先进的MEMS将促进全光网络的广泛应用,从而促使应用工程师关注MEMS光器件的结构、最佳控制、测试和封装等问题,本文对2维和3维MEMS光器件进行了比较分析,说明如何设计和制造这样的器件才能降低成本,从而满足未来全光网发展的需要。
全光通信的兴起在很大程度上得益于一些新兴技术,这些新技术使网络摆脱基于光电转换的光网络在数传速率、带宽、延迟、信号损失、成本和协议依赖性等方面的内在局限。除了消除光-电-光(OEO)网络的许多限制之外,这些新技术---很大程度上以基于微机电系统(MEMS)的微镜面为主---还有一个重要的优势就是,通过允许对光路外的光交换进行外部控制,可以独立调节电子和光学参数,以获得最优的整体性能。
但是,在实现基于MEMS的全光网络(OOO)的之前,设计人员必须权衡2维,或3维MEMS的利弊,仔细评估对控制回路、测试和封装等方面的影响。幸运的是,新的、响应性更好且更精确的控制回路已被设计出来,它们可以大大提高MEMS器件的寿命。此外,人们采用密封玻璃封装来提高MEMS器件的标准化程度,并克服潮湿和环境因素对其应用的影响。经过完善的测试和质量控制,这些器件在提高可靠性和性能的同时,也极大地缩短了光MEMS器件的上市时间。
基于OEO的网络
当前,光通信网络主要进行将光信号转换为电信号的交换和路由等操作,然后再将信号转换回光域。通常,将这些信号保持在光域可提供最大的效率。不过,至今为止,对光信号的处理还只能通过控制电信号来实现。
OEO网络转换有很大的限制和缺点。OEO系统必须与数据率、带宽和信号的协议相兼容,多次转换也增加了系统的延迟和成本。此外,密集波分复用(DWDM)系统必须将光分解到多波长部件中才能对光信号进行处理。
不过,尽管有上述诸多缺点,以OEO系统为基础的通信网络还是在光联网中占据了主导地位,很大程度上是因为实现这些系统所需的部件唾手可得。其他的优点包括电信号的调理和再生较方便等。但是,要兼容数据率、协议和波长,运营商就必须做出重大的投资来升级它们的网络。
基于全光网(OOO)的网络
通过将信号保持在光域,透明的全光网络弥补了OEO系统的缺陷。建立在高反射率镜面上的OOO物理交换结构允许在信号损失最小的条件下,不经信号转换就可对光信号进行处理。无需信号转换意味着OOO系统可以不必依赖于数据率、带宽、协议,甚至DWDM结构。
OEO系统与OOO系统之间的另一个差别是电子控制装置相对于光信号的位置。在OEO系统中,电子控制和转换的光信号是合二为一的。这就要求系统设计时在电子和光学之间进行折衷。在OOO系统中,电子元件在光信号路径外控制光交换。这使系统的实现能够独立地将电子和光学系统最优化,以实现最佳的性能。
构建全光系统中最主要的困难是制造高性能、可靠和具有成本效益的部件。MEMS技术的出现使部件的可制造性不再成为问题,其生产工艺类似于标准的半导体集成电路工艺,而且在许多场合下,MEMS产品采用与IC制造一样的生产线,这使MEMS器件可以获得标准IC产品的质量、可靠性和成本效益。
全光系统中有两种光信号交换方法:传送交换法和反射交换法。在传送交换法中,信号通常被传送到一个特定的输出,除非被中断或被重新导向另一个输出。反射交换法则利用高反射率的表面来改变光信号的方向。
在反射交换技术中,有两种主要的基于MEMS的结构:2维MEMS和3维MEMS结构。在MEMS部件的应用过程中,2维MEMS最初处于主导地位,但它们的伸缩性不够好,而且还会带来其它的弊端。业界普遍认为3维MEMS将会成为光MEMS的主要技术。
2维MEMS器件采用反射率的微镜面,在一个固定平面内对光信号进行重新导向,如图1a所示。对于2维器件,镜面翻转到一个设定位置以便将光从一个固定的端口反射到另外一个端口。如果要切换到一个不同的端口,需要将另一个镜面安装到位。由图可见,对于N个端口,需要N2个镜面,这使得实现32或16端口以上的器件变得复杂和不具备成本效益(例如,32端口的交换需要1024个镜面,而其中在任意给定时刻只有32个镜面被用到)。此外,光路长度乃至光损耗取决于被用到的端口,这使光学设计变复杂化,在某些情况下,需要光信号调理功能来平衡所有信号的强度。
