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2025-07-09
隨著信息技術、光通信技術的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領域是與光學相結(jié)合，即綜合微電子、微機械、光電子技術等基礎技術，開發(fā)新型光器件，稱為 微光機電系統(tǒng)（光學MEMS）。它能把各種MEMS結(jié)構件與微光學器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起，形成一種全新的功能系統(tǒng)。
光學MEMS具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅(qū)動和控制等特點。目前較成功的應用科學研究主要集中在兩個方面：
1. 基于光學MEMS的新型顯示、投影設備；
2. 通信系統(tǒng)中的光開關調(diào)制器、光濾波器及復用器等光通信器件。
光學MEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術，開展這個領域的科學技術研究，可以帶動大量的新概念的功能器件開發(fā)。
光學MEMS技術應用主要分為光學執(zhí)行器、光學傳感器、光學加工制造三類。
光學MEMS器件設計包括 MEMS 光芯片設計 和 光學設計 兩個關鍵部分：
l 光芯片設計：采用專業(yè)的MEMS設計軟件對芯片的運動模態(tài)、驅(qū)動特性、微結(jié)構應力、阻尼特性、抗震動特性、工藝容差等進行仿真分析，進而確定芯片微結(jié)構的各項技術參數(shù)。
l 光學設計：完成器件的光學封裝的光路設計和仿真，通常還涉及光纖耦合設計。
光學MEMS 芯片的制造分為 體硅工藝 和 表面硅工藝 兩種工藝路線。這些工藝大部分來自于IC 工藝，也有一部分是MEMS 的特色工藝，如硅-硅鍵合、硅深刻蝕、犧牲層工藝等。
光學MEMS芯片制造完成后的測試，采用晶圓級測試可以大大加快測試速度，但晶圓級測試機臺往往需要定制開發(fā)。光學MEMS晶圓的切割是最有挑戰(zhàn)性的工藝，這主要緣于光學芯片的微細可動結(jié)構和微鏡面不能沖水、不能貼藍膜、不能沾污顆粒。
光學MEMS器件的光電封裝是產(chǎn)品化的關鍵步驟，其不同于IC及其他MEMS器件的封裝，需要采用帶光學窗口的密封金屬管殼進行電連接、氣密封裝，再完成光學對光耦合。與標準封裝方式不同，光學MEMS封裝屬于特殊封裝，其封裝成本在器件或系統(tǒng)總成本占據(jù)很大的比重，可高達60%-70%。
光學MEMS 的主要應用領域如下表所示：
應用分類 | 應用場景 |
光學執(zhí)行器 | 數(shù)字微鏡陣列芯片、光柵光閥、光開關、光衰減器等 |
光學傳感器 | 環(huán)境光傳感器、接近傳感器、CMOS圖像傳感器、3D深度傳感器等 |
光學加工制造 | 微型光譜儀、激光掃描儀、激光打印機等 |
此外，由于智能手機和平板電腦越來越普及以及用戶對用戶體驗的要求越來越高，環(huán)境光傳感器和接近傳感器等光學MEMS傳感器的需求也在不斷增長。同時，CMOS圖像傳感器在消費電子、生物醫(yī)學、汽車電子以及智能安防等各領域的廣泛應用也使得其成為最大的細分市場領域。
光學MEMS傳感器因為應用和市場驅(qū)動呈現(xiàn)高速的增長趨勢。
光學MEMS 器件是集成制造的微型光學元件與MEMS執(zhí)行器，其光學原理分為反射、干涉、衍射、透射、遮擋等幾種，以 反射型器件為主。光學MEMS器件中制造的微型光學元件包括：
l 微反射鏡
l 微透鏡
l 微棱鏡
l 光柵
l 衍射光學元件
l FP干涉儀
光學MEMS 器件中的MEMS 執(zhí)行器的驅(qū)動方式包括：
l 靜電驅(qū)動（平板驅(qū)動器/平面梳齒驅(qū)動器/垂直梳齒驅(qū)動器）
l 電磁驅(qū)動器
l 壓電驅(qū)動器
l 電熱驅(qū)動器
其運動方式包括離面垂直運動、面內(nèi)平動、扭轉(zhuǎn)運動、諧振等。
目前光學MEMS傳感器可以分為三類：
1. MEMS光開關
2. 可調(diào)式光衰減器（VOA）
3. MEMS微鏡
MEMS光開關在光通信中起到光路切換、光路保護等作用，還廣泛應用于光纖線路的監(jiān)測、光器件測試系統(tǒng)。
MEMS光開關的基本原理是采用光學微鏡或光學微鏡陣列改變光束的傳播方向?qū)崿F(xiàn)光路的切換，已發(fā)展出了很多新穎的MEMS 光開關結(jié)構。
MEMS技術制作的光開關是將機械結(jié)構、微觸動器和微光元件在同一襯底上集成，結(jié)構緊湊、重量輕，易于擴展。它比機械式光開關和波導型光開關具有更好的性能，如：
l 低插損
l 小串音
l 高消光比
l 重復性好
l 響應速度適中
l 與波長、偏振、速率及調(diào)制方式無關
l 壽命長、可靠性高
l 可擴展成大規(guī)模光交叉連接開關矩陣
MEMS光開關有兩種結(jié)構形式：
