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MEMS静电驱动的2×2硅基波导光开关

崔博文 姚子君 陈丙根 沈吉 张海峰 武士潭 王自衡 周戬 王臣 何伟基 陈远金

崔博文, 姚子君, 陈丙根, 沈吉, 张海峰, 武士潭, 王自衡, 周戬, 王臣, 何伟基, 陈远金. MEMS静电驱动的2×2硅基波导光开关[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2026-0055
引用本文: 崔博文, 姚子君, 陈丙根, 沈吉, 张海峰, 武士潭, 王自衡, 周戬, 王臣, 何伟基, 陈远金. MEMS静电驱动的2×2硅基波导光开关[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2026-0055
CUI Bo-wen, YAO Zi-jun, CHEN Bing-gen, SHEN Ji, ZHANG Hai-feng, WU Shi-tan, WANG Zi-heng, ZHOU Jian, WANG Chen, HE Wei-ji, CHEN Yuan-jin. 2×2 silicon-based waveguide optical switch driven by mems electrostatic actuation[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2026-0055
Citation: CUI Bo-wen, YAO Zi-jun, CHEN Bing-gen, SHEN Ji, ZHANG Hai-feng, WU Shi-tan, WANG Zi-heng, ZHOU Jian, WANG Chen, HE Wei-ji, CHEN Yuan-jin. 2×2 silicon-based waveguide optical switch driven by mems electrostatic actuation[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2026-0055

MEMS静电驱动的2×2硅基波导光开关

cstr: 32171.14.CO.2026-0055
基金项目: 江苏省视觉传感与智能感知重点实验室开放基金(No. JSSJCG2026013)
详细信息
    作者简介:

    崔博文(2000—),男,黑龙江绥化人,本科,助理工程师,2022年于清华大学获学士学位,主要从事硅光波导与MEMS器件交叉融合方面的研究。E-mail: CBW18697088823@163.com

    姚子君(1988—),男,宁夏石嘴山人,博士,高级工程师,主要从事硅基光子集成器件,非线性光学器件及光传感应用等方面的研究。E-mail: zijunyao1988@163.com

    陈丙根(1971—),男,安徽望江人,本科,研究员,主要从事MEMS、EMCCD和LTCC方面的研究。E-mail: cbg214@163.com

    沈 吉(1988—),男,江苏海门人,硕士,高级工程师,主要从事光电器件与组件科研开发方面的研究。E-mail: njustshenji@126.com

    张海峰(1985—),男,安徽淮北人,硕士,高级工程师,主要从事半导体集成电路、功率器件方面的研究。E-mail: zhfeng124@163.com

    武士潭(1995—),男,山西孝义人,硕士,工程师,主要从事先进封装与混合集成的制造工艺与可靠性方面的研究。E-mail: 1310645768@qq.com

    王自衡(1994—),男,江苏苏州人,博士,工程师,主要从事硅基光电子器件设计与光通信系统方面的研究。E-mail: wangzihengrowpien@163.com

    周 戬(1996—),男,江苏丹阳人,博士,工程师,主要从事硅光器件设计与光电先进封装方面的研究。E-mail: 835139040@qq.com

    王 臣(1992—),男,江苏睢宁人,博士研究生,主要从事激光雷达、信号处理、光子集成器件和微系统集成方面的研究。E-mail: conan_chen@njust.edu.cn

    何伟基(1981—),男,广东兴宁人,博士,研究员,2009年于南京理工大学获博士学位,主要从事新型光场编码成像、激光的三维主动/被动复合成像、利用单光子探测以及光子集成器件和微系统集成方面的研究。E-mail: hewj@mail.njust.edu.cn

    陈远金(1983—),男,湖北洪湖人,博士,研究员,2021年于北京理工大学获博士学位,主要从事半导体集成电路、新型光电器件和组件的研制开发方面的研究。E-mail: eoskevin@126.com

  • 中图分类号: TN491

2×2 silicon-based waveguide optical switch driven by mems electrostatic actuation

Funds: Supported by Open Research Fund of Jiangsu Key Laboratory of Visual Sensing & Intelligent Perception under Grant (No. JSSJCG2026013)
More Information
  • 摘要:

