微光機(jī)電系統(tǒng)在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用與展望

微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)是近幾年在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中發(fā)展起來的一支極具活力的新技術(shù)系統(tǒng)，它是由微光學(xué)、微電子和微機(jī)械相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型的微光學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。MOEMS是一種可控的微光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的微光學(xué)元件在微電子和微機(jī)械裝置的作用下能夠?qū)馐M(jìn)行匯聚、衍射和反射等控制，從而可最終實(shí)現(xiàn)光開關(guān)、衰減、掃描和成像等功能。該系統(tǒng)把微光學(xué)元件、微電子和微機(jī)械裝置有機(jī)地集成在一起，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)微型化而降低成本，而且可實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件間的自對準(zhǔn)，更重要的是這種組合還會產(chǎn)生新的光學(xué)器件和裝置。MOEMS的出現(xiàn)將極大地促進(jìn)信息通信、航天技術(shù)以及光學(xué)工具的發(fā)展，對整個(gè)信息化時(shí)代將生產(chǎn)深遠(yuǎn)的影響。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

一、微光機(jī)電系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用研究

MOEMS在光通信、數(shù)字圖像獲取、顯示與處理、IT外圍設(shè)備、環(huán)境保護(hù)、自動化生物醫(yī)療裝備、工業(yè)維護(hù)等方面有著很好的應(yīng)用前景，國外在上述領(lǐng)域開展了一系列MOEMS技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)。

1.光通信

開關(guān)元件是光網(wǎng)絡(luò)的核心部件，其性能的好壞是決定網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵?；贛EMS的光開關(guān)，由于其與光信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振和傳輸方向等均無關(guān)，而且在損耗和擴(kuò)展性上都要優(yōu)于其它類型，與未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所要求的透明性和可擴(kuò)展性等趨勢相符合，正在成為核心光交換器件中的主流。最近MOEMS取得的絕大多數(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步都體現(xiàn)在光通信領(lǐng)域，光通信已經(jīng)成為MOEMS的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

近年來正大力發(fā)展一種集成化的MEMS光開關(guān)，即在硅片上用微加工技術(shù)做出大量可移動的微型鏡片構(gòu)成的開關(guān)陣列。AT&T實(shí)驗(yàn)室采用MOEMS技術(shù)研制了8×8光開關(guān)陣列。此微機(jī)械光開關(guān)的尺寸大約為1厘米×1厘米，每個(gè)輸入端口對應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)直微透鏡，每個(gè)輸出端口對應(yīng)一個(gè)聚焦微透鏡，光開關(guān)的主要組成部分是一個(gè)8行8列的微反射鏡矩陣以及每個(gè)微反射鏡所對應(yīng)的控制系統(tǒng)，鏡面通過銷軸聯(lián)接。通過抓爬驅(qū)動器使微鏡轉(zhuǎn)動90度，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)的開關(guān)速度為亞毫秒級。這種光開關(guān)的介入損耗較大，最大可達(dá)19.9分貝(見圖1)。目前MEMS光開關(guān)還處于研究階段，沒有形成產(chǎn)業(yè)化。隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬的擴(kuò)大，MEMS光開關(guān)會越來越受到人們的重視，具有重要的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

除了MEMS光開關(guān)外，目前在光網(wǎng)絡(luò)中用得比較多的MOEMS器件還有光纖開關(guān)、光交叉連接設(shè)備、波分復(fù)用/解復(fù)用器、可調(diào)諧濾波器、色散補(bǔ)償器、光耦合器等。

2.數(shù)字圖像處理

在圖像處理的相關(guān)產(chǎn)品方面，MOEMS技術(shù)大多應(yīng)用于信息的顯示、打印和處理。其中最為成熟的是數(shù)字微鏡裝置(DMD)。圖2所示為美國TI公司研制的DMD光開關(guān)原理圖。它通過可以旋轉(zhuǎn)10度的扭轉(zhuǎn)鏡來完成投影顯示。每個(gè)微鏡下都有驅(qū)動電極，在下電極與微鏡間加一定的電壓，靜電力使微鏡傾斜，輸入光被反射至鏡頭，投影到屏幕上，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)產(chǎn)生明暗，投影出圖像。目前，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。

