光學(xué)MEMS技術(shù)革命 應(yīng)用與商業(yè)機會探索

    MEMS技術(shù)與光學(xué)技術(shù)相互融合誕生的光學(xué)MEMS技術(shù)，將傳統(tǒng)光學(xué)元器件的制造技術(shù)提升到微型化、陣列化、批量化的新高度，帶來了光電器件制造技術(shù)的“革命”，給光學(xué)制造注入“高通量、批量化、低成本”的新元素，打開了光電器件與系統(tǒng)的海量、平民化應(yīng)用市場新空間。

    MEMS是當(dāng)今高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點，被廣泛認(rèn)為是最有潛力的新興產(chǎn)業(yè)。MEMS與光學(xué)技術(shù)相互交叉融合，誕生了MEMS的核心分支技術(shù)——光學(xué)MEMS技術(shù)。光學(xué)MEMS技術(shù)的誕生并非偶然配對，而是源自于光學(xué)技術(shù)與精密機械的“血緣”聯(lián)系。

    光學(xué)MEMS技術(shù)帶來光電制造“技術(shù)革命”

    光學(xué)MEMS存在狹義和廣義兩種定義，狹義定義是指基于微機械（Micro-Machining）加工技術(shù)制造的光電器件，其中包含典型器件如數(shù)字微鏡（DMD）、光掃描鏡、光開關(guān)、光可調(diào)濾波器、光相位調(diào)制器、自動對焦（AF）、手機防抖（OIS）、微型光譜儀、硅微光學(xué)封裝平臺（SiOB）、閃耀光柵、微透鏡、光濾波器等，而且包含微驅(qū)動器、精密機械結(jié)構(gòu)在其中，甚至包含集成制造的微傳感器，來實現(xiàn)光學(xué)MEMS器件內(nèi)部微機構(gòu)的運動實時監(jiān)測與反饋。光學(xué)MEMS廣義講包含基于半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制造的所有光電器件，除狹義定義包含的光電器件外，還包括光學(xué)波導(dǎo)器件（PLC）、半導(dǎo)體激光器/探測器、成像傳感器等。兩者的界限也有融合的趨勢，例如，利用硅微光學(xué)封裝平臺將半導(dǎo)體激光器、探測器、波導(dǎo)器件、微透鏡、分束器、濾波器等封裝在一起，構(gòu)成高速光器件，如100G/ 400G器件。

    MEMS技術(shù)與光學(xué)技術(shù)相互融合、交叉誕生的光學(xué)MEMS技術(shù)，將傳統(tǒng)光學(xué)元器件的制造技術(shù)提升到微型化、陣列化、批量化的新高度，帶來了光電器件制造技術(shù)的“革命”，給光學(xué)制造注入“高通量、批量化、低成本”的新元素，打開了光電器件與系統(tǒng)的海量、平民化應(yīng)用市場的新空間。

    光學(xué)MEMS技術(shù)采用微電子工藝、晶圓級生產(chǎn)與封裝光電器件與系統(tǒng)，其生產(chǎn)能力可提升數(shù)百至數(shù)萬倍，生產(chǎn)成本降低數(shù)倍至數(shù)百倍，器件體積縮小數(shù)十至數(shù)千倍，這樣幾個數(shù)量級的“量變”必然導(dǎo)致光電制造“技術(shù)革命”。如同微電子技術(shù)帶給電子技術(shù)的革命，這場光學(xué)制造技術(shù)革命勢必將帶來光學(xué)技術(shù)“質(zhì)”的飛躍。光學(xué)MEMS技術(shù)還將帶給光學(xué)器件多功能（光、機、電、傳感）集成制造、納米至亞微米級精密制造、高一致性、高重復(fù)性等關(guān)鍵、高附加值的優(yōu)良特性，將光學(xué)制造提升至全新的技術(shù)水平。光學(xué)MEMS技術(shù)帶來的光電器件制造技術(shù)的一系列巨大變革，將開啟新的巨大的商業(yè)機會。

