微光�(jī)電系�(tǒng)在軍事和民用�(lǐng)域的�(yīng)用與展望
微光�(jī)電系�(tǒng)(MOEMS)是近幾年在微�(jī)電系�(tǒng)(MEMS)中發(fā)展起來的一支極具活力的新技�(shù)系統(tǒng)，它是由微光�(xué)、微電子和微�(jī)械相�(jié)合而產(chǎn)生的一種新型的微光�(xué)�(jié)�(gòu)系統(tǒng)。MOEMS是一種可控的微光�(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的微光�(xué)元件在微電子和微�(jī)械裝置的作用下能�?qū)馐M(jìn)行匯�、衍射和反射等控制，從而可最終實(shí)�(xiàn)光開�(guān)、衰�、掃描和成像等功�。該系統(tǒng)把微光學(xué)元件、微電子和微�(jī)械裝置有�(jī)地集成在一�，能夠充分發(fā)揮三者的綜合性能，不僅能夠使光學(xué)系統(tǒng)微型化而降低成�，而且可實(shí)�(xiàn)光學(xué)元件間的自對�(zhǔn)，更重要的是這種組合還會�(chǎn)生新的光�(xué)器件和裝�。MOEMS的出�(xiàn)將極大地促�(jìn)信息通信、航天技�(shù)以及光學(xué)工具的發(fā)�，對整�(gè)信息化時(shí)代將生產(chǎn)深遠(yuǎn)的影響�
（圖源網(wǎng)�(luò)，侵刪）
一、微光機(jī)電系�(tǒng)在民用領(lǐng)域的�(yīng)用研�
MOEMS在光通信、數(shù)字圖像獲�、顯示與處理、IT外圍�(shè)�、環(huán)境保�(hù)、自�(dòng)化生物醫(yī)療裝�、工�(yè)維護(hù)等方面有著很好的�(yīng)用前景，國外在上述領(lǐng)域開展了一系列MOEMS技�(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)�
1.光通信
開關(guān)元件是光�(wǎng)�(luò)的核心部�，其性能的好壞是決定�(wǎng)�(luò)性能的關(guān)�?；贛EMS的光開關(guān)，由于其與光信號的格�、波�、協(xié)�、調(diào)制方�、偏振和傳輸方向等均無關(guān)，而且在損耗和�(kuò)展性上都要�(yōu)于其它類�，與未來光網(wǎng)�(luò)�(fā)展所要求的透明性和可擴(kuò)展性等趨勢相符�，正在成為核心光交換器件中的主流。最近MOEMS取得的絕大多�(shù)�(chuàng)新和�(jìn)步都體現(xiàn)在光通信�(lǐng)�，光通信已經(jīng)成為MOEMS的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一�
近年來正大力�(fā)展一種集成化的MEMS光開�(guān)，即在硅片上用微加工技�(shù)做出大量可移�(dòng)的微型鏡片構(gòu)成的開關(guān)陣列。AT&T�(shí)�(yàn)室采用MOEMS技�(shù)研制�8×8光開�(guān)陣列。此微機(jī)械光開關(guān)的尺寸大約為1厘米×1厘米，每�(gè)輸入端口對應(yīng)一�(gè)�(zhǔn)直微透鏡，每�(gè)輸出端口對應(yīng)一�(gè)聚焦微透鏡，光開關(guān)的主要組成部分是一�(gè)8�8列的微反射鏡矩陣以及每�(gè)微反射鏡所對應(yīng)的控制系�(tǒng)，鏡面通過銷軸�(lián)�。通過抓爬�(qū)�(dòng)器使微鏡�(zhuǎn)�(dòng)90�，使來自輸入光纖的光束反射到所希望的輸出光纖中。光開關(guān)的開�(guān)速度為亞毫秒級。這種光開�(guān)的介入損耗較�，最大可�(dá)19.9分貝(見圖1)。目前MEMS光開�(guān)還處于研究階�，沒有形成產(chǎn)�(yè)化。隨著光通信技�(shù)的發(fā)�，網(wǎng)�(luò)帶寬的擴(kuò)�，MEMS光開�(guān)會越來越受到人們的重視，具有重要的研究�(jià)值和廣闊的應(yīng)用前��
除了MEMS光開�(guān)�，目前在光網(wǎng)�(luò)中用得比較多的MOEMS器件還有光纖開關(guān)、光交叉連接�(shè)�、波分復(fù)�/解復(fù)用器、可�(diào)諧濾波器、色散補(bǔ)償器、光耦合器等�
2.�(shù)字圖像處�
