微光機電系統(tǒng)

　　微光機電系統(tǒng)是一種可控的微光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的微光學(xué)元件在微電子和微機械裝置的作用下能夠?qū)馐M行匯聚、衍射和反射等控制，從而可最終實現(xiàn)光開關(guān)、衰減、掃描和成像等功能。該系統(tǒng)把微光學(xué)元件、微電子和微機械裝置有機地集成在一起，能夠充分發(fā)揮三者的綜合性能。

　　微光機電系統(tǒng)（MOEMS）

　　微光機電系統(tǒng)的領(lǐng)域可以從微光學(xué)、微電子與微機械三個領(lǐng)域之間的關(guān)系來了解。微光學(xué)與微電子的交集為光電領(lǐng)域（OptoElectronics），微光學(xué)與微機械的交集則為光機領(lǐng)域（OptoMechanics），而微電子與微機械的交集則是微機電系統(tǒng)領(lǐng)域（MEMS）。而微光機電系統(tǒng)（MOEMS）領(lǐng)域就是三者的交集，或稱為光學(xué)微機電系統(tǒng)（OpticalMEMS）。

　　微光機電系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，具有體積小、重量輕、與大規(guī)模集成電路的制作工藝相兼容，易于大批量生產(chǎn)，成本低等顯著優(yōu)點。同時，傳感器、信號處理電路與微執(zhí)行器的集成，可使微弱信號的放大，校正以及補償?shù)仍谕?span id="1s50055" class='hrefStyle'>芯片中進行，不需要經(jīng)過較長距離的傳輸，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(yīng)用已經(jīng)深入到許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，不但實現(xiàn)了一些小型化、集成化和智能化的光學(xué)系統(tǒng)，而且導(dǎo)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(shù)據(jù)存儲、信息處理、航空航天、醫(yī)療器械、儀器儀表等應(yīng)用領(lǐng)域，從而對未來的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)方式、人類生活產(chǎn)生深遠的影響。微光機電系統(tǒng)的出現(xiàn)將極大地促進信息通信、航天技術(shù)以及光學(xué)工具的發(fā)展，對整個信息化時代將生產(chǎn)深遠的影響。

　　微光電機系統(tǒng)主要的產(chǎn)品有投影顯示器、光掃描儀與光通訊組件等。微光機電系統(tǒng)在學(xué)術(shù)單位與各大公司積極投入研發(fā)，蓬勃發(fā)展，其中有很多創(chuàng)新的技術(shù)。如美國ULCA大學(xué)的光學(xué)平臺構(gòu)想，Berkeley大學(xué)的微掃瞄鏡的技術(shù)，使用標準的表面微加工技術(shù)的MUMPs所做的研究，不僅成為重要的技術(shù)標竿，也帶動后續(xù)很多的研究，一時間利用表面微加工技術(shù)的光開關(guān)、微鏡與微光學(xué)平臺變成非常熱門的領(lǐng)域。

　　隨著微光機電系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有了定期召開的MOEMS國際研討會，1999年在美國圣地亞哥召開的的光纖通信大會把MOEMS列為一個專題。美國很多研究機構(gòu)和公司都在致力于發(fā)展這門新興技術(shù)，歐共體也制定了有五國二十七個機構(gòu)參加的三年微光系統(tǒng)計劃。目前，一些比較成熟的MOEMS產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)在消費領(lǐng)域，隨著大量研究工作的進行，MOEMS的研究將成為一個新興的熱點，其研究成果必將關(guān)系到國家的科技、經(jīng)濟和國防的未來。

　　微光機電系統(tǒng)的特點

　　比較成熟的MEMS技術(shù)為MOEMS的集成與微動作的實現(xiàn)提供了標準工藝和結(jié)構(gòu)，MOEMS能把各種MEMS結(jié)構(gòu)件與微光學(xué)器件、光波導(dǎo)器件、半導(dǎo)體激光器、光電檢測器件等完整地集成在一起，形成一種全新的功能部件或系統(tǒng)。其成為一個重要的技術(shù)發(fā)展方向主要是因為具有以下幾個特點：

　　1、生產(chǎn)中的優(yōu)勢與特點

　　MOEMS可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。由于采用了集成電路芯片的生產(chǎn)技術(shù)，MOEMS芯片本身的封裝已經(jīng)達到了高度的集成化，其生產(chǎn)成本也大幅度降低。

