微光機電系統技術(shù)的研究與應用(上)

20世紀60年代發(fā)展起來(lái)的微電子技術(shù)和集成電路(IC)，已構成人類(lèi)文明的重要基礎。獲得巨大成功的微電子技術(shù)引入微型機械領(lǐng)域，又引發(fā)了一場(chǎng)革命，而1987年由華裔留美學(xué)生馮龍生等人研制的轉子直徑為60mm和100mm的硅微型靜電電機，顯示出利用硅微加工工藝制作微小可動(dòng)結構并與IC兼容制造微小系統的潛力，在國際上引起轟動(dòng)?？苹眯≌f(shuō)中描述把自己變成小昆蟲(chóng)鉆到別人的居室或心臟中去的場(chǎng)景將要成為現實(shí),同時(shí)，也標志著(zhù)微機電系統（Micro Electro Mechanical Systems， MEMS）的誕生。自此，學(xué)術(shù)界開(kāi)始把MEMS作為一個(gè)獨立的邊緣學(xué)科進(jìn)行國際范圍的學(xué)術(shù)研究。

近年來(lái)，隨著(zhù)微機電系統技術(shù)的不斷成熟，其應用領(lǐng)域不斷拓寬。目前，MEMS輸出力矩小成為其發(fā)展的一個(gè)障礙。而光系統無(wú)需力矩輸出，且由于通過(guò)微機電系統犧牲層腐蝕技術(shù)(即選擇性地腐蝕去掉一層材料而形成懸空結構)實(shí)現了可動(dòng)結構，使得MEMS技術(shù)與微光學(xué)相結合而形成的微光機電系統(Optical MEMS 或MOEMS),又稱(chēng)光MEMS受到人們更大的關(guān)注。

從廣義上講，微光機電系統是指集微機械結構、微傳感器、微執行器、信號處理與控制電路、接口電路以及微光學(xué)元件等于一體的微系統。MOEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然科學(xué)和工程技術(shù)的所有領(lǐng)域，如光學(xué)、機械、電子、材料、信息技術(shù)、物理、化學(xué)、生物、醫學(xué)等學(xué)科。

MOEMS技術(shù)的研究可追溯到20世紀60年代科學(xué)家對薄膜現象、波導的研究。1969年，Milier就已經(jīng)提出了“集成光學(xué)”的概念，但由于當時(shí)微光學(xué)、微電子和微型機械技術(shù),特別是硅微加工技術(shù)的限制，集成光學(xué)的研究沒(méi)有大的進(jìn)展。80年代中期，MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，硅微加工新技術(shù)不斷涌現，尤其是利用犧牲層腐蝕技術(shù)實(shí)現了微可動(dòng)結構，為微光機電系統技術(shù)的發(fā)展打下了堅實(shí)的基礎。

可移動(dòng)結構對光系統來(lái)說(shuō)是非常誘人的，因為小的機械位移常常產(chǎn)生比傳統光電或自由載流子效應更強的物理效應。比如，在干涉儀中，1/4波長(cháng)的位移能產(chǎn)生開(kāi)/斷開(kāi)關(guān)的作用。所以，自從MEMS技術(shù)實(shí)現了可動(dòng)結構以來(lái)，MOEMS為光學(xué)裝置功能的擴展和光學(xué)系統的微型化提供了空前的發(fā)展機會(huì )。之后，MOEMS技術(shù)的研究如火如荼。近年來(lái)，MOEMS器件應用在光通信領(lǐng)域，使MOEMS找到了一個(gè)強大的同盟，MOEMS的研究如日中天。

當前，光學(xué)正處在與幾十年前IC發(fā)明前的電子學(xué)相同的階段，其發(fā)展前景是非常誘人的。以下本文就微光機電系統在光纖通信、光學(xué)研究、數據存儲、圖象處理等領(lǐng)域中的應用作一概略介紹，以期讀者對MOEMS技術(shù)的研究與應用有所了解。