    光學(xué)MEMS技術(shù)不僅改變了已有光電器件的制造技術(shù)，還催生了全新的光電器件與系統(tǒng)，如數(shù)字微鏡（DMD）、光開關(guān)矩陣等面陣光學(xué)器件，就是具有“壓倒性”技術(shù)優(yōu)勢、“顛覆性”創(chuàng)新的MEMS光電器件。簡單功能的光學(xué)元件，通過排列成二維陣列，將產(chǎn)生全新、質(zhì)變的光學(xué)功能，光學(xué)圖像傳感器、光學(xué)投影、光學(xué)平板顯示就是典型的例子。大規(guī)模光學(xué)元件陣列不可能采用傳統(tǒng)的制造技術(shù)來制造，光學(xué)MEMS技術(shù)非常適宜制造大規(guī)模陣列的面陣光學(xué)器件，這源自MEMS的微細(xì)加工工藝。MEMS面陣光學(xué)器件，如數(shù)字微鏡（DMD）陣列、光開關(guān)陣列、熱紅外傳感器陣列、光學(xué)變形鏡陣列、微透鏡陣列、閃耀光柵等，完全不同傳統(tǒng)手工制造的分立光學(xué)元器件，光學(xué)元件單元數(shù)量高達(dá)百萬、千萬像素，在光學(xué)功能上也有本質(zhì)的飛躍。面陣光學(xué)器件的制造主要得益于MEMS加工技術(shù)的微型化、高精度、高一致性、低功耗、快速響應(yīng)、批量、低成本的內(nèi)稟技術(shù)優(yōu)勢。

    光學(xué)MEMS技術(shù)的應(yīng)用與商業(yè)機會

    智能光通信器件：光纖通信網(wǎng)絡(luò)正在向基于波長路由的智能光網(wǎng)絡(luò)方向演進(jìn)，光纖傳感系統(tǒng)也在向光纖傳感網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展，需要大量可調(diào)諧、動態(tài)的智能光器件，而光學(xué)MEMS是實現(xiàn)智能光通信器件的主流技術(shù)。光學(xué)MEMS具有技術(shù)、性價比優(yōu)勢的智能光通信器件包括：可調(diào)諧光衰減器及其陣列（VOA）、光開關(guān)及其陣列（OSW）、可重構(gòu)光上/下路復(fù)用器（ROAD）、光交叉連接器（OXC）、動態(tài)增益均衡器（DGE）、光性能監(jiān)測器（OPM）、可調(diào)諧光濾波器（TOF）、可調(diào)諧外腔激光器（ECL）、可調(diào)諧光接收機（Tunable Receiver）、可調(diào)諧色散補償器（TDC）、可調(diào)光延遲線（TDL）、高密度連接器（MPO）、激光波長鎖定器（Etalon）、MEMS閃耀光柵（MEMS Blazed Grating）、硅微光學(xué)封裝平臺（Silicon Optical Bench）、自動光纖配線系統(tǒng)（AODF）等，以及MEMS光器件與其它光器件組合而構(gòu)成的復(fù)合器件或子系統(tǒng)，如V-Mux（光功率可調(diào)的波分復(fù)用器）。據(jù)預(yù)測，到2025年智能光通信器件的市場規(guī)�？傻�20億美元，為光通信器件行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要方向。

    MEMS激光元器件：光學(xué)MEMS可以通過集成制造的微光學(xué)元件“運動”實現(xiàn)對激光束的靈活、高速“操控”，實現(xiàn)激光掃描、激光功率控制、激光相位調(diào)制、激光波前控制等。光學(xué)MEMS具有技術(shù)與性價比優(yōu)勢的激光元器件包括：激光掃描鏡（單軸、雙軸）、激光功率控制器、激光高速Q(mào)開關(guān)、激光相位調(diào)制器、激光斬波器、激光光閘（Shutter）、光學(xué)變形鏡、微透鏡及其陣列。這些基于MEMS技術(shù)的新型激光元器件對MEMS制造構(gòu)成較大的技術(shù)挑戰(zhàn)，如大光束尺寸、大掃描角度、高激光耐受功率，需要采用特殊設(shè)計來解決�？梢灶A(yù)期這些技術(shù)挑戰(zhàn)將得到有效解決，并將開辟光學(xué)MEMS一個嶄新的子方向，為激光技術(shù)提供微小型、高性能、高性價比的MEMS激光元器件。

