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首个基于MEMS的超低能耗可编程光学阵列芯片

时间:2023-12-22 点击量: 532


以下文章来源于爱光学,作者有理想


可编程光子集成回路(PIC)在大容量光信号处理、通信和计算领域前景广阔。近日,韩国大邱庆北科学技术院机器人与机电工程系团队首次报道了基于硅光MEMS微机电技术的可编程光学阵列芯片,其基本构建单元具有极低的待机功率和重构能耗。与传统的纯热光/电光移相器结构相比,其能够独立控制光分束比和相位,这在实现高度可扩展可编程的PIC中发挥关键作用。相关成果发布在Nature Photonics上。(DOI:10.1038/s41566-023-01327-5)

一.背景介绍

随着全球数据量指数级增长,电芯片的工艺制程已经逼近物理极限,研究人员正在探索利用光的高带宽、超高速率、高抗干扰和低功耗特性去实现高性能信号处理、矩阵计算和神经网络计算。其中,最为常见的一类光芯片结构就是可编程阵列光芯片——“OFPGA”。目前,硅光大规模可编程阵列的主要调谐方法是采用热光调谐移相器。然而,由于用于硅和相关材料的热光学系数有限,改变折射率所需的温度变化很容易超过几百度,这导致严重的热量散失,增加功耗,从而阻碍密集集成和扩展。尽管基于等离子体色散或其他调制效应的电光平台有望实现低损耗和快速调制,但由于其大面积异质集成或高质量薄膜生长的困难,大规模扩展难以实现。

因此,本文利用硅MEMS技术,研制了基于MEMS的大规模可编程光学阵列芯片,大大降低了调谐功耗(待机功耗小于10 fW,重构能量低于40 pJ),为实现大规模可编程可扩展光子集成回路提供了新的方法和思路。

二.研究创新点及结构展示

硅光MEMS技术的可扩展性源于其独特的光机械调谐机制,其使用电压控制的静电力对大折射率光学元件进行直接机械平移。通过物理移动,改变有效模态折射率,从而改变可编程阵列中耦合单元光学特性。用于精确位移控制的静电致动器仅在需要位移变化时才产生电流,从而实现近乎为零的待机功耗。此外,改变执行器位移状态所需的能量很小,因此它们只需要亚微米尺度的位移就可以获得有效模态指数和耦合系数的实质性变化。

文章设计了基于MEMS的可调谐移相器和高消光比2×2耦合器(如图1所示),通过将这两个基本元件与单模光波导以适当的配置连接起来形成可编程光学阵列网络。其中基于MEMS的2×2可调谐耦合器通过改变波导之间的耦合距离,可以实现耦合比在近50 dB极宽动态范围内连续变化。在MEMS可调谐移相器中,两个不同宽度的波导平行放置,较宽的波导作为主要的光传播通道,较窄的波导连接在平面内静电MEMS致动器上。通过改变宽波导和窄波导之间的横向间隙距离,影响传输光场模式和有效折射率,从而实现相移精准控制。该方法能够独立控制片上光场分束比、幅度、路径和相位,这对于实现高度可扩展可编程PIC具有重要意义。

图1 (a)移相器的静态功率和开关能量(括号内为光学损耗)(b)移相器的光损耗和长度(括号内为响应时间)(c)一个制造芯片和200 mm晶圆的图像(d)MEMS可调谐耦合器的扫描电镜图像(e)可调谐耦合器原理图(f)端口1输入时,可调谐耦合器的传输特性与垂直偏移量的关系(g)MEMS可调谐移相器的扫描电子显微镜图像(h)MEMS可调谐移相器原理图(i)移相器的有效折射率变化和相移与动态和静态波导横向间隙的关系(j-l)基于MEMS可调谐元件的PIC光学显微镜图像和结构单元示意图

三.基本性能测试

对于MEMS可调谐元件的性能测试,在功耗方面,当输入光功率仅施加到输入端口1时,仅需要∆Vc = 3.1 V的电压摆幅,就可以实现耦合比0到100%之间全覆盖。输出端口1和2的消光比分别为32 dB和49 dB。可调谐耦合器的插入损耗取决于其耦合状态,范围从0.18 dB到0.43 dB。移相器的插入损耗也取决于其状态,范围从0.12 dB 到0.13 dB。对于不需要宽动态范围和大消光比的应用,通过限制电压摆幅范围,可调谐耦合器的工作能耗可以进一步降低。在响应时间方面,耦合器将其耦合从交叉状态改变为直通状态,测量上升和下降响应时间分别为19.8μs和18.0μs。移相器典型的上升和下降响应时间分别为11.6μs和13.6μs。

使用MEMS可调谐元件的再循环型PIC测量不同光子回路配置下的透射光谱如图2所示。通过改变可调谐耦合器的电压使谐振腔-波导耦合从欠耦合状态完全调谐到临界耦合状态。同时,通过调整单元内移相器,可以将滤波器的谐振波长设置为任意全自由光谱。通过将两个单元与两个接入波导耦合,可以构建一个带有双环谐振器的上传下载型滤波器。通过合并多个环的共振峰,可以形成通带更宽、消光比更好的高阶滤波器。

图2 (a)单环谐振器及其传输光谱 (b)双环谐振器组成的上传载型结构及其透射谱 (c,d)多环耦合谐振腔结构及其传输光谱

四.讨论与结论

在这项工作中,研究人员在再循环网状网络中展示了可调谐耦合器和带电容静电微机电致动移相器的阵列级应用。整体制造工艺与传统的晶圆级无源硅光平台完全兼容,其独特的调谐机制使得大规模可编程光学阵列芯片的静态功耗(<10 fW)和重构能耗(<40 pJ)均创历史新低。同时,该连续可调谐定向耦合器的消光比超过30 dB。在调制效率小于0.075V*cm和相位相关插入损耗变化为0.01 dB的条件下,可以实现2π的完全相移。该工作为具有亚分贝光损耗的光波导提供了有效、均衡且可扩展的相位和幅度调制路由方法,进一步推动了光学可编程阵列芯片在大容量信号处理、光学神经网络计算等领域的应用。