光通讯中的MEMS(微机电)技术

2008-07-09 13:31:31来源: 中国电子网

  本文将向各用户简要介绍应用于光纤通讯领域的微电机芯(MEMS)技术。希望通过本文的介绍能让读者对其技术特征和发展趋势有初步的了解。   

  一、概述  

  MEMS技术的英文全称是: Micro-Electro-Mechanical Systems,一般也称作微机电系统技术,其含义是指可批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。MEMS技术的特点主要是:  

  1)微型化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。  

  2)以硅为主要材料,机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。  

  3)批量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。  

  4)集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。  

  5)多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。  

  MEMS发展的目标在于,通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统,开辟了一个崭新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务,也可嵌入大尺寸系统中,把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。MEMS在工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和物生工程、农业、环境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。目前,MEMS的应用领域中领先的有:汽车、医疗和环境;正在增长的有:通信、机构工程和过程自动化;还在萌芽的有:家用/安全、化学/配药和食品加工。二十一世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化,对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。  

  二、MEMS技术研发动态  

  传统上的微机电芯主要分为传感器(Sensor)和触动器(Actuator)两大类,在工控、仪表等领域有着广泛的应用。随着近年了光纤网络的兴起,用于网络通讯的MEMS技术引起了工业界浓厚的兴趣。由于光纤通讯巨大市场和利润的刺激,用于光网的微机电芯技术已成为发展最快的应用领域,即使在当前全球光通讯产业处于调整期间,各大公司及科研机构仍在继续投资研发其技术产品,力争在未来城域网的大发展中争得商机。目前的研发动态多是以国家型实验室和国际上大公司为主导,进行跨国性合作,带领跨领域研发团队投入研发资源,以达到资源整合的目的。因此围绕MEMS的光通讯交换和传输技术正成为业界少见的技术热点。  

  在全球各国和地区中,目前发展MEMS以欧盟最为积极,13个国家每年投入12亿美元研发经费、设立了120个实验室、扶植了350家公司;  

  美国方面,每年投入研发经费2~7亿美元,有25个实验室、100家公司参与研发。特别是在矽谷,在光通讯领域中,当前研发方向主要是高速(High Speed)、高集成性以及微机电(MEMS)工艺等。2000年投入MEMS的厂商就有28家,在MEMS工艺尚未成熟前,这些公司距离量产还有相当时间。  

  日本每年研发经费2.5亿美元,有13个研究组织、30家公司;  

  南韩每年投入的研发经费为2亿美元,有5个实验室、10家公司;  

  台湾在1999年投入总经费为新台币6.4亿元,进行的国家型计划有微型元件、微型光元件与系统、微系统、微型射频及微波元件等。  

  三、在光通讯领域中的市场应用预测  

  目前MEMS技术在光通讯产业中的率先应用是在光纤开关和相关元件。据CIR(通讯工业研究者公司)预测,尽管当前电信消费进入低迷期,希望销售光纤开关子系统和元件的公司仍按照2005年美国市场将从成长到11亿美元的估计来调整其未来方向。成长最快的技术部份将是3D MEMS。尽管此市场仍在等待大量新进开发生产的产品,但CIR预计,到2005年,此市场的年销售额成长将接近于3亿美元。年均增长率将达到200%。此预测报告称,至2005年年底之前,各种MEMS产品总计将占整个美国光纤开关子系统和元件市场的54%。光纤开关元件和子系统的最大应用将是光纤交叉连接 (OXCs)。此应用市场的销售收入将达到大约5.8亿美元。保护开关将继续以大约40%的年成长率成长中,但此市场内,小型固态电路、液晶和MEMS开关将逐步取代传统的光学机械式开关。  

  这家产业分析公司预计,超过64埠的元件和子系统市场将有成长的机会。尽管现在还几乎不存在这类产品,CIR仍认为,此市场到2005年将达到2.3亿美元。 

  因此可见,由于光通讯市场的巨大需求,形形色色的MEMS工艺技术也应运而生,MEMS技术在此领域将得到更广泛的应用,将成为带动光通讯产业技术进步的关键技术之一。对于MEMS工艺技术而言,最大的挑战并不是推出精巧与众不同的设计,而是如何将整个的生产制造流程简化,缩短批量生产所需的时间以及提高成品率。  

