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2025-07-09
随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学相结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为 微光机电系统（光学MEMS）。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能系统。
光学MEMS具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。目前较成功的应用科学研究主要集中在两个方面：
1. 基于光学MEMS的新型显示、投影设备；
2. 通信系统中的光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。
光学MEMS是综合性和学科交叉性很强的高新技术，开展这个领域的科学技术研究，可以带动大量的新概念的功能器件开发。
光学MEMS技术应用主要分为光学执行器、光学传感器、光学加工制造三类。
光学MEMS器件设计包括 MEMS 光芯片设计 和 光学设计 两个关键部分：
l 光芯片设计：采用专业的MEMS设计软件对芯片的运动模态、驱动特性、微结构应力、阻尼特性、抗震动特性、工艺容差等进行仿真分析，进而确定芯片微结构的各项技术参数。
l 光学设计：完成器件的光学封装的光路设计和仿真，通常还涉及光纤耦合设计。
光学MEMS 芯片的制造分为 体硅工艺 和 表面硅工艺 两种工艺路线。这些工艺大部分来自于IC 工艺，也有一部分是MEMS 的特色工艺，如硅-硅键合、硅深刻蚀、牺牲层工艺等。
光学MEMS芯片制造完成后的测试，采用晶圆级测试可以大大加快测试速度，但晶圆级测试机台往往需要定制开发。光学MEMS晶圆的切割是最有挑战性的工艺，这主要缘于光学芯片的微细可动结构和微镜面不能冲水、不能贴蓝膜、不能沾污颗粒。
光学MEMS器件的光电封装是产品化的关键步骤，其不同于IC及其他MEMS器件的封装，需要采用带光学窗口的密封金属管壳进行电连接、气密封装，再完成光学对光耦合。与标准封装方式不同，光学MEMS封装属于特殊封装，其封装成本在器件或系统总成本占据很大的比重，可高达60%-70%。
光学MEMS 的主要应用领域如下表所示：
应用分类 | 应用场景 |
光学执行器 | 数字微镜阵列芯片、光栅光阀、光开关、光衰减器等 |
光学传感器 | 环境光传感器、接近传感器、CMOS图像传感器、3D深度传感器等 |
光学加工制造 | 微型光谱仪、激光扫描仪、激光打印机等 |
此外，由于智能手机和平板电脑越来越普及以及用户对用户体验的要求越来越高，环境光传感器和接近传感器等光学MEMS传感器的需求也在不断增长。同时，CMOS图像传感器在消费电子、生物医学、汽车电子以及智能安防等各领域的广泛应用也使得其成为最大的细分市场领域。
光学MEMS传感器因为应用和市场驱动呈现高速的增长趋势。
光学MEMS 器件是集成制造的微型光学元件与MEMS执行器，其光学原理分为反射、干涉、衍射、透射、遮挡等几种，以 反射型器件为主。光学MEMS器件中制造的微型光学元件包括：
l 微反射镜
l 微透镜
l 微棱镜
l 光栅
l 衍射光学元件
l FP干涉仪
光学MEMS 器件中的MEMS 执行器的驱动方式包括：
l 静电驱动（平板驱动器/平面梳齿驱动器/垂直梳齿驱动器）
l 电磁驱动器
l 压电驱动器
l 电热驱动器
其运动方式包括离面垂直运动、面内平动、扭转运动、谐振等。
目前光学MEMS传感器可以分为三类：
1. MEMS光开关
2. 可调式光衰减器（VOA）
3. MEMS微镜
MEMS光开关在光通信中起到光路切换、光路保护等作用，还广泛应用于光纤线路的监测、光器件测试系统。
MEMS光开关的基本原理是采用光学微镜或光学微镜阵列改变光束的传播方向实现光路的切换，已发展出了很多新颖的MEMS 光开关结构。
MEMS技术制作的光开关是将机械结构、微触动器和微光元件在同一衬底上集成，结构紧凑、重量轻，易于扩展。它比机械式光开关和波导型光开关具有更好的性能，如：
l 低插损
l 小串音
l 高消光比
l 重复性好
l 响应速度适中
l 与波长、偏振、速率及调制方式无关
l 寿命长、可靠性高
l 可扩展成大规模光交叉连接开关矩阵
MEMS光开关有两种结构形式：
