中國電子元件行業(yè)協(xié)會
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》期刊在線發(fā)表了題為“Silicon photonic MEMS switch based on split waveguide crossings（基于分離波導(dǎo)交叉的MEMS硅光開關(guān)）”的研究論文。
傳統(tǒng)光開關(guān)工作機制是：基于折射率的微小變化進行模式耦合或模式干涉狀態(tài)的調(diào)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(dǎo)交叉（split waveguide crossings, SWX）結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了基于模式傳輸調(diào)控新原理的2×2開關(guān)單元：通過分離或重組SWX操控入射光的傳輸方向，實現(xiàn)OFF/ON狀態(tài)的切換。在此基礎(chǔ)上，進一步演示了Benes拓?fù)涞?4×64大規(guī)模硅光開關(guān)陣列，展示其在光互連/路由、激光雷達(dá)、光譜學(xué)、光計算及微波光子等領(lǐng)域的突出應(yīng)用潛力。
背景介紹
隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，超大容量數(shù)據(jù)傳輸與高效信號處理的需求持續(xù)增長，使得可編程/可重構(gòu)大規(guī)模光子集成芯片研究日益迫切，以實現(xiàn)光路靈活重構(gòu)、資源高效配置、低延遲/低能耗，其核心部件正是高性能光開關(guān)。目前，片上光波導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)主要包括兩大類：
（1）采用馬赫-曾德爾干涉儀或光諧振腔結(jié)構(gòu)，基于調(diào)控模式干涉實現(xiàn)開關(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(jié)構(gòu)，基于微/納機電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）調(diào)控模式耦合實現(xiàn)開關(guān)功能，其帶寬/功耗表現(xiàn)優(yōu)異，但仍存在制造工藝和封裝技術(shù)復(fù)雜性問題。因此，如何實現(xiàn)低損耗、低串?dāng)_、大帶寬、低功耗和高魯棒性的硅光開關(guān)及大規(guī)模陣列仍是光子集成領(lǐng)域亟需突破的重大問題。
文章亮點
本文創(chuàng)新地提出一種獨特的SWX結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了基于模式傳輸調(diào)控新原理的超緊湊2×2開關(guān)單元，與此前報道的光開關(guān)相比，具有以下突出優(yōu)勢：
(1) 結(jié)構(gòu)緊湊：SWX結(jié)構(gòu)尺寸僅23μm ×23μm；
(2) 超大帶寬：從原理上突破了波長相關(guān)性制約，理論上工作帶寬達(dá)300nm；
(3) 超能耗低：開關(guān)能耗僅0.42 pJ，遠(yuǎn)低于此前報道的硅光開關(guān)；
(4) 易于擴展：可實現(xiàn)1×2及2×2開關(guān)單元，適用于各種陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
(5) 工藝簡單：僅需單層薄硅，可采用常規(guī)SOI晶圓，完全兼容標(biāo)準(zhǔn)硅光流片；
(6) 性能優(yōu)異：
理論仿真表明，此開關(guān)1400–1700 nm超寬波段內(nèi)性能：損耗~0.1–0.5/0.1–0.4 dB、串?dāng)_<–37/–22 dB（ON/OFF狀態(tài)）；
實驗結(jié)果表明，此開關(guān)1420–1600 nm波段（受限于輸入/輸出耦合光柵）內(nèi)性能為：損耗為0.12–0.4/0.5–0.7 dB、串?dāng)_低于–44/–24 dB（ON/OFF狀態(tài)）；開關(guān)速度為3.5/1.2 μs；超10億次開關(guān)的高可靠耐久性。
圖1. SWX MEMS硅光開關(guān)單元。a, b, SWX的OFF和ON狀態(tài)；c, 開關(guān)整體結(jié)構(gòu)，包括光學(xué)/機械結(jié)構(gòu)；d, SWX反射面上的亞波長齒和機械限位器；e, f, 開關(guān)結(jié)構(gòu)中SWX的OFF和OFF狀態(tài)。
