微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用(上)
20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的微電子技術(shù)和集成電路(IC),已構(gòu)**類文明的重要基礎(chǔ)。獲得巨大成功的微電子技術(shù)引入微型機(jī)械領(lǐng)域,又引發(fā)了一場革命,而1987年由華裔留美學(xué)生馮龍生等人研制的轉(zhuǎn)子直徑為60mm和100mm的硅微型靜電電機(jī),顯示出利用硅微加工工藝制作微小可動(dòng)結(jié)構(gòu)并與IC兼容制造微小系統(tǒng)的潛力,在國際上引起轟動(dòng)。科幻小說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(shí),同時(shí),也標(biāo)志著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems, MEMS）的誕生。自此,學(xué)術(shù)界開始把MEMS作為一個(gè)獨(dú)立的邊緣學(xué)科進(jìn)行國際范圍的學(xué)術(shù)研究。
近年來,隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。目前,MEMS輸出力矩小成為其發(fā)展的一個(gè)障礙。而光系統(tǒng)無需力矩輸出,且由于通過微機(jī)電系統(tǒng)犧牲層腐蝕技術(shù)(即選擇性地腐蝕去掉一層材料而形成懸空結(jié)構(gòu))實(shí)現(xiàn)了可動(dòng)結(jié)構(gòu),使得MEMS技術(shù)與微光學(xué)相結(jié)合而形成的微光機(jī)電系統(tǒng)(Optical MEMS 或MOEMS),又稱光MEMS受到人們更大的關(guān)注。
從廣義上講,微光機(jī)電系統(tǒng)是指集微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理與控制電路、接口電路以及微光學(xué)元件等于一體的微系統(tǒng)。MOEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域,它幾乎涉及到自然科學(xué)和工程技術(shù)的所有領(lǐng)域,如光學(xué)、機(jī)械、電子、材料、信息技術(shù)、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科。
MOEMS技術(shù)的研究可追溯到20世紀(jì)60年代科學(xué)家對(duì)薄膜現(xiàn)象、波導(dǎo)的研究。1969年,Milier就已經(jīng)提出了“集成光學(xué)”的概念,但由于當(dāng)時(shí)微光學(xué)、微電子和微型機(jī)械技術(shù),特別是硅微加工技術(shù)的限制,集成光學(xué)的研究沒有大的進(jìn)展。80年代中期,MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展,硅微加工新技術(shù)不斷涌現(xiàn),尤其是利用犧牲層腐蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微可動(dòng)結(jié)構(gòu),為微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
可移動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)光系統(tǒng)來說是非常誘人的,因?yàn)樾〉臋C(jī)械位移常常產(chǎn)生比傳統(tǒng)光電或自由載流子效應(yīng)更強(qiáng)的物理效應(yīng)。比如,在干涉儀中,1/4波長的位移能產(chǎn)生開/斷開關(guān)的作用。所以,自從MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可動(dòng)結(jié)構(gòu)以來,MOEMS為光學(xué)裝置功能的擴(kuò)展和光學(xué)系統(tǒng)的微型化提供了空前的發(fā)展機(jī)會(huì)。之后,MOEMS技術(shù)的研究如火如荼。近年來,MOEMS器件應(yīng)用在光通信領(lǐng)域,使MOEMS找到了一個(gè)強(qiáng)大的同盟,MOEMS的研究如日中天。
當(dāng)前,光學(xué)正處在與幾十年前IC發(fā)明前的電子學(xué)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(jī)電系統(tǒng)在光纖通信、光學(xué)研究、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖象處理等領(lǐng)域中的應(yīng)用作一概略介紹,以期讀者對(duì)MOEMS技術(shù)的研究與應(yīng)用有所了解。
隨著世界通信業(yè)務(wù)量的飛速增長,高速大容量的寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)已成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。有人作了一個(gè)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(shí)。80年代末有了光纖的窄帶綜合業(yè)務(wù)教學(xué)網(wǎng)(N-ISDN）,速度大大加快,只需13小時(shí)。而正在迅速發(fā)展的寬帶綜合業(yè)務(wù)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(shù)已成為國際上的研究熱點(diǎn)。
