原創 長光所Light中心 中國光學
撰稿 | Rain（清華大學 博士生）
微機電系統（MEMS）具有半導體加工的成熟工藝技術，已經在加速器、陀螺儀、微型鏡面陣列等器件中實現大規模集成。
光子集成電路(Photonic integrated circuits, PICs)是為光學帶來微型化，高性能，強可擴展性，低功耗和成本的重要途徑。PICs在高速通信、高性能計算、無標籤化生物傳感、量子技術等領域都具有廣闊應用前景，市場增長快速，吸引了廣泛的研究興趣。
原來的光學MEMS主要是針對非集成、空間光MEMS，或某個獨立器件。而為了進一步增大PICs的規模，我們需要一個有效的調製機制來補償工藝變化和環境幹擾，或實現光路重構。一個具有前景的技術路線是在PICs中引入微機電系統(MEMS)。
用於PICs的MEMS利用納米到微米量級的機械結構改進現有PICs光學組件，並引入新穎的功能。
這篇綜述以「MEMS for Photonic Integrated Circuits」為題發表在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，該論文介紹了MEMS驅動原理和機械集成光子學的微調機制。定量的回顧了MEMS可調PICs組件的技術水平，並嚴格的評估了現有PICs平臺中MEMS組件大規模集成的適用性。MEMS技術是解決現有PICs技術瓶頸的有力途徑，為PICs平臺提供了全新的設計維度和廣闊的應用前景。
我們先簡單列出MEMS在PICs中的作用：
（1） 提供有效的調製機制，調整大規模PICs光學組件的工作點；
（2） 提高現有能力（如引進雙穩態或製造零功耗態）；
（3） 實現全新的功能（如光纖界面耦合優化的機械運動）。
I．現有PICs調製機制的介紹與比較（MEMS可調光學功能的實現）
PICs調製方法利用物理效應，如折射率的溫度依賴性，半導體中的等離子體擴散，具有一定晶體對稱性的材料的Pockels或Kerr效應以及由光學梯度力或MEMS產生的位移等物理效應來修改波導特性。
圖1 展示了不同調製機制在大規模PICs應用的適用性方面的比較。
圖1. 不同PICs調製機制在可擴展性角度的半定量比較
圖源：MEMS for Photonic Integrated Circuits (Fig. 1).
選擇PICs調製機制的關鍵因素包括光學損耗，尺寸，功耗和調製速度。不同調製機制的性能比較見 表格1。
光學MEMS依靠機電制動來改變波導的光學特性，其低功耗和低光學損耗的特性非常適合大規模PICs。儘管速度受到機械共振頻率的限制，但是工作原理決定了它不受波導材料的限制，因此適用範圍更廣。另外，電驅動機械運動的設計自由度與其他調製方法引起的折射率變化大不相同，因此可以實現一些新的應用。
II． 用於PICs的MEMS驅動原理
MEMS可調PICs元件所需的位移在幾十納米到幾十微米之間，基於不同物理原理的幾種MEMS執行器可以滿足這一要求，主要包括靜電驅動、電熱驅動、壓電驅動和磁力驅動。
表格2 總結了適用於PICs的MEMS主要驅動原理。
III． MEMS可調PICs組件的最新技術
1. 移相器
移相器是PICs中的基礎組件，是很多器件的核心。實現方式包括利用金屬鍍層實現面內位移和平行板驅動，利用平行板和梯度力驅動SOI波導上方SiN懸臂梁的面外位移來改變有效折射率，梳齒驅動器增加位移範圍以增加相移幅度等。
2. 耦合器
耦合器是實現功率耦合模擬控制，是實現高效PICs的關鍵。在III-V族平臺上的報導包括InP結合平面內MEMS調製，或GaAs結合面外、面內平行板驅動。可調諧耦合器廣泛用於補償環形諧振器的工藝變化，如用於控制總線波導和微環之間耦合的梳齒驅動器。可變光衰減器也屬於一種特殊的耦合器。
圖2. 與MEMS集成的可調諧耦合器的SEM圖像
圖源：MEMS for Photonic Integrated Circuits (Fig. 9).
