“万能”半导体工具箱：MEMS+PICs

原创 长光所Light中心 中国光学 

撰稿 | Rain（清华大学 博士生）

微机电系统（MEMS）具有半导体加工的成熟工艺技术，已经在加速器、陀螺仪、微型镜面阵列等器件中实现大规模集成。

光子集成电路(Photonic integrated circuits, PICs)是为光学带来微型化，高性能，强可扩展性，低功耗和成本的重要途径。PICs在高速通信、高性能计算、无标签化生物传感、量子技术等领域都具有广阔应用前景，市场增长快速，吸引了广泛的研究兴趣。

原来的光学MEMS主要是针对非集成、空间光MEMS，或某个独立器件。而为了进一步增大PICs的规模，我们需要一个有效的调制机制来补偿工艺变化和环境干扰，或实现光路重构。一个具有前景的技术路线是在PICs中引入微机电系统(MEMS)。

用于PICs的MEMS利用纳米到微米量级的机械结构改进现有PICs光学组件，并引入新颖的功能。

这篇综述以“MEMS for Photonic Integrated Circuits”为题发表在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，该论文介绍了MEMS驱动原理和机械集成光子学的微调机制。定量的回顾了MEMS可调PICs组件的技术水平，并严格的评估了现有PICs平台中MEMS组件大规模集成的适用性。MEMS技术是解决现有PICs技术瓶颈的有力途径，为PICs平台提供了全新的设计维度和广阔的应用前景。

我们先简单列出MEMS在PICs中的作用：

（1） 提供有效的调制机制，调整大规模PICs光学组件的工作点；

（2） 提高现有能力（如引进双稳态或制造零功耗态）；

（3） 实现全新的功能（如光纤界面耦合优化的机械运动）。

I．现有PICs调制机制的介绍与比较（MEMS可调光学功能的实现）

PICs调制方法利用物理效应，如折射率的温度依赖性，半导体中的等离子体扩散，具有一定晶体对称性的材料的Pockels或Kerr效应以及由光学梯度力或MEMS产生的位移等物理效应来修改波导特性。

图1 展示了不同调制机制在大规模PICs应用的适用性方面的比较。

图1. 不同PICs调制机制在可扩展性角度的半定量比较

图源：MEMS for Photonic Integrated Circuits (Fig. 1).

选择PICs调制机制的关键因素包括光学损耗，尺寸，功耗和调制速度。不同调制机制的性能比较见 表格1。

光学MEMS依靠机电制动来改变波导的光学特性，其低功耗和低光学损耗的特性非常适合大规模PICs。尽管速度受到机械共振频率的限制，但是工作原理决定了它不受波导材料的限制，因此适用范围更广。另外，电驱动机械运动的设计自由度与其他调制方法引起的折射率变化大不相同，因此可以实现一些新的应用。

II． 用于PICs的MEMS驱动原理

MEMS可调PICs元件所需的位移在几十纳米到几十微米之间，基于不同物理原理的几种MEMS执行器可以满足这一要求，主要包括静电驱动、电热驱动、压电驱动和磁力驱动。

表格2 总结了适用于PICs的MEMS主要驱动原理。

III． MEMS可调PICs组件的最新技术

1. 移相器

移相器是PICs中的基础组件，是很多器件的核心。实现方式包括利用金属镀层实现面内位移和平行板驱动，利用平行板和梯度力驱动SOI波导上方SiN悬臂梁的面外位移来改变有效折射率，梳齿驱动器增加位移范围以增加相移幅度等。

2. 耦合器

耦合器是实现功率耦合模拟控制，是实现高效PICs的关键。在III-V族平台上的报道包括InP结合平面内MEMS调制，或GaAs结合面外、面内平行板驱动。可调谐耦合器广泛用于补偿环形谐振器的工艺变化，如用于控制总线波导和微环之间耦合的梳齿驱动器。可变光衰减器也属于一种特殊的耦合器。

图2. 与MEMS集成的可调谐耦合器的SEM图像

图源：MEMS for Photonic Integrated Circuits (Fig. 9).

