面向未來光信息時代的微光機電系統(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。在這場變革中，微機電系統(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。由于微機電技術(shù)不僅為傳統(tǒng)的機械領(lǐng)域打開了新的大門，也真正實現(xiàn)了機電一體化，因此，被認為是微電子技術(shù)的又一次革命。
近十年來，由于通信網(wǎng)絡(luò)、計算機技術(shù)和Internet技術(shù)的發(fā)展，通信的業(yè)務形式日趨多樣化，全球通信業(yè)務量飛速增長。為了實現(xiàn)寬帶傳輸，光密集波分復用（DWDM）技術(shù)和全光網(wǎng)日益受到人們的重視。目前，長距離、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?？梢灶A見，在未來機器內(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)。
在這樣一個背景下，人們將微機電系統(tǒng)和光學技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了微光機電系統(tǒng)（MOEMS， Micro-Optical-Electro-Mechanical-System）。與常規(guī)系統(tǒng)相比，微光機電系統(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。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恍酒羞M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)的應用已經(jīng)深入到許多不同的應用領(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系統(tǒng)，而且導致了新一代器件的誕生，如光學神經(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、儀器儀表等應用領(lǐng)域，從而對未來的科學技術(shù)、生產(chǎn)方式、人類生活產(chǎn)生深遠的影響。


微光機電技術(shù)在光通信領(lǐng)域的應用
目前，受到人們極大關(guān)注的是將微光機電技術(shù)應用于光通信中，研制多種光器件，如光交叉連接（OXC）與光分插復用（OADM）等光節(jié)點系統(tǒng)中所必需的光開關(guān)與光開關(guān)陣列、光均衡器、發(fā)射功率限幅器、光濾波器、泵浦源選擇開關(guān)、設(shè)備監(jiān)控保護開關(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)計和制作出可動Fabry-Perot腔鏡，控制腔鏡的位置可以獲得F-P腔腔長的變化，實現(xiàn)對光波的可調(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，所以MOEMS技術(shù)能夠帶來器件非常大的可調(diào)諧范圍。M. Wu等制作的Fabry-Perot標準具采用了自由空間微光學平臺（FS-MOB）技術(shù)，標準具的特征方向平行于微光學平臺。隨著兩個腔鏡的移動，器件的調(diào)諧范圍達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)計了一種水平方向的可調(diào)諧半導體激光器，通過梳狀執(zhí)行器驅(qū)動作為激光器腔鏡，從而實現(xiàn)調(diào)諧。此外，在III-V族化合物半導體外延材料上結(jié)合微機械加工技術(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鏡和可動的反射鏡，可動反射鏡上帶有電極，通過靜電驅(qū)動改變兩鏡距離，從而改變出射光波波長。該器件在975nm主波長附近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的功率限制與多路光信號的功率均衡。采用MOEMS技術(shù)，可以設(shè)計出簡單而有效的光衰減器與光強度調(diào)制器。一個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)動電壓與功率、大的可調(diào)動態(tài)范圍、良好的線性可調(diào)或方便的線性補償，以及調(diào)動時對光信號有盡可能小的噪聲干擾。Lucent公司研制的一種MOEMS光衰減器，用一個微檔板插入光纖間隙控制兩根光纖間的耦合程度，實現(xiàn)光的可變衰減。而微檔板的進出是由微執(zhí)行器控制的。該器件的動態(tài)范圍可達50dB，插入損耗僅1dB。對于光強度調(diào)制器，傳統(tǒng)的電光效應下的光波導型調(diào)制器，主要的研制目標是速率高達數(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)實的。所以MOEMS光調(diào)制器的定位，從一開始便是為光接入網(wǎng)提供低成本的器件。

