独特的片外驱动器方案促进MEMS光交换产品的应用

基于MEMS的光交换产品越来越多地应用于密集波分复用(DWDM)网络中,除了MEMS器件本身,工程师也应该关注其外围驱动电路方案的选择。本文介绍了一种新的微镜驱动方法,即双极脉宽调制(BPWM),在需要持续倾斜的静电微镜阵列应用中,BPWM表示出了相比传统D/A+高压运放DC驱动的明显优势。

DWDM网络需要紧凑、经济且远程可配置的透明交换机和光分插复用器(OADM)。基于MEMS的产品因其低成本批处理、一致性及良好的光性能而具有吸引力。

随着越来越多基于MEMS的光交换产品进入市场,在可伸缩性、可靠性和微镜倾斜精确性三方面的优点显得越来越重要。

以往的努力都是专著于MEMS器件本身,但现实应用中驱动电路和MEMS周围的封装起着同样重要的作用。Movaz Networks公司已经展示过一种性能优于传统方案的密集阵列静电MEMS驱动芯片组。

通常的驱动实现方案将放大器或驱动器与倾斜的微镜机械隔离开。微镜机械芯片的每个电极一般通过导线邦定在pcb板上。在pcb板上,经由D/A通道输入的高压运放提供每个电压给微镜。针对这种应用的许多新型高电压运放已被开发出来。

MEMS的微镜本身是一块平板(1×1mm),由经铰链悬浮于空穴的导电材料(通常是硅)组成。它有两个电极,南极和北极固定在空穴的板面上。当我们在一个电极和微镜间提供电势,静电力驱使微镜向另一边倾斜。

在一个典型的微镜阵列中,所有的微镜都被制造成一个单独的电极。这个电极接地,另一电极则单独加上模拟直流电压来获得所需的倾斜角度。由于静电力总是吸引力,而微镜在两个方向都有倾斜的需要。铰链硬度和几何原理决定了电压和倾斜角度的关系。举例来说,倾斜3至10度需要50至300伏电压。

现在有一种新的微镜驱动方法,即双极脉宽调制(BPWM),它通过方波代替比例电压来控制微镜倾斜。它没有将共极(南极) Vc接地,而是采用高压供电的36KHz方波(0-V峰峰值)。北极会得到一个同样的方波,但相位是根据Vc而移动了。在共极和北极间得到的电势(表示为Vn * Vc)是一种脉宽调制信号,它的幅度相对于系统地在Vp-p和*Vp-p之间交替。

通过改变相移的数量,脉宽得到变化,并产生RMS电压。因为PWM的变化频率比微镜机械响应频率快10至50倍,所以微镜的表现就像低通滤波器,它能保持一个稳定的倾斜角度。微镜与电极间的RMS电压在0至Vp-p间变化,但平均电压始终是0。

理论上,南极的驱动是通过Vn脉宽和静电力使北极反转实现的。此外简化驱动电路也是一种使相移和倾斜角线性化的补充方法。

为了完善双极PWM,Movaz公司开发了由两个全数字ASIC组成的芯片组:一个低压内容可寻址存储器(CAM)阵列和一个高压电平转换器。CAM从系统控制器接收多达240个倾斜系数并进行存储。它输出相移方波。高压电平转换器从CAM芯片接收5伏的方波,将它们转换成幅度为Vp-p的电平(高达200伏),为每个输入产生一个补充输出。该电平转换器可工作在高达50kHz,并且每片提供96个补充通道。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图1:通常的驱动实现方案将放大器或驱动器与倾斜的微镜机械隔离开。">

这些ASIC是用倒装芯片的方式直接贴装在包含MEMS电极的同一块硅衬底上,形成一个紧凑的、由多芯片组成的模块(MCM)。这个MCM是通过导线邦定在电路板上,并扇出到一个35针的接口连接器以控制电路。因为CAM内部对信号进行解复用,所以在此MCM和电路板间只需要35个邦定线,即使是拥有大量微镜的情况也足够了。

随着更多的MEMS微镜加入到阵列中,分离的驱动方案到底有多少优势呢？对一个一维微镜阵列,Movaz公司采用的BWPM方案与商用的32通道高压运放和16通道D/A芯片的指标进行比较。对于1至8个微镜,所需的驱动芯片一样多,都是2个。但当第9个微镜被加入时,DC系统需要另外增加D/A芯片；到有17个微镜时,还额外需要1个D/A和高压运放。在DWDM产品中依据ITU信道间距的要求,你只能选择增加20、40或96个微镜。以40个微镜为例,DC驱动器需8个芯片和81条邦定线,而BPWM只需3个芯片和35条邦定线。因此BPWM驱动器更适合大规模的阵列。