在圖像處理的相關(guān)�(chǎn)品方�，MOEMS技�(shù)大多�(yīng)用于信息的顯�、打印和處理。其中最為成熟的是數(shù)字微鏡裝�(DMD)。圖2所示為美國TI公司研制的DMD光開�(guān)原理�。它通過可以旋轉(zhuǎn)10度的扭轉(zhuǎn)鏡來完成投影顯示。每�(gè)微鏡下都有驅(qū)�(dòng)電極，在下電極與微鏡間加一定的電壓，靜電力使微鏡傾�，輸入光被反射至鏡頭，投影到屏幕�，未加電壓的微鏡處的光線反射至鏡頭外。這樣，微鏡使每點(diǎn)�(chǎn)生明�，投影出圖像。目�，已研制出的DMD的像素達(dá)2048×1152。DMD可應(yīng)用于投影儀和電視等裝置上�
�、微光機(jī)電系�(tǒng)在軍事及空間�(lǐng)域的�(yīng)用研�
雖然MOEMS技�(shù)的研究與�(shí)際應(yīng)用還有一段距離，但是由于利用該項(xiàng)技�(shù)可以�(shí)�(xiàn)武器系統(tǒng)的小型化、低功耗和低成本，所以受到了軍事部門的重��
1.美國國防高級研究�(jì)劃局(DARPA)開展的研究情�
DARPA對于MOEMS的研究給予高度重視，圍繞MOEMS技�(shù)及其�(yīng)用開展了一系列研究�(jì)�，例如光束靈活控�(STAB)系統(tǒng)、光�(xué)微型�(wǎng)�(luò)、超大規(guī)模集成光�(xué)、處理光波長和空間信號計(jì)劃、高清晰度系�(tǒng)�(jì)�、基于士兵系�(tǒng)的MOEMS技�(shù)的發(fā)展計(jì)劃等，這里僅介紹其中的幾�(gè)�(jì)��
■光束靈活控�(STAB)系統(tǒng)STAB�(jì)劃是要開�(fā)出芯片一級的光束操縱元件，目的是�(fā)展小�、輕型激光波束控制技�(shù)，來代替光學(xué)通信和紅外對抗系�(tǒng)中的大型、機(jī)械控制的鏡頭系統(tǒng)。該�(jì)劃可用來解決激光通信系統(tǒng)中激光光束的方向角窄，影響激光通信系統(tǒng)的實(shí)用化的問題。計(jì)劃的總目�(biāo)是實(shí)�(xiàn)將光束靈活控制系�(tǒng)的尺寸縮�30�，重量減�60倍�
■光�(xué)微型�(wǎng)�(luò)該計(jì)劃主要�(jìn)行經(jīng)�(jì)可承受的高速光�(xué)�(shù)�(jù)�(wǎng)演示，實(shí)際應(yīng)用于飛機(jī)和軍�。已�(jīng)演示了把垂直腔激光綜合到�(qū)�(dòng)電子裝置頂上，并與必要的微型光學(xué)�(jié)合到一�，形成光�(xué)連接。然后，放大�16×16靈巧單元陣列光學(xué)通信�，�(jìn)行芯片與芯片之間通信演示。在�(shí)�(zhàn)飛行試驗(yàn)方面，通過利用AV-8B飛機(jī)的實(shí)彈演�(xí)，�(jìn)�10兆比/秒光�(xué)�(wǎng)�(luò)的飛行試�(yàn)�
■超大規(guī)模集成光�(xué)�(jì)劃的目的是利用光鏈路代替電子鏈路，用于芯片與芯片之間、板與板之間的通信，使線路板之間的�(shù)�(jù)傳輸率達(dá)到每秒太比特，有利于合成孔徑雷達(dá)、自�(dòng)目標(biāo)識別等高速數(shù)�(jù)處理，可以使這些系統(tǒng)的體積功率減�100�1000�。按照計(jì)劃，其靈巧像元陣列將放大�100×100，并演示合成孔徑雷達(dá)的數(shù)�(jù)處理�
DARPA研究�(rèn)為MOEMS在國防方面的�(yīng)用包括以�7�(gè)方面：武器制�(dǎo)和�(gè)人導(dǎo)航芯片上的慣性導(dǎo)航組�;軍備跟蹤、環(huán)境監(jiān)�、安全勘測的無人值守分布式傳感器系統(tǒng);小型分析儀器、液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)、推�(jìn)和燃燒控制的集成流量系統(tǒng);替換�(dāng)前彈頭系�(tǒng)與改�(jìn)安全性和可靠性的武器安全恢復(fù)，保�(xiǎn)和引�;移動(dòng)車輛和運(yùn)載器上有條件保養(yǎng)的嵌入式傳感器和�(zhí)行器，在輕武器系�(tǒng)/平臺和抵抗災(zāi)害建筑中按需增強(qiáng)�(jié)�(gòu)�(qiáng)�;用于每平方厘米千兆字節(jié)存儲密度的大�(guī)模數(shù)�(jù)存儲�(shè)備和系統(tǒng);用于鑒別敵友系統(tǒng)、顯示器和光纖開�(guān)/�(diào)節(jié)器中的集成微光學(xué)�(jī)械器�;用于飛機(jī)、自適應(yīng)光學(xué)和精密部件與材料處理的主�(dòng)、共形表��
