面向未來(lái)光信息時(shí)代的微光機電系統

隨著(zhù)信息技術(shù)逐步走上多媒體、網(wǎng)絡(luò )化和智能化的道路，信息獲取技術(shù)和信息執行技術(shù)都成為信息發(fā)展的瓶頸。為了滿(mǎn)足這一日益迫切的要求，微電子信息處理正逐步向系統芯片發(fā)展。在這場(chǎng)變革中，微機電系統（MEMS）由于能夠把信息獲取、處理和執行集成在一起，成為了系統芯片中關(guān)鍵的組成部分。由于微機電技術(shù)不僅為傳統的機械領(lǐng)域打開(kāi)了新的大門(mén)，也真正實(shí)現了機電一體化，因此，被認為是微電子技術(shù)的又一次革命。
近十年來(lái)，由于通信網(wǎng)絡(luò )、計算機技術(shù)和Internet技術(shù)的發(fā)展，通信的業(yè)務(wù)形式日趨多樣化，全球通信業(yè)務(wù)量飛速增長(cháng)。為了實(shí)現寬帶傳輸，光密集波分復用（DWDM）技術(shù)和全光網(wǎng)日益受到人們的重視。目前，長(cháng)距離、大容量公用通信網(wǎng)絡(luò )以及各種局域網(wǎng)上，光取代電成為通信的主要傳輸媒體已經(jīng)成為一種不可逆轉的趨勢?？梢灶A見(jiàn)，在未來(lái)機器內部的板與板之間、芯片與芯片之間，以及芯片內部，都將建立光互連系統。
在這樣一個(gè)背景下，人們將微機電系統和光學(xué)技術(shù)相結合，產(chǎn)生了微光機電系統（MOEMS， Micro-Optical-Electro-Mechanical-System）。與常規系統相比，微光機電系統具有體積小、重量輕、與大規模集成電路的制作工藝相兼容，易于大批量生產(chǎn)，成本低等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，傳感器、信號處理電路與微執行器的集成，可使微弱信號的放大，校正以及補償等在同一芯片中進(jìn)行，不需要經(jīng)過(guò)較長(cháng)距離的傳輸，這樣可以極大地抑制噪聲的干擾，提高輸出信號的品質(zhì)。因此，微光機電技術(shù)的應用已經(jīng)深入到許多不同的應用領(lǐng)域。目前，不但實(shí)現了一些小型化、集成化和智能化的光學(xué)系統，而且導致了新一代器件的誕生，如光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )芯片、MOEMS光處理芯片等。這一切必將影響光通信、光數據存儲、信息處理、航空航天、醫療器械、儀器儀表等應用領(lǐng)域，從而對未來(lái)的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)方式、人類(lèi)生活產(chǎn)生深遠的影響。


微光機電技術(shù)在光通信領(lǐng)域的應用
目前，受到人們極大關(guān)注的是將微光機電技術(shù)應用于光通信中，研制多種光器件，如光交叉連接（OXC）與光分插復用（OADM）等光節點(diǎn)系統中所必需的光開(kāi)關(guān)與光開(kāi)關(guān)陣列、光均衡器、發(fā)射功率限幅器、光濾波器、泵浦源選擇開(kāi)關(guān)、設備監控保護開(kāi)關(guān)以及光接入網(wǎng)中的光調制器、功率限幅器、光濾波器等。下面我們簡(jiǎn)單加以介紹。

