基于MEMS的OXC：解決可靠性差距

　　電信業(yè)的需求促使了其發(fā)展方向以光層架構(gòu)成本的大幅度下降為目標(biāo)，而該目標(biāo)的核心就是要減少不必要的光電轉(zhuǎn)換。高度可重構(gòu)的無(wú)阻塞全光交叉連接器（OXC）注定要成為降低成本的一個(gè)關(guān)鍵部件，并將在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中大展鴻圖。

　　而且，未來(lái)的OXC完成的也不再僅限于光-光交換了，它還可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，包括復(fù)用/解復(fù)用，上路/下路以及信道均衡。這些系統(tǒng)依賴其尺寸、成本、功耗以及可重構(gòu)性的優(yōu)勢(shì)，必將在電信網(wǎng)絡(luò)中占有一席之地，相比之下，傳統(tǒng)的基于SONET的交換機(jī)，甚至高級(jí)的光電光（OEO）交換機(jī)都顯得很不經(jīng)濟(jì)劃算了。

　　對(duì)于大型OXC交換機(jī)，運(yùn)營(yíng)商的基本要求之一就是長(zhǎng)久的連接可靠性。這里所說(shuō)的可靠連接是指：在整個(gè)連接過(guò)程中，能夠在所有運(yùn)營(yíng)環(huán)境下，對(duì)于任何合法的輸入信號(hào)，都能滿足其所有性能要求。環(huán)境條件包括溫度、沖擊、抖動(dòng)以及濕度。在Telcordia公布的文件中，對(duì)性能和相關(guān)的環(huán)境測(cè)試條件做了規(guī)定，通常在用戶說(shuō)明書(shū)中，這些規(guī)定會(huì)更為嚴(yán)格。從具體的數(shù)據(jù)上講，運(yùn)營(yíng)商要求誤碼率要低于1×10－12，而系統(tǒng)的可用性要高于99.999%。

　　人們普遍認(rèn)為，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大的規(guī)模效益、優(yōu)越的旋光性能以及降低電信光交換成本的必需技術(shù)。而當(dāng)前，以O(shè)EO交換、SONET以及下一代SONET為基礎(chǔ)的現(xiàn)有光架構(gòu)的高度可靠性，已經(jīng)為這種新的設(shè)備必須跨過(guò)的門(mén)檻。

　　下面，我們來(lái)探究一下可以提高基于MEMS的OXC系統(tǒng)的連接可靠性的技術(shù)和工程設(shè)計(jì)方法。

　　OXC系統(tǒng)

　　一個(gè)基于MEMS的OXC系統(tǒng)包含光學(xué)部件、MEMS鏡片、鏡片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、封裝和一個(gè)系統(tǒng)控制器（圖1）。光學(xué)部件子系統(tǒng)負(fù)責(zé)以最小的耦合損耗，把輸入光耦合進(jìn)相應(yīng)的輸出光纖。該光路的光經(jīng)過(guò)兩個(gè)MEMS鏡片的反射后，通過(guò)微透鏡單元的匯聚，耦合進(jìn)一條給定的輸出光纖中。如果要保證光能夠很好地匯聚到預(yù)定的輸出光纖中，就需要兩個(gè)MEMS鏡片。

　　(圖1)

　　MEMS鏡片子系統(tǒng)把來(lái)自特定輸入光纖的光反射到給定的輸出光纖中，而MEMS鏡片驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)用于精確控制鏡片的反射角度。封裝子系統(tǒng)包含密閉的光外罩和通向MEMS鏡片的電接口。光外罩又包括光纖模塊、組件支撐結(jié)構(gòu)、溫度控制和沖擊/抖動(dòng)隔離部件。

　　系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)在分配的時(shí)間內(nèi)建立起正確的連接，還有連接的優(yōu)化、系統(tǒng)性能跟蹤以及環(huán)境控制。

　　子系統(tǒng)的可靠性

　　光學(xué)部件子系統(tǒng)的連接可靠性是指在環(huán)境（溫度、沖擊和抖動(dòng)）變化時(shí)光路的穩(wěn)定性。光路最敏感的部分是介于光纖端面和微透鏡數(shù)組之間的部分，因?yàn)檫@里的一點(diǎn)很小的變動(dòng)就可以讓經(jīng)過(guò)MEMS鏡片的光線發(fā)生很大的變動(dòng)。

