隨著(zhù)信息技術(shù)、光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領(lǐng)域是與光學(xué)相結合，即綜合微電子、微機械、光電子技術(shù)等基礎技術(shù)，開(kāi)發(fā)新型光器件，稱(chēng)為 微光機電系統（光學(xué)MEMS）。它能把各種MEMS結構件與微光學(xué)器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起，形成一種全新的功能系統。

光學(xué)MEMS具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅動(dòng)和控制等特點(diǎn)。目前較成功的應用科學(xué)研究主要集中在兩個(gè)方面：

1. 基于光學(xué)MEMS的新型顯示、投影設備；

2. 通信系統中的光開(kāi)關(guān)調制器、光濾波器及復用器等光通信器件。

光學(xué)MEMS是綜合性和學(xué)科交叉性很強的高新技術(shù)，開(kāi)展這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究，可以帶動(dòng)大量的新概念的功能器件開(kāi)發(fā)。

光學(xué)MEMS技術(shù)應用主要分為光學(xué)執行器、光學(xué)傳感器、光學(xué)加工制造三類(lèi)。

Ⅰ、光學(xué)MEMS器件設計與制造流程

光學(xué)MEMS器件設計包括 MEMS 光芯片設計 和 光學(xué)設計 兩個(gè)關(guān)鍵部分：

l  光芯片設計：采用專(zhuān)業(yè)的MEMS設計軟件對芯片的運動(dòng)模態(tài)、驅動(dòng)特性、微結構應力、阻尼特性、抗震動(dòng)特性、工藝容差等進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而確定芯片微結構的各項技術(shù)參數。

l  光學(xué)設計：完成器件的光學(xué)封裝的光路設計和仿真，通常還涉及光纖耦合設計。

光學(xué)MEMS 芯片的制造分為 體硅工藝 和 表面硅工藝 兩種工藝路線(xiàn)。這些工藝大部分來(lái)自于IC 工藝，也有一部分是MEMS 的特色工藝，如硅-硅鍵合、硅深刻蝕、犧牲層工藝等。

測試與封裝挑戰

光學(xué)MEMS芯片制造完成后的測試，采用晶圓級測試可以大大加快測試速度，但晶圓級測試機臺往往需要定制開(kāi)發(fā)。光學(xué)MEMS晶圓的切割是最有挑戰性的工藝，這主要緣于光學(xué)芯片的微細可動(dòng)結構和微鏡面不能沖水、不能貼藍膜、不能沾污顆粒。

光學(xué)MEMS器件的光電封裝是產(chǎn)品化的關(guān)鍵步驟，其不同于IC及其他MEMS器件的封裝，需要采用帶光學(xué)窗口的密封金屬管殼進(jìn)行電連接、氣密封裝，再完成光學(xué)對光耦合。與標準封裝方式不同，光學(xué)MEMS封裝屬于特殊封裝，其封裝成本在器件或系統總成本占據很大的比重，可高達60%-70%。

Ⅱ、光學(xué)MEMS 的主要應用領(lǐng)域

光學(xué)MEMS 的主要應用領(lǐng)域如下表所示：

此外，由于智能手機和平板電腦越來(lái)越普及以及用戶(hù)對用戶(hù)體驗的要求越來(lái)越高，環(huán)境光傳感器和接近傳感器等光學(xué)MEMS傳感器的需求也在不斷增長(cháng)。同時(shí)，CMOS圖像傳感器在消費電子、生物醫學(xué)、汽車(chē)電子以及智能安防等各領(lǐng)域的廣泛應用也使得其成為最大的細分市場(chǎng)領(lǐng)域。

光學(xué)MEMS傳感器因為應用和市場(chǎng)驅動(dòng)呈現高速的增長(cháng)趨勢。

Ⅲ、光學(xué)MEMS器件分類(lèi)與原理

光學(xué)MEMS 器件是集成制造的微型光學(xué)元件與MEMS執行器，其光學(xué)原理分為反射、干涉、衍射、透射、遮擋等幾種，以 反射型器件為主。光學(xué)MEMS器件中制造的微型光學(xué)元件包括：

l  微反射鏡

l  微透鏡

l  微棱鏡

l  光柵

l  衍射光學(xué)元件

l  FP干涉儀

光學(xué)MEMS 器件中的MEMS 執行器的驅動(dòng)方式包括：

l  靜電驅動(dòng)（平板驅動(dòng)器/平面梳齒驅動(dòng)器/垂直梳齒驅動(dòng)器）

l  電磁驅動(dòng)器

l  壓電驅動(dòng)器

l  電熱驅動(dòng)器

其運動(dòng)方式包括離面垂直運動(dòng)、面內平動(dòng)、扭轉運動(dòng)、諧振等。

目前光學(xué)MEMS傳感器可以分為三類(lèi)：

1. MEMS光開(kāi)關(guān)

2. 可調式光衰減器（VOA）

3. MEMS微鏡

1. MEMS光開(kāi)關(guān)：智能光通信的核心器件

MEMS光開(kāi)關(guān)在光通信中起到光路切換、光路保護等作用，還廣泛應用于光纖線(xiàn)路的監測、光器件測試系統。

MEMS光開(kāi)關(guān)的基本原理是采用光學(xué)微鏡或光學(xué)微鏡陣列改變光束的傳播方向實(shí)現光路的切換，已發(fā)展出了很多新穎的MEMS 光開(kāi)關(guān)結構。

