MEMS驱动光子和光电子性能

人工智能数据中心耗电量的大幅下降以及数据带宽的提升，推动了数据网络领域的变革：光纤正在取代铜缆，光路交换机正在取代电子网络交换机。在技术和市场压力的推动下，光子学即将成为现代数据中心的基础架构技术。

注意到这一点的不仅仅是技术人员：金融市场也做出了相应的反应，这从供应这些组件的公司的股价飙升，以及致力于下一代光网络技术的初创公司的市值达到数十亿美元就可以看出。

通过在计算机机架之间以光子而非电子的形式传输数据，消除了电流传输过程中的功率损耗（焦耳热）。这可显著降低数据中心30%至40%的电力需求。此外，光波分复用技术可将多个数据流叠加，从而实现人工智能应用所需的海量数据吞吐量。

现实世界中已有实例。谷歌的Jupiter系统就展示了利用光路交换机动态优化数据中心流量所带来的巨大性能提升。为了设计能够满足未来需求的数据中心基础设施，我们必须用光纤束连接的光子和光电系统来取代传统的铜线连接的电子交换机和组件。

光子技术与微机电系统（MEMS）的集成

光子学需要纳米级或微米级的运动来调制光，而微机电系统（MEMS）则以静电或压电致动器的形式提供精确的运动。尽管世界各地的学术团队多年来一直在开发混合型MEMS和光子技术，但人工智能数据中心巨大的市场需求正在推动这些技术的商业化进程。

其他需要高数据带宽的复杂系统，例如自动驾驶汽车或企业级医学图像分析，也将很快从数据中心驱动的光子学和 MEMS 的融合中受益。

图示 MEMS 压电致动器（黄色和绿色）与 PIC 集成时可提供的各种功能（来源：“用于集成光子学的压电致动”，Tian 等人，2024 年，《光学与光子学进展》，16(4)，第 749-867 页）

光束控制和复用

自由空间光学系统，例如数据中心光开关和车载激光雷达，需要能够快速、高效地进行表面重定向以控制激光束的组件。尽管在过去二十年中，MEMS微镜主要用于视觉显示应用，但它对光学系统仍然至关重要。

这种MEMS微镜具有微秒级的响应速度、大光学孔径和可扩展的大批量生产能力。MEMS技术采用静电或压电方式驱动，可实现微镜阵列参数的无限定制，例如微镜直径、微镜形状（例如圆形、椭圆形）、扫描角度、切换速度、行/列布局等等。这意味着MEMS微镜为创建高度优化的自由空间光学解决方案提供了广阔的设计空间。

混合光子-MEMS制造工艺已准备就绪

从制造角度来看，下一代光学系统利用 MEMS 和光子器件更深层次的集成已成为可能。

我们已经看到，MEMS和光子器件分别由MEMS和光子器件专业代工厂在200毫米晶圆上进行大规模制造。由于这两种技术在工艺方面已经有很多共通之处，因此，制造集成是满足人工智能数据中心规模需求的下一步。

MEMS 在两大领域增强了光子性能和功能：光子集成电路 (PIC) 和自由空间光学系统。

耦合、切换或调整PIC

随着电信和数据网络中的光系统规模和复杂性不断扩大，在光子集成电路（PIC）中高效、快速、精确地进行耦合、切换和调谐变得至关重要。微型致动器用于在波导内产生瞬态机械应变或移动光学元件，从而分别引起折射率或光耦合的变化。这些操作可以实现诸如滤波、耦合和相移等光路功能。

一种较早的方法——利用热光材料特性通过加热产生局部变化——也存在自身的问题。虽然有效，但热驱动耗电量过高（毫瓦级），且反应速度过慢（毫秒级）。此外，它还会将不必要的热量扩散到附近的其它元件。

幸运的是，MEMS静电或压电致动器能够以纳瓦到微瓦级的功率和兆赫兹到吉赫兹级的频率实现与热致动器相同的光学效果。这种显著的改进能够为成排机架的设备节省大量电力。

节省空间也是一项关键优势。由于MEMS致动器可以直接制造在光子结构旁边或上方（即单片集成），因此可以实现紧凑的布局，从而将数千个光学元件密集地集成到PIC中。事实上，包括PZT在内的薄膜压电材料以及新兴的无铅薄膜（例如KNN）能够在很小的体积内实现高驱动力，并可在吉赫兹频率下进行声光调制。这并非理论上的设想，学术研究已经证实了这一点。

通过将imec iSiPP50G代工平台与EPFL CMI的MEMS工艺相结合而制成的光子-MEMS器件（来源：“集成硅光子MEMS ”，Quack等人，2023年，《微系统与纳米工程》，9(1)）

而且，这并非意味着需要建造新型的代工厂。只需增加一些设备，光子代工厂就能具备MEMS（微机电系统）制造能力，反之亦然。众多代工厂正在验证这种制造混合模式。研究机构晶圆厂，例如比利时的imec和法国的CEA-Leti，以及商业代工厂，例如SkyWater、X-Fab和GlobalFoundries（最近收购了新加坡的光子代工厂Advanced Micro Foundry），都取得了成功。持续的市场需求将在未来几年推动更多代工厂采用可扩展的集成MEMS和光子器件制造模式。

多年的成功学术研究、成熟的 MEMS 技术、可扩展的混合光子-MEMS 制造技术以及数据中心的强劲市场需求，共同促成了一波令人兴奋的新产品浪潮：集成光子-MEMS 器件。

精准的运动加上光线，为数据中心网络、激光雷达系统、光子计算以及众多其他先进应用提供了新的解决方案。

文章来源：作者： Alissa M. Fitzgerald，AM Fitzgerald & Associates LLC 首席执行官