據(jù)麥姆斯咨詢介紹，自1994年起，總部位于加拿大阿爾伯塔省埃德蒙頓的Teledyne MEMS晶圓代工廠持續(xù)采用多種工藝制造MEMS光閥。“光閥（light valve）”是指一種能夠控制來自單一光源的多束光線的裝置。作為眾多消費(fèi)電子設(shè)備與特種專業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，MEMS光閥技術(shù)迭代的一大特征是市面涌現(xiàn)出多種硬件構(gòu)型。如今，商用化產(chǎn)品與設(shè)計(jì)方案品類豐富，終端用戶可根據(jù)自身需求擇優(yōu)選型。
MEMS光閥示例
“光閥”是一個涵蓋廣泛的術(shù)語，歷史上一直被用來描述硅基液晶（LCOS）以及德州儀器（Texas Instruments）開發(fā)的數(shù)字微鏡器件（DMD）；這兩種硬件架構(gòu)均屬于二維陣列。相比之下，Silicon Light Machines開發(fā)的光柵光閥（GLV）則是線性陣列型光閥中最具代表性的例子。這些光閥均要求高通道數(shù)量，為此行業(yè)普遍采用CMOS驅(qū)動電路襯底完成信號控制——即先制備底層微電子電路，再在電路表層加工微機(jī)械結(jié)構(gòu)。
光柵光閥（GLV）至今仍被應(yīng)用廣泛，是顯示、成像、印刷領(lǐng)域線性陣列光調(diào)制的主流方案。其核心由交替排布的光柵子單元構(gòu)成，依靠靜電驅(qū)動技術(shù)使單元產(chǎn)生1/4波長位移，既可實(shí)現(xiàn)光束鏡面反射（零級衍射），也能逐像素構(gòu)建衍射光柵，工作頻率可達(dá)數(shù)百千赫茲。
硅光閥（SLV）
Teledyne MEMS自研的硅光閥（SLV）與光柵光閥思路相近，同樣采用靜電驅(qū)動線性開關(guān)單元陣列；區(qū)別在于其全部MEMS結(jié)構(gòu)直接制作于硅襯底，尋址電路集成在器件表層。數(shù)千路信號通過獨(dú)立地址引線連接至封裝引腳。盡管該方案對封裝工藝要求更高，但在光學(xué)性能與機(jī)械穩(wěn)定性上具備獨(dú)特優(yōu)勢。
該器件工藝可集成至CMOS工藝制程中，同時多單元架構(gòu)為單通道應(yīng)用提供了可能；其MEMS工藝流程可選用CMOS工藝無法兼容的多種材料與工藝。除此之外，該器件性能不受孔徑限制，諧振頻率高于同類方案，并且填充因子優(yōu)異，可實(shí)現(xiàn)類鏡面高反射率。
基于Teledyne MEMS工藝開發(fā)的硅光閥，將一種設(shè)計(jì)重新概念化——該設(shè)計(jì)已在高通道、高分辨率、高速紅外成像系統(tǒng)中完成驗(yàn)證，經(jīng)優(yōu)化后簡化為結(jié)構(gòu)簡潔、高速響應(yīng)、大孔徑的MEMS光開關(guān)。
單通道光調(diào)制器
目前業(yè)界已形成多套成熟的單通道光調(diào)制切換方案。對比傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)，聲光調(diào)制（AO）、電光調(diào)制（EO）器件更適配對切換速率有高要求的系統(tǒng)與應(yīng)用。反觀MEMS技術(shù)路線，商用產(chǎn)品中僅有少數(shù)方案具備足夠的速度，達(dá)到高速調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)；一般而言，所有慣性驅(qū)動型器件，尺寸增大則切換速度下降。