2.微光�(jī)電系�(tǒng)在空間的�(yīng)�
光通信和光遙感是MOEMS在空間的主要�(yīng)��
�/納衛(wèi)星組�(wǎng)�(shí)�(wèi)星之間的通信若通過地面�，則噪聲干擾和低功率等原�?qū)⒂绊憘鬏斮|(zhì)�。解決的辦法是采用光通信，它傳輸容量�(理論值可�(dá)7.5吉比/�)，傳輸速率�、帶寬寬，且不占用無線電波段。衛(wèi)星使用光掃描�，因其體積小、轉(zhuǎn)角大、散射小和頻率高，可以用來完成衛(wèi)星網(wǎng)間的捕捉、瞄�(zhǔn)和跟�。美國航宇局已把空間光通信列入“新盛�”�(jì)劃和“深空系統(tǒng)技�(shù)”�(jì)劃。隨著MOEMS�(chǎn)品的成熟，有可能將微光學(xué)元件、微�(diào)整器、光�、探測器和處理電路等集成在同一芯片上，組成各種專用自由空間光學(xué)平臺，從而實(shí)�(xiàn)光學(xué)平臺的微型化。目�，美國航宇局噴氣推�(jìn)�(shí)�(yàn)室已將多�(gè)MOEMS和處理電路組裝成多芯片光通信模塊。國外研究出的一種用于低功耗光�(xué)�(diào)制和波束控制的模�，尺寸為10厘米×10厘米×2厘米，質(zhì)量僅0.4千克，功耗小�5��
隨著�(wèi)星微小型�，用于確定姿�(tài)、自主導(dǎo)�、科�(xué)成像和成像光譜技�(shù)的各種光�(xué)儀�，其孔徑和光�(xué)系統(tǒng)的可利用空間迅速減�。為�，一方面可以在光�(xué)系統(tǒng)中通過采用MEMS技�(shù)制造的微透鏡陣列、微衍射元件、微光掃描器和光纖感光板等來減小尺寸;另一方面可以把微光學(xué)元件、微�(jī)械構(gòu)�、探測器和處理電路集成積木式模塊，�(jìn)一步減小體積。噴氣推�(jìn)�(shí)�(yàn)室完成的用于光學(xué)�(dǎo)航和成像科學(xué)的基本光�(xué)積木式模�，尺寸為10厘米×10厘米×16厘米，質(zhì)量僅0.17千克，功耗小�0.3�。美國勞倫斯·利弗莫爾國家�(shí)�(yàn)室與OCA�(yīng)用光�(xué)公司合作研制的寬視場星跟蹤器，有很寬的視�(28�×43�)，可�50毫秒�(nèi)求出亮星的中心點(diǎn)，能�20微弧�(3σ�)的高精度跟蹤目標(biāo)。該星跟蹤器包括微電子線路在�(nèi)，質(zhì)量僅�175�，功�3��
三、微光機(jī)電系�(tǒng)�
�(yīng)用前景與展望
MOEMS以其對光束在�(shí)間和空間上的精確控制能力以及體積�、可批生�(chǎn)、功耗低和價(jià)格合理等�(yōu)�，將廣泛�(yīng)用于光通信、大�(guī)模數(shù)�(jù)存儲、圖像顯�、軍用光電偵察裝�、光互連計(jì)�、自主式航天交會、激光測�、激光雷�(dá)、制�(dǎo)、預(yù)警監(jiān)視系�(tǒng)以及使得使用大型光學(xué)孔徑的航天器�(shí)�(xiàn)小型化等方面�
歐洲非贏利性組�——多功能微系統(tǒng)卓越�(wǎng)�(luò)(NEXUS)�2000�2005年世界MEMS市場的預(yù)測報(bào)告指出，�2000�2005年期間世界MEMS市場將以每年遞增20%的速度增長，到2005年將�(dá)�680億美元的市場份額。其中一�(gè)較大的市場需求是來自�(yīng)用于通信�(lǐng)域的MOEMS和射頻MEMS(RF-MEMS)。到2005�，MOEMS和RF-MEMS在環(huán)�、工�(yè)自動(dòng)�、航空電子設(shè)備和軍事等方面的通信�(yīng)用市場份額將�(dá)�3億美��
雖然MOEMS技�(shù)�(fā)展的歷史并不長，但這是一�(xiàng)�(xué)科交叉性和綜合性都很強(qiáng)且極具發(fā)�?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)。開展這�(gè)�(lǐng)域的科學(xué)技�(shù)研究，既可以帶動(dòng)一些重要的基礎(chǔ)課題研究，又可以帶動(dòng)大量概念全新的功能部件開�(fā)，因此目前已�(jīng)成為世界各國都看好的研究熱點(diǎn)之一