MEMS-Driven Extreme-Scale Photonics

Abstract

The realization of extreme-scale photonic integrated circuits （PICs） is fundamentally constrained by the high static power consumption and inherent optical losses associated with conventional active phase-tuning mechanisms. To address these physical bottlenecks, this dissertation investigates and experimentally demonstrates a highly scalable, micro-electro-mechanical systems （MEMS）-actuated silicon photonics platform. The proposed platform successfully replaces traditional active tuning mechanisms, reducing the static power consumption of individual modulators to the femtowatt level. The platform is established through the sequential development of core functional building blocks. First, a MEMS phase shifter is introduced, providing stable optical modulation with less than 8.6 fW of static power consumption. Building upon this mechanism, the Gen-1 tunable coupler is developed to enable the physical routing of optical signals. To further optimize optical insertion loss and structural reliability, the Gen-2 tunable adiabatic coupler is subsequently developed. This Gen-2 switch exhibits an excess insertion loss of only 0.127 dB per switch, an extinction ratio exceeding 45 dB, and robust thermal stability across a temperature range of −40 °C to 100 °C. The system-level integration capabilities are quantitatively verified through the implementation of a large-scale programmable photonic array （PPA）. The constructed re-circulating PPA integrates 73 active MEMS components, achieving an integration density of 8 gates/mm², while consuming a total static power of 1 pW. Finally, the scalability is demonstrated through the development of the focal plane switch array （FPSA） for LiDAR and beam projection applications. Progressing from an initial 8 × 8 multicast projection array, the architecture is successfully scaled to a massive 50 × 200 pixel array （Gen-2） and a 75 × 300 pixel multi-layer routing framework （Gen-3）. Ultimately, the quantitative results achieved in this work establish MEMS-integrated photonics as a highly viable pathway toward extreme-scale, power-efficient optical systems.|극한 규모 광집적회로의 구현은 기존 능동형 위상 조절 방식이 지닌 높은 정적 전력 소모와 고유의 광학적 손실로 인해 근본적으로 제한받고 있다. 이러한 물리적 병목 현상을 해결하기 위해, 본 학위논문은 고도로 확장 가능한 미세전자기계시스템（멤스） 구동 실리콘 포토닉스 플랫폼을 연구하고 이를 실험적으로 입증한다. 제안된 플랫폼은 기존의 능동 튜닝 방식을 성공적으로 대체하며, 개별 광 변조기의 정적 전력 소모를 펨토와트 수준으로 감소시킨다. 이 플랫폼은 핵심 기능 단위 소자들의 순차적인 개발을 통해 구축되었다. 첫째로, 8.6 펨토와트 미만의 정적 전력 소모만으로 안정적인 광 변조를 제공하는 멤스 위상 천이기를 도입하였다. 또한 광 신호의 물리적 라우팅을 가능하게 하는 1세대（Gen-1） 가변 커플러를 개발하였다. 나아가 광학적 삽입 손실과 구조적 신뢰성을 더욱 최적화하기 위해, 2세대（Gen-2） 아디아바틱 가변 커플러를 도입하였다. 이 2세대 스위치는 스위치당 0.127 dB의 초과 삽입 손실을 보이며 45 dB 이상의 소광비를 보인다. 또한, -40 °C에서 100 °C에 이르는 온도 범위 전반에서 뛰어난 열적 안정성을 유지한다. 시스템 단위의 집적 역량은 대규모 프로그래머블 포토닉 어레이의 구현을 통해 정량적으로 검증되었다. 집적된 재순환 프로그래머블 포토닉 어레이는 73개의 능동 소자를 집적하여 8 게이트/mm²의 집적 밀도를 달성하는 동시에, 총 정적 전력 소모량은 1 펨토와트 수준이다. 마지막으로, 라이다 및 빔 프로젝션 응용을 위한 자유 공간 초점면 스위치 어레이의 개발을 통해 그 확장성을 입증하였다. 해당 아키텍처는 초기 8 × 8 멀티캐스트 프로젝션 어레이에서 시작하여, 대규모 50 × 200 픽셀 어레이（2세대） 및 75 × 300 픽셀 다층 라우팅 프레임워크（3세대）로 성공적으로 확장되었다. 궁극적으로 본 연구에서 달성한 정량적 결과들은 멤스 집적 포토닉스가 극한 규모의 전력 효율적인 광학 시스템을 구현하기 위한 매우 유망한 기술적 경로임을 확고히 입증한다.