撰稿 | Rain（清華大學(xué) 博士生）
微機電系統（MEMS）具有半導體加工的成熟工藝技術(shù)，已經(jīng)在加速器、陀螺儀、微型鏡面陣列等器件中實(shí)現大規模集成。
光子集成電路(Photonic integrated circuits, PICs)是為光學(xué)帶來(lái)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(wú)標簽化生物傳感、量子技術(shù)等領(lǐng)域都具有廣闊應用前景，市場(chǎng)增長(cháng)快速，吸引了廣泛的研究興趣。
原來(lái)的光學(xué)MEMS主要是針對非集成、空間光MEMS，或某個(gè)獨立器件。而為了進(jìn)一步增大PICs的規模，我們需要一個(gè)有效的調制機制來(lái)補償工藝變化和環(huán)境干擾，或實(shí)現光路重構。一個(gè)具有前景的技術(shù)路線(xiàn)是在PICs中引入微機電系統(MEMS)。
用于PICs的MEMS利用納米到微米量級的機械結構改進(jìn)現有PICs光學(xué)組件，并引入新穎的功能。
這篇綜述以MEMS for Photonic Integrated Circuits為題發(fā)表在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，該論文介紹了MEMS驅動(dòng)原理和機械集成光子學(xué)的微調機制。定量的回顧了MEMS可調PICs組件的技術(shù)水平，并嚴格的評估了現有PICs平臺中MEMS組件大規模集成的適用性。MEMS技術(shù)是解決現有PICs技術(shù)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(jiǎn)單列出MEMS在PICs中的作用：
（1）提供有效的調制機制，調整大規模PICs光學(xué)組件的工作點(diǎn)；
（2）提高現有能力（如引進(jìn)雙穩態(tài)或制造零功耗態(tài)）；
（3）實(shí)現全新的功能（如光纖界面耦合優(yōu)化的機械運動(dòng)）。
I．現有PICs調制機制的介紹與比較（MEMS可調光學(xué)功能的實(shí)現）
PICs調制方法利用物理效應，如折射率的溫度依賴(lài)性，半導體中的等離子體擴散，具有一定晶體對稱(chēng)性的材料的Pockels或Kerr效應以及由光學(xué)梯度力或MEMS產(chǎn)生的位移等物理效應來(lái)修改波導特性。
圖1 展示了不同調制機制在大規模PICs應用的適用性方面的比較。
圖1.不同PICs調制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調制機制的關(guān)鍵因素包括光學(xué)損耗，尺寸，功耗和調制速度。不同調制機制的性能比較見(jiàn) 表格1。
光學(xué)MEMS依靠機電制動(dòng)來(lái)改變波導的光學(xué)特性，其低功耗和低光學(xué)損耗的特性非常適合大規模PICs。盡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，因此適用范圍更廣。另外，電驅動(dòng)機械運動(dòng)的設計自由度與其他調制方法引起的折射率變化大不相同，因此可以實(shí)現一些新的應用。
II． 用于PICs的MEMS驅動(dòng)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，基于不同物理原理的幾種MEMS執行器可以滿(mǎn)足這一要求，主要包括靜電驅動(dòng)、電熱驅動(dòng)、壓電驅動(dòng)和磁力驅動(dòng)。
表格2 總結了適用于PICs的MEMS主要驅動(dòng)原理。
III． MEMS可調PICs組件的最新技術(shù)
1. 移相器
移相器是PICs中的基礎組件，是很多器件的核心。實(shí)現方式包括利用金屬鍍層實(shí)現面內位移和平行板驅動(dòng)，利用平行板和梯度力驅動(dòng)SOI波導上方SiN懸臂梁的面外位移來(lái)改變有效折射率，梳齒驅動(dòng)器增加位移范圍以增加相移幅度等。
2. 耦合器
耦合器是實(shí)現功率耦合模擬控制，是實(shí)現高效PICs的關(guān)鍵。在III-V族平臺上的報道包括InP結合平面內MEMS調制，或GaAs結合面外、面內平行板驅動(dòng)?？烧{諧耦合器廣泛用于補償環(huán)形諧振器的工藝變化，如用于控制總線(xiàn)波導和微環(huán)之間耦合的梳齒驅動(dòng)器?？勺児馑p器也屬于一種特殊的耦合器。
