可以使用半導(dǎo)體工藝制造的硅光子MEMS，為未來(lái)的電信和數(shù)據(jù)通信需求提供了節(jié)能和可擴(kuò)展的解決方案。

圖1：MEMS增強(qiáng)了標(biāo)準(zhǔn)硅光子IC的性能，為未來(lái)的電信和數(shù)據(jù)通信需求提供了節(jié)能和可擴(kuò)展的解決方案。

在過(guò)去三年的新冠疫情期間，很多人都已經(jīng)習(xí)慣了在家辦公、訪問(wèn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通過(guò)寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻以及通過(guò)視頻會(huì)議進(jìn)行溝通。所有這些數(shù)字應(yīng)用的一大共同點(diǎn)是：它們都需要一個(gè)高效的全球化光纖電信基礎(chǔ)設(shè)施（見(jiàn)圖1）。

我們?nèi)绾我�入更�?jié)能的硬件，來(lái)滿足未來(lái)對(duì)電信和數(shù)據(jù)通信不斷增長(zhǎng)的需求呢？這個(gè)問(wèn)題啟發(fā)了來(lái)自瑞士洛桑理工學(xué)院（EPFL）、瑞典KTH皇家理工學(xué)院、比利時(shí)根特大學(xué)、澳大利亞悉尼大學(xué)以及比利時(shí)imec公司的一組研究人員，他們通過(guò)將硅光子學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）這兩種截然不同的技術(shù)相結(jié)合，為節(jié)能的光子集成電路尋找到了新穎且可擴(kuò)展的解決方案。

硅光子學(xué)和MEMS在本質(zhì)上都是可擴(kuò)展的，因?yàn)樗鼈兌际腔�于�?biāo)準(zhǔn)化的半導(dǎo)體工藝制造的。

悉尼大學(xué)航空航天、機(jī)械和機(jī)電工程學(xué)院副教授Niels Quack表示：“在這個(gè)領(lǐng)域，光子學(xué)是一種新興技術(shù)，擅長(zhǎng)在芯片上傳輸和控制光信號(hào)；而MEMS已經(jīng)是一項(xiàng)成熟技術(shù)，能夠在納米尺度上實(shí)現(xiàn)極其精確的運(yùn)動(dòng)控制。”Niels Quack最近因?yàn)樵诠庾覯EMS方面的工作而獲得了“2023 Sydney Research Accelerator”獎(jiǎng)。

Quack和他的同事制造了光子MEMS，這是一種硅中的小型波導(dǎo)，它可以攜帶光信號(hào)，而光信號(hào)可以通過(guò)集成的靜電致動(dòng)器精確的移動(dòng)。這種移動(dòng)可以用于執(zhí)行不同的功能，例如調(diào)制幅度、相位、方向，或者選擇芯片上的光信號(hào)的頻譜通道。

Quack說(shuō)：“這些操作只需很少的功耗就可以完成，這是對(duì)當(dāng)今技術(shù)的一項(xiàng)巨大改進(jìn)，即使用局部加熱器操控芯片上的光信號(hào)。”

硅光子MEMS的制造

該研究小組研制的光子MEMS（見(jiàn)圖2）非常緊湊、節(jié)能，現(xiàn)在可以無(wú)縫集成到imec公司最先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)光子制造工藝中。

圖2：硅光子MEMS開(kāi)關(guān)的顯微鏡圖像（左圖）和掃描電子顯微鏡圖像（右圖）。光可以通過(guò)獨(dú)立硅波導(dǎo)的納米機(jī)電運(yùn)動(dòng)，從左邊的輸入端口傳輸?shù)接疫叺膬蓚�(gè)輸出端口中的任何一個(gè)。

與標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)的兼容性是這項(xiàng)工作的一個(gè)關(guān)鍵方面，因?yàn)樗�使研究人員能夠利用現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)框架、特性良好的高性能庫(kù)組件和最先進(jìn)的光子制造工藝。

該研究小組的演示，是集成MEMS的光子電路邁向成熟、大規(guī)模、可靠性生產(chǎn)的一個(gè)重要里程碑，這預(yù)示著它幾乎為大批量生產(chǎn)做好了準(zhǔn)備。

Quack說(shuō)：“想象一下，我們可以通過(guò)寬度只有半微米、精度只有幾納米的波導(dǎo)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)控制芯片上的光流動(dòng)，真是令人驚訝不已。”

“當(dāng)你手里拿著一塊硅光子MEMS晶片，你知道它可以容納數(shù)百萬(wàn)個(gè)單獨(dú)可移動(dòng)的波導(dǎo)器件，這是多么令人印象深刻�。�”Quack說(shuō)道，“建立可靠的晶圓級(jí)微制造工藝并不是一項(xiàng)容易的任務(wù)，我們花了幾年的時(shí)間進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在最近完成的European Horizon 2020項(xiàng)目MOPHIC的框架內(nèi)，我們實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)微制造工藝。”

就挑戰(zhàn)而言，需要考慮制造公差和材料兼容性，他說(shuō)：“其他挑戰(zhàn)包括新型光子MEMS組件的設(shè)計(jì)、大量電信號(hào)和光信號(hào)的接口，以及建立控制策略來(lái)重新配置基于硅光子MEMS的電路。”

這項(xiàng)進(jìn)步將使廣泛的應(yīng)用從中受益。“我們已經(jīng)展示了用于光纖通信的可調(diào)諧濾波器和光學(xué)開(kāi)關(guān)，”Quack說(shuō)，“進(jìn)一步的應(yīng)用還包括用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的激光雷達(dá)3D傳感的光束轉(zhuǎn)向、可重新配置以執(zhí)行不同功能的光子芯片編程，或用于量子光子學(xué)中的信息處理等。”

光子MEMS的下一步發(fā)展

現(xiàn)在，Quack和他的同事正在探索幾種途徑來(lái)推進(jìn)硅光子MEMS的發(fā)展。

Quack說(shuō)：“在悉尼大學(xué)，我們對(duì)新型MEMS致動(dòng)器進(jìn)行了研究，例如硅光子學(xué)中的納米機(jī)械壓電致動(dòng)器。我們預(yù)計(jì)響應(yīng)時(shí)間將大幅提高，比最先進(jìn)的組件快至少10倍，并能進(jìn)一步減少占地面積，這對(duì)該技術(shù)的進(jìn)一步擴(kuò)展至關(guān)重要。”

作為Horizon Europe研究項(xiàng)目MOPIC的后續(xù)行動(dòng)，imec公司正在領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)名為PHORMIC的新項(xiàng)目，以探索將激光器和放大器與硅光子MEMS進(jìn)一步集成的方法，其目標(biāo)是在小型化和光學(xué)信號(hào)處理方面取得重大突破。

目前正在探索的其他領(lǐng)域包括新型光子MEMS器件或光子重新配置策略。Quack補(bǔ)充道：“這些途徑為MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和麥克風(fēng)在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用開(kāi)辟了新的可能性。也許有一天，我們的手機(jī)中會(huì)包含一類(lèi)新設(shè)備，比如基于硅光子MEMS的空氣質(zhì)量傳感器或微型3D相機(jī)。”

文/Sally Cole Johnson