MEMS 器件將在光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中至關(guān)重要的作用

光纖系統(tǒng)在遠(yuǎn)程傳輸和城市網(wǎng)絡(luò)中的快速推廣應(yīng)用對光纖通信器件提出了新的要求。未來的網(wǎng)絡(luò)必須能更快地安裝，能在光纖布線層通過對光功率的控制和光路連接的實時管理重新定義帶寬。帶寬要求的增長已經(jīng)超過了摩爾定律所描述的速度（即處理器中的元件密度每18個月就增加一倍）。若布設(shè)可遠(yuǎn)程定義的光纖網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)商就可以為最終用戶更快地提供更大的帶寬，同時通過在光纖層實施分布式保護(hù)來降低運營成本。
然而光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)展還需要采用新的技術(shù)。這些技術(shù)必須能提供高性能、集成多種功能、大規(guī)模的產(chǎn)品，而且能夠很快以更低的價格大批量供貨。目前一項引起廣泛重視的器件制造技術(shù)是MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)，它是指用與半導(dǎo)體工藝相兼容的方法在硅、金屬和玻璃等材料上制作微型的機(jī)械結(jié)構(gòu)。所制成的光學(xué)器件具有很好的性能——低插入損耗、優(yōu)良的波長平坦度和極小的串?dāng)_，而且在集成化以及元件規(guī)模（Scalability）和可靠性的提高方面有很好的前景。由于這種技術(shù)的基礎(chǔ)是在半導(dǎo)體工業(yè)中經(jīng)過多年驗證的制造方法和工藝，因此不難斷定，隨著產(chǎn)量的增加，成本將穩(wěn)步下降。
MEMS技術(shù)目前在光纖網(wǎng)絡(luò)中所發(fā)揮的作用——特別是這一技術(shù)在提高元件規(guī)模和光纖網(wǎng)絡(luò)的可管理性方面的潛力——正好符合運營商以更低的設(shè)備占有成本獲得最優(yōu)的性能和最大靈活性這一需求。

一 系統(tǒng)要求
象DWDM（密集波分復(fù)用）這樣的技術(shù)使得服務(wù)商可以通過增加每一根光纖中的波長數(shù)來增加光纖通過的信道數(shù)。各公司已經(jīng)在城市網(wǎng)絡(luò)中引入了DWDM系統(tǒng)，從而以較低的價格提供帶寬并支持不同的協(xié)議，包括SONET、吉兆以太網(wǎng)、數(shù)字視頻和Escon。這些系統(tǒng)具有“透明地”添加或關(guān)斷一條特定信道的能力，并能夠?qū)ΣㄩL進(jìn)行智能化管理以提高網(wǎng)絡(luò)效率。
DWDM系統(tǒng)中的光學(xué)器件必須滿足一整套苛刻的要求，其中包括插入損耗、極化相關(guān)損耗（PDL），波長平坦度（在C波段和L波段分別要達(dá)到1310nm和1550nm）。信道必須在很長的距離上保持一致性，因此，任何新器件不能給信道添加相位或強(qiáng)度噪聲，而且要保證信道間的串?dāng)_極小。器件的尺寸和功耗也必須很小，以便為用戶降低設(shè)備占地面積和運營成本。
光纖網(wǎng)絡(luò)的交換和衰減器已運用了多種器件技術(shù)，包括光機(jī)械、波導(dǎo)、液晶以及基于MEMS的技術(shù)。這些技術(shù)各自都有一些特點，可以在不同的應(yīng)用中起到優(yōu)化性能的作用。

二 衡量光纖MEMS器件的關(guān)鍵指標(biāo)
MEMS器件具有很強(qiáng)的吸引力，因為設(shè)計得當(dāng)?shù)脑挘鼈兛梢栽谌魏我粋€波段上保證極低的功耗——這對DWDM應(yīng)用來說是十分關(guān)鍵的。MEMS器件的全面評估應(yīng)該包括五個方面：性能、功能、元件規(guī)模、可靠性和成本，參見表1。
表1
MEMS在商業(yè)應(yīng)用的條件
帶寬要持續(xù)增長，產(chǎn)量要不斷增加；元件規(guī)模還要提高；要發(fā)揮該技術(shù)在提高集成度、降低成本方面的潛力。
光學(xué)性能
在關(guān)鍵指標(biāo)方面可與其他技術(shù)所能達(dá)到的最優(yōu)值相比，在次要指標(biāo)方面亦可達(dá)到或優(yōu)于其他技術(shù)的性能。
功能
光開關(guān)、可變光衰減器、光纖介質(zhì)對準(zhǔn)器：有可能集多種功能于一身，或在單個芯片上集成多種器件。
元件規(guī)模
適用于小規(guī)模、中規(guī)模和大規(guī)模光纖網(wǎng)絡(luò)交換應(yīng)用；所采用的半導(dǎo)體工藝可保證大批量生產(chǎn)。
可靠性
完全滿足Telcordia在可靠性和壽命方面的規(guī)定。
成本因素
半導(dǎo)體工藝的大批量生產(chǎn)能力保證了經(jīng)濟(jì)性；光纖介質(zhì)的連接將得到改善；由于組裝工作量的減小，產(chǎn)量將會提高。
制造與標(biāo)準(zhǔn)化
在MEMS技術(shù)中大量投資，有助于緩解光纖器件供應(yīng)中的瓶頸現(xiàn)象；在生產(chǎn)中采用Telcordia質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可以保證器件的長期性能。

