本文介绍，随着微光学元件变得越来越普遍，光子将在许多制造应用中取代电子。

　　在1880年，亚历山大.格拉汉.贝尔(Alexander Graham Bell)使用他新发明的光线电话(photophone)将他的声音通过日光束发送。贝尔认为，这个概念比那个使他致富和成名的接线(wire-bound)电话的意义重大得多。贝尔是对的，但是这个世界等待超过一个多世纪，才等到基于光的通信，光子(photonics)，真正成功。
　　你知道光用于传送互联网高速公路吗？这个神奇的全球范围的网络大部分是由光学纤维形式的玻璃制造的。随着这个玻璃超高速公路的发展，远程输送、基于陆地的通信、和越洋通道正从电子转向迅速的光子。没有东西比光更快，但是更重要的是，当使用多元策略时，没有其他媒介可提供每秒更多的数据。
　　现在光子使用彩虹(rainbow)的颜色 - 波长划分多元法(WDM, Wave Division Multiplexing) - 来达到更宽的带宽。WDM只是意味着在相同的连接上对每一流束的数据使用不同波长或颜色。工业正通过一条简单的细光纤将上百种波长一起传送。因为多条光纤跨越世界，光纤数量乘以波长数量，得到显著的带宽。最新的光子系统可以在一根光纤上以一秒时间运载相当于12,000百科全书从波斯顿到洛杉基。
　　这个将会怎样影响电子呢？我们要学习装配与光纤而不是铜连接的光学元件吗？或许，但是现在，光学控制器和互联网开关还含有相当的电子元件，其电子部分还是由表面贴装技术来装配的。相反，光学模块是在显微镜下手工装配的，基本上没有自动化。尽管如此，该技术刚刚开始，并以互联网的速度变化，因此预计有惊人的事情出现。

MEMS与MOEMS
　　这些缩写字可能熟悉，但是它们与电路和装配有任何关系吗？对于现代固态电子，上百万个静态管制造在一个指甲大小的硅片内，电子作所有的运动。微电机系统(MEMS, micro-electromechanical system)在保留电子技术的同时增加了机械运动。MEMS元件可泵出液体和转动阀门；典型的喷墨打印机粉盒有一个MEMS芯片和多个在纸上喷出墨水微粒的喷。将光学增加到MEMS元件，你就得到微光电机系统(MOEMS, micro-optical- electromechanical system)。
　　这些较新的二十一世纪的技术将为人们熟知的科学增加到电子学(图一)。但是MEMS和MOEMS不是实验室的新奇事物。今天它们是商业的，即使其分枝还没有完全理解。它们成功的关键是其材料和装配工艺适合于巨大的半导体工业；基本结构已经形成。还有，较旧的制造再不能处理先进的中央处理器(CPU)的超高密度，要求较低密度的内存对MEMS和MOEMS是非常完美的。一个两千亿美元基础设施的接入能力给MOEMS一个巨大的优势和奔跑的开始。

MOEMS驱动力
　　世界范围内的通信是MOEMS的新的推断力量。互联网是现代通信的核心，每一天它都变得越来越重要。或许生产力的永远不断的推进是基于互联网的交易结果，特别是商对商(B2B, business-to-business)的交易。现在的互联网，渗透着整个世界，因为全球变成完全相互连接。虽然网站(dotcom)可能是有趣的事，但使网站正常工作甚至更加令人兴奋，特别是对技术人员来说。
　　几十年前电话网络采用光子(图二)。对于陆地通信，没有什么比光更快、更有效和更经济。光纤正是AT&T和Sprint的选择，它让你听见一根针落下的声音。陆地之间的连接，因为它们躺在海底所以叫做海底连接(submarine link)，也是使用光学纤维，因为玻璃纤维不腐蚀，要求很少放大器，并可以光驱动。因此，当互联网变得普及的时候，光学纤维是唯一聪明的选择，至少对远程是这样。
　　电话与互联网陆地光纤网络已经在使用上相当简单。电子调制的激光将数据光束以富数据(data-rich)频率发送到光纤管。在信号到达其目的地之前，可能被光学放大器增强几次，虽然最新的光纤可以不需要放大，处理2000米。位于战略地理点的大型电子路由器(router)通过翻译象邮码(zip code)起作用的包码(packet code)来发送信号。可是，今天的百万美元的路由器必须首先将光子转换到电子，路由(route)信号，然后转换回光子。这个混合系统叫做光-电-光(opto-electro-opto)。它可以工作，允许公司依附到使用已知的电子开关和路由的安全网络。过去有人认为我们可以无限期地使用这种结构，但后来出现了彩虹(rainbow)。
　　几年前，互联网硬件制造商与供应商面临不能满足的带宽需求。不是增加更多的光纤，而是在相同的光纤上增加更多的颜色，WDM现象变成现实。如所提到的，波长划分多元法就是意味着增强更多的波长来载送数据。例如，数据1可使用红色，数据2使用蓝色，因此加倍了网络的容量。现在增强100个波长，系统增加带宽100倍，而没有增强一条新的光纤。
　　虽然许多专家说WDM不可能实施，但它随着许多令光学工业震惊的技术突破迅速成功。事实上，工业正向高密度波长划分多元系统(DWDM, dense WDM)转移，定义为16或更多个波长。极限是多少？计划有成百个，但数千也是可能的。(图三)

