20世紀60年代發(fā)展起來的微電子技術和集成電路(IC)，已構成人類文明的重要基礎。獲得巨大成功的微電子技術引入微型機械領域，又引發(fā)了一場革命，而1987年由華裔留美學生馮龍生等人研制的轉子直徑為60mm和100mm的硅微型靜電電機，顯示出利用硅微加工工藝制作微小可動結構并與IC兼容制造微小系統(tǒng)的潛力，在國際上引起轟動?？苹眯≌f中描述把自己變成小昆蟲鉆到別人的居室或心臟中去的場景將要成為現(xiàn)實,同時，也標志著微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems， MEMS）的誕生。自此，學術界開始把MEMS作為一個獨立的邊緣學科進行國際范圍的學術研究。

近年來，隨著微機電系統(tǒng)技術的不斷成熟，其應用領域不斷拓寬。目前，MEMS輸出力矩小成為其發(fā)展的一個障礙。而光系統(tǒng)無需力矩輸出，且由于通過微機電系統(tǒng)犧牲層腐蝕技術(即選擇性地腐蝕去掉一層材料而形成懸空結構)實現(xiàn)了可動結構，使得MEMS技術與微光學相結合而形成的微光機電系統(tǒng)(Optical MEMS 或MOEMS),又稱光MEMS受到人們更大的關注。

從廣義上講，微光機電系統(tǒng)是指集微機械結構、微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理與控制電路、接口電路以及微光學元件等于一體的微系統(tǒng)。MOEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，它幾乎涉及到自然科學和工程技術的所有領域，如光學、機械、電子、材料、信息技術、物理、化學、生物、醫(yī)學等學科。

MOEMS技術的研究可追溯到20世紀60年代科學家對薄膜現(xiàn)象、波導的研究。1969年，Milier就已經(jīng)提出了“集成光學”的概念，但由于當時微光學、微電子和微型機械技術,特別是硅微加工技術的限制，集成光學的研究沒有大的進展。80年代中期，MEMS技術的迅猛發(fā)展，硅微加工新技術不斷涌現(xiàn)，尤其是利用犧牲層腐蝕技術實現(xiàn)了微可動結構，為微光機電系統(tǒng)技術的發(fā)展打下了堅實的基礎。

可移動結構對光系統(tǒng)來說是非常誘人的，因為小的機械位移常常產(chǎn)生比傳統(tǒng)光電或自由載流子效應更強的物理效應。比如，在干涉儀中，1/4波長的位移能產(chǎn)生開/斷開關的作用。所以，自從MEMS技術實現(xiàn)了可動結構以來，MOEMS為光學裝置功能的擴展和光學系統(tǒng)的微型化提供了空前的發(fā)展機會。之后，MOEMS技術的研究如火如荼。近年來，MOEMS器件應用在光通信領域，使MOEMS找到了一個強大的同盟，MOEMS的研究如日中天。

當前，光學正處在與幾十年前IC發(fā)明前的電子學相同的階段，其發(fā)展前景是非常誘人的。以下本文就微光機電系統(tǒng)在光纖通信、光學研究、數(shù)據(jù)存儲、圖象處理等領域中的應用作一概略介紹，以期讀者對MOEMS技術的研究與應用有所了解。

隨著世界通信業(yè)務量的飛速增長，高速大容量的寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)已成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。有人作了一個有趣的估算，如果將33卷的不列顛大百科全書用數(shù)字通信的方式傳輸，70年代末只能用電話線路，大約需84小時。80年代末有了光纖的窄帶綜合業(yè)務教學網(wǎng)(N-ISDN），速度大大加快，只需13小時。而正在迅速發(fā)展的寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)傳輸同樣的信息量僅需4.7秒。目前，全光通信網(wǎng)技術已成為國際上的研究熱點。

90年代初，在一些發(fā)達國家中，人們預計原有的銅纜會從1992年起逐漸被FTTC(光纖到社區(qū)）代替；從1995年起逐漸被FTTH（光纖到家)代替。1998年這種趨勢已被證實。但是，步子已經(jīng)放慢，特別是光纖到家。光傳送網(wǎng)的推廣，光纖到戶能否實現(xiàn)，取決于網(wǎng)絡的價格，只有價格到了可接受的地步，才能真正進入家庭。光傳送網(wǎng)中高性能、低價位光學元器件是降低光傳送網(wǎng)成本的關鍵。然而，傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡中存在大量的光/電、電/光轉換節(jié)點和數(shù)字交叉互聯(lián)電分插復用器，既限制了網(wǎng)絡的交換速度，又對不同形式的光信號是不透明的。光功能器件和波導或光纖的連接需要亞微米的定位精度(精密定位是復雜的調整操作)，所以提高了光功能器件的成本，限制了光傳送網(wǎng)的發(fā)展。光/電、電/光器件的微型化也是很難解決的問題。因此，光通信器件的價格和微型化已成為光傳送網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。目前，MOEMS技術是解決這一瓶頸問題的有效途徑。