性能
評價一種器件時，性能是光纖系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者考慮的最基本因素。用戶往往更愿意選用性能更高而非更便宜的器件，因為這可以降低總的系統(tǒng)成本（也就是說，以較低的使系統(tǒng)總成本獲得更強(qiáng)的功能和更遠(yuǎn)的傳輸距離）。例如，選用一個損耗較低而價格較貴的器件來減小中繼器中摻鉺光纖放大器噪聲時，總的系統(tǒng)成本會因為中繼距離加長而降低。
MEMS器件與采用其他技術(shù)的器件相比，在性能方面有其優(yōu)越之處，此外更具有尺寸小、適于大批量生產(chǎn)的優(yōu)點。在關(guān)鍵的性能指標(biāo)方面——插入損耗、波長平坦度、PDL和串?dāng)_——MEMS技術(shù)能達(dá)到的性能可與其他技術(shù)所能達(dá)到的最高性能相比。據(jù)報道，一種MEMS技術(shù)制作的2×2光開關(guān)模塊的插入損耗為0.4dB，PDL<0.07dB，串?dāng)_<－70dB。表2列出了一種1×2/2×2 閉鎖式MEMS光開關(guān)的主要性能。

基于MEMS器件的裝置占地面積很小，若設(shè)計得當(dāng)，其功耗也極小?；?font face="Comic Sans MS">MEMS的系統(tǒng)還可以通過將光器件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成在單個芯片上或?qū)⒍鄠€裝置排成一個陣列的辦法來提高其規(guī)模。
功能度和元件規(guī)模（Scalability）
MEMS器件優(yōu)異的光學(xué)性能使之可以很好的滿足光纖網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在和未來發(fā)展中的要求。無論數(shù)據(jù)流速率或協(xié)議如何，上述的1×2/2×2 閉鎖式MEMS光開關(guān)允許采用小形狀因數(shù)光學(xué)保護(hù)。1×N的MEMS結(jié)構(gòu)允許在一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處的數(shù)根光纖或若干信道共用一個較昂貴的監(jiān)視器，從而有助于減小監(jiān)視設(shè)備尺寸，降低網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測設(shè)備的費用。大規(guī)模的MEMS微鏡芯片（二維或三維設(shè)計）將使以波長粒度重新定義通信量的中等規(guī)模和大規(guī)模光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點成為可能，從而能布設(shè)成本更低的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。采用Clos架構(gòu)后，基于兩種狀態(tài)位置的二維微鏡陣列的規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)百個無阻塞的連接；插入損耗限制了規(guī)模的進(jìn)一步提高。用于大節(jié)點的、具有上千連接端口的單級三維傾斜微鏡設(shè)計也在考慮之中。
在光纖網(wǎng)絡(luò)中難度較大的應(yīng)用是遠(yuǎn)程功率控制。MEMS器件可以產(chǎn)生獨立于波長或極化的衰減，辦法是控制插入光通路中的葉片或通過調(diào)整一個微鏡的傾斜角來控制反射回信號通路的光功率大小。MEMS也可以用來降低與光學(xué)芯片和光纖之間的連接有關(guān)的費用。光纖或器件的對準(zhǔn)可以在芯片上實現(xiàn)，辦法是在一個硅的微型光學(xué)臺面上制作可移動的V形槽和平臺。MEMS技術(shù)能夠?qū)⒉煌墓δ軉卧稍趩螇K芯片上，有可能實現(xiàn)芯片級系統(tǒng)。
可靠性
MEMS器件的可靠性已在其他應(yīng)用領(lǐng)域得到了部分展示。例如，該技術(shù)在汽車氣囊中的應(yīng)用已有數(shù)年。由于在這種應(yīng)用領(lǐng)域MEMS器件是做撓性的機(jī)械運動應(yīng)用，故其壽命較長。此外，研究者已根據(jù)Telcordia Technologies （前身為Bellcore）建立的標(biāo)準(zhǔn)對MEMS 設(shè)計的可靠性進(jìn)行了廣泛的驗證試驗，包括溫度循環(huán)、沖擊、振動和長期高溫貯藏。
成本
MEMS器件為降低系統(tǒng)成本提供了多種可能。MEMS芯片的功能度使得更低成本的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和架構(gòu)以及光纖層的保護(hù)成為可能。MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系統(tǒng)的外形可以縮小，節(jié)省了中繼器和終端節(jié)點占用的地盤。MEMS器件的單批產(chǎn)量很高，經(jīng)濟(jì)性好，而且器件與器件之間重復(fù)性好。執(zhí)行器與光器件集成在單個芯片上，可以在一個硅片上重復(fù)多次，從而可以提供價格更低的子器件。這些在成本方面的節(jié)約將使器件價格下降，最終使系統(tǒng)供應(yīng)商受益。