隨著(zhù)世界通信業(yè)務(wù)量的飛速增長(cháng)，高速大容量的寬帶綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng)(B-ISDN)已成為現代通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢。有人作了一個(gè)有趣的估算，如果將33卷的不列顛大百科全書(shū)用數字通信的方式傳輸，70年代末只能用電話(huà)線(xiàn)路，大約需84小時(shí)。80年代末有了光纖的窄帶綜合業(yè)務(wù)教學(xué)網(wǎng)(N-ISDN），速度大大加快，只需13小時(shí)。而正在迅速發(fā)展的寬帶綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng)傳輸同樣的信息量?jì)H需4.7秒。目前，全光通信網(wǎng)技術(shù)已成為國際上的研究熱點(diǎn)。

90年代初，在一些發(fā)達國家中，人們預計原有的銅纜會(huì )從1992年起逐漸被FTTC(光纖到社區）代替；從1995年起逐漸被FTTH（光纖到家)代替。1998年這種趨勢已被證實(shí)。但是，步子已經(jīng)放慢，特別是光纖到家。光傳送網(wǎng)的推廣，光纖到戶(hù)能否實(shí)現，取決于網(wǎng)絡(luò )的價(jià)格，只有價(jià)格到了可接受的地步，才能真正進(jìn)入家庭。光傳送網(wǎng)中高性能、低價(jià)位光學(xué)元器件是降低光傳送網(wǎng)成本的關(guān)鍵。然而，傳統的光纖網(wǎng)絡(luò )中存在大量的光/電、電/光轉換節點(diǎn)和數字交叉互聯(lián)電分插復用器，既限制了網(wǎng)絡(luò )的交換速度，又對不同形式的光信號是不透明的。光功能器件和波導或光纖的連接需要亞微米的定位精度(精密定位是復雜的調整操作)，所以提高了光功能器件的成本，限制了光傳送網(wǎng)的發(fā)展。光/電、電/光器件的微型化也是很難解決的問(wèn)題。因此，光通信器件的價(jià)格和微型化已成為光傳送網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。目前，MOEMS技術(shù)是解決這一瓶頸問(wèn)題的有效途徑。

微機械光學(xué)器件可提高光交換速度，而且微機械加工技術(shù)可提供高精度的定位，滿(mǎn)足全光通信網(wǎng)的需求，能大批量生產(chǎn),成本低。預計在本世紀將會(huì )形成新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的增長(cháng)點(diǎn)。由于其巨大的市場(chǎng)潛力和商用價(jià)值，美、日等國的政府和國際上著(zhù)名的大公司如IBM、Nortel和Lucent等投入大量的人力和資金進(jìn)行研究。尤其是去年年初，Nortel以不可思議的天價(jià)32.5億美元收購了一家研制MEMS光開(kāi)關(guān)的小公司XROS，成為去年IT領(lǐng)域最轟動(dòng)的事件之一。該公司剛剛成立幾年，產(chǎn)品尚在研制階段，Nortel之所以斥巨資購買(mǎi)該公司，并不主要是看中其產(chǎn)品，而是注重MEMS在光通信中的廣闊發(fā)展前景。

可用于全光網(wǎng)絡(luò )的MEMS器件主要包括微型光開(kāi)關(guān)陣列、可調衰減器、光濾波器和復用/解復用器等。

在全光通信網(wǎng)中，光交換技術(shù)的好壞直接決定了光傳送網(wǎng)的規模、復雜性、靈活性等各項技術(shù)指標。光開(kāi)關(guān)是光交換技術(shù)中的核心器件，是影響光交換技術(shù)的關(guān)鍵，是實(shí)現光纖到家的關(guān)鍵裝置。表1列出了7種正在開(kāi)發(fā)研制的光開(kāi)關(guān)的性能。由表1可以看出，MEMS光開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢明顯。MEMS光開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)速度、透明性、功耗和串擾等性能比其它各類(lèi)光開(kāi)關(guān)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，MEMS光開(kāi)關(guān)還用于光信息處理系統和光學(xué)測量系統，實(shí)現光路的轉換、切換和光信息處理。

