1 MEMS光开关类型、特点及研究现状

MEMS光开关通常是采用在半导体基片上构造2D或3D微反射镜阵列，通过反射镜的升降或旋转完成开关动作，可分为滑门型光开关和转镜型光开关。

微透镜光开关也是一类重要的MEMS光开关，其原理是通过透镜的移动实现光束的移动，完成开关动作。由VCSEL（垂直腔表面发射激光器）阵列、MEMS微透镜阵列、全息图阵列和探测器阵列构成的光互联结构，其中微透镜阵列是通过表面微机械加工技术制作出来的。

除了反射镜型、透镜型MEMS光开关之外，MEMS光开关还包括热毛细管、气泡（BUBBLE）光开关等。就是利用HP喷墨打印机技术制造的BUBBLE光开关原理图，实际上气泡的作用与反射镜是相同的。

MEMS光开关使用了IC制造技术，具有体积小、集成度高的优点，能象集成电路那样大规模生产。其可扩展性对于2-D平面阵列开关可扩展到512×512端口，对3-D光开关 在理论上可以达到上千端口。开关速度一般在数毫秒量级，足以满足未来几年将出现的基于DWDM的全光传输网的技术要求。损耗在3~7dB左右（阵列），多个子系统相连时损耗将继续增大，并存在损耗不均衡性。但系统串扰小、消光比大，开关具有偏振无关、波长无关性。

美国朗讯贝尔实验室的“跷跷板”光开关是世界第一个MEMS光开关，目前该公司已演示了一种在1平方英寸的芯片上的256×256 MEMS光开关；AT&T也采用MEMS技术研制出8×8的自由空间开关和微镜微触动开关；加利福尼亚大学洛杉矶分校的MEMS研究小组开发研制出1×N光开关、2×2光开关；Cronos Integrated Microsystem、Optical Micro-Machine、Texas Instruments和Xros公司等也都在开发MEMS光开关；日本NTT公司、东京大学以及瑞士Neuchatel大学等均已开展MEMS的研究，并取得了一定的成果；SIEMENS公司的TRANSXPRESS全光网络的核心就是OMM公司的基于MEMS光开关。在我国，对光开关这一领域的研究和开发工作起步较晚，在MEMS光开关的有关部件方面的研究取得了一些具有价值的成果，但在该领域的技术水平与世界先进水平仍存在一定差距。

2 MEMS采用的工艺技术

MEMS微结构的构造技术主要有从半导体加工工艺中发展起来的硅微加工工艺，主要有体微加工工艺、晶片键合技术、表面微加工工艺以及1995年左右形成的深度反应离子刻蚀(DRIE)技术。而在80年代中期利用X射线光刻、电镀及注塑的LIGA(德文Lithograph Galvanforming and Abformug简写)技术诞生，形成了MEMS加工的另一个体系。除此之外，微结构的构造技术还包括电镀、微细电火花加工(EDM)、激光微加工等。

体微加工(bulk micro-machining)：主要是各向同性腐蚀和基于晶向的各向异性腐蚀[9]，其优点是工序好、纵横比高、易实现、价格低，但是形状缺乏灵活性。

晶片键合技术：由于薄膜沉积技术不适合制作较厚的结构材料以及复杂的三维微机械结构，为满足需要和允许制作过程中增加数十至数百微米厚的结构层，通常采用晶片键合技术。它相当于传统机械加工中的焊接、粘接或紧固的作用，其特点是须放水中同层就能牢固地结合两种不同材料。对于不同材料应采用不同的键合技术，如硅与硅可以直接键合，而硅和玻璃就采用阳极键合、对硅和金，则需要共熔键合。键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积成长长的多层薄膜分别具有一定的图案，然后去除某些不需要的薄膜层，从而形成三维结构。由于主要是对表面的一些薄膜进行的加工，而且形状控制主要采用平面二维方法，因此被称为表面微机械加工技术，它与IC有很好的兼容性。最终被去掉的薄膜部分被称为牺牲层，而将其去除、仅保留其余薄膜所形成的结构的过程称为结构释放。牺牲层技术是采用平面构造技术产生可移动部分的基本技术，利用这种技术不仅可以形成薄膜封闭的空腔，也可以形成悬桥和悬臂梁，甚至可动的微机械部件。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)、铝和金等金属以及一部分有机化合物，而牺牲层材料常用磷硅玻璃、聚酰亚胺、金属铝等。表面微加工的典型步骤。