    为了突破目前热光波导光开关开关速度慢、热量易积累、器件功耗高,电光波导光开关传输损耗高,以及现有传统光子集成电路波导光开关器件普遍存在的反馈控制复杂、难以实现大阵列规模应用且工作带宽较窄等问题,以满足未来片上全光交换技术对快响应、低功耗、宽带、低成本、可实现大阵列规模制备应用的光开关器件为需求,开展基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)驱动的硅基波导光开关器件研究。基于硅光波导技术和微机电技术交叉融合,设计并制备了一种可实现光信号路由功能的MEMS静电驱动2×2硅基波导光开关(硅光MEMS光开关)。通过电子束光刻配合互补氧化物金属半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工艺实现硅光波导和MEMS微执行器在硅晶圆上的一体化集成制备。器件在192 μm×192 μm尺寸下实现了2×2光开关功能,开关响应速度达到20 μs及15 μs,光信号上升沿及下降沿时间分别为15 μs和10 μs。在1550 nm消光比达到35 dB,插入损耗为−0.8 dB,在1500 nm~1600 nm波段消光比超过20 dB,器件在开启状态的保持功耗低于0.5 μW。测试结果表明该硅光MEMS光开关响应速度快、调制功耗低、宽带性能良好,在现有工艺平台下可实现大规模阵列化制备且控制方式简单,在未来片上全光交换领域具有较大的应用价值。

     

  • 图 1  2×2 MEMS光开关工作原理。(a)三维结构;(b)关闭状态下光信号传输路径;(c)开启状态下光信号传输路径。

    Figure 1.  Working principle of a 2×2 MEMS optical switch. (a) 3D structure; (b) Optical signal transmission path in the OFF state; (c) Optical signal transmission path in the ON state.

    图 2  垂直耦合波导结构工作原理。(a)开启状态示意图;(b)耦合区域波导几何结构。

    Figure 2.  Working principle of the vertical coupling waveguide structure. (a) Schematic diagram of the ON state; (b) Geometric structure of the coupling region waveguide.

    图 3  垂直耦合波导结构仿真设计。(a)不同耦合间隔下1550 nm耦合效率随耦合长度变化曲线;(b)耦合长度25 μm时不同间隔的宽带耦合效率。

    Figure 3.  Simulation design of the vertical coupling waveguide structure. (a) Coupling efficiency at 1550 nm versus coupling length under different coupling gaps; (b) Broadband coupling efficiency for various gaps with a coupling length of 25 μm.

    图 4  开启状态下垂直耦合波导结构光场分布。(a)输入端口(图2(a)中位置P1);(b)耦合区域起始端(图2(a)中位置P2);(c)耦合区域末端(图2(a)中位置P3);(d)悬臂梁起始端(图2(a)中位置P4);(e)悬臂梁末端(图2(a)中位置P5);(f)输出端口(图2(a)中位置P6)。

    Figure 4.  Optical field distribution of the vertical coupling waveguide structure in the ON state. (a) Input port (P1 in Fig. 2(a)); (b) Beginning of the coupling region (P2 in Fig. 2(a)); (c) End of the coupling region (P3 in Fig. 2(a)); (d) Beginning of the cantilever beam (P4 in Fig. 2(a)); (e) End of the cantilever beam (P5 in Fig. 2(a)); (f) Output port (P6 in Fig. 2(a)).

    图 5  硅光MEMS波导光开关工艺流程。

    Figure 5.  Fabrication process of the silicon photonic MEMS waveguide optical switch.

    图 6  2×2硅光MEMS波导光开关。(a)器件整体结构光学显微镜图像;(b)硅光MEMS光学显微镜图像;(c)硅光波导和MEMS微执行器SEM图像。

    Figure 6.  2×2 silicon photonic MEMS waveguide optical switch. (a) Optical microscope image of the overall device structure; (b) Optical microscope image of the silicon photonic MEMS; (c) SEM image of the silicon photonic waveguide and MEMS microactuator.

    图 7  器件开关速度测试。(a)开启状态下开关响应时间和光信号上升沿时间;(b)关闭状态下开关响应时间和光信号下降沿时间。

    Figure 7.  Switching speed test of the device. (a) Switching response time and optical signal rise time in the ON-state; (b) Switching response time and optical signal fall time in the OFF-state.

    图 8  器件光学性能及功耗测试。(a) 1500~1620 nm波段光谱响应测试;(b)开启状态下的器件保持功耗测试。

    Figure 8.  Optical performance and power consumption test of the device. (a) Spectral response test in the 15001620 nm wavelength band; (b) Holding power consumption test in the ON state.

    图 9  器件加工检验及仿真验证。(a) 硅光MEMS光开关剖面结构SEM图像;(b) 垂直耦合波导结构修正模型及工艺容差仿真。

    Figure 9.  Device fabrication inspection and simulation verification. (a) SEM image of the cross-sectional structure of the silicon photonic MEMS optical switch; (b) Modified model and process tolerance simulation of the vertical coupling waveguide structure.

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出版历程
  • 收稿日期:  2026-04-03
  • 录用日期:  2026-06-11
  • 网络出版日期:  2026-07-04

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