如圖1所示，SWX結(jié)構(gòu)由兩個結(jié)構(gòu)近乎對稱的固定件和移動件構(gòu)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(dǎo)反射鏡，則入射光被全內(nèi)反射到位于同一側(cè)的輸出端口，此時為OFF狀態(tài)。而當(dāng)施加電壓之后，移動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(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)，此時為ON狀態(tài)，入射光穿過間隙進入另一側(cè)輸出端口。在此，本文設(shè)計了靜電梳推桿、定位器、折疊彈簧等MEMS結(jié)構(gòu)（圖1c），并巧妙地引入了限位器和亞波長齒等特殊結(jié)構(gòu)（圖1d），解決了移動件-固定件閉合時黏連問題及光透射傳輸損耗問題。
圖2. SWX開關(guān)單元的模擬仿真。a, b, OFF狀態(tài)下SWX光場傳輸和傳輸譜；c, d, OFF狀態(tài)下SWX光場傳輸和傳輸譜；e, f, 對準(zhǔn)器、折疊彈簧和靜電梳；g, SWX開關(guān)的偏壓-受力/位移關(guān)系；h, OFF狀態(tài)下機械結(jié)構(gòu)位移圖。
圖2為SWX開關(guān)設(shè)計仿真結(jié)果。由此可見，在1400–1700 nm超大帶寬范圍內(nèi)，其OFF/OFF狀態(tài)的損耗及串?dāng)_分別為0.1–0.5/0.1–0.4 dB、<–37/–22 dB（圖2a–d），呈現(xiàn)出非常優(yōu)異的器件性能。而通過機械結(jié)構(gòu)和靜電梳致動器的精細(xì)設(shè)計，可實現(xiàn)22 V低驅(qū)動電壓和高穩(wěn)定性（圖2e–h）。
圖3. SWX開關(guān)單元的實驗結(jié)果。a, SEM圖；b, 亞波長齒SEM圖；c, d, OFF/ON狀態(tài)下的傳輸譜；e, 不同驅(qū)動電壓時的透射譜T12；f, 開關(guān)速度；g, 開關(guān)耐久性（10億次操作）。
圖3為SWX開關(guān)單元的實驗測試結(jié)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?dāng)_分別為0.1–0.4/0.5–0.7 dB、<–44/–24 dB（圖3c, d）；（2）具有大驅(qū)壓容差的數(shù)字式開關(guān)特性（圖3e）；（3）具有3.5/1.2μs快速切換能力（圖3f）；（4）超十億次開關(guān)的高可靠耐久性（圖3g）。
圖4. 64×64開關(guān)陣列的實驗結(jié)果。a, 光學(xué)顯微鏡照片；b, 開關(guān)單元放大圖；c, 波導(dǎo)交叉陣列放大圖；d, 波導(dǎo)交叉放大圖；e, 全斷開狀態(tài)下開關(guān)陣列的傳輸譜；f, 全斷開狀態(tài)下所有入射光路由至目標(biāo)輸出端口的損耗（@1550nm）；g, 單個開關(guān)閉合狀態(tài)下開關(guān)陣列的傳輸譜。
基于上述自主創(chuàng)新的2×2開關(guān)單元，本文進一步實現(xiàn)了基于Benes拓?fù)涞?4×64大規(guī)模光開關(guān)陣列（圖4a），包含352個開關(guān)單元和1824個波導(dǎo)交叉，其面積約10×5.3平方毫米。在此，該開關(guān)陣列采用了寬波導(dǎo)歐拉彎曲和寬度漸變波導(dǎo)交叉，有效降低傳輸損耗和通道串?dāng)_（圖4d）。測試結(jié)果表明，此開關(guān)陣列在C波段獲得了<–35 dB的低串?dāng)_和>38 dB的高消光比（圖4e–g），呈現(xiàn)了其優(yōu)異性能和突出潛力。
總結(jié)與展望
本文提出一種基于模式傳輸調(diào)控新原理的2×2 MEMS硅光開關(guān)單元，采用了獨創(chuàng)的分離波導(dǎo)交叉SWX結(jié)構(gòu)，通過分離或重組SWX組件操控入射光的傳輸方向，實現(xiàn)OFF/ON狀態(tài)的切換。所研制的2×2開關(guān)單元及64×64開關(guān)陣列具有超低損耗、高消光比、超大帶寬、高適應(yīng)性、超低能耗等優(yōu)異性能，且制備工藝簡潔，易于擴展，具備在光互連/路由、激光雷達(dá)、光譜學(xué)、光計算及微波光子等領(lǐng)域的突出應(yīng)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、浙江省引進培育領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊、浙江省重點研發(fā)計劃、浙江省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金和浙江大學(xué)百人計劃啟動基金的資金支持。