但是，對于聲光調(diào)制和電光調(diào)制方法，增大孔徑會推高整體成本：大孔徑需要更高純度晶體，鍍膜、鍵合工藝成本同步上漲。而MEMS技術(shù)路線依托晶圓批量制造優(yōu)勢，孔徑增大帶來的成本增幅平緩。另一方面，聲光調(diào)制晶體孔徑增大時，聲波傳播受限，器件響應(yīng)時間隨之增加；電光調(diào)制晶體隨孔徑增大，所需驅(qū)動電壓同步提升，直接限制器件重復(fù)工作頻率。
聲光調(diào)制器件的工作機(jī)理為：向晶體內(nèi)耦合聲信號，聲波與入射光束發(fā)生相互作用；當(dāng)換能器加載射頻（RF）功率時，透射光束會發(fā)生特定角度衍射。系統(tǒng)物理特性決定光束最大相對光強(qiáng)，該指標(biāo)定義為衍射效率。射頻頻率、調(diào)制器尺寸、驅(qū)動功率共同決定光柵結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確定衍射光偏折角；晶體耦合系數(shù)約束射頻功率的需求閾值。二氧化碲耦合系數(shù)優(yōu)異，是行業(yè)常用晶體材料，其余各類晶體則適配不同光學(xué)場景。
當(dāng)前主流廠商的聲光調(diào)制器件最大孔徑可達(dá)15mm，但市面應(yīng)用最廣的仍是0.3~3 mm規(guī)格。核心原因是孔徑超過該范圍后，聲波跨孔徑傳輸時延會嚴(yán)重制約切換速度。作為參照：5mm孔徑硅光閥可實(shí)現(xiàn)與0.3mm二氧化碲聲光調(diào)制器件同等帶寬，并且孔徑、速度均具備進(jìn)一步提升空間。
對于某些應(yīng)用，聲光調(diào)制器件無法提供足夠快的切換時間。電光調(diào)制器件（尤其橫向電光構(gòu)型）是速度更快但成本更高的替代方案；其原理為在晶體兩側(cè)施加電場，改變晶體內(nèi)偏振態(tài)。搭配固定偏振片后，加載半波電壓（Vπ）抵消偏振效應(yīng)，光束即可完全透過器件。
絕大多數(shù)自由空間光學(xué)應(yīng)用的電光調(diào)制系統(tǒng)切換速度可達(dá)納秒級；但孔徑增大之后，實(shí)現(xiàn)開關(guān)所需驅(qū)動電壓同步升高，會拉長兩次切換的間隔，降低重復(fù)頻率，具體表現(xiàn)受驅(qū)動電路與晶體材料共同影響。
電光調(diào)制器件看似存在矛盾特性：單步切換為納秒級，重復(fù)頻率卻僅千赫茲量級；而硅光閥有潛力實(shí)現(xiàn)納秒級切換，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)本身不存在重復(fù)頻率上限，僅需在諧振峰值頻率范圍內(nèi)匹配應(yīng)用所需切換速度。
基于MEMS技術(shù)的光調(diào)制解決方案
硅光閥技術(shù)經(jīng)迭代重構(gòu)后，可以作為單通道光強(qiáng)/光功率調(diào)制器。相比其它的機(jī)械式方案，MEMS方案能夠提供更高的開關(guān)速度，同時保留了機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡潔性。盡管仍屬于光閥家族，但將基于MEMS的硅光閥用于光調(diào)制器，可為自由空間光學(xué)帶來新機(jī)遇。該硅光閥中的光束偏轉(zhuǎn)元件受電驅(qū)動發(fā)生轉(zhuǎn)動，入射光束能量會偏離法線方向，從而實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。
單個寬度為10 μm的光束偏轉(zhuǎn)元件橫截面的掃描電鏡圖