3、光開關(guān)與光開關(guān)陣列
空分型光開關(guān)及開關(guān)陣列是光通信中的重要器件，而在OXC光節(jié)點系統(tǒng)中，具有相當規(guī)模的光開關(guān)陣列與光波分復用/解復用器、光波長變換器等一起構(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，光開關(guān)與開關(guān)陣列的潛在市場極大。因此，全世界對MOEMS光開關(guān)的研究非常重視。采用MOEMS制作的光開關(guān)是將光機械結(jié)構(gòu)、微觸動器和微光學元件集成在同一襯底上。這種光開關(guān)繼承了傳統(tǒng)光機械開關(guān)的優(yōu)點，如串音小、插入損耗小等，又克服了傳統(tǒng)光機械開關(guān)的一些缺點：在開關(guān)響應速度上，由于機械結(jié)構(gòu)的固有特性，目前主要是在毫秒級或次毫秒級，要實現(xiàn)與電光型光波導開關(guān)及開關(guān)列陣所具有的微秒級響應速度是極其困難的。但是在光節(jié)點系統(tǒng)中，毫秒級的開關(guān)響應速度已經(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。有文獻報道，研究者已經(jīng)實現(xiàn)器件損耗僅為3.1~3.6dB。這也已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)應用的需要?？傊?，MOEMS光開關(guān)在串音、極化依賴性、波長依賴性等器件性能方面，以及制作成本、器件可擴展性等方面都具有極強的競爭力。
目前比較有代表性的光開關(guān)是AT&T實驗室的林麗媛博士等研制的基于自由空間微光學平臺的絞鏈式自由旋轉(zhuǎn)振鏡的光開關(guān)陣列。整個陣列器件規(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)，因此整體是嚴格無阻塞的。微鏡的轉(zhuǎn)動由500KHz、100V方波驅(qū)動執(zhí)行器完成，切換時間約為560(s，消光比大于60dB。Lucent公司在1999年展示了基于Bell實驗室的MOEMS專利開發(fā)的WaveStar LambdaRouter OXC系統(tǒng)。其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是一微鏡陣列，整個微鏡陣列制作于一片一平方英寸不到的硅片上，包括256個微鏡，每個微鏡通過兩級微絞鏈可以進行二維轉(zhuǎn)動。這些都顯示了MEOMS技術(shù)運用于光開關(guān)器件的重要前景。

微光機電系統(tǒng)在光通信系統(tǒng)的展望
未來光通信的發(fā)展目標是制作集成所有光器件及其驅(qū)動電路的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。對于這一目標的實現(xiàn)，目前主要應該關(guān)注以下幾個問題。
首先，就是MEMS技術(shù)方面的一些基本問題。從IC到MOEMS，完全是市場推動牽引的必然結(jié)果。但迄今MEMS擁有的市場，仍只是一些傳感器之類的初級產(chǎn)品，表明這一門學科還只處于技術(shù)發(fā)展的前期，遠遠沒有成熟。MEMS是一門獨立學科，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雖未進入物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的范疇，但過去所討論的宏觀結(jié)構(gòu)又很少進入MEMS的微小范疇。過去的常數(shù)、定律，在MEMS中是否仍然有效，均需重新證實。類似這些問題，不研究清楚，要優(yōu)化設(shè)計MEMS就會遇到很多困難。要促使MEMS早日成為一門成熟的技術(shù)，設(shè)計和測試及相應的開發(fā)工具必須加速進行。1999年，國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目（973）已經(jīng)將“集成微光機電系統(tǒng)研究”列入研究項目，著重研究MOEMS器件，解決其中的相關(guān)基礎(chǔ)問題。
其次，是MEMS工藝的標準化問題。目前，設(shè)計不同的MEMS，就需要有一套相應的設(shè)計規(guī)則和優(yōu)化技術(shù)，這有賴于相應的基礎(chǔ)研究和研制經(jīng)驗的積累，進而形成相應的開發(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、驗證等程序化的設(shè)計工具，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)的集成問題。光通信技術(shù)的發(fā)展將是依賴于電子學、光子學以及MEMS的進步，所以，對于真正意義上的MOEMS光通信系統(tǒng)芯片來講，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)、機械技術(shù)、傳感技術(shù)以及封裝技術(shù)等，有效地應用到一起。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。