01.

研究成果概述

2025年1月2日，光電學院戴道鋅/李歡研究團隊在《Nature Communications》期刊在線發表了題為“Silicon photonic MEMS switch based on split waveguide crossings（基于分離波導交叉的MEMS硅光開關）”的研究論文。

傳統光開關工作機制是：基于折射率的微小變化進行模式耦合或模式干涉狀態的調控，往往在理論上就存在尺寸、功耗和帶寬等方面的固有瓶頸。本文創新地提出一種獨特的分離波導交叉（split waveguide crossings, SWX）結構，實現了基于模式傳輸調控新原理的2×2開關單元：通過分離或重組SWX操控入射光的傳輸方向，實現OFF/ON狀態的切換。在此基礎上，進一步演示了Benes拓撲的64×64大規模硅光開關陣列，展示其在光互連/路由、激光雷達、光譜學、光計算及微波光子等領域的突出應用潛力。

02.

背景介紹

隨著人工智能和物聯網的飛速發展，超大容量數據傳輸與高效信號處理的需求持續增長，使得可編程/可重構大規模光子集成芯片研究日益迫切，以實現光路靈活重構、資源高效配置、低延遲/低能耗，其核心部件正是高性能光開關。目前，片上光波導開關結構主要包括兩大類：

（1）采用馬赫-曾德爾干涉儀或光諧振腔結構，基于調控模式干涉實現開關功能，主要存在尺寸、功耗和帶寬等方面的性能瓶頸；

（2）基于定向耦合或絕熱耦合結構，基于微/納機電系統（MEMS/NEMS）調控模式耦合實現開關功能，其帶寬/功耗表現優異，但仍存在制造工藝和封裝技術復雜性問題。因此，如何實現低損耗、低串擾、大帶寬、低功耗和高魯棒性的硅光開關及大規模陣列仍是光子集成領域亟需突破的重大問題。

03.

文章亮點

本文創新地提出一種獨特的SWX結構，實現了基于模式傳輸調控新原理的超緊湊2×2開關單元，與此前報道的光開關相比，具有以下突出優勢：

(1)結構緊湊：SWX結構尺寸僅23×23 μm2；

(2)超大帶寬：從原理上突破了波長相關性制約，理論上工作帶寬達300nm；

(3)超能耗低：開關能耗僅0.42 pJ，遠低于此前報道的硅光開關；

(4)易于擴展：可實現1×2及2×2開關單元，適用于各種陣列拓撲結構；

(5)工藝簡單：僅需單層薄硅，可采用常規SOI晶圓，完全兼容標準硅光流片；

(6)性能優異：

理論仿真表明，此開關1400–1700 nm超寬波段內性能：損耗~0.1–0.5/0.1–0.4 dB、串擾<–37/–22 dB（ON/OFF狀態）；

實驗結果表明，此開關1420–1600 nm波段（受限于輸入/輸出耦合光柵）內性能為：損耗為0.12–0.4/0.5–0.7 dB、串擾低于–44/–24 dB（ON/OFF狀態）；開關速度為3.5/1.2 μs；超10億次開關的高可靠耐久性；

圖1. SWX MEMS硅光開關單元。a, b, SWX的OFF和ON狀態；c, 開關整體結構，包括光學/機械結構；d, SWX反射面上的亞波長齒和機械限位器；e, f, 開關結構中SWX的OFF和OFF狀態。

如圖1所示，SWX結構由兩個結構近乎對稱的固定件和移動件構成，初始狀態下兩者完全分離（圖1a），即各自形成超緊湊波導反射鏡，則入射光被全內反射到位于同一側的輸出端口，此時為OFF狀態。而當施加電壓之后，移動件受到靜電力作用貼近固定件（兩者間隙幾乎為零，圖1b），從而形成近乎完美的波導交叉結構，此時為ON狀態，入射光穿過間隙進入另一側輸出端口。在此，本文設計了靜電梳推桿、定位器、折疊彈簧等MEMS結構（圖1c），并巧妙地引入了限位器和亞波長齒等特殊結構（圖1d），解決了移動件-固定件閉合時黏連問題及光透射傳輸損耗問題。

圖2. SWX開關單元的模擬仿真。a, b, OFF狀態下SWX光場傳輸和傳輸譜；c, d, OFF狀態下SWX光場傳輸和傳輸譜；e, f, 對準器、折疊彈簧和靜電梳；g, SWX開關的偏壓-受力/位移關系；h, OFF狀態下機械結構位移圖。

圖2為SWX開關設計仿真結果。由此可見，在1400–1700 nm超大帶寬范圍內，其OFF/OFF狀態的損耗及串擾分別為0.1–0.5/0.1–0.4 dB、<–37/–22 dB（圖2a–d），呈現出非常優異的器件性能。而通過機械結構和靜電梳致動器的精細設計，可實現22 V低驅動電壓和高穩定性（圖2e–h）。

