MEMS光開關的優(yōu)勢及發(fā)展概況

        微電子機械系統(tǒng)（MEMS）就是將幾何尺寸或操作尺寸僅在微米、亞微米甚至納米量級的微機電裝置（如微機構、微驅動器等）與控制電路高度集成在硅基或非硅基材料上的一個非常小的空間里，構成一個機電一體化的器件或系統(tǒng)。MEMS器件具有體積小、重量輕、能耗低、慣性小、響應時間短，可把多個不同功能、不同敏感方向或致動方向的微機構大規(guī)模地集成在一起，并且可以通過微電鑄的方法進行批量復制和大規(guī)模生產。
　　
        MEMS加工技術主要分為三類：非硅基材料上以X光深度光刻的LIGA技術；硅基或非硅基材料上的精密機械刻劃技術；在半導體集成電路技術之上發(fā)展起來的硅MEMS加工技術。
 
　　硅MEMS加工技術最早出現(xiàn)于二十世紀六十年代，所采用的主要技術是單晶硅各向異性腐蝕技術（體硅微機械），其代表產品是硅壓力傳感器。八十年代美國率先開發(fā)出以多晶硅為結構層、二氧化硅為犧牲層的表面犧牲層技術（表面微機械），并開發(fā)出微硅靜電馬達，使得MEMS技術得到質的飛躍發(fā)展。表面微機械加工技術與半導體集成電路技術最為相近，其主要特點是在薄膜淀積的基礎上，利用光刻、刻蝕等集成電路常用工藝制備微機械結構，最終利用選擇腐蝕技術釋放結構單元，獲得可微動結構。進入九十年代，隨著深槽刻蝕技術、鍵合技術及其它關鍵技術的成功應用，體硅微機械又得到了飛速發(fā)展，并發(fā)展出多種體硅工藝與表面微機械工藝相互結合的新工藝。特別是開發(fā)出利用感應耦合等離子體（ICP）和側壁鈍化（SPP）的先進硅刻蝕工藝（ASE），可對硅材料進行很大深寬比的三維微加工，其加工厚度可達幾百微米，側壁垂直度可接近九十度。這使得MEMS技術不僅在傳感器領域的應用得到迅速發(fā)展，而且在光纖通信、微型化學分析系統(tǒng)、DNA分析及微型機器人等領域的應用研究也得到空前發(fā)展。
 
　　光纖通信在實現(xiàn)了高速、大容量點對點的傳輸后，上世紀末已進入了光纖網(wǎng)絡時代。MEMS在光纖通信領域的應用范圍十分寬廣，幾乎所有光網(wǎng)絡中的各個組成單元都能采用MEMS制作器件，并由此產生了一個新名詞：微光電子機械系統(tǒng)（MOEMS），它是機、電、光、磁、化學、自動控制、傳感技術與信息處理等多種技術的綜合。綜觀光纖通信器件的發(fā)展歷程，可以看出器件的發(fā)展趨勢為：塊狀堆集型®光纖型®MOEMS型®集成型。前兩種已經(jīng)形成產業(yè)化，并正在向小型化方向發(fā)展。在目前集成型器件還不十分成熟的情況下，MEMS（或MOEMS）型光器件已出現(xiàn)了商業(yè)化的產品。利用MEMS技術可以制作光纖通信傳輸網(wǎng)中的許多器件，如：光分插復用器（OADM）、光交叉連接開關矩陣（OXC-AS）、光調制器、光濾波器、波分復用解復用器、可調諧微型垂直腔表面發(fā)射半導體激光器（VCSEL）、可變光衰減器、增益均衡器及用于光路分配和耦合的微透鏡陣列等多種微型化光器件。 

        MEMS光開關的優(yōu)勢 

　　MEMS技術在光纖通信網(wǎng)絡中的一個重要應用就是利用微動微鏡制作光開關矩陣，微動微鏡可以采用上下折疊方式、左右移動方式或旋轉方式來實現(xiàn)開關的導通和斷開功能。MEMS技術制作的光開關是將機械結構、微觸動器和微光元件在同一襯底上集成，結構緊湊、重量輕，易于擴展。它比機械式光開關和波導型光開關具有很好的性能，如：低插損、小串音、高消光比、重復性好、響應速度適中，與波長、偏振、速率及調制方式無關，壽命長、可靠性高，并可擴展成大規(guī)模光交叉連接開關矩陣。 

　　MEMS光開關有2D(二維)數(shù)字和3D(三維)模擬兩種結構。在2D結構中，所有微反射鏡和輸入輸出光纖位于同一平面上，通過靜電致動器使微鏡直立和倒下或使微鏡以“翹翹板”的方式處于光路和彈出光路的工作方式來實現(xiàn)“開”和“關”的功能，如圖1所示，所以2D結構又稱為數(shù)字型。一個N´N的2D光開關需要N2個微反射鏡，2D結構的優(yōu)點是控制簡單，缺點是由于受光程和微鏡面積的限制，交換端口數(shù)不能做得很大。在3D結構中，所有微反射鏡處于相向的兩個平面上，通過改變每個微鏡的不同位置來實現(xiàn)光路的切換，如圖2所示。一個N´N的3D光開關只需要2N個微反射鏡，但每個微反射鏡至少需要N個可精確控制的可動位置，所以3D結構又稱為模擬型。與2D結構相反，3D結構的優(yōu)點是交換端口數(shù)能做得很大，可實現(xiàn)上千端口數(shù)的交換能力，缺點是控制機理和驅動結構相當復雜，控制部分的成本很高。
 