深度反应离子蚀刻(DRIE)：是选择相应的化学气体，利用在等离子体中产生的低温等离子体，通过对被蚀刻基片的物理裂解或者和化学反应双重作用，获得抗蚀剂掩蔽下的精细三维微浮雕结构。它刻出的结构具有高各向异性、腐蚀速度快等优点，可与体微加工技术相媲美。一个DRIE腐蚀的结构。

LIGA技术：是在1987年由前德国卡尔斯鲁厄研究中心(KfK)提出的，主要包括深层光刻、电镀成形及铸塑三部分，是MEMS制造中最关键的技术之一。相对于常规的硅平面加工技术和硅微加工技术而言，它不但可以用于任意三维极高高度以几何图形的制作，结构高度可达几百微米至1毫米，侧壁陡峭，表面平整，而横向尺寸仅为几微米。而且它可以加工多种金属材料、玻璃、有机物分子材料、陶瓷等，且还可以进行大批量的复制以降低生产成本。它弥补了IC平面工艺的不足，是一种非常有前途的微机械零件加工工艺。由于LIGA技术需要同步光源，难以推广，因此又出现了采用紫外光光刻的准LIGA技术，其分辨率虽不如LIGA技术高但也能达到微米级，而且用准LIGA技术形成三维复杂结构更为方便。

对MEMS系统集成来说，有混合集成技术、准混合集成技术和单片集成技术。单片集成技术可采取混合MEMS-IC工艺，MEMS先于IC的技术和IC先于MEMS的技术。在封装和测试方面，MEMS封装存在特殊问题，MEMS结构中存在可动部分，与环境的关系问题和封装后的校准问题都必须考虑，目前尚无通用的封装解决方案。

3 工艺与光开关性能关系的简单分析

以转镜型光开关为例，影响光开关损耗参数的主要组成部分：微反射镜的质量、光纤之间的纵向位移(工作距离)、转镜旋转角度的失准造成的光纤角度失配损耗以及光纤装配中的对准造成的横向与角度失配损耗。在以上参数中，微镜质量不仅包括反射率，还包括微镜的镜面平整性。反射率与溅射金或铝时的工艺技术相关，其厚度和均匀性对反射率影响重大。镜面平整性则要求在工艺过程中对应力场的影响要充分考虑，采用必要的工艺技术保证镜面平整，如通过两步刻蚀镜和零等技术保证镜面不会因过薄而翘曲。对转镜旋转角度精度造成的损耗，就必须在工艺中充分减小光刻的对准精度以保证角度失配损耗减少。对光纤装配中的对准，可以考虑采用一些自组装技术，这也是与工艺过程严格相关的。因此，多个工艺过程对光开关的最终损耗都有重要影响。

对于在全光网络中使用的光开关，其寿命和稳定性至关重要。对于扭杆转镜光开关，为保证工作电压不过高，其中的柔结构相当精细，其厚度甚至不超过1微米，这对工艺提出了很高的要求以保证其可靠性。

应该说，MEMS加工工艺是在传统的微电子加工工艺基础上发展起来的，后又发展了一些适合制作微机载的独特技术，这些独特技术和常规集成电路工艺相结合实现了MEMS。尽管MEMS的上述工艺和设备是IC技术的继承或变化，但在开发具有多种特性的新结构、新材料及相应的新工艺等方面是标准化标准工艺线所不能完全胜任的。因此，美国、日本和欧洲都把MEMS加工工艺作为独立的技术来进行开发[12]。MEMS设计在工艺、器件和系统之间有紧密的内部联系。当然，尽管MEMS技术与IC技术所用的工艺不完全一样，但IC技术经验仍然很有价值。

MEMS光开关面临的情况可以概括为两方面，简言之就是新领域等于新机会而工艺问题是成败的关键。应该看到，MEMS是继微电子技术之后发展起来的又一新兴技术与产业，在许多方面具有传统机电技术所不具备的优势，包括体积和能耗大大减小，可实现许多全新的功能，可实现大批量和精密度生产、单件成本低、可扩展性好等。其技术涉及多个学科，它的发展将有力地带动这些领域以及相关技术产业化的发展。国外科技界与工业界普遍认为微机械工程将是二十一世纪的一门新兴产业。如果蒸汽机的出现引起了第一次产业革命，集成电路带动了第二次产业革命，微机械技术将会在二十一世纪带来第三次产业革命。因此，MEMS光开关的研究具有重要的意义和光辉的前景。

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