1、可調諧光器件
在DWDM技術(shù)中，可調諧光器件是不可缺少的器件，包括可調諧光源與光檢測器、光濾波器。采用光電子技術(shù)，可以研制出這類(lèi)器件。但由于折射率變化極其有限，主要依賴(lài)于材料折變效應的這些可調諧光器件，其可調諧范圍也就非常有限。利用MOEMS技術(shù)可以非常方便地設計和制作出可動(dòng)Fabry-Perot腔鏡，控制腔鏡的位置可以獲得F-P腔腔長(cháng)的變化，實(shí)現對光波的可調諧?；?font face="Comic Sans MS">MOEMS技術(shù)，一些執行器結構可以使腔鏡位置發(fā)生較大移動(dòng)，所以MOEMS技術(shù)能夠帶來(lái)器件非常大的可調諧范圍。M. Wu等制作的Fabry-Perot標準具采用了自由空間微光學(xué)平臺（FS-MOB）技術(shù)，標準具的特征方向平行于微光學(xué)平臺。隨著(zhù)兩個(gè)腔鏡的移動(dòng)，器件的調諧范圍達60nm。這種結構既可以作為可調諧濾波器，也可以與半導體激光器集成，作為激光器的外腔，構成可調諧激光器。NTT公司也設計了一種水平方向的可調諧半導體激光器，通過(guò)梳狀執行器驅動(dòng)作為激光器腔鏡，從而實(shí)現調諧。此外，在III-V族化合物半導體外延材料上結合微機械加工技術(shù)還可以制作出垂直方向可調諧的MOEMS光器件。其中腔鏡包括固定的DBR鏡和可動(dòng)的反射鏡，可動(dòng)反射鏡上帶有電極，通過(guò)靜電驅動(dòng)改變兩鏡距離，從而改變出射光波波長(cháng)。該器件在975nm主波長(cháng)附近18nm可調。

2、光可變衰減器與光調制器
在光路中，光可變衰減器的作用是完成光信號的功率限制與多路光信號的功率均衡。采用MOEMS技術(shù)，可以設計出簡(jiǎn)單而有效的光衰減器與光強度調制器。一個(gè)良好的光衰減器要求器件必須有盡可能小的插入損耗、小的驅動(dòng)電壓與功率、大的可調動(dòng)態(tài)范圍、良好的線(xiàn)性可調或方便的線(xiàn)性補償，以及調動(dòng)時(shí)對光信號有盡可能小的噪聲干擾。Lucent公司研制的一種MOEMS光衰減器，用一個(gè)微檔板插入光纖間隙控制兩根光纖間的耦合程度，實(shí)現光的可變衰減。而微檔板的進(jìn)出是由微執行器控制的。該器件的動(dòng)態(tài)范圍可達50dB，插入損耗僅1dB。對于光強度調制器，傳統的電光效應下的光波導型調制器，主要的研制目標是速率高達數GHz，甚至幾十GHz的超高速器件。采用MOEMS技術(shù)去追求高速率的器件，是不現實(shí)的。所以MOEMS光調制器的定位，從一開(kāi)始便是為光接入網(wǎng)提供低成本的器件。

3、光開(kāi)關(guān)與光開(kāi)關(guān)陣列
空分型光開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)陣列是光通信中的重要器件，而在OXC光節點(diǎn)系統中，具有相當規模的光開(kāi)關(guān)陣列與光波分復用/解復用器、光波長(cháng)變換器等一起構成系統，更是其中不可缺少的關(guān)鍵器件。由于有殷切需求，光開(kāi)關(guān)與開(kāi)關(guān)陣列的潛在市場(chǎng)極大。因此，全世界對MOEMS光開(kāi)關(guān)的研究非常重視。采用MOEMS制作的光開(kāi)關(guān)是將光機械結構、微觸動(dòng)器和微光學(xué)元件集成在同一襯底上。這種光開(kāi)關(guān)繼承了傳統光機械開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，如串音小、插入損耗小等，又克服了傳統光機械開(kāi)關(guān)的一些缺點(diǎn)：在開(kāi)關(guān)響應速度上，由于機械結構的固有特性，目前主要是在毫秒級或次毫秒級，要實(shí)現與電光型光波導開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)列陣所具有的微秒級響應速度是極其困難的。但是在光節點(diǎn)系統中，毫秒級的開(kāi)關(guān)響應速度已經(jīng)可以滿(mǎn)足系統需要。在器件的插入損耗上，高效率的耦合是需要研究的重點(diǎn)。有文獻報道，研究者已經(jīng)實(shí)現器件損耗僅為3.1~3.6dB。這也已經(jīng)可以滿(mǎn)足系統應用的需要?？傊?，MOEMS光開(kāi)關(guān)在串音、極化依賴(lài)性、波長(cháng)依賴(lài)性等器件性能方面，以及制作成本、器件可擴展性等方面都具有極強的競爭力。
目前比較有代表性的光開(kāi)關(guān)是AT&T實(shí)驗室的林麗媛博士等研制的基于自由空間微光學(xué)平臺的絞鏈式自由旋轉振鏡的光開(kāi)關(guān)陣列。整個(gè)陣列器件規模為8(8，制作在1(1cm2的硅片上，采用基本的網(wǎng)格結構，因此整體是嚴格無(wú)阻塞的。微鏡的轉動(dòng)由500KHz、100V方波驅動(dòng)執行器完成，切換時(shí)間約為560(s，消光比大于60dB。Lucent公司在1999年展示了基于Bell實(shí)驗室的MOEMS專(zhuān)利開(kāi)發(fā)的WaveStar LambdaRouter OXC系統。其關(guān)鍵結構是一微鏡陣列，整個(gè)微鏡陣列制作于一片一平方英寸不到的硅片上，包括256個(gè)微鏡，每個(gè)微鏡通過(guò)兩級微絞鏈可以進(jìn)行二維轉動(dòng)。這些都顯示了MEOMS技術(shù)運用于光開(kāi)關(guān)器件的重要前景。

