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            Science:CMOS電壓工作下的納米-光-電-機械開關

            Science:CMOS電壓工作下的納米-光-電-機械開關

            Science:CMOS電壓工作下的納米-光-電-機械開關

            研究背景

            可電重構的光學網絡在許多領域都有推動技術進步的潛力,然而,為了使其滿足實際的應用需求,需要將它們按比例放大到大型電路中,并與互補金屬氧化物半導體(CMOS)電子器件集成在一起。為了達到這種縮放和集成水平,基本的光電開關單元需要具有緊湊的尺寸(~1 mm2),CMOS驅動電壓(~1 V),短切換時間(~1 ns),低光損耗(≤0.1 dB)和低功耗(<<1mW)。

            常見的電-光開關通常依賴干涉式波導結構,通過改變波導材料的折射率,利用相長或相消干涉實現不同的光輸出,但是每個開關的功耗限制了其擴展。而光-電-機械開關(OEM)則是通過機械地改變波導的幾何形狀而不是調制材料的固有折射率來控制光的流動,可以在低驅動電壓的同時實現低光損耗,成為了該領域的研究新方向。

            成果介紹

            將可重新編程的光學網絡與CMOS電子器件相結合,有望為片上集成光電技術的發展提供一個新平臺。有鑒于此,近日,瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Christian Haffner教授研究團隊報道了在微米級混合型光子-等離基元結構中利用光電效應,通過對金薄膜進行靜電微擾,形成氣隙混合光子-等離基元波導,將等離激元部分限制在高度可變的氣隙中產生很強的光-電-機械效應,而其余部分的光子限制可以將光學損失降至最低,最終在CMOS電壓和低光學損耗(0.1 dB)的條件下實現了快速光開關(數十納秒)?;旌霞軜嫗殚_發CMOS集成的可重編程光學系統(例如用于深度學習的光學神經網絡)提供一條新途徑,論文以“Nano-opto-electro-mechanical switches operated at CMOS-level voltages”為題發表在頂刊Science上。

            圖文導讀

            Science:CMOS電壓工作下的納米-光-電-機械開關

            圖1. 等離基元NOEM網絡的工作原理。(A)如果波長(λ0)與節點的諧振波長(λres)相匹配,則在直通端中引導的入射光將切換到下載端,而非共振(λres≠λ0)的光沿波導繼續傳播并繞過等離基元諧振器,從而避免歐姆損耗。(B)由懸浮在硅圓盤上方的金膜形成HPP圓盤諧振器(半徑2 mm),間隙(z0)。(C)摻雜的硅和金橋被用于在間隙上施加電壓,產生靜電力使膜彎曲并防止光耦合到諧振器中。(D)不同金膜彎曲程度(dz)下的直通光譜。(E)計算表明,減小z0時,Δλres逐漸超過固有FWHM。

            圖1A給出了兩個NOEM開關的動態光路,分別將其偏置到兩個不同的諧振狀態(波長為λres)。如果λres0,則在直通端中引導的入射光將切換到下載端,而非共振(λres≠λ0)的光沿波導繼續傳播并繞過等離基元諧振器?;旌闲凸庾?等離基元(HPP)諧振器包括了部分懸掛在硅圓盤上方的金薄膜,中間形成空氣間隙(z0)(圖1B)??諝釮PP波導可以將硅波導中的低損耗傳播與間隙中金屬表面的強場增強相結合。此外,金和硅之間可以形成空氣電容器,能夠通過施加電壓(Vdrive)產生的靜電力來驅動z0,金膜彎曲度(dz)通過改變模式指數(Δneff)引起共振位移的變化(Δλres)(圖1C)。從圖1D可以看出共振波長具有可調性,4 nm大小時彎曲度dz提供的Δλres已經大于諧振負載的半峰全寬,減小z0時,Δλres逐漸超過固有FWHM一個數量級(圖1E)。

