面向未來(lái)光信息時(shí)代的微光機(jī)電系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)逐步走上多媒體、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的道路，信息獲取技術(shù)和信息執(zhí)行技術(shù)都成為信息發(fā)展的瓶頸。為了滿足這一日益迫切的要求，微電子信息處理正逐步向系統(tǒng)芯片發(fā)展。在這場(chǎng)變革中，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）由于能夠把信息獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，成為了系統(tǒng)芯片中關(guān)鍵的組成部分。由于微機(jī)電技術(shù)不僅為傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域打開(kāi)了新的大門，也真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，因此，被認(rèn)為是微電子技術(shù)的又一次革命。
近十年來(lái)，由于通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和Internet技術(shù)的發(fā)展，通信的業(yè)務(wù)形式日趨多樣化，全球通信業(yè)務(wù)量飛速增長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸，光密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)和全光網(wǎng)日益受到人們的重視。目前，長(zhǎng)距離、大容量公用通信網(wǎng)絡(luò)以及各種局域網(wǎng)上，光取代電成為通信的主要傳輸媒體已經(jīng)成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)機(jī)器內(nèi)部的板與板之間、芯片與芯片之間，以及芯片內(nèi)部，都將建立光互連系統(tǒng)。
在這樣一個(gè)背景下，人們將微機(jī)電系統(tǒng)和光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS， Micro-Optical-Electro-Mechanical-System）。與常規(guī)系統(tǒng)相比，微光機(jī)電系統(tǒng)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恍酒羞M(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、人類生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。


微光機(jī)電技術(shù)在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用
目前，受到人們極大關(guān)注的是將微光機(jī)電技術(shù)應(yīng)用于光通信中，研制多種光器件，如光交叉連接（OXC）與光分插復(fù)用（OADM）等光節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中所必需的光開(kāi)關(guān)與光開(kāi)關(guān)陣列、光均衡器、發(fā)射功率限幅器、光濾波器、泵浦源選擇開(kāi)關(guān)、設(shè)備監(jiān)控保護(hù)開(kāi)關(guān)以及光接入網(wǎng)中的光調(diào)制器、功率限幅器、光濾波器等。下面我們簡(jiǎn)單加以介紹。

1、可調(diào)諧光器件
在DWDM技術(shù)中，可調(diào)諧光器件是不可缺少的器件，包括可調(diào)諧光源與光檢測(cè)器、光濾波器。采用光電子技術(shù)，可以研制出這類器件。但由于折射率變化極其有限，主要依賴于材料折變效應(yīng)的這些可調(diào)諧光器件，其可調(diào)諧范圍也就非常有限。利用MOEMS技術(shù)可以非常方便地設(shè)計(jì)和制作出可動(dòng)Fabry-Perot腔鏡，控制腔鏡的位置可以獲得F-P腔腔長(zhǎng)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的可調(diào)諧?；?font face="Comic Sans MS">MOEMS技術(shù)，一些執(zhí)行器結(jié)構(gòu)可以使腔鏡位置發(fā)生較大移動(dòng)，所以MOEMS技術(shù)能夠帶來(lái)器件非常大的可調(diào)諧范圍。M. Wu等制作的Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具采用了自由空間微光學(xué)平臺(tái)（FS-MOB）技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)具的特征方向平行于微光學(xué)平臺(tái)。隨著兩個(gè)腔鏡的移動(dòng)，器件的調(diào)諧范圍達(dá)60nm。這種結(jié)構(gòu)既可以作為可調(diào)諧濾波器，也可以與半導(dǎo)體激光器集成，作為激光器的外腔，構(gòu)成可調(diào)諧激光器。NTT公司也設(shè)計(jì)了一種水平方向的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，通過(guò)梳狀執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)作為激光器腔鏡，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。此外，在III-V族化合物半導(dǎo)體外延材料上結(jié)合微機(jī)械加工技術(shù)還可以制作出垂直方向可調(diào)諧的MOEMS光器件。其中腔鏡包括固定的DBR鏡和可動(dòng)的反射鏡，可動(dòng)反射鏡上帶有電極，通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)改變兩鏡距離，從而改變出射光波波長(zhǎng)。該器件在975nm主波長(zhǎng)附近18nm可調(diào)。

