1 MEMS光開關(guān)類型、特點及研究現(xiàn)狀

MEMS光開關(guān)通常是采用在半導(dǎo)體基片上構(gòu)造2D或3D微反射鏡陣列，通過反射鏡的升降或旋轉(zhuǎn)完成開關(guān)動作，可分為滑門型光開關(guān)和轉(zhuǎn)鏡型光開關(guān)。

微透鏡光開關(guān)也是一類重要的MEMS光開關(guān)，其原理是通過透鏡的移動實現(xiàn)光束的移動，完成開關(guān)動作。由VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）陣列、MEMS微透鏡陣列、全息圖陣列和探測器陣列構(gòu)成的光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中微透鏡陣列是通過表面微機械加工技術(shù)制作出來的。

除了反射鏡型、透鏡型MEMS光開關(guān)之外，MEMS光開關(guān)還包括熱毛細管、氣泡（BUBBLE）光開關(guān)等。就是利用HP噴墨打印機技術(shù)制造的BUBBLE光開關(guān)原理圖，實際上氣泡的作用與反射鏡是相同的。

MEMS光開關(guān)使用了IC制造技術(shù)，具有體積小、集成度高的優(yōu)點，能象集成電路那樣大規(guī)模生產(chǎn)。其可擴展性對于2-D平面陣列開關(guān)可擴展到512×512端口，對3-D光開關(guān) 在理論上可以達到上千端口。開關(guān)速度一般在數(shù)毫秒量級，足以滿足未來幾年將出現(xiàn)的基于DWDM的全光傳輸網(wǎng)的技術(shù)要求。損耗在3~7dB左右（陣列），多個子系統(tǒng)相連時損耗將繼續(xù)增大，并存在損耗不均衡性。但系統(tǒng)串擾小、消光比大，開關(guān)具有偏振無關(guān)、波長無關(guān)性。

美國朗訊貝爾實驗室的“蹺蹺板”光開關(guān)是世界第一個MEMS光開關(guān)，目前該公司已演示了一種在1平方英寸的芯片上的256×256 MEMS光開關(guān)；AT&T也采用MEMS技術(shù)研制出8×8的自由空間開關(guān)和微鏡微觸動開關(guān)；加利福尼亞大學洛杉磯分校的MEMS研究小組開發(fā)研制出1×N光開關(guān)、2×2光開關(guān)；Cronos Integrated Microsystem、Optical Micro-Machine、Texas Instruments和Xros公司等也都在開發(fā)MEMS光開關(guān)；日本NTT公司、東京大學以及瑞士Neuchatel大學等均已開展MEMS的研究，并取得了一定的成果；SIEMENS公司的TRANSXPRESS全光網(wǎng)絡(luò)的核心就是OMM公司的基于MEMS光開關(guān)。在我國，對光開關(guān)這一領(lǐng)域的研究和開發(fā)工作起步較晚，在MEMS光開關(guān)的有關(guān)部件方面的研究取得了一些具有價值的成果，但在該領(lǐng)域的技術(shù)水平與世界先進水平仍存在一定差距。

2 MEMS采用的工藝技術(shù)

MEMS微結(jié)構(gòu)的構(gòu)造技術(shù)主要有從半導(dǎo)體加工工藝中發(fā)展起來的硅微加工工藝，主要有體微加工工藝、晶片鍵合技術(shù)、表面微加工工藝以及1995年左右形成的深度反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)技術(shù)。而在80年代中期利用X射線光刻、電鍍及注塑的LIGA(德文Lithograph Galvanforming and Abformug簡寫)技術(shù)誕生，形成了MEMS加工的另一個體系。除此之外，微結(jié)構(gòu)的構(gòu)造技術(shù)還包括電鍍、微細電火花加工(EDM)、激光微加工等。

體微加工(bulk micro-machining)：主要是各向同性腐蝕和基于晶向的各向異性腐蝕[9]，其優(yōu)點是工序好、縱橫比高、易實現(xiàn)、價格低，但是形狀缺乏靈活性。