　　MEMS光開關的優(yōu)勢體現(xiàn)在性能、功能、規(guī)模、可靠性和成本等幾個方面。在關鍵的性能指標如插入損耗、波長平坦度、PDL（偏振相關損耗）和串擾方面，MEMS技術能達到的性能可與其他技術所能達到的最高性能相比。比如基于MEMS技術制作的2×2光開關模塊的插入損耗可達0.4dB，PDL小于0.1dB，串擾小于-70dB。在功能方面，微鏡具有可靠的閉鎖功能，能夠保證光路切換的準確性。在規(guī)模方面，采用2D結構的MEMS光開關已有64´64的商用產品，采用3D結構的MEMS光開關也有上千端口數(shù)的樣品，從而使構建中等規(guī)模和大規(guī)模光纖網(wǎng)絡節(jié)點成為可能。在可靠性方面，單晶硅極好的機械性能可使制成的器件能夠抗疲勞，由于單晶硅中沒有位錯，所以從本質上它不會產生疲勞，是一種完美的彈性材料。MEMS光開關的壽命已超過3800萬次，并且在溫度循環(huán)、沖擊、振動和長期高溫貯存等可靠性指標方面，均滿足Telcordia GR-1073-Core標準。在成本方面，MEMS光開關為降低系統(tǒng)成本提供了多種可能，MEMS芯片的功能度使得更低成本的網(wǎng)絡設置和架構以及光纖層的保護成為可能。MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系統(tǒng)的外形可以縮小，節(jié)省了中繼器和終端節(jié)點占用的地盤。MEMS器件的單批產量很高，經(jīng)濟性好，而且器件與器件之間重復性好。執(zhí)行器與光器件集成在單個芯片上，可以在一個硅片上重復多次，從而可以提供價格更低的光器件。這些在成本方面的節(jié)約將使器件價格下降，最終降低設備和營運成本。 

        發(fā)展概況

　　盡管率先將MEMS光開關商用化的OMM公司在今年（2003）3月因最后獲得資金的希望破滅而暫時關閉，去年（2002）Onix關門、IMMI轉向以及采用3D-MEMS技術曾研制出1152´1152光開關的Xros前年（2001）被Nortel收購。目前仍有不少的機構（包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nortel等）在進行MEMS光開關的應用開發(fā)。 目前全球有60家左右的MEMS制造工廠，上百家MEMS領域的新興公司以及更多的大學和研究機構。世界領先的Coventor公司的MEMS 計算機輔助設計（CAD）軟件工具，目前全球的用戶已超過300家。除MEMS光開關外，據(jù)筆者不完全統(tǒng)計，目前擁有MEMS技術設備并能提供相關光器件的公司主要有：JDSU、Santec、Memscap、Intpax、Umachines、Baynet、Avanex、Agere、InLight、Bandwidth9、Fujitsu、Go4fiber、lucent、networkelements、nortel、Olympus、NetworkPhotonics、Siemens、Teraoptix、Finisar、MCI、chromux、AXSUN、MegaSense、Sercalo、Molecular、Bookham、LIGHTech、Dicon、Lightconnect、Cypress、Novera等。最近Fujitsu宣布將發(fā)展一項采用MEMS技術的80通道的光開關，其切換速度將是1微秒，這是截至目前多通道光開關的最高切換速度。

        此外，日本Olympus也開始進行MEMS研發(fā)部門新的整合計劃，其計劃不僅包括可變光衰減器、光MEMS開關等光通信MEMS芯片，而且還包括設計、制造和封裝用于光網(wǎng)絡、生物、醫(yī)藥和工業(yè)用途的MEMS產品。目前，全球已有數(shù)十家公司將MEMS技術作為光器件的基本開發(fā)技術，現(xiàn)已有的產品包括光開關、可變光衰減器、可調濾波器、可調激光器、共振腔探測器、增益均衡器、調制器及光斬波器等。據(jù)市場調研公司CIR預測：光MEMS市場將從2003年的5.6億美元增加到2007年的17億美元，其中，基于MEMS的小型光開關將取代傳統(tǒng)的機械式光開關，而依賴光MEMS構建的設備的實際市場總額則將達到數(shù)十億美元。
 
        結語
 
　　全球光纖通信市場在經(jīng)歷了近三年的冬眠期之后，隨著朗訊市場份額的好轉和市值的抬頭，使人們重新燃起了春天的希望。盡管近年來MEMS光器件制造商風云變幻，潮起潮落，但MEMS技術的應用領域不僅僅是光通信，依然保持著強勁的生命力。以其研究方向多元化、加工工藝多樣化、系統(tǒng)單片集成化、制造與封裝統(tǒng)一化、應用領域全面化為標志的固有特征和先天優(yōu)勢，必將在通信、導航、傳感、醫(yī)用、交通、航空航天等軍事和民用領域得到廣泛的推廣和應用。