微光機(jī)電系統(tǒng)

　　微光機(jī)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(jī)械裝置的作用下能夠?qū)馐M(jìn)行匯聚、衍射和反射等控制，從而可最終實(shí)現(xiàn)光開(kāi)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(jī)械裝置有機(jī)地集成在一起，能夠充分發(fā)揮三者的綜合性能。

　　微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）

　　微光機(jī)電系統(tǒng)的領(lǐng)域可以從微光學(xué)、微電子與微機(jī)械三個(gè)領(lǐng)域之間的關(guān)系來(lái)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(jī)械的交集則為光機(jī)領(lǐng)域（OptoMechanics），而微電子與微機(jī)械的交集則是微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域（MEMS）。而微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）領(lǐng)域就是三者的交集，或稱(chēng)為光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)（OpticalMEMS）。

　　微光機(jī)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(diǎn)。同時(shí)，傳感器、信號(hào)處理電路與微執(zhí)行器的集成，可使微弱信號(hào)的放大，校正以及補(bǔ)償?shù)仍谕?span id="pb5zltb" class='hrefStyle'>芯片中進(jìn)行，不需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)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(hào)的品質(zhì)。因此，微光機(jī)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(shí)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(chǔ)、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(duì)未來(lái)的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)方式、人類(lèi)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。微光機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)將極大地促進(jìn)信息通信、航天技術(shù)以及光學(xué)工具的發(fā)展，對(duì)整個(gè)信息化時(shí)代將生產(chǎn)深遠(yuǎn)的影響。

　　微光電機(jī)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(jī)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(guó)ULCA大學(xué)的光學(xué)平臺(tái)構(gòu)想，Berkeley大學(xué)的微掃瞄鏡的技術(shù)，使用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)竿，也帶動(dòng)后續(xù)很多的研究，一時(shí)間利用表面微加工技術(shù)的光開(kāi)關(guān)、微鏡與微光學(xué)平臺(tái)變成非常熱門(mén)的領(lǐng)域。

　　隨著微光機(jī)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(kāi)的MOEMS國(guó)際研討會(huì)，1999年在美國(guó)圣地亞哥召開(kāi)的的光纖通信大會(huì)把MOEMS列為一個(gè)專(zhuān)題。美國(guó)很多研究機(jī)構(gòu)和公司都在致力于發(fā)展這門(mén)新興技術(shù)，歐共體也制定了有五國(guó)二十七個(gè)機(jī)構(gòu)參加的三年微光系統(tǒng)計(jì)劃。目前，一些比較成熟的MOEMS產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)在消費(fèi)領(lǐng)域，隨著大量研究工作的進(jìn)行，MOEMS的研究將成為一個(gè)新興的熱點(diǎn)，其研究成果必將關(guān)系到國(guó)家的科技、經(jīng)濟(jì)和國(guó)防的未來(lái)。

　　微光機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　比較成熟的MEMS技術(shù)為MOEMS的集成與微動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)提供了標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(gè)重要的技術(shù)發(fā)展方向主要是因?yàn)榫哂幸韵聨讉€(gè)特點(diǎn)：

　　1、生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

　　MOEMS可以實(shí)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(dá)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(shì)與特點(diǎn)

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

　　3、動(dòng)作上的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

　　通過(guò)精確的驅(qū)動(dòng)和控制，MOEMS中的微光學(xué)元件可實(shí)現(xiàn)一定程度或范圍的動(dòng)作，這種動(dòng)態(tài)的操作包括光波波幅或波長(zhǎng)的調(diào)整、瞬態(tài)的延遲、衍射、反射、折射及簡(jiǎn)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(duì)入射光形成復(fù)雜的操作，甚至實(shí)現(xiàn)光運(yùn)算和信號(hào)處理。如何通過(guò)微型光學(xué)元件來(lái)實(shí)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(jī)電系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用

　　微光機(jī)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(hù)、自動(dòng)化生物醫(yī)療裝備、工業(yè)維護(hù)等方面有著很好的應(yīng)用前景，國(guó)外在上述領(lǐng)域開(kāi)展了一系列微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)。

　　光通信

　　開(kāi)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?；贛OEMS的光開(kāi)關(guān)，由于其與光信號(hào)的格式、波長(zhǎng)、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振和傳輸方向等均無(wú)關(guān)，而且在損耗和擴(kuò)展性上都要優(yōu)于其它類(lèi)型，與未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所要求的透明性和可擴(kuò)展性等趨勢(shì)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(jìn)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(lái)正大力發(fā)展一種集成化的MOEMS光開(kāi)關(guān)，即在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動(dòng)的微型鏡片構(gòu)成的開(kāi)關(guān)陣列。AT&T實(shí)驗(yàn)室采用MOEMS技術(shù)研制了8×8光開(kāi)關(guān)陣列。此微機(jī)械光開(kāi)關(guān)的尺寸大約為1厘米×1厘米，每個(gè)輸入端口對(duì)應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)直微透鏡，每個(gè)輸出端口對(duì)應(yīng)一個(gè)聚焦微透鏡，光開(kāi)關(guān)的主要組成部分是一個(gè)8行8列的微反射鏡矩陣以及每個(gè)微反射鏡所對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)，鏡面通過(guò)銷(xiāo)軸聯(lián)接。通過(guò)抓爬驅(qū)動(dòng)器使微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)90度，使來(lái)自輸入光纖的光束反射到所希望的輸出光纖中。光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度為亞毫秒級(jí)。這種光開(kāi)關(guān)的介入損耗較大，最大可達(dá)19.9分貝。目前MOEMS光開(kāi)關(guān)還處于研究階段，沒(méi)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(kuò)大，MOEMS光開(kāi)關(guān)會(huì)越來(lái)越受到人們的重視，具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

　　除了MOEMS光開(kāi)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(kāi)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(bǔ)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(guó)TI公司研制的DMD光開(kāi)關(guān)原理圖。它通過(guò)可以旋轉(zhuǎn)10度的扭轉(zhuǎn)鏡來(lái)完成投影顯示。每個(gè)微鏡下都有驅(qū)動(dòng)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(diǎn)產(chǎn)生明暗，投影出圖像。目前，已研制出的DMD的像素達(dá)2048×1152。DMD可應(yīng)用于投影儀和電視等裝置上。