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(kāi)關(guān)
可擴展PICs中的光開(kāi)關(guān)包括易失性和非易失性?xún)煞N。易失性光開(kāi)關(guān)如具有分段結構可移動(dòng)波導，用于光開(kāi)關(guān)的可調諧耦合器，利用梳齒驅動(dòng)的方向耦合器等?；诙ㄏ蝰詈掀鞯钠矫嫱忾_(kāi)關(guān)可被擴展到50×50和240×240矩陣。此外，兩個(gè)波導器件層可以實(shí)現偏振無(wú)關(guān)。
非易失性光開(kāi)關(guān)在PICs中報道較少，但也有一些有前途的器件。如通過(guò)推挽梳齒來(lái)分合器件的光子晶體腔，大尺寸的開(kāi)關(guān)矩陣利用靜態(tài)阻力和平行板接入以實(shí)現可靠的雙穩態(tài)運行。
通過(guò)使用基于位移波導/光子晶體反射器的平面內驅動(dòng)開(kāi)關(guān)也可實(shí)現光開(kāi)關(guān)。利用雙晶懸臂梁插入一系列對準光子晶體孔的尖端來(lái)實(shí)現光子晶體的開(kāi)與關(guān)。
4. 光柵耦合器
MEMS可調光柵耦合可以用于光纖對準或傳感的光束轉向，或用于傳輸光譜的調諧。如利用面外靜電MEMS調制懸浮的光柵耦合器，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(dòng)，使用梳狀驅動(dòng)器使光柵耦合器變形，就像一個(gè)懸掛的機械彈簧。
5. 集成光源和非線(xiàn)性PICs
MEMS可用于調制集成光源和波導的非線(xiàn)性光學(xué)特性。例如，MEMS誘導應變可準直單光子光源發(fā)射光譜，而這是光量子技術(shù)的核心。另外，III-V材料中的靜電MEMS可用于調整光子晶體腔中的模態(tài)體積，從而增強Purcell效應，調整其激光出射速率。
對于非線(xiàn)性PICs，MEMS驅動(dòng)仍待探索，但通過(guò)壓電和靜電驅動(dòng)的概念可證明，通過(guò)微調波導雙折射或色散可提高非線(xiàn)性光學(xué)效率。
IV． 具有集成前景的MEMS可調PICs組件
MEMS調制的大規模集成光子電路具有功耗低的優(yōu)勢。有關(guān)可重復編程的光學(xué)MEMS鏈路的關(guān)鍵元件已有報道，大規模交換網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)在晶片級的過(guò)程中實(shí)現。
隨著(zhù)加工工藝的優(yōu)化和工廠(chǎng)化進(jìn)程的推進(jìn)，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。對于微電子學(xué)，尺寸是芯片成本的主要因素之一，單個(gè)芯片的占用空間取決于單個(gè)組件的大小和驅動(dòng)的復雜程度。復雜性和占用空間是成本的主要驅動(dòng)因素。圖3 展示了移相器、耦合器和開(kāi)關(guān)設備占用空間與PICs技術(shù)兼容性（復雜度）的得分。
圖3. 移相器、耦合器和開(kāi)關(guān)設備占用空間與PIC技術(shù)兼容性（復雜度）得分
圖源：MEMS for Photonic Integrated Circuits (Fig. 16).
光學(xué)MEMS設備的共振頻率通常位100 kHz到10 MHz，這限制了其驅動(dòng)速度。面外靜電執行器實(shí)現2 MHz以上的開(kāi)關(guān)速度，而面內執行器報告的速度在100 kHz左右。因此，我們并不期望MEMS能取代目前的高速光電子調制。然而，將低功率MEMS重構與現有的高速調制結合是可以實(shí)現的。
在量子光學(xué)領(lǐng)域最近的新應用是與MEMS結合，其明顯的優(yōu)勢是由于嚴格要求低操作溫，低光學(xué)損耗和量子源應變調優(yōu)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(xué)的一種優(yōu)秀的調制方法，我們可以期待在不久的將來(lái)MEMS在量子PICs上的突破。
MEMS在PICs上的廣泛集成開(kāi)創(chuàng )了許多新的可能，設計師就像擁有一個(gè)強大的先進(jìn)光子學(xué)工具箱，可用于信息和通信技術(shù)應用的低損耗、低功耗和高性能PICs應用，用于消費電子產(chǎn)品的傳感器，激光雷達3D成像，生物感應，量子傳感或量子信息處理。