二、微光機(jī)電系統(tǒng)在軍事及空間領(lǐng)域的應(yīng)用研究

雖然MOEMS技術(shù)的研究與實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，但是由于利用該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(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視。

1.美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)開展的研究情況

DARPA對于MOEMS的研究給予高度重視，圍繞MOEMS技術(shù)及其應(yīng)用開展了一系列研究計(jì)劃，例如光束靈活控制(STAB)系統(tǒng)、光學(xué)微型網(wǎng)絡(luò)、超大規(guī)模集成光學(xué)、處理光波長和空間信號計(jì)劃、高清晰度系統(tǒng)計(jì)劃、基于士兵系統(tǒng)的MOEMS技術(shù)的發(fā)展計(jì)劃等，這里僅介紹其中的幾個(gè)計(jì)劃。

■光束靈活控制(STAB)系統(tǒng)STAB計(jì)劃是要開發(fā)出芯片一級的光束操縱元件，目的是發(fā)展小型、輕型激光波束控制技術(shù)，來代替光學(xué)通信和紅外對抗系統(tǒng)中的大型、機(jī)械控制的鏡頭系統(tǒng)。該計(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)劃的總目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)將光束靈活控制系統(tǒng)的尺寸縮小30倍，重量減輕60倍。

■光學(xué)微型網(wǎng)絡(luò)該計(jì)劃主要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可承受的高速光學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)演示，實(shí)際應(yīng)用于飛機(jī)和軍艦。已經(jīng)演示了把垂直腔激光綜合到驅(qū)動電子裝置頂上，并與必要的微型光學(xué)結(jié)合到一起，形成光學(xué)連接。然后，放大到16×16靈巧單元陣列光學(xué)通信塊，進(jìn)行芯片與芯片之間通信演示。在實(shí)戰(zhàn)飛行試驗(yàn)方面，通過利用AV-8B飛機(jī)的實(shí)彈演習(xí)，進(jìn)行10兆比/秒光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的飛行試驗(yàn)。

■超大規(guī)模集成光學(xué)計(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，使線路板之間的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到每秒太比特，有利于合成孔徑雷達(dá)、自動目標(biāo)識別等高速數(shù)據(jù)處理，可以使這些系統(tǒng)的體積功率減少100～1000倍。按照計(jì)劃，其靈巧像元陣列將放大到100×100，并演示合成孔徑雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理。

DARPA研究認(rèn)為MOEMS在國防方面的應(yīng)用包括以下7個(gè)方面：武器制導(dǎo)和個(gè)人導(dǎo)航芯片上的慣性導(dǎo)航組合;軍備跟蹤、環(huán)境監(jiān)控、安全勘測的無人值守分布式傳感器系統(tǒng);小型分析儀器、液壓與氣動系統(tǒng)、推進(jìn)和燃燒控制的集成流量系統(tǒng);替換當(dāng)前彈頭系統(tǒng)與改進(jìn)安全性和可靠性的武器安全恢復(fù)，保險(xiǎn)和引信;移動車輛和運(yùn)載器上有條件保養(yǎng)的嵌入式傳感器和執(zhí)行器，在輕武器系統(tǒng)/平臺和抵抗災(zāi)害建筑中按需增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;用于每平方厘米千兆字節(jié)存儲密度的大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和系統(tǒng);用于鑒別敵友系統(tǒng)、顯示器和光纖開關(guān)/調(diào)節(jié)器中的集成微光學(xué)機(jī)械器件;用于飛機(jī)、自適應(yīng)光學(xué)和精密部件與材料處理的主動、共形表面。

