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)的無阻塞全光交叉連接器（OXC）注定要成為降低成本的一個關(guān)鍵部件，并將在未來的網(wǎng)絡(luò)中大展鴻圖。

　　而且，未來的OXC完成的也不再僅限于光-光交換了，它還可以實現(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，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，甚至高級的光電光（OEO）交換機都顯得很不經(jīng)濟劃算了。

　　對于大型OXC交換機，運營商的基本要求之一就是長久的連接可靠性。這里所說的可靠連接是指：在整個連接過程中，能夠在所有運營環(huán)境下，對于任何合法的輸入信號，都能滿足其所有性能要求。環(huán)境條件包括溫度、沖擊、抖動以及濕度。在Telcordia公布的文件中，對性能和相關(guān)的環(huán)境測試條件做了規(guī)定，通常在用戶說明書中，這些規(guī)定會更為嚴(yán)格。從具體的數(shù)據(jù)上講，運營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)備必須跨過的門檻。

　　下面，我們來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)計方法。

　　OXC系統(tǒng)

　　一個基于MEMS的OXC系統(tǒng)包含光學(xué)部件、MEMS鏡片、鏡片驅(qū)動系統(tǒng)、封裝和一個系統(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，把輸入光耦合進相應(yīng)的輸出光纖。該光路的光經(jīng)過兩個MEMS鏡片的反射后，通過微透鏡單元的匯聚，耦合進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MEMS鏡片。

　　(圖1)

　　MEMS鏡片子系統(tǒng)把來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/抖動隔離部件。

　　系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)在分配的時間內(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）變化時光路的穩(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，因為這里的一點很小的變動就可以讓經(jīng)過MEMS鏡片的光線發(fā)生很大的變動。

　　所以，這一部分的定位和穩(wěn)定性對整個光路子系統(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：可以通過準(zhǔn)絕熱處理來穩(wěn)定溫度，并對外殼進行絕緣/緩沖處理。

　　通過冗余備份，系統(tǒng)控制器的電子部件和軟件可以達到很高的可用性。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)用中沒有什么特殊之處。

　　基于MEMS的OXC是電信系統(tǒng)有史以來首次引入的可活動部件。因此，MEMS鏡片的可靠性立刻受到了質(zhì)疑。MEMS鏡片的可靠性問題包括種種機械方面的失效——事實上，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大或其它環(huán)境因素，例如溫度、沖擊和抖動等造成的。在鏡片受驅(qū)動的區(qū)域內(nèi)，邊沿充電效應(yīng)對可靠性的影響至關(guān)重大。這里，我們要通過分析兩種不同的鏡片結(jié)構(gòu)，對這些故障機理進行詳細的說明。

　　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

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

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

　　如果鏡片的熱敏電阻過高，鏡片的溫度就會超過它的運作溫度。想要保證可靠的運作，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)問題以及隨之帶來的溫度升高問題，可能會導(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，同時熱敏電阻較小。因此，在光功率較大的場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鏡片的涂層帶來應(yīng)力，也會導(dǎo)致鏡片彎曲。這里，立體刻蝕鏡片就比較有優(yōu)勢，因為它的鏡片厚一些，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)機械失效的主要原因是靜摩擦，經(jīng)過沖擊造成的微裂紋擴張和接觸，會引發(fā)表面靜摩擦。通過預(yù)先設(shè)計就可以預(yù)防靜摩擦，立體刻蝕鏡片一般就不存在這個問題。可靠的鏡片必須在結(jié)構(gòu)上做到減少微裂痕產(chǎn)生和蔓延。

　　通過保證所有的彎曲幅度都不超過硅的屈服應(yīng)力，可以使鏡片的壽命達到無限長。精心設(shè)計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。圖2展示的是一個立體刻蝕鏡片經(jīng)過1.06億個運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器、磁電傳動器、熱傳動器或壓電傳動器驅(qū)動。其中壓電傳動器和磁電傳動器很難進行高密度的集成。此外，磁電傳動器和熱傳動器還需要良好的屏蔽來消除鏡片間的串?dāng)_。而靜電傳動器雖然有邊沿充電效應(yīng)的問題需要解決，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器周圍的絕緣電介質(zhì)層中累積。這些100-400V的高壓是驅(qū)動鏡片的必要條件。在恒定電壓下，電荷的累積會引起鏡片位置的移動。由于漏電流非常小，放電時間常數(shù)可以達到數(shù)分鐘甚至數(shù)天，因此這會導(dǎo)致不可靠和不可預(yù)計的連接。

　　從連接可靠性方面考慮，以靜電傳動器作為驅(qū)動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)境因素所帶來的不必要的鏡片移動可以通過設(shè)計適當(dāng)?shù)溺R片控制環(huán)路來消除。

　　鏡片驅(qū)動的可靠性

　　鏡片是用來實現(xiàn)連接的，當(dāng)存在環(huán)境問題和長期漂移的時候，若鏡片的驅(qū)動系統(tǒng)不能精確地傾斜鏡片的話，就會使連接可靠性受到破壞。鏡片控制有兩種方案：開環(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， MEMS鏡片驅(qū)動電壓也要進行調(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)雜的算法來計算由于溫度變化而要調(diào)整的驅(qū)動電壓。這些表格和算法必須在連接校準(zhǔn)周期中定期更新，更新時系統(tǒng)要停機。

　　在死循環(huán)配置方法中，使用基于傳感器的反饋系統(tǒng)來連續(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)開環(huán)控制器所敏感的問題，如沖擊、抖動以及由邊沿充電效應(yīng)和溫度變化而產(chǎn)生的漂移。

　　此外，一個設(shè)計優(yōu)良的死循環(huán)控制器可以控制鏡片越過突降點。突降是當(dāng)靜電驅(qū)動力比恢復(fù)彈力大的時候發(fā)生的一種情況。一旦發(fā)生突降，鏡片傳動器就會倒塌到驅(qū)動電極上。

　　實際應(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輸出光纖中紅外信號的傳感器。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)來監(jiān)視某些典型信道的旋光性能。

　　為了使系統(tǒng)校準(zhǔn)達到最優(yōu)化和插入損耗達到最小，需要對這些信道的性能進行跟蹤和分析。即使存在沖擊、抖動、溫度變化和長期漂移的情況，一個良好的死循環(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。其它的問題包括封裝和對環(huán)境影響進行緩沖，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1000。對于如此多的組件，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，每個MEMS通常需要4個電連接器來驅(qū)動+X、-X、+Y和-Y傳動器。這意味一個1000端口的開關(guān)在鏡片數(shù)組和鏡片數(shù)組封裝之間就需要接近4000個高壓線焊，而實際上，這種互連密度的可靠封裝是不可能實現(xiàn)的。

　　所以，電子集成和互連管理對一個高可靠性的系統(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與鏡片傳動器相連接。CMOS層與高壓電路也是通過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的一個關(guān)鍵要求。通過比較幾種工程和設(shè)計方案，可以得出一些與關(guān)鍵OXC可靠性驅(qū)動器相關(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。

　　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)備的無源鏡片數(shù)組，這主要是因為高壓線焊數(shù)量的減少。隔離抖動的最好方法就是通過鏡片控制環(huán)對MEMS鏡片進行緩沖處理。

　　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題的?；贛EMS的全光開關(guān)的可靠性遠遠超過了實用的要求。