基于MEMS Sagnac环路反射器的完全可调谐FP腔，展现超低静态功耗
2024-09-21 10:39:56   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

硅光子学领域正在经历快速发展，这主要归功于其与CMOS制造技术的兼容性。与自由空间或基于光纤的技术相比，硅光子技术在成本、复杂性、速度、能耗等方面具有显著优势。因此，已经实现和制造了各种集成硅光子技术的高性能光学器件和系统。

法布里-珀罗（FP）干涉仪是光电系统中的基本组件之一。迄今为止，人们为在硅光子平台上实现这一组件付出了巨大努力。集成式法布里-珀罗干涉仪可应用于光学传感器、激光器和滤波器等。虽然许多片上法布里-珀罗干涉仪都是基于布拉格光栅开发的，但由于其亚波长级尺寸，通常需要复杂的设计工作和精细的制造工艺。此外，实时调谐它们的反射特性是困难的，或者通常是不可能的。

据麦姆斯咨询报道，近日，韩国大邱庆北科学技术院（DGIST）、韩国科学技术院（KAIST）等机构的研究人员组成的团队提出了一种由可调谐Sagnac环路反射器（SLR）和基于静电微机电系统（MEMS）驱动器的移相器构成的可调谐法布里-珀罗（FP）腔。该器件的制造工艺与标准晶圆级硅光子制造工艺兼容。这种静电驱动机制为高效的调谐方法提供了均衡、可扩展的途径。

该连续可调谐Sagnac环路反射器反射率的消光比大于20 dB。器件实现了全2π相移，所有组件的响应时间均小于25 μs。两个驱动器都具有极低的静态功率，测量值低于20 fW，调谐所需的能量均低于20 pJ。本研究工作有望拓宽MEMS方法在集成光学中的应用范围。上述研究成果以“Fully tunable Fabry-Pérot cavity based on MEMS Sagnac loop reflector with ultra-low static power consumption”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

完全可调谐的法布里-珀罗（FP）腔

图1a展示了本研究所提出的完全可调谐法布里-珀罗器件的光学显微镜图像。该器件由两个相对放置的互相连接MEMS可调谐Sagnac环路反射器构成。设计的用于调谐法布里-珀罗腔的谐振波长的MEMS可调谐移相器位于两个Sagnac环路反射器之间。研究人员将三个移相器串联使用，以获得超过2π的额外相移。图中突出显示的黄线和蓝线分别是引导光的主波导和移相器的可移动扰动波导。完全可调谐法布里-珀罗器件的占位面积小于0.53 mm²。该器件采用CMOS兼容工艺在200 mm绝缘体上硅（SOI）晶圆上制造而成。

图1 法布里-珀罗腔的示意图和显微镜图像

MEMS可调谐移相器

图1c显示了移相器的详细示意图。研究人员采用横向梳状驱动器来移动扰动波导。移相器长100 µm，能够产生2π的相移。移相器的扫描电子显微镜（SEM）图像如图1e所示。

图2a和2b详细显示了移相器的光学工作原理以及通过Lumerical仿真获得的结果。图2c显示了MEMS可调谐移相器的仿真谐振频率。通过COMSOL仿真获得的谐振频率为110 kHz。

图2 MEMS可调谐移相器的工作原理、仿真和计算结果

MEMS可调谐Sagnac环路反射器

图3a显示了独立可调谐Sagnac环路反射器的光学显微镜图像，该器件由MEMS可调谐定向耦合器和Sagnac环路构成。图中的黄线表示光传播的波导。器件总面积小于0.09 mm²，用于电探测和引线键合的金属焊盘尺寸为90 x 130 µm²。图3b显示了该器件的3D示意图。波导厚度为220 nm，宽度为450 nm，并在一侧设有70 nm厚的薄板以提供机械支撑（如图3b插图所示）。图3c显示了构成MEMS可调谐定向耦合器的垂直梳状驱动器的布局。可调谐定向耦合器的扫描电子显微镜（SEM）图像如图3f所示。

图3 Sagnac环路反射器的示意图和显微镜图像

光学响应测量

图4a展示了在腔体输出侧的Sagnac环路反射器上施加了不同的电压（11.8、11.9、12.0、12.1、12.2 和 12.3 V）时的法布里-珀罗腔的透射率光谱。同时，输入Sagnac环路反射器的反射率固定在0.1附近。如图所示，腔体的透射率光谱随着施加到输出Sagnac环路反射器的电压而变化。研究人员在图4b中绘制了腔体在其谐振波长下的透射率与施加到输出Sagnac环路反射器的电压的关系图。

图4c展示了测量的光谱偏移与施加到移相器的电压的关系。随着施加到移相器的电压的增加，谐振峰会发生“红移”。如图4d所示，通过向移相器施加超过6.5 V的电压，腔体的谐振会偏移其整个FSR。图4d插图显示了在测试结构中测量的移相器响应。通过施加超过8.5 V的电压，可实现完整的1个FSR偏移。

图4 法布里-珀罗腔的光学响应测量结果

电力和能源消耗

研究人员计算了将器件调谐到特定电压所需的总电能，如图5所示。如图所示，最大程度地调谐可调谐耦合器和移相器所需的电能分别小于30 pJ和16  pJ。

图5 MEMS驱动器的功率与能耗的测量结果

小结

综上所述，这项研究利用MEMS可调谐Sagnac环路反射器和MEMS可调谐移相器成功设计并通过实验验证了具有超低电耗的可调谐法布里-珀罗（FP）腔。腔体的透射率和谐振波长可以完全调谐，重新配置时间小于25 μs。MEMS可调谐元件重新配置时仅消耗几十pJ级能量，维持状态时的消耗小于675 nW。本文提出的新器件概念有望为以前由于对温度敏感或电力预算低而在可调谐性方面受到限制的器件提供不受限制的可调谐性。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00728-y

延伸阅读：

《硅光子及集成光路（PIC）技术及市场-2024版》

《股权投资者与光子学产业（EIPI）-2024版》