微光機電系統在光通信系統的展望
未來(lái)光通信的發(fā)展目標是制作集成所有光器件及其驅動(dòng)電路的MOEMS系統芯片，或是具有了一定集成規模的MOEMS功能模塊芯片。對于這一目標的實(shí)現，目前主要應該關(guān)注以下幾個(gè)問(wèn)題。
首先，就是MEMS技術(shù)方面的一些基本問(wèn)題。從IC到MOEMS，完全是市場(chǎng)推動(dòng)牽引的必然結果。但迄今MEMS擁有的市場(chǎng)，仍只是一些傳感器之類(lèi)的初級產(chǎn)品，表明這一門(mén)學(xué)科還只處于技術(shù)發(fā)展的前期，遠遠沒(méi)有成熟。MEMS是一門(mén)獨立學(xué)科，它的技術(shù)難度比集成電路要大得多，涉及的領(lǐng)域更為廣泛。就結構尺寸而言，MEMS雖未進(jìn)入物質(zhì)微觀(guān)結構的范疇，但過(guò)去所討論的宏觀(guān)結構又很少進(jìn)入MEMS的微小范疇。過(guò)去的常數、定律，在MEMS中是否仍然有效，均需重新證實(shí)。類(lèi)似這些問(wèn)題，不研究清楚，要優(yōu)化設計MEMS就會(huì )遇到很多困難。要促使MEMS早日成為一門(mén)成熟的技術(shù)，設計和測試及相應的開(kāi)發(fā)工具必須加速進(jìn)行。1999年，國家重大基礎研究發(fā)展規劃項目（973）已經(jīng)將“集成微光機電系統研究”列入研究項目，著(zhù)重研究MOEMS器件，解決其中的相關(guān)基礎問(wèn)題。
其次，是MEMS工藝的標準化問(wèn)題。目前，設計不同的MEMS，就需要有一套相應的設計規則和優(yōu)化技術(shù)，這有賴(lài)于相應的基礎研究和研制經(jīng)驗的積累，進(jìn)而形成相應的開(kāi)發(fā)工具。只有像大規模集成電路那樣，具有成套的系統、工藝、版圖、驗證等程序化的設計工具，才可能快速制造各種MEMS。
另外，就是光系統中的各種技術(shù)的集成問(wèn)題。光通信技術(shù)的發(fā)展將是依賴(lài)于電子學(xué)、光子學(xué)以及MEMS的進(jìn)步，所以，對于真正意義上的MOEMS光通信系統芯片來(lái)講，最主要的挑戰是如何把眾多的技術(shù)，包括電子技術(shù)、光電子技術(shù)/光子技術(shù)、機械技術(shù)、傳感技術(shù)以及封裝技術(shù)等，有效地應用到一起。只有這樣才能夠最終獲得光通信系統的完善的解決方案。目前，許多公司已經(jīng)采取了一些方法，但是如何在非人工操作與大規模生產(chǎn)方面，依然還期待更完善的解決方案。