微光机电系统在军事和民用领域的应用与展望

2012-10-05 admin1 496

微光机电系统(MOEMS)是近几年在微机电系统(MEMS)中发展起来的一支极具活力的新技术系统,它是由微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统。MOEMS是一种可控的微光学系统,该系统中的微光学元件在微电子和微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚、衍射和反射等控制,从而可最终实现光开关、衰减、扫描和成像等功能。该系统把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在一起,能够充分发挥三者的综合性能,不仅能够使光学系统微型化而降低成本,而且可实现光学元件间的自对准,更重要的是这种组合还会产生新的光学器件和装置。MOEMS的出现将极大地促进信息通信、航天技术以及光学工具的发展,对整个信息化时代将生产深远的影响。

一、微光机电系统在民用领域的应用研究

MOEMS在光通信、数字图像获取、显示与处理、IT外围设备、环境保护、自动化生物医疗装备、工业维护等方面有着很好的应用前景,国外在上述领域开展了一系列MOEMS技术和产品的研究开发。

1.光通信

开关元件是光网络的核心部件,其性能的好坏是决定网络性能的关键。基于MEMS的光开关,由于其与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振和传输方向等均无关,而且在损耗和扩展性上都要优于其它类型,与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展性等趋势相符合,正在成为核心光交换器件中的主流。最近MOEMS取得的绝大多数创新和进步都体现在光通信领域,光通信已经成为MOEMS的主要应用领域之一。

 

 

 

 

激埃特光电

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

近年来正大力发展一种集成化的MEMS光开关,即在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。AT&T实验室采用MOEMS技术研制了8×8光开关阵列。此微机械光开关的尺寸大约为1厘米×1厘米,每个输入端口对应一个准直微透镜,每个输出端口对应一个聚焦微透镜,光开关的主要组成部分是一个8行8列的微反射镜矩阵以及每个微反射镜所对应的控制系统,镜面通过销轴联接。通过抓爬驱动器使微镜转动90度,使来自输入光纤的光束反射到所希望的输出光纤中。光开关的开关速度为亚毫秒级。这种光开关的介入损耗较大,最大可达19.9分贝(见图1)。目前MEMS光开关还处于研究阶段,没有形成产业化。随着光通信技术的发展,网络带宽的扩大,MEMS光开关会越来越受到人们的重视,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

除了MEMS光开关外,目前在光网络中用得比较多的MOEMS器件还有光纤开关、光交叉连接设备、波分复用/解复用器、可调谐滤波器、色散补偿器、光耦合器等。

2.数字图像处理

 

激埃特光电

 

在图像处理的相关产品方面,MOEMS技术大多应用于信息的显示、打印和处理。其中最为成熟的是数字微镜装置(DMD)。图2所示为美国TI公司研制的DMD光开关原理图。它通过可以旋转10度的扭转镜来完成投影显示。每个微镜下都有驱动电极,在下电极与微镜间加一定的电压,静电力使微镜倾斜,输入光被反射至镜头,投影到屏幕上,未加电压的微镜处的光线反射至镜头外。这样,微镜使每点产生明暗,投影出图像。目前,已研制出的DMD的像素达2048×1152。DMD可应用于投影仪和电视等装置上。

二、微光机电系统在军事及空间领域的应用研究

虽然MOEMS技术的研究与实际应用还有一段距离,但是由于利用该项技术可以实现武器系统的小型化、低功耗和低成本,所以受到了军事部门的重视。

1.美国国防高级研究计划局(DARPA)开展的研究情况

DARPA对于MOEMS的研究给予高度重视,围绕MOEMS技术及其应用开展了一系列研究计划,例如光束灵活控制(STAB)系统、光学微型网络、超大规模集成光学、处理光波长和空间信号计划、高清晰度系统计划、基于士兵系统的MOEMS技术的发展计划等,这里仅介绍其中的几个计划。

■光束灵活控制(STAB)系统STAB计划是要开发出芯片一级的光束操纵元件,目的是发展小型、轻型激光波束控制技术,来代替光学通信和红外对抗系统中的大型、机械控制的镜头系统。该计划可用来解决激光通信系统中激光光束的方向角窄,影响激光通信系统的实用化的问题。计划的总目标是实现将光束灵活控制系统的尺寸缩小30倍,重量减轻60倍。

■光学微型网络该计划主要进行经济可承受的高速光学数据网演示,实际应用于飞机和军舰。已经演示了把垂直腔激光综合到驱动电子装置顶上,并与必要的微型光学结合到一起,形成光学连接。然后,放大到16×16灵巧单元阵列光学通信块,进行芯片与芯片之间通信演示。在实战飞行试验方面,通过利用AV-8B飞机的实弹演习,进行10兆比/秒光学网络的飞行试验。

