高扩展性硅光MEMS开关，采用机械-光学协同设计

基于绝热定向耦合器（ADC）的硅光MEMS开关，具有制造容差大和工作带宽宽等潜在优势，这对于光网络和人工智能（AI）计算基础设施中的大规模可重构集成光路（PIC）至关重要。然而，以往基于ADC的硅光MEMS开关在可扩展性方面面临挑战：垂直ADC开关制造工艺复杂，而水平ADC开关则容易因屈曲而导致性能退化。

据麦姆斯咨询报道，近日，浙江大学戴道锌/李欢研究团队通过引入包含薄板锚（slab anchors）和额外S形弯曲的残余应变管理结构，提出了一种基于独特的、近乎无屈曲的水平ADC的机械-光学协同设计的2 × 2硅光MEMS开关。对于所制备的器件，波导屈曲得到了显著缓解，实现了优异的光学性能：在180 nm的宽带范围内同时具备低插入损耗和低串扰。此外，该器件还具有约2 μs的快速切换速度、超过72亿次开关循环的可靠寿命，并通过成功构建64 × 64 Benes开关阵列展现出卓越的可扩展性。与此前报道的1 × 2 ADC开关不同，本文提出的2 × 2水平ADC开关与所有主流阵列拓扑结构兼容，并且能够采用标准硅光子代工厂的简单工艺进行制造。这一优势使得该设计成为一种高度可扩展的解决方案，在面向多种应用场景的MEMS/NEMS光子器件中展现出巨大的应用潜力。

上述研究成果以“Mechano-optically co-designed highly-scalable silicon photonic MEMS switches with quasi-buckling-free 2 × 2 horizontal adiabatic directional couplers”为题，发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

硅光MEMS开关的机械-光学协同设计

图1a展示了本研究所提出的基于间隙可调水平ADC的准无屈曲硅光MEMS开关结构示意图，包含一对具有恒定间距的中心对称锥形波导。锥形渐变波导被设计为带有硅薄板的部分刻蚀结构，这些薄板随后充当机械锚。值得注意的是，为避免波导截面突变引起的散射损耗，这些薄板锚也被设计为锥形渐变结构，如图1a所示。此外，研究人员还引入了额外的S形弯曲以进一步降低波导屈曲程度（见图1a）。对于水平ADC中的悬浮波导，其中一根通过薄板锚与固定的硅芯层连接；另一根则通过另一个薄板锚连接至MEMS执行器。该MEMS执行器由机械限位器、穿孔滑块梁、结构对准器、折叠弹簧、静电梳组成，通过静电驱动作用能够实现沿y方向的位移运动。在OFF状态下，两根波导之间保持足够大的间距，因此相互解耦，此时入射光最终从同侧的直通端口输出，如图1b所示。在ON状态下，通过静电驱动缩小两根波导之间的间隙，输入光随后绝热耦合到相邻波导，并最终从另一侧的交叉端口输出，如图1c所示。

图1 硅光MEMS开关的原理示意图

为了系统地实现水平ADC光学结构与机械结构的协同设计，研究人员采用了三维有限差分时域法（3D FDTD）和有限元法（FEM）进行联合仿真与优化。水平ADC的结构示意图如图2a和图2b所示。图2c给出了当波导中的锥形渐变区域长度Lₜ分别为25 μm、20 μm、15 μm、10 μm和5 μm时，所设计水平ADC的仿真附加损耗结果。为了尽可能降低引入薄板锚所带来的散射损耗，Lₜ应当设计得足够长。此外，研究人员仅针对固定波导的屈曲行为进行了分析，相关结果如图2d和图2e所示。随着参数薄板锚的长度Lₐ的减小，波导屈曲程度会进一步增大。因此，在满足Lₜ ≥ 15 μm 以实现较低散射损耗的条件下，研究人员将Lₐ选择为最大值30 μm，以减弱波导屈曲。

为了进一步减小屈曲，研究人员在固定波导的两端也引入了额外的S形弯曲，并对S弯进行了优化设计，以兼顾较低的附加损耗和紧凑的器件尺寸。最终，波导屈曲被降低至 42 nm以下，如图2f所示。由此，残余应变管理结构已通过机械-光学协同设计引入，从而有效减小了ON状态下固定波导与可动波导之间的错位，如图2g和图2h所示。为了进行直接比较，研究人员还对一种未引入薄板锚和额外S弯曲的传统MEMS开关进行了仿真（图2i和图2j），结果表明，该结构产生了高达1.3 μm的显著屈曲偏移，这严重阻碍了水平ADC波导在ON状态下的预期耦合。

图2 硅光MEMS开关设计与仿真

图2k和图2m分别给出了水平ADC在OFF状态下的仿真透射光谱以及1550 nm波长处的光传播情况。结果表明，在1400–1700 nm的宽波长范围内，器件具有0–0.07 dB的低附加损耗以及−52.5 dB至−28.5 dB的低串扰。图2l和图2n分别给出了水平ADC在ON状态下的仿真透射光谱以及1550 nm波长处的光传播情况。结果显示，在较宽的工作带宽内，器件具有0–0.06 dB的低附加损耗以及−47.7 dB至−21.1 dB的低串扰。此外，研究人员还对ON状态下的整个MEMS结构进行了数值仿真（图2o），结果表明，结构对准器处的最大主应变约为2.5 × 10⁻³，远低于硅材料的损伤阈值。

硅光MEMS开关的实验测试结果

所设计的硅光MEMS开关采用电子束光刻（EBL）工艺进行制备。基本开关单元的扫描电子显微镜（SEM）照片如图3a所示。从图中可以看出，该器件的占位面积约为100 × 100 μm²。图3e给出了不同驱动电压下测得的透射光谱。结果表明，在OFF状态（0 V）下，器件具有极低的串扰。图3f给出了硅光MEMS开关在OFF状态下的平均透射光谱。结果显示，在1420–1600 nm的宽波长范围内，器件的附加损耗为0.11–0.43 dB，串扰为−61.8 dB至−42 dB。为了验证器件的耐久性，研究人员采用频率为50 kHz的方波电压驱动该开关进行连续开关操作，在超过40小时的测试时间内累计完成了72亿次以上的开关循环。从图3j所示1550 nm波长处的透射光谱测量结果，器件几乎未出现性能退化现象。

图3 硅光MEMS开关与性能测试结果

随后，本研究提出的2 × 2水平ADC硅光MEMS开关被进一步扩展为采用Benes拓扑结构设计的64 × 64 阵列。如图4a所示，该阵列共包含352个开关单元，其占位面积为8.4 × 5.2 mm²。研究人员测试了硅光MEMS开关阵列处于不同状态下各端口的透射光谱、附加损耗，结果如图4b-4c所示，证实了所提出的硅光MEMS开关具有高度的可扩展性。

图4 硅光MEMS开关阵列的实验测试结果

结论

本研究提出并通过实验验证了一种基于机械-光学协同设计的近乎无屈曲的水平ADC的高可扩展性2 × 2硅光MEMS开关，实现了超低附加损耗、高消光比和宽带宽等优异的光学性能。随着制造工艺的进一步优化以降低波导损耗，该硅光MEMS开关阵列的规模有望扩展至128 × 128，展现出在光子互连、可编程集成光路、光子现场可编程门阵列（FPGA）、光学神经网络（ONN）、量子信息处理器以及焦平面开关阵列（FPSA）激光雷达（LiDAR）等领域的巨大应用潜力。