　　所以，這一部分的定位和穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)光路子系統(tǒng)的可靠性都起至關(guān)重要的作用。幸好，克服這些環(huán)境因素也不是很難：可以通過(guò)準(zhǔn)絕熱處理來(lái)穩(wěn)定溫度，并對(duì)外殼進(jìn)行絕緣/緩沖處理。

　　通過(guò)冗余備份，系統(tǒng)控制器的電子部件和軟件可以達(dá)到很高的可用性。電子模塊可以采用好幾種冗余備份方式。這些備份方式在其它電子系統(tǒng)中都很常用，在MEMS或OXC的應(yīng)用中沒(méi)有什么特殊之處。

　　基于MEMS的OXC是電信系統(tǒng)有史以來(lái)首次引入的可活動(dòng)部件。因此，MEMS鏡片的可靠性立刻受到了質(zhì)疑。MEMS鏡片的可靠性問(wèn)題包括種種機(jī)械方面的失效——事實(shí)上，這僅是其中的一類故障。

　　MEMS的可靠性還涉及高反射率的鏡片涂層、鏡片變形以及角度指向偏差，這些可能是入射光功率過(guò)大或其它環(huán)境因素，例如溫度、沖擊和抖動(dòng)等造成的。在鏡片受驅(qū)動(dòng)的區(qū)域內(nèi)，邊沿充電效應(yīng)對(duì)可靠性的影響至關(guān)重大。這里，我們要通過(guò)分析兩種不同的鏡片結(jié)構(gòu)，對(duì)這些故障機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

　　有兩種制作MEMS的基本工藝技術(shù)：立體刻蝕和表面沉積。立體刻蝕方法就是將硅從襯底刻蝕掉，其制造的結(jié)構(gòu)厚度可以達(dá)到500μm甚至更大，以至可以制作出很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（圖片1）。表面沉積制造的結(jié)構(gòu)通過(guò)薄膜沉積，一般厚度小于6μm。

　　(圖片1)　　

　　立體刻蝕方法與表面沉積方法的表較

　　下面對(duì)引發(fā)不可靠連接的立體刻蝕和表面沉積鏡片的故障機(jī)理進(jìn)行一下比較。我們從入射光功率過(guò)大開(kāi)始分析。下一代DWDM系統(tǒng)由于復(fù)用的光信號(hào)數(shù)量很大，所以需要的入射光功率也會(huì)較大。

　　處理光功率大小的能力受限于鏡片的散熱能力。詳細(xì)舉例來(lái)說(shuō)，Telcordia　　10732中規(guī)定OXC的最大允許光功率為25dBm，即大約300mW。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MEMS鏡片的金涂層可以吸收這個(gè)功率的2%，也就是6mW。

　　如果鏡片的熱敏電阻過(guò)高，鏡片的溫度就會(huì)超過(guò)它的運(yùn)作溫度。想要保證可靠的運(yùn)作，鏡片的熱敏電阻就必須足夠小。以此推斷，如果不希望鏡片溫度超過(guò)30°C，熱敏電阻就必須小于30°C/6mW＝5°C/mW。

　　由于局部鏡片出現(xiàn)問(wèn)題以及隨之帶來(lái)的溫度升高問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致MEMS鏡片發(fā)生嚴(yán)重的故障。表面沉積鏡片厚度很小，它的熱敏電阻就很難做到很??；而立體刻蝕方法做出的鏡片的厚度較大，同時(shí)熱敏電阻較小。因此，在光功率較大的場(chǎng)合中要使用立體刻蝕方法做出的鏡片。

　　由于溫度升高引發(fā)了鏡片彎曲，所以，對(duì)可靠連接影響較大的插入損耗，也不可避免的受到鏡片表面光失真的影響。類似的，MEMS鏡片的涂層帶來(lái)應(yīng)力，也會(huì)導(dǎo)致鏡片彎曲。這里，立體刻蝕鏡片就比較有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗溺R片厚一些，所以它受外界因素——高反射率的介質(zhì)涂敷層和溫度所引起的彎曲——的影響較小。