3. 光開關
可擴展PICs中的光開關包括易失性和非易失性兩種。易失性光開關如具有分段結構可移動波導，用於光開關的可調諧耦合器，利用梳齒驅動的方向耦合器等。基於定向耦合器的平面外開關可被擴展到50×50和240×240矩陣。此外，兩個波導器件層可以實現偏振無關。
非易失性光開關在PICs中報導較少，但也有一些有前途的器件。如通過推挽梳齒來分合器件的光子晶體腔，大尺寸的開關矩陣利用靜態阻力和平行板接入以實現可靠的雙穩態運行。
通過使用基於位移波導/光子晶體反射器的平面內驅動開關也可實現光開關。利用雙晶懸臂梁插入一系列對準光子晶體孔的尖端來實現光子晶體的開與關。
4. 光柵耦合器
MEMS可調光柵耦合可以用於光纖對準或傳感的光束轉向，或用於傳輸光譜的調諧。如利用面外靜電MEMS調製懸浮的光柵耦合器，改變光柵角度；第二種調整光柵耦合器的MEMS方法依靠平面內驅動，使用梳狀驅動器使光柵耦合器變形，就像一個懸掛的機械彈簧。
5. 集成光源和非線性PICs
MEMS可用於調製集成光源和波導的非線性光學特性。例如，MEMS誘導應變可準直單光子光源發射光譜，而這是光量子技術的核心。另外，III-V材料中的靜電MEMS可用於調整光子晶體腔中的模態體積，從而增強Purcell效應，調整其雷射出射速率。
對於非線性PICs，MEMS驅動仍待探索，但通過壓電和靜電驅動的概念可證明，通過微調波導雙折射或色散可提高非線性光學效率。
IV． 具有集成前景的MEMS可調PICs組件
MEMS調製的大規模集成光子電路具有功耗低的優勢。有關可重複編程的光學MEMS鏈路的關鍵元件已有報導，大規模交換網絡已經在晶片級的過程中實現。
隨著加工工藝的優化和工廠化進程的推進，我們可以預期到標準化MEMS移相器和耦合器的插損可降低至0.1dB以下。對於微電子學，尺寸是晶片成本的主要因素之一，單個晶片的佔用空間取決於單個組件的大小和驅動的複雜程度。複雜性和佔用空間是成本的主要驅動因素。圖3 展示了移相器、耦合器和開關設備佔用空間與PICs技術兼容性（複雜度）的得分。
圖3. 移相器、耦合器和開關設備佔用空間與PIC技術兼容性（複雜度）得分
圖源：MEMS for Photonic Integrated Circuits (Fig. 16).
光學MEMS設備的共振頻率通常位100 kHz到10 MHz，這限制了其驅動速度。面外靜電執行器實現2 MHz以上的開關速度，而面內執行器報告的速度在100 kHz左右。因此，我們並不期望MEMS能取代目前的高速光電子調製。然而，將低功率MEMS重構與現有的高速調製結合是可以實現的。
在量子光學領域最近的新應用是與MEMS結合，其明顯的優勢是由於嚴格要求低操作溫，低光學損耗和量子源應變調優的可能性,提高了量子位的穩定性和相干性。這些特性，加上在量子模擬和計算應用中需要大量的移相器，使MEMS成為量子光子學的一種優秀的調製方法，我們可以期待在不久的將來MEMS在量子PICs上的突破。
MEMS在PICs上的廣泛集成開創了許多新的可能，設計師就像擁有一個強大的先進光子學工具箱，可用於信息和通信技術應用的低損耗、低功耗和高性能PICs應用，用於消費電子產品的傳感器，雷射雷達3D成像，生物感應，量子傳感或量子信息處理。
文章信息
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics ( Volume: 26 , Issue: 2 , March-April 2020 )
論文地址
https://doi.org/10.1109/JSTQE.2019.2943384
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原標題：《「萬能」半導體工具箱：MEMS+PICs》
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