通过范德华力实现的非易失性硅光子微机电系统（MEMS）开关

《SCIENCE ADVANCES》：Nonvolatile silicon photonic MEMS switches enabled by van der Waals force

硅光子MEMS非易失性开关基于范德华力设计，采用独特的分波导交叉结构和推挽式静电微机械驱动器，实现低功耗（理论能耗1皮焦耳）、高消光比（44.4 dB）和宽带宽（200 nm）特性。实验验证了16×16阵列的可行性，具备低插入损耗（3.2-5.2 dB）和优异可扩展性，解决了传统相变材料开关的高能耗、工艺复杂和耐久性问题，为光子集成电路提供了可靠的非易失性开关方案。

　　近年来，随着人工智能技术的飞速发展，对光子信息处理能力的需求也日益增长。光子信息处理因其能够实现大规模并行传输和超大带宽特性，成为构建高效计算系统的关键技术之一。然而，传统的光子开关存在诸多问题，例如高静态功耗、不可靠的可重复性、高开关能耗以及复杂的制造工艺，这些问题限制了其在大规模光子集成电路（PICs）中的应用。为了解决这些瓶颈，研究人员提出了基于非易失性原理的硅光子微机电系统（MEMS）开关设计，旨在实现超低功耗、高可重复性和卓越的可扩展性。

当前的光子开关大多依赖于相变材料（PCMs），如Ge?Sb?Te?（GST）、GeSbSeTe（GSST）、Sb?Se?和Sb?S?等。这些材料通过加热或冷却实现晶态与非晶态之间的转换，从而改变光的传输路径。然而，相变材料的使用面临一些挑战。首先，相变过程通常需要高温（数百摄氏度），这可能导致材料结构的破坏和性能的下降，限制了其工作温度范围和使用寿命。其次，相变过程本身具有一定的随机性，这会降低开关的可重复性。此外，相变材料的高能耗特性（通常在纳焦耳至微焦耳级别）也使得其难以应用于大规模光子系统中。更为重要的是，相变材料更适合连续调谐，而不适用于需要开关状态切换的数字光子系统，这使得其在需要精确控制和独立校准的场景下显得不够高效。

相比之下，MEMS光子开关因其低功耗和标准化制造工艺而被视为一种有吸引力的替代方案。然而，传统MEMS开关通常被认为是易失性的，因为它们在断电后无法保持设定的状态。为了实现非易失性，一些研究尝试引入锁存结构或双稳态机械结构，以增强开关的稳定性。然而，这些方法在实际应用中仍存在一些问题，例如锁存结构需要额外的组件和步骤，且开关速度未被明确量化；而双稳态结构则容易因应力集中而导致机械疲劳或断裂。此外，这些早期的非易失性MEMS光子开关在性能方面仍存在改进空间，尤其是在过损耗、消光比、带宽和可扩展性等方面。

为了解决上述问题，本文提出了一种基于范德华（vdW）力的非易失性硅光子MEMS开关。该开关采用了一种独特的“分波导交叉”（Split Waveguide Crossing, SWX）结构，通过直接接触而非微小间隙来实现光的模式传播控制。为了实现非易失性，设计中引入了基于vdW力的“粘附效应”（stiction effect），即当两个SWX部分接触时，vdW力能够稳定地维持开关状态，而无需持续的电力输入。此外，设计中采用了一种“推拉式”MEMS执行器（push-pull MEMS actuator），通过施加正向和反向电压来控制SWX的结合与分离，从而实现开关的设定（SET）和重置（RESET）操作。

该开关的设计基于对vdW力的深入理解。范德华力是一种存在于分子间的相互作用力，通常由范德华力的大小与接触面积和间隙距离密切相关。通过优化接触面积和间隙距离，可以实现足够强的vdW力以维持非易失性状态，同时避免因过大的力导致的机械失效。本文中的SWX结构通过在反射面上引入亚波长齿（Subwavelength Tooth, SWT）来增加接触面积，从而增强vdW力的稳定性。此外，通过设计一个可调节的初始间隙（800 nm），可以在开关处于非工作状态时保持低交叉干扰（crosstalk）和低过损耗（excess loss）。

