Science：CMOS电压工作下的纳米-光-电-机械开关

可电重构的光学网络在许多领域都有推动技术进步的潜力，然而，为了使其满足实际的应用需求，需要将它们按比例放大到大型电路中，并与互补金属氧化物半导体（CMOS）电子器件集成在一起。为了达到这种缩放和集成水平，基本的光电开关单元需要具有紧凑的尺寸（~1 mm²），CMOS驱动电压（~1 V），短切换时间（~1 ns），低光损耗（≤0.1 dB）和低功耗（<<1mW）。

常见的电-光开关通常依赖干涉式波导结构，通过改变波导材料的折射率，利用相长或相消干涉实现不同的光输出，但是每个开关的功耗限制了其扩展。而光-电-机械开关（OEM）则是通过机械地改变波导的几何形状而不是调制材料的固有折射率来控制光的流动，可以在低驱动电压的同时实现低光损耗，成为了该领域的研究新方向。

将可重新编程的光学网络与CMOS电子器件相结合，有望为片上集成光电技术的发展提供一个新平台。有鉴于此，近日，瑞士苏黎世联邦理工学院的Christian Haffner教授研究团队报道了在微米级混合型光子-等离基元结构中利用光电效应，通过对金薄膜进行静电微扰，形成气隙混合光子-等离基元波导，将等离激元部分限制在高度可变的气隙中产生很强的光-电-机械效应，而其余部分的光子限制可以将光学损失降至最低，最终在CMOS电压和低光学损耗（0.1 dB）的条件下实现了快速光开关（数十纳秒）。混合架构为开发CMOS集成的可重编程光学系统（例如用于深度学习的光学神经网络）提供一条新途径，论文以“Nano-opto-electro-mechanical switches operated at CMOS-level voltages”为题发表在顶刊Science上。

图1. 等离基元NOEM网络的工作原理。（A）如果波长（λ₀）与节点的谐振波长（λ_res）相匹配，则在直通端中引导的入射光将切换到下载端，而非共振（λ_res≠λ₀）的光沿波导继续传播并绕过等离基元谐振器，从而避免欧姆损耗。（B）由悬浮在硅圆盘上方的金膜形成HPP圆盘谐振器（半径2 mm），间隙（z₀）。（C）掺杂的硅和金桥被用于在间隙上施加电压，产生静电力使膜弯曲并防止光耦合到谐振器中。（D）不同金膜弯曲程度（dz）下的直通光谱。（E）计算表明，减小z₀时，Δλ_res逐渐超过固有FWHM。

图1A给出了两个NOEM开关的动态光路，分别将其偏置到两个不同的谐振状态（波长为λ_res）。如果λ_res=λ₀，则在直通端中引导的入射光将切换到下载端，而非共振（λ_res≠λ₀）的光沿波导继续传播并绕过等离基元谐振器。混合型光子-等离基元（HPP）谐振器包括了部分悬挂在硅圆盘上方的金薄膜，中间形成空气间隙（z₀）（图1B）。空气HPP波导可以将硅波导中的低损耗传播与间隙中金属表面的强场增强相结合。此外，金和硅之间可以形成空气电容器，能够通过施加电压（V_drive）产生的静电力来驱动z₀，金膜弯曲度（dz）通过改变模式指数（Δn_eff）引起共振位移的变化（Δλ_res）（图1C）。从图1D可以看出共振波长具有可调性，4 nm大小时弯曲度dz提供的Δλ_res已经大于谐振负载的半峰全宽，减小z₀时，Δλ_res逐渐超过固有FWHM一个数量级（图1E）。

图2. 伪色扫描电子显微镜图像以及测得的器件性能。（A）透视图和透射光谱。（B）聚焦离子束横截面图。（C）z₀≈55 nm时，消光比ER和有载品质因子Q与波导-圆盘间距ω的关系。（D）z₀≈35 nm时，Δλ_res和FWHM与电压的关系。插图给出了一个完整的光开关过程，电压相差200 mV。

制成的谐振器如图2A和B所示，垂直HPP波导可以通过原子层沉积和湿法刻蚀氧化铝层获得，并利用低成本光刻来实现横向波导-圆盘分离。通过波导-圆盘间距ω来测量腔体的本征Q因子（∝1/FWHM）（图2C），在临界耦合条件下，Q_intrinsic =2·Q_load≈7000，造成如此低的等离激元损耗的原因是多重的,包括空气介质、粘附层以及金属界面的影响。器件开关性能如图2D所示，共振位移的变化Δλ_res大于6 nm，是FWHM的5倍。由于金属膜的距离会越来越近，导致Δn_eff增大，机电效应还会引起非线性红移。

图3. 器件的时间动态。（A）正弦驱动信号的调制响应。（B）利用更复杂的驱动信号可以使上升和下降时间达到数十纳秒的数量级，开关状态之间的光学对比度超过90％。

由于光-机耦合系数G_OM，电-机耦合系数G_EM和Q因子的值较大，可以将所需的致动距离减小到几纳米，并相应地将开关时间减小到几十纳秒（图3）。悬浮的金膜具有约12 MHz的频率，较小的机械Q因子和较低频率调制时的衰减可以归因于挤压膜的阻尼和硬化，因此，空气压缩可提高在较高频率和较小间隙时的刚度，进而降低驱动。图3B给出了两步驱动方案，在各个通断脉冲开始时，施加的驱动电压（I）和（III）超过稳态电压（II）和（IV），由于静电致动力大于弹簧恢复力，导致上升和下降时间分别为60 ns和100 ns，进一步优化后可使下降和上升时间接近≈10 ns。

图4. 1×2 NOEMS的性能。（A）两个NOEMS器件的透视伪色扫描电子显微镜图像。（B）在0 V和1.4 V偏置下，耦合到直通端和下载端的透射光谱。（C）直通端和下载端的透光率随电压的变化。（D）低直通端损耗对于交换架构如栅格网络有利，在通过15×15网络传播时，只需将光切换一次到下载端即可。

随后进行了1×2 NOEMS器件的开关实验（图4A），直通端和下载端的透射光谱如图4B所示，将谐振器耦合到下载端可将FWHM从≈1 nm（125 GHz）扩展到≈2.5 nm（350 GHz）。1.4 V驱动电压下产生的Δλ_res（≈6.2 nm）仍大于多个FWHM，这使得光路由的串扰低于-15 dB，下载端插入损耗（IL_D）约2 dB，直通端插入损耗（IL_T）约0.1 dB（图4C）。这种损耗不对称非常适用于N×N交叉网络，如图4D，对于优化的15×15网络，每个端口的平均损耗为0.12 dB。

本文利用混合型光子-等离基元结构中的光-电-机械效应，在CMOS电压和低光学损耗的条件下实现了快速光开关，其独特的紧凑性为直接与CMOS驱动电路集成的高密度光学开关结构铺平了道路，除此之外，强大的OEM交互作用和低损耗还可以使非谐振功能单元（例如移相器和强度调制器）满足光探测和测距等应用需求。这些光开关有望作为构成光场可编程门阵列的组件，并引发类似于几十年前实现电场可编程门阵列一样的技术革新。

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

文献链接：

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