新原理与新结构:基于分离波导交叉的MEMS硅光开关及阵列

01.

研究成果概述

2025年1月2日，光电学院戴道锌/李欢研究团队在《Nature Communications》期刊在线发表了题为“Silicon photonic MEMS switch based on split waveguide crossings（基于分离波导交叉的MEMS硅光开关）”的研究论文。

传统光开关工作机制是：基于折射率的微小变化进行模式耦合或模式干涉状态的调控，往往在理论上就存在尺寸、功耗和带宽等方面的固有瓶颈。本文创新地提出一种独特的分离波导交叉（split waveguide crossings, SWX）结构，实现了基于模式传输调控新原理的2×2开关单元：通过分离或重组SWX操控入射光的传输方向，实现OFF/ON状态的切换。在此基础上，进一步演示了Benes拓扑的64×64大规模硅光开关阵列，展示其在光互连/路由、激光雷达、光谱学、光计算及微波光子等领域的突出应用潜力。

02.

背景介绍

随着人工智能和物联网的飞速发展，超大容量数据传输与高效信号处理的需求持续增长，使得可编程/可重构大规模光子集成芯片研究日益迫切，以实现光路灵活重构、资源高效配置、低延迟/低能耗，其核心部件正是高性能光开关。目前，片上光波导开关结构主要包括两大类：

（1）采用马赫-曾德尔干涉仪或光谐振腔结构，基于调控模式干涉实现开关功能，主要存在尺寸、功耗和带宽等方面的性能瓶颈；

（2）基于定向耦合或绝热耦合结构，基于微/纳机电系统（MEMS/NEMS）调控模式耦合实现开关功能，其带宽/功耗表现优异，但仍存在制造工艺和封装技术复杂性问题。因此，如何实现低损耗、低串扰、大带宽、低功耗和高鲁棒性的硅光开关及大规模阵列仍是光子集成领域亟需突破的重大问题。

03.

文章亮点

本文创新地提出一种独特的SWX结构，实现了基于模式传输调控新原理的超紧凑2×2开关单元，与此前报道的光开关相比，具有以下突出优势：

(1)结构紧凑：SWX结构尺寸仅23×23 μm2；

(2)超大带宽：从原理上突破了波长相关性制约，理论上工作带宽达300nm；

(3)超能耗低：开关能耗仅0.42 pJ，远低于此前报道的硅光开关；

(4)易于扩展：可实现1×2及2×2开关单元，适用于各种阵列拓扑结构；

(5)工艺简单：仅需单层薄硅，可采用常规SOI晶圆，完全兼容标准硅光流片；

(6)性能优异：

理论仿真表明，此开关1400–1700 nm超宽波段内性能：损耗~0.1–0.5/0.1–0.4 dB、串扰<–37/–22 dB（ON/OFF状态）；

实验结果表明，此开关1420–1600 nm波段（受限于输入/输出耦合光栅）内性能为：损耗为0.12–0.4/0.5–0.7 dB、串扰低于–44/–24 dB（ON/OFF状态）；开关速度为3.5/1.2 μs；超10亿次开关的高可靠耐久性；

图1. SWX MEMS硅光开关单元。a, b, SWX的OFF和ON状态；c, 开关整体结构，包括光学/机械结构；d, SWX反射面上的亚波长齿和机械限位器；e, f, 开关结构中SWX的OFF和OFF状态。

如图1所示，SWX结构由两个结构近乎对称的固定件和移动件构成，初始状态下两者完全分离（图1a），即各自形成超紧凑波导反射镜，则入射光被全内反射到位于同一侧的输出端口，此时为OFF状态。而当施加电压之后，移动件受到静电力作用贴近固定件（两者间隙几乎为零，图1b），从而形成近乎完美的波导交叉结构，此时为ON状态，入射光穿过间隙进入另一侧输出端口。在此，本文设计了静电梳推杆、定位器、折叠弹簧等MEMS结构（图1c），并巧妙地引入了限位器和亚波长齿等特殊结构（图1d），解决了移动件-固定件闭合时黏连问题及光透射传输损耗问题。

图2. SWX开关单元的模拟仿真。a, b, OFF状态下SWX光场传输和传输谱；c, d, OFF状态下SWX光场传输和传输谱；e, f, 对准器、折叠弹簧和静电梳；g, SWX开关的偏压-受力/位移关系；h, OFF状态下机械结构位移图。

图2为SWX开关设计仿真结果。由此可见，在1400–1700 nm超大带宽范围内，其OFF/OFF状态的损耗及串扰分别为0.1–0.5/0.1–0.4 dB、<–37/–22 dB（图2a–d），呈现出非常优异的器件性能。而通过机械结构和静电梳致动器的精细设计，可实现22 V低驱动电压和高稳定性（图2e–h）。