2、光可變衰減器與光調(diào)制器
在光路中，光可變衰減器的作用是完成光信號(hào)的功率限制與多路光信號(hào)的功率均衡。采用MOEMS技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單而有效的光衰減器與光強(qiáng)度調(diào)制器。一個(gè)良好的光衰減器要求器件必須有盡可能小的插入損耗、小的驅(qū)動(dòng)電壓與功率、大的可調(diào)動(dòng)態(tài)范圍、良好的線性可調(diào)或方便的線性補(bǔ)償，以及調(diào)動(dòng)時(shí)對(duì)光信號(hào)有盡可能小的噪聲干擾。Lucent公司研制的一種MOEMS光衰減器，用一個(gè)微檔板插入光纖間隙控制兩根光纖間的耦合程度，實(shí)現(xiàn)光的可變衰減。而微檔板的進(jìn)出是由微執(zhí)行器控制的。該器件的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)50dB，插入損耗僅1dB。對(duì)于光強(qiáng)度調(diào)制器，傳統(tǒng)的電光效應(yīng)下的光波導(dǎo)型調(diào)制器，主要的研制目標(biāo)是速率高達(dá)數(shù)GHz，甚至幾十GHz的超高速器件。采用MOEMS技術(shù)去追求高速率的器件，是不現(xiàn)實(shí)的。所以MOEMS光調(diào)制器的定位，從一開(kāi)始便是為光接入網(wǎng)提供低成本的器件。

3、光開(kāi)關(guān)與光開(kāi)關(guān)陣列
空分型光開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)陣列是光通信中的重要器件，而在OXC光節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，具有相當(dāng)規(guī)模的光開(kāi)關(guān)陣列與光波分復(fù)用/解復(fù)用器、光波長(zhǎng)變換器等一起構(gòu)成系統(tǒng)，更是其中不可缺少的關(guān)鍵器件。由于有殷切需求，光開(kāi)關(guān)與開(kāi)關(guān)陣列的潛在市場(chǎng)極大。因此，全世界對(duì)MOEMS光開(kāi)關(guān)的研究非常重視。采用MOEMS制作的光開(kāi)關(guān)是將光機(jī)械結(jié)構(gòu)、微觸動(dòng)器和微光學(xué)元件集成在同一襯底上。這種光開(kāi)關(guān)繼承了傳統(tǒng)光機(jī)械開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，如串音小、插入損耗小等，又克服了傳統(tǒng)光機(jī)械開(kāi)關(guān)的一些缺點(diǎn)：在開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度上，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有特性，目前主要是在毫秒級(jí)或次毫秒級(jí)，要實(shí)現(xiàn)與電光型光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)列陣所具有的微秒級(jí)響應(yīng)速度是極其困難的。但是在光節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，毫秒級(jí)的開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)需要。在器件的插入損耗上，高效率的耦合是需要研究的重點(diǎn)。有文獻(xiàn)報(bào)道，研究者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)器件損耗僅為3.1~3.6dB。這也已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)應(yīng)用的需要。總之，MOEMS光開(kāi)關(guān)在串音、極化依賴性、波長(zhǎng)依賴性等器件性能方面，以及制作成本、器件可擴(kuò)展性等方面都具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
目前比較有代表性的光開(kāi)關(guān)是AT&T實(shí)驗(yàn)室的林麗媛博士等研制的基于自由空間微光學(xué)平臺(tái)的絞鏈?zhǔn)阶杂尚D(zhuǎn)振鏡的光開(kāi)關(guān)陣列。整個(gè)陣列器件規(guī)模為8(8，制作在1(1cm2的硅片上，采用基本的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，因此整體是嚴(yán)格無(wú)阻塞的。微鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)由500KHz、100V方波驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器完成，切換時(shí)間約為560(s，消光比大于60dB。Lucent公司在1999年展示了基于Bell實(shí)驗(yàn)室的MOEMS專利開(kāi)發(fā)的WaveStar LambdaRouter OXC系統(tǒng)。其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是一微鏡陣列，整個(gè)微鏡陣列制作于一片一平方英寸不到的硅片上，包括256個(gè)微鏡，每個(gè)微鏡通過(guò)兩級(jí)微絞鏈可以進(jìn)行二維轉(zhuǎn)動(dòng)。這些都顯示了MEOMS技術(shù)運(yùn)用于光開(kāi)關(guān)器件的重要前景。