圖3. SWX開關單元的實驗結果。a, SEM圖；b, 亞波長齒SEM圖；c, d, OFF/ON狀態下的傳輸譜；e, 不同驅動電壓時的透射譜T12；f, 開關速度；g, 開關耐久性（10億次操作）。

圖3為SWX開關單元的實驗測試結果：（1）在1420–1600 nm寬波段（受限于耦合光柵帶寬），其OFF/ON狀態的損耗及串擾分別為0.1–0.4/0.5–0.7 dB、<–44/–24 dB（圖3c, d）；（2）具有大驅壓容差的數字式開關特性（圖3e）；（3）具有3.5/1.2μs快速切換能力（圖3f）；（4）超十億次開關的高可靠耐久性（圖3g）。

圖4. 64×64開關陣列的實驗結果。a, 光學顯微鏡照片；b, 開關單元放大圖；c, 波導交叉陣列放大圖；d, 波導交叉放大圖；e, 全斷開狀態下開關陣列的傳輸譜；f, 全斷開狀態下所有入射光路由至目標輸出端口的損耗（@1550nm）；g, 單個開關閉合狀態下開關陣列的傳輸譜。

基于上述自主創新的2×2開關單元，本文進一步實現了基于Benes拓撲的64×64大規模光開關陣列（圖4a），包含352個開關單元和1824個波導交叉，其面積約10×5.3 mm2。在此，該開關陣列采用了寬波導歐拉彎曲和寬度漸變波導交叉，有效降低傳輸損耗和通道串擾（圖4d）。測試結果表明，此開關陣列在C波段獲得了<–35 dB的低串擾和>38 dB的高消光比（圖4e–g），呈現了其優異性能和突出潛力。

04.

總結與展望

本文提出一種基于模式傳輸調控新原理的2×2MEMS硅光開關單元，采用了獨創的分離波導交叉SWX結構，通過分離或重組SWX組件操控入射光的傳輸方向，實現OFF/ON狀態的切換。所研制的2×2開關單元及64×64開關陣列具有超低損耗、高消光比、超大帶寬、高適應性、超低能耗等優異性能，且制備工藝簡潔，易于擴展，具備在光互連/路由、激光雷達、光譜學、光計算及微波光子等領域的突出應用潛力。

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論文與作者信息

本文第一作者為浙江大學光電學院博士生胡寅鵬，通訊作者為李歡研究員和戴道鋅教授。該研究得到了國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金、浙江省引進培育領軍型創新創業團隊、浙江省重點研發計劃、浙江省自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金和浙江大學百人計劃啟動基金的資金支持。

原文鏈接：DOI: 10.1038/s41467-024-55528-9

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

作者簡介

胡寅鵬，浙江大學光電科學與工程學院博士研究生，研究方向為MEMS硅光開關、光機電單片集成等，曾獲2023年國際光電子與通訊會議（OECC 2023）最佳論文獎、研究生創“芯”大賽二等獎、全國光學與光學工程博士生學術聯賽海峽賽區一等獎等。

李歡，浙江大學百人計劃研究員、博士生導師。致力于硅基光子集成器件及其光信號處理與光計算芯片研究，在硅光MEMS集成器件、硅光MZI集成器件、硅光相變集成器件、GHz高頻聲光集成器件、硅光光力集成器件等方面取得系列創新成果。承擔國家重點研發計劃項目課題、面上項目、浙江省自然科學基金重點項目等。以第一/共一作者在Nature Nanotechnol.、Nature Commun.、Sci. Adv.、Optica等本領域頂尖期刊發表多篇論文。

戴道鋅，浙江大學求是特聘教授、國家杰出青年科學基金獲得者（2017）、美國光學學會會士。現為浙江大學光電科學與工程學院院長、浙江省光學學會理事長、教育部光子學與技術國際合作聯合實驗室主任。致力于高性能硅光器件及應用研究，主持了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重大研究計劃等重大重點項目，開拓了多模硅光子學等重要方向，在超低損耗硅光波導、超高Q值硅光微腔、高性能硅光濾波器、新型光開關及陣列、超高GBP鍺硅雪崩光電探測器、薄膜鈮酸鋰FP腔電光調制器等高性能單元器件及大規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等期刊發表論文350余篇。論文被引用23000余次，入選歷年愛思唯爾《中國高被引學者榜單》。美國OFC等大會/教程/主旨/特邀報告等100余次，擔任OECC 2023、ACP 2022大會共主席等，先后獲王大珩光學獎、中國光學學會光學科技一等獎、浙江省自然科學一等獎等獎勵榮譽。