本文將向各用戶簡要介紹應用于光纖通訊領域的微電機芯（MEMS）技術。希望通過本文的介紹能讓讀者對其技術特征和發展趨勢有初步的了解。

一、概述

MEMS技術的英文全稱是：Micro-Electro-MechanicalSystems，一般也稱作微機電系統技術，其含義是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統。MEMS是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發展而發展起來的。MEMS技術的特點主要是：

1）微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。

2）以硅為主要材料，機械電器性能優良：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢。

3）批量生產：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。批量生產可大大降低生產成本。

4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的MEMS。

5）多學科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。

MEMS發展的目標在于，通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統，開辟了一個嶄新技術領域和產業。MEMS可以完成大尺寸機電系統所不能完成的任務，也可嵌入大尺寸系統中，把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。MEMS在工業、信息和通信、國防、航空航天、航海、醫療和物生工程、農業、環境和家庭服務等領域有著潛在的巨大應用前景。目前，MEMS的應用領域中領先的有：汽車、醫療和環境；正在增長的有：通信、機構工程和過程自動化；還在萌芽的有：家用/安全、化學/配藥和食品加工。二十一世紀MEMS將逐步從實驗室走向實用化，對工農業、信息、環境、生物工程、醫療、空間技術、國防和科學發展產生重大影響。

二、MEMS技術研發動態

傳統上的微機電芯主要分為傳感器（Sensor）和觸動器（Actuator）兩大類，在工控、儀表等領域有著廣泛的應用。隨著近年了光纖網絡的興起，用于網絡通訊的MEMS技術引起了工業界濃厚的興趣。由于光纖通訊巨大市場和利潤的刺激，用于光網的微機電芯技術已成為發展最快的應用領域，即使在當前全球光通訊產業處于調整期間，各大公司及科研機構仍在繼續投資研發其技術產品，力爭在未來城域網的大發展中爭得商機。目前的研發動態多是以國家型實驗室和國際上大公司為主導，進行跨國性合作，帶領跨領域研發團隊投入研發資源，以達到資源整合的目的。因此圍繞MEMS的光通訊交換和傳輸技術正成為業界少見的技術熱點。

在全球各國和地區中，目前發展MEMS以歐盟最為積極，13個國家每年投入12億美元研發經費、設立了120個實驗室、扶植了350家公司；

美國方面，每年投入研發經費2～7億美元，有25個實驗室、100家公司參與研發。特別是在矽谷，在光通訊領域中，當前研發方向主要是高速（HighSpeed）、高集成性以及微機電（MEMS）工藝等。2000年投入MEMS的廠商就有28家，在MEMS工藝尚未成熟前，這些公司距離量產還有相當時間。

日本每年研發經費2.5億美元，有13個研究組織、30家公司；

南韓每年投入的研發經費為2億美元，有5個實驗室、10家公司；

臺灣在1999年投入總經費為新臺幣6.4億元，進行的國家型計劃有微型元件、微型光元件與系統、微系統、微型射頻及微波元件等。

三、在光通訊領域中的市場應用預測

目前MEMS技術在光通訊產業中的率先應用是在光纖開關和相關元件。據CIR（通訊工業研究者公司）預測，盡管當前電信消費進入低迷期，希望銷售光纖開關子系統和元件的公司仍按照2005年美國市場將從成長到11億美元的估計來調整其未來方向。成長最快的技術部份將是3DMEMS。盡管此市場仍在等待大量新進開發生產的產品，但CIR預計，到2005年，此市場的年銷售額成長將接近于3億美元。年均增長率將達到200％。此預測報告稱，至2005年年底之前，各種MEMS產品總計將占整個美國光纖開關子系統和元件市場的54％。光纖開關元件和子系統的最大應用將是光纖交叉連接（OXCs）。此應用市場的銷售收入將達到大約5.8億美元。保護開關將繼續以大約40％的年成長率成長中，但此市場內，小型固態電路、液晶和MEMS開關將逐步取代傳統的光學機械式開關。

這家產業分析公司預計，超過64埠的元件和子系統市場將有成長的機會。盡管現在還幾乎不存在這類產品，CIR仍認為，此市場到2005年將達到2.3億美元。

因此可見，由于光通訊市場的巨大需求，形形色色的MEMS工藝技術也應運而生，MEMS技術在此領域將得到更廣泛的應用，將成為帶動光通訊產業技術進步的關鍵技術之一。對于MEMS工藝技術而言，最大的挑戰并不是推出精巧與眾不同的設計，而是如何將整個的生產制造流程簡化，縮短批量生產所需的時間以及提高成品率。

