用于新一代光交換機(jī)的MEMS技術(shù)

2019-11-03 10:13:55

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供稿：網(wǎng)友

用于新一代光交換機(jī)的MEMS技術(shù)
目前，全光交叉連接器正在逐步實(shí)現(xiàn)。今年，微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS：Micro-electromechanical System）技術(shù)有了重大進(jìn)展，并且已經(jīng)在光交換應(yīng)用中進(jìn)入了現(xiàn)場試驗(yàn)階段。基于MEMS的光交換機(jī)已經(jīng)能夠傳遞實(shí)際的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。在不遠(yuǎn)的將來有希望實(shí)現(xiàn)對成百上千的光數(shù)據(jù)通道端口進(jìn)行交換，這一過程在光層完成，而對波長、數(shù)據(jù)速率和信號(hào)格式都呈透明。

MEMS是一種新的技術(shù)，它可以在一個(gè)很小的空間內(nèi)構(gòu)建復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的尺寸要用微米來度量。盡管MEMS技術(shù)沒有得到廣泛的宣傳，但在過去十年中它已經(jīng)應(yīng)用于安全氣囊傳感器（加速計(jì)）、壓力傳感器、顯示器、自適應(yīng)光器件、掃描儀、打印機(jī)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等。

典型的MEMS設(shè)備是由電子電路和機(jī)械器件構(gòu)成的。對于光交換機(jī)而言，關(guān)鍵的機(jī)械器件是基于MEMS的微型鏡子，這些鏡子使用了傳統(tǒng)的超大規(guī)模集成電路（VLSI）CMOS制造工藝在硅芯片上形成的。

商用化的MEMS全光交換機(jī)原理十分簡單：交換機(jī)將光束從一根光纖轉(zhuǎn)移至另一根光纖。交換過程是這樣實(shí)現(xiàn)的：首先引導(dǎo)光束通過一個(gè)校準(zhǔn)透鏡到達(dá)一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡，然后將光束轉(zhuǎn)移到N個(gè)可能的輸出端口中的一個(gè)。

利用上述原理實(shí)現(xiàn)光交換機(jī)有兩種方法：一種是二維（2-D）或數(shù)字方式（N2結(jié)構(gòu)），另一種是三維（3-D）或模擬方式（2N結(jié)構(gòu)）。兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，若將這兩種完全不同但又相互補(bǔ)充的產(chǎn)品結(jié)合起來則能提供一個(gè)完善的光交換方案。

二維數(shù)字方案

在二維數(shù)字方式中,微鏡子和光纖是在同一個(gè)平面上,在任何時(shí)候鏡子都只能有兩種狀態(tài)(開或關(guān))。在這種方式下，一個(gè)MEMS微鏡子矩陣被用來連接N條輸入光纖和N條輸出光纖。由于使用了N×N個(gè)獨(dú)立的鏡子，這種結(jié)構(gòu)也稱為N2結(jié)構(gòu)。舉例來說，一個(gè)8×8的二維交換機(jī)使用了64個(gè)鏡子。這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)極大優(yōu)點(diǎn)就是它的控制比較簡單，它只需要一些非常簡單的TTL驅(qū)動(dòng)和相關(guān)的電子變頻器來為每一個(gè)MEMS微鏡子提供所需的電壓。

N×N交換機(jī)的系列產(chǎn)品包括具有4×4，8×8，16×16和32×32端口的交換機(jī)，這些產(chǎn)品都使用了一個(gè)輸入和一個(gè)輸出光纖端口，除此之外，2維平面方案還在一個(gè)基本N×N交換機(jī)中引入了第三個(gè)和第四個(gè)光纖端口（參見圖1）。這些特征允許一個(gè)鏡子矩陣以小尺寸和密封的用戶交換結(jié)構(gòu)取代笨重、昂貴和離散的交換機(jī)（參見圖2）。

盡管簡單的二維設(shè)計(jì)方案十分靈活，但它面臨的最大挑戰(zhàn)是如何擴(kuò)展交換機(jī)的端口數(shù)。當(dāng)端口數(shù)增加一倍時(shí)，光線的傳輸距離將隨之而增大。考慮到信號(hào)傳輸通道的長度以及對MEMS鏡子自身角度公差和角度的一致性的要求，目前大家公認(rèn)32端口是二維技術(shù)中單芯片方案的最大容量。

但這并不是說二維方案就限制在32端口以下。相反，有一些結(jié)構(gòu)（包括著名的Clos方案）可以通過串聯(lián)多臺(tái)小的二維交換機(jī)將系統(tǒng)擴(kuò)展至數(shù)百端口。西門子的TransexPRess MODIF光業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)例子。

在一個(gè)二維方案中，介入損耗主要由以下三個(gè)因素決定：透鏡的耦合損耗、高斯光傳播損耗以及由鏡子角度偏差而引起的損耗。其它的一些因素包括矩陣的鏡子角度一致性以及由于通路長度不一致引起的傳輸距離變化等。盡管有以上因素的影響，光微機(jī)械公司（OMM）已經(jīng)在它的16×16交換系統(tǒng)中演示了平均為5dB以下的介入損耗。