微光機(jī)電系統(tǒng)在光通信系統(tǒng)的展望
未來(lái)光通信的發(fā)展目標(biāo)是制作集成所有光器件及其驅(qū)動(dòng)電路的MOEMS系統(tǒng)芯片，或是具有了一定集成規(guī)模的MOEMS功能模塊芯片。對(duì)于這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，目前主要應(yīng)該關(guān)注以下幾個(gè)問(wèn)題。
首先，就是MEMS技術(shù)方面的一些基本問(wèn)題。從IC到MOEMS，完全是市場(chǎng)推動(dòng)牽引的必然結(jié)果。但迄今MEMS擁有的市場(chǎng)，仍只是一些傳感器之類的初級(jí)產(chǎn)品，表明這一門學(xué)科還只處于技術(shù)發(fā)展的前期，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有成熟。MEMS是一門獨(dú)立學(xué)科，它的技術(shù)難度比集成電路要大得多，涉及的領(lǐng)域更為廣泛。就結(jié)構(gòu)尺寸而言，MEMS雖未進(jìn)入物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的范疇，但過(guò)去所討論的宏觀結(jié)構(gòu)又很少進(jìn)入MEMS的微小范疇。過(guò)去的常數(shù)、定律，在MEMS中是否仍然有效，均需重新證實(shí)。類似這些問(wèn)題，不研究清楚，要優(yōu)化設(shè)計(jì)MEMS就會(huì)遇到很多困難。要促使MEMS早日成為一門成熟的技術(shù)，設(shè)計(jì)和測(cè)試及相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具必須加速進(jìn)行。1999年，國(guó)家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（973）已經(jīng)將“集成微光機(jī)電系統(tǒng)研究”列入研究項(xiàng)目，著重研究MOEMS器件，解決其中的相關(guān)基礎(chǔ)問(wèn)題。
其次，是MEMS工藝的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。目前，設(shè)計(jì)不同的MEMS，就需要有一套相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則和優(yōu)化技術(shù)，這有賴于相應(yīng)的基礎(chǔ)研究和研制經(jīng)驗(yàn)的積累，進(jìn)而形成相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具。只有像大規(guī)模集成電路那樣，具有成套的系統(tǒng)、工藝、版圖、驗(yàn)證等程序化的設(shè)計(jì)工具，才可能快速制造各種MEMS。
另外，就是光系統(tǒng)中的各種技術(shù)的集成問(wèn)題。光通信技術(shù)的發(fā)展將是依賴于電子學(xué)、光子學(xué)以及MEMS的進(jìn)步，所以，對(duì)于真正意義上的MOEMS光通信系統(tǒng)芯片來(lái)講，最主要的挑戰(zhàn)是如何把眾多的技術(shù)，包括電子技術(shù)、光電子技術(shù)/光子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、傳感技術(shù)以及封裝技術(shù)等，有效地應(yīng)用到一起。只有這樣才能夠最終獲得光通信系統(tǒng)的完善的解決方案。目前，許多公司已經(jīng)采取了一些方法，但是如何在非人工操作與大規(guī)模生產(chǎn)方面，依然還期待更完善的解決方案。