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国外微光电子机械系统技术的研究现状
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Research Of Abroad MOEMS
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■信息产业部重庆光电技术研究所情报室 罗家强
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微光电子机械系统（MOEMS）技术对现代动态波分复用（WDM）网出现的许多问题，能够提供低成本的解决办法，可以制成数字光调制器、电控可变衰减器、WDM均衡器和可编程波长上路/下路系统，用于动态WDM输送网。在最近几年内，MOEMS技术发展很快，可望成为几十亿美元的产业。
光纤通信
MOEMS技术在光纤通信中的应用十分广泛，例如用作光纤光开关、光互连、光交叉连接、动态WDM输送网等。它使光纤通信能够实现低成本、高可靠和量产化。
1 光纤光开关
光纤光开关是一种全光开关，它的工作原理是移动反射镜使光子从一根光纤路由到另一根光纤，完成路由靠控制通过透镜的光，光在可移动的反射镜反射后进入输出光纤。光纤光开关用于光跳转接头、光子网络改形，和/或增加网络的可靠性。常规的光机械开关能提供最低的插入损耗和交扰，但是它很笨重、缓慢和花钱。全集成的MOEMS光开关具有低的插入损耗和交扰，以及对输入波长、偏振、bit速率的透明度、调制制式无关等优点。另外，使反射镜移动的静电驱动器的几何尺寸小、功耗低、开关速度高。
(1) 1×2光纤光开关
使用标准工艺的表面微机械技术特别适合完成自由空分的集成光学，表面微机械垂直转矩反射镜可用作1×2光纤光开关或开-关（ON-OFF）开关。垂直转矩反射镜开关结构如图1所示，它是由垂直转矩反射镜和后部的电极组成，反射镜和后部电极之间的角度设计为45度，两者都用微绞链技术实现。后部电极平面与自动装配的爪形驱动器阵列集成。自动装配减少开关装配时间，对多垂直转矩反射镜的复杂开关尤其重要。
(2) 2×2光纤光开关
2×2光纤光开关可以用作光纤数据分配接口（FDDI）的旁路开关，旁路故障节点。它还可以排列集成形成大的矩阵开关。2×2光纤光开关的结构原理如图2所示。工作原理是：为了驱动开关，电压加在悬臂和衬底之间，静电力使反射镜位置下降，从交叉（传输）状态变为平行（反射）状态。悬臂梁的弯曲能使反射镜得到大的镜位移，而使悬臂梁和下面电极（衬底）之间开头的间隙小。这样设计使悬臂梁下降的驱动电压减小。
2.光互连
自由空分光互连对电信交换网和精细粒度的并行处理/计算机这几种应用是很有吸引力的。目前，光互连用于长距离和中距离广域网中的数字通信。然而，在不久的将来，需要在计算机系统或电子网络群内部，面板到面板或芯片到芯片的多GHz带宽光互连。光互连代替电互连是必需的，因为电互连在高频时具有信号完整性和交扰等问题。自由空分全息摄影互连包括：面板间的直接互连、随机的互连点阵、多输出端、信道隔离和增加带宽。从而，避免电互连系统的互连带宽瓶颈。光互连可分为MEMS可控微镜阵列与激光器结合或与探测器结合两种。
(1)MEMS微镜阵列与激光器结合的光互连
2维MEMS可控微镜阵列与垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列集成，构成MEMS/VCSEL混合系统，形成波束控制系统，用于精确调准2维空分光互连系统。而且，不需要严格的装配容差，就可实现空分光互系统的精确调准。
(2)MEMS微镜阵列与探测器结合的光互连
使用光电二极管探测器与MEMS的法布里－泊罗干涉仪结合，实现波分复用（WDM）高密度芯片到芯片的光互连。这种光互连应用广泛，可用作并行处理器中的开关元件、光开关和光神经网络。工作原理如图3所示。来自预处理集成电路芯片（N个信道）的输出信号通过使用波长可调激光器转换为不同波长的光信号，发射到波长选择光电探测器，信道连接靠光源和探测器之间的波长匹配和微机械法布－泊罗干涉仪。这个光互连可达到随意的1到1连接，以及1到N或N到1连接。由于输入/输出连接以光的方式进行，开关状态可以改形，整个开关系统可以集成在紧凑的空间。
