微光机电系统

　　微光机电系统是一种可控的微光学系统，该系统中的微光学元件在微电子和微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚、衍射和反射等控制，从而可最终实现光开关、衰减、扫描和成像等功能。该系统把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在一起，能够充分发挥三者的综合性能。

　　微光机电系统（MOEMS）

　　微光机电系统的领域可以从微光学、微电子与微机械三个领域之间的关系来了解。微光学与微电子的交集为光电领域（OptoElectronics），微光学与微机械的交集则为光机领域（OptoMechanics），而微电子与微机械的交集则是微机电系统领域（MEMS）。而微光机电系统（MOEMS）领域就是三者的交集，或称为光学微机电系统（OpticalMEMS）。

　　微光机电系统与常规系统相比，具有体积小、重量轻、与大规模集成电路的制作工艺相兼容，易于大批量生产，成本低等显著优点。同时，传感器、信号处理电路与微执行器的集成，可使微弱信号的放大，校正以及补偿等在同一芯片中进行，不需要经过较长距离的传输，这样可以极大地抑制噪声的干扰，提高输出信号的品质。因此，微光机电技术的应用已经深入到许多不同的应用领域。目前，不但实现了一些小型化、集成化和智能化的光学系统，而且导致了新一代器件的诞生，如光学神经网络芯片、MOEMS光处理芯片等。这一切必将影响光通信、光数据存储、信息处理、航空航天、医疗器械、仪器仪表等应用领域，从而对未来的科学技术、生产方式、人类生活产生深远的影响。微光机电系统的出现将极大地促进信息通信、航天技术以及光学工具的发展，对整个信息化时代将生产深远的影响。

　　微光电机系统主要的产品有投影显示器、光扫描仪与光通讯组件等。微光机电系统在学术单位与各大公司积极投入研发，蓬勃发展，其中有很多创新的技术。如美国ULCA大学的光学平台构想，Berkeley大学的微扫瞄镜的技术，使用标准的表面微加工技术的MUMPs所做的研究，不仅成为重要的技术标竿，也带动后续很多的研究，一时间利用表面微加工技术的光开关、微镜与微光学平台变成非常热门的领域。

　　随着微光机电系统技术的不断发展，现在已经有了定期召开的MOEMS国际研讨会，1999年在美国圣地亚哥召开的的光纤通信大会把MOEMS列为一个专题。美国很多研究机构和公司都在致力于发展这门新兴技术，欧共体也制定了有五国二十七个机构参加的三年微光系统计划。目前，一些比较成熟的MOEMS产品已经出现在消费领域，随着大量研究工作的进行，MOEMS的研究将成为一个新兴的热点，其研究成果必将关系到国家的科技、经济和国防的未来。

　　微光机电系统的特点

　　比较成熟的MEMS技术为MOEMS的集成与微动作的实现提供了标准工艺和结构，MOEMS能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器、光电检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能部件或系统。其成为一个重要的技术发展方向主要是因为具有以下几个特点：

　　1、生产中的优势与特点

　　MOEMS可以实现大批量生产。由于采用了集成电路芯片的生产技术，MOEMS芯片本身的封装已经达到了高度的集成化，其生产成本也大幅度降低。

　　2、结构上的优势与特点

　　MOEMS的体积非常小，尺寸小至几微米，大也不过几毫米；响应速度在100ns～1s的范围内；其可动结构通常由静电致动，致动能为CV2/2；其结构可以做到相当复杂，包含元件数目达到1个～106个。

　　3、动作上的优势与特点

　　通过精确的驱动和控制，MOEMS中的微光学元件可实现一定程度或范围的动作，这种动态的操作包括光波波幅或波长的调整、瞬态的延迟、衍射、反射、折射及简单的空间自调整。上述任何两、三种操作的结合，都可以对入射光形成复杂的操作，甚至实现光运算和信号处理。如何通过微型光学元件来实现上述操作是MOEMS区别于传统物理光学系统的关键。

　　微光机电系统在民用领域的应用

　　微光机电系统在光通信、数字图像获取、显示与处理、IT外围设备、环境保护、自动化生物医疗装备、工业维护等方面有着很好的应用前景，国外在上述领域开展了一系列微光机电系统技术和产品的研究开发。

　　光通信

　　开关元件是光网络的核心部件，其性能的好坏是决定网络性能的关键。基于MOEMS的光开关，由于其与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振和传输方向等均无关，而且在损耗和扩展性上都要优于其它类型，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展性等趋势相符合，正在成为核心光交换器件中的主流。最近MOEMS取得的绝大多数创新和进步都体现在光通信领域，光通信已经成为MOEMS的主要应用领域之一。

　　近年来正大力发展一种集成化的MOEMS光开关，即在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。AT&T实验室采用MOEMS技术研制了8×8光开关阵列。此微机械光开关的尺寸大约为1厘米×1厘米，每个输入端口对应一个准直微透镜，每个输出端口对应一个聚焦微透镜，光开关的主要组成部分是一个8行8列的微反射镜矩阵以及每个微反射镜所对应的控制系统，镜面通过销轴联接。通过抓爬驱动器使微镜转动90度，使来自输入光纤的光束反射到所希望的输出光纤中。光开关的开关速度为亚毫秒级。这种光开关的介入损耗较大，最大可达19.9分贝。目前MOEMS光开关还处于研究阶段，没有形成产业化。随着光通信技术的发展，网络带宽的扩大，MOEMS光开关会越来越受到人们的重视，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

　　除了MOEMS光开关外，目前在光网络中用得比较多的MOEMS器件还有光纤开关、光交叉连接设备、波分复用/解复用器、可调谐滤波器、色散补偿器、光耦合器等。

　　数字图像处理

　　在图像处理的相关产品方面，MOEMS技术大多应用于信息的显示、打印和处理。其中最为成熟的是数字微镜装置（DMD）。图2所示为美国TI公司研制的DMD光开关原理图。它通过可以旋转10度的扭转镜来完成投影显示。每个微镜下都有驱动电极，在下电极与微镜间加一定的电压，静电力使微镜倾斜，输入光被反射至镜头，投影到屏幕上，未加电压的微镜处的光线反射至镜头外。这样，微镜使每点产生明暗，投影出图像。目前，已研制出的DMD的像素达2048×1152。DMD可应用于投影仪和电视等装置上。