基于MEMS的硅基32x32光开关阵列

这篇笔记介绍下MEMS光开关阵列的最新进展，UC Berkley的MC. Wu研究组与TSI Semiconductors合作，首次成功在商业foundry实现了32x32的MEMS光开关阵列的研制。

光开关阵列的原理图如下图所示，主要由光栅耦合器、波导交叉结构、以及一根波导可移动的定向耦合器构成。

（图片来自文献1）

借助于MEMS结构，定向耦合器中的一根波导可以自由移动，波导间距可以从550nm变化到0nm，实现cross与bar两种状态的切换，如下图所示，

（图片来自文献1）

硅基光波导的移动通过MEMS结构来控制，为了节省尺寸，采用了多finger的结构，如下图所示，finger之间形成电容，施加电压后，finger之间会有静电吸引力的作用，从而产生移动，使得与之相连接的波导发生移动。

（图片来自文献2）

对应的SEM如下图所示，

（图片来自文献1）

硅基MEMS的加工流程如下图所示，采用200mm的SOI晶圆，

（图片来自文献1）

与传统硅光芯片制备相比，唯一的区别在于引入了HF的刻蚀(湿刻)，将硅波导下方的SiO2刻蚀掉，便于形成悬臂型的硅波导和comb drive。

系统的工作波长为1550nm, 单个光开关的测试结果如下图所示，

（图片来自文献1）

在0V时，光从Through端口输出，电压为9.9V时，光从Drop端口输出。Drop端口的消光比为50.8dB, Through端口的消光比为27.9dB。平均的激励电压为9.45V, 标准差为0.74V。每个光开关单元的插损为0.1dB, 整个32x32光开关系统的插损为7.7dB。

（图片来自文献1）

简单总结一下，MEMS光开关阵列之前主要是在实验室制备，这篇工作首次在成熟的商业foundry中实现，将相关技术的商业化向前推动了很大一步。波导的损耗，MEMS单元的插损都非常小。可能唯一的问题是激励电压，无法直接通过CMOS电芯片提供9.9V的驱动电压。

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参考文献：

1. S. Han, et. al., "32 × 32 silicon photonic MEMS switch with gap-adjustable directional couplers fabricated in commercial CMOS foundry", Journal of Optical Microsystems

2. C. Errando-Herranz, et.al., "MEMS for Photonic Integrated Circuits", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 26,8200916 (2020)