01 研究成果概述
2025年10月3日，浙江大學光電學院戴道鋅/李歡研究團隊在《Science Advances》 期刊在線發表了題為“Nonvolatile Silicon Photonic MEMS Switches Enabled by van der Waals Force”的研究論文，成功研制出基于范德華力的非易失MEMS硅光開關及陣列，論文被編輯選為當期雜志封面。
該研究創新地利用在MEMS領域被視為失效機制的范德華力粘連效應實現非易失性，通過獨特的分裂波導交叉結構（Split waveguide crossing, SWX）與推挽式MEMS驅動器，實現了數字式的非易失光開關。該非易失光開關表現出零靜態功耗和皮焦級開關功耗、0.23 dB的低損耗、44.4 dB的高消光比、200 nm的超大帶寬以及超過百萬次的優異重復性和耐久性。基于此非易失開關單元，該論文實現了高性能的16×16 Benes非易失光開關陣列，此為國際上首個報道的非易失光開關陣列。與以往的非易失光開關相比，該研究展示的非易失光開關具有四倍大的帶寬、低四個數量級的功耗和優越的可擴展性，為未來大規模、低功耗光子集成電路的發展提供了新的技術路徑。
02 背景介紹
人工智能和高性能計算的飛速發展催生了對數據高速傳輸與處理的巨大需求，光子集成電路憑借其高并行性和大帶寬的優勢而引人注目。在光子集成電路中，光開關作為實現光路動態重構的核心元件，其性能至關重要。
然而，現有的光開關技術面臨根本性挑戰：主流的傳統光開關是易失的，其需要持續供電才能維持開關狀態，導致大規模光子集成芯片的功耗和成本急劇上升。依賴相變材料的非易失光開關雖能實現零靜態功耗，但其開關能耗高、重復性和耐久性差、工藝復雜并且可擴展性差、依賴傳統的干涉型開關結構而帶寬受限，難以實際應用。亟需提出新型的非易失光開關以突破先驅研究在損耗、消光比、帶寬和可擴展性等方面的性能瓶頸。
03 文章亮點
本文創新地利用在MEMS領域被視為失效機制的范德華力粘連效應，實現了新型的高性能非易失光開關，與以往報道的非易失光開關相比，具有以下突出優勢：
1. 超低開關功耗：理論開關功耗< 1 pJ，比以往報道的非易失光開關低四個數量級；
2. 超大帶寬：實驗帶寬> 200 nm, 比以往報道的非易失光開關大四倍；
3. 優異重復性和耐久性：以高重復性工作超過一百萬次沒有明顯的性能下降，比以往報道的非易失光開關高三個數量級；
4. 易于擴展：展示了16×16非易失光開關陣列，此為國際上首個報道的非易失光開關陣列；
5. 工藝簡單：與標準硅光流片工藝兼容；
6. 損耗、消光比優異：理論仿真表明，此開關在1400–1700 nm超寬波段內性能：損耗~0.08–0.21/0.07–0.39 dB、串擾<–37.5/–36.7 dB（ON/OFF狀態）；
實驗結果表明，此開關1400–1600 nm波段（受限于輸入/輸出耦合光柵）內性能為：損耗為0.14–0.34/0.45–0.75 dB、串擾低于–38.9/–23.2 dB（ON/OFF狀態）；開關速度為2.2/7.4 μs。
圖1. 非易失光開關的結構示意圖。(A) 包含光學和機械結構的整體器件結構；(B) 推挽式靜電梳；(C) OFF狀態下的分裂波導交叉（SWX）；(D) OFF狀態下的亞波長齒（SWT）反射面；(E) ON狀態下的SWX；(F) ON狀態下的SWT反射面，SWX的兩半被范德華力緊密粘連在一起。
如圖1所示，光路的切換由SWX實現，其由固定部分的和可移動部分組成。在OFF狀態，SWX兩部分之間存在較大的間隙，此時入射光被反射，轉向90度從同側輸出。在ON狀態，靜電驅動器將SWX的可移動部分向前推，使之與SWX的固定部分緊密貼合，形成一條直通通道，光便徑直穿越，從對側輸出。
