面向未来光信息时代的微光机电系统

随着信息技术逐步走上多媒体、网络化和智能化的道路，信息获取技术和信息执行技术都成为信息发展的瓶颈。为了满足这一日益迫切的要求，微电子信息处理正逐步向系统芯片发展。在这场变革中，微机电系统（MEMS）由于能够把信息获取、处理和执行集成在一起，成为了系统芯片中关键的组成部分。由于微机电技术不仅为传统的机械领域打开了新的大门，也真正实现了机电一体化，因此，被认为是微电子技术的又一次革命。
近十年来，由于通信网络、计算机技术和Internet技术的发展，通信的业务形式日趋多样化，全球通信业务量飞速增长。为了实现宽带传输，光密集波分复用（DWDM）技术和全光网日益受到人们的重视。目前，长距离、大容量公用通信网络以及各种局域网上，光取代电成为通信的主要传输媒体已经成为一种不可逆转的趋势。可以预见，在未来机器内部的板与板之间、芯片与芯片之间，以及芯片内部，都将建立光互连系统。
在这样一个背景下，人们将微机电系统和光学技术相结合，产生了微光机电系统（MOEMS， Micro-Optical-Electro-Mechanical-System）。与常规系统相比，微光机电系统具有体积小、重量轻、与大规模集成电路的制作工艺相兼容，易于大批量生产，成本低等显著优点。同时，传感器、信号处理电路与微执行器的集成，可使微弱信号的放大，校正以及补偿等在同一芯片中进行，不需要经过较长距离的传输，这样可以极大地抑制噪声的干扰，提高输出信号的品质。因此，微光机电技术的应用已经深入到许多不同的应用领域。目前，不但实现了一些小型化、集成化和智能化的光学系统，而且导致了新一代器件的诞生，如光学神经网络芯片、MOEMS光处理芯片等。这一切必将影响光通信、光数据存储、信息处理、航空航天、医疗器械、仪器仪表等应用领域，从而对未来的科学技术、生产方式、人类生活产生深远的影响。


微光机电技术在光通信领域的应用
目前，受到人们极大关注的是将微光机电技术应用于光通信中，研制多种光器件，如光交叉连接（OXC）与光分插复用（OADM）等光节点系统中所必需的光开关与光开关阵列、光均衡器、发射功率限幅器、光滤波器、泵浦源选择开关、设备监控保护开关以及光接入网中的光调制器、功率限幅器、光滤波器等。下面我们简单加以介绍。

1、可调谐光器件
在DWDM技术中，可调谐光器件是不可缺少的器件，包括可调谐光源与光检测器、光滤波器。采用光电子技术，可以研制出这类器件。但由于折射率变化极其有限，主要依赖于材料折变效应的这些可调谐光器件，其可调谐范围也就非常有限。利用MOEMS技术可以非常方便地设计和制作出可动Fabry-Perot腔镜，控制腔镜的位置可以获得F-P腔腔长的变化，实现对光波的可调谐。基于MOEMS技术，一些执行器结构可以使腔镜位置发生较大移动，所以MOEMS技术能够带来器件非常大的可调谐范围。M. Wu等制作的Fabry-Perot标准具采用了自由空间微光学平台（FS-MOB）技术，标准具的特征方向平行于微光学平台。随着两个腔镜的移动，器件的调谐范围达60nm。这种结构既可以作为可调谐滤波器，也可以与半导体激光器集成，作为激光器的外腔，构成可调谐激光器。NTT公司也设计了一种水平方向的可调谐半导体激光器，通过梳状执行器驱动作为激光器腔镜，从而实现调谐。此外，在III-V族化合物半导体外延材料上结合微机械加工技术还可以制作出垂直方向可调谐的MOEMS光器件。其中腔镜包括固定的DBR镜和可动的反射镜，可动反射镜上带有电极，通过静电驱动改变两镜距离，从而改变出射光波波长。该器件在975nm主波长附近18nm可调。

2、光可变衰减器与光调制器
在光路中，光可变衰减器的作用是完成光信号的功率限制与多路光信号的功率均衡。采用MOEMS技术，可以设计出简单而有效的光衰减器与光强度调制器。一个良好的光衰减器要求器件必须有尽可能小的插入损耗、小的驱动电压与功率、大的可调动态范围、良好的线性可调或方便的线性补偿，以及调动时对光信号有尽可能小的噪声干扰。Lucent公司研制的一种MOEMS光衰减器，用一个微档板插入光纤间隙控制两根光纤间的耦合程度，实现光的可变衰减。而微档板的进出是由微执行器控制的。该器件的动态范围可达50dB，插入损耗仅1dB。对于光强度调制器，传统的电光效应下的光波导型调制器，主要的研制目标是速率高达数GHz，甚至几十GHz的超高速器件。采用MOEMS技术去追求高速率的器件，是不现实的。所以MOEMS光调制器的定位，从一开始便是为光接入网提供低成本的器件。

