微光機電系統(MOEMS)是近幾年在微機電系統(MEMS)中發(fā)展起來(lái)的一支極具活力的新技術(shù)系統，它是由微光學(xué)、微電子和微機械相結合而產(chǎn)生的一種新型的微光學(xué)結構系統。MOEMS是一種可控的微光學(xué)系統，該系統中的微光學(xué)元件在微電子和微機械裝置的作用下能夠對光束進(jìn)行匯聚、衍射和反射等控制，從而可最終實(shí)現光開(kāi)關(guān)、衰減、掃描和成像等功能。該系統把微光學(xué)元件、微電子和微機械裝置有機地集成在一起，能夠充分發(fā)揮三者的綜合性能，不僅能夠使光學(xué)系統微型化而降低成本，而且可實(shí)現光學(xué)元件間的自對準，更重要的是這種組合還會(huì )產(chǎn)生新的光學(xué)器件和裝置。MOEMS的出現將極大地促進(jìn)信息通信、航天技術(shù)以及光學(xué)工具的發(fā)展，對整個(gè)信息化時(shí)代將生產(chǎn)深遠的影響。

（圖源網(wǎng)絡(luò )，侵刪）

一、微光機電系統在民用領(lǐng)域的應用研究

MOEMS在光通信、數字圖像獲取、顯示與處理、IT外圍設備、環(huán)境保護、自動(dòng)化生物醫療裝備、工業(yè)維護等方面有著(zhù)很好的應用前景，國外在上述領(lǐng)域開(kāi)展了一系列MOEMS技術(shù)和產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)。

1.光通信

開(kāi)關(guān)元件是光網(wǎng)絡(luò )的核心部件，其性能的好壞是決定網(wǎng)絡(luò )性能的關(guān)鍵?；贛EMS的光開(kāi)關(guān)，由于其與光信號的格式、波長(cháng)、協(xié)議、調制方式、偏振和傳輸方向等均無(wú)關(guān)，而且在損耗和擴展性上都要優(yōu)于其它類(lèi)型，與未來(lái)光網(wǎng)絡(luò )發(fā)展所要求的透明性和可擴展性等趨勢相符合，正在成為核心光交換器件中的主流。最近MOEMS取得的絕大多數創(chuàng )新和進(jìn)步都體現在光通信領(lǐng)域，光通信已經(jīng)成為MOEMS的主要應用領(lǐng)域之一。

近年來(lái)正大力發(fā)展一種集成化的MEMS光開(kāi)關(guān)，即在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動(dòng)的微型鏡片構成的開(kāi)關(guān)陣列。AT&T實(shí)驗室采用MOEMS技術(shù)研制了8×8光開(kāi)關(guān)陣列。此微機械光開(kāi)關(guān)的尺寸大約為1厘米×1厘米，每個(gè)輸入端口對應一個(gè)準直微透鏡，每個(gè)輸出端口對應一個(gè)聚焦微透鏡，光開(kāi)關(guān)的主要組成部分是一個(gè)8行8列的微反射鏡矩陣以及每個(gè)微反射鏡所對應的控制系統，鏡面通過(guò)銷(xiāo)軸聯(lián)接。通過(guò)抓爬驅動(dòng)器使微鏡轉動(dòng)90度，使來(lái)自輸入光纖的光束反射到所希望的輸出光纖中。光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度為亞毫秒級。這種光開(kāi)關(guān)的介入損耗較大，最大可達19.9分貝(見(jiàn)圖1)。目前MEMS光開(kāi)關(guān)還處于研究階段，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化。隨著(zhù)光通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )帶寬的擴大，MEMS光開(kāi)關(guān)會(huì )越來(lái)越受到人們的重視，具有重要的研究?jì)r(jià)值和廣闊的應用前景。

除了MEMS光開(kāi)關(guān)外，目前在光網(wǎng)絡(luò )中用得比較多的MOEMS器件還有光纖開(kāi)關(guān)、光交叉連接設備、波分復用/解復用器、可調諧濾波器、色散補償器、光耦合器等。