　　2、結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢與特點

　　MOEMS的體積非常小，尺寸小至幾微米，大也不過幾毫米；響應(yīng)速度在100ns～1s的范圍內(nèi)；其可動結(jié)構(gòu)通常由靜電致動，致動能為CV2/2；其結(jié)構(gòu)可以做到相當復(fù)雜，包含元件數(shù)目達到1個～106個。

　　3、動作上的優(yōu)勢與特點

　　通過精確的驅(qū)動和控制，MOEMS中的微光學(xué)元件可實現(xiàn)一定程度或范圍的動作，這種動態(tài)的操作包括光波波幅或波長的調(diào)整、瞬態(tài)的延遲、衍射、反射、折射及簡單的空間自調(diào)整。上述任何兩、三種操作的結(jié)合，都可以對入射光形成復(fù)雜的操作，甚至實現(xiàn)光運算和信號處理。如何通過微型光學(xué)元件來實現(xiàn)上述操作是MOEMS區(qū)別于傳統(tǒng)物理光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

　　微光機電系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用

　　微光機電系統(tǒng)在光通信、數(shù)字圖像獲取、顯示與處理、IT外圍設(shè)備、環(huán)境保護、自動化生物醫(yī)療裝備、工業(yè)維護等方面有著很好的應(yīng)用前景，國外在上述領(lǐng)域開展了一系列微光機電系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)。

　　光通信

　　開關(guān)元件是光網(wǎng)絡(luò)的核心部件，其性能的好壞是決定網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。基于MOEMS的光開關(guān)，由于其與光信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振和傳輸方向等均無關(guān)，而且在損耗和擴展性上都要優(yōu)于其它類型，與未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所要求的透明性和可擴展性等趨勢相符合，正在成為核心光交換器件中的主流。最近MOEMS取得的絕大多數(shù)創(chuàng)新和進步都體現(xiàn)在光通信領(lǐng)域，光通信已經(jīng)成為MOEMS的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

　　近年來正大力發(fā)展一種集成化的MOEMS光開關(guān)，即在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動的微型鏡片構(gòu)成的開關(guān)陣列。AT&T實驗室采用MOEMS技術(shù)研制了8×8光開關(guān)陣列。此微機械光開關(guān)的尺寸大約為1厘米×1厘米，每個輸入端口對應(yīng)一個準直微透鏡，每個輸出端口對應(yīng)一個聚焦微透鏡，光開關(guān)的主要組成部分是一個8行8列的微反射鏡矩陣以及每個微反射鏡所對應(yīng)的控制系統(tǒng)，鏡面通過銷軸聯(lián)接。通過抓爬驅(qū)動器使微鏡轉(zhuǎn)動90度，使來自輸入光纖的光束反射到所希望的輸出光纖中。光開關(guān)的開關(guān)速度為亞毫秒級。這種光開關(guān)的介入損耗較大，最大可達19.9分貝。目前MOEMS光開關(guān)還處于研究階段，沒有形成產(chǎn)業(yè)化。隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬的擴大，MOEMS光開關(guān)會越來越受到人們的重視，具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。

　　除了MOEMS光開關(guān)外，目前在光網(wǎng)絡(luò)中用得比較多的MOEMS器件還有光纖開關(guān)、光交叉連接設(shè)備、波分復(fù)用/解復(fù)用器、可調(diào)諧濾波器、色散補償器、光耦合器等。

　　數(shù)字圖像處理

　　在圖像處理的相關(guān)產(chǎn)品方面，MOEMS技術(shù)大多應(yīng)用于信息的顯示、打印和處理。其中最為成熟的是數(shù)字微鏡裝置（DMD）。圖2所示為美國TI公司研制的DMD光開關(guān)原理圖。它通過可以旋轉(zhuǎn)10度的扭轉(zhuǎn)鏡來完成投影顯示。每個微鏡下都有驅(qū)動電極，在下電極與微鏡間加一定的電壓，靜電力使微鏡傾斜，輸入光被反射至鏡頭，投影到屏幕上，未加電壓的微鏡處的光線反射至鏡頭外。這樣，微鏡使每點產(chǎn)生明暗，投影出圖像。目前，已研制出的DMD的像素達2048×1152。DMD可應(yīng)用于投影儀和電視等裝置上。