輸和傳輸譜；c, d, OFF狀態(tài)下SWX光場(chǎng)傳輸和傳輸譜；e, f, 對準器、折疊彈簧和靜電梳；g, SWX開(kāi)關(guān)的偏壓-受力/位移關(guān)系；h, OFF狀態(tài)下機械結構位移圖。
圖2為SWX開(kāi)關(guān)設計仿真結果。由此可見(jiàn)，在1400–1700 nm超大帶寬范圍內，其OFF/OFF狀態(tài)的損耗及串擾分別為0.1–0.5/0.1–0.4 dB、<–37/–22 dB（圖2a–d），呈現出非常優(yōu)異的器件性能。而通過(guò)機械結構和靜電梳致動(dòng)器的精細設計，可實(shí)現22 V低驅動(dòng)電壓和高穩定性（圖2e–h）。
圖3. SWX開(kāi)關(guān)單元的實(shí)驗結果。a, SEM圖；b, 亞波長(cháng)齒SEM圖；c, d, OFF/ON狀態(tài)下的傳輸譜；e, 不同驅動(dòng)電壓時(shí)的透射譜T12；f, 開(kāi)關(guān)速度；g, 開(kāi)關(guān)耐久性（10億次操作）。
圖3為SWX開(kāi)關(guān)單元的實(shí)驗測試結果：（1）在1420–1600 nm寬波段（受限于耦合光柵帶寬），其OFF/ON狀態(tài)的損耗及串擾分別為0.1–0.4/0.5–0.7 dB、<–44/–24 dB（圖3c, d）；（2）具有大驅壓容差的數字式開(kāi)關(guān)特性（圖3e）；（3）具有3.5/1.2μs快速切換能力（圖3f）；（4）超十億次開(kāi)關(guān)的高可靠耐久性（圖3g）。
圖4. 64×64開(kāi)關(guān)陣列的實(shí)驗結果。a, 光學(xué)顯微鏡照片；b, 開(kāi)關(guān)單元放大圖；c, 波導交叉陣列放大圖；d, 波導交叉放大圖；e, 全斷開(kāi)狀態(tài)下開(kāi)關(guān)陣列的傳輸譜；f, 全斷開(kāi)狀態(tài)下所有入射光路由至目標輸出端口的損耗（@1550nm）；g, 單個(gè)開(kāi)關(guān)閉合狀態(tài)下開(kāi)關(guān)陣列的傳輸譜。
基于上述自主創(chuàng )新的2×2開(kāi)關(guān)單元，本文進(jìn)一步實(shí)現了基于Benes拓撲的64×64大規模光開(kāi)關(guān)陣列（圖4a），包含352個(gè)開(kāi)關(guān)單元和1824個(gè)波導交叉，其面積約10×5.3平方毫米。在此，該開(kāi)關(guān)陣列采用了寬波導歐拉彎曲和寬度漸變波導交叉，有效降低傳輸損耗和通道串擾（圖4d）。測試結果表明，此開(kāi)關(guān)陣列在C波段獲得了<–35 dB的低串擾和>38 dB的高消光比（圖4e–g），呈現了其優(yōu)異性能和突出潛力。
總結與展望
本文提出一種基于模式傳輸調控新原理的2×2 MEMS硅光開(kāi)關(guān)單元，采用了獨創(chuàng )的分離波導交叉SWX結構，通過(guò)分離或重組SWX組件操控入射光的傳輸方向，實(shí)現OFF/ON狀態(tài)的切換。所研制的2×2開(kāi)關(guān)單元及64×64開(kāi)關(guān)陣列具有超低損耗、高消光比、超大帶寬、高適應性、超低能耗等優(yōu)異性能，且制備工藝簡(jiǎn)潔，易于擴展，具備在光互連/路由、激光雷達、光譜學(xué)、光計算及微波光子等領(lǐng)域的突出應用潛力。
論文與作者信息
本文第一作者為浙江大學(xué)光電學(xué)院博士生胡寅鵬，通訊作者為李歡研究員和戴道鋅教授。該研究得到了國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、浙江省引進(jìn)培育領(lǐng)軍型創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)團隊、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計劃、浙江省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金和浙江大學(xué)百人計劃啟動(dòng)基金的資金支持。