2.數字圖像處理

在圖像處理的相關(guān)產(chǎn)品方面，MOEMS技術(shù)大多應用于信息的顯示、打印和處理。其中最為成熟的是數字微鏡裝置(DMD)。圖2所示為美國TI公司研制的DMD光開(kāi)關(guān)原理圖。它通過(guò)可以旋轉10度的扭轉鏡來(lái)完成投影顯示。每個(gè)微鏡下都有驅動(dòng)電極，在下電極與微鏡間加一定的電壓，靜電力使微鏡傾斜，輸入光被反射至鏡頭，投影到屏幕上，未加電壓的微鏡處的光線(xiàn)反射至鏡頭外。這樣，微鏡使每點(diǎn)產(chǎn)生明暗，投影出圖像。目前，已研制出的DMD的像素達2048×1152。DMD可應用于投影儀和電視等裝置上。

二、微光機電系統在軍事及空間領(lǐng)域的應用研究

雖然MOEMS技術(shù)的研究與實(shí)際應用還有一段距離，但是由于利用該項技術(shù)可以實(shí)現武器系統的小型化、低功耗和低成本，所以受到了軍事部門(mén)的重視。

1.美國國防高級研究計劃局(DARPA)開(kāi)展的研究情況

DARPA對于MOEMS的研究給予高度重視，圍繞MOEMS技術(shù)及其應用開(kāi)展了一系列研究計劃，例如光束靈活控制(STAB)系統、光學(xué)微型網(wǎng)絡(luò )、超大規模集成光學(xué)、處理光波長(cháng)和空間信號計劃、高清晰度系統計劃、基于士兵系統的MOEMS技術(shù)的發(fā)展計劃等，這里僅介紹其中的幾個(gè)計劃。

■光束靈活控制(STAB)系統STAB計劃是要開(kāi)發(fā)出芯片一級的光束操縱元件，目的是發(fā)展小型、輕型激光波束控制技術(shù)，來(lái)代替光學(xué)通信和紅外對抗系統中的大型、機械控制的鏡頭系統。該計劃可用來(lái)解決激光通信系統中激光光束的方向角窄，影響激光通信系統的實(shí)用化的問(wèn)題。計劃的總目標是實(shí)現將光束靈活控制系統的尺寸縮小30倍，重量減輕60倍。

■光學(xué)微型網(wǎng)絡(luò )該計劃主要進(jìn)行經(jīng)濟可承受的高速光學(xué)數據網(wǎng)演示，實(shí)際應用于飛機和軍艦。已經(jīng)演示了把垂直腔激光綜合到驅動(dòng)電子裝置頂上，并與必要的微型光學(xué)結合到一起，形成光學(xué)連接。然后，放大到16×16靈巧單元陣列光學(xué)通信塊，進(jìn)行芯片與芯片之間通信演示。在實(shí)戰飛行試驗方面，通過(guò)利用AV-8B飛機的實(shí)彈演習，進(jìn)行10兆比/秒光學(xué)網(wǎng)絡(luò )的飛行試驗。

■超大規模集成光學(xué)計劃的目的是利用光鏈路代替電子鏈路，用于芯片與芯片之間、板與板之間的通信，使線(xiàn)路板之間的數據傳輸率達到每秒太比特，有利于合成孔徑雷達、自動(dòng)目標識別等高速數據處理，可以使這些系統的體積功率減少100～1000倍。按照計劃，其靈巧像元陣列將放大到100×100，并演示合成孔徑雷達的數據處理。

DARPA研究認為MOEMS在國防方面的應用包括以下7個(gè)方面：武器制導和個(gè)人導航芯片上的慣性導航組合;軍備跟蹤、環(huán)境監控、安全勘測的無(wú)人值守分布式傳感器系統;小型分析儀器、液壓與氣動(dòng)系統、推進(jìn)和燃燒控制的集成流量系統;替換當前彈頭系統與改進(jìn)安全性和可靠性的武器安全恢復，保險和引信;移動(dòng)車(chē)輛和運載器上有條件保養的嵌入式傳感器和執行器，在輕武器系統/平臺和抵抗災害建筑中按需增強結構強度;用于每平方厘米千兆字節存儲密度的大規模數據存儲設備和系統;用于鑒別敵友系統、顯示器和光纖開(kāi)關(guān)/調節器中的集成微光學(xué)機械器件;用于飛機、自適應光學(xué)和精密部件與材料處理的主動(dòng)、共形表面。

