Een van de technische uitdagingen waarmee de huidige datarevolutie wordt geconfronteerd, is het vinden van een efficiënte manier om de gegevens te routeren. Deze taak wordt meestal uitgevoerd door elektronische schakelaars, terwijl de gegevens zelf worden overgedragen met behulp van licht dat is opgesloten in optische golfgeleiders. Om deze reden, conversie van een optisch naar een elektronisch signaal en terugconversie zijn vereist, wat energie kost en de hoeveelheid overdraagbare informatie beperkt. Deze nadelen zijn te vermijden met een volledige optische schakelaarwerking. Een van de meest veelbelovende benaderingen is gebaseerd op micro-elektromechanische systemen (MEMS), dankzij doorslaggevende voordelen zoals laag optisch verlies en energieverbruik, monolithische integratie, en hoge schaalbaarheid. Inderdaad, de grootste fotonische schakelaar die ooit is gedemonstreerd, gebruikt deze benadering.

Tot nu, die MEMS-fotonische schakelaars zijn vervaardigd met behulp van niet-standaard en complexe processen in laboratoriumomgevingen, wat hun commercialisering bemoeilijkt. Maar onderzoekers van de University of California Berkeley startten een samenwerking waarbij ingenieurs van verschillende universiteiten over de hele wereld werden samengebracht om aan te tonen dat de moeilijkheden konden worden overwonnen. Ze creëerden een fotonische MEMS-schakelaar met behulp van een in de handel verkrijgbaar complementair metaaloxide-halfgeleider (CMOS) fabricageproces zonder modificatie. Het gebruik van dit bekende microfabricageplatform vertegenwoordigt een enorme stap in de richting van industrialisatie omdat het compatibel is met de meeste huidige technologieën, kostenefficiënt, en geschikt voor grootschalige productie.

Schakel fabricage

In hun onderzoek hebben onlangs gepubliceerd in SPIE's nieuwe Journal of Optical Microsystems , de fotonische schakelaar werd vervaardigd op silicium-op-isolator (SOI) 200 mm-wafels met behulp van reguliere fotolithografische en droogetsprocessen in een commerciële gieterij. De hele fotonische geïntegreerde schakeling is opgenomen in de silicium toplaag, wat het voordeel heeft dat het aantal fabricagestappen wordt beperkt:er zijn twee verschillende droogetsprocessen, één lift-off om metalen verbindingen te maken, en de uiteindelijke afgifte van de MEMS door oxide-etsen. Het switchontwerp omvat 32 invoerpoorten en 32 uitvoerpoorten, die een 32 x 32-matrix voorstelt (volledige grootte is 5,9 mm x 5,9 mm) van hetzelfde gerepliceerde element. In elk van de afzonderlijke elementen, de lichtoverdracht van het ene kanaal naar het andere wordt geproduceerd door de afstand tussen twee golfgeleiders te verkleinen om hun modi te koppelen, een bewerking die wordt bereikt door een elektrostatische kamaandrijving die ook is opgenomen in de siliconen toplaag.

"Voor de eerste keer, grootschalige en geïntegreerde MEMS-fotonische schakelaars zijn vervaardigd in een commerciële gieterij op SOI-wafels van 200 mm. Naar mijn mening, dit is een overtuigend bewijs dat deze technologie geschikt is voor commercialisering en massaproductie. Ze zouden in de nabije toekomst kunnen worden opgenomen in datacommunicatiesystemen, " zei Jeremy Béguelin, een van de Berkeley-onderzoekers.

Veelbelovend pad

De onderzoekers evalueerden de prestaties van de fotonische schakelaars door verschillende belangrijke parameters te meten:het lichtverlies door de hele schakelaar van 7,7 dB, de optische bandbreedte van ongeveer 30 nm bij een golflengte van 1550 nm, en de snelheid van de schakelhandeling van 50 s. Deze waarden zijn al uitstekend in vergelijking met andere fotonische schakelaarbenaderingen, en manieren om ze te verbeteren zijn al geïdentificeerd.

Door gebruik te maken van een CMOS-compatibel fabricageproces en SOI-wafels, het onderzoeksteam creëerde een robuuste en efficiënte fotonische schakelaar op basis van MEMS-technologie. Dergelijk werk opent een veelbelovend pad naar de commercialisering en massaproductie van grote en geïntegreerde fotonische schakelaars, een toekomstige sleutelcomponent van datacommunicatienetwerken.