    MEMS光顯示：光學(xué)MEMS對光束靈活、高速、陣列化的“操控”能力，使其在顯示技術(shù)具有巨大的優(yōu)勢，具有體積小、重量輕、功耗低、性能優(yōu)異等優(yōu)點。DMD就是MEMS顯示的杰出代表，是當(dāng)前技術(shù)性能最好的投影芯片，也是商業(yè)上最成功的MEMS應(yīng)用。MEMS光顯示分為投影顯示和平板顯示兩種。TI公司DMD投影顯示是MEMS最成功的商業(yè)應(yīng)用，除圖像投影市場外，TI公司近年來也積極開拓DMD在3D掃描儀、微小型光譜儀、無掩膜光刻等應(yīng)用市場。美國Microvision公司推出的激光微投影（Pico Projector）是基于單激光掃描鏡的投影技術(shù)，具有高清、小體積、低成本的巨大優(yōu)勢，將在汽車激光抬頭顯示（HUD）、智能激光車頭燈、AR/MR智能眼鏡等應(yīng)用中具有良好的市場前景。MEMS在平板顯示領(lǐng)域也取得了很大的技術(shù)發(fā)展，夏普與高通子公司合作開發(fā)出了MEMS快門型平板顯示器具有很高的光效率；高通收購的Iridigm Display公司研發(fā)出了光干涉調(diào)制（iMoD）平板顯示器無需背光源，具有極低功耗、雙穩(wěn)態(tài)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，具有良好的市場前景。

    MEMS光傳感：基于MEMS傳感器/執(zhí)行器、以光作為信息載體的一類傳感器，其結(jié)合了MEMS傳感技術(shù)與光電傳感技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，形成了一類新穎的光傳感器，如MEMS激光雷達(dá)（LiDAR）、條碼掃描、3D傳感器、3D掃描儀、微型傅里葉變換光譜儀、MEMS紅外光源、IR傳感器、紅外圖像傳感器（熱像儀）、MEMS光聲氣體傳感器。MEMS傳感技術(shù)與光纖傳感技術(shù)的結(jié)合還誕生了MEMS光纖傳感器，可以實現(xiàn)加速度、壓力、位移、溫度、撓度、聲/超聲、水聲、磁場、電場等多種物理的測量，具有光纖傳感技術(shù)的特點與優(yōu)勢，在土木工程、電力、石油、高鐵、港口等工程監(jiān)測項目具有廣闊的應(yīng)用前景。

    MEMS攝像頭：攝像頭是智能手機的標(biāo)準(zhǔn)配置，而且還出現(xiàn)流行雙攝像頭的趨勢。隨著攝像頭像素高達(dá)千萬級像素，攝像頭的自動對焦（AF）、光學(xué)防抖（OIS）也成為了必不可少的配置，目前主要采用音圈電動機（VCM）作為驅(qū)動器，不僅功耗高、速度慢、體積大，還存在嚴(yán)重的遲滯，發(fā)展基于MEMS技術(shù)的AF和OIS執(zhí)行器，能完全克服VCM的不足，具有巨大的市場需求，然而在技術(shù)上存在很大挑戰(zhàn)，MEMS執(zhí)行器期待出現(xiàn)高力密度、大行程、低驅(qū)動電壓的微執(zhí)行器技術(shù)。最近，MEMSDrive公司開發(fā)出了MEMS OIS執(zhí)行器，并應(yīng)用在OPPO新一代手機上。MEMS光學(xué)變焦也是智能手機渴求的執(zhí)行器，其在技術(shù)上挑戰(zhàn)更大，一旦技術(shù)突破，市場前景不可限量。MEMS攝像頭產(chǎn)品還可以應(yīng)用于平板電腦、安全監(jiān)控、可穿戴設(shè)備、汽車、VR/AR等應(yīng)用中，具有很大的市場前景。

    光學(xué)MEMS技術(shù)的廣闊市場空間

    在所述光學(xué)MEMS應(yīng)用與市場中，光學(xué)MEMS不僅具有較大技術(shù)優(yōu)勢，而且還具有“不可替代”性，這源自光學(xué)MEMS的獨特技術(shù)優(yōu)勢。光學(xué)MEMS是批量化的器件制造技術(shù)，其器件與同等功能的其它光電器件相比具有很高的性價比，制造成本的下降，保證了光學(xué)MEMS應(yīng)用的廣泛性。光學(xué)MEMS還具有很高的技術(shù)門檻，需要長期的技術(shù)積累，不會出現(xiàn)過度競爭。因此，光學(xué)MEMS技術(shù)具有廣闊的藍(lán)海市場。

    據(jù)預(yù)測，至2025年，光學(xué)MEMS器件市場容量將超過百億美元。光學(xué)MEMS應(yīng)用與市場目前還只是“冰山露出一角”，處于發(fā)展的早期階段。因此，光學(xué)MEMS蘊藏巨大的商業(yè)機會，是一片亟待開采的“金礦”。