1MEMS技術

MEMS(Micro2Electro2MechanicalSys2tem)技術也稱作微機電系統(tǒng)技術,是指可批量制作并集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理及控制電路、接口、電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發(fā)展而發(fā)展起來的。MEMS技術的主要特點如下。

1)微型化。MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。

2)以硅為主要材料的機械電器性能優(yōu)良。硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當,密度類似鋁,熱傳導率接近鉬和鎢。

3)可批量生產(chǎn)。用硅微加工工藝可在一塊硅片上同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。

4)集成化。可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體,或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列,甚至可以把多種功能的器件集成在一起,形成復雜的微系統(tǒng)。

5)多學科交叉。MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科,并集約了當今科學技術發(fā)展的許多尖端成果。

2MEMS光開關

2.1MEMS光開關在光纖通信中的應用

光纖通信在實現(xiàn)了高速、大容量點對點的傳輸后,于上世紀末已進入了光纖網(wǎng)絡時代。MEMS在光纖通信領域的應用范圍十分寬廣,幾乎所有光網(wǎng)絡中的各個組成單元都能采用MEMS制作器件,并由此產(chǎn)生了一個新名詞:微光電機械系統(tǒng)(MO2EMS)。利用MEMS技術可以制作光纖通信傳輸網(wǎng)中的許多器件,如光分插復用器(OADM)、光交叉連接開關矩陣(OXC2AS)、光調(diào)制器、光濾波器、波分復用解復用器、可調(diào)諧微型垂直腔表面發(fā)射半導體激光器(VCSEL)、可變光衰減器、增益均衡器及用于光路分配和耦合的微透鏡陣列等多種微型光學器件。

光開關是較為重要的無源光學器件,它可在光網(wǎng)絡系統(tǒng)中對光信號進行選擇性開關操作。隨著光信號傳送業(yè)務量的快速增長,以及接入網(wǎng)和高速數(shù)據(jù)網(wǎng)大容量高速交換的需求,組建全光傳輸網(wǎng)絡成為光通信技術發(fā)展的必然趨勢。光交叉連接(OXC)技術是全光網(wǎng)絡的關鍵技術之一。OXC系統(tǒng)作為全光網(wǎng)絡不可缺少的節(jié)點設備,可以使全光網(wǎng)絡中信息傳輸?shù)墓庑盘栠M行直接交換和交叉連接。它與當前應用的電交叉連接相比,省去了光2電及電2光變換過程,設備相應簡化。采用直接交換和交叉連接不僅可以減少干擾的可能性,而且可以盡快消除同步網(wǎng)絡中的干擾,提高網(wǎng)絡的靈活性和可靠性,還可以使光傳輸系統(tǒng)無中繼傳送更長的距離。在OXC設備中,光開關及更為復雜的光開關矩陣系統(tǒng)是其關鍵器件。傳統(tǒng)的機械式光開關雖然串音小,重復性好,插入損耗低,價格相對便宜,但隨著現(xiàn)代光通信的發(fā)展,要求光開關器件具有更高的工作速度、更低的插入損耗和更長的工作壽命。在器件的體積上,由于全光網(wǎng)單元器件的增多,為使器件小型化,就要求器件有更高的集成度;在成本方面,由于網(wǎng)絡的擴充,所需器件將會大大增加新的光網(wǎng)絡核心器件技術,并對光開關提出更高的要求。由此也帶來了光網(wǎng)絡設備高昂的成本。因此,必須采取技術措施發(fā)展新技術,降低光學器件的成本,這樣才能被用戶所接受。用傳統(tǒng)手段制造的光開關難以滿足上述要求,在此情況下,MEMS光開關應運而生。

MEMS光開關技術被認為是一項革命性技術,給光通信領域帶來了一系列前所未有的MEMS研究熱。人們對MEMS光開關研究始于20世紀90年代中期。雖然起步較晚,但發(fā)展較快,而且研究單位和研究者眾多,成為一種最流行的光開關制作技術。貝爾實驗室的“跌撓板”式光開關,被稱為世界上第一個有實用價值的MEMS光開關;美國OMM公司的“Cro2GuaN”光開關號稱世界上第一個MEMS光開關,該公司的小陣列(4×4和8×8)光開關產(chǎn)品已進入實用階段,大于32×32陣列的光開關也在開發(fā)之中;另外,美國Onix公司也制作了基于微鏡技術的光開關,其中微鏡技術是該公司的專利技術。在MEMS光開關的制作中,這些國外的研究單位和公司大多采用了MEMS平面工藝。