由于光開(kāi)關(guān)在軍事領(lǐng)域的巨大應用前景及其在光通信網(wǎng)中的重要位置,誘人的巨大市場(chǎng)潛力和商用價(jià)值，近幾年MEMS光開(kāi)關(guān)的研究成為國際研究熱點(diǎn)之一。從最簡(jiǎn)單的開(kāi)/合開(kāi)關(guān)到1×2、1×N、N×N微機械光開(kāi)關(guān)均有研究。由于光通信網(wǎng)中需求的是大量(多達上千個(gè))±10端口的光開(kāi)關(guān)，所以，多通道,能大批量生產(chǎn)也是人們追求的目標。

目前，微機械光開(kāi)關(guān)及其陣列包括數字式和模擬式兩種。數字式微機械光開(kāi)關(guān)容易控制，但參與開(kāi)關(guān)的元件(如微鏡)數為N2；而模擬式光開(kāi)關(guān)參與開(kāi)關(guān)的元件(如微鏡)數為2N，但控制復雜。數字式微機械光開(kāi)關(guān)研究較多的有1×2、1×N、2×2、4×4, 8×8, 16×16, 和32×32光開(kāi)關(guān)，8×8的微機械光開(kāi)關(guān)已有少量應用。圖1(a)所示為一8×8光開(kāi)關(guān)微鏡陣列；圖1(b)為MEMS光開(kāi)關(guān)的原理圖，當微鏡處于水平位置時(shí)，允許光束通過(guò)；當微鏡處于垂直位置時(shí)，將光束反射至輸出光纖。圖1?為微鏡驅動(dòng)結構。該驅動(dòng)器是采用靜電驅動(dòng)抓爬結構水平移動(dòng)，帶動(dòng)與之鉸接的連桿轉動(dòng)，使與連桿另一端鉸接的微鏡轉動(dòng)，以使微鏡完成直立的動(dòng)作。模擬式的微機械光開(kāi)關(guān)已有1024×1024光開(kāi)關(guān)的報道。圖2(a）所示為256×256微機械光開(kāi)關(guān)的原理圖，通過(guò)兩個(gè)轉動(dòng)微鏡和一個(gè)固定反射鏡完成一個(gè)光路的轉換。圖2(b)為該光開(kāi)關(guān)的雙軸式微鏡。

光衰減器是光強度調節和測量中不可或缺的器件，是在網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率調整的主要器件。

光衰減器分為固定衰減器和可調衰減器兩種。一般要求光衰減器體積小、重量輕、衰減精度高、穩定可靠、價(jià)格低廉，而這正是MEMS技術(shù)具有的特點(diǎn)。圖3是一種可調衰減器。該衰減器是采用梳齒靜電驅動(dòng)器驅動(dòng)反射板阻擋光束的程度，以達到衰減光束強度的目的。其原理如圖3(b)所示?？烧{衰減器使用靈活、適用范圍大，且用MEMS技術(shù)也較易實(shí)現。

復用/解復用器是對光波波長(cháng)進(jìn)行分離與合成的光器件。它是構建光交叉聯(lián)接器的重要器件。其工作原理如圖4所示。當器件用作解復用器時(shí)，注入到輸入端口(單端口)的各種光波信號，分別按波長(cháng)傳輸到對應的輸出端口(N個(gè)端口之一）。對于不同的工作波長(cháng)其輸出端口是不同的。在器件用作復用器時(shí)，其作用同上述情況相反。復用/解復用器一般有干涉濾光膜、光柵以及波導等形式。圖5所示為Fabry-Perot濾波器的工作原理圖。其原理是:當由薄膜材料和襯底組成的諧振腔的初始間距為光波長(cháng)的3/4時(shí)，光信號無(wú)法通過(guò)諧振腔；施加電壓后，薄膜被靜電力吸下。當諧振腔的間距變?yōu)椴ㄩL(cháng)的1/2時(shí)，由于相消干涉（destructive interference）,薄膜的反射率很低，允許光信號通過(guò)。圖6所示為一解復用器，它通過(guò)波導傳輸光信號。當光信號從波導中輸出后，散射到光柵上，通過(guò)光柵將不同波長(cháng)的光束反射到特定位置上的波導，由波導分別將不同波長(cháng)的光束輸出，圖7為各種類(lèi)型的光柵?！?/font>