  四、在光通讯产业中的应用简介  

  1、硅晶体上做文章  

  现代MEMS的工艺技术和硅芯片的工艺技术同源而出,都是在硅晶体上做文章。很多MEMS的生产线其前身就是硅芯片的工艺生产线。MEMS工艺技术的基本精神是在硅晶体上刻出微观结构,比如微镜架等。和芯片工艺相比,MEMS工艺不仅仅对于传统平面二维光刻技术提出了更高的要求,针对不同的结构和设计需要,更发展出了独特的三维刻蚀,镂空等技术手段。  

  2. 用于光通讯交换的MEMS  

  对于光通讯而言,发展全光交换系统一直就是业界孜孜不倦所追求的目标。而MEMS技术则被普遍认为是目前能够被用来实现全光交换最有希望的技术手段,是建立WDM(wavelength division multiplexing)网络方面被认为是不可缺少的技术。  

  基于MEMS技术的全光交换原理并不复杂。MEMS技术被用来在硅晶上刻出微小的反射镜,这些微小的反射镜被排成一个二维的阵列。每一个反射镜都有一个活动的微镜架以及可以被电信号驱动的微铰链。处于正常状态的微反射镜平躺着,电压信号加上后,微反射镜立起来,可以将入射光信号反射到垂直的方向上去。一个n x n的二维反射阵列可以用来控制n束信号光之间的全交换。  

  虽然原理并不复杂,MEMS全光交换的技术实现却并不简单。可以用于商业系统的MEMS全光交换系统依然是凤毛麟角,大多数的系统仍处于实验阶段。但在光学和硅技术上取得的进步每天都在推动业界向这一目标迈进。一年前OMM公司在一个无人值守的端局内的现场试验第一次演示了基于MEMS子系统的光交换机成功地传送了业务数据流。现场试验提供了一套包括4×4和8×8全光交叉连接交换机的光交叉连接子系统。这次试验是由美透明光网络联盟(NTONC)主持的。NTONC包括北电网络、GST电信公司、Sprint通信公司、Lawrence Livermore国家实验室和BART公司等。在整个试验过程中光交换机的工作都很正常。  

  据了解,目前业界已经有超过50家制造商展示了这方面的技术和产品。如美国朗讯科技公司分离出来并独立的美国Agere Systens公司演示了通道数为64×64的3维反射镜型光开关。该公司计划从2001年第2季度开始提供工业样品,而从2001年第3季度开始提供量产品。该产品的切换时间为10ms。人们认为该3维反射镜型有利于实现系统的大规模化。这些MEMS技术产品的试验和展示验证了MEMS的高可靠性和出色的光性能,预示着光交换的新时代已经到来。 

  3. 用于光通讯传输的MEMS   

  除了用于光交换,MEMS技术还被广泛地应用于光通讯传输。基于MEMS技术的可调激光器一直是非常热门的研究方向。这种激光器共振腔的腔长由一个MEMS装置来控制,通过改变腔长来达到调节和改变光波长的目的。随着光纤传输速率的提高,光纤的非线性效应,色散效应越来越不容忽视。对于不同波长,光纤放大器的增益会有所不同。MEMS技术可以用来设计补偿和平衡的元器件,平衡增益,补偿位相。  

  在这方面居于领先地位的美国Bandwidth9公司正研发全世界第一个可调式波长(Tunable)垂直共振腔面型雷射(VCSEL),可以整合微机械 (MEMS)与VCSEL,能够直接调整,以达到光纤中OC-48与OC- 192的传输需要。这种可调式雷射新技术可让光纤网路更加有弹性,并可因需要而有所伸缩。  

  综上所述,MEMS技术在光通讯产业中的应用前景是非常广阔的,由此而带来的市场、投资商机将是数十亿美元的市场,而当前光通讯产业正处于产业结构、产品调整期,未来市场对光通讯产品的要求有很多是需要应用MEMS技术去发展、适应的,因此很多光通讯老牌公司和业界新秀都瞄准了这一市场在努力研发。相信在如此强大的市场推动下,光通讯领域及MEMS技术应用领域会非常精彩。

关键字:MEMS工艺  MEMS技术  MEMS器件  光通讯  光交换  共振腔  硅微加工  OM

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2008/0709/article_192.html
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