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            圖2. 偽色掃描電子顯微鏡圖像以及測得的器件性能。(A)透視圖和透射光譜。(B)聚焦離子束橫截面圖。(C)z0≈55 nm時,消光比ER和有載品質因子Q與波導-圓盤間距ω的關系。(D)z0≈35 nm時,Δλres和FWHM與電壓的關系。插圖給出了一個完整的光開關過程,電壓相差200 mV。

            制成的諧振器如圖2A和B所示,垂直HPP波導可以通過原子層沉積和濕法刻蝕氧化鋁層獲得,并利用低成本光刻來實現橫向波導-圓盤分離。通過波導-圓盤間距ω來測量腔體的本征Q因子(∝1/FWHM)(圖2C),在臨界耦合條件下,Qintrinsic =2·Qload≈7000,造成如此低的等離激元損耗的原因是多重的,包括空氣介質、粘附層以及金屬界面的影響。器件開關性能如圖2D所示,共振位移的變化Δλres大于6 nm,是FWHM的5倍。由于金屬膜的距離會越來越近,導致Δneff增大,機電效應還會引起非線性紅移。

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            圖3. 器件的時間動態。(A)正弦驅動信號的調制響應。(B)利用更復雜的驅動信號可以使上升和下降時間達到數十納秒的數量級,開關狀態之間的光學對比度超過90%。

            由于光-機耦合系數GOM,電-機耦合系數GEM和Q因子的值較大,可以將所需的致動距離減小到幾納米,并相應地將開關時間減小到幾十納秒(圖3)。懸浮的金膜具有約12 MHz的頻率,較小的機械Q因子和較低頻率調制時的衰減可以歸因于擠壓膜的阻尼和硬化,因此,空氣壓縮可提高在較高頻率和較小間隙時的剛度,進而降低驅動。圖3B給出了兩步驅動方案,在各個通斷脈沖開始時,施加的驅動電壓(I)和(III)超過穩態電壓(II)和(IV),由于靜電致動力大于彈簧恢復力,導致上升和下降時間分別為60 ns和100 ns,進一步優化后可使下降和上升時間接近≈10 ns。

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            圖4. 1×2 NOEMS的性能。(A)兩個NOEMS器件的透視偽色掃描電子顯微鏡圖像。(B)在0 V和1.4 V偏置下,耦合到直通端和下載端的透射光譜。(C)直通端和下載端的透光率隨電壓的變化。(D)低直通端損耗對于交換架構如柵格網絡有利,在通過15×15網絡傳播時,只需將光切換一次到下載端即可。

            隨后進行了1×2 NOEMS器件的開關實驗(圖4A),直通端和下載端的透射光譜如圖4B所示,將諧振器耦合到下載端可將FWHM從≈1 nm(125 GHz)擴展到≈2.5 nm(350 GHz)。1.4 V驅動電壓下產生的Δλres(≈6.2 nm)仍大于多個FWHM,這使得光路由的串擾低于-15 dB,下載端插入損耗(ILD)約2 dB,直通端插入損耗(ILT)約0.1 dB(圖4C)。這種損耗不對稱非常適用于N×N交叉網絡,如圖4D,對于優化的15×15網絡,每個端口的平均損耗為0.12 dB。

            總結與展望

            本文利用混合型光子-等離基元結構中的光-電-機械效應,在CMOS電壓和低光學損耗的條件下實現了快速光開關,其獨特的緊湊性為直接與CMOS驅動電路集成的高密度光學開關結構鋪平了道路,除此之外,強大的OEM交互作用和低損耗還可以使非諧振功能單元(例如移相器和強度調制器)滿足光探測和測距等應用需求。這些光開關有望作為構成光場可編程門陣列的組件,并引發類似于幾十年前實現電場可編程門陣列一樣的技術革新。

            文獻信息

            Nano-opto-electro-mechanical switches operated at CMOS-level voltages. (Science, 366, 860-864, 2019, DOI: 10.1126/science.aay8645)

            文獻鏈接:

            https://science.sciencemag.org/content/366/6467/860


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