　　MEMS鏡片出現(xiàn)機(jī)械失效的主要原因是靜摩擦，經(jīng)過(guò)沖擊造成的微裂紋擴(kuò)張和接觸，會(huì)引發(fā)表面靜摩擦。通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)就可以預(yù)防靜摩擦，立體刻蝕鏡片一般就不存在這個(gè)問(wèn)題?？煽康溺R片必須在結(jié)構(gòu)上做到減少微裂痕產(chǎn)生和蔓延。

　　通過(guò)保證所有的彎曲幅度都不超過(guò)硅的屈服應(yīng)力，可以使鏡片的壽命達(dá)到無(wú)限長(zhǎng)。精心設(shè)計(jì)的單晶立體刻蝕硅鏡片不存在因疲勞而產(chǎn)生的故障，因此，它比表面沉積鏡片在這方面具有優(yōu)勢(shì)。圖2展示的是一個(gè)立體刻蝕鏡片經(jīng)過(guò)1.06億個(gè)運(yùn)行周期后的偏差情況，并未發(fā)現(xiàn)鏡片有任何退化。

　　MEMS鏡片可以由靜電傳動(dòng)器、磁電傳動(dòng)器、熱傳動(dòng)器或壓電傳動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。其中壓電傳動(dòng)器和磁電傳動(dòng)器很難進(jìn)行高密度的集成。此外，磁電傳動(dòng)器和熱傳動(dòng)器還需要良好的屏蔽來(lái)消除鏡片間的串?dāng)_。而靜電傳動(dòng)器雖然有邊沿充電效應(yīng)的問(wèn)題需要解決，但是它功耗最小，最適于大規(guī)模集成。

　　在高壓下,邊沿電荷在電極或傳動(dòng)器周?chē)慕^緣電介質(zhì)層中累積。這些100-400V的高壓是驅(qū)動(dòng)鏡片的必要條件。在恒定電壓下，電荷的累積會(huì)引起鏡片位置的移動(dòng)。由于漏電流非常小，放電時(shí)間常數(shù)可以達(dá)到數(shù)分鐘甚至數(shù)天，因此這會(huì)導(dǎo)致不可靠和不可預(yù)計(jì)的連接。

　　從連接可靠性方面考慮，以靜電傳動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)的立體刻蝕鏡片是鏡片技術(shù)的首選。由于邊沿電荷和其它環(huán)境因素所帶來(lái)的不必要的鏡片移動(dòng)可以通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)溺R片控制環(huán)路來(lái)消除。

　　鏡片驅(qū)動(dòng)的可靠性

　　鏡片是用來(lái)實(shí)現(xiàn)連接的，當(dāng)存在環(huán)境問(wèn)題和長(zhǎng)期漂移的時(shí)候，若鏡片的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能精確地傾斜鏡片的話，就會(huì)使連接可靠性受到破壞。鏡片控制有兩種方案：開(kāi)環(huán)和死循環(huán)。這兩種鏡片控制體系處理器件漂移和環(huán)境影響的方式是相當(dāng)不同的。

　　開(kāi)環(huán)配置結(jié)構(gòu)中，MEMS應(yīng)用預(yù)先設(shè)定的電壓讓它們傾斜到預(yù)定的角度。開(kāi)環(huán)鏡片控制要根據(jù)不同的溫度，建立所有組件的精確映像。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)， MEMS鏡片驅(qū)動(dòng)電壓也要進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持可靠的連接。因此需要使用大量的檢查表和復(fù)雜的算法來(lái)計(jì)算由于溫度變化而要調(diào)整的驅(qū)動(dòng)電壓。這些表格和算法必須在連接校準(zhǔn)周期中定期更新，更新時(shí)系統(tǒng)要停機(jī)。

　　在死循環(huán)配置方法中，使用基于傳感器的反饋系統(tǒng)來(lái)連續(xù)地監(jiān)視和控制鏡片的傾斜角度。因此，鏡片定位的精確度就取決于傳感器的精確度，這樣就消除了大多數(shù)開(kāi)環(huán)控制器所敏感的問(wèn)題，如沖擊、抖動(dòng)以及由邊沿充電效應(yīng)和溫度變化而產(chǎn)生的漂移。

