北京大学－微光学.ppt

Optical MEMS Optical MEMS MEMS发展回顾 光纤通信中的应用 光学研究和应用 光数据存储 其它应用 MEMS发展回顾 微电子机械系统（Micro Electro Mechanical Systems，缩写为MEMS） 微系统 微机械 欧洲和美国“微世界”的研究是由半导体工艺技术启动，即带有机械的微电子技术，固称之为微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems，美国惯用词)或称之为微系统(Microsystems，欧洲惯用词)。 日本实现“微世界”（Micro World）以系统方式从机械电子(Machatronics)开始。固称之微型机械(Micromachine，日本惯用词)。 MEMS发展回顾 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。图1是一典型的MEMS示意图。由传感器、信息处理单元。执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/或数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它微系统进行通信。MEMS在航空航天、汽车、工业、生物医学、信息通讯、环境监控和军事等领域有着广阔的应用前景。 MEMS发展回顾 1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年才出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器。其后尺寸为50～500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。 MEMS发展回顾 近年来，随着微机电系统技术的不断成熟，其应用领域不断拓宽。目前，MEMS输出力矩小成为其发展的一个屏障。而光系统无需力矩输出，由于通过微机电系统技术实现了可动结构，使得微机电系统技术与微光学相结合而形成的微光机电系统（Optical MEMS）受到人们更大的关注。可移动结构对光系统来说是非常诱人的，因为小的机械位移常常产生比传统光电或自由载流子效应更强的物理效应。如，在干涉仪中1/4波长的位移能产生开/断开关的作用。所以，自从微机电系统技术实现了可动结构以来，微光机电系统为光学装置功能的扩展和光学系统的微型化提供了空前的发展机会。当前，光学正处在与几十年前集成电路发明前的电子学相同的阶段，其发展前景是非常诱人的。微光机电系统在光学研究、数据存储、光纤通信、图象处理和传感系统等领域中都有广泛的应用。 光纤通信中的应用 随着世界通信业务量的飞速增长，光传送网技术已成为国际上的研究热点。据估计，以光电子信息技术为主导的信息产业产值将在2010年达五万亿美元，成为二十一世纪最大的产业。 研究热点 随着世界通信业务量的飞速增长，光传送网技术已成为国际上的研究热点。（全光通信网、WDM全光网、光传送网是同一事物的不同名称，最近ITU的建议是光传送网optical transport network）。 趋势 九十年代初，在一些发达国家中，人们预计原有的铜电缆会从1995年起逐渐被FTTH（光纤到户）代替。1998年这种趋势已被证实。但是，步子已经放慢，特别是光纤到户。光传送网的推广，光纤到户能否实现，取决于网络的价格，只有价格到了可接受的地步，才能真正进入家庭，光传送网中低价位光学元器件是降低光传送网成本的关键。 原因 传统的光纤网络中存在大量的光/电、电/光转换节点和数字交叉互联电分插复用器， 1)既限制了网络的交换速度， 2)又对不同形式的光信号是不透明的。 3)光功能器件和波导或光纤的连接需要亚微米的定位精度，精密定位是复杂的调整操作，所以提高了光功能器件的成本，限制了光传送网的发展。 4 )且光/电、电/光器件的微型化也是很难解决的问题。因此，光通信器件的价格和微型化已成为光传送网发展的瓶颈。 目前，微光机电系统技术是解决这一瓶颈问题的有效途径。 优势 1)微机械光学器件可提高光交换速度， 2)而且微机械加工技术可提供高精度的定位，满足光传送网的需求，能大批量生产，成本低 。光纤通信领域是微机械非常有效的适用领域之一。 3)对不同形式的光信号是透明的 4 )易于微型化 可用于全光网络的MEMS器件包括微型光开关阵列、可调衰减器和光滤波器等。对上述技术的研究是MEMS用于光通讯领域的关键。 在全光通信网中，光交换技术的好坏直接决定了传输网的规模、复杂性和灵活性等技术指标。