晶片鍵合技術(shù)：由于薄膜沉積技術(shù)不適合制作較厚的結(jié)構(gòu)材料以及復(fù)雜的三維微機械結(jié)構(gòu)，為滿足需要和允許制作過程中增加數(shù)十至數(shù)百微米厚的結(jié)構(gòu)層，通常采用晶片鍵合技術(shù)。它相當于傳統(tǒng)機械加工中的焊接、粘接或緊固的作用，其特點是須放水中同層就能牢固地結(jié)合兩種不同材料。對于不同材料應(yīng)采用不同的鍵合技術(shù)，如硅與硅可以直接鍵合，而硅和玻璃就采用陽極鍵合、對硅和金，則需要共熔鍵合。鍵合后可形成不同的封腔。

表面微加工(surface micro-machining)：是用光刻等手段使得硅片表面被積成長長的多層薄膜分別具有一定的圖案，然后去除某些不需要的薄膜層，從而形成三維結(jié)構(gòu)。由于主要是對表面的一些薄膜進行的加工，而且形狀控制主要采用平面二維方法，因此被稱為表面微機械加工技術(shù)，它與IC有很好的兼容性。最終被去掉的薄膜部分被稱為犧牲層，而將其去除、僅保留其余薄膜所形成的結(jié)構(gòu)的過程稱為結(jié)構(gòu)釋放。犧牲層技術(shù)是采用平面構(gòu)造技術(shù)產(chǎn)生可移動部分的基本技術(shù)，利用這種技術(shù)不僅可以形成薄膜封閉的空腔，也可以形成懸橋和懸臂梁，甚至可動的微機械部件。通常使用的表面薄膜材料包括二氧化硅、氮化硅、多晶硅、磷硅玻璃(PSG)、鋁和金等金屬以及一部分有機化合物，而犧牲層材料常用磷硅玻璃、聚酰亞胺、金屬鋁等。表面微加工的典型步驟。

深度反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)：是選擇相應(yīng)的化學氣體，利用在等離子體中產(chǎn)生的低溫等離子體，通過對被蝕刻基片的物理裂解或者和化學反應(yīng)雙重作用，獲得抗蝕劑掩蔽下的精細三維微浮雕結(jié)構(gòu)。它刻出的結(jié)構(gòu)具有高各向異性、腐蝕速度快等優(yōu)點，可與體微加工技術(shù)相媲美。一個DRIE腐蝕的結(jié)構(gòu)。

LIGA技術(shù)：是在1987年由前德國卡爾斯魯厄研究中心(KfK)提出的，主要包括深層光刻、電鍍成形及鑄塑三部分，是MEMS制造中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。相對于常規(guī)的硅平面加工技術(shù)和硅微加工技術(shù)而言，它不但可以用于任意三維極高高度以幾何圖形的制作，結(jié)構(gòu)高度可達幾百微米至1毫米，側(cè)壁陡峭，表面平整，而橫向尺寸僅為幾微米。而且它可以加工多種金屬材料、玻璃、有機物分子材料、陶瓷等，且還可以進行大批量的復(fù)制以降低生產(chǎn)成本。它彌補了IC平面工藝的不足，是一種非常有前途的微機械零件加工工藝。由于LIGA技術(shù)需要同步光源，難以推廣，因此又出現(xiàn)了采用紫外光光刻的準LIGA技術(shù)，其分辨率雖不如LIGA技術(shù)高但也能達到微米級，而且用準LIGA技術(shù)形成三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)更為方便。

對MEMS系統(tǒng)集成來說，有混合集成技術(shù)、準混合集成技術(shù)和單片集成技術(shù)。單片集成技術(shù)可采取混合MEMS-IC工藝，MEMS先于IC的技術(shù)和IC先于MEMS的技術(shù)。在封裝和測試方面，MEMS封裝存在特殊問題，MEMS結(jié)構(gòu)中存在可動部分，與環(huán)境的關(guān)系問題和封裝后的校準問題都必須考慮，目前尚無通用的封裝解決方案。