MEMS技術(shù)制作的光開(kāi)關(guān)是將機械結構、微觸動(dòng)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(kāi)關(guān)和波導型光開(kāi)關(guān)具有更好的性能，如：

l  低插損

l  小串音

l  高消光比

l  重復性好

l  響應速度適中

l  與波長(cháng)、偏振、速率及調制方式無(wú)關(guān)

l  壽命長(cháng)、可靠性高

l  可擴展成大規模光交叉連接開(kāi)關(guān)矩陣

MEMS光開(kāi)關(guān)有兩種結構形式：

l  二維數字結構：所有微反射鏡和輸入輸出光纖位于同一平面上，通過(guò)靜電致動(dòng)器使微鏡直立和倒下或使微鏡以“蹺蹺板”的方式處于光路和彈出光路的工作方式來(lái)實(shí)現“開(kāi)”和                 “關(guān)”的功能。

l  三維模擬結構：所有微反射鏡處于相向的兩個(gè)平面上，通過(guò)改變每個(gè)微鏡的不同位置來(lái)實(shí)現光路的切換。

MEMS 光開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢

MEMS 光開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢體現在性能、功能、規模、可靠性和成本等多個(gè)方面：

l  在插入損耗、波長(cháng)平坦度、PDL（偏振相關(guān)損耗）和串擾方面，MEMS技術(shù)能達到的性能可與其他技術(shù)所能達到的最高性能相比。

l  在成本方面，MEMS光開(kāi)關(guān)為降低系統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(luò )設置和架構以及光纖層的保護成為可能。

l  MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系統的外形可以縮小，節省了中繼器和終端節點(diǎn)占用的地盤(pán)。

l  MEMS器件的單批產(chǎn)量很高，經(jīng)濟性好，而且器件與器件之間重復性好。

2. 可調式光衰減器（VOA）：動(dòng)態(tài)功率控制的關(guān)鍵器件

光衰減器是光纖通信中使用最廣泛的光器件之一，其功能是完成對光信號功率的控制。MEMS 可調光衰減器能夠快速電響應、動(dòng)態(tài)可調諧、體積小、成本低，是目前應用量最大的MEMS 光器件。

MEMS VOA 分為 反射式VOA 和 衍射式VOA：

反射式VOA

工作原理是在硅基上制作一塊微反射鏡。光經(jīng)過(guò)雙光纖準直器的一端進(jìn)入，以一定角度入射到微反射鏡上，當施加電壓時(shí)，微反射鏡在靜電作用下被扭轉，傾角改變，入射光的入射角度發(fā)生改變，光反射后能量不能完全耦合進(jìn)雙芯準直器的另一端，達到調節光強的目的。

衍射式VOA

基于動(dòng)態(tài)衍射光柵技術(shù)，采用MEMS 平移執行器控制光學(xué)衍射元件（如光柵）的相位，改變光衍射效率，實(shí)現對光信號功率的控制。這種動(dòng)態(tài)衍射光柵由平行微柵條陣列構成，微柵條上表面鍍以200~300nm 厚的鋁膜，起電極和反射光的雙重作用。

3. MEMS 微鏡：激光掃描與顯示的核心組件

MEMS微鏡是指采用光學(xué)MEMS技術(shù)制造的，把微光反射鏡與MEMS驅動(dòng)器集成在一起的光學(xué)MEMS器件。MEMS微鏡的運動(dòng)方式包括平動(dòng)和扭轉兩種機械運動(dòng)。

對于扭轉MEMS微鏡，當其光學(xué)偏轉角度較大（達到10°以上），主要功能是實(shí)現激光的指向偏轉、圖形化掃描、圖像掃描時(shí)，可被稱(chēng)為“MEMS 掃描鏡”。

MEMS 掃描鏡是激光應用必不可少的關(guān)鍵激光元器件，應用領(lǐng)域已滲透到消費電子、醫療、軍事國防、通訊等。

主要應用領(lǐng)域：

l  激光掃描：激光雷達、3D 攝像頭、條形碼掃描、激光打印機、醫療成像

l  光通信：光分插復用器、光衰減器、光開(kāi)關(guān)、光柵

l  數字顯示：高清電視、激光微投影、數字影院、汽車(chē)抬頭顯示（HUD）、激光鍵盤(pán)、增強現實(shí)（AR）

Ⅳ、四大驅動(dòng)方式對比：靜電、電磁、電熱、壓電

MEMS微鏡按原理區分主要包括四種驅動(dòng)方式：

1. 靜電驅動(dòng)：利用電荷間的庫侖力作為驅動(dòng)力，工藝兼容性好，便于成。

2. 電磁驅動(dòng)：電流驅動(dòng)，驅動(dòng)電壓低，無(wú)須升壓芯片，適合線(xiàn)性驅動(dòng)。

3. 電熱驅動(dòng)：利用材料對溫度的敏感而產(chǎn)生不同的形變量，驅動(dòng)結構樣。

4. 壓電驅動(dòng)：利用材料的逆壓電效應，通過(guò)外界電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生微位移。

Ⅴ、光學(xué)MEMS的未來(lái)發(fā)展趨勢

光學(xué)MEMS技術(shù)在20 世紀80 年代左右開(kāi)始起步，至今已有三十多年的發(fā)展歷程。當前，光學(xué)MEMS 還處于發(fā)展的早期階段，未來(lái)發(fā)展方向包括：

1. 理論探索與多學(xué)科交叉研究：推動(dòng)CAD工具開(kāi)發(fā)與綜合仿真平臺建設。

2. 納米結構自適應光學(xué)裝置：提升微鏡表面質(zhì)量，增強器件穩定性。

3. 功能性擴展與系統集成：結合傳統物理光學(xué)系統，拓展光譜、偏振、空間屬性控制能力。

Ⅵ、科毅光通信——專(zhuān)注光開(kāi)關(guān)解決方案

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