圓夢人
創新，是我生命的底色；發明，是我靈魂的詩篇。
光開關矩陣的誕生：從設計到美國專利
Tu Xiang Zheng (塗向真)
我的一項用於全光通信的MOEMS光開關矩陣設計獲得美國發明專利，專利名稱：Method for making optical switch array，專利號：6,773,942，授權日期：August 10, 2004。
這項設計的過程是漫長的，艱辛的，充滿挑戰，有時還富有戲劇性。事情的起因，要從我在美國賓大電子工程係當訪問教授談起。我承擔的研究課題涉及到光學測量，不少時間要在暗室中度過。光學實驗室設在賓大Moore大樓的一層，與世界上第一台全數字電子計算機“ENIAC”的展室相對。我進出實驗室都要經過一條L型的通道，實際上，通道已經改裝成博士生候選人的辦公室。到賓大讀博士的學生要試讀一年，準備資格考試，考試合格的學生被正式錄取為博士生，錄取的學生由博導教授另外安排辦公室，未被錄取的學生就要離開賓大，另找出路。
有一次，我在實驗室做測量，把室內燈全關了，正用紅外相機拍攝光波相幹的幹涉條紋。突然，實驗室的門被打開了，射進一道刺眼的亮光。我一瞥，一位學生走進來，連連向我道歉，說他不小心把書架撞倒了，倒在實驗室門上，把門撞開了。
一次生，二次熟，此後這位學生每次見到我都要跟打招呼，還主動和我聊天。他說，他來自南斯拉夫，父親是工程師，母親是教師，來美國學習主要靠他的一位在德國工作的叔叔資助。他叫Smiweiqe，學的是光學工程，對光學實驗感興趣，想要我給一個機會，看我做光學實驗。
我滿足了Smiweiqe的要求，讓他看了我做實驗的全過程，還讓他看我拍的幹涉條紋照片。他看後說，這是一組等厚幹涉條紋，是由兩塊幹淨的鏡片緊緊壓疊，兩鏡片間的空氣層就形成空氣薄膜，用水銀燈或納燈作為光源，就可以觀察到薄膜幹涉現象。如果鏡片表麵不很平，所夾空氣層厚度不均勻，觀察到的將是一些不規則的等厚幹涉條紋，通常是一些大大小小的同心環．若用很平的鏡片，則會出現一些平行條紋。他還說，條紋很清晰，很光滑，鏡片一定很光亮。然後，就在實驗台上找鏡片，找了半天也沒找到，就問我，我說那就是，指著一根單模光纖和一塊微機械加工的矽片，他顯得很茫然，睜大眼睛盯著我。我就給Smiweiqe解釋，這不是一塊普通的鏡片，而是矽片內部的一個<111>晶麵，是通過各向異性腐蝕（110）矽片形成的。Smiweiqe點了點頭，似乎有所領悟，其實，他並不完全知道其中的奧妙。
這塊<111>晶麵，高50微米，寬100微米，隻有針尖那麽大。這麽微小的鏡子在日常生活中沒有任何用處的，但用它構建高度密集的微型反射鏡矩陣，並配合直徑8微米的單模光纖矩陣，就成了以光速傳送信息的通信網絡，把整個地球縮小成客廳，會議室，電影院，體育館，賽馬場，人們之間沒有空間距離，相會交流沒有任何阻隔。於是，又有一個發明的夢想在我頭腦中生成，盡管這隻是夢想，與現實還有很大差距，也正是還有差距，才會產生發揮自我的決心，完成理想的欲望和永不放棄的堅持。
我帶著這個夢想進了新澤西州的Rutges大學，在那裏我讀到一篇論文，是新澤西理工學院的兩位教授發表的，他們做了一麵直立在矽片表麵的（111）晶麵微型反射鏡。新澤西理工學院在紐瓦克，離我所在的Rutges大學的Busch校園很近，我總想找個機會去參觀一下。委托我開光纖傳感器檢漏產品的公司的湯和羌得知我的想法後，專門為我安排了一次學術交流活動。
羌開車送我到新澤西理工學院，經他介紹，與兩位教授見了麵。這兩位教授也研究微光機電係統（MOEMS），主要開發微鏡組件。我也作了自我介紹，著重介紹我研發的光纖傳感器。交流結束後，兩位教授領我們參觀他們的實驗室。他們的實驗室不大，不是做微電子產品的無塵室，隻能做一般的化學實驗。在我的要求下，他們讓我在顯微鏡下觀看了他們製作的（111）晶麵微型反射鏡。
兩位教授的數據進一步證明，各向異性腐蝕矽片產生的（111）晶麵具有原子級的光滑度，反射係數也足夠大，完全可以用作反射鏡，這與我的認知是相同的。但是，要製作成具有開關功能的反射鏡矩陣，對他們說來，要解決的問題還很多，路途還很遙遠，因為他們還沒有考慮反射鏡的移動問題。
我開始光開關矩陣的設計，在我麵前擋道的是如何讓（111）晶麵垂直移動。我想了好多個辦法，都由於工藝流程過於複雜，設備要求過於苛刻，最後一個個被我放棄。我化了大半年的時間，查遍文獻，絞盡腦汁，仍然是無法可想，無計可施，“移動”的問題就像是一座大山，把我的前進之路堵得嚴嚴實實，我痛苦不堪，不得不暫時在夢中不斷探索。
足足有兩年的時間，光開關矩陣就像幽靈，在我腦海中時隱時現，時時刻刻提醒我，不要停留原地，要繼續前進。有時還督促我，鞭策我，要我快馬加鞭，隻爭朝夕，努力攀登科技高峰。
有一次，在我查閱文獻時，看到一篇文章報道：在矽片的多孔矽表層上，可以進行外延生長，形成矽單晶層。這真的是“踏破鐵鞋無處尋，得來全不費功夫”，我終於找到夢寐以求的銳利武器，攻克光開關矩陣的難關幾乎不成問題。我對多孔矽研究得比較透，而矽外延生長是初進研究所所做的工作，隻是一直沒有在多孔矽上生長外延層的經驗。
解決了（111）晶麵垂直移動的難題後，光開關矩陣的設計就算是大功告成了。由於設計方案新穎，技術路線獨特，實施工藝流程成熟，我專利申請順利通過美國專利局的審查，授於發明專利權。
我設計的MOEMS光開關矩陣屬於光路遮擋型，矩陣由N×N的微鏡組成，用來連接N條輸入光纖和N條輸出光纖。微鏡和光纖在同一個平麵上，微鏡有原位和上移兩種位置，相應於開和關兩種狀態。微鏡的上移是在靜電力的作用下產生的。當某一微鏡上移處於開狀態時，由其對應的輸入光纖射出的光束經其反射而進入其對應的輸出光纖，從而實現任意輸入光束耦合為輸出信號。
MOEMS光開關的應用，可以從小型光交叉連接直到大型光交叉連接。在光通信網絡中，光開關矩陣具有光路選擇，多條光纖線路的交叉互連，上下光路及對故障光纖線路進行旁路等重要功能，是光通信網絡中許多設備的關鍵光器件。
MOEMS光開關既有機械式光開關的低插損，低串擾，低偏振敏感性和高消光比的優點，又有波導開關的高開關速度，小體積，易於大規模集成等優點。MOEMS光開關與光信號的格式，波長，協議，調製方式，偏振，傳輸方向等均無關，與未來光網絡發展所要求的透明性和可擴展等趨勢相符合。
