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光学专栏丨助力大规模光子集成电路，硅光子MEMS取得突破

光子盒研究院 光子盒 2023-03-04
收录于合集 #科技进展 652个

光子盒研究院出品


近日，发表在《光学微系统杂志》上的论文《硅光子微机电系统在铸造工艺中加减环形谐振器》中[1]，洛桑联邦理工学院(EPFL)的Hamed Sattari与合著者通过物理移动光子集成电路中的一个悬浮硅环形谐振器，展示了一个用于解复用操作的高功率组件。该成果将推动大规模光子集成电路的实现。


01
高效光纤通信系统：新型、紧凑型硅光子MEMS

近年来，全球数字化进程出现了前所未有的加速。家庭办公和远程学习环境中的视频流和视频会议导致了住宅宽带使用激增。人工智能和自动驾驶汽车等新兴应用将在未来进一步加速对数据通信的需求。今天的互联网基础设施是建立在光纤通信基础上的，但是，如何使光纤通信系统更有效率，以满足未来的数字通信需求？

为了应对不断增长的数据速率，光纤通信系统在专用波长上使用许多单独的通信通道，这种技术被称为波分复用。在通过光纤传输之前，这些通道在一个多路复用器中被合并。为了检索数据，在接收端对光谱进行解复用。通常情况下，这一操作是通过光子集成电路（PIC）进行的。PIC将光限制并引导到微观组件中，在多个波长通道中操纵信息，如阵列式波导光栅或集成环形谐振器。

MEMS加减滤波器（add-drop filter）的示意图。该装置是通过驱动垂直移动的悬浮环形谐振器来调谐的。极其紧凑的尺寸允许快速操作，静电驱动机制确保了极低的功率消耗，这使得这种新的过滤器具有很高的能效。

在此篇论文中，Hamed Sattari和合著者通过物理移动光子集成电路中的一个悬浮硅环形谐振器，展示了一个用于解复用操作的高功率组件。环形谐振器的机械位移允许将一个波长通道提取到总线波导中，有效地充当了一个微机械操作的分插式滤波器。静电驱动机制建立在微电子机械系统（MEMS）的基础上，这种技术广泛用于消费电子产品，如视频投影仪的微镜。与这些成熟的光学MEMS相比，本文所展示的新型硅光子MEMS要小3个数量级。环形谐振器的波导横截面小于650纳米x220纳米，小于500纳米的位移就足以操作滤波器。与已有的MEMS产品相比，这种紧凑的尺寸允许快速操作，而且静电驱动机制确保了极低的功耗，使这种新的过滤器具有很高的能效。

释放硅光子MEMS组件的后处理步骤。(1)在准备去除波导上和波导之间的剩余氧化物后开始堆叠，(2)通过ALD进行氧化铝钝化，(3)通过干/湿蚀刻进行氧化铝图案处理，(4)VHF释放蚀刻以去除BOX。

MEMS的芯片区域的光学显微镜图像。

加减滤波器的SEM图像（假色），显示出定义清晰的悬浮式执行器和波导。

03
技术里程碑：可集成、大批量生产

硅光子MEMS加减法滤波器是在总部位于比利时的国际研发机构IMEC的标准硅光子学平台上通过后处理实现的。“MEMS在硅光子学中集成、在一个标准化的代工过程中制造，代表了一个技术里程碑。我们证明了光子MEMS可以与现有的高性能光子元件一起集成在芯片上，并且可以扩展到大批量。”在瑞士EPFL（现在在悉尼大学）领导光子MEMS开发活动的Niels Quack说[2]。

Sattari说：“我们的贡献表明，硅光子MEMS在技术成熟度上已经迈出了重要一步。现在，可以建造由成千上万个元件组成的大规模光子集成电路，如加减滤波器；提供一个缺失的平台，可以使数据中心和光纤通信应用更加节能。”

参考链接：
[1]https://www.spiedigitallibrary.org/journals/journal-of-optical-microsystems/volume-2/issue-04/044001/Silicon-photonic-microelectromechanical-systems-add-drop-ring-resonator-in-a/10.1117/1.JOM.2.4.044001.full?SSO=1
[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/970508



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