2.微光機電系統在空間的應用

光通信和光遙感是MOEMS在空間的主要應用。

微/納衛星組網(wǎng)時(shí)衛星之間的通信若通過(guò)地面站，則噪聲干擾和低功率等原因將影響傳輸質(zhì)量。解決的辦法是采用光通信，它傳輸容量大(理論值可達7.5吉比/秒)，傳輸速率高、帶寬寬，且不占用無(wú)線(xiàn)電波段。衛星使用光掃描器，因其體積小、轉角大、散射小和頻率高，可以用來(lái)完成衛星網(wǎng)間的捕捉、瞄準和跟蹤。美國航宇局已把空間光通信列入“新盛世”計劃和“深空系統技術(shù)”計劃。隨著(zhù)MOEMS產(chǎn)品的成熟，有可能將微光學(xué)元件、微調整器、光源、探測器和處理電路等集成在同一芯片上，組成各種專(zhuān)用自由空間光學(xué)平臺，從而實(shí)現光學(xué)平臺的微型化。目前，美國航宇局噴氣推進(jìn)實(shí)驗室已將多個(gè)MOEMS和處理電路組裝成多芯片光通信模塊。國外研究出的一種用于低功耗光學(xué)調制和波束控制的模塊，尺寸為10厘米×10厘米×2厘米，質(zhì)量?jì)H0.4千克，功耗小于5瓦。

隨著(zhù)衛星微小型化，用于確定姿態(tài)、自主導航、科學(xué)成像和成像光譜技術(shù)的各種光學(xué)儀器，其孔徑和光學(xué)系統的可利用空間迅速減小。為此，一方面可以在光學(xué)系統中通過(guò)采用MEMS技術(shù)制造的微透鏡陣列、微衍射元件、微光掃描器和光纖感光板等來(lái)減小尺寸;另一方面可以把微光學(xué)元件、微機械構件、探測器和處理電路集成積木式模塊，進(jìn)一步減小體積。噴氣推進(jìn)實(shí)驗室完成的用于光學(xué)導航和成像科學(xué)的基本光學(xué)積木式模塊，尺寸為10厘米×10厘米×16厘米，質(zhì)量?jì)H0.17千克，功耗小于0.3瓦。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室與OCA應用光學(xué)公司合作研制的寬視場(chǎng)星跟蹤器，有很寬的視場(chǎng)(28度×43度)，可在50毫秒內求出亮星的中心點(diǎn)，能以20微弧度(3σ值)的高精度跟蹤目標。該星跟蹤器包括微電子線(xiàn)路在內，質(zhì)量?jì)H為175克，功耗3瓦。

三、微光機電系統的

應用前景與展望

MOEMS以其對光束在時(shí)間和空間上的精確控制能力以及體積小、可批生產(chǎn)、功耗低和價(jià)格合理等優(yōu)勢，將廣泛應用于光通信、大規模數據存儲、圖像顯示、軍用光電偵察裝備、光互連計算、自主式航天交會(huì )、激光測距、激光雷達、制導、預警監視系統以及使得使用大型光學(xué)孔徑的航天器實(shí)現小型化等方面。

歐洲非贏(yíng)利性組織——多功能微系統卓越網(wǎng)絡(luò )(NEXUS)對2000～2005年世界MEMS市場(chǎng)的預測報告指出，在2000～2005年期間世界MEMS市場(chǎng)將以每年遞增20%的速度增長(cháng)，到2005年將達到680億美元的市場(chǎng)份額。其中一個(gè)較大的市場(chǎng)需求是來(lái)自應用于通信領(lǐng)域的MOEMS和射頻MEMS(RF-MEMS)。到2005年，MOEMS和RF-MEMS在環(huán)境、工業(yè)自動(dòng)化、航空電子設備和軍事等方面的通信應用市場(chǎng)份額將達到3億美元。

雖然MOEMS技術(shù)發(fā)展的歷史并不長(cháng)，但這是一項學(xué)科交叉性和綜合性都很強且極具發(fā)展潛力的高新技術(shù)。開(kāi)展這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究，既可以帶動(dòng)一些重要的基礎課題研究，又可以帶動(dòng)大量概念全新的功能部件開(kāi)發(fā)，因此目前已經(jīng)成為世界各國都看好的研究熱點(diǎn)之一。