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浅谈MEMS在光通信及光传感中的应用摘要：随着半导体集成技术以及机械微加工技术的发展，衍生出的MEMS技术正逐步应用到生产生活的各个领域。本文主要介绍MEMS技术在光通信以及光传感中典型应用，MEMS凭借微小易于集成等特点，发挥出在通信及传感领域的独特优势，将成为光通信、光传感以后发展的变革性力量。关键词：MEMS；光通信；光传感 Discussion on the applications of MEMS in optical communications and optical sensingSheng-yang Tong（Optical Engineering, Dalian University of Technology）Abstract: With the development of Semiconductor Integrated Technology and Mechanical micromachining,the MEMS technology is gradually applied to all areas of production and life. This article Focuses on MEMS technology in optical communication and optical sensing,with the feature of Small-scale and easy to Integrate has exerted unique advantages incommunications and sensing,and will be a revolutionary forces in the area of optical communications and optical sensing. Key words:MEMS;optical communications;optica sensing1引言微机电系统是Micro-Electro-Mechanical-System的英文缩写，简称MEMS。是指几何尺寸仅在毫米，微米，乃至纳米级别的的机电装置，包括微型机械，微型执行器，微型驱动器等，同时与其他组成，例如电源接口等一体化封装，达到可批量制作的器件。MEMS是基于学科交叉理念发展起来的，所以不仅需要超精密机械加工技术，也需要半导体集成电路的微细加工技术，因而随着半导体集成化工艺近十几年的发展，MEMS逐渐应用到了很多领域，例如汽车、医疗、农业、通信等。这里提到的通信当然指广义上的通信技术，但是以MEMS为基础，将光这一学科融入其中，便衍生出MEMS的另一分支Micro-Opto-Electro-Mechanical-System，微光机电系统。2 MEMS在光通信领域应用当前，各大高校公司主要对MEMS在光通信中的应用做了大量研究，其中MEMS光开关属于最成熟的一种，其他的包括光纤耦合器、调制器、以及光电接收器和显示器件也逐渐取得进展。1.光开关1.1 光开关简介光开关的作用是转换光路，主要应用于光交换系统中，是光通信网络中的重要组成部分。现在使用的有基于电光效应，磁光效应制成的电光开关和磁光开关，以及简单机械结构的开关。但随着光通信技术的发展，正如电通信发展历程一样，集成是一个趋势，也是将光和电有效联系的纽带。利用MEMS技术制作的光开关利用微动微镜制作光开关矩阵，微动微镜可以采用上下折叠方式、左右移动方式或旋转方式来实现开关的导通和断开功能。MEMS光开关将机械结构、微触动器和微光元件在同一衬底上集成，结构紧凑、重量轻，易于扩展。它比机械式光开关和波导型光开关具有很好的性能，它不但具有机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。由于其易于大规模加工集成的特点，成本也大大缩减，同时MEMS光开关与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。1.2 MEMS光开关原理1MEMS光开关的工作原理是通过静电或者其它控制力使微镜阵列或光闸产生机械振动，改变光的传播方向，使光经过可移动的反射镜反射后进入输出光纤。这里提到的使微镜阵列或光闸发生振动或者移动的控制力称为驱动方式，一般分为平行板电容静电驱动，梳状静电驱动器驱动，电致、磁致伸缩驱动，形变记忆合金驱动，光功率驱动和热驱动等。其中静电驱动、电磁驱动、热电驱动这三种形式使用最为广泛。1.3 分类MEMS光开关通常分为两类：即2维和3维的光开关。