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MEMS 器件将在光纤网络的发展中至关重要的作用

作者:缪 旻时间:2001-04-25来源:

光纤系统在远程传输和城市网络中的快速推广应用对光纤通信器件提出了新的要求。未来的网络必须能更快地安装,能在光纤布线层通过对光功率的控制和光路连接的实时管理重新定义带宽。带宽要求的增长已经超过了摩尔定律所描述的速度(即处理器中的元件密度每18个月就增加一倍)。若布设可远程定义的光纤网络,服务商就可以为最终用户更快地提供更大的带宽,同时通过在光纤层实施分布式保护来降低运营成本。
然而光纤网络发展还需要采用新的技术。这些技术必须能提供高性能、集成多种功能、大规模的产品,而且能够很快以更低的价格大批量供货。目前一项引起广泛重视的器件制造技术是MEMS(微电子机械系统)技术,它是指用与半导体工艺相兼容的方法在硅、金属和玻璃等材料上制作微型的机械结构。所制成的光学器件具有很好的性能——低插入损耗、优良的波长平坦度和极小的串扰,而且在集成化以及元件规模(Scalability)和可靠性的提高方面有很好的前景。由于这种技术的基础是在半导体工业中经过多年验证的制造方法和工艺,因此不难断定,随着产量的增加,成本将稳步下降。
MEMS技术目前在光纤网络中所发挥的作用——特别是这一技术在提高元件规模和光纤网络的可管理性方面的潜力——正好符合运营商以更低的设备占有成本获得最优的性能和最大灵活性这一需求。

一 系统要求
DWDM(密集波分复用)这样的技术使得服务商可以通过增加每一根光纤中的波长数来增加光纤通过的信道数。各公司已经在城市网络中引入了DWDM系统,从而以较低的价格提供带宽并支持不同的协议,包括SONET、吉兆以太网、数字视频和Escon。这些系统具有透明地添加或关断一条特定信道的能力,并能够对波长进行智能化管理以提高网络效率。
DWDM系统中的光学器件必须满足一整套苛刻的要求,其中包括插入损耗、极化相关损耗(PDL),波长平坦度(在C波段和L波段分别要达到1310nm1550nm)。信道必须在很长的距离上保持一致性,因此,任何新器件不能给信道添加相位或强度噪声,而且要保证信道间的串扰极小。器件的尺寸和功耗也必须很小,以便为用户降低设备占地面积和运营成本。
光纤网络的交换和衰减器已运用了多种器件技术,包括光机械、波导、液晶以及基于MEMS的技术。这些技术各自都有一些特点,可以在不同的应用中起到优化性能的作用。

二 衡量光纤MEMS器件的关键指标
MEMS器件具有很强的吸引力,因为设计得当的话,它们可以在任何一个波段上保证极低的功耗——这对DWDM应用来说是十分关键的。MEMS器件的全面评估应该包括五个方面:性能、功能、元件规模、可靠性和成本,参见表1
1
MEMS
在商业应用的条件
带宽要持续增长,产量要不断增加;元件规模还要提高;要发挥该技术在提高集成度、降低成本方面的潜力。
光学性能
在关键指标方面可与其他技术所能达到的最优值相比,在次要指标方面亦可达到或优于其他技术的性能。
功能
光开关、可变光衰减器、光纤介质对准器:有可能集多种功能于一身,或在单个芯片上集成多种器件。
元件规模
适用于小规模、中规模和大规模光纤网络交换应用;所采用的半导体工艺可保证大批量生产。
可靠性
完全满足Telcordia在可靠性和寿命方面的规定。
成本因素
半导体工艺的大批量生产能力保证了经济性;光纤介质的连接将得到改善;由于组装工作量的减小,产量将会提高。
制造与标准化
MEMS技术中大量投资,有助于缓解光纤器件供应中的瓶颈现象;在生产中采用Telcordia质量标准可以保证器件的长期性能。

性能
评价一种器件时,性能是光纤系统和网络设计者考虑的最基本因素。用户往往更愿意选用性能更高而非更便宜的器件,因为这可以降低总的系统成本(也就是说,以较低的使系统总成本获得更强的功能和更远的传输距离)。例如,选用一个损耗较低而价格较贵的器件来减小中继器中掺铒光纤放大器噪声时,总的系统成本会因为中继距离加长而降低。
MEMS器件与采用其他技术的器件相比,在性能方面有其优越之处,此外更具有尺寸小、适于大批量生产的优点。在关键的性能指标方面——插入损耗、波长平坦度、PDL和串扰——MEMS技术能达到的性能可与其他技术所能达到的最高性能相比。据报道,一种MEMS技术制作的2×2光开关模块的插入损耗为0.4dBPDL<0.07dB,串扰<70dB。表2列出了一种1×2/2×2 闭锁式MEMS光开关的主要性能。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/2990.htm

