MEMS光開關(guān)商業(yè)化已不是紙上談兵

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，當(dāng)前數(shù)據(jù)革命面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是需要找到一種高效方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的路由。這通常由電子開關(guān)執(zhí)行，而數(shù)據(jù)本身則由光波導(dǎo)進(jìn)行傳輸。光學(xué)信號與電學(xué)信號的相互轉(zhuǎn)換會消耗能量，限制了可傳輸?shù)?a target="_blank">信息量。如果采用全光學(xué)開關(guān)，上述缺點則能克服。最被看好的方式之一是采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，MEMS技術(shù)具有低光學(xué)損耗、可單片集成和可擴(kuò)展性高等決定性優(yōu)勢。事實上，歷史上尺寸最大的光開關(guān)就是采用MEMS技術(shù)。

MEMS光開關(guān)商業(yè)化已不是紙上談兵

到目前為止，MEMS光開關(guān)都是在實驗室中采用復(fù)雜的非標(biāo)準(zhǔn)制造工藝完成，離商業(yè)化還有很長的距離。但是，美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員召集了世界各地不同大學(xué)的工程師人員，旨在證明MEMS光開關(guān)商業(yè)化的困難是可以解決的。他們直接采用現(xiàn)有的CMOS制造工藝平臺即可生產(chǎn)MEMS光開關(guān)，與大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)兼容，性價比高，適合大批量生產(chǎn)，這意味著MEMS光開關(guān)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程又向前邁進(jìn)了一大步。

MEMS光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

最近發(fā)表在國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE）雜志Journal of Optical Microsystems上的一篇論文表明，他們的光開關(guān)就是在商業(yè)代工廠內(nèi)采用常規(guī)的光刻和干法蝕刻工藝完成，襯底采用8英寸SOI（絕緣襯底上的硅）晶圓。整個光子集成電路位于頂層硅，其優(yōu)點是工藝步驟數(shù)量相對較少。會采用兩種不同的蝕刻工藝，一種是實現(xiàn)金屬互連的lift-off（金屬剝離）工藝，另一種是氧化物蝕刻的結(jié)構(gòu)釋放工藝。開關(guān)設(shè)計了32個輸入端口和32個輸出端口，形成有相同復(fù)制單元的32 x 32矩陣（整體尺寸為5.9 mm x 5.9 mm）。在每一個單元中，光從一個通道傳輸?shù)搅硪粋€通道是通過縮短兩個波導(dǎo)之間的距離來完成模式的耦合，而MEMS光開關(guān)的靜電梳齒驅(qū)動器的工作也是在頂層硅實現(xiàn)。

MEMS光開關(guān)制造流程示意圖

“在8英寸SOI晶圓代工廠中首次制造了大規(guī)模集成MEMS光開關(guān)。我認(rèn)為這是該技術(shù)適合商業(yè)化和大規(guī)模生產(chǎn)的令人信服的證明。在不久的將來，它們可能會被數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用?！泵绹死髮W(xué)研究人員Jeremy Béguelin評論道。

研究人員通過幾項重要參數(shù)的測量結(jié)果來證明光開關(guān)的性能：整個開關(guān)的光功率損耗為7.7dB，波長為1550nm的帶寬約30nm，開關(guān)運行速度為50μs。與其他光開關(guān)技術(shù)相比，參數(shù)實測值已經(jīng)非常出色，成為其改進(jìn)技術(shù)已無須質(zhì)疑。

光開關(guān)是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的未來關(guān)鍵組件。通過使用與CMOS工藝兼容的制造工藝和SOI晶圓，研究小組基于MEMS技術(shù)完成了性能好、效率高的光開關(guān)。這項工作為大規(guī)模集成光開關(guān)的商業(yè)化和量產(chǎn)開辟了一條充滿希望的道路。