Teledyne MEMS團(tuán)隊(duì)通過迭代制備多款不同外形的硅光閥，來驗(yàn)證該方案可行性：該MEMS大孔徑器件僅需單路輸入電壓，即可達(dá)到微型獨(dú)立單元同等的響應(yīng)速度。下圖展示了寬度為12μm的光束偏轉(zhuǎn)元件的共聚焦顯微成像。為驗(yàn)證理論，測試器件的長度被逐步增加；實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)果表明即使是長度達(dá)到數(shù)毫米的器件，在高諧振頻率下仍能正常工作。不過，該類器件在孔徑大小方面的實(shí)際極限尚不明確。
寬度為12μm的光束偏轉(zhuǎn)元件的共聚焦顯微成像
單路輸入電壓驅(qū)動時的光束偏轉(zhuǎn)元件的共聚焦顯微成像
仿真模型與實(shí)物測試顯示：采用邊緣支撐邊界條件時，光束偏轉(zhuǎn)元件邊緣約60μm區(qū)間為形變過渡區(qū)；但元件中部區(qū)域偏轉(zhuǎn)形態(tài)穩(wěn)定，性能不受器件總長影響。實(shí)測數(shù)據(jù)表明：一組333根、單根長5 mm的偏轉(zhuǎn)反射鏡陣列，僅輸入單路驅(qū)動電壓即可實(shí)現(xiàn)2.6 MHz切換速率。
速度與孔徑的約束極限尚未完全探明，企業(yè)現(xiàn)階段僅針對成像應(yīng)用的實(shí)際速率需求開展研究；然而，對設(shè)計(jì)和材料的調(diào)整仍可能顯著影響這一指標(biāo)，從而進(jìn)一步提升開關(guān)速度。
盡管Teledyne MEMS的大部分研究對多通道器件的表征和開發(fā)具有實(shí)用價值，但結(jié)果表明，所有元件均可實(shí)現(xiàn)高度一致的制造，從而確保在驅(qū)動時各元件的特性能夠同步呈現(xiàn)。據(jù)此衍生出一套可行方案：利用特征寬度不隨孔徑變化而改變的元件，通過單通道電壓輸入進(jìn)行控制。即便僅采用單顆可偏轉(zhuǎn)類鏡面偏轉(zhuǎn)單元，當(dāng)其特征寬度約為10倍工作波長（10 × λ）時，光學(xué)仿真與實(shí)測結(jié)果均表明該單元可作為獨(dú)立單通道開關(guān)使用；將多個單元陣列化排布后，整體僅等效為一款大孔徑開關(guān)。該工作特性已在可見光至遠(yuǎn)紅外波段完成驗(yàn)證測試。
上述工作機(jī)理解釋清晰闡明：該平面型器件可突破傳統(tǒng)機(jī)械式方案的速度瓶頸，實(shí)現(xiàn)大孔徑下的高速光調(diào)制。該技術(shù)的價值需結(jié)合適當(dāng)?shù)谋尘翱陀^評判：如前所述，與聲光和電光調(diào)制器相比，現(xiàn)有商用MEMS技術(shù)方案中能達(dá)到高速標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品寥寥無幾；而主流聲光和電光調(diào)制器普遍采用縮小孔徑的光學(xué)設(shè)計(jì)策略來換取性能。本文介紹的MEMS技術(shù)方案性能不受孔徑限制，且僅需微調(diào)MEMS掩模版圖與加工流程，即可按需定制器件規(guī)格。
在上述背景下，本文所描述的MEMS技術(shù)方案與方法針對的是采用高帶寬設(shè)計(jì)、孔徑較大（>300 μm）的自由空間光學(xué)系統(tǒng)。市場上雖有各類聲光和電光調(diào)制器適配不同應(yīng)用場景，但也存在多種性能取舍的設(shè)計(jì)思路。
這種基于MEMS技術(shù)的光調(diào)制解決方案的實(shí)用性和潛力，從根本上源于現(xiàn)有硅光閥的性能優(yōu)勢。硅光閥不僅具備傳統(tǒng)MEMS光調(diào)制器所特有的可制造性與魯棒性，還能實(shí)現(xiàn)與孔徑尺寸無關(guān)的兆赫茲級切換速度；這種靈活性與可配置性對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員極具吸引力。
