Imagen SEM parcial de la matriz de conmutación:toda la estructura modelada en la capa superior de silicio mediante grabado en seco parece "flotar" a medida que se elimina el óxido. Cada unidad de matriz contiene un mecanismo de peine electrostático que puede mover selectivamente partes de las guías de ondas para establecer una trayectoria de luz deseada desde uno de los 32 puertos de entrada a uno de los 32 puertos de salida. Crédito:Han et al.
Uno de los desafíos técnicos que enfrenta la revolución de datos actual es encontrar una forma eficiente de enrutar los datos. Esta tarea generalmente se realiza mediante interruptores electrónicos, mientras que los datos en sí se transfieren utilizando luz confinada en guías de ondas ópticas. Por esta razón, Se requiere conversión de una señal óptica a una electrónica y conversión inversa, lo que cuesta energía y limita la cantidad de información transferible. Estos inconvenientes se pueden evitar con una operación de interruptor óptico completo. Uno de los enfoques más prometedores se basa en sistemas microelectromecánicos (MEMS), gracias a ventajas decisivas como la baja pérdida óptica y el consumo de energía, integración monolítica, y alta escalabilidad. En efecto, el interruptor fotónico más grande jamás demostrado utiliza este enfoque.
Hasta ahora, esos interruptores fotónicos MEMS se han fabricado utilizando procesos no estándar y complejos en entornos de laboratorio, lo que ha dificultado su comercialización. Pero los investigadores de la Universidad de California en Berkeley iniciaron una colaboración que reunió a ingenieros de diferentes universidades de todo el mundo para demostrar que las dificultades podían superarse. Crearon un conmutador MEMS fotónico utilizando un proceso de fabricación de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) disponible comercialmente sin modificaciones. El uso de esta conocida plataforma de microfabricación representa un gran paso hacia la industrialización porque es compatible con la mayoría de las tecnologías actuales. económico, y adecuado para producción de alto volumen.
Fabricación de interruptores
En su investigación, publicado recientemente en el nuevo SPIE Revista de microsistemas ópticos , El interruptor fotónico se fabricó en obleas de 200 mm de silicio sobre aislante (SOI) utilizando procesos fotolitográficos y de grabado en seco habituales en una fundición comercial. Todo el circuito integrado fotónico está incluido en la capa superior de silicio, que tiene la ventaja de limitar el número de pasos de fabricación:hay dos procesos diferentes de grabado en seco, un despegue para crear interconexiones metálicas, y la liberación final de MEMS mediante grabado con óxido. El diseño del conmutador incluye 32 puertos de entrada y 32 puertos de salida, que representa una matriz de 32 x 32 (el tamaño completo es de 5,9 mm x 5,9 mm) del mismo elemento replicado. En cada uno de los elementos individuales, la transferencia de luz de un canal a otro se produce disminuyendo la distancia entre dos guías de ondas para acoplar sus modos, una operación lograda por un mecanismo de peine electrostático también incluido en la capa superior de silicio.
"Por primera vez, Se han fabricado interruptores fotónicos MEMS integrados a gran escala en una fundición comercial en obleas SOI de 200 mm. En mi opinión, esta es una demostración convincente de que esta tecnología es adecuada para la comercialización y la producción en masa. Podrían incorporarse en los sistemas de comunicación de datos en un futuro próximo, "dijo Jeremy Béguelin, uno de los investigadores de Berkeley.
La arquitectura del interruptor MEMS fotónico de silicio con acopladores direccionales ajustables. La luz se acopla al chip mediante los acopladores de rejilla. Hay dos pares de acopladores direccionales y un actuador de accionamiento de peine por celda unitaria. Las trayectorias de la luz en el chip se controlan cambiando el espacio de separación de cada acoplador direccional. Crédito:Han et al.
Camino prometedor
Los investigadores evaluaron el rendimiento de los interruptores fotónicos midiendo varios parámetros importantes:la pérdida de potencia de la luz a través de todo el interruptor de 7,7 dB, el ancho de banda óptico de aproximadamente 30 nm a la longitud de onda de 1550 nm, y la velocidad de la operación de conmutación de 50 μs. Estos valores ya son excelentes en comparación con otros enfoques de interruptores fotónicos, y ya se han identificado formas de mejorarlas.
Mediante el uso de un proceso de fabricación compatible con CMOS y obleas SOI, el equipo de investigación creó un interruptor fotónico robusto y eficiente basado en tecnología MEMS. Este trabajo abre un camino prometedor hacia la comercialización y producción en masa de interruptores fotónicos grandes e integrados, un futuro componente clave de las redes de comunicación de datos.
