光学MEMS技术革命 应用与商业机会探索

    MEMS技术与光学技术相互融合诞生的光学MEMS技术，将传统光学元器件的制造技术提升到微型化、阵列化、批量化的新高度，带来了光电器件制造技术的“革命”，给光学制造注入“高通量、批量化、低成本”的新元素，打开了光电器件与系统的海量、平民化应用市场新空间。

    MEMS是当今高新技术与产业界关注的焦点，被广泛认为是最有潜力的新兴产业。MEMS与光学技术相互交叉融合，诞生了MEMS的核心分支技术——光学MEMS技术。光学MEMS技术的诞生并非偶然配对，而是源自于光学技术与精密机械的“血缘”联系。

    光学MEMS技术带来光电制造“技术革命”

    光学MEMS存在狭义和广义两种定义，狭义定义是指基于微机械（Micro-Machining）加工技术制造的光电器件，其中包含典型器件如数字微镜（DMD）、光扫描镜、光开关、光可调滤波器、光相位调制器、自动对焦（AF）、手机防抖（OIS）、微型光谱仪、硅微光学封装平台（SiOB）、闪耀光栅、微透镜、光滤波器等，而且包含微驱动器、精密机械结构在其中，甚至包含集成制造的微传感器，来实现光学MEMS器件内部微机构的运动实时监测与反馈。光学MEMS广义讲包含基于半导体微细加工技术制造的所有光电器件，除狭义定义包含的光电器件外，还包括光学波导器件（PLC）、半导体激光器/探测器、成像传感器等。两者的界限也有融合的趋势，例如，利用硅微光学封装平台将半导体激光器、探测器、波导器件、微透镜、分束器、滤波器等封装在一起，构成高速光器件，如100G/ 400G器件。

    MEMS技术与光学技术相互融合、交叉诞生的光学MEMS技术，将传统光学元器件的制造技术提升到微型化、阵列化、批量化的新高度，带来了光电器件制造技术的“革命”，给光学制造注入“高通量、批量化、低成本”的新元素，打开了光电器件与系统的海量、平民化应用市场的新空间。

    光学MEMS技术采用微电子工艺、晶圆级生产与封装光电器件与系统，其生产能力可提升数百至数万倍，生产成本降低数倍至数百倍，器件体积缩小数十至数千倍，这样几个数量级的“量变”必然导致光电制造“技术革命”。如同微电子技术带给电子技术的革命，这场光学制造技术革命势必将带来光学技术“质”的飞跃。光学MEMS技术还将带给光学器件多功能（光、机、电、传感）集成制造、纳米至亚微米级精密制造、高一致性、高重复性等关键、高附加值的优良特性，将光学制造提升至全新的技术水平。光学MEMS技术带来的光电器件制造技术的一系列巨大变革，将开启新的巨大的商业机会。

    光学MEMS技术不仅改变了已有光电器件的制造技术，还催生了全新的光电器件与系统，如数字微镜（DMD）、光开关矩阵等面阵光学器件，就是具有“压倒性”技术优势、“颠覆性”创新的MEMS光电器件。简单功能的光学元件，通过排列成二维阵列，将产生全新、质变的光学功能，光学图像传感器、光学投影、光学平板显示就是典型的例子。大规模光学元件阵列不可能采用传统的制造技术来制造，光学MEMS技术非常适宜制造大规模阵列的面阵光学器件，这源自MEMS的微细加工工艺。MEMS面阵光学器件，如数字微镜（DMD）阵列、光开关阵列、热红外传感器阵列、光学变形镜阵列、微透镜阵列、闪耀光栅等，完全不同传统手工制造的分立光学元器件，光学元件单元数量高达百万、千万像素，在光学功能上也有本质的飞跃。面阵光学器件的制造主要得益于MEMS加工技术的微型化、高精度、高一致性、低功耗、快速响应、批量、低成本的内禀技术优势。

    光学MEMS技术的应用与商业机会

    智能光通信器件：光纤通信网络正在向基于波长路由的智能光网络方向演进，光纤传感系统也在向光纤传感网络方向发展，需要大量可调谐、动态的智能光器件，而光学MEMS是实现智能光通信器件的主流技术。光学MEMS具有技术、性价比优势的智能光通信器件包括：可调谐光衰减器及其阵列（VOA）、光开关及其阵列（OSW）、可重构光上/下路复用器（ROAD）、光交叉连接器（OXC）、动态增益均衡器（DGE）、光性能监测器（OPM）、可调谐光滤波器（TOF）、可调谐外腔激光器（ECL）、可调谐光接收机（Tunable Receiver）、可调谐色散补偿器（TDC）、可调光延迟线（TDL）、高密度连接器（MPO）、激光波长锁定器（Etalon）、MEMS闪耀光栅（MEMS Blazed Grating）、硅微光学封装平台（Silicon Optical Bench）、自动光纤配线系统（AODF）等，以及MEMS光器件与其它光器件组合而构成的复合器件或子系统，如V-Mux（光功率可调的波分复用器）。据预测，到2025年智能光通信器件的市场规模可到20亿美元，为光通信器件行业转型升级的主要方向。