WDM怎样工作？
　　单独的数据波长是合并或复合在一个发送到光纤的单一光束内。信息独立地传送，没有任何大的干扰。当准备路由时，合并的光束反复合或分开成原来的波长，这好比白光照入棱镜得到彩虹色一样。现在，光子系统必须返回到电子，转换，然后回到光子状态。但是，对于怂恿这些额外的波长，O-E-O系统及其双转换变成负担很重，可能最终在其自重之下崩溃。
　　一束光线怎样可以被抓住和以正确的方向送出？最简单的构造是一个有开/关状态的开关，在这里一个光阀或快门可让光通过或阻塞通道。这种结构可由一个加/减(A/D, add/drop)开关来完成，这里允许一个特殊的波长通过(added)或被阻塞(dropped)。增强足够的这些单元，光可以发送(route)。这些简单的MOEMS设备可以是快门、朗讯(Lucent)制造的机械非反射开关(MARS, mechanical anti-reflective switch)或各种其他系统。
　　今天，互联网硬件制造商正在制造A/D模块，并把这些模块装配到大型开关卡中，这个卡可能是18"长。这些光学元件是手工装配到传统的电子板上。对准是关键和单调乏味的，在显微镜下花好几分钟，用焊锡和胶剂固定头发丝大小的纤维。图四显示光学十字开关(cross-switch)的结构。注意开关数量是 n²，这里n是光线进给线的数量。
　　然后，金属包封的A/D模块，6~8"长，装配到路由器的支架卡(rack-card)上，这个支架卡比膝上电脑较长和较重。现在，一个主要供应商正强四个A/D模块装配在一个卡上，但是马上要到八个单元。在一个小时的手工装配之后，这个大卡就准备好测试了。使用一个花费将近一百万美元的、复杂的、计算机控制传动的、八英尺高的支架测试可能超过一个小时。预定在互联网高速公路上指挥交通的最终开关模块销售价格为30,000~50,000美元。这些单元实际上还是带有一些光子元件的电子产品。大多数电子装配是传统的表面贴装，但将不会停留在MEMS所成熟的方式。
　　现在，光电技术通过是烟雾 - 来自焊接烙铁和炉子。可是，很快，将增强镜子。我们处在光子学革命的开始，魔术般的微型镜将抓住光束，并马上将它发送到电脑空间中去。从O-E-O到纯光学(opto-opto, O-O)的转变将是戏剧性的，或许就象从真空管进入到晶体管一样。
　　现在进入先进的MOEMS。互联网巨人在O-O开关上只是在2000年已经下注几十亿美元的收购资金。想象一个硅元件，不比计算机芯片大，但是由成千上万的移动元件。事实上，最复杂的人造机器，波音777，在复杂程度上与具有较高零件数的MOEMS镜矩阵相比也是其次。

发散更多光(Shedding More Light)
　　先进的MOEMS产品是高度复杂的。芯片是隔绝密封的，当然需要一个光的通道。方法是有些显而易见的，但实施可能是一个巨大的工作。一个可传送光的眼睑盖或观察孔设计在封装内。开发奖很可能使用光纤连接器而不是窗口。出自德州仪器(Texas Instruments)的数据微镜装置(DMD™，Digital Micro-mirror Device)是复杂光子产品的一个最好的例子(图五)。
　　DMD是可能是最复杂的MOEMS元件，还没有商业化，是未来的一个展示。该芯片结合使用在操作期间独立地和几乎即时移动的光束指挥镜。通过将一个镜(mirror)指向发射镜(lens)一个象素点转“开”，而转“关”就是将镜(mirror)指开。镜矩阵用于数字发射器，但该概念是指光线开关。
　　可移动镜原理是适合于光波信号的互联网路由的。进来的光束可制向预定的输出光纤。几家公司已经宣布微型镜开关的产品和计划。一些在心轴上转动，如TI的开关，而其他的，如朗讯的开关，利用一个弯曲杠杆作用(图六)。还有其他的旋转，甚至有些具有多轴运动。基于MOEMS的光学开关今年在互联网上进行β测试。
　　朗讯已经宣布了基于两轴镜的MOEMS开关，它可指向一个矩阵中的任何纤维。镜矩阵(mirror array)是设计用来将进入的光线指向任何输出光纤，而不是只转换开与关。这个设计减少镜的数量，但使MOEMS系统更加复杂。具有256个镜子的单元据说将要发货，但是网络供应商是谨慎的，将需要相当的测试。
　　在电路板上也正在使用少量的光纤。有些连接器供应商正提供对PWB的光纤连接。Molex公司有柔性的基于电路的光纤接口。

光明的未来
　　随着MOEMS进入公众的注意力，我们可以期待什么呢？首先，大型电子路由器将变得更小和要求更少的电子。某一天，那个堆叠的支架设备可能是膝上电脑的大小。光学装配将可能仍然是一个非常高精度的工艺，但是或许MEMS将定位光纤。现在，过程的自动化甚至还很远。仅管如此，如果光子要往下走到大都会(Metro Rings)和到最终用户(图一)，在这里高装配成本可能是受限制的，那么自动化是必要的。
　　我们可以预计光子会向前进，不只是沿着互联网，而且要到显示器与其它图形界面。现在，DMD系统正在电影中测试，未来的“电影可以通过互联网传送。新的光学装配工厂已有所闻，一些合约电子制造商正开始做光学元件的装配。让我们调整到光子学中来，抓住机遇。

References
1. Gilleo, K. (2000, March) The MEMS PCB assembly challenge. Circuits Assembly, pp. 62-70.
2. Gilleo, K. (2000, June) MEMS packaging solutions. EP&P, pp. 49-56.
3. Mignardi, M. (1998, July-Sept) From ICs to DMDs. TI Technical Journal. pp. 56-63, (www.TI.com).

　　Dr. Ken Gilleo, is general technologist with Cookson Electronics, Foxboro, MA; e-mail: kgilleo@cps.cookson.com.  

(A 05/24/2001)