微光机电系统技术的研究与应用(上)
20世纪60年代发展起来的微电子技术和集成电路(IC),已构**类文明的重要基础。获得巨大成功的微电子技术引入微型机械领域,又引发了一场革命,而1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制的转子直径为60mm和100mm的硅微型静电电机,显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与IC兼容制造微小系统的潜力,在国际上引起轰动。科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实,同时,也标志着微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems, MEMS）的诞生。自此,学术界开始把MEMS作为一个独立的边缘学科进行国际范围的学术研究。
近年来,随着微机电系统技术的不断成熟,其应用领域不断拓宽。目前,MEMS输出力矩小成为其发展的一个障碍。而光系统无需力矩输出,且由于通过微机电系统牺牲层腐蚀技术(即选择性地腐蚀去掉一层材料而形成悬空结构)实现了可动结构,使得MEMS技术与微光学相结合而形成的微光机电系统(Optical MEMS 或MOEMS),又称光MEMS受到人们更大的关注。
从广义上讲,微光机电系统是指集微机械结构、微传感器、微执行器、信号处理与控制电路、接口电路以及微光学元件等于一体的微系统。MOEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域,它几乎涉及到自然科学和工程技术的所有领域,如光学、机械、电子、材料、信息技术、物理、化学、生物、医学等学科。
MOEMS技术的研究可追溯到20世纪60年代科学家对薄膜现象、波导的研究。1969年,Milier就已经提出了“集成光学”的概念,但由于当时微光学、微电子和微型机械技术,特别是硅微加工技术的限制,集成光学的研究没有大的进展。80年代中期,MEMS技术的迅猛发展,硅微加工新技术不断涌现,尤其是利用牺牲层腐蚀技术实现了微可动结构,为微光机电系统技术的发展打下了坚实的基础。
可移动结构对光系统来说是非常诱人的,因为小的机械位移常常产生比传统光电或自由载流子效应更强的物理效应。比如,在干涉仪中,1/4波长的位移能产生开/断开关的作用。所以,自从MEMS技术实现了可动结构以来,MOEMS为光学装置功能的扩展和光学系统的微型化提供了空前的发展机会。之后,MOEMS技术的研究如火如荼。近年来,MOEMS器件应用在光通信领域,使MOEMS找到了一个强大的同盟,MOEMS的研究如日中天。
当前,光学正处在与几十年前IC发明前的电子学相同的阶段,其发展前景是非常诱人的。以下本文就微光机电系统在光纤通信、光学研究、数据存储、图象处理等领域中的应用作一概略介绍,以期读者对MOEMS技术的研究与应用有所了解。
随着世界通信业务量的飞速增长,高速大容量的宽带综合业务数字网(B-ISDN)已成为现代通信网络的发展趋势。有人作了一个有趣的估算,如果将33卷的不列颠大百科全书用数字通信的方式传输,70年代末只能用电话线路,大约需84小时。80年代末有了光纤的窄带综合业务教学网(N-ISDN）,速度大大加快,只需13小时。而正在迅速发展的宽带综合业务数字网传输同样的信息量仅需4.7秒。目前,全光通信网技术已成为国际上的研究热点。