此開關的創新之處在于ON狀態的保持機制：當SWX的兩部分緊密貼合時，它們之間會產生強大的范德華力，因此SWX的兩部分被范德華力這一無形的“鎖扣”牢牢鎖住，開關狀態無需持續供電即可持續保持，實現了“零”靜態功耗。若要使開關重新回到OFF狀態，只需施加反向力“解鎖”即可。
圖2 非易失光開關的設計與仿真結果。(A) 開關在單個周期內驅動電壓與光傳輸T12隨時間變化的示意圖；(B) 傳輸特性隨驅動電壓變化的示意圖，展示了設備的滯回特性；(C) SWX在1550 nm波長處OFF狀態的光場傳輸，插圖為SWT周圍的放大圖；(D) SWX在ON狀態的傳輸光譜；(E, F) SWX在ON狀態的光場傳輸與傳輸光譜； (G) 仿真的驅動電壓、位移和靜電力關系。
如圖2 (A, B)所示，此非易失光開關的工作過程可以分為四個步驟，其核心在于利用范德華力實現機械“鎖存”，從而達到零靜態功耗。具體過程如下：
? 驅動閉合：對推靜電梳施加驅動電壓，SWX的可移動部分在+y方向靜電力的驅動下移動，與固定部分緊密貼合，開關進入ON狀態；
? 非易失閉合：推靜電梳上的驅動電壓撤去后，由于SWX兩部分接觸面間產生的強大范德華力，它們會始終保持ON狀態，無需外部驅動維持；
? 驅動斷開：需要將開關切回OFF狀態時，對拉靜電梳施加驅動電壓，產生的拉力與機械結構的彈性恢復力共同作用，克服范德華力，使SWX的兩部分重新分離，開關回到OFF狀態；
? 初始狀態：拉靜電梳的驅動電壓撤去后，機械結構的彈性恢復力會使SWX的可移動部分復位，回到初始的OFF狀態，完成一個完整的開關周期。
圖2 (C?G)為非易失光開關的光學、機械和靜電仿真結果，表明開關在OFF和ON狀態下均在超大帶寬范圍內具有低損耗和高消光比。
圖3. 實驗結果。(A) 器件的SEM圖像； (B) SWT的放大視圖； (C) 1550 nm波長處的透射率T12隨驅動電壓的變化，開關表現出滯回特性； (D, E) SWX在OFF和ON狀態下的放大視圖； (F, G) 器件在OFF和ON狀態下的測量傳輸光譜； (H) 測量的開關速度； (I) 測量的器件耐久性。比例尺：(A) 20 μm, (B) 300 nm, (D, E) 5 μm。
圖4. 16×16 非易失開關陣列。(A) 器件的光學顯微鏡照片；(B, C) 開關單元、可變寬度多模干涉波導交叉及歐拉波導彎曲的放大圖；(D, F) 器件在全OFF狀態和第4級ON狀態下的傳輸光譜；(E, G) 器件在1550 nm波長下全OFF狀態和第4級ON狀態的額外損耗。比例尺：(A) 400 μm, (B) 30 μm, (C) 15 μm。
如圖3和4所示，本文展示了該非易失光開關的加工和測試結果。
? 滯回特性：單元器件的閉合電壓約為21V，復位電壓約為15V；
? 優異光學性能：在OFF和ON狀態下，單元器件均實現了低損耗和高串擾抑制；
? 快速響應：單元器件的閉合和斷開時間分別僅為2.2 μs和7.4 μs；
? 優異重復性和耐久性：單元器件在經歷超過100萬次的反復開關循環后，性能未有衰減，證明了其卓越的耐久性。同時，它能將ON狀態穩定保持超過40小時，充分驗證了其非易失特性的長期可靠性；
? 優異可擴展性：基于非易失光開關單元，實現了低損耗的16×16非易失光開關陣列，此為國際上首個報道的非易失光開關陣列。
04 總結與展望
本文為解決非易失光開關的性能瓶頸而獨辟蹊徑，創新性地利用通常被視為失效機制的范德華力粘連效應，成功研制出一種非易失硅基MEMS光開關。該開關通過靜電驅動操控機械接觸與分離實現光路通斷，利用接觸面間的范德華力實現非易失性，實現了開關狀態的“零靜態功耗”保持與皮焦級的操作能耗，為解決大規模光子集成電路的低功耗重構提供了新型的解決方案。
延伸閱讀：
《硅光子及集成光路（PIC）技術及市場-2025版》
《下一代MEMS技術及市場-2025版》
