Imagem SEM parcial da matriz de troca:toda a estrutura padronizada na camada superior de silício por corrosão seca parece "flutuar" conforme o óxido é removido. Cada unidade de matriz contém uma unidade de pente eletrostática que pode mover seletivamente porções dos guias de ondas para estabelecer um caminho de luz desejado de uma das 32 portas de entrada para uma das 32 portas de saída. Crédito:Han et al.
Um dos desafios técnicos que a atual revolução de dados enfrenta é encontrar uma maneira eficiente de rotear os dados. Esta tarefa é geralmente realizada por interruptores eletrônicos, enquanto os próprios dados são transferidos usando luz confinada em guias de ondas ópticas. Por esta razão, a conversão de um sinal óptico para um sinal eletrônico e a conversão reversa são necessárias, que custa energia e limita a quantidade de informações transferíveis. Essas desvantagens são evitáveis com uma operação de switch ótico completo. Uma das abordagens mais promissoras é baseada em sistemas microeletromecânicos (MEMS), graças a vantagens decisivas, como baixa perda óptica e baixo consumo de energia, integração monolítica, e alta escalabilidade. De fato, o maior switch fotônico já demonstrado usa essa abordagem.
Até agora, esses interruptores fotônicos MEMS foram fabricados usando processos não padronizados e complexos em ambientes de laboratório, o que dificulta a sua comercialização. Mas pesquisadores da Universidade da Califórnia em Berkeley iniciaram uma colaboração que reuniu engenheiros de diferentes universidades em todo o mundo para demonstrar que as dificuldades poderiam ser superadas. Eles criaram um switch MEMS fotônico usando um processo de fabricação de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS) disponível comercialmente sem modificação. O uso desta plataforma de microfabricação bem conhecida representa um grande passo em direção à industrialização porque é compatível com a maioria das tecnologias atuais, custo-beneficio, e adequado para produção de alto volume.
Fabricação de switch
Em sua pesquisa, publicado recentemente no novo SPIE's Journal of Optical Microsystems , o switch fotônico foi fabricado em placas de silício sobre isolante (SOI) de 200 mm usando processos fotolitográficos regulares e decapagem a seco em uma fundição comercial. Todo o circuito integrado fotônico está incluído na camada superior de silício, que tem a vantagem de limitar o número de etapas de fabricação:Existem dois processos diferentes de decapagem a seco, uma decolagem para criar interconexões de metal, e a liberação final do MEMS por ataque de óxido. O design do switch inclui 32 portas de entrada e 32 portas de saída, representando uma matriz de 32 x 32 (o tamanho total é 5,9 mm x 5,9 mm) do mesmo elemento replicado. Em cada um dos elementos individuais, a transferência de luz de um canal para o outro é produzida diminuindo a distância entre dois guias de ondas para acoplar seus modos, uma operação realizada por um acionamento de pente eletrostático também incluído na camada superior de silício.
"Pela primeira vez, interruptores fotônicos MEMS integrados e em grande escala foram fabricados em uma fundição comercial em wafers SOI de 200 mm. Na minha opinião, esta é uma demonstração convincente de que esta tecnologia é adequada para comercialização e produção em massa. Eles podem ser incorporados em sistemas de comunicação de dados em um futuro próximo, "disse Jeremy Béguelin, um dos pesquisadores de Berkeley.
A arquitetura do switch MEMS fotônico de silício com acopladores direcionais ajustáveis por gap. A luz é acoplada ao chip usando os acopladores de grade. Existem dois pares de acopladores direcionais e um atuador comb-drive por célula unitária. Os caminhos da luz no chip são controlados alterando o espaçamento do gap de cada acoplador direcional. Crédito:Han et al.
Caminho promissor
Os pesquisadores avaliaram o desempenho dos interruptores fotônicos medindo vários parâmetros importantes:a perda de potência da luz através de todo o interruptor de 7,7 dB, a largura de banda óptica de cerca de 30 nm no comprimento de onda de 1550 nm, e a velocidade da operação de chaveamento de 50 μs. Esses valores já são excelentes em comparação com outras abordagens de troca fotônica, e maneiras de melhorá-los já foram identificados.
Usando um processo de fabricação compatível com CMOS e wafers SOI, a equipe de pesquisa criou um switch fotônico robusto e eficiente com base na tecnologia MEMS. Esse trabalho abre um caminho promissor para a comercialização e produção em massa de grandes comutadores fotônicos integrados, um futuro componente-chave das redes de comunicação de dados.