在二维光开关，微镜和光纤在同一个平面上，微镜只有两种状态(开或关)。通过移动适当位置的反射镜使其反射光束可将任意输入光束耦合为输出信号。一个NN的MEMS微镜矩阵用来连接N条输入光纤和N条输出光纤，这种结构为N2结构。它极大地简化了控制电路的设计，一般只需要提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时，由于各个输入输出端口的光传输距离有所不同，所以各个端口的插入损耗也不同，这使得2D微镜光开关只能使用在端口数较少的环路里。目前二维系统最大容量是3232端口，多个器件可以连接起来组成更大的开关阵列，最大可以达到512512端口。三维开关是指，输入输出光纤均成二维排列，两组可以绕轴改变倾斜角度的微反射镜安装在二维阵列中，每个输入和输出光纤都有相对应的反射镜。在这种结构中，NN转换仅需要2N个反射镜。通过将反射镜偏转至合适的角度，在三维空间反射光束，可将任意输入反射镜光纤与任意输出反射镜光纤交叉连接。但要制成这种灵活性极好三维MEMS光开关却比二维的难度提升了很多，不仅要在的设计、制造以及配置上设计更加精确，还要保证使用复杂的闭环控制系统，且每个独立的微镜又需要单独的控制系统，这样算来，不仅加工难度大，成本也将提高造成价格昂贵，能耗增大。当然这不代表三维光开关就停滞不前了，比如美国的杰尔系统公司就研制出了商用化的三维MEMS光开关用于通信波段。1.4 几种常见的MEMS光开关（1）光路遮挡型MEMS光开关 具有代表性的光路遮挡型光开关是悬臂梁式光开关。例如朗讯公司研制的光驱动微机械光开关，整个器件尺寸约l2mm，材料由金、氮化硅和多晶硅组成，并由体硅工艺加工出悬臂梁。它利用8个多晶硅PiN电池(一种非晶硅太阳电池)串联组成光发电机，在光信号的作用下，产生3V电压，电容板受到电场力吸引，将遮片升起，光开关处于开通状态，如无光信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光开关关闭。该开关由远端的光信号控制，所以光开关本地是无源的。该光开关驱动光功率仅2.7W，传输距离达128 km，开关速度3.7ms，插损小于0.5dB。但串扰比较大，隔离度不高，一般用于组成光纤线路倒换系统。 （2）移动光纤对接型MEMS光开关 它是一个l4光开关，利用光纤的移动和对准实现光信号的切换，插入损耗大约为ldB。与以微镜为基础的光开关相比，它采用体硅或LIGA工艺，制造结构和制备方法较为简单，可采用电磁驱动，驱动精度要求低，系统可靠性和稳定性好，稳态时几乎不耗能，缺点是开关速度较低，大约为lOms量级，可连接的最大端口数受到限制，多用于网络自愈保护。 （3） 微镜反射型MEMS光开关 相对于移动光纤对接的方法，利用微镜反射原理的光开关更加易于集成和控制，组成光开关阵列。根据组成OXC矩阵的方法，可以把利用微镜反射原理的光开关分成二维和三维两种。在二维(2D)也称数字方式中，微镜和光纤在同一个平面上，微镜只有两种状态(开或关)。通过移动适当位置的反射镜使其反射光束可将任意输入光束耦合为输出信号。一个NN的MEMS微镜矩阵用来连接N条输入光纤和N条输出光纤，这种结构为N2结构。它极大地简化了控制电路的设计，一般只需要提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时，由于各个输入输出端口的光传输距离有所不同，所以各个端口的插入损耗也不同，这使得2D微镜光开关只能使用在端口数较少的环路里。目前二维系统最大容量是3232端口，多个器件可以连接起来组成更大的开关阵列，最大可以达到512512端口。二维微镜光开关中微镜的运动方式主要有弹出式、扭转式和滑动式。 2.MEMS光纤耦合器2光纤耦合器是光通信中的一个重要技术,是一种无源器件.实现了光纤与光纤、光纤与光源、光纤与光检测器的对准和耦合。MEMS耦合器采用的方法是在硅片上进行P+的扩散，通过微加工，最后做出一个在位置，深度，宽度均有精确尺寸的V型槽，之后把光纤和其他的组件限定在槽中对接。所以在V型槽的尺寸限定好后，精准的把传输光纤压入到V型槽中是关键一步，所有将直线型的光纤压入槽中后，整个系统对激光器的封装类型要求便大大降低，从而提高灵活性，降低了对接的难度。此外在发挥耦合作用的同时硅衬底还可用作激光器阵列底高效散热片，这些技术使得光纤和光电检测器件、激光器件达到了精确的对准、耦合，大大减小了光的泄漏和色散等性能。现在利用MEMS技术研制的耦合器件在通信波长范围内可实现附加损耗0.01dB，插入损耗小于2dB。