微光机电系统技术的研究与应用(上)

20世纪60年代发展起来的微电子技术和集成电路(IC)，已构成人类文明的重要基础。获得巨大成功的微电子技术引入微型机械领域，又引发了一场革命，而1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制的转子直径为60mm和100mm的硅微型静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与IC兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起轰动。科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实,同时，也标志着微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems， MEMS）的诞生。自此，学术界开始把MEMS作为一个独立的边缘学科进行国际范围的学术研究。

近年来，随着微机电系统技术的不断成熟，其应用领域不断拓宽。目前，MEMS输出力矩小成为其发展的一个障碍。而光系统无需力矩输出，且由于通过微机电系统牺牲层腐蚀技术(即选择性地腐蚀去掉一层材料而形成悬空结构)实现了可动结构，使得MEMS技术与微光学相结合而形成的微光机电系统(Optical MEMS 或MOEMS),又称光MEMS受到人们更大的关注。

从广义上讲，微光机电系统是指集微机械结构、微传感器、微执行器、信号处理与控制电路、接口电路以及微光学元件等于一体的微系统。MOEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然科学和工程技术的所有领域，如光学、机械、电子、材料、信息技术、物理、化学、生物、医学等学科。

MOEMS技术的研究可追溯到20世纪60年代科学家对薄膜现象、波导的研究。1969年，Milier就已经提出了“集成光学”的概念，但由于当时微光学、微电子和微型机械技术,特别是硅微加工技术的限制，集成光学的研究没有大的进展。80年代中期，MEMS技术的迅猛发展，硅微加工新技术不断涌现，尤其是利用牺牲层腐蚀技术实现了微可动结构，为微光机电系统技术的发展打下了坚实的基础。

可移动结构对光系统来说是非常诱人的，因为小的机械位移常常产生比传统光电或自由载流子效应更强的物理效应。比如，在干涉仪中，1/4波长的位移能产生开/断开关的作用。所以，自从MEMS技术实现了可动结构以来，MOEMS为光学装置功能的扩展和光学系统的微型化提供了空前的发展机会。之后，MOEMS技术的研究如火如荼。近年来，MOEMS器件应用在光通信领域，使MOEMS找到了一个强大的同盟，MOEMS的研究如日中天。

当前，光学正处在与几十年前IC发明前的电子学相同的阶段，其发展前景是非常诱人的。以下本文就微光机电系统在光纤通信、光学研究、数据存储、图象处理等领域中的应用作一概略介绍，以期读者对MOEMS技术的研究与应用有所了解。

随着世界通信业务量的飞速增长，高速大容量的宽带综合业务数字网(B-ISDN)已成为现代通信网络的发展趋势。有人作了一个有趣的估算，如果将33卷的不列颠大百科全书用数字通信的方式传输，70年代末只能用电话线路，大约需84小时。80年代末有了光纤的窄带综合业务教学网(N-ISDN），速度大大加快，只需13小时。而正在迅速发展的宽带综合业务数字网传输同样的信息量仅需4.7秒。目前，全光通信网技术已成为国际上的研究热点。

90年代初，在一些发达国家中，人们预计原有的铜缆会从1992年起逐渐被FTTC(光纤到社区）代替；从1995年起逐渐被FTTH（光纤到家)代替。1998年这种趋势已被证实。但是，步子已经放慢，特别是光纤到家。光传送网的推广，光纤到户能否实现，取决于网络的价格，只有价格到了可接受的地步，才能真正进入家庭。光传送网中高性能、低价位光学元器件是降低光传送网成本的关键。然而，传统的光纤网络中存在大量的光/电、电/光转换节点和数字交叉互联电分插复用器，既限制了网络的交换速度，又对不同形式的光信号是不透明的。光功能器件和波导或光纤的连接需要亚微米的定位精度(精密定位是复杂的调整操作)，所以提高了光功能器件的成本，限制了光传送网的发展。光/电、电/光器件的微型化也是很难解决的问题。因此，光通信器件的价格和微型化已成为光传送网发展的瓶颈。目前，MOEMS技术是解决这一瓶颈问题的有效途径。