3维MEMS器件利用沿着两个轴向的镜面,将光信号从一个固定平面导入自由空间。3维架构通常使用两个镜面阵列,各自与一个输入或输出光纤阵列对准。这样,对于N个端口,需要使用2×N个镜面,大大少于2维架构。图1b显示了一个采用中间反射表面来折射和缩短光路,从而实现3维光MEMS交换的实例。
镜面的驱动一般通过利用静电来实现,镜面之下的电极与镜面本身形成一个电容器(图2)。在电极上施加一个电压会产生一个将镜面拉向电极的静电力。随着镜面向电极翻转靠近,静电力增大,翻转镜面所需的电压变小,直到镜面碰触到硅片表面为止。
3维MEMS的优点
与2维MEMS以及基于OEO的交换相比,3维光MEMS具有非常多的优越性。3维MEMS的自由空间特性提供了与路径无关的损耗,确保了信号强度本身就是平衡的,而且3维MEMS阵列具有从2×2交换到1024×1024交换的可伸缩性。由于镜面倾斜程度可以控制,因而能够实现镜面与光纤的动态对准,从而降低了装配成本,并实现可变光放大器功能。2维MEMS镜面以数字方式工作,不具备3维MEMS镜面所具有的模拟倾斜精度。简而言之,3维MEMS适合于制作端口数目大小不等的交换器件和其他光学部件。
但是,为了充分利用3维光MEMS的优势,有必要提供一个响应性好的闭环伺服控制来准确定位镜面,这恰好是难处所在,它在部分程度上妨碍了3维光MEMS技术的应用。在传统的3维MEMS技术中,位置控制需要光反馈。光反馈信号在受到冲击、振动以及其他短期不稳定性影响时无法修正。
集成电子元件
新出现的一种3维MEMS技术采用了集成的位置敏感电子元件,可用在闭环控制中定位镜面并保持其稳定性。图2中的3维MEMS镜面显示了位于驱动电极外部周围的位置敏感电极。图3显示了集成位置敏感电路的输出。集成电子元件通过测量镜面与敏感电极之间电容的变化来确定位置。还可以设计让片上的电子元件来调节位置信号,以减少噪声,从而提供精确的位置信息。
通过允许信号在片复用,集成电子元件还降低了互联负荷。如果每个镜面都有九个端点(四个驱动电极、四个敏感电极和一个镜面),那么一个包含N个镜面的3维MEMS阵列将最少需要9×N个连接来控制这些镜面。对于64个镜面的阵列,这意味着576个以上的连接。复用这9×N个信号的集成电子元件可以将I/O数目减少到40个连接以下。I/O数目的大幅减少可降低互联的成本,并提高了整个系统的可靠性。
MEMS部件应用缓慢的另一个原因是缺少可用的标准产品,很少有MEMS提供商能够提供封装好的、经过测试的设备。实际上,系统实现过程要采用未经封装的MEMS元件,它们对颗粒、湿度和其他环境影响极为敏感。为第一代MEMS元件提供互连方案还要求客户开发自己的互连工艺。
封装上的改进
目前,供应商们已经开始提供玻璃密封标准封装MEMS器件,这些产品经过了完善的测试和质量控制,可用于实现系统设计,大大降低开发费用,缩短上市时间,同时也提高可靠性和性能。
随着这些器件的推广应用,工艺也不断改善以提高光MEMS部件的性能。例如,一家著名厂商的光iMEMS工艺可以开发包含64个镜面阵列的3维光MEMS部件,适用于在64、128、256和512端口配置中实现光交换、衰减、调节和对准,这项技术采用了SOI(绝缘体上硅片)结构、BiCMOS高电压电子元件和金喷镀工艺。
64个镜面的通用阵列如图4所示,它采用了类似于图2所示的镜面。镜面在每个轴向可旋转±6°,同时电路板上的低噪声容性敏感电子元件可以检测镜面的翻转位置。图5给出了64镜面阵列的主要规格。该器件是密封的,但有一个玻璃窗口可供观察。电子元件与镜面的集成减少了I/O的数目,而密封则消除了对MEMS元件装配的额外需求。
作者简介:
David Krakauer是Analog Devices公司微机电产品事业部光MEMS产品线的项目经理。他持有麻省理工学院的电子工程学士和硕士学位,并在麻省理工学院斯隆管理研究院获得了MBA学位。可以通过Email:david_krakauer@与他联系。
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