四、在光通訊產業中的應用簡介

1、硅晶體上做文章

現代MEMS的工藝技術和硅芯片的工藝技術同源而出，都是在硅晶體上做文章。很多MEMS的生產線其前身就是硅芯片的工藝生產線。MEMS工藝技術的基本精神是在硅晶體上刻出微觀結構，比如微鏡架等。和芯片工藝相比，MEMS工藝不僅僅對于傳統平面二維光刻技術提出了更高的要求，針對不同的結構和設計需要，更發展出了獨特的三維刻蝕，鏤空等技術手段。

2.用于光通訊交換的MEMS

對于光通訊而言，發展全光交換系統一直就是業界孜孜不倦所追求的目標。而MEMS技術則被普遍認為是目前能夠被用來實現全光交換最有希望的技術手段，是建立WDM（wavelengthdivisionmultiplexing）網絡方面被認為是不可缺少的技術。

基于MEMS技術的全光交換原理并不復雜。MEMS技術被用來在硅晶上刻出微小的反射鏡，這些微小的反射鏡被排成一個二維的陣列。每一個反射鏡都有一個活動的微鏡架以及可以被電信號驅動的微鉸鏈。處于正常狀態的微反射鏡平躺著，電壓信號加上后，微反射鏡立起來，可以將入射光信號反射到垂直的方向上去。一個nxn的二維反射陣列可以用來控制n束信號光之間的全交換。

雖然原理并不復雜，MEMS全光交換的技術實現卻并不簡單。可以用于商業系統的MEMS全光交換系統依然是鳳毛麟角，大多數的系統仍處于實驗階段。但在光學和硅技術上取得的進步每天都在推動業界向這一目標邁進。一年前OMM公司在一個無人值守的端局內的現場試驗第一次演示了基于MEMS子系統的光交換機成功地傳送了業務數據流。現場試驗提供了一套包括4×4和8×8全光交叉連接交換機的光交叉連接子系統。這次試驗是由美透明光網絡聯盟（NTONC）主持的。NTONC包括北電網絡、GST電信公司、Sprint通信公司、LawrenceLivermore國家實驗室和BART公司等。在整個試驗過程中光交換機的工作都很正常。

據了解，目前業界已經有超過50家制造商展示了這方面的技術和產品。如美國朗訊科技公司分離出來并獨立的美國AgereSystens公司演示了通道數為64×64的3維反射鏡型光開關。該公司計劃從2001年第2季度開始提供工業樣品，而從2001年第3季度開始提供量產品。該產品的切換時間為10ms。人們認為該3維反射鏡型有利于實現系統的大規模化。這些MEMS技術產品的試驗和展示驗證了MEMS的高可靠性和出色的光性能，預示著光交換的新時代已經到來。

3.用于光通訊傳輸的MEMS

除了用于光交換，MEMS技術還被廣泛地應用于光通訊傳輸。基于MEMS技術的可調激光器一直是非常熱門的研究方向。這種激光器共振腔的腔長由一個MEMS裝置來控制，通過改變腔長來達到調節和改變光波長的目的。隨著光纖傳輸速率的提高，光纖的非線性效應，色散效應越來越不容忽視。對于不同波長，光纖放大器的增益會有所不同。MEMS技術可以用來設計補償和平衡的元器件，平衡增益，補償位相。

在這方面居于領先地位的美國Bandwidth9公司正研發全世界第一個可調式波長（Tunable）垂直共振腔面型雷射（VCSEL），可以整合微機械（MEMS）與VCSEL，能夠直接調整，以達到光纖中OC-48與OC-192的傳輸需要。這種可調式雷射新技術可讓光纖網路更加有彈性，并可因需要而有所伸縮。

綜上所述，MEMS技術在光通訊產業中的應用前景是非常廣闊的，由此而帶來的市場、投資商機將是數十億美元的市場，而當前光通訊產業正處于產業結構、產品調整期，未來市場對光通訊產品的要求有很多是需要應用MEMS技術去發展、適應的，因此很多光通訊老牌公司和業界新秀都瞄準了這一市場在努力研發。相信在如此強大的市場推動下，光通訊領域及MEMS技術應用領域會非常精彩。