1 MEMS光開關(guān)類型、特點(diǎn)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(guò)反射鏡的升降或旋轉(zhuǎn)完成開關(guān)動(dòng)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(guò)透鏡的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束的移動(dòng)，完成開關(guān)動(dòng)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(cè)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(guò)表面微機(jī)械加工技術(shù)制作出來(lái)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(xì)管、氣泡（BUBBLE）光開關(guān)等。就是利用HP噴墨打印機(jī)技術(shù)制造的BUBBLE光開關(guān)原理圖，實(shí)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(diǎn)，能象集成電路那樣大規(guī)模生產(chǎn)。其可擴(kuò)展性對(duì)于2-D平面陣列開關(guān)可擴(kuò)展到512×512端口，對(duì)3-D光開關(guān) 在理論上可以達(dá)到上千端口。開關(guān)速度一般在數(shù)毫秒量級(jí)，足以滿足未來(lái)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(gè)子系統(tǒng)相連時(shí)損耗將繼續(xù)增大，并存在損耗不均衡性。但系統(tǒng)串?dāng)_小、消光比大，開關(guān)具有偏振無(wú)關(guān)、波長(zhǎng)無(wú)關(guān)性。

美國(guó)朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室的“蹺蹺板”光開關(guān)是世界第一個(gè)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(dòng)開關(guān)；加利福尼亞大學(xué)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(xué)以及瑞士Neuchatel大學(xué)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(guó)，對(duì)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(jià)值的成果，但在該領(lǐng)域的技術(shù)水平與世界先進(jìn)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(lái)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(jiǎn)寫)技術(shù)誕生，形成了MEMS加工的另一個(gè)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(xì)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(diǎn)是工序好、縱橫比高、易實(shí)現(xiàn)、價(jià)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(jī)械結(jié)構(gòu)，為滿足需要和允許制作過(guò)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(dāng)于傳統(tǒng)機(jī)械加工中的焊接、粘接或緊固的作用，其特點(diǎn)是須放水中同層就能牢固地結(jié)合兩種不同材料。對(duì)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(yáng)極鍵合、對(duì)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(zhǎng)長(zhǎng)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(duì)表面的一些薄膜進(jìn)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(jī)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(guò)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(dòng)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(dòng)的微機(jī)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(jī)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(xué)氣體，利用在等離子體中產(chǎn)生的低溫等離子體，通過(guò)對(duì)被蝕刻基片的物理裂解或者和化學(xué)反應(yīng)雙重作用，獲得抗蝕劑掩蔽下的精細(xì)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(diǎn)，可與體微加工技術(shù)相媲美。一個(gè)DRIE腐蝕的結(jié)構(gòu)。

LIGA技術(shù)：是在1987年由前德國(guó)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(duì)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(dá)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(jī)物分子材料、陶瓷等，且還可以進(jìn)行大批量的復(fù)制以降低生產(chǎn)成本。它彌補(bǔ)了IC平面工藝的不足，是一種非常有前途的微機(jī)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(zhǔn)LIGA技術(shù)，其分辨率雖不如LIGA技術(shù)高但也能達(dá)到微米級(jí)，而且用準(zhǔn)LIGA技術(shù)形成三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)更為方便。

對(duì)MEMS系統(tǒng)集成來(lái)說(shuō)，有混合集成技術(shù)、準(zhǔn)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(cè)試方面，MEMS封裝存在特殊問(wèn)題，MEMS結(jié)構(gòu)中存在可動(dòng)部分，與環(huán)境的關(guān)系問(wèn)題和封裝后的校準(zhǔn)問(wèn)題都必須考慮，目前尚無(wú)通用的封裝解決方案。

3 工藝與光開關(guān)性能關(guān)系的簡(jiǎn)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(zhǔn)造成的光纖角度失配損耗以及光纖裝配中的對(duì)準(zhǔn)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(shí)的工藝技術(shù)相關(guān)，其厚度和均勻性對(duì)反射率影響重大。鏡面平整性則要求在工藝過(guò)程中對(duì)應(yīng)力場(chǎng)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(guò)兩步刻蝕鏡和零等技術(shù)保證鏡面不會(huì)因過(guò)薄而翹曲。對(duì)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(duì)準(zhǔn)精度以保證角度失配損耗減少。對(duì)光纖裝配中的對(duì)準(zhǔn)，可以考慮采用一些自組裝技術(shù)，這也是與工藝過(guò)程嚴(yán)格相關(guān)的。因此，多個(gè)工藝過(guò)程對(duì)光開關(guān)的最終損耗都有重要影響。

對(duì)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(duì)于扭桿轉(zhuǎn)鏡光開關(guān)，為保證工作電壓不過(guò)高，其中的柔結(jié)構(gòu)相當(dāng)精細(xì)，其厚度甚至不超過(guò)1微米，這對(duì)工藝提出了很高的要求以保證其可靠性。

應(yīng)該說(shuō)，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(lái)的，后又發(fā)展了一些適合制作微機(jī)載的獨(dú)特技術(shù)，這些獨(dú)特技術(shù)和常規(guī)集成電路工藝相結(jié)合實(shí)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(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)工藝線所不能完全勝任的。因此，美國(guó)、日本和歐洲都把MEMS加工工藝作為獨(dú)立的技術(shù)來(lái)進(jìn)行開發(fā)[12]。MEMS設(shè)計(jì)在工藝、器件和系統(tǒng)之間有緊密的內(nèi)部聯(lián)系。當(dāng)然，盡管MEMS技術(shù)與IC技術(shù)所用的工藝不完全一樣，但I(xiàn)C技術(shù)經(jīng)驗(yàn)仍然很有價(jià)值。

MEMS光開關(guān)面臨的情況可以概括為兩方面，簡(jiǎn)言之就是新領(lǐng)域等于新機(jī)會(huì)而工藝問(wèn)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(lái)的又一新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，在許多方面具有傳統(tǒng)機(jī)電技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)，包括體積和能耗大大減小，可實(shí)現(xiàn)許多全新的功能，可實(shí)現(xiàn)大批量和精密度生產(chǎn)、單件成本低、可擴(kuò)展性好等。其技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科，它的發(fā)展將有力地帶動(dòng)這些領(lǐng)域以及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。國(guó)外科技界與工業(yè)界普遍認(rèn)為微機(jī)械工程將是二十一世紀(jì)的一門新興產(chǎn)業(yè)。如果蒸汽機(jī)的出現(xiàn)引起了第一次產(chǎn)業(yè)革命，集成電路帶動(dòng)了第二次產(chǎn)業(yè)革命，微機(jī)械技術(shù)將會(huì)在二十一世紀(jì)帶來(lái)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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