光學MEMS技術革命 應用與商業(yè)機會探索

    MEMS技術與光學技術相互融合誕生的光學MEMS技術，將傳統(tǒng)光學元器件的制造技術提升到微型化、陣列化、批量化的新高度，帶來了光電器件制造技術的“革命”，給光學制造注入“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、平民化應用市場新空間。

    MEMS是當今高新技術與產業(yè)界關注的焦點，被廣泛認為是最有潛力的新興產業(yè)。MEMS與光學技術相互交叉融合，誕生了MEMS的核心分支技術——光學MEMS技術。光學MEMS技術的誕生并非偶然配對，而是源自于光學技術與精密機械的“血緣”聯系。

    光學MEMS技術帶來光電制造“技術革命”

    光學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）加工技術制造的光電器件，其中包含典型器件如數字微鏡（DMD）、光掃描鏡、光開關、光可調濾波器、光相位調制器、自動對焦（AF）、手機防抖（OIS）、微型光譜儀、硅微光學封裝平臺（SiOB）、閃耀光柵、微透鏡、光濾波器等，而且包含微驅動器、精密機械結構在其中，甚至包含集成制造的微傳感器，來實現光學MEMS器件內部微機構的運動實時監(jiān)測與反饋。光學MEMS廣義講包含基于半導體微細加工技術制造的所有光電器件，除狹義定義包含的光電器件外，還包括光學波導器件（PLC）、半導體激光器/探測器、成像傳感器等。兩者的界限也有融合的趨勢，例如，利用硅微光學封裝平臺將半導體激光器、探測器、波導器件、微透鏡、分束器、濾波器等封裝在一起，構成高速光器件，如100G/ 400G器件。

    MEMS技術與光學技術相互融合、交叉誕生的光學MEMS技術，將傳統(tǒng)光學元器件的制造技術提升到微型化、陣列化、批量化的新高度，帶來了光電器件制造技術的“革命”，給光學制造注入“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、平民化應用市場的新空間。

    光學MEMS技術采用微電子工藝、晶圓級生產與封裝光電器件與系統(tǒng)，其生產能力可提升數百至數萬倍，生產成本降低數倍至數百倍，器件體積縮小數十至數千倍，這樣幾個數量級的“量變”必然導致光電制造“技術革命”。如同微電子技術帶給電子技術的革命，這場光學制造技術革命勢必將帶來光學技術“質”的飛躍。光學MEMS技術還將帶給光學器件多功能（光、機、電、傳感）集成制造、納米至亞微米級精密制造、高一致性、高重復性等關鍵、高附加值的優(yōu)良特性，將光學制造提升至全新的技術水平。光學MEMS技術帶來的光電器件制造技術的一系列巨大變革，將開啟新的巨大的商業(yè)機會。

    光學MEMS技術不僅改變了已有光電器件的制造技術，還催生了全新的光電器件與系統(tǒng)，如數字微鏡（DMD）、光開關矩陣等面陣光學器件，就是具有“壓倒性”技術優(yōu)勢、“顛覆性”創(chuàng)新的MEMS光電器件。簡單功能的光學元件，通過排列成二維陣列，將產生全新、質變的光學功能，光學圖像傳感器、光學投影、光學平板顯示就是典型的例子。大規(guī)模光學元件陣列不可能采用傳統(tǒng)的制造技術來制造，光學MEMS技術非常適宜制造大規(guī)模陣列的面陣光學器件，這源自MEMS的微細加工工藝。MEMS面陣光學器件，如數字微鏡（DMD）陣列、光開關陣列、熱紅外傳感器陣列、光學變形鏡陣列、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元器件，光學元件單元數量高達百萬、千萬像素，在光學功能上也有本質的飛躍。面陣光學器件的制造主要得益于MEMS加工技術的微型化、高精度、高一致性、低功耗、快速響應、批量、低成本的內稟技術優(yōu)勢。

    光學MEMS技術的應用與商業(yè)機會

    智能光通信器件：光纖通信網絡正在向基于波長路由的智能光網絡方向演進，光纖傳感系統(tǒng)也在向光纖傳感網絡方向發(fā)展，需要大量可調諧、動態(tài)的智能光器件，而光學MEMS是實現智能光通信器件的主流技術。光學MEMS具有技術、性價比優(yōu)勢的智能光通信器件包括：可調諧光衰減器及其陣列（VOA）、光開關及其陣列（OSW）、可重構光上/下路復用器（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）、可調諧光濾波器（TOF）、可調諧外腔激光器（ECL）、可調諧光接收機（Tunable Receiver）、可調諧色散補償器（TDC）、可調光延遲線（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成的復合器件或子系統(tǒng)，如V-Mux（光功率可調的波分復用器）。據預測，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)轉型升級的主要方向。

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

    MEMS光顯示：光學MEMS對光束靈活、高速、陣列化的“操控”能力，使其在顯示技術具有巨大的優(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，是當前技術性能最好的投影芯片，也是商業(yè)上最成功的MEMS應用。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，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智能眼鏡等應用中具有良好的市場前景。MEMS在平板顯示領域也取得了很大的技術發(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，其結合了MEMS傳感技術與光電傳感技術的技術優(yōu)勢，形成了一類新穎的光傳感器，如MEMS激光雷達（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傳感技術與光纖傳感技術的結合還誕生了MEMS光纖傳感器，可以實現加速度、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用前景。

    MEMS攝像頭：攝像頭是智能手機的標準配置，而且還出現流行雙攝像頭的趨勢。隨著攝像頭像素高達千萬級像素，攝像頭的自動對焦（AF）、光學防抖（OIS）也成為了必不可少的配置，目前主要采用音圈電動機（VCM）作為驅動器，不僅功耗高、速度慢、體積大，還存在嚴重的遲滯，發(fā)展基于MEMS技術的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，然而在技術上存在很大挑戰(zhàn)，MEMS執(zhí)行器期待出現高力密度、大行程、低驅動電壓的微執(zhí)行器技術。最近，MEMSDrive公司開發(fā)出了MEMS OIS執(zhí)行器，并應用在OPPO新一代手機上。MEMS光學變焦也是智能手機渴求的執(zhí)行器，其在技術上挑戰(zhàn)更大，一旦技術突破，市場前景不可限量。MEMS攝像頭產品還可以應用于平板電腦、安全監(jiān)控、可穿戴設備、汽車、VR/AR等應用中，具有很大的市場前景。

    光學MEMS技術的廣闊市場空間

    在所述光學MEMS應用與市場中，光學MEMS不僅具有較大技術優(yōu)勢，而且還具有“不可替代”性，這源自光學MEMS的獨特技術優(yōu)勢。光學MEMS是批量化的器件制造技術，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MEMS應用的廣泛性。光學MEMS還具有很高的技術門檻，需要長期的技術積累，不會出現過度競爭。因此，光學MEMS技術具有廣闊的藍海市場。

    據預測，至2025年，光學MEMS器件市場容量將超過百億美元。光學MEMS應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MEMS蘊藏巨大的商業(yè)機會，是一片亟待開采的“金礦”。