本文將向各用戶簡要介紹應(yīng)用于光纖通訊領(lǐng)域的微電機(jī)芯（MEMS）技術(shù)。希望通過本文的介紹能讓讀者對(duì)其技術(shù)特征和發(fā)展趨勢有初步的了解。

一、概述

MEMS技術(shù)的英文全稱是：Micro-Electro-MechanicalSystems，一般也稱作微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，其含義是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。MEMS技術(shù)的特點(diǎn)主要是：

1）微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。

2）以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。

3）批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。

4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。

5）多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

MEMS發(fā)展的目標(biāo)在于，通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟了一個(gè)嶄新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。MEMS可以完成大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，也可嵌入大尺寸系統(tǒng)中，把自動(dòng)化、智能化和可靠性水平提高到一個(gè)新的水平。MEMS在工業(yè)、信息和通信、國防、航空航天、航海、醫(yī)療和物生工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用前景。目前，MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域中領(lǐng)先的有：汽車、醫(yī)療和環(huán)境；正在增長的有：通信、機(jī)構(gòu)工程和過程自動(dòng)化；還在萌芽的有：家用/安全、化學(xué)/配藥和食品加工。二十一世紀(jì)MEMS將逐步從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没瑢?duì)工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國防和科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

二、MEMS技術(shù)研發(fā)動(dòng)態(tài)

傳統(tǒng)上的微機(jī)電芯主要分為傳感器（Sensor）和觸動(dòng)器（Actuator）兩大類，在工控、儀表等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著近年了光纖網(wǎng)絡(luò)的興起，用于網(wǎng)絡(luò)通訊的MEMS技術(shù)引起了工業(yè)界濃厚的興趣。由于光纖通訊巨大市場和利潤的刺激，用于光網(wǎng)的微機(jī)電芯技術(shù)已成為發(fā)展最快的應(yīng)用領(lǐng)域，即使在當(dāng)前全球光通訊產(chǎn)業(yè)處于調(diào)整期間，各大公司及科研機(jī)構(gòu)仍在繼續(xù)投資研發(fā)其技術(shù)產(chǎn)品，力爭在未來城域網(wǎng)的大發(fā)展中爭得商機(jī)。目前的研發(fā)動(dòng)態(tài)多是以國家型實(shí)驗(yàn)室和國際上大公司為主導(dǎo)，進(jìn)行跨國性合作，帶領(lǐng)跨領(lǐng)域研發(fā)團(tuán)隊(duì)投入研發(fā)資源，以達(dá)到資源整合的目的。因此圍繞MEMS的光通訊交換和傳輸技術(shù)正成為業(yè)界少見的技術(shù)熱點(diǎn)。

在全球各國和地區(qū)中，目前發(fā)展MEMS以歐盟最為積極，13個(gè)國家每年投入12億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi)、設(shè)立了120個(gè)實(shí)驗(yàn)室、扶植了350家公司；

美國方面，每年投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)2～7億美元，有25個(gè)實(shí)驗(yàn)室、100家公司參與研發(fā)。特別是在矽谷，在光通訊領(lǐng)域中，當(dāng)前研發(fā)方向主要是高速（HighSpeed）、高集成性以及微機(jī)電（MEMS）工藝等。2000年投入MEMS的廠商就有28家，在MEMS工藝尚未成熟前，這些公司距離量產(chǎn)還有相當(dāng)時(shí)間。

日本每年研發(fā)經(jīng)費(fèi)2.5億美元，有13個(gè)研究組織、30家公司；

南韓每年投入的研發(fā)經(jīng)費(fèi)為2億美元，有5個(gè)實(shí)驗(yàn)室、10家公司；

臺(tái)灣在1999年投入總經(jīng)費(fèi)為新臺(tái)幣6.4億元，進(jìn)行的國家型計(jì)劃有微型元件、微型光元件與系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微型射頻及微波元件等。