当前，MEMS光纤耦合器主要被用于EDFA的组成部分，而耦合器的尺寸正决定着EDFA整体的尺寸，由于MEMS耦合器的微型化，EDFA的小型化发展也将取得很好的进展。3. 光衰减器3MEMS可变光衰减器是将微挡光片插入到光路之中，通过微反射镜改变耦合效率以及反射镜的反射率来实现衰减。微反射镜主要由硅晶片和沉积在牺牲层上的氮化硅薄膜组成，氮化硅薄膜通过特殊的腐蚀方法形成调制器需要的机械结构，电极沉积在氮化硅上，用HF酸腐蚀形成有源区。MEMS光衰减器由多层电介质反射镜形成堆栈，这样在最后一层控制电极施加电压时，氮化硅薄膜便会被吸引向沉底移动。随着加入电压的变化，反射率可实现从75%到0的线性变化。当前针对MEMS光衰减器的国外开展的较多，包括LightConnect公司、Lucent等，由于其性价比较高，国内的通信公司也已开始采用。4.光调制器这里主要介绍一种典型的移相门调制器。如图1所示为典型的移相门调制器，主要由不同厚度的移相门和激发器组成。移相门和激发器共同集成在一块芯片上，激发器在门的后边，激发器是静电激发器或热电激发器, 因为移相门的边侧粗糙度可以减小到几纳米,远小于光通信的激光波长，可以略去不计。所有在工作时门的开和关通过激发器状态实现，在光系统中，门激发延迟了光的相位，调制光通过光的干涉实现当电极从右向左移时，光纤实现1,2,3,4这样变换，进而实现调制。5.总结此外，MEMS在光纤通信的其他组成器件也有涉及，例如MOEMS可调波长DWDM光检测器，基于“栅状式光”（Grating Light Valve）的图像显示技术等。随着光通信中集成化概念的逐步加深，MEMS以其微小，灵活性能优良等将发挥重要作用。三、MEMS在光传感领域应用1.红外光声传感4MEMS红外光声传感是基于光声效应研制的，如图2所示，即用调制过的红外光去照射待检测气体，气体吸收光子的能量后处于激发态，之后激发态的气体分子直接发送碰撞以热能的形式释放能量，表现为其他的周期性受热，这种周期性的受热产生周期性的膨胀，进而向外发射热声波，并且发射的热声波频率与调制光的频率相同，此时，若引入声波接收器便可以得到预想的信号。红外光声传感系统包含五个主要的组成：光源系统、滤光器、光声池、探测器及外围电路。其中的光源系统通常选用白炽灯光源或者气体激光器，但这两种光源不仅体积庞大，同时功耗高需要冷却散热，作为调制系统的机械斩波器以及复杂的光学系统也造成了系统的便携性低下。MEMS红外光声探测系统的中心思想是应用MEMS技术，将整个检测系统的组成器件变的微型化集成化，重点在于光源系统，光声谐振腔以及探测器。当前研究较多也较为成熟的是MEMS红外调制光源和超灵敏度麦克风，已经取得比较理想的结果。例如美国麻省理工采用半导体激光器作为光源,通过微机械技术加工制作微型光声腔体,采用光学麦克风检测声信号,构成光声传感器,实现了对微量气体的检测,检测灵敏度达10ppm。挪威的研究小组利用微机械硅基红外调制光源作为辐射源,薄膜压力传感器作为声探测器,能够实现多种气体的测量。2.光纤MEMS低频声传感器5光纤MEMS声传感器将MEMS技术和光纤传感技术结合起来，核心技术是MEMS硅敏感膜和光纤端面构成的F-P腔，通过硅敏感膜感知声压力变化，并把声信号转化为硅敏感膜挠度变化值，通过激光法布里珀罗涉原理检测硅敏感膜挠度的变化，最后输出声信号的压力值。光纤MEMS声传感器中的硅膜和光纤构成了一个换能器，通过对换能器的参数设计可以对声频振动的带宽、振动幅度进行控制，激光干涉及光电接收可以对振动膜的极微小位移进行测量，目前采用F-P相位检测技术，其位移测量精度可以达到纳米量级。3.MEMS加速度传感器6MEMS 加速度传感器作为航空航天、机器人、医疗器械、汽车工业及自动化等众多领域内的关键器件，当前在 MEMS 基础上发展起来的微光机电系统(MOEMS)借助光本身的独特优势可以实现比 MEMS 器件体积更小、响应速率更快、集成度更高、可控性更强、抑噪能力更突出的系统器件。在MOMES加速度传感器中研究较为成熟的是光学微腔。光学微腔凭借日益成熟的 MEMS 工艺和它独特的耳语回廊模式，可以得到极高的品质因数和极低的模式体积等优良的光学特性，因此基于微环谐振腔的MOEMS器件已经成为微加速度传感的新的技术途径。这里提到光学微腔，是由一个半径为几微米到几百微米的环型波导和一个或者两个直波导组成的，当光波导与微环谐振腔的间距为微米或百纳米时，光会以倏逝波的形式进入谐振腔从而形成近场耦合。当倏逝波的频率与环形谐振腔的本征频率相同时，微环谐振腔内发生共振现象。当外界加速度改变时，根据牛顿第二定律，作用在传感器上的应力改变，而固体在收到外力作用变化时折射率也会