兼容标准晶圆代工工艺的硅光MEMS开关
2026-08-30 15:14:47 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

研究团队采用一种零修改标准晶圆代工兼容工艺以及后道工艺（BEOL）后处理技术，实现了一种工作于C波段的宽带硅光MEMS开关，其消光比超过30 dB。

大规模光开关正逐渐成为数据中心和AI/ML集群实现高能效光互连的关键器件，是满足高带宽、低时延互连需求的重要技术支撑。将基于微机电系统（MEMS）的机械重构能力与硅光集成光路（PIC）相结合，可以构建大规模光路交换（OCS）所需的低损耗、可编程光子平台。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国加利福尼亚大学伯克利分校（UC Berkeley）的研究团队采用一种零修改（zero-change）标准晶圆代工兼容工艺以及后道工艺（BEOL）后处理技术，实现了一种工作于C波段的宽带硅光MEMS开关，其消光比超过30 dB。该光开关单元的插入损耗低于1.5 dB，并且在最大驱动电压下具有约20 nW的低静态功耗。研究结果表明，基于MEMS的硅光调制器和移相器可以与标准硅光器件实现无缝集成，特别适用于对器件占位面积、消光比、工作带宽以及低损耗性能具有较高要求的应用场景。上述研究成果以题为“Zero-change foundry compatible silicon photonics MEMS optical switch”发布在arXiv平台上。

本文所提出的硅光MEMS开关设计通过AIM Photonics的多项目晶圆（MPW）服务完成流片。MEMS设计的截面结构如图1a所示。研究人员利用BEOL金属化层构成静电MEMS执行器的一个电极板，而另一电极板则由绝缘体上硅（SOI）悬臂梁构成。根据晶圆代工厂工艺设定，SOI悬臂梁与第二层金属（Metal 2）层之间的标称间隙约为3 μm，并能够支持接近1 μm的偏转位移。SOI悬臂梁经过N型掺杂，但靠近波导的区域不进行掺杂，以避免掺杂对光传播损耗产生影响。悬臂梁施加接地电势，从而作为所有光开关单元的公共接地；而每个光开关单元则通过向顶部金属电极施加驱动电压，实现独立寻址和驱动。当向MEMS执行器施加电压时，悬臂梁会向上偏转，使器件由常开（normally ON）状态转换为关断（OFF）状态。

图1b展示了包含8 × 8端口光开关的硅光芯片的光学显微照片。该光开关的总占位面积为3.5 mm × 1.8 mm，其中每个开关单元的尺寸约为360 μm × 130 μm。图中还给出了释放后的MEMS区域的放大图。光开关阵列采用一种改进型交叉阵列结构进行排列，并在波导交叉位置采用低损耗波导交叉结构。采用交叉阵列架构的光开关布局如图1c所示。

硅光MEMS开关设计

图1 硅光MEMS开关设计

MEMS器件通过BEOL后处理实现释放，该工艺包括芯片级接触式光刻，随后在ALPAD 639（Transene公司产品）中进行定时湿法释放，最后采用超临界干燥。MPW裸片样品采用喷涂法涂覆厚度最高可达9 μm的SPR220光刻胶。为了实现无缺陷的光刻胶涂覆，研究人员首先去除了钝化层顶部约500 nm的厚度，随后通过原子层沉积（ALD）工艺沉积约25 nm厚的氧化铝。

释放后的MEMS执行器的机械特性表征结果如图2所示。图2a展示了MEMS悬臂梁本征模态的平面外（out-of-plane）位移，该位移通过数字全息显微镜采用频闪测量获得，如图2a下部所示。实验观察到，在35 V驱动电压下，MEMS悬臂梁的偏转量约为700 nm。图2b展示了MEMS执行器的仿真响应曲线及其对光调制产生的影响。对于输出端口，由于其光路中经过了一对绝热耦合器，其透射光功率逐渐降低；相比之下，与之对应的直通端口的透射光功率逐渐升高，其光路中仅包含一个绝热耦合器。

硅光MEMS执行器的机械特性表征

图2 硅光MEMS执行器的机械特性表征

硅光MEMS开关单元的光学特性表征结果如图3所示。图3a展示了有源MEMS光调制的测试结果，用于表征器件的直流性能。实验观察到，在约32 V的驱动电压下，器件处于OFF状态时可实现超过30 dB的消光比。图3b展示了器件的宽带切换能力。该器件能够在C波段实现宽带、高消光比的切换，支持粗管道（fat-pipe）切换模式，而不是波长选择性切换。该光开关单元的插入损耗实测小于1.5 dB，其中还包括约0.6 dB的光传播损耗。图3c展示了所设计绝热耦合器的仿真性能。在所关注的工作带宽内，其插入损耗小于0.25 dB（光开关单元的总损耗包含一对绝热耦合器的损耗，以及波导传输损耗、弯曲损耗和四个氧化物-空气过渡区域带来的损耗）。

硅光MEMS开关的光学特性表征

图3 硅光MEMS开关的光学特性表征

对该光开关单元的进一步表征结果如图4所示。图4a展示了该光开关在多次循环下的光传输曲线重复性。图中叠加了100次循环的测试数据，即光开关被周期性驱动，每完成100次切换循环后进行一次测量，每个数据点均对应于完成100次切换循环后的测量结果。结果表明，不同循环次数下的传输曲线具有较好的重复性。这说明该器件可用于需要在较宽动态范围内实现模拟可调的应用，例如高分辨率模拟光学矩阵乘法引擎。得益于其宽带特性，其还能够支持大规模的波分复用并行处理。观察到的吸合（pull-in）电压接近40 V（图4b）。当驱动电压超过吸合电压时，MEMS执行器会发生不可逆的破坏，并且无法恢复。通过合理的器件设计，将第一金属层（Metal 1）用作机械限位器，可以在一定程度上防止吸合引发的灾难性损坏。经测量，MEMS开关单元的静态功耗（不包含驱动电路的功耗）低于20 nW（图4c）。

硅光MEMS开关的性能表征

图4 硅光MEMS开关的性能表征

研究人员对该光开关进行了时间响应表征，以测量其切换速度（图5）。实验观察到，器件的切换动态响应时间约为600 μs（图5a）。这一出乎预期的较慢切换时间是由挤压膜阻尼所导致的，该阻尼与悬臂梁宽度的平方成正比。

尽管如此，可以经过专门的MEMS设计来兼顾这一阻尼因素，使其达到临界阻尼（critically damped）状态，从而支持约1微秒的切换动态响应。与此相关的设计参数包括悬臂梁的有效表面积以及悬臂梁的长宽比；原则上，阻尼可以在欠阻尼（underdamped）到过阻尼（overdamped）区间内自由调谐。另一种方法则是采用真空密封的气密性封装，以消除挤压膜阻尼的来源。此外，MEMS器件的气密性封装也是保证其长期可靠性的必然要求。本征切换动态特性取决于SOI悬臂梁的机械谐振频率（接近300 kHz）。尽管如此，对于处于过阻尼状态的悬臂梁，可以采用一种整形波形驱动来加快其时间响应，即在很短的时间内施加一个过驱动（overdrive）电压。这种整形高压波形类似于一种具有特定阶跃高度（即中间电压电平）与阶跃之间时间延迟的双阶跃（dual-step）驱动，属于一种开环控制技术。仿真性能如图5b所示，与单阶跃（single-step）脉冲驱动相比，整形波形驱动能够显著缩短器件达到稳态响应的时间。这一趋势可在实验中观察到（图5c），但受限于测试系统中高速高压放大器的性能瓶颈，时间响应仅获得了小幅改善。

硅光MEMS开关的时域切换动态性能