■超大规模集成光学计划的目的是利用光链路代替电子链路,用于芯片与芯片之间、板与板之间的通信,使线路板之间的数据传输率达到每秒太比特,有利于合成孔径雷达、自动目标识别等高速数据处理,可以使这些系统的体积功率减少100~1000倍。按照计划,其灵巧像元阵列将放大到100×100,并演示合成孔径雷达的数据处理。

DARPA研究认为MOEMS在国防方面的应用包括以下7个方面:武器制导和个人导航芯片上的惯性导航组合;军备跟踪、环境监控、安全勘测的无人值守分布式传感器系统;小型分析仪器、液压与气动系统、推进和燃烧控制的集成流量系统;替换当前弹头系统与改进安全性和可靠性的武器安全恢复,保险和引信;移动车辆和运载器上有条件保养的嵌入式传感器和执行器,在轻武器系统/平台和抵抗灾害建筑中按需增强结构强度;用于每平方厘米千兆字节存储密度的大规模数据存储设备和系统;用于鉴别敌友系统、显示器和光纤开关/调节器中的集成微光学机械器件;用于飞机、自适应光学和精密部件与材料处理的主动、共形表面。

2.微光机电系统在空间的应用

光通信和光遥感是MOEMS在空间的主要应用。

微/纳卫星组网时卫星之间的通信若通过地面站,则噪声干扰和低功率等原因将影响传输质量。解决的办法是采用光通信,它传输容量大(理论值可达7.5吉比/秒),传输速率高、带宽宽,且不占用无线电波段。卫星使用光扫描器,因其体积小、转角大、散射小和频率高,可以用来完成卫星网间的捕捉、瞄准和跟踪。美国航宇局已把空间光通信列入“新盛世”计划和“深空系统技术”计划。随着MOEMS产品的成熟,有可能将微光学元件、微调整器、光源、探测器和处理电路等集成在同一芯片上,组成各种专用自由空间光学平台,从而实现光学平台的微型化。目前,美国航宇局喷气推进实验室已将多个MOEMS和处理电路组装成多芯片光通信模块。国外研究出的一种用于低功耗光学调制和波束控制的模块,尺寸为10厘米×10厘米×2厘米,质量仅0.4千克,功耗小于5瓦。

随着卫星微小型化,用于确定姿态、自主导航、科学成像和成像光谱技术的各种光学仪器,其孔径和光学系统的可利用空间迅速减小。为此,一方面可以在光学系统中通过采用MEMS技术制造的微透镜阵列、微衍射元件、微光扫描器和光纤感光板等来减小尺寸;另一方面可以把微光学元件、微机械构件、探测器和处理电路集成积木式模块,进一步减小体积。喷气推进实验室完成的用于光学导航和成像科学的基本光学积木式模块,尺寸为10厘米×10厘米×16厘米,质量仅0.17千克,功耗小于0.3瓦。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室与OCA应用光学公司合作研制的宽视场星跟踪器,有很宽的视场(28度×43度),可在50毫秒内求出亮星的中心点,能以20微弧度(3σ值)的高精度跟踪目标。该星跟踪器包括微电子线路在内,质量仅为175克

,功耗3瓦。

三、微光机电系统的

应用前景与展望

MOEMS以其对光束在时间和空间上的精确控制能力以及体积小、可批生产、功耗低和价格合理等优势,将广泛应用于光通信、大规模数据存储、图像显示、军用光电侦察装备、光互连计算、自主式航天交会、激光测距、激光雷达、制导、预警监视系统以及使得使用大型光学孔径的航天器实现小型化等方面。

欧洲非赢利性组织——多功能微系统卓越网络(NEXUS)对2000~2005年世界MEMS市场的预测报告指出,在2000~2005年期间世界MEMS市场将以每年递增20%的速度增长,到2005年将达到680亿美元的市场份额。其中一个较大的市场需求是来自应用于通信领域的MOEMS和射频MEMS(RF-MEMS)。到2005年,MOEMS和RF-MEMS在环境、工业自动化、航空电子设备和军事等方面的通信应用市场份额将达到3亿美元。

虽然MOEMS技术发展的历史并不长,但这是一项学科交叉性和综合性都很强且极具发展潜力的高新技术。开展这个领域的科学技术研究,既可以带动一些重要的基础课题研究,又可以带动大量概念全新的功能部件开发,因此目前已经成为世界各国都看好的研究热点之一。

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