三、在光通訊領(lǐng)域中的市場應(yīng)用預(yù)測

目前MEMS技術(shù)在光通訊產(chǎn)業(yè)中的率先應(yīng)用是在光纖開關(guān)和相關(guān)元件。據(jù)CIR（通訊工業(yè)研究者公司）預(yù)測，盡管當(dāng)前電信消費(fèi)進(jìn)入低迷期，希望銷售光纖開關(guān)子系統(tǒng)和元件的公司仍按照2005年美國市場將從成長到11億美元的估計(jì)來調(diào)整其未來方向。成長最快的技術(shù)部份將是3DMEMS。盡管此市場仍在等待大量新進(jìn)開發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品，但CIR預(yù)計(jì)，到2005年，此市場的年銷售額成長將接近于3億美元。年均增長率將達(dá)到200％。此預(yù)測報(bào)告稱，至2005年年底之前，各種MEMS產(chǎn)品總計(jì)將占整個(gè)美國光纖開關(guān)子系統(tǒng)和元件市場的54％。光纖開關(guān)元件和子系統(tǒng)的最大應(yīng)用將是光纖交叉連接（OXCs）。此應(yīng)用市場的銷售收入將達(dá)到大約5.8億美元。保護(hù)開關(guān)將繼續(xù)以大約40％的年成長率成長中，但此市場內(nèi)，小型固態(tài)電路、液晶和MEMS開關(guān)將逐步取代傳統(tǒng)的光學(xué)機(jī)械式開關(guān)。

這家產(chǎn)業(yè)分析公司預(yù)計(jì)，超過64埠的元件和子系統(tǒng)市場將有成長的機(jī)會(huì)。盡管現(xiàn)在還幾乎不存在這類產(chǎn)品，CIR仍認(rèn)為，此市場到2005年將達(dá)到2.3億美元。

因此可見，由于光通訊市場的巨大需求，形形色色的MEMS工藝技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，MEMS技術(shù)在此領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用，將成為帶動(dòng)光通訊產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于MEMS工藝技術(shù)而言，最大的挑戰(zhàn)并不是推出精巧與眾不同的設(shè)計(jì)，而是如何將整個(gè)的生產(chǎn)制造流程簡化，縮短批量生產(chǎn)所需的時(shí)間以及提高成品率。

四、在光通訊產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用簡介

1、硅晶體上做文章

現(xiàn)代MEMS的工藝技術(shù)和硅芯片的工藝技術(shù)同源而出，都是在硅晶體上做文章。很多MEMS的生產(chǎn)線其前身就是硅芯片的工藝生產(chǎn)線。MEMS工藝技術(shù)的基本精神是在硅晶體上刻出微觀結(jié)構(gòu)，比如微鏡架等。和芯片工藝相比，MEMS工藝不僅僅對(duì)于傳統(tǒng)平面二維光刻技術(shù)提出了更高的要求，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)需要，更發(fā)展出了獨(dú)特的三維刻蝕，鏤空等技術(shù)手段。

2.用于光通訊交換的MEMS

對(duì)于光通訊而言，發(fā)展全光交換系統(tǒng)一直就是業(yè)界孜孜不倦所追求的目標(biāo)。而MEMS技術(shù)則被普遍認(rèn)為是目前能夠被用來實(shí)現(xiàn)全光交換最有希望的技術(shù)手段，是建立WDM（wavelengthdivisionmultiplexing）網(wǎng)絡(luò)方面被認(rèn)為是不可缺少的技術(shù)。

基于MEMS技術(shù)的全光交換原理并不復(fù)雜。MEMS技術(shù)被用來在硅晶上刻出微小的反射鏡，這些微小的反射鏡被排成一個(gè)二維的陣列。每一個(gè)反射鏡都有一個(gè)活動(dòng)的微鏡架以及可以被電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的微鉸鏈。處于正常狀態(tài)的微反射鏡平躺著，電壓信號(hào)加上后，微反射鏡立起來，可以將入射光信號(hào)反射到垂直的方向上去。一個(gè)nxn的二維反射陣列可以用來控制n束信號(hào)光之間的全交換。