当另一个40个微镜的阵列被加入时,差异更加戏剧化。假设一个有12列40个二维微镜阵列的MCM采用BPWM控制。要控制这1,920个独立的节点共需16个芯片和36条邦定线。而如果采用DC系统控制这样一个MCM则需180个芯片和1,920条邦定线。惊人数量的邦定线令人质疑DC技术的生存能力。

大量的芯片还对成本、电路板尺寸和和复杂度产生影响。以二维480个微镜为例,这种混合芯片的面积将超过200平方厘米,不包括外围电路,整个电路板将近4,000平方厘米。在需要精确角度控制的系统中,EMI引起对大量高压或低压模拟信号芯片的干扰,加大了电路板的设计者的工作复杂度。

最后,驱动方案的选择还将影响功耗和相应的系统冷却要求。由于采用的机制不同,DC和BPWM的功耗是不同的。因为负载是容性的,DC系统内部的偏置电流和芯片数量决定了它的散热:每个高压运放增加210mW,每个D/A为110mW。而对BPWM系统,它的热量主要取决于高压电路的CV²f。这样一来,设计者就可以据此推算系统的热量:即微镜阵列的寄生电容和PWM的频率。后者会影响倾斜的精度,那是因为相移的精度是与CAM阵列的时钟频率和PWM频率相关的。随着微镜数量增加来比较两种方案的功耗,以BPWM中两级f_PWM为例。假设微镜的寄生电容为7.86pF,200V的Vp-p和12位控制精度,BPWM在两种频率产生的热量都少于DC,从而减轻了系统散热的负担。

可靠性的比较

迄今为止,MEMS元件的可靠性标准还在起草之中。建模显示,通常不用担心机械原因会引起故障,那是因为硅的微结构都是经过精心设计的。而用于隔离电极的绝缘层寄生电容造成故障的可能性则很大。典型的静电MEMS有一层薄薄的二氧化硅或氮化硅绝缘层以扩大导电区方法。由于没有放电回路,绝缘层中的杂质会积累电荷。这些电荷覆着在电极表面,导致微镜的角度偏移。它们同时也可能在电极的电势消失后,仍然产生静电力,形成“粘着”的微镜。

BPWM有助于防止充电建立失败的发生,这是因为它的平均电平为零。光交换机的最频繁的操作是保持静止而不是频频运动。设计者和用户理解这一现象很重要,并且在对供应商的器件进行可靠性评估时要注意到这一点。

微镜的倾斜精度对于可变光衰减器、动态信道均衡器和其他必须均衡调整光输出的设备很重要。因为RMS电压随着方波脉宽而改变了,再加上Movaz公司采用的负电极受激的辅助技术,所以BPWM相比DC技术,其倾斜角度相对驱动器电压曲线的线性度更好。

倾斜精度同样影响着可伸缩性。在许多应用中,DC驱动系统的倾斜角度相对电压曲线必须通过结合DSP、微处理器和查找表来达到线性化的要求。本文之前的讨论都没有将这些外设考虑在内。

最后,系统控制线、邦定线和电极上的电磁干扰也会影响倾斜精度。对于130V的12位DC驱动,最低位(LSB)增量对应高压放大器输出就是32mV,所以如果干扰发生在微镜的f_RES附近放大器的输出就很可能使微镜偏离原有角度。如果在高压放大器的输入发生这种情况将更糟:LSB小于2mV。而全数字的BPWM则比较有弹性,因为所有节点连着低输出阻抗,CAM驱动器低电压输出是TTL电平,连线、电路板走线、邦定线和电缆的数量少,所有这些都使得BPWM受电磁干扰影响很小。

在评估供应商时,应调查他们驱动技术的可伸缩性、可靠性和倾斜精度等用户关心的性能指标。全数字BPWM在需要持续倾斜的静电微镜阵列应用中表示出了相比传统D/A+高压运放DC驱动的明显优势。密集ASIC技术和电路的简化使得BPWM成为一种可行的选择,以控制电信交换机中的MEMS阵列、通常的MEMS激励器或任何高密度高压容性负载需要精确、独立激励的设备。

作者:Michael Nagy

光交换部总监

Movaz Networks Inc.