光學專欄丨助力大規模光子集成電路，硅光子MEMS取得突破

光子盒研究院出品

近日，發表在《光學微系統雜誌》上的論文《硅光子微機電系統在鑄造工藝中加減環形諧振器》中[1]，洛桑聯邦理工學院(EPFL)的Hamed Sattari與合著者通過物理移動光子集成電路中的一個懸浮硅環形諧振器，展示了一個用於解複用操作的高功率組件。該成果將推動大規模光子集成電路的實現。

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高效光纖通信系統：新型、緊湊型硅光子MEMS

近年來，全球數字化進程出現了前所未有的加速。家庭辦公和遠程學習環境中的視頻流和視頻會議導致了住宅寬帶使用激增。人工智能和自動駕駛汽車等新興應用將在未來進一步加速對數據通信的需求。今天的互聯網基礎設施是建立在光纖通信基礎上的，但是，如何使光纖通信系統更有效率，以滿足未來的數字通信需求？

爲了應對不斷增長的數據速率，光纖通信系統在專用波長上使用許多單獨的通信通道，這種技術被稱爲波分複用。在通過光纖傳輸之前，這些通道在一個多路複用器中被合併。爲了檢索數據，在接收端對光譜進行解複用。通常情況下，這一操作是通過光子集成電路（PIC）進行的。PIC將光限制並引導到微觀組件中，在多個波長通道中操縱信息，如陣列式波導光柵或集成環形諧振器。

MEMS加減濾波器（add-drop filter）的示意圖。該裝置是通過驅動垂直移動的懸浮環形諧振器來調諧的。極其緊湊的尺寸允許快速操作，靜電驅動機制確保了極低的功率消耗，這使得這種新的過濾器具有很高的能效。

在此篇論文中，Hamed Sattari和合著者通過物理移動光子集成電路中的一個懸浮硅環形諧振器，展示了一個用於解複用操作的高功率組件。環形諧振器的機械位移允許將一個波長通道提取到總線波導中，有效地充當了一個微機械操作的分插式濾波器。靜電驅動機制建立在微電子機械系統（MEMS）的基礎上，這種技術廣泛用於消費電子產品，如視頻投影儀的微鏡。與這些成熟的光學MEMS相比，本文所展示的新型硅光子MEMS要小3個數量級。環形諧振器的波導橫截面小於650納米x220納米，小於500納米的位移就足以操作濾波器。與已有的MEMS產品相比，這種緊湊的尺寸允許快速操作，而且靜電驅動機制確保了極低的功耗，使這種新的過濾器具有很高的能效。

釋放硅光子MEMS組件的後處理步驟。(1)在準備去除波導上和波導之間的剩餘氧化物後開始堆疊，(2)通過ALD進行氧化鋁鈍化，(3)通過幹/溼蝕刻進行氧化鋁圖案處理，(4)VHF釋放蝕刻以去除BOX。

MEMS的芯片區域的光學顯微鏡圖像。

加減濾波器的SEM圖像（假色），顯示出定義清晰的懸浮式執行器和波導。

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技術里程碑：可集成、大批量生產

硅光子MEMS加減法濾波器是在總部位於比利時的國際研發機構IMEC的標準硅光子學平臺上通過後處理實現的。“MEMS在硅光子學中集成、在一個標準化的代工過程中製造，代表了一個技術里程碑。我們證明了光子MEMS可以與現有的高性能光子元件一起集成在芯片上，並且可以擴展到大批量。”在瑞士EPFL（現在在悉尼大學）領導光子MEMS開發活動的Niels Quack說[2]。

Sattari說：“我們的貢獻表明，硅光子MEMS在技術成熟度上已經邁出了重要一步。現在，可以建造由成千上萬個元件組成的大規模光子集成電路，如加減濾波器；提供一個缺失的平臺，可以使數據中心和光纖通信應用更加節能。”

[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