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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，而該目標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，包括復用/解復用，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）。光學部件子系統(tǒng)負責以最小的耦合損耗，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)控制器負責在分配的時間內(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，Telcordia10732中規(guī)定OXC的最大允許光功率為25dBm，即大約300mW。一個標準的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，可能會導致MEMS鏡片發(fā)生嚴重的故障。表面沉積鏡片厚度很小，它的熱敏電阻就很難做到很小；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。通過預先設(shè)計就可以預防靜摩擦，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擾。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，因此這會導致不可靠和不可預計的連接。 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?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不同的。 開環(huán)配置結(jié)構(gòu)中，MEMS應(yīng)用預先設(shè)定的電壓讓它們傾斜到預定的角度。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。突降是當靜電驅(qū)動力比恢復彈力大的時候發(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。基于MEMS的全光開關(guān)的可靠性遠遠超過了實用的要求。 |
