[论文解读] Silicon photonic MEMS switches based on split waveguide crossings

Yinpeng Hu, Yi Sun+5 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2023

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

该论文提出一种基于分流波导交叉（SWX）的硅光子MEMS开关，通过机械重构波导半段实现低损耗、低串扰和超宽带开关。2×2开关及64×64 Benes拓扑阵列展现出优异性能， excess loss 低于1.5 dB，crosstalk 低于-30 dB，带宽范围广泛，适用于光互连、LiDAR和光子计算等应用。

ABSTRACT

The continuous push for high-performance photonic switches is one of the most crucial premises for the sustainable scaling of programmable and reconfigurable photonic circuits for a wide spectrum of applications. Conventional optical switches rely on the perturbative mechanisms of mode coupling or mode interference, resulting in inherent bottlenecks in their switching performance concerning size, power consumption and bandwidth. Here we propose and realize a silicon photonic 2x2 elementary switch based on a split waveguide crossing (SWX) consisting of two halves. The propagation direction of the incident light is manipulated to implement the OFF/ON states by splitting/combining the two halves of the SWX, showing excellent performance with low excess loss and low crosstalk over an ultrawide bandwidth. Both elementary switch and a 64x64 switch array based on Benes topology are fabricated and characterized, demonstrating great potential for practical scenarios such as photonic interconnect/routing, Lidar and spectroscopy, photonic computing, as well as microwave photonics.

研究动机与目标

• 为克服基于模式耦合或干涉的常规光开关在性能上的局限性。
• 解决现有光子开关在尺寸、功耗和带宽方面的瓶颈问题。
• 开发一种基于分流波导交叉的机械可重构开关，用于高性能、可扩展的光子电路。
• 通过2×2开关及64×64开关阵列的制造与表征，证明其实际可行性。

提出的方法

• 该开关基于一种由两个独立波导半段组成的分流波导交叉（SWX）结构，可相对物理移动。
• 通过机械驱动使两半波导分离或重新组合，实现光在输入和输出端口之间的路由，从而实现开/关状态。
• 设计利用MEMS驱动控制波导段的相对位置，最大限度减少光学模式扰动。
• SWX结构通过在切换过程中保持模式重叠和对称性，实现低附加损耗和低串扰。
• 采用Benes网络拓扑将2×2开关扩展为64×64可重构开关阵列。
• 采用标准硅光子工艺进行制造，通过后处理集成MEMS驱动功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 机械可重构波导交叉能否在宽光学带宽内实现低附加损耗和低串扰？
• RQ2 与基于传统模式耦合的开关相比，分流波导交叉设计在功耗效率和带宽方面表现如何？
• RQ3 SWX基开关在集成到大规模Benes网络时，其性能可扩展性如何？
• RQ4 SWX基开关在64×64开关阵列配置中能否保持低串扰和高消光比？
• RQ5 这种MEMS驱动的硅光子开关在机械稳定性与开关速度方面存在哪些实际限制？

主要发现

• 所制造的2×2 SWX基MEMS开关在宽光学带宽内实现附加损耗低于1.5 dB。
• 在整个工作带宽内，串扰抑制低于-30 dB，表明具有优异的信号隔离性能。
• 基于Benes拓扑的64×64开关阵列成功实现了低串扰和低损耗的可重构路由。
• 该开关具有超宽带工作特性，适用于需要多波长操作的应用。
• 机械设计通过精确的波导对准控制，实现稳定开关，光学模式畸变极小。
• MEMS驱动与硅光子技术的集成实现了可扩展、低功耗、高性能的光子开关。