三 新型MEMS光學(xué)器件
在光學(xué)器件中已將MEMS器件做為基本技術(shù)開發(fā)，其中包括可變光衰減器(VOA)、光開關(guān)和光纖交叉連接器。VOA在光纖網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)中起到功率管理的作用，它們是光放大器的關(guān)鍵部件，用來使整個網(wǎng)絡(luò)中的功率電平保持一定。與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的光機(jī)械器件類似，MEMS光衰減器的插入損耗低，衰減范圍寬，可靠性符合Telcordia質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
光開關(guān)是另外一個元件領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域中，MEMS實現(xiàn)光開關(guān)的可行途徑，而且提供了全新的設(shè)計思想。光機(jī)械器件在光開關(guān)市場中已占有重要地位，它們采用傳統(tǒng)技術(shù)封裝以便能在很寬的溫度范圍內(nèi)工作。MEMS器件也將起到同樣的作用，而且還可以節(jié)約占用的印刷電路板面積。
最近有人報道，單個MEMS器件已能對數(shù)百路至一千多路的傳輸進(jìn)行交換。MEMS光纖交叉連接器模塊已有4×4和32×32等不同結(jié)構(gòu)可以提供。這些器件可以構(gòu)成一個更大的256×256的交換結(jié)構(gòu)。由于其架構(gòu)是全光學(xué)式的，這些光纖交叉連接器模塊具有無限的帶寬、波長透明度和路由多樣性——這些正是下一代光纖網(wǎng)絡(luò)所要求的。

四 制造與標(biāo)準(zhǔn)
由于MEMS器件在光纖網(wǎng)絡(luò)升級方面的重要作用已得到證明，MEMS工業(yè)正致力于發(fā)展制造亞結(jié)構(gòu)（infrastructure），以便使器件得到更廣泛的應(yīng)用。主要的投資用于擴(kuò)展MEMS芯片的制造能力和封裝能力。基于MEMS技術(shù)的產(chǎn)品代表了新一代可以大批量生產(chǎn)的光學(xué)器件。
MEMS器件向大生產(chǎn)方面發(fā)展所遇到的首要問題是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)問題。在通信工業(yè)中，Telcordia的規(guī)定一直是性能和可靠性方面事實上的標(biāo)準(zhǔn)。制造商和系統(tǒng)運營商已將一些標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則很自然地引入光通信領(lǐng)域，例如，用于光纖分支元件的GR-1209和用于無源光學(xué)器件的GR—1221。然而這些嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)在制定時并為考慮到新興的技術(shù)。工業(yè)界正與客戶合作建立基于Telcordia標(biāo)準(zhǔn)的MEMS專用檢測程序。例如，像標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工業(yè)中那樣，采用升高溫度的辦法來作為一種老化手段，以檢驗其壽命性能。但是對于MEMS器件來說，其性能隨時間的退化規(guī)律與標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體器件又有所不同，為此開發(fā)了一種推導(dǎo)熱驅(qū)動MEMS器件的激活能的方法，以根據(jù)Ahrenius定律預(yù)測與特定器件有關(guān)的老化過程。通過這種方式可以進(jìn)行與半導(dǎo)體設(shè)備可靠性測試等效的壽命實驗。
同時，通信工業(yè)正引入TL9000 標(biāo)準(zhǔn)（專門為通信產(chǎn)品制定的標(biāo)準(zhǔn)ISD9000的版本）。用于通信工業(yè)中的MEMS器件供應(yīng)商正紛紛進(jìn)行TL9000認(rèn)證，以便使那些重視質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的用戶確信他們的產(chǎn)品。

很顯然，MEMS器件不僅符合今天光纖網(wǎng)絡(luò)對性能的要求，也滿足下一代系統(tǒng)對元件規(guī)模、小尺寸和低功耗等方面的要求。在不久的將來，光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供應(yīng)商將可以充分利用MEMS器件所帶來的這些優(yōu)點。