1998年，日本东京大学产业科学学院的Hiroshi Toshiyoshi等人，使用硅基表面微机械技术制作了这种干涉仪阵列。用这个方案，在给定波长范围最大限度的增加了信道密度和开关对比度。
3.光交叉连接
光交叉（OXCs）连接是最近几年关注的一个重大主题，它有两种型式，一种是全光型，另一种是混合型（电子芯部或光－电－光转换的OEO型）。采用MOEMS技术的OXC是全光型，MOEMS微镜阵列N
N光开关用来交叉连接N根输入光纤到N根输出光纤。它象使用N2个单独的微镜一样，称为N2结构。这个方法的优点是只需要TTL驱动器进行简单控制，提供前所未有的全光开关速度。这种结构允许光纤通信网络动态的上路/下路功能。这种光开关可分为2维（2D）和3维（3D）设计，2维设计可以实现128×128个通道的光交叉连接，3D设计可以实现256×256个通道或更大规模的光交连接。
4.动态WDM输送
WDM对长拖曳通信系统和局域环路应用都是关键技术。在局域环路中，波分复用－无源光网（WDM－PON）在光纤到家（FTTH）递送系统中被认为是成本有效方法的最好选择。为了减少每个用户的成本，需要大量波长信道的宽频带。另外，用户数随时会增加，这就必须使元器件和子系统能以低成本提供可胜任的性能。MOEMS技术对现代动态WDM网络中出现的许多问题，例如可编程波长上路/下路、光谱均衡、光谱控制，或低成本数字传输等，可以提供低成本的解决办法。
(1)数字光调制器
使用反向环路结构的WDM－PONs，在成本、可靠性、网络工作复杂性，以及维修等方面都具有优势，推广应用于FTTH系统。反向环路结构在用户位置利用光调制器代替有源光源（例如激光器或发光管），光调制器靠调制下行光的连续波（CW）部份提供上行数字传输，构成“环形”使它返回到中心局。他们使用WDM－PONs结构的一种快速信息技术计值（RITE）网，这种RITE网的关键元件就是上行数字光调制器。大于10Mb/s的上行数字速率需要光谱至少在40nm范围，调制深度至少10dB。另外，热稳定度和偏振不灵敏度需要小于0.1dB。适合这个应用的器件称为机械抗反射开关（MARS）。MARS结构包含硅晶片，沉积在牺牲层上的氮化硅薄膜，这层薄膜用反应离子腐蚀（RIE）形成调制器需要的机械形状，电极沉积在氮化硅上，用HF腐蚀形成有源区。MARSs以多层电介质反射镜栈的方式工作，最后一层是控制电压，在顶部电极施加静电位，吸引氮化硅薄膜向衬底移动，使气隙减小，反射镜栈的反射率由很高（大于75%）变化到0。在MARS器件中，光有源区直径是10μm，使光纤对准容差较容易达到，大大地减小封装成本。
(2)电控可变衰减器
现代的WDM输送网为了实现高Bit速率长距离通信，要依靠串联放大器，串联可能在非均匀功率分配、信道间的不同噪声分布，以及瞬时交扰饱和等方面导致严重的复杂化。在放大器中使用可变衰减器可以减轻或消除这类潜在问题。可变衰减器是基于改进的MARS数字调制器，它以足够的速度提供瞬时控制。器件结构包括多层薄膜：1100A0厚的多晶硅、1950A0厚的氮化硅、2200A0厚的多晶硅。演示结果表明，光谱全范围衰减大于15dB，瞬时响应速度时间小于1μs。
(3)WDM均衡器
在WDM网络中使用光放大器使光谱的增益分布不均匀，使用均衡器拉平光源的发射光谱。在WDM均衡器中，具有独立电极阵列的MARS元件放置在器件平面，它把反射率空间变化转换为波长强度变化。光谱动态范围为15dB，可以在22nm宽光谱内拉平到小为0.25dB，均衡器的响应时间为10μs左右。
(3)可编程WDM上路/下路
在动态WDM系统中，可编程上路/下路节点用来“下路”多波长信道以外的一个或多个波长，再路由它们到不同的终点，而且，可以从其它光源“上路”信息进入信道。在这个方法中，网络容量可以最佳化，以及在网内可以再发送数字。使用微机械反射镜与自由空分光学结合的MOEMS