3 工藝與光開關(guān)性能關(guān)系的簡單分析

以轉(zhuǎn)鏡型光開關(guān)為例，影響光開關(guān)損耗參數(shù)的主要組成部分：微反射鏡的質(zhì)量、光纖之間的縱向位移(工作距離)、轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角度的失準造成的光纖角度失配損耗以及光纖裝配中的對準造成的橫向與角度失配損耗。在以上參數(shù)中，微鏡質(zhì)量不僅包括反射率，還包括微鏡的鏡面平整性。反射率與濺射金或鋁時的工藝技術(shù)相關(guān)，其厚度和均勻性對反射率影響重大。鏡面平整性則要求在工藝過程中對應(yīng)力場的影響要充分考慮，采用必要的工藝技術(shù)保證鏡面平整，如通過兩步刻蝕鏡和零等技術(shù)保證鏡面不會因過薄而翹曲。對轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角度精度造成的損耗，就必須在工藝中充分減小光刻的對準精度以保證角度失配損耗減少。對光纖裝配中的對準，可以考慮采用一些自組裝技術(shù)，這也是與工藝過程嚴格相關(guān)的。因此，多個工藝過程對光開關(guān)的最終損耗都有重要影響。

對于在全光網(wǎng)絡(luò)中使用的光開關(guān)，其壽命和穩(wěn)定性至關(guān)重要。對于扭桿轉(zhuǎn)鏡光開關(guān)，為保證工作電壓不過高，其中的柔結(jié)構(gòu)相當精細，其厚度甚至不超過1微米，這對工藝提出了很高的要求以保證其可靠性。

應(yīng)該說，MEMS加工工藝是在傳統(tǒng)的微電子加工工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，后又發(fā)展了一些適合制作微機載的獨特技術(shù)，這些獨特技術(shù)和常規(guī)集成電路工藝相結(jié)合實現(xiàn)了MEMS。盡管MEMS的上述工藝和設(shè)備是IC技術(shù)的繼承或變化，但在開發(fā)具有多種特性的新結(jié)構(gòu)、新材料及相應(yīng)的新工藝等方面是標準化標準工藝線所不能完全勝任的。因此，美國、日本和歐洲都把MEMS加工工藝作為獨立的技術(shù)來進行開發(fā)[12]。MEMS設(shè)計在工藝、器件和系統(tǒng)之間有緊密的內(nèi)部聯(lián)系。當然，盡管MEMS技術(shù)與IC技術(shù)所用的工藝不完全一樣，但IC技術(shù)經(jīng)驗仍然很有價值。

MEMS光開關(guān)面臨的情況可以概括為兩方面，簡言之就是新領(lǐng)域等于新機會而工藝問題是成敗的關(guān)鍵。應(yīng)該看到，MEMS是繼微電子技術(shù)之后發(fā)展起來的又一新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，在許多方面具有傳統(tǒng)機電技術(shù)所不具備的優(yōu)勢，包括體積和能耗大大減小，可實現(xiàn)許多全新的功能，可實現(xiàn)大批量和精密度生產(chǎn)、單件成本低、可擴展性好等。其技術(shù)涉及多個學科，它的發(fā)展將有力地帶動這些領(lǐng)域以及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。國外科技界與工業(yè)界普遍認為微機械工程將是二十一世紀的一門新興產(chǎn)業(yè)。如果蒸汽機的出現(xiàn)引起了第一次產(chǎn)業(yè)革命，集成電路帶動了第二次產(chǎn)業(yè)革命，微機械技術(shù)將會在二十一世紀帶來第三次產(chǎn)業(yè)革命。因此，MEMS光開關(guān)的研究具有重要的意義和光輝的前景。

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