基于MEMS器件的装置占地面积很小,若设计得当,其功耗也极小。基于MEMS的系统还可以通过将光器件与执行机构集成在单个芯片上或将多个装置排成一个阵列的办法来提高其规模。
功能度和元件规模(Scalability
MEMS器件优异的光学性能使之可以很好的满足光纤网络现在和未来发展中的要求。无论数据流速率或协议如何,上述的1×2/2×2 闭锁式MEMS光开关允许采用小形状因数光学保护。1×NMEMS结构允许在一个网络节点处的数根光纤或若干信道共用一个较昂贵的监视器,从而有助于减小监视设备尺寸,降低网络监测设备的费用。大规模的MEMS微镜芯片(二维或三维设计)将使以波长粒度重新定义通信量的中等规模和大规模光纤网络节点成为可能,从而能布设成本更低的网格结构。采用Clos架构后,基于两种状态位置的二维微镜阵列的规模可达数百个无阻塞的连接;插入损耗限制了规模的进一步提高。用于大节点的、具有上千连接端口的单级三维倾斜微镜设计也在考虑之中。
在光纤网络中难度较大的应用是远程功率控制。MEMS器件可以产生独立于波长或极化的衰减,办法是控制插入光通路中的叶片或通过调整一个微镜的倾斜角来控制反射回信号通路的光功率大小。MEMS也可以用来降低与光学芯片和光纤之间的连接有关的费用。光纤或器件的对准可以在芯片上实现,办法是在一个硅的微型光学台面上制作可移动的V形槽和平台。MEMS技术能够将不同的功能单元集成在单块芯片上,有可能实现芯片级系统。
可靠性
MEMS器件的可靠性已在其他应用领域得到了部分展示。例如,该技术在汽车气囊中的应用已有数年。由于在这种应用领域MEMS器件是做挠性的机械运动应用,故其寿命较长。此外,研究者已根据Telcordia Technologies (前身为Bellcore)建立的标准对MEMS 设计的可靠性进行了广泛的验证试验,包括温度循环、冲击、振动和长期高温贮藏。
成本
MEMS器件为降低系统成本提供了多种可能。MEMS芯片的功能度使得更低成本的网络设置和架构以及光纤层的保护成为可能。MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系统的外形可以缩小,节省了中继器和终端节点占用的地盘。MEMS器件的单批产量很高,经济性好,而且器件与器件之间重复性好。执行器与光器件集成在单个芯片上,可以在一个硅片上重复多次,从而可以提供价格更低的子器件。这些在成本方面的节约将使器件价格下降,最终使系统供应商受益。

三 新型MEMS光学器件
在光学器件中已将MEMS器件做为基本技术开发,其中包括可变光衰减器(VOA)、光开关和光纤交叉连接器。VOA在光纤网络和系统中起到功率管理的作用,它们是光放大器的关键部件,用来使整个网络中的功率电平保持一定。与工业标准的光机械器件类似,MEMS光衰减器的插入损耗低,衰减范围宽,可靠性符合Telcordia质量标准。
光开关是另外一个元件领域,在这个领域中,MEMS实现光开关的可行途径,而且提供了全新的设计思想。光机械器件在光开关市场中已占有重要地位,它们采用传统技术封装以便能在很宽的温度范围内工作。MEMS器件也将起到同样的作用,而且还可以节约占用的印刷电路板面积。
最近有人报道,单个MEMS器件已能对数百路至一千多路的传输进行交换。MEMS光纤交叉连接器模块已有4×432×32等不同结构可以提供。这些器件可以构成一个更大的256×256的交换结构。由于其架构是全光学式的,这些光纤交叉连接器模块具有无限的带宽、波长透明度和路由多样性——这些正是下一代光纤网络所要求的。

四 制造与标准
由于MEMS器件在光纤网络升级方面的重要作用已得到证明,MEMS工业正致力于发展制造亚结构(infrastructure),以便使器件得到更广泛的应用。主要的投资用于扩展MEMS芯片的制造能力和封装能力。基于MEMS技术的产品代表了新一代可以大批量生产的光学器件。
MEMS器件向大生产方面发展所遇到的首要问题是工业标准问题。在通信工业中,Telcordia的规定一直是性能和可靠性方面事实上的标准。制造商和系统运营商已将一些标准细则很自然地引入光通信领域,例如,用于光纤分支元件的GR-1209和用于无源光学器件的GR—1221。然而这些严格的标准在制定时并为考虑到新兴的技术。工业界正与客户合作建立基于Telcordia标准的MEMS专用检测程序。例如,像标准的半导体工业中那样,采用升高温度的办法来作为一种老化手段,以检验其寿命性能。但是对于MEMS器件来说,其性能随时间的退化规律与标准的半导体器件又有所不同,为此开发了一种推导热驱动MEMS器件的激活能的方法,以根据Ahrenius定律预测与特定器件有关的老化过程。通过这种方式可以进行与半导体设备可靠性测试等效的寿命实验。
同时,通信工业正引入TL9000 标准(专门为通信产品制定的标准ISD9000的版本)。用于通信工业中的MEMS器件供应商正纷纷进行TL9000认证,以便使那些重视质量标准的用户确信他们的产品。

很显然,MEMS器件不仅符合今天光纤网络对性能的要求,也满足下一代系统对元件规模、小尺寸和低功耗等方面的要求。在不久的将来,光纤网络设备的供应商将可以充分利用MEMS器件所带来的这些优点。



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