Partiell SEM-bild av switchmatrisen:hela strukturen mönstrad i det översta kiselskiktet genom torretsning verkar "flyta" när oxiden avlägsnas. Varje matrisenhet innehåller en elektrostatisk kamdrift som selektivt kan flytta delar av vågledarna för att upprätta en önskad ljusbana från en av de 32 ingångsportarna till en av de 32 utgångsportarna. Kredit:Han et al.
En av de tekniska utmaningarna som den nuvarande datarevolutionen står inför är att hitta ett effektivt sätt att dirigera data. Denna uppgift utförs vanligtvis av elektroniska omkopplare, medan själva data överförs med hjälp av ljus begränsat i optiska vågledare. Av denna anledning, omvandling från en optisk till en elektronisk signal och bakåtkonvertering krävs, vilket kostar energi och begränsar mängden överförbar information. Dessa nackdelar kan undvikas med en fullständig optisk omkopplardrift. En av de mest lovande metoderna är baserad på mikroelektromekaniska system (MEMS), tack vare avgörande fördelar som låg optisk förlust och energiförbrukning, monolitisk integration, och hög skalbarhet. Verkligen, den största fotoniska switchen som någonsin demonstrerats använder detta tillvägagångssätt.
Tills nu, dessa MEMS fotoniska switchar har tillverkats med hjälp av icke-standardiserade och komplexa processer i laboratoriemiljöer, vilket har försvårat deras kommersialisering. Men forskare från University of California Berkeley inledde ett samarbete som samlade ingenjörer från olika universitet världen över för att visa att svårigheterna kunde övervinnas. De skapade en fotonisk MEMS-switch med hjälp av en kommersiellt tillgänglig komplementär metall-oxid-halvledare (CMOS) tillverkningsprocess utan modifiering. Användningen av denna välkända mikrotillverkningsplattform representerar ett stort steg mot industrialisering eftersom den är kompatibel med de flesta aktuella teknologier, kostnadseffektiv, och lämpar sig för högvolymproduktion.
Switchtillverkning
I sin forskning, nyligen publicerad i SPIE:s nya Journal of Optical Microsystems , fotonomkopplaren tillverkades på kisel-på-isolator (SOI) 200 mm wafers med hjälp av vanliga fotolitografiska och torretsningsprocesser i ett kommersiellt gjuteri. Hela den fotoniska integrerade kretsen ingår i toppskiktet av kisel, vilket har fördelen att begränsa antalet tillverkningssteg:Det finns två olika torretsningsprocesser, ett lyft för att skapa metallförbindelser, och den slutliga frisättningen av MEMS genom oxidetsning. Switchdesignen inkluderar 32 ingångsportar och 32 utgångsportar, representerar en 32 x 32 matris (full storlek är 5,9 mm x 5,9 mm) av samma replikerade element. I vart och ett av de enskilda elementen, ljusöverföringen från en kanal till den andra produceras genom att minska avståndet mellan två vågledare för att koppla deras lägen, en operation som uppnås av en elektrostatisk kamdrivning som också ingår i det övre kiselskiktet.
"För första gången, storskaliga och integrerade MEMS fotoniska switchar har tillverkats i ett kommersiellt gjuteri på 200 mm SOI-skivor. Enligt min åsikt, detta är ett övertygande bevis på att denna teknologi är lämpad för kommersialisering och massproduktion. De skulle kunna införlivas i datakommunikationssystem inom en snar framtid, sa Jeremy Béguelin, en av Berkeley-forskarna.
Arkitekturen för den fotoniska MEMS-switchen i kisel med gap-justerbara riktningskopplare. Ljus kopplas till spånet med hjälp av gallerkopplingarna. Det finns två par riktningskopplare och ett kamdrivet ställdon per enhetscell. Ljusbanorna på chipet styrs genom att ändra mellanrumsavståndet för varje riktningskopplare. Kredit:Han et al.
Lovande väg
Forskarna utvärderade de fotoniska omkopplarnas prestanda genom att mäta flera viktiga parametrar:ljuseffektförlusten genom hela omkopplaren på 7,7 dB, den optiska bandbredden på cirka 30 nm vid våglängden 1550 nm, och växlingshastigheten på 50 μs. Dessa värden är redan utmärkta i jämförelse med andra fotoniska switchar, och sätt att förbättra dem har redan identifierats.
Genom att använda en CMOS-kompatibel tillverkningsprocess och SOI-wafers, forskargruppen skapade en robust och effektiv fotonisk switch baserad på MEMS-teknik. Sådant arbete öppnar en lovande väg mot kommersialisering och massproduktion av stora och integrerade fotoniska switchar, en framtida nyckelkomponent i datakommunikationsnätverk.