微機械光學器件可提高光交換速度，而且微機械加工技術可提供高精度的定位，滿足全光通信網(wǎng)的需求，能大批量生產(chǎn),成本低。預計在本世紀將會形成新的高技術產(chǎn)業(yè)的增長點。由于其巨大的市場潛力和商用價值，美、日等國的政府和國際上著名的大公司如IBM、Nortel和Lucent等投入大量的人力和資金進行研究。尤其是去年年初，Nortel以不可思議的天價32.5億美元收購了一家研制MEMS光開關的小公司XROS，成為去年IT領域最轟動的事件之一。該公司剛剛成立幾年，產(chǎn)品尚在研制階段，Nortel之所以斥巨資購買該公司，并不主要是看中其產(chǎn)品，而是注重MEMS在光通信中的廣闊發(fā)展前景。

可用于全光網(wǎng)絡的MEMS器件主要包括微型光開關陣列、可調衰減器、光濾波器和復用/解復用器等。

在全光通信網(wǎng)中，光交換技術的好壞直接決定了光傳送網(wǎng)的規(guī)模、復雜性、靈活性等各項技術指標。光開關是光交換技術中的核心器件，是影響光交換技術的關鍵，是實現(xiàn)光纖到家的關鍵裝置。表1列出了7種正在開發(fā)研制的光開關的性能。由表1可以看出，MEMS光開關的優(yōu)勢明顯。MEMS光開關在開關速度、透明性、功耗和串擾等性能比其它各類光開關具有明顯的優(yōu)點。除此之外，MEMS光開關還用于光信息處理系統(tǒng)和光學測量系統(tǒng)，實現(xiàn)光路的轉換、切換和光信息處理。

由于光開關在軍事領域的巨大應用前景及其在光通信網(wǎng)中的重要位置,誘人的巨大市場潛力和商用價值，近幾年MEMS光開關的研究成為國際研究熱點之一。從最簡單的開/合開關到1×2、1×N、N×N微機械光開關均有研究。由于光通信網(wǎng)中需求的是大量(多達上千個)±10端口的光開關，所以，多通道,能大批量生產(chǎn)也是人們追求的目標。

目前，微機械光開關及其陣列包括數(shù)字式和模擬式兩種。數(shù)字式微機械光開關容易控制，但參與開關的元件(如微鏡)數(shù)為N2；而模擬式光開關參與開關的元件(如微鏡)數(shù)為2N，但控制復雜。數(shù)字式微機械光開關研究較多的有1×2、1×N、2×2、4×4, 8×8, 16×16, 和32×32光開關，8×8的微機械光開關已有少量應用。圖1(a)所示為一8×8光開關微鏡陣列；圖1(b)為MEMS光開關的原理圖，當微鏡處于水平位置時，允許光束通過；當微鏡處于垂直位置時，將光束反射至輸出光纖。圖1?為微鏡驅動結構。該驅動器是采用靜電驅動抓爬結構水平移動，帶動與之鉸接的連桿轉動，使與連桿另一端鉸接的微鏡轉動，以使微鏡完成直立的動作。模擬式的微機械光開關已有1024×1024光開關的報道。圖2(a）所示為256×256微機械光開關的原理圖，通過兩個轉動微鏡和一個固定反射鏡完成一個光路的轉換。圖2(b)為該光開關的雙軸式微鏡。

光衰減器是光強度調節(jié)和測量中不可或缺的器件，是在網(wǎng)絡中進行動態(tài)功率調整的主要器件。

光衰減器分為固定衰減器和可調衰減器兩種。一般要求光衰減器體積小、重量輕、衰減精度高、穩(wěn)定可靠、價格低廉，而這正是MEMS技術具有的特點。圖3是一種可調衰減器。該衰減器是采用梳齒靜電驅動器驅動反射板阻擋光束的程度，以達到衰減光束強度的目的。其原理如圖3(b)所示。可調衰減器使用靈活、適用范圍大，且用MEMS技術也較易實現(xiàn)。

復用/解復用器是對光波波長進行分離與合成的光器件。它是構建光交叉聯(lián)接器的重要器件。其工作原理如圖4所示。當器件用作解復用器時，注入到輸入端口(單端口)的各種光波信號，分別按波長傳輸?shù)綄妮敵龆丝?N個端口之一）。對于不同的工作波長其輸出端口是不同的。在器件用作復用器時，其作用同上述情況相反。復用/解復用器一般有干涉濾光膜、光柵以及波導等形式。圖5所示為Fabry-Perot濾波器的工作原理圖。其原理是:當由薄膜材料和襯底組成的諧振腔的初始間距為光波長的3/4時，光信號無法通過諧振腔；施加電壓后，薄膜被靜電力吸下。當諧振腔的間距變?yōu)椴ㄩL的1/2時，由于相消干涉（destructive interference）,薄膜的反射率很低，允許光信號通過。圖6所示為一解復用器，它通過波導傳輸光信號。當光信號從波導中輸出后，散射到光柵上，通過光柵將不同波長的光束反射到特定位置上的波導，由波導分別將不同波長的光束輸出，圖7為各種類型的光柵。■