可以使用半导体工艺制造的硅光子MEMS，为未来的电信和数据通信需求提供了节能和可扩展的解决方案。

图1：MEMS增强了标准硅光子IC的性能，为未来的电信和数据通信需求提供了节能和可扩展的解决方案。

在过去三年的新冠疫情期间，很多人都已经习惯了在家办公、访问云数据存储、通过宽带网络传输视频以及通过视频会议进行沟通。所有这些数字应用的一大共同点是：它们都需要一个高效的全球化光纤电信基础设施（见图1）。

我们如何引入更节能的硬件，来满足未来对电信和数据通信不断增长的需求呢？这个问题启发了来自瑞士洛桑理工学院（EPFL）、瑞典KTH皇家理工学院、比利时根特大学、澳大利亚悉尼大学以及比利时imec公司的一组研究人员，他们通过将硅光子学和微机电系统（MEMS）这两种截然不同的技术相结合，为节能的光子集成电路寻找到了新颖且可扩展的解决方案。

硅光子学和MEMS在本质上都是可扩展的，因为它们都是基于标准化的半导体工艺制造的。

悉尼大学航空航天、机械和机电工程学院副教授Niels Quack表示：“在这个领域，光子学是一种新兴技术，擅长在芯片上传输和控制光信号；而MEMS已经是一项成熟技术，能够在纳米尺度上实现极其精确的运动控制。”Niels Quack最近因为在光子MEMS方面的工作而获得了“2023 Sydney Research Accelerator”奖。

Quack和他的同事制造了光子MEMS，这是一种硅中的小型波导，它可以携带光信号，而光信号可以通过集成的静电致动器精确的移动。这种移动可以用于执行不同的功能，例如调制幅度、相位、方向，或者选择芯片上的光信号的频谱通道。

Quack说：“这些操作只需很少的功耗就可以完成，这是对当今技术的一项巨大改进，即使用局部加热器操控芯片上的光信号。”

硅光子MEMS的制造

该研究小组研制的光子MEMS（见图2）非常紧凑、节能，现在可以无缝集成到imec公司最先进的标准光子制造工艺中。

图2：硅光子MEMS开关的显微镜图像（左图）和扫描电子显微镜图像（右图）。光可以通过独立硅波导的纳米机电运动，从左边的输入端口传输到右边的两个输出端口中的任何一个。

与标准平台的兼容性是这项工作的一个关键方面，因为它使研究人员能够利用现有的生态系统，包括设计框架、特性良好的高性能库组件和最先进的光子制造工艺。

该研究小组的演示，是集成MEMS的光子电路迈向成熟、大规模、可靠性生产的一个重要里程碑，这预示着它几乎为大批量生产做好了准备。

Quack说：“想象一下，我们可以通过宽度只有半微米、精度只有几纳米的波导的机械运动来控制芯片上的光流动，真是令人惊讶不已。”

“当你手里拿着一块硅光子MEMS晶片，你知道它可以容纳数百万个单独可移动的波导器件，这是多么令人印象深刻啊！”Quack说道，“建立可靠的晶圆级微制造工艺并不是一项容易的任务，我们花了几年的时间进行开发，在最近完成的European Horizon 2020项目MOPHIC的框架内，我们实现了晶圆级微制造工艺。”

就挑战而言，需要考虑制造公差和材料兼容性，他说：“其他挑战包括新型光子MEMS组件的设计、大量电信号和光信号的接口，以及建立控制策略来重新配置基于硅光子MEMS的电路。”

这项进步将使广泛的应用从中受益。“我们已经展示了用于光纤通信的可调谐滤波器和光学开关，”Quack说，“进一步的应用还包括用于自动驾驶汽车的激光雷达3D传感的光束转向、可重新配置以执行不同功能的光子芯片编程，或用于量子光子学中的信息处理等。”

光子MEMS的下一步发展

现在，Quack和他的同事正在探索几种途径来推进硅光子MEMS的发展。

Quack说：“在悉尼大学，我们对新型MEMS致动器进行了研究，例如硅光子学中的纳米机械压电致动器。我们预计响应时间将大幅提高，比最先进的组件快至少10倍，并能进一步减少占地面积，这对该技术的进一步扩展至关重要。”

作为Horizon Europe研究项目MOPIC的后续行动，imec公司正在领导一个名为PHORMIC的新项目，以探索将激光器和放大器与硅光子MEMS进一步集成的方法，其目标是在小型化和光学信号处理方面取得重大突破。

目前正在探索的其他领域包括新型光子MEMS器件或光子重新配置策略。Quack补充道：“这些途径为MEMS加速度计、陀螺仪和麦克风在消费电子产品中的广泛应用开辟了新的可能性。也许有一天，我们的手机中会包含一类新设备，比如基于硅光子MEMS的空气质量传感器或微型3D相机。”

文/Sally Cole Johnson