雖然原理并不復(fù)雜，MEMS全光交換的技術(shù)實(shí)現(xiàn)卻并不簡單。可以用于商業(yè)系統(tǒng)的MEMS全光交換系統(tǒng)依然是鳳毛麟角，大多數(shù)的系統(tǒng)仍處于實(shí)驗(yàn)階段。但在光學(xué)和硅技術(shù)上取得的進(jìn)步每天都在推動(dòng)業(yè)界向這一目標(biāo)邁進(jìn)。一年前OMM公司在一個(gè)無人值守的端局內(nèi)的現(xiàn)場試驗(yàn)第一次演示了基于MEMS子系統(tǒng)的光交換機(jī)成功地傳送了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。現(xiàn)場試驗(yàn)提供了一套包括4×4和8×8全光交叉連接交換機(jī)的光交叉連接子系統(tǒng)。這次試驗(yàn)是由美透明光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（NTONC）主持的。NTONC包括北電網(wǎng)絡(luò)、GST電信公司、Sprint通信公司、LawrenceLivermore國家實(shí)驗(yàn)室和BART公司等。在整個(gè)試驗(yàn)過程中光交換機(jī)的工作都很正常。

據(jù)了解，目前業(yè)界已經(jīng)有超過50家制造商展示了這方面的技術(shù)和產(chǎn)品。如美國朗訊科技公司分離出來并獨(dú)立的美國AgereSystens公司演示了通道數(shù)為64×64的3維反射鏡型光開關(guān)。該公司計(jì)劃從2001年第2季度開始提供工業(yè)樣品，而從2001年第3季度開始提供量產(chǎn)品。該產(chǎn)品的切換時(shí)間為10ms。人們認(rèn)為該3維反射鏡型有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大規(guī)模化。這些MEMS技術(shù)產(chǎn)品的試驗(yàn)和展示驗(yàn)證了MEMS的高可靠性和出色的光性能，預(yù)示著光交換的新時(shí)代已經(jīng)到來。

3.用于光通訊傳輸?shù)腗EMS

除了用于光交換，MEMS技術(shù)還被廣泛地應(yīng)用于光通訊傳輸。基于MEMS技術(shù)的可調(diào)激光器一直是非常熱門的研究方向。這種激光器共振腔的腔長由一個(gè)MEMS裝置來控制，通過改變腔長來達(dá)到調(diào)節(jié)和改變光波長的目的。隨著光纖傳輸速率的提高，光纖的非線性效應(yīng)，色散效應(yīng)越來越不容忽視。對(duì)于不同波長，光纖放大器的增益會(huì)有所不同。MEMS技術(shù)可以用來設(shè)計(jì)補(bǔ)償和平衡的元器件，平衡增益，補(bǔ)償位相。

在這方面居于領(lǐng)先地位的美國Bandwidth9公司正研發(fā)全世界第一個(gè)可調(diào)式波長（Tunable）垂直共振腔面型雷射（VCSEL），可以整合微機(jī)械（MEMS）與VCSEL，能夠直接調(diào)整，以達(dá)到光纖中OC-48與OC-192的傳輸需要。這種可調(diào)式雷射新技術(shù)可讓光纖網(wǎng)路更加有彈性，并可因需要而有所伸縮。

綜上所述，MEMS技術(shù)在光通訊產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用前景是非常廣闊的，由此而帶來的市場、投資商機(jī)將是數(shù)十億美元的市場，而當(dāng)前光通訊產(chǎn)業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品調(diào)整期，未來市場對(duì)光通訊產(chǎn)品的要求有很多是需要應(yīng)用MEMS技術(shù)去發(fā)展、適應(yīng)的，因此很多光通訊老牌公司和業(yè)界新秀都瞄準(zhǔn)了這一市場在努力研發(fā)。相信在如此強(qiáng)大的市場推動(dòng)下，光通訊領(lǐng)域及MEMS技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)非常精彩。