反射式微光机电系统(MOEMS)的研究现状与展望

　　1　引　言

　　从20世纪80年代后期开始,随着微电子加工技术的不断进步,集成了微驱动器、微执行器、微传感器、微控制器和微能源的各种微机电系统(micro-electro-mechanical-system,简称MEMS)都得到了迅猛的发展。

　　微机电系统与光学相结合,就产生了微光机电系统(micro-opto-electro-mechanical system,简称MOEMS,也称Optical-MEMS或Microphotonics)。微光机电系统是指用于光学领域或采用光学原理进行工作的微机电系统。微光机电系统根据其中的光学子系统的工作原理可以分为光源、波导MOEMS、透射式MOEMS、反射式MOEMS、衍射式MOEMS和干涉式MOEMS。

　　反射式MOEMS器件是指具有一个或多个反射面,根据光的反射原理工作的MOEMS器件。在静电电场的作用下,反射式MOEMS的反射面的形状或位置发生变化,调制入射光的方向、相位或振幅。反射式MOEMS器件在许多方面都有广泛的应用,如光通信、光开关、光互连、图像校正、图像显示等。

　　2　反射式MOEMS的基本结构

　　反射式MOEMS按照其结构可以分为反射面、微反射镜和微反射镜阵列。其中反射面又可以继续细分为弹性体反射面、薄膜反射面和硅反射面。

　　2.1　反射面MOEMS

　　2.1.1　弹性体反射面MOEMS弹性体反射面MOEMS的基本结构是在已经图形化寻址电路的衬底上淀积一层弹性体,目前多采用液晶材料,在这层弹性体上溅射金属以增强反射性。在静电电场的作用下,弹性体发生变形,寻址电极上方的弹性体厚度减小,寻址电极之间的弹性体厚度增大,从而形成波浪形的表面。一般来说,弹性体的变形量与所加的静电电压是正相关的。入射光经过这样的表面反射后,光程发生改变,进而调制反射光的相位。图1所示是一种弹性体反射面MOEMS的典型结构。

　　2.1.2　薄膜反射面MOEMS

　　薄膜反射面MOEMS的基本结构是在已经图形化寻址电路的衬底上有一层由一个或多个锚点支撑的弹性薄膜,薄膜多采用单晶硅或多晶硅。在上方的弹性薄膜和下方的寻址电路之间形成一层空气间隙。这层空气间隙大多是通过表面工艺释放牺牲层得到的。在静电电场的作用下,寻址电极上方的薄膜向下发生弯曲,发生变形,整个薄膜反射面呈波浪形。通过改变入射光的光程,薄膜反射面MOEMS也可以对入射光进行相位调制。图2所示是一种薄膜反射面MOEMS的典型结构。

　　2.1.3　硅反射面MOEMS

　　硅反射面主要用于将近红外光耦合进出光纤。通过对(100)晶面的硅衬底进行各向异性的湿法腐蚀,可以得到一个各个面均为(111)晶面的V型槽。这种V型槽一般用作光纤的准直器件,与光纤末端相对的面即可作为反射面,使从光纤中出射的光改变方向。由于各向异性湿法腐蚀得到的反射面与衬底的夹角为54·7°,所以入射光经过反射后不能垂直于衬底出射。为解决这个问题,可以腐蚀偏离[100]晶向9.7°的衬底,得到与衬底夹角为45°的硅反射面[3]。