WDM上路/下路系统，每个信道对准到双位置反射镜的一个反射镜，反向通到绕射光栅、或输出通道和下路通道。此外，靠包含在输入和输出通道的2个环行器，波长也可以上路到WDM信号。测得插入损耗在“通过”态为5dB，在“下路”态为8dB。对比度为30－45dB。
CCD摄像机聚焦
在微型CCD摄像机中，为了得到自动聚焦和移向目标功能的微型CCD摄像机，非常需要具有大移动范围的微小静电线性驱动器，减小可用于聚焦装置的空间。1999年，日本东芝(Toshiba)公司研究与开发中心机械系统研究所的Akihiro
Koga等人，使用MOEMS技术研制了微型静电线性驱动器透镜阵列，用于微型CCD摄像机的聚焦装置。这种有聚焦功能的微型CCD摄像机可用作工业内诊镜、医用内诊镜，以及窄间距的检查装置。
高亮度微显示
最近几年，微机械技术已发展到用于各种显示应用。高亮度和高强度的场发射显示（FEDS）已成为商用，但FEDS工作在高真空为10-6-10-7托情况下，真空封闭和维持是一个困难的技术。薄膜电致发光（TFEL）器件是完美的不包含真空、液晶和等离子体的固体器件。然而，限制TFEL广泛商用的主要问题是需要改善在日光下的照明强度和有色器件的发光效率。2000年，韩国科技大学电子与信息技术学院的Yun-Hi
Lee等人，采用Si－尖端反射镜与TFEL结构相结合，研制了产生可见光的新结构。这种新器件将有助于发展集成器件的高亮度微显示。包括前面透明的玻璃衬底、透明的电极、透明的隔离薄膜、透明的荧光物质和能反射的背面电极。由荧光物质层发射的光通过透明的电极和衬底观察。然而，边缘发光比正面发光亮度高，边缘发射的光被园锥形Si－尖端的反射镜反射回前面。这个器件的反射镜尺寸可以小到近亚微米，以便最大限度地增加分辩率和亮度。研制的器件由6×6个像素组成，在一个像素范围内有3600个反射镜，这些发光元件在双向脉冲激发下，在反射镜的附近产生很集中的可见光。
传感器
集成光学和微机械技术相结合，产生微光电子机械（MOEM）新器件，以及提供新的传感应用的集成潜力。批量工艺的微结构制作具有许多优点：成本低、大尺寸的利用率高、机械性能好、能够直接在衬底上混合集成激光器和探测器、光纤和硅基波导之间有效耦合，以及能够在同一芯片与其它光元件（如透镜、波束分光器等）和微机械（振动片、悬臂梁等）相结合。它还能够通过使用微结构，靠改变波导区折射率的波导光相互作用构成相位调制器。这些调制器所用的主要物理作用有电光、热光和声光，调制器由电介质波导和电极结构组成。器件可分为两类：构成光波导的衬底是压电材料和非压电材料。允许工作在压电材料的线性电光效应，提供有效调制频率范围为10Ghz，这种材料最好的是LiNbO3。然而，衬底材料的选择不只是根据它的物理特性，因为MOEMs主要在硅基层的衬底上构成，这对在非压电材料上制作调制器是很有吸引力的。热光和声光原则上允许在这类材料中工作，但热光调制器工作频率被限制到千赫兹范围。声表面波（SAW）的声光可以用作兆赫兹范围的调制器，为了得到在有源相位调制下的器件，SAW靠在硅基光波导上淀积薄的薄膜压电转换器产生。而且，声光相互作用机理是基于改变声波通道引入机械应力引起的折射率。使用这个调制技术的光学光谱分析仪，工作频率范围直到1GHz。
光扫描器
2000年，美国加利福尼亚大学电气工程学院的Guo-Dung J.Su等人，得到美国DARPA支持，使用表面微机械技术研制了高性能单晶硅反射镜2维（2D）光扫描器。反射镜在厚的（大于10μm）绝缘硅（SOI）上形成，而且连接到表面微机械驱动器。这个批量制工艺用单晶硅反射镜可以达到，而不牺牲标准多晶硅表面微机械工艺的设计灵活性。制作的光扫描器尺寸为460μm×460μm，弯曲半径大于265cm，表面粗糙度小于10nm，最大机械扫描角度为±7.50。这个新技术能够使用低成本的商用表面微机械工艺制作高性能的MOEMS器件。
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