　　此外，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的死循環(huán)控制器可以控制鏡片越過(guò)突降點(diǎn)。突降是當(dāng)靜電驅(qū)動(dòng)力比恢復(fù)彈力大的時(shí)候發(fā)生的一種情況。一旦發(fā)生突降，鏡片傳動(dòng)器就會(huì)倒塌到驅(qū)動(dòng)電極上。

　　實(shí)際應(yīng)用中有多種類型的位置傳感器，從集成的鏡片位置傳感器到能夠檢測(cè)輸出光纖中紅外信號(hào)的傳感器。不同的傳感方法所能提供的性能也有所不同。此外，可以在外部使用慢速控制環(huán)來(lái)監(jiān)視某些典型信道的旋光性能。

　　為了使系統(tǒng)校準(zhǔn)達(dá)到最優(yōu)化和插入損耗達(dá)到最小，需要對(duì)這些信道的性能進(jìn)行跟蹤和分析。即使存在沖擊、抖動(dòng)、溫度變化和長(zhǎng)期漂移的情況，一個(gè)良好的死循環(huán)鏡片控制器也能提供最為可靠的連接。

　　封裝子系統(tǒng)的可靠性

　　封裝可靠性問(wèn)題的核心就是它與大量MEMS鏡片連接所使用的高電壓。其它的問(wèn)題包括封裝和對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行緩沖，可以采用穩(wěn)定溫度、密封和使用緩沖外罩的方法。

　　大型交叉連接器的端口數(shù)甚至可能超過(guò)1000。對(duì)于如此多的組件，MEMS數(shù)組的封裝以及高壓線焊，都成了保證可靠連接的重要因素了。MEMS鏡片的封裝有兩種：第一種包括大量的高壓線焊；第二種是集成鏡片控制器芯片。

　　更確切的說(shuō)，每個(gè)MEMS通常需要4個(gè)電連接器來(lái)驅(qū)動(dòng)+X、-X、+Y和-Y傳動(dòng)器。這意味一個(gè)1000端口的開(kāi)關(guān)在鏡片數(shù)組和鏡片數(shù)組封裝之間就需要接近4000個(gè)高壓線焊，而實(shí)際上，這種互連密度的可靠封裝是不可能實(shí)現(xiàn)的。

　　所以，電子集成和互連管理對(duì)一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)是非常有用的。它包括使用分立鏡片傳動(dòng)器的集成鏡片結(jié)構(gòu)、高壓和CMOS層。高壓線路利用IC與鏡片傳動(dòng)器相連接。CMOS層與高壓電路也是通過(guò)IC相連的，它提供多路復(fù)用和必要的邏輯支持，從而以約為120的最小數(shù)量的線焊與高壓控制器相連接。這類封裝確保了OXC的可靠性。

　　圖片2展示了層的順序。底層是高階CMOS層，上面第二層是驅(qū)動(dòng)鏡片的電極層，頂層是MEMS鏡片數(shù)組。

　　連接可靠性是基于MEMS的OXC的一個(gè)關(guān)鍵要求。通過(guò)比較幾種工程和設(shè)計(jì)方案，可以得出一些與關(guān)鍵OXC可靠性驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的結(jié)論，其中包括與死循環(huán)鏡片控制器相結(jié)合的單晶‘立體刻蝕鏡片’的優(yōu)勢(shì)。

　　圖片2

　　集成電子設(shè)備的鏡片數(shù)組在可靠性上優(yōu)于集成離散電子設(shè)備的無(wú)源鏡片數(shù)組，這主要是因?yàn)楦邏壕€焊數(shù)量的減少。隔離抖動(dòng)的最好方法就是通過(guò)鏡片控制環(huán)對(duì)MEMS鏡片進(jìn)行緩沖處理。

　　綜上所述，在光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用基于MEMS的多端口OXC，是不存在基本的可靠性問(wèn)題的。基于MEMS的全光開(kāi)關(guān)的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了實(shí)用的要求。