在性能方面，该开关表现出卓越的特性。在理论模型中，其开关能耗估计为约1皮焦耳（pJ），而实际测量的设定（SET）和重置（RESET）能耗分别为0.56 pJ和1 pJ。这表明该开关在能耗方面具有显著优势，其静态功耗为零，能够在断电后保持稳定状态。此外，开关的消光比（extinction ratio）高达44.4分贝（dB），过损耗为0.23 dB，带宽达到200纳米（nm），这些参数均优于现有非易失性光子开关。实验结果表明，该开关在设定和重置过程中表现出快速的响应时间，分别为2.2微秒（μs）和7.4 μs，这为高带宽光子系统提供了良好的性能保障。

为了验证其可扩展性，研究人员还制造了一个16×16的Benes开关阵列，并对其进行了详细测试。该阵列的尺寸为4毫米×1.8毫米，由56个开关单元和88个SWX结构组成。通过使用变宽的多模干涉（MMI）交叉结构和紧凑的欧拉曲线波导弯折，该阵列在保持低过损耗和低交叉干扰的同时，实现了较高的集成密度。测试结果显示，该阵列在所有关闭（all-OFF）状态下，过损耗为3.2至5.2 dB，交叉干扰低于?32.8 dB；而在部分开启（stage-4-ON）状态下，过损耗为3.7至5.2 dB，交叉干扰高于?23.2 dB，表明其具有良好的性能一致性。这一成果为构建大规模非易失性光子系统提供了重要的实验依据。

在实际应用中，该非易失性MEMS光子开关具有显著的优势。首先，其非易失性特性使得在断电情况下仍能保持开关状态，从而提高了系统的可靠性。其次，由于不需要持续的电力供应，其静态功耗为零，有助于降低整体的功耗。此外，该开关的制造工艺与现有的硅光子标准工艺高度兼容，这意味着其可以轻松地集成到现有的光子芯片制造流程中，降低了生产成本和复杂度。最重要的是，其数字操作特性允许使用直流电压进行开关状态的设定和重置，进一步简化了供电系统的设计。

尽管该开关在实验室环境下表现出优异的性能，但在实际应用中仍需考虑一些潜在的挑战。例如，硅表面的化学条件可能会影响vdW力的稳定性，尤其是在高湿度或存在污染物的情况下。为了解决这一问题，研究人员提出可以通过真空封装或使用惰性气体来改善硅表面的化学状态，从而增强粘附力的稳定性。此外，温度变化也可能对vdW力产生影响，因此需要对温度进行适当控制，以确保开关在不同环境下的可靠性。

从更广泛的角度来看，该非易失性MEMS光子开关在多个领域具有重要的应用潜力。例如，在光子芯片内部的光网络（optical networks-on-chip, NoCs）中，该开关可以实现高效的信号路由和数据传输；在高性能计算集群的光互连系统中，它可以降低系统的功耗并提高数据传输效率；在可编程/可重构微波阵列和量子信息处理器中，其非易失性和低功耗特性能够支持复杂的信号处理任务。此外，该技术还可以用于构建大规模光子互连系统，为未来的光子计算和通信技术提供新的解决方案。

该研究的创新点在于其独特的SWX结构和基于vdW力的非易失性机制。通过将两个SWX部分直接接触，而非依赖于微小的间隙，研究人员成功地实现了高稳定性、低功耗和高可重复性的光子开关。此外，推拉式执行器的设计使得开关操作更加高效，能够实现快速的设定和重置过程。同时，通过优化制造工艺，该开关能够在现有的硅光子制造平台上进行大规模生产，这为其实现商业化应用奠定了基础。

总体而言，本文提出的非易失性硅光子MEMS开关为解决当前光子开关在功耗、可重复性、可扩展性等方面的挑战提供了新的思路。其基于范德华力的非易失性机制和独特的SWX结构使其在性能和制造工艺上均优于传统的相变材料开关。此外，其低能耗、高消光比和大带宽特性为构建高效率、高可靠性的光子系统提供了强有力的支持。未来，随着制造工艺的进一步优化和封装技术的进步，这种非易失性MEMS光子开关有望在光子芯片、光互连系统、可编程光子网络和量子信息处理等领域发挥重要作用。