    MEMS激光元器件：光学MEMS可以通过集成制造的微光学元件“运动”实现对激光束的灵活、高速“操控”，实现激光扫描、激光功率控制、激光相位调制、激光波前控制等。光学MEMS具有技术与性价比优势的激光元器件包括：激光扫描镜（单轴、双轴）、激光功率控制器、激光高速Q开关、激光相位调制器、激光斩波器、激光光闸（Shutter）、光学变形镜、微透镜及其阵列。这些基于MEMS技术的新型激光元器件对MEMS制造构成较大的技术挑战，如大光束尺寸、大扫描角度、高激光耐受功率，需要采用特殊设计来解决。可以预期这些技术挑战将得到有效解决，并将开辟光学MEMS一个崭新的子方向，为激光技术提供微小型、高性能、高性价比的MEMS激光元器件。

    MEMS光显示：光学MEMS对光束灵活、高速、阵列化的“操控”能力，使其在显示技术具有巨大的优势，具有体积小、重量轻、功耗低、性能优异等优点。DMD就是MEMS显示的杰出代表，是当前技术性能最好的投影芯片，也是商业上最成功的MEMS应用。MEMS光显示分为投影显示和平板显示两种。TI公司DMD投影显示是MEMS最成功的商业应用，除图像投影市场外，TI公司近年来也积极开拓DMD在3D扫描仪、微小型光谱仪、无掩膜光刻等应用市场。美国Microvision公司推出的激光微投影（Pico Projector）是基于单激光扫描镜的投影技术，具有高清、小体积、低成本的巨大优势，将在汽车激光抬头显示（HUD）、智能激光车头灯、AR/MR智能眼镜等应用中具有良好的市场前景。MEMS在平板显示领域也取得了很大的技术发展，夏普与高通子公司合作开发出了MEMS快门型平板显示器具有很高的光效率；高通收购的Iridigm Display公司研发出了光干涉调制（iMoD）平板显示器无需背光源，具有极低功耗、双稳态、响应速度快等优点，具有良好的市场前景。

    MEMS光传感：基于MEMS传感器/执行器、以光作为信息载体的一类传感器，其结合了MEMS传感技术与光电传感技术的技术优势，形成了一类新颖的光传感器，如MEMS激光雷达（LiDAR）、条码扫描、3D传感器、3D扫描仪、微型傅里叶变换光谱仪、MEMS红外光源、IR传感器、红外图像传感器（热像仪）、MEMS光声气体传感器。MEMS传感技术与光纤传感技术的结合还诞生了MEMS光纤传感器，可以实现加速度、压力、位移、温度、挠度、声/超声、水声、磁场、电场等多种物理的测量，具有光纤传感技术的特点与优势，在土木工程、电力、石油、高铁、港口等工程监测项目具有广阔的应用前景。

    MEMS摄像头：摄像头是智能手机的标准配置，而且还出现流行双摄像头的趋势。随着摄像头像素高达千万级像素，摄像头的自动对焦（AF）、光学防抖（OIS）也成为了必不可少的配置，目前主要采用音圈电动机（VCM）作为驱动器，不仅功耗高、速度慢、体积大，还存在严重的迟滞，发展基于MEMS技术的AF和OIS执行器，能完全克服VCM的不足，具有巨大的市场需求，然而在技术上存在很大挑战，MEMS执行器期待出现高力密度、大行程、低驱动电压的微执行器技术。最近，MEMSDrive公司开发出了MEMS OIS执行器，并应用在OPPO新一代手机上。MEMS光学变焦也是智能手机渴求的执行器，其在技术上挑战更大，一旦技术突破，市场前景不可限量。MEMS摄像头产品还可以应用于平板电脑、安全监控、可穿戴设备、汽车、VR/AR等应用中，具有很大的市场前景。

    光学MEMS技术的广阔市场空间

    在所述光学MEMS应用与市场中，光学MEMS不仅具有较大技术优势，而且还具有“不可替代”性，这源自光学MEMS的独特技术优势。光学MEMS是批量化的器件制造技术，其器件与同等功能的其它光电器件相比具有很高的性价比，制造成本的下降，保证了光学MEMS应用的广泛性。光学MEMS还具有很高的技术门槛，需要长期的技术积累，不会出现过度竞争。因此，光学MEMS技术具有广阔的蓝海市场。

    据预测，至2025年，光学MEMS器件市场容量将超过百亿美元。光学MEMS应用与市场目前还只是“冰山露出一角”，处于发展的早期阶段。因此，光学MEMS蕴藏巨大的商业机会，是一片亟待开采的“金矿”。