l 二维数字结构：所有微反射镜和输入输出光纤位于同一平面上，通过静电致动器使微镜直立和倒下或使微镜以“跷跷板”的方式处于光路和弹出光路的工作方式来实现“开”和 “关”的功能。
l 三维模拟结构：所有微反射镜处于相向的两个平面上，通过改变每个微镜的不同位置来实现光路的切换。
MEMS 光开关的优势体现在性能、功能、规模、可靠性和成本等多个方面：
l 在插入损耗、波长平坦度、PDL（偏振相关损耗）和串扰方面，MEMS技术能达到的性能可与其他技术所能达到的最高性能相比。
l 在成本方面，MEMS光开关为降低系统成本提供了多种可能，MEMS芯片的功能度使得更低成本的网络设置和架构以及光纤层的保护成为可能。
l MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系统的外形可以缩小，节省了中继器和终端节点占用的地盘。
l MEMS器件的单批产量很高，经济性好，而且器件与器件之间重复性好。
光衰减器是光纤通信中使用最广泛的光器件之一，其功能是完成对光信号功率的控制。MEMS 可调光衰减器能够快速电响应、动态可调谐、体积小、成本低，是目前应用量最大的MEMS 光器件。
MEMS VOA 分为 反射式VOA 和 衍射式VOA：
工作原理是在硅基上制作一块微反射镜。光经过双光纤准直器的一端进入，以一定角度入射到微反射镜上，当施加电压时，微反射镜在静电作用下被扭转，倾角改变，入射光的入射角度发生改变，光反射后能量不能完全耦合进双芯准直器的另一端，达到调节光强的目的。
基于动态衍射光栅技术，采用MEMS 平移执行器控制光学衍射元件（如光栅）的相位，改变光衍射效率，实现对光信号功率的控制。这种动态衍射光栅由平行微栅条阵列构成，微栅条上表面镀以200~300nm 厚的铝膜，起电极和反射光的双重作用。
MEMS微镜是指采用光学MEMS技术制造的，把微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学MEMS器件。MEMS微镜的运动方式包括平动和扭转两种机械运动。
对于扭转MEMS微镜，当其光学偏转角度较大（达到10°以上），主要功能是实现激光的指向偏转、图形化扫描、图像扫描时，可被称为“MEMS 扫描镜”。
MEMS 扫描镜是激光应用必不可少的关键激光元器件，应用领域已渗透到消费电子、医疗、军事国防、通讯等。
l 激光扫描：激光雷达、3D 摄像头、条形码扫描、激光打印机、医疗成像
l 光通信：光分插复用器、光衰减器、光开关、光栅
l 数字显示：高清电视、激光微投影、数字影院、汽车抬头显示（HUD）、激光键盘、增强现实（AR）
MEMS微镜按原理区分主要包括四种驱动方式：
1. 静电驱动：利用电荷间的库仑力作为驱动力，工艺兼容性好，便于成。
2. 电磁驱动：电流驱动，驱动电压低，无须升压芯片，适合线性驱动。
3. 电热驱动：利用材料对温度的敏感而产生不同的形变量，驱动结构样。
4. 压电驱动：利用材料的逆压电效应，通过外界电场来产生微位移。
驱动方式 | 特点 | 应用优势 |
静电驱动 | 工艺兼容性强、低功耗 | 易于集成、适合大规模量产 |
电磁驱动 | 驱动电压低、线性度高 | 扭转角度大、适用于复杂控制 |
电热驱动 | 结构简单、成本低 | 适用于中低精度应用场景 |
压电驱动 | 高精度、大位移 | 适用于高灵敏度、高性能要求 |
光学MEMS技术在20 世纪80 年代左右开始起步，至今已有三十多年的发展历程。当前，光学MEMS 还处于发展的早期阶段，未来发展方向包括：
1. 理论探索与多学科交叉研究：推动CAD工具开发与综合仿真平台建设。
2. 纳米结构自适应光学装置：提升微镜表面质量，增强器件稳定性。
3. 功能性扩展与系统集成：结合传统物理光学系统，拓展光谱、偏振、空间属性控制能力。
我们专注于光学MEMS技术的研发与产业化，提供高品质的 MEMS光开关、可调式光衰减器（VOA）、MEMS微镜 等核心光通信器件。公司拥有完整的MEMS 工艺线和封装能力，致力于打造国产化高端光学MEMS解决方案，助力中国光通信产业升级。
选择合适的光开关是一项需要综合考量技术、性能、成本和供应商实力的工作。希望本指南能为您提供清晰的思路。我们建议您在明确自身需求后，详细对比关键参数，并优先选择像科毅光通信这样技术扎实、质量可靠、服务专业的合作伙伴。
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