3. 光开关

可扩展PICs中的光开关包括易失性和非易失性两种。易失性光开关如具有分段结构可移动波导，用于光开关的可调谐耦合器，利用梳齿驱动的方向耦合器等。基于定向耦合器的平面外开关可被扩展到50×50和240×240矩阵。此外，两个波导器件层可以实现偏振无关。

非易失性光开关在PICs中报道较少，但也有一些有前途的器件。如通过推挽梳齿来分合器件的光子晶体腔，大尺寸的开关矩阵利用静态阻力和平行板接入以实现可靠的双稳态运行。

通过使用基于位移波导/光子晶体反射器的平面内驱动开关也可实现光开关。利用双晶悬臂梁插入一系列对准光子晶体孔的尖端来实现光子晶体的开与关。

4. 光栅耦合器

MEMS可调光栅耦合可以用于光纤对准或传感的光束转向，或用于传输光谱的调谐。如利用面外静电MEMS调制悬浮的光栅耦合器，改变光栅角度；第二种调整光栅耦合器的MEMS方法依靠平面内驱动，使用梳状驱动器使光栅耦合器变形，就像一个悬挂的机械弹簧。

5. 集成光源和非线性PICs

MEMS可用于调制集成光源和波导的非线性光学特性。例如，MEMS诱导应变可准直单光子光源发射光谱，而这是光量子技术的核心。另外，III-V材料中的静电MEMS可用于调整光子晶体腔中的模态体积，从而增强Purcell效应，调整其激光出射速率。

对于非线性PICs，MEMS驱动仍待探索，但通过压电和静电驱动的概念可证明，通过微调波导双折射或色散可提高非线性光学效率。

IV． 具有集成前景的MEMS可调PICs组件

MEMS调制的大规模集成光子电路具有功耗低的优势。有关可重复编程的光学MEMS链路的关键元件已有报道，大规模交换网络已经在晶片级的过程中实现。

随着加工工艺的优化和工厂化进程的推进，我们可以预期到标准化MEMS移相器和耦合器的插损可降低至0.1dB以下。对于微电子学，尺寸是芯片成本的主要因素之一，单个芯片的占用空间取决于单个组件的大小和驱动的复杂程度。复杂性和占用空间是成本的主要驱动因素。图3 展示了移相器、耦合器和开关设备占用空间与PICs技术兼容性（复杂度）的得分。

图3. 移相器、耦合器和开关设备占用空间与PIC技术兼容性（复杂度）得分

图源：MEMS for Photonic Integrated Circuits (Fig. 16).

光学MEMS设备的共振频率通常位100 kHz到10 MHz，这限制了其驱动速度。面外静电执行器实现2 MHz以上的开关速度，而面内执行器报告的速度在100 kHz左右。因此，我们并不期望MEMS能取代目前的高速光电子调制。然而，将低功率MEMS重构与现有的高速调制结合是可以实现的。

在量子光学领域最近的新应用是与MEMS结合，其明显的优势是由于严格要求低操作温，低光学损耗和量子源应变调优的可能性,提高了量子位的稳定性和相干性。这些特性，加上在量子模拟和计算应用中需要大量的移相器，使MEMS成为量子光子学的一种优秀的调制方法，我们可以期待在不久的将来MEMS在量子PICs上的突破。

MEMS在PICs上的广泛集成开创了许多新的可能，设计师就像拥有一个强大的先进光子学工具箱，可用于信息和通信技术应用的低损耗、低功耗和高性能PICs应用，用于消费电子产品的传感器，激光雷达3D成像，生物感应，量子传感或量子信息处理。

文章信息

IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics ( Volume: 26 , Issue: 2 , March-April 2020 )

论文地址

https://doi.org/10.1109/JSTQE.2019.2943384

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