微机械光学器件可提高光交换速度，而且微机械加工技术可提供高精度的定位，满足全光通信网的需求，能大批量生产,成本低。预计在本世纪将会形成新的高技术产业的增长点。由于其巨大的市场潜力和商用价值，美、日等国的政府和国际上著名的大公司如IBM、Nortel和Lucent等投入大量的人力和资金进行研究。尤其是去年年初，Nortel以不可思议的天价32.5亿美元收购了一家研制MEMS光开关的小公司XROS，成为去年IT领域最轰动的事件之一。该公司刚刚成立几年，产品尚在研制阶段，Nortel之所以斥巨资购买该公司，并不主要是看中其产品，而是注重MEMS在光通信中的广阔发展前景。

可用于全光网络的MEMS器件主要包括微型光开关阵列、可调衰减器、光滤波器和复用/解复用器等。

在全光通信网中，光交换技术的好坏直接决定了光传送网的规模、复杂性、灵活性等各项技术指标。光开关是光交换技术中的核心器件，是影响光交换技术的关键，是实现光纤到家的关键装置。表1列出了7种正在开发研制的光开关的性能。由表1可以看出，MEMS光开关的优势明显。MEMS光开关在开关速度、透明性、功耗和串扰等性能比其它各类光开关具有明显的优点。除此之外，MEMS光开关还用于光信息处理系统和光学测量系统，实现光路的转换、切换和光信息处理。

由于光开关在军事领域的巨大应用前景及其在光通信网中的重要位置,诱人的巨大市场潜力和商用价值，近几年MEMS光开关的研究成为国际研究热点之一。从最简单的开/合开关到1×2、1×N、N×N微机械光开关均有研究。由于光通信网中需求的是大量(多达上千个)±10端口的光开关，所以，多通道,能大批量生产也是人们追求的目标。

目前，微机械光开关及其阵列包括数字式和模拟式两种。数字式微机械光开关容易控制，但参与开关的元件(如微镜)数为N2；而模拟式光开关参与开关的元件(如微镜)数为2N，但控制复杂。数字式微机械光开关研究较多的有1×2、1×N、2×2、4×4, 8×8, 16×16, 和32×32光开关，8×8的微机械光开关已有少量应用。图1(a)所示为一8×8光开关微镜阵列；图1(b)为MEMS光开关的原理图，当微镜处于水平位置时，允许光束通过；当微镜处于垂直位置时，将光束反射至输出光纤。图1©为微镜驱动结构。该驱动器是采用静电驱动抓爬结构水平移动，带动与之铰接的连杆转动，使与连杆另一端铰接的微镜转动，以使微镜完成直立的动作。模拟式的微机械光开关已有1024×1024光开关的报道。图2(a）所示为256×256微机械光开关的原理图，通过两个转动微镜和一个固定反射镜完成一个光路的转换。图2(b)为该光开关的双轴式微镜。

光衰减器是光强度调节和测量中不可或缺的器件，是在网络中进行动态功率调整的主要器件。

光衰减器分为固定衰减器和可调衰减器两种。一般要求光衰减器体积小、重量轻、衰减精度高、稳定可靠、价格低廉，而这正是MEMS技术具有的特点。图3是一种可调衰减器。该衰减器是采用梳齿静电驱动器驱动反射板阻挡光束的程度，以达到衰减光束强度的目的。其原理如图3(b)所示。可调衰减器使用灵活、适用范围大，且用MEMS技术也较易实现。

复用/解复用器是对光波波长进行分离与合成的光器件。它是构建光交叉联接器的重要器件。其工作原理如图4所示。当器件用作解复用器时，注入到输入端口(单端口)的各种光波信号，分别按波长传输到对应的输出端口(N个端口之一）。对于不同的工作波长其输出端口是不同的。在器件用作复用器时，其作用同上述情况相反。复用/解复用器一般有干涉滤光膜、光栅以及波导等形式。图5所示为Fabry-Perot滤波器的工作原理图。其原理是:当由薄膜材料和衬底组成的谐振腔的初始间距为光波长的3/4时，光信号无法通过谐振腔；施加电压后，薄膜被静电力吸下。当谐振腔的间距变为波长的1/2时，由于相消干涉（destructive interference）,薄膜的反射率很低，允许光信号通过。图6所示为一解复用器，它通过波导传输光信号。当光信号从波导中输出后，散射到光栅上，通过光栅将不同波长的光束反射到特定位置上的波导，由波导分别将不同波长的光束输出，图7为各种类型的光栅。■