三維模擬方案

三維模擬方案在許多方面都和二維方案十分相似。它使用了相同的原理來轉(zhuǎn)動(dòng)鏡子以改變光束的方向。三維方案使用了2×N個(gè)鏡子連接N個(gè)輸入光纖和N個(gè)輸出光纖，因此又被稱為2N結(jié)構(gòu)（見圖3）。但在這種結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)鏡子都至少有N個(gè)可能的位置。采用這種方案，當(dāng)端口數(shù)量增加時(shí)，對光線傳播距離的擴(kuò)展沒有什么限制。這種結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展到成千上萬個(gè)端口，這些端口損耗較低（6dB或以下），并且具有較高的一致性。

然而，這些優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)是成本增加。由于鏡面必須有許多可能的位置，因此必須使用一種復(fù)雜的模擬驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)來確保鏡子隨時(shí)都處于正確的位置。

靜電和磁場感應(yīng)驅(qū)動(dòng)

在多種可能的驅(qū)動(dòng)MEMS光交換機(jī)的方法中，靜電和磁感應(yīng)法逐漸成了商用化的主選方案。

靜電法依賴于電荷極性相反的機(jī)械元素之間的相互吸引。這是MEMS設(shè)備中使用的主要的驅(qū)動(dòng)方法。它具有可重復(fù)性和容易屏蔽等優(yōu)點(diǎn)。

磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)依賴于磁體或者電磁體之間的相互吸引。盡管磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)能夠產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)力并具有較高的線性度，但是MEMS設(shè)備中一般不采用這種方案，這是由于集成工藝十分復(fù)雜，并且要想屏蔽相鄰設(shè)備以消除串?dāng)_幾乎是不可能的。此外，應(yīng)用于MEMS設(shè)備中的磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的可靠性還不能確定。許多開發(fā)商還對磁感應(yīng)磁性材料結(jié)構(gòu)中的磁滯現(xiàn)象有所顧慮。確保可靠性的唯一辦法是通過長時(shí)間的測試和現(xiàn)場考驗(yàn)。迄今為止，靜電驅(qū)動(dòng)是唯一大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的MEMS驅(qū)動(dòng)法。多年以來，開發(fā)者為解決靜電驅(qū)動(dòng)的問題投入了大量的人力，目前已經(jīng)有許多使用靜電驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品投入市場。

然而，由于靜電驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能力比較低，并不是每一個(gè)公司都采用這種方案。合適的結(jié)構(gòu)與正確的處理過程相結(jié)合對于設(shè)計(jì)者來說是必需的。舉例來說，如果結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，這就需要更大的驅(qū)動(dòng)力，這時(shí)就可能要采用磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)。MEMS設(shè)計(jì)者需要權(quán)衡利弊，要么選擇驅(qū)動(dòng)能力較弱的靜電驅(qū)動(dòng)，要么就加強(qiáng)系統(tǒng)的屏蔽和封裝并解決與磁感應(yīng)相關(guān)的長時(shí)間可靠性問題。由于磁感應(yīng)應(yīng)用中還有許多問題有待于解決，所以目前靜電驅(qū)動(dòng)方案仍然是可靠設(shè)備的最佳選擇。

采用靜電驅(qū)動(dòng)，還需要解決光電子封裝的問題。由于MEMS結(jié)構(gòu)比較緊湊，一點(diǎn)水或是灰塵都會(huì)造成極大的危害。要預(yù)防這些潛在因素造成的危害，將MEMS芯片密封起來是十分必要的。

在MEMS設(shè)備的光電封裝過程中，自動(dòng)化對于降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性都非常重要。OMM公司已經(jīng)開發(fā)出了一種車間測試設(shè)備，它可在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成全部光性能的測試。

光交換的新時(shí)代

盡管在實(shí)現(xiàn)完全基于MEMS的全光交叉連接設(shè)備的過程中還會(huì)有許多障礙，但在光學(xué)和硅技術(shù)上取得的進(jìn)步每天都在推動(dòng)我們向這一目標(biāo)邁進(jìn)。今年1月份，在一個(gè)無人值守的端局內(nèi)的現(xiàn)場試驗(yàn)第一次演示了基于MEMS子系統(tǒng)的光交換機(jī)成功地傳送了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。OMM公司為現(xiàn)場試驗(yàn)提供了一套包括4×4和8×8全光交叉連接交換機(jī)的光交叉連接子系統(tǒng)。這次試驗(yàn)是由國家透明光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（NTONC）主持的。NTONC包括北電網(wǎng)絡(luò)、GST電信公司、Sprint通信公司、Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室和BART公司等。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中光交換機(jī)的工作都很正常。這次試驗(yàn)驗(yàn)證了MEMS的高可靠性和出色的光性能，預(yù)示著光交換的新時(shí)代已經(jīng)到來了。

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