l 二維數(shù)字結(jié)構：所有微反射鏡和輸入輸出光纖位于同一平面上，通過靜電致動器使微鏡直立和倒下或使微鏡以“蹺蹺板”的方式處于光路和彈出光路的工作方式來實現(xiàn)“開”和 “關”的功能。
l 三維模擬結(jié)構：所有微反射鏡處于相向的兩個平面上，通過改變每個微鏡的不同位置來實現(xiàn)光路的切換。
MEMS 光開關的優(yōu)勢體現(xiàn)在性能、功能、規(guī)模、可靠性和成本等多個方面：
l 在插入損耗、波長平坦度、PDL（偏振相關損耗）和串擾方面，MEMS技術能達到的性能可與其他技術所能達到的最高性能相比。
l 在成本方面，MEMS光開關為降低系統(tǒng)成本提供了多種可能，MEMS芯片的功能度使得更低成本的網(wǎng)絡設置和架構以及光纖層的保護成為可能。
l MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系統(tǒng)的外形可以縮小，節(jié)省了中繼器和終端節(jié)點占用的地盤。
l MEMS器件的單批產(chǎn)量很高，經(jīng)濟性好，而且器件與器件之間重復性好。
光衰減器是光纖通信中使用最廣泛的光器件之一，其功能是完成對光信號功率的控制。MEMS 可調(diào)光衰減器能夠快速電響應、動態(tài)可調(diào)諧、體積小、成本低，是目前應用量最大的MEMS 光器件。
MEMS VOA 分為 反射式VOA 和 衍射式VOA：
工作原理是在硅基上制作一塊微反射鏡。光經(jīng)過雙光纖準直器的一端進入，以一定角度入射到微反射鏡上，當施加電壓時，微反射鏡在靜電作用下被扭轉(zhuǎn)，傾角改變，入射光的入射角度發(fā)生改變，光反射后能量不能完全耦合進雙芯準直器的另一端，達到調(diào)節(jié)光強的目的。
基于動態(tài)衍射光柵技術，采用MEMS 平移執(zhí)行器控制光學衍射元件（如光柵）的相位，改變光衍射效率，實現(xiàn)對光信號功率的控制。這種動態(tài)衍射光柵由平行微柵條陣列構成，微柵條上表面鍍以200~300nm 厚的鋁膜，起電極和反射光的雙重作用。
MEMS微鏡是指采用光學MEMS技術制造的，把微光反射鏡與MEMS驅(qū)動器集成在一起的光學MEMS器件。MEMS微鏡的運動方式包括平動和扭轉(zhuǎn)兩種機械運動。
對于扭轉(zhuǎn)MEMS微鏡，當其光學偏轉(zhuǎn)角度較大（達到10°以上），主要功能是實現(xiàn)激光的指向偏轉(zhuǎn)、圖形化掃描、圖像掃描時，可被稱為“MEMS 掃描鏡”。
MEMS 掃描鏡是激光應用必不可少的關鍵激光元器件，應用領域已滲透到消費電子、醫(yī)療、軍事國防、通訊等。
l 激光掃描：激光雷達、3D 攝像頭、條形碼掃描、激光打印機、醫(yī)療成像
l 光通信：光分插復用器、光衰減器、光開關、光柵
l 數(shù)字顯示：高清電視、激光微投影、數(shù)字影院、汽車抬頭顯示（HUD）、激光鍵盤、增強現(xiàn)實（AR）
MEMS微鏡按原理區(qū)分主要包括四種驅(qū)動方式：
1. 靜電驅(qū)動：利用電荷間的庫侖力作為驅(qū)動力，工藝兼容性好，便于成。
2. 電磁驅(qū)動：電流驅(qū)動，驅(qū)動電壓低，無須升壓芯片，適合線性驅(qū)動。
3. 電熱驅(qū)動：利用材料對溫度的敏感而產(chǎn)生不同的形變量，驅(qū)動結(jié)構樣。
4. 壓電驅(qū)動：利用材料的逆壓電效應，通過外界電場來產(chǎn)生微位移。
驅(qū)動方式 | 特點 | 應用優(yōu)勢 |
靜電驅(qū)動 | 工藝兼容性強、低功耗 | 易于集成、適合大規(guī)模量產(chǎn) |
電磁驅(qū)動 | 驅(qū)動電壓低、線性度高 | 扭轉(zhuǎn)角度大、適用于復雜控制 |
電熱驅(qū)動 | 結(jié)構簡單、成本低 | 適用于中低精度應用場景 |
壓電驅(qū)動 | 高精度、大位移 | 適用于高靈敏度、高性能要求 |
光學MEMS技術在20 世紀80 年代左右開始起步，至今已有三十多年的發(fā)展歷程。當前，光學MEMS 還處于發(fā)展的早期階段，未來發(fā)展方向包括：
1. 理論探索與多學科交叉研究：推動CAD工具開發(fā)與綜合仿真平臺建設。
2. 納米結(jié)構自適應光學裝置：提升微鏡表面質(zhì)量，增強器件穩(wěn)定性。
3. 功能性擴展與系統(tǒng)集成：結(jié)合傳統(tǒng)物理光學系統(tǒng)，拓展光譜、偏振、空間屬性控制能力。
我們專注于光學MEMS技術的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，提供高品質(zhì)的 MEMS光開關、可調(diào)式光衰減器（VOA）、MEMS微鏡 等核心光通信器件。公司擁有完整的MEMS 工藝線和封裝能力，致力于打造國產(chǎn)化高端光學MEMS解決方案，助力中國光通信產(chǎn)業(yè)升級。
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