3、光开关与光开关阵列
空分型光开关及开关阵列是光通信中的重要器件，而在OXC光节点系统中，具有相当规模的光开关阵列与光波分复用/解复用器、光波长变换器等一起构成系统，更是其中不可缺少的关键器件。由于有殷切需求，光开关与开关阵列的潜在市场极大。因此，全世界对MOEMS光开关的研究非常重视。采用MOEMS制作的光开关是将光机械结构、微触动器和微光学元件集成在同一衬底上。这种光开关继承了传统光机械开关的优点，如串音小、插入损耗小等，又克服了传统光机械开关的一些缺点：在开关响应速度上，由于机械结构的固有特性，目前主要是在毫秒级或次毫秒级，要实现与电光型光波导开关及开关列阵所具有的微秒级响应速度是极其困难的。但是在光节点系统中，毫秒级的开关响应速度已经可以满足系统需要。在器件的插入损耗上，高效率的耦合是需要研究的重点。有文献报道，研究者已经实现器件损耗仅为3.1~3.6dB。这也已经可以满足系统应用的需要。总之，MOEMS光开关在串音、极化依赖性、波长依赖性等器件性能方面，以及制作成本、器件可扩展性等方面都具有极强的竞争力。
目前比较有代表性的光开关是AT&T实验室的林丽媛博士等研制的基于自由空间微光学平台的绞链式自由旋转振镜的光开关阵列。整个阵列器件规模为8(8，制作在1(1cm2的硅片上，采用基本的网格结构，因此整体是严格无阻塞的。微镜的转动由500KHz、100V方波驱动执行器完成，切换时间约为560(s，消光比大于60dB。Lucent公司在1999年展示了基于Bell实验室的MOEMS专利开发的WaveStar LambdaRouter OXC系统。其关键结构是一微镜阵列，整个微镜阵列制作于一片一平方英寸不到的硅片上，包括256个微镜，每个微镜通过两级微绞链可以进行二维转动。这些都显示了MEOMS技术运用于光开关器件的重要前景。

微光机电系统在光通信系统的展望
未来光通信的发展目标是制作集成所有光器件及其驱动电路的MOEMS系统芯片，或是具有了一定集成规模的MOEMS功能模块芯片。对于这一目标的实现，目前主要应该关注以下几个问题。
首先，就是MEMS技术方面的一些基本问题。从IC到MOEMS，完全是市场推动牵引的必然结果。但迄今MEMS拥有的市场，仍只是一些传感器之类的初级产品，表明这一门学科还只处于技术发展的前期，远远没有成熟。MEMS是一门独立学科，它的技术难度比集成电路要大得多，涉及的领域更为广泛。就结构尺寸而言，MEMS虽未进入物质微观结构的范畴，但过去所讨论的宏观结构又很少进入MEMS的微小范畴。过去的常数、定律，在MEMS中是否仍然有效，均需重新证实。类似这些问题，不研究清楚，要优化设计MEMS就会遇到很多困难。要促使MEMS早日成为一门成熟的技术，设计和测试及相应的开发工具必须加速进行。1999年，国家重大基础研究发展规划项目（973）已经将“集成微光机电系统研究”列入研究项目，着重研究MOEMS器件，解决其中的相关基础问题。
其次，是MEMS工艺的标准化问题。目前，设计不同的MEMS，就需要有一套相应的设计规则和优化技术，这有赖于相应的基础研究和研制经验的积累，进而形成相应的开发工具。只有像大规模集成电路那样，具有成套的系统、工艺、版图、验证等程序化的设计工具，才可能快速制造各种MEMS。
另外，就是光系统中的各种技术的集成问题。光通信技术的发展将是依赖于电子学、光子学以及MEMS的进步，所以，对于真正意义上的MOEMS光通信系统芯片来讲，最主要的挑战是如何把众多的技术，包括电子技术、光电子技术/光子技术、机械技术、传感技术以及封装技术等，有效地应用到一起。只有这样才能够最终获得光通信系统的完善的解决方案。目前，许多公司已经采取了一些方法，但是如何在非人工操作与大规模生产方面，依然还期待更完善的解决方案。