微光機電系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用(上)

20世紀60年代發(fā)展起來的微電子技術(shù)和集成電路(IC)，已構(gòu)成人類文明的重要基礎(chǔ)。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)了一場革命，而1987年由華裔留美學(xué)生馮龍生等人研制的轉(zhuǎn)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結(jié)構(gòu)并與IC兼容制造微小系統(tǒng)的潛力，在國際上引起轟動?？苹眯≌f中描述把自己變成小昆蟲鉆到別人的居室或心臟中去的場景將要成為現(xiàn)實,同時，也標志著微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems， MEMS）的誕生。自此，學(xué)術(shù)界開始把MEMS作為一個獨立的邊緣學(xué)科進行國際范圍的學(xué)術(shù)研究。

近年來，隨著微機電系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。目前，MEMS輸出力矩小成為其發(fā)展的一個障礙。而光系統(tǒng)無需力矩輸出，且由于通過微機電系統(tǒng)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(jié)構(gòu))實現(xiàn)了可動結(jié)構(gòu)，使得MEMS技術(shù)與微光學(xué)相結(jié)合而形成的微光機電系統(tǒng)(Optical MEMS 或MOEMS),又稱光MEMS受到人們更大的關(guān)注。

從廣義上講，微光機電系統(tǒng)是指集微機械結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)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(tǒng)。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(yī)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(xiàn)象、波導(dǎo)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(dāng)時微光學(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)的研究沒有大的進展。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(xiàn)，尤其是利用犧牲層腐蝕技術(shù)實現(xiàn)了微可動結(jié)構(gòu)，為微光機電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。

可移動結(jié)構(gòu)對光系統(tǒng)來說是非常誘人的，因為小的機械位移常常產(chǎn)生比傳統(tǒng)光電或自由載流子效應(yīng)更強的物理效應(yīng)。比如，在干涉儀中，1/4波長的位移能產(chǎn)生開/斷開關(guān)的作用。所以，自從MEMS技術(shù)實現(xiàn)了可動結(jié)構(gòu)以來，MOEMS為光學(xué)裝置功能的擴展和光學(xué)系統(tǒng)的微型化提供了空前的發(fā)展機會。之后，MOEMS技術(shù)的研究如火如荼。近年來，MOEMS器件應(yīng)用在光通信領(lǐng)域，使MOEMS找到了一個強大的同盟，MOEMS的研究如日中天。

當(dāng)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(tǒng)在光纖通信、光學(xué)研究、數(shù)據(jù)存儲、圖象處理等領(lǐng)域中的應(yīng)用作一概略介紹，以期讀者對MOEMS技術(shù)的研究與應(yīng)用有所了解。

隨著世界通信業(yè)務(wù)量的飛速增長，高速大容量的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)已成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。有人作了一個有趣的估算，如果將33卷的不列顛大百科全書用數(shù)字通信的方式傳輸，70年代末只能用電話線路，大約需84小時。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。而正在迅速發(fā)展的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)傳輸同樣的信息量僅需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。

90年代初，在一些發(fā)達國家中，人們預(yù)計原有的銅纜會從1992年起逐漸被FTTC(光纖到社區(qū)）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。但是，步子已經(jīng)放慢，特別是光纖到家。光傳送網(wǎng)的推廣，光纖到戶能否實現(xiàn)，取決于網(wǎng)絡(luò)的價格，只有價格到了可接受的地步，才能真正進入家庭。光傳送網(wǎng)中高性能、低價位光學(xué)元器件是降低光傳送網(wǎng)成本的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)中存在大量的光/電、電/光轉(zhuǎn)換節(jié)點和數(shù)字交叉互聯(lián)電分插復(fù)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(dǎo)或光纖的連接需要亞微米的定位精度(精密定位是復(fù)雜的調(diào)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題。因此，光通信器件的價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，滿足全光通信網(wǎng)的需求，能大批量生產(chǎn),成本低。預(yù)計在本世紀將會形成新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的增長點。由于其巨大的市場潛力和商用價值，美、日等國的政府和國際上著名的大公司如IBM、Nortel和Lucent等投入大量的人力和資金進行研究。尤其是去年年初，Nortel以不可思議的天價32.5億美元收購了一家研制MEMS光開關(guān)的小公司XROS，成為去年IT領(lǐng)域最轟動的事件之一。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關(guān)陣列、可調(diào)衰減器、光濾波器和復(fù)用/解復(fù)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(guī)模、復(fù)雜性、靈活性等各項技術(shù)指標。光開關(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，是實現(xiàn)光纖到家的關(guān)鍵裝置。表1列出了7種正在開發(fā)研制的光開關(guān)的性能。由表1可以看出，MEMS光開關(guān)的優(yōu)勢明顯。MEMS光開關(guān)在開關(guān)速度、透明性、功耗和串?dāng)_等性能比其它各類光開關(guān)具有明顯的優(yōu)點。除此之外，MEMS光開關(guān)還用于光信息處理系統(tǒng)和光學(xué)測量系統(tǒng)，實現(xiàn)光路的轉(zhuǎn)換、切換和光信息處理。

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

目前，微機械光開關(guān)及其陣列包括數(shù)字式和模擬式兩種。數(shù)字式微機械光開關(guān)容易控制，但參與開關(guān)的元件(如微鏡)數(shù)為N2；而模擬式光開關(guān)參與開關(guān)的元件(如微鏡)數(shù)為2N，但控制復(fù)雜。數(shù)字式微機械光開關(guān)研究較多的有1×2、1×N、2×2、4×4, 8×8, 16×16, 和32×32光開關(guān)，8×8的微機械光開關(guān)已有少量應(yīng)用。圖1(a)所示為一8×8光開關(guān)微鏡陣列；圖1(b)為MEMS光開關(guān)的原理圖，當(dāng)微鏡處于水平位置時，允許光束通過；當(dāng)微鏡處于垂直位置時，將光束反射至輸出光纖。圖1?為微鏡驅(qū)動結(jié)構(gòu)。該驅(qū)動器是采用靜電驅(qū)動抓爬結(jié)構(gòu)水平移動，帶動與之鉸接的連桿轉(zhuǎn)動，使與連桿另一端鉸接的微鏡轉(zhuǎn)動，以使微鏡完成直立的動作。模擬式的微機械光開關(guān)已有1024×1024光開關(guān)的報道。圖2(a）所示為256×256微機械光開關(guān)的原理圖，通過兩個轉(zhuǎn)動微鏡和一個固定反射鏡完成一個光路的轉(zhuǎn)換。圖2(b)為該光開關(guān)的雙軸式微鏡。

光衰減器是光強度調(diào)節(jié)和測量中不可或缺的器件，是在網(wǎng)絡(luò)中進行動態(tài)功率調(diào)整的主要器件。

光衰減器分為固定衰減器和可調(diào)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(wěn)定可靠、價格低廉，而這正是MEMS技術(shù)具有的特點。圖3是一種可調(diào)衰減器。該衰減器是采用梳齒靜電驅(qū)動器驅(qū)動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{(diào)衰減器使用靈活、適用范圍大，且用MEMS技術(shù)也較易實現(xiàn)。

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