2.微光機(jī)電系統(tǒng)在空間的應(yīng)用

光通信和光遙感是MOEMS在空間的主要應(yīng)用。

微/納衛(wèi)星組網(wǎng)時(shí)衛(wèi)星之間的通信若通過地面站，則噪聲干擾和低功率等原因?qū)⒂绊憘鬏斮|(zhì)量。解決的辦法是采用光通信，它傳輸容量大(理論值可達(dá)7.5吉比/秒)，傳輸速率高、帶寬寬，且不占用無線電波段。衛(wèi)星使用光掃描器，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、瞄準(zhǔn)和跟蹤。美國航宇局已把空間光通信列入“新盛世”計(jì)劃和“深空系統(tǒng)技術(shù)”計(jì)劃。隨著MOEMS產(chǎn)品的成熟，有可能將微光學(xué)元件、微調(diào)整器、光源、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)現(xiàn)光學(xué)平臺的微型化。目前，美國航宇局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室已將多個(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學(xué)調(diào)制和波束控制的模塊，尺寸為10厘米×10厘米×2厘米，質(zhì)量僅0.4千克，功耗小于5瓦。

隨著衛(wèi)星微小型化，用于確定姿態(tài)、自主導(dǎo)航、科學(xué)成像和成像光譜技術(shù)的各種光學(xué)儀器，其孔徑和光學(xué)系統(tǒng)的可利用空間迅速減小。為此，一方面可以在光學(xué)系統(tǒng)中通過采用MEMS技術(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、微機(jī)械構(gòu)件、探測器和處理電路集成積木式模塊，進(jìn)一步減小體積。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室完成的用于光學(xué)導(dǎo)航和成像科學(xué)的基本光學(xué)積木式模塊，尺寸為10厘米×10厘米×16厘米，質(zhì)量僅0.17千克，功耗小于0.3瓦。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室與OCA應(yīng)用光學(xué)公司合作研制的寬視場星跟蹤器，有很寬的視場(28度×43度)，可在50毫秒內(nèi)求出亮星的中心點(diǎn)，能以20微弧度(3σ值)的高精度跟蹤目標(biāo)。該星跟蹤器包括微電子線路在內(nèi)，質(zhì)量僅為175克，功耗3瓦。

三、微光機(jī)電系統(tǒng)的

應(yīng)用前景與展望

MOEMS以其對光束在時(shí)間和空間上的精確控制能力以及體積小、可批生產(chǎn)、功耗低和價(jià)格合理等優(yōu)勢，將廣泛應(yīng)用于光通信、大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲、圖像顯示、軍用光電偵察裝備、光互連計(jì)算、自主式航天交會、激光測距、激光雷達(dá)、制導(dǎo)、預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)以及使得使用大型光學(xué)孔徑的航天器實(shí)現(xiàn)小型化等方面。

歐洲非贏利性組織——多功能微系統(tǒng)卓越網(wǎng)絡(luò)(NEXUS)對2000～2005年世界MEMS市場的預(yù)測報(bào)告指出，在2000～2005年期間世界MEMS市場將以每年遞增20%的速度增長，到2005年將達(dá)到680億美元的市場份額。其中一個(gè)較大的市場需求是來自應(yīng)用于通信領(lǐng)域的MOEMS和射頻MEMS(RF-MEMS)。到2005年，MOEMS和RF-MEMS在環(huán)境、工業(yè)自動化、航空電子設(shè)備和軍事等方面的通信應(yīng)用市場份額將達(dá)到3億美元。

雖然MOEMS技術(shù)發(fā)展的歷史并不長，但這是一項(xiàng)學(xué)科交叉性和綜合性都很強(qiáng)且極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)。開展這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究，既可以帶動一些重要的基礎(chǔ)課題研究，又可以帶動大量概念全新的功能部件開發(fā)，因此目前已經(jīng)成為世界各國都看好的研究熱點(diǎn)之一。