图3. SWX开关单元的实验结果。a, SEM图；b, 亚波长齿SEM图；c, d, OFF/ON状态下的传输谱；e, 不同驱动电压时的透射谱T12；f, 开关速度；g, 开关耐久性（10亿次操作）。

图3为SWX开关单元的实验测试结果：（1）在1420–1600 nm宽波段（受限于耦合光栅带宽），其OFF/ON状态的损耗及串扰分别为0.1–0.4/0.5–0.7 dB、<–44/–24 dB（图3c, d）；（2）具有大驱压容差的数字式开关特性（图3e）；（3）具有3.5/1.2μs快速切换能力（图3f）；（4）超十亿次开关的高可靠耐久性（图3g）。

图4. 64×64开关阵列的实验结果。a, 光学显微镜照片；b, 开关单元放大图；c, 波导交叉阵列放大图；d, 波导交叉放大图；e, 全断开状态下开关阵列的传输谱；f, 全断开状态下所有入射光路由至目标输出端口的损耗（@1550nm）；g, 单个开关闭合状态下开关阵列的传输谱。

基于上述自主创新的2×2开关单元，本文进一步实现了基于Benes拓扑的64×64大规模光开关阵列（图4a），包含352个开关单元和1824个波导交叉，其面积约10×5.3 mm2。在此，该开关阵列采用了宽波导欧拉弯曲和宽度渐变波导交叉，有效降低传输损耗和通道串扰（图4d）。测试结果表明，此开关阵列在C波段获得了<–35 dB的低串扰和>38 dB的高消光比（图4e–g），呈现了其优异性能和突出潜力。

04.

总结与展望

本文提出一种基于模式传输调控新原理的2×2MEMS硅光开关单元，采用了独创的分离波导交叉SWX结构，通过分离或重组SWX组件操控入射光的传输方向，实现OFF/ON状态的切换。所研制的2×2开关单元及64×64开关阵列具有超低损耗、高消光比、超大带宽、高适应性、超低能耗等优异性能，且制备工艺简洁，易于扩展，具备在光互连/路由、激光雷达、光谱学、光计算及微波光子等领域的突出应用潜力。

05.

论文与作者信息

本文第一作者为浙江大学光电学院博士生胡寅鹏，通讯作者为李欢研究员和戴道锌教授。该研究得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、浙江省引进培育领军型创新创业团队、浙江省重点研发计划、浙江省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和浙江大学百人计划启动基金的资金支持。

原文链接：DOI: 10.1038/s41467-024-55528-9

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55528-9

作者简介

胡寅鹏，浙江大学光电科学与工程学院博士研究生，研究方向为MEMS硅光开关、光机电单片集成等，曾获2023年国际光电子与通讯会议（OECC 2023）最佳论文奖、研究生创“芯”大赛二等奖、全国光学与光学工程博士生学术联赛海峡赛区一等奖等。

李欢，浙江大学百人计划研究员、博士生导师。致力于硅基光子集成器件及其光信号处理与光计算芯片研究，在硅光MEMS集成器件、硅光MZI集成器件、硅光相变集成器件、GHz高频声光集成器件、硅光光力集成器件等方面取得系列创新成果。承担国家重点研发计划项目课题、面上项目、浙江省自然科学基金重点项目等。以第一/共一作者在Nature Nanotechnol.、Nature Commun.、Sci. Adv.、Optica等本领域顶尖期刊发表多篇论文。

戴道锌，浙江大学求是特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者（2017）、美国光学学会会士。现为浙江大学光电科学与工程学院院长、浙江省光学学会理事长、教育部光子学与技术国际合作联合实验室主任。致力于高性能硅光器件及应用研究，主持了国家重点研发计划、国家自然科学基金重大研究计划等重大重点项目，开拓了多模硅光子学等重要方向，在超低损耗硅光波导、超高Q值硅光微腔、高性能硅光滤波器、新型光开关及阵列、超高GBP锗硅雪崩光电探测器、薄膜铌酸锂FP腔电光调制器等高性能单元器件及大规模集成芯片方面取得重要突破。在Science、Nature、Nature Photonics、Nature Communications、Light: Science & Applications、Laser & Photonics Reviews、Optica等期刊发表论文350余篇。论文被引用23000余次，入选历年爱思唯尔《中国高被引学者榜单》。美国OFC等大会/教程/主旨/特邀报告等100余次，担任OECC 2023、ACP 2022大会共主席等，先后获王大珩光学奖、中国光学学会光学科技一等奖、浙江省自然科学一等奖等奖励荣誉。