李以贵 上海交通大学微纳米技术研究院
光通信系统的小型化、大阵列、低成本将是光通信技术的主要发展方向。然而目前在光纤通信系统中所应用的光开关、光衰减器等传统型光通信器件具有体积大、成本高等缺点，直接影响整个光纤通信系统的小型化。
微电子技术的巨大成功引发了一场微小型化的科技革命，将传感器、计算器和驱动器集成在一起，是未来科技革命的又一发展趋势。近年来，以微电子技术和微细加工技术为基础，在微小型机械制造领域开始了一场新革命，从而诞生了微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）。MEMS技术在军事、航天、信息、医学、工业和农业等领域有着广阔的应用前景，因而它一经出现就受到了世界各国的高度重视，相继投入了大量的人力、物力开展了对MEMS器件的研究。目前，国外MEMS器件已创造了相当可观的经济效益，预计在未来几年内它将成为新的经济增长点。最近几年，在MEMS技术中发展起来了一支极具活力的新技术系统，这就是微光机电系统(Micro-opto-electro-mechanical Systems, MOEMS)。微光机电系统是MEMS技术的一个重要的研究方向，它是由微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学系统。
微光机电系统技术的出现为光纤通信器件的微型化和高性能化带来了新的机遇。它在光交换技术、光连接技术中发挥着重要的作用。它为光开关、光衰减器以及滤波器等光纤通信器件的微小型化、大阵列化和低成本化提供了技术上的可能性。近年来随着光波分复用技术的应用，研究微机械型微小体积的光衰减器等光器件，无疑会对光纤通信的发展有着重要的现实意义。微光机电系统技术将在开发新一代高速光纤传输系统，提高通信系统的容量、传输速度、信噪比以及降低成本等方面发挥巨大的作用。本文仅就光通信用光开关及光衰减器作一介绍。
MEMS可变式光衰减器
由于传统大体积光衰减器存在体积大、成本高等缺点，因而近几年来MEMS衰减器受到了人们的重视。目前所报道的MEMS光衰减器主要有挡光型、反射微镜型、MARS型、液晶型、波导型等。
MEMS可变式光衰减器由一系列热驱动臂驱动一挡光片，依靠调节挡光片步进到光路中的位置来使光功率发生衰减。
微镜反射式MEMS光衰减器是利用微型平面镜来改变反射光束的方向，从而改变耦合输入输出光纤中的光功率。这种MEMS光衰减器主要由输入、输出光纤、准直透镜和微驱动器驱动的微平面镜组成。该光衰减器工作在1550nm波长时，介入损耗小于1.0dB，衰减量可达18 dB。
MARS (mechanical antireflection switch) 光调制器型可变光衰减器是利用MARS光调制器的原理制成的。MARS光调制器的工作原理是基于法布里－珀罗(Fabry－Perot)共振腔的原理。该器件的共振频率约为3.5MHz，光强对比度可达24dB。
液晶型MEMS光衰减器是利用液晶对光的散射效应来使输入的光功率发生衰减。该MEMS光衰减器的介入损耗小于1dB，衰减量可达18dB，回波损耗小于－40 dB，功率消耗小于200nw/ch。
波导型热光MEMS可变光衰减器是利用热光效应（thermo-optic effect）原理对光功率进行衰减的，该光衰减器工作于1550nm，TE和TM模的介入损耗几乎都为4dB，衰减量可达25dB。
MEMS光开关
基于MEMS的光开关，由于其与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，而且在损耗、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，有可能成为核心光交换器件中的主流。由于MEMS技术可以利用类似IC的工艺成批生产，尽管制造过程比较复杂，但因可以批量生产，所以降低了单器件的成本。MEMS光开关的实现方案很多，这里介绍几种最主要的方案。1×2微机械光开关是靠微型电磁铁或压电器件驱动光纤或反射光的光学元件使其发生机械移动，使光信号改变光纤通道的。
另外，日本东北大学研制了一种用形状记忆合金驱动的移动光纤型MEMS光开关。它利用在硅片上腐蚀出的V型槽作为光纤对准槽，形状记忆合金微驱动器粘在驱动梁上。由于形状记忆合金驱动的频率响应较慢，其开关时间为1.5s，介入损耗2dB，串扰大于-60dB，芯片的尺寸为7mm×18mm×0.3mm。
以上这两种器件体积较大，很难实现组成集成化的开关网络。近年来正大力发展一种集成化的微机电系统（MEMS）开关，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。例如采用硅在绝缘层上（SOI）的硅片生长一层多晶硅，再镀金制成反射镜，然后通过化学刻蚀或反应离子刻蚀方法除去中间的氧化层，保留反射镜的转动支架。通过静电力使微镜发生转动。
AT&T实验室采用MOEMS技术研制了8×8光开关列阵，而Bell实验室则已将此技术用于全光通信网络。此微机械光开关的尺寸大约为1cm×1cm，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，该结构是通过表面工艺制备的。通过抓爬驱动器使微镜转动90O，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19.9dB（图1）。
用MEMS技术制作的微型光开关还处于研究阶段，目前还没有形成产业化。随着光通信技术的发展，网络带宽的扩大，微机械光开关必将成为带宽革命的先驱，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
MOEMS在通信领域中的应用
MOEMS把MEMS和光学器件有机地结合在一起，它一方面能够缩小许多光学系统的体积，提高光学系统的性能，另一方面也能产生新的光学系统。
它的出现极大地推动了光纤通信技术的发展。采用MOEMS技术研制的微光开关、光衰减器、光调制器、激光－光纤耦合装置、滤波器以及微型激光器等微型器件，将会使当前的光纤通信系统向小型化方向发展。MOEMS的微定位装置的精度可达纳米数量级，因而它在光连接技术和光交换技术中发挥着重要的作用。在半导体激光器与光纤的耦合连接中，半导体激光器、透镜以及光纤等部件的精确定位是项复杂的调整操作，MOEMS技术可以较好地解决这一问题，降低光组件的成本。另外，西门子等公司正研究如何使下一代电话机和数据网络完全集成在MOEMS上。这项研究称为波分复用高速光传输技术。这种高速传输方式同卫星技术结合起来就能极大地降低长途通信费用。
----《通讯世界》
