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多物理模拟：IEEE频谱插入
经理指南

使用模拟设计硅光子MEMS相位变速杆

构成Internet的骨干的光纤网络依赖许多电信号处理设备。纳米级硅光子网络组件（例如相移）可以提高光网速度，容量和可靠性。为了设计这些小但功能强大的设备，瑞士联邦技术学院Lausanne（EPFL）的团队使用仿真来优化光学和机电性能。

艾伦·佩特里洛（Alan Petrillo）
2021年12月

现代互联网连接的世界通常被描述为有线，但是大多数核心网络数据流量实际上是由光纤（而不是电线）携带的。尽管如此，现有的基础架构仍然依赖于嵌入光纤网络中的许多电信号处理组件。用光子设备替换这些组件可以提高网络速度，容量和可靠性。为了帮助实现这一新兴技术的潜力，瑞士联邦技术研究院Lausanne（EPFL）的跨国公司开发了硅光子相变的原型光纤数据网络。

照明通往全光网络的路径

使用光子设备处理光子信号似乎是合乎逻辑的，那么为什么这种方法还不是规范？“一个非常好的问题，但实际上是一个棘手的问题！”目前在瑞士电子和微技术中心（CSEM）的工程师Hamed Sattari说，专门研究光子集成电路（PIC），重点是微电机械系统（MEMS）技术。萨塔里（Sattari）是开发硅光子相位变速杆的EPFL光子团队的关键成员。在采用基于MEMS的光学信号处理方法时，Sattari及其同事正在利用新的和新兴的制造技术。萨塔里说：“即使是十年前，我们也无法可靠地生产出在这些设备中使用的集成的可移动结构。”“现在，随着微电子行业的当前制造能力，硅光子学和MEMS变得越来越可以实现。我们的目标是证明如何使用这些功能来转换光纤网络基础架构。”

相位变速器设计项目是EPFL开发用于光纤数据网络和空间应用程序的可编程光子组件的更广泛努力的一部分。这些设备包括开关；芯片到纤维的光栅耦合器；可变光衰减器（VOAS）;和相位变速器，可调节光学信号。萨塔里说：“此应用程序的现有光相变器往往是笨重的，或者它们遭受信号损失。”“我们的首要任务是创建一个较小的损失较小的变速杆，并使其可扩展用于许多网络应用程序。可移动波导的MEMS致动可能会在较小的足迹中调节具有低功耗的光学信号。”他解释说。

可移动的波导如何有助于调节光学信号

MEMS相移是一种复杂的机制，具有欺骗性的简单目的：它可以调整光速。改变光的阶段是放慢速度。当携带数据信号时，其速度的变化会导致信号的变化。相位的快速而精确的变化将调节信号，从而支持数据传输，而整个网络中的损失最小。改变光纤维导体的光阶段，或巴士波导，MEMS机制移动了一块半透明的硅耦合器与公共汽车近距离接近。

两个示意图显示了相位变速杆中MEMS机制的两个运动阶段，该运动机理不含光耦合，顶部和连续调谐，底部。
图1.相移中MEMS机理的两个运动阶段。

相位变速器中MEMS机理的设计提供了两个运动阶段（图1）。第一阶段提供了一个简单的耦合器波导运动，从而使耦合器与公共汽车脱离。当耦合器参与时，第二阶段将提供更精细的运动范围。这使得可以调整耦合器和总线之间的间隙，从而确切地调制了光信号中相变的相变。Sattari解释说：“将耦合器移向总线是改变信号阶段的原因。”“耦合器由具有高折射率的硅制成。当两个组件耦合时，穿过公共汽车的光波也将穿过耦合器，并且波浪将减速。”如果未仔细控制耦合器和总线的光耦合，则可以使光的波形变形，可能会丢失信号和数据。

通过光学和机电模拟在纳米级设计

萨塔里（Sattari）及其团队面临的挑战是设计一种纳米级机制，以尽可能准确而可靠地控制耦合过程。由于他们的相变器将使用电流物理移动光学元素，因此Sattari和EPFL团队对设备的设计采取了两次轨道方法。他们的目标是确定必须将多少电压应用于MEMS机制，以诱导光子信号的所需转移。仿真是确定可以建立电压与相位关系的多个值的重要工具。“电压与相是一个复杂的多物理问题。coms188金宝搏优惠ol多物理学®软件为我们提供了许多将这个大问题分解为较小任务的选择。” Sattari说。“我们使用RF模块进行光学建模和机电模拟的结构力学模块进行了两个平行弧进行了模拟。”

光学建模（图2）包括模式分析，该模式分析确定了耦合波导元件的有效折射率，然后研究信号传播。萨塔里说：“我们的目标是让光线进入和退出我们的设备，仅在其阶段所需的更改。”“为了帮助实现这一目标，我们可以在comsol中确定系统的本本莫德188金宝搏优惠®。”

Co188金宝搏优惠msol多物理模型显示了光线向左传递的光线，该路径通过光线总线和耦合移动波导的路径，在彩虹颜色表中可视化。
6个模拟结果的网格显示了通过耦合光总线和可移动波导的光波形。
图2.左：光线从左到右穿过由光总线和耦合可移动波导组成的路径。右：模拟光波形的横截面切片，它通过耦合设备。通过调整模拟中两个光学元素之间的距离，EPFL团队可以确定该距离如何影响光信号的速度或相位。图像由EPFL提供，并根据CC的许可为4.0。
可移动的波导支撑结构中的变形，红色显示的薄元素和彩虹颜色表中显示的变形。
图3.模拟显示可移动波导支撑结构的变形。悬挂可移动波导的薄元素将响应施加的电压而弯曲。图像由EPFL提供，并根据CC的许可4.0。
线图绘制了耦合器和波导之间的垂直差距，以从0到2的相位移位值，其中有效索引以蓝色和多余的损失为红色。
线图绘制内电极对处的致动电压的垂直间隙值为150至185 nm。
图4.光学模拟（左）建立了耦合器和波导之间的垂直距离，这将导致光信号的所需相移。机电仿真（右）确定了将耦合器波导向所需距离移动到远离总线的电压。图像由EPFL提供，并根据CC的许可为4.0。

在确定波导和致动机制的物理形式之外，模拟还使Sattari能够研究压力效应，例如不必要的变形或由重复操作引起的位移。他说：“关于设计的每个决定都是基于模拟向我们展示的内容。”

增加未来光子网络的基础

该项目的目的是证明如何使用现有的制造能力产生MEMS相位变速器。结果是可靠的可靠设计，可以在现有的表面微机械制造过程中实现，并且总足迹仅为60μm×44μm。既然他们已经有了既定的概念证明，萨塔里（Sattari）和他的同事们期待看到他们的设计已整合到世界的光学数据网络中。萨塔里说：“我们正在为未来创造基础，看到它们的潜力成为现实将是很有意义的。”

参考

  1. H. Sattari等人，”硅光子mems相移，”光学快递，卷。27，否。13，第18959– 18969年，2019年。
  2. T.J.Seok等人，”大规模宽带数字硅光子开关与垂直绝热耦合器，”Optica，卷。3，不。1，第64-70页，2016年。