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多物理场仿真杂志：IEEE 特刊
经理人指南

仿真优化硅光子 MEMS 移相器设计

构成互联网主干的光纤网络依赖大量的电信号处理装置。纳米级硅光子网络元件，例如移相器可以提高光纤网络的速度、容量和可靠性。为了设计这种体积小巧但功能强大的装置，瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队使用仿真技术优化其光学和机电性能。

作者 Alan Petrillo
2021 年 12 月

现代互联网连接经常被认为是通过电线传输的，但实际上大多数核心网络数据流量是通过光纤传输的。尽管如此，现有的基础设施仍然依赖于大量嵌在光纤网络中的电信号处理组件。用光子器件替代这些组件可以提高网络速度、容量和可靠性。为了帮助开发这一新兴技术，瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的一个跨国团队研发制作了一个硅光子移相器原型，该装置有望成为下一代光纤数据网络的重要组成。

照亮全光纤网络之路

采用光子器件处理光子信号似乎是符合逻辑的，那为什么这种技术还没有被广泛应用呢？“这是一个很好的问题，但很难回答！” 瑞士电子与微技术中心的工程师 Hamed Sattari 说道。他专门研究聚焦于微机电系统技术的光子集成电路(MEMS) 。 Sattari 是负责开发硅光子移相器的 EPFL 光子团队的关键成员。在致力于研究基于 MEMS 的光信号处理方法的过程中，Sattari 和他的同事采用了一种新兴的制造技术。“即使在十年前，我们也无法可靠地生产出用于这些器件的集成可移动结构，”Sattari 表示，“依靠微电子行业当前的制造能力，硅光子和 MEMS 技术将越来越容易实现。我们的目标是展示如何利用现有的制造能力优化光纤网络基础设施。”

移相器设计项目是 EPFL 为光纤数据网络和空间应用开发可编程的光子组件的扩展研究。 这些元器件包括开关、芯片到光纤光栅耦合器、可变光衰减器，以及调制光信号的移相器。“这一应用中现有的光学移相器往往体积庞大，或会遭受信号损失。我们的首要任务是开发一个损失更低、体积更小的移相器，并使其可适用于大多数网络应用。可移动波导的 MEMS 驱动将在小型封装内以较低的功耗调制光信号。”Sattari 解释道。

可移动波导如何帮助调制光信号

MEMS 移相器的用途看似非常简单：调节光速，但它的运行机制却非常复杂。改变光的相位就是减慢它的速度。当光携带数据信号时，其速度变化会导致信号发生变化。因此，快速而精确的相位移动将调制信号，支持在整个网络中以最小的损失进行数据传输。为了改变通过光纤导体或总线波导的光的相位，MEMS 机构将一块被称为耦合器的半透明硅移动到靠近总线的位置。

Two schematics showing the two stages of motion for a MEMS mechanism in a phase shifter that is off with no optical coupling, top, and on with continuous tuning, bottom.
图1 移相器内部 MEMS 机构的两个运动阶段

移相器中 MEMS 机构设计包含两个运动阶段(图 1)。第一个阶段提供波导耦合器的简单开关运动，使耦合器与总线接合或分离。当耦合器接合后，第二阶段提供更精细的运动范围，用于调整耦合器和总线之间的间隙，从而实现对光信号相位变化的精准调制。“耦合器由具有高折射率的硅制成，将其移向总线会改变信号的相位。当两个组件耦合时，通过总线的光波也会通过耦合器，波速将会变慢。”Sattari 解释说。如果耦合器和总线的光耦合没有仔细控制，光的波形将会失真，可能会丢失信号和数据。

通过光学和机电仿真设计纳米级器件

为了尽可能精确和可靠地控制耦合过程，Sattari 团队面临的挑战是设计一种纳米级机构。由于他们的移相器使用电流移动光学元件，Sattari 和 EPFL 团队采用了双轨方法进行器件设计，目标是确定必须向 MEMS 机构施加多少电压才能在光子信号中引起所需的偏移。仿真是确定建立电压与相位关系的多个数值的关键技术。“电压与相位是一个复杂的多物理场问题。 COMSOL Multiphysics® 多物理场仿真软件提供了多个选项，可以将这个庞大的问题分解为更小的任务。”Sattari 介绍，“通过使用 COMSOL 软件的射频模块进行光学仿真，使用结构力学模块进行机电仿真，我们用两种平行的方式进行建模。”

光学仿真（图 2）包括用于确定耦合的波导元件的有效折射率的模式分析，以及研究信号传播。“我们的目标是让光在进入和退出移相器时，其相位只发生所需的变化。为了实现这一目标，我们可以借助 COMSOL® 仿真来确定系统的特征模态。”Sattari 说道。

A COMSOL Multiphysics model showing light passing left to right through a path made up of an optical bus and coupled moving waveguide, visualized in the Rainbow color table.
A grid of 6 simulation results showing a light waveform passing through a coupled optical bus and moveable waveguide.
图 2. 光从左到右通过由一个光学总线和一个耦合的可移动波导组成的路径（ 左）。模拟的光波形通过耦合器件时的横截面图（右）。通过仿真调整两个光学元件之间的距离，EPFL 团队可以确定该距离如何影响光信号的速度或相位。 图片由 EPFL 提供并获得许可(CC BY 4.0)。
Deformation in a moveable waveguide support structure, with the thin elements shown in red and the deformation shown in the Rainbow color table.
图 3. 显示可移动波导支撑结构变形的仿真。悬挂着可移动波导的薄元件将对施加的电压产生响应而弯曲。图片由 EPFL 提供并获得许可(CC BY 4.0)。
A line graph plotting the vertical gap between the coupler and waveguide for phase shift values from 0 to 2, with the effective index shown in blue and excess loss in red.
A line graph plotting the actuation voltage at the inner electrode pair for vertical gap values of 150 to 185 nm.
图 4. 光学仿真（左）确定了耦合器和波导之间的垂直距离，从而产生光信号中所需的相移。机电仿真（右）确定了电压，当将此电压施加到 MEMS 机构时，机构将移动波导耦合器到距总线所需的距离。图片由 EPFL 提供并获得许可(CC BY 4.0)。

除了确定波导和驱动机构的物理外型外，仿真还能够研究应力效应，例如重复操作引起的不必要的变形或位移。“关于设计的每一个决定都是基于仿真获得的。”Sattari 说道。

为未来的光纤网络铺垫基石

该项目的目标是展示如何利用现有的制造能力生产 MEMS 移相器。最终结果表明这是一个稳定、可靠的设计，可以通过现有的表面微加工制造工艺实现，并且总封装面积仅为 60 μm × 44 μm。目前他们已经通过了理论验证，Sattari 和他的同事期待看到他们的设计集成到全球光纤数据网络中。“我们正在为未来铺垫基石，亲眼见证它们的潜在应用得以实现将非常有意义。” Sattari 说道。

参考文献

  1. H. Sattari et al., "Silicon Photonic MEMS Phase-Shifter," Optics Express, vol. 27, no. 13, pp. 18959–18969, 2019.
  2. T.J. Seok et al., "Large-scale broadband digital silicon photonic switches with vertical adiabatic couplers," Optica, vol. 3, no. 1, pp. 64–70, 2016.