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電信業的需求促使了其發展方向以光層架構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換。高度可重構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鍵部件，并將在未來的網絡中大展鴻圖。 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。這些系統依賴其尺寸、成本、功耗以及可重構性的優勢，必將在電信網絡中占有一席之地，相比之下，傳統的基于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，對性能和相關的環境測試條件做了規定，通常在用戶說明書中，這些規定會更為嚴格。從具體的數據上講，運營商要求誤碼率要低于1×10－12，而系統的可用性要高于99.999%。 人們普遍認為，微機電系統（MEMS）是一種能夠實現大的規模效益、優越的旋光性能以及降低電信光交換成本的必需技術。而當前，以OEO交換、SONET以及下一代SONET為基礎的現有光架構的高度可靠性，已經為這種新的設備必須跨過的門檻。 下面，我們來探究一下可以提高基于MEMS的OXC系統的連接可靠性的技術和工程設計方法。 OXC系統 一個基于MEMS的OXC系統包含光學部件、MEMS鏡片、鏡片驅動系統、封裝和一個系統控制器（圖1）。光學部件子系統負責以最小的耦合損耗，把輸入光耦合進相應的輸出光纖。該光路的光經過兩個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鏡片驅動子系統用于精確控制鏡片的反射角度。封裝子系統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、組件支撐結構、溫度控制和沖擊/抖動隔離部件。 系統控制器負責在分配的時間內建立起正確的連接，還有連接的優化、系統性能跟蹤以及環境控制。 子系統的可靠性 光學部件子系統的連接可靠性是指在環境（溫度、沖擊和抖動）變化時光路的穩定性。光路最敏感的部分是介于光纖端面和微透鏡數組之間的部分，因為這里的一點很小的變動就可以讓經過MEMS鏡片的光線發生很大的變動。 所以，這一部分的定位和穩定性對整個光路子系統的可靠性都起?至關重要的作用。幸好，克服這些環境因素也不是很難：可以通過準絕熱處理來穩定溫度，并對外殼進行絕緣/緩沖處理。 通過冗余備份，系統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中都很常用，在MEMS或OXC的應用中沒有什么特殊之處。 基于MEMS的OXC是電信系統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境因素，例如溫度、沖擊和抖動等造成的。在鏡片受驅動的區域內，邊沿充電效應對可靠性的影響至關重大。這里，我們要通過分析兩種不同的鏡片結構，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：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，其制造的結構厚度可以達到500μm甚至更大，以至可以制作出很復雜的結構（圖片1）。表面沉積制造的結構通過薄膜沉積，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系統由于復用的光信號數量很大，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。 由于局部鏡片出現問題以及隨之帶來的溫度升高問題，可能會導致MEMS鏡片發生嚴重的故障。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鏡片的涂層帶來應力，也會導致鏡片彎曲。這里，立體刻蝕鏡片就比較有優勢，因為它的鏡片厚一些，所以它受外界因素——高反射率的介質涂敷層和溫度所引起的彎曲——的影響較小。 MEMS鏡片出現機械失效的主要原因是靜摩擦，經過沖擊造成的微裂紋擴張和接觸，會引發表面靜摩擦。通過預先設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構上做到減少微裂痕產生和蔓延。 通過保證所有的彎曲幅度都不超過硅的屈服應力，可以使鏡片的壽命達到無限長。精心設計的單晶立體刻蝕硅鏡片不存在因疲勞而產生的故障，因此，它比表面沉積鏡片在這方面具有優勢。圖2展示的是一個立體刻蝕鏡片經過1.06億個運行周期后的偏差情況，并未發現鏡片有任何退化。 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的問題需要解決，但是它功耗最小，最適于大規模集成。 在高壓下,邊沿電荷在電極或傳動器周圍的絕緣電介質層中累積。這些100-400V的高壓是驅動鏡片的必要條件。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，放電時間常數可以達到數分鐘甚至數天，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動的立體刻蝕鏡片是鏡片技術的首選。由于邊沿電荷和其它環境因素所帶來的不必要的鏡片移動可以通過設計適當的鏡片控制環路來消除。 鏡片驅動的可靠性 鏡片是用來實現連接的，當存在環境問題和長期漂移的時候，若鏡片的驅動系統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：開環和死循環。這兩種鏡片控制體系處理器件漂移和環境影響的方式是相當不同的。 開環配置結構中，MEMS應用預先設定的電壓讓它們傾斜到預定的角度。開環鏡片控制要根據不同的溫度，建立所有組件的精確映像。當溫度發生變化時， MEMS鏡片驅動電壓也要進行調節以保持可靠的連接。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整的驅動電壓。這些表格和算法必須在連接校準周期中定期更新，更新時系統要停機。 在死循環配置方法中，使用基于傳感器的反饋系統來連續地監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開環控制器所敏感的問題，如沖擊、抖動以及由邊沿充電效應和溫度變化而產生的漂移。 此外，一個設計優良的死循環控制器可以控制鏡片越過突降點。突降是當靜電驅動力比恢復彈力大的時候發生的一種情況。一旦發生突降，鏡片傳動器就會倒塌到驅動電極上。 實際應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來監視某些典型信道的旋光性能。 為了使系統校準達到最優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，一個良好的死循環鏡片控制器也能提供最為可靠的連接。 封裝子系統的可靠性 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境影響進行緩沖，可以采用穩定溫度、密封和使用緩沖外罩的方法。 大型交叉連接器的端口數甚至可能超過1000。對于如此多的組件，MEMS數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個電連接器來驅動+X、-X、+Y和-Y傳動器。這意味?一個1000端口的開關在鏡片數組和鏡片數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的。 所以，電子集成和互連管理對一個高可靠性的系統是非常有用的。它包括使用分立鏡片傳動器的集成鏡片結構、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，上面第二層是驅動鏡片的電極層，頂層是MEMS鏡片數組。 連接可靠性是基于MEMS的OXC的一個關鍵要求。通過比較幾種工程和設計方案，可以得出一些與關鍵OXC可靠性驅動器相關的結論，其中包括與死循環鏡片控制器相結合的單晶‘立體刻蝕鏡片’的優勢。 圖片2 集成電子設備的鏡片數組在可靠性上優于集成離散電子設備的無源鏡片數組，這主要是因為高壓線焊數量的減少。隔離抖動的最好方法就是通過鏡片控制環對MEMS鏡片進行緩沖處理。 綜上所述，在光網絡中應用基于MEMS的多端口OXC，是不存在基本的可靠性問題的。基于MEMS的全光開關的可靠性遠遠超過了實用的要求。 |
