MEMS驱动光子及光电子性能跃升

为了减少AI数据中心消耗的海量电力并提高数据带宽，数据网络领域正经历一场巨变：光纤正在取代铜线，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双重推动下，光子学即将成为现代数据中心的基础性基础设施技术。

同时，关注这一趋势的不仅仅是技术专家，金融市场也做出了相应的反应，既有组件供应商的股价飙升，也有致力于下一代光网络技术的初创公司获得了数十亿美元的市场估值。

通过以光子的形式在计算机机架之间传输数据，电流流动中的功率损耗（焦耳热）得以消除。这使得数据中心的电力需求显著降低了30%至40%。此外，光波分复用技术通过叠加多个数据流，实现了AI应用所需的海量数据吞吐量。

值得注意的是，这并非只停留在理论阶段，而是已经有了实际案例。谷歌Jupiter系统展示了使用光路交换机动态优化数据中心流量所带来的巨大性能优势。为了设计出能满足未来需求的数据中心基础设施，我们必须用通过光纤束连接的光子和光电系统，取代由铜线连接的传统电子交换机和组件。

光子学与MEMS集成

光子学需要纳米或微米级的运动来调制光，而MEMS通过静电或压电致动器提供了这种精密运动。多年来一直有研究团队在研究开发混合 MEMS 和光子技术，而AI数据中心的强烈需求则推动了这一技术的商业化落地。同时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疗图像分析，也将从由数据中心驱动的光子学与 MEMS的融合中获得附带利益。

目前MEMS在两个广泛的领域增强了光子的性能和功能：光子集成电路（PIC）和自由空间光学系统。

耦合、切换或调谐PIC

随着电信和数据网络中的光学系统在规模和复杂性上不断扩大，在PIC中高效、快速且精确地进行耦合、切换和调谐变得至关重要。微致动器用于在波导内产生临时机械应变或位移光学元件，这分别导致了折射率的变化或光耦合的变化。这些动作实现了滤波、耦合和相移等光路功能。

此前一种较老的方法是利用热通过热光材料特性产生局部变化，但它本身存在一些问题。虽然有效，但热致动消耗的电功率过大（毫瓦级）且速度过慢（毫秒级）。此外，它还会将多余的热量扩散到附近的其他组件。

幸运的是，MEMS 静电或压电致动器能够实现与热致动器相同的光学效果，但功率仅为纳瓦至微瓦级，频率为兆赫至千兆赫级。这种巨大的改进加起来能为成排的设备节省大量电力。

节省空间也是一个差异化优势。由于 MEMS 致动器可以直接制造在光子结构旁边或顶部（即单片集成），它们提供了紧凑的布局，允许将数千个光学元件密集地封装在一个 PIC 中。事实上，包括PZT在内的薄膜压电材料，以及KNN等新兴无铅薄膜，能在小体积内封装高致动力，并能在千兆赫频率下执行声光调制。相关学术研究已经证明了这并非只是理论。

光束控制和复用

自由空间光学系统，例如数据中心光交换和汽车激光雷达（LiDAR），需要能够快速且节能地重定向表面以控制激光束的组件。虽然MEMS反射镜在过去二十年中主要用于视觉显示应用，但它们与光学系统仍然高度相关。

这种MEMS反射镜提供微秒级的响应时间、大光圈和可扩展的大批量制造。通过静电或压电方式驱动，MEMS 技术提供了可无限定制的反射镜阵列参数，如反射镜直径、形状、扫描角度、切换速度、行列布局等。这意味着 MEMS 反射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和光子器件实现更深层次集成已变得可行。MEMS和光子学分别由MEMS和光子学专业晶圆厂在 200 毫米晶圆上大规模制造。由于这两种技术已经共享了大量的通用工艺，制造集成是满足 AI 数据中心所需规模的下一步。

甚至不需要新建晶圆厂，只需添加少数工具，光子晶圆厂就可以增加 MEMS 能力，反之亦然。许多晶圆厂正在证明这种混合制造的可行性。研究机构（如比利时的 imec 和法国的 CEA-Leti）以及商业晶圆厂（如 SkyWater、X-Fab 和格芯）都取得了成功。持续的市场需求将在未来几年刺激更多晶圆厂采用集成 MEMS 和光子器件的规模化制造。

精密运动加上光，等于为数据中心网络、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。