光开关矩阵的诞生：从设计到美国专利

Tu Xiang Zheng (涂向真)   

我的一项用于全光通信的MOEMS光开关矩阵设计获得美国发明专利，专利名称：Method for making optical switch array，专利号：6,773,942，授权日期：August 10, 2004。

这项设计的过程是漫长的，艰辛的，充满挑战，有时还富有戏剧性。事情的起因，要从我在美国宾州大学电子工程系当访问教授谈起。我承担的研究课题涉及到光学测量，不少时间要在暗室中度过。光学实验室设在宾大Moore大楼的一层，与世界上第一台全数字电子计机“ENIAC”的展室相对。我进出实验室都要经过一条L型的通道，实际上，通道已经改装成博士生候选人的办公室。到宾州大学读博士的学生要试读一年，准备资格考试，考试合格的学生被正式录取为博士生，录取的学生由博导教授另外安排办公室，未被录取的学生就要离开宾大，另找出路。 

有一次，我在实验室做测量，把室内灯全关了，正用红外相机拍摄光波相干的干涉条纹。突然，实验室的门被打开了，射进一道刺眼的亮光。我一瞥，一位学生走进来，连连向我道歉，说他不小心把书架撞倒了，倒在实验室门上，把门撞开了。

一次生，二次熟，此后这位学生每次见到我都要跟打招呼，还主动和我聊天。他说，他来自南斯拉夫，父亲是工程师，母亲是教师，来美国学习主要靠他的一位在德国工作的叔叔资助。他叫Smiweiqe，学的是光学工程，对光学实验感兴趣，想要我给一个机会，看我做光学实验。

我满足了Smiweiqe的要求，让他看了我做实验的全过程，还让他看我拍的干涉条纹照片。他看后说，这是一组等厚干涉条纹，是由两块干净的镜片紧紧压叠，两镜片间的空气层就形成空气薄膜，用水银灯或纳灯作为光源，就可以观察到薄膜干涉现象。如果镜片表面不很平，所夹空气层厚度不均匀，观察到的将是一些不规则的等厚干涉条纹，通常是一些大大小小的同心环．若用很平的镜片，则会出现一些平行条纹。他还说，条纹很清晰，很光滑，镜片一定很光亮。然后，就在实验台上找镜片，找了半天也没找到，就问我，我说那就是，指着一根单模光纤和一块微机械加工的硅片，他显得很茫然，睁大眼睛盯着我。我就给Smiweiqe解释，这不是一块普通的镜片，而是硅片内部的一个<111>晶面，是通过各向异性腐蚀（110）硅片形成的。Smiweiqe点了点头，似乎有所领悟，其实，他并不完全知道其中的奥妙。 

这块<111>晶面，高50微米，宽100微米，只有针尖那么大。这么微小的镜子在日常生活中没有任何用处的，但用它构建高度密集的微型反射镜矩阵，并配合直径8微米的单模光纤矩阵，就成了以光速传送信息的通信网络，把整个地球缩小成客厅，会议室，电影院，体育馆，赛马场，人们之间没有空间距离，相会交流没有任何阻隔。于是，又有一个发明的梦想在我头脑中生成，尽管这只是梦想，与现实还有很大差距，也正是还有差距，才会产生发挥自我的决心，完成理想的欲望和永不放弃的坚持。 

我带着这个梦想进了新泽西州的Rutges大学，在那里我读到一篇论文，是新泽西理工学院的两位教授发表的，他们做了一面直立在硅片表面的（111）晶面微型反射镜。新泽西理工学院在纽瓦克，离我所在的Rutges大学的Busch校园很近，我总想找个机会去参观一下。委托我开光纤传感器检漏产品的公司的汤和羌得知我的想法后，专门为我安排了一次学术交流活动。

羌开车送我到新泽西理工学院，经他介绍，与两位教授见了面。这两位教授也研究微光机电系统（MOEMS），主要开发微镜组件。我也作了自我介绍，着重介绍我研发的光纤传感器。交流结束后，两位教授领我们参观他们的实验室。他们的实验室不大，不是做微电子产品的无尘室，只能做一般的化学实验。在我的要求下，他们让我在显微镜下观看了他们制作的（111）晶面微型反射镜。

两位教授的数据进一步证明，各向异性腐蚀硅片产生的（111）晶面具有原子级的光滑度，反射系数也足够大，完全可以用作反射镜，这与我的认知是相同的。但是，要制作成具有开关功能的反射镜矩阵，对他们说来，要解决的问题还很多，路途还很遥远，因为他们还没有考虑反射镜的移动问题。 

我开始光开关矩阵的设计，在我面前挡道的是如何让（111）晶面垂直移动。我想了好多个办法，都由于工艺流程过于复杂，设备要求过于苛刻，最后一个个被我放弃。我化了大半年的时间，查遍文献，绞尽脑汁，仍然是无法可想，无计可施，“移动”的问题就像是一座大山，把我的前进之路堵得严严实实，我痛苦不堪，不得不暂时在梦中不断探索。 

足足有两年的时间，光开关矩阵就像幽灵，在我脑海中时隐时现，时时刻刻提醒我，不要停留原地，要继续前进。有时还督促我，鞭策我，要我快马加鞭，只争朝夕，努力攀登科技高峰。 

有一次，在我查阅文献时，看到一篇文章报道：在硅片的多孔硅表层上，可以进行外延生长，形成硅单晶层。这真的是“踏破铁鞋无处寻，得来全不费功夫”，我终于找到梦寐以求的锐利武器，攻克光开关矩阵的难关几乎不成问题。我对多孔硅研究得比较透，而硅外延生长是初进研究所所做的工作，只是一直没有在多孔硅上生长外延层的经验。 

解决了（111）晶面垂直移动的难题后，光开关矩阵的设计就算是大功告成了。由于设计方案新颖，技术路线独特，实施工艺流程成熟，我专利申请顺利通过美国专利局的审查，授于发明专利权。 

我设计的MOEMS光开关矩阵属于光路遮挡型，矩阵由N×N的微镜组成，用来连接N条输入光纤和N条输出光纤。微镜和光纤在同一个平面上，微镜有原位和上移两种位置，相应于开和关两种状态。微镜的上移是在静电力的作用下产生的。当某一微镜上移处于开状态时，由其对应的输入光纤射出的光束经其反射而进入其对应的输出光纤，从而实现任意输入光束耦合为输出信号。

MOEMS光开关的应用，可以从小型光交叉连接直到大型光交叉连接。在光通信网络中，光开关矩阵具有光路选择，多条光纤线路的交叉互连，上下光路及对故障光纤线路进行旁路等重要功能，是光通信网络中许多设备的关键光器件。

MOEMS光开关既有机械式光开关的低插损，低串扰，低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度，小体积，易于大规模集成等优点。MOEMS光开关与光信号的格式，波长，协议，调制方式，偏振，传输方向等均无关，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。