2.2MEMS光開關技術

一般說來,MEMS光開關從空間結構上可分成兩種:2D開關和3D開關。這兩種結構在如何控制和引導光束的能力方面有很大的差別,可以在光通信網(wǎng)絡中發(fā)揮各自不同的作用。在2D開關中,微鏡的排列只有兩個位置,即開和關兩種狀態(tài)。這種排列極大地減化了控制電路的設計,一般只需提供足夠的驅動電壓使微鏡發(fā)生動作即可,但是當要擴展成大型光開關陣列時,這種結構的弱點便顯露出來了。因為各個輸入輸出端口之間的光路傳輸距離各有不同,所以各端口的插入損耗也不同,這就使2D光開關只能用在端口較少的環(huán)路里。這種二維光開關陣列插入損耗小于4dB,開關時間小于10ms。由于受光程損耗的限制,最大可以實現(xiàn)32×32端口。如果要想實現(xiàn)更高端口密度,則在技術上十分困難。在3DMEMS光開關中,微鏡能沿著兩個方向的軸任意旋轉,因此可以用不同的角度來改變光路的輸出。在N×N的陣列中,它只需要N或2N個微鏡即可;但是如果只有N個微鏡,則每個鏡的有限旋轉角度將會引入新的插入損耗。因此,現(xiàn)在多采用兩組微鏡陣列(2N)。這種結構的最大優(yōu)點是由光程差所引起的插入損耗對光開關陣列端口數(shù)的擴展將不會產(chǎn)生很大的影響。但是,另一方面,它所需要的控制電路和結構設計將會變得較為復雜。

利用MEMS技術制作的新型光開關體積小、重量輕、能耗低,可以與大規(guī)模集成電路制作工藝兼容;易于大批量生產(chǎn)和集成化,方便擴展,有利于降低成本。此外,MEMS光開關與信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振作用、傳輸方向等均無關,并在進行光處理過程中不需要進行光2電或電2光轉換。特別是大規(guī)模光開關陣列,幾乎非MEMS技術而不能實現(xiàn),而OXC必須使用大規(guī)模光開關陣列。因此,大規(guī)模MEMS光開關陣列已經(jīng)成為目前發(fā)展全光通信技術中極其重要的技術路線。

3MEMS光開關的發(fā)展和目前存在的主要問題

隨著光通信的發(fā)展,一些國際通信公司也大力開發(fā)制造新型光開關。其中光調(diào)制光開關和波導調(diào)制光開關的技術發(fā)展較快,其開關時間具有幾個ps到10ps的開發(fā)潛力,可以滿足全光通信網(wǎng)絡實現(xiàn)高速光交換、光交叉連接的要求。因此,光調(diào)制光開關和波導調(diào)制光開關是今后光開關的發(fā)展方向。但是,光調(diào)制光開關和波導調(diào)制光開關串音大的缺點目前尚無技術突破,還處于實驗室研究階段,而且價格昂貴,近幾年要達到實用化的水平并投入市場不太可能。目前采用較為成熟的MEMS技術研制開發(fā)光開關、光開關列陣,并在此基礎上組建、完善全光交換機及其交換矩陣系統(tǒng)等全光網(wǎng)絡節(jié)點設

備,具有非常大的現(xiàn)實應用價值。目前,MEMS技術還存在一些問題:一是迫切需要用于微電子機械系統(tǒng)設計的先進的模擬工具和模型建立工具(大多數(shù)微電子機械設備都是用功能差的不能準確預測執(zhí)行情況的分析工具來建立的,這種方式效率低下,費時費力),只有運用合適的開發(fā)工具,并配以連通高性能工作站以及本地的和遠程的超級計算機網(wǎng)絡才能從根本上改變這種局面;其次,微電子機械系統(tǒng)的包裝面臨獨特的挑戰(zhàn),因為微電子機械裝置形狀差異大,并且部分裝置還要求放置于特定的環(huán)境中,所以幾乎每開發(fā)一套微電子機械系統(tǒng)就需要為其設計一個專用的包裝。容許設計者從已有的標準包中挑選出新的微電子機械設備的包裝也不失為一個較好的辦法。

4　結論

目前MEMS光開關及其陣列在現(xiàn)有光通信中的應用越來越廣泛。長途傳輸網(wǎng)中的光開關/均衡器、發(fā)射功率限幅器,城域網(wǎng)中的監(jiān)控保護開關、信道均衡器、增益均衡器,以及無源網(wǎng)中的調(diào)制器等都需要光開關及其陣列。

總之,大力發(fā)展MEMS技術和MEMS光開關具有非常大的市場價值和理論價值。

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