基于MEMS的OXC：解决可靠性差距

作者：时间：2008-04-16来源：网络收藏

　　电信业的需求促使了其发展方向以光层架构成本的大幅度下降为目标，而该目标的核心就是要减少不必要的光电转换。高度可重构的无阻塞全光交叉连接器（OXC）注定要成为降低成本的一个关键部件，并将在未来的网络中大展鸿图。

　　而且，未来的OXC完成的也不再仅限于光-光交换了，它还可以实现更多的功能，包括复用/解复用，上路/下路以及信道均衡。这些系统依赖其尺寸、成本、功耗以及可重构性的优势，必将在电信网络中占有一席之地，相比之下，传统的基于SONET的交换机，甚至高级的光电光（OEO）交换机都显得很不经济划算了。

　　对于大型OXC交换机，运营商的基本要求之一就是长久的连接可靠性。这里所说的可靠连接是指：在整个连接过程中，能够在所有运营环境下，对于任何合法的输入信号，都能满足其所有性能要求。环境条件包括温度、冲击、抖动以及湿度。在Telcordia公布的文件中，对性能和相关的环境测试条件做了规定，通常在用户说明书中，这些规定会更为严格。从具体的数据上讲，运营商要求误码率要低于1×10－12，而系统的可用性要高于99.999%。

　　人们普遍认为，微机电系统（MEMS）是一种能够实现大的规模效益、优越的旋光性能以及降低电信光交换成本的必需技术。而当前，以OEO交换、SONET以及下一代SONET为基础的现有光架构的高度可靠性，已经为这种新的设备必须跨过的门槛。

　　下面，我们来探究一下可以提高基于MEMS的OXC系统的连接可靠性的技术和工程设计方法。

　　OXC系统

　　一个基于MEMS的OXC系统包含光学部件、MEMS镜片、镜片驱动系统、封装和一个系统控制器（图1）。光学部件子系统负责以最小的耦合损耗，把输入光耦合进相应的输出光纤。该光路的光经过两个MEMS镜片的反射后，通过微透镜单元的汇聚，耦合进一条给定的输出光纤中。如果要保证光能够很好地汇聚到预定的输出光纤中，就需要两个MEMS镜片。

　　(图1)

　　MEMS镜片子系统把来自特定输入光纤的光反射到给定的输出光纤中，而MEMS镜片驱动子系统用于精确控制镜片的反射角度。封装子系统包含密闭的光外罩和通向MEMS镜片的电接口。光外罩又包括光纤模块、组件支撑结构、温度控制和冲击/抖动隔离部件。

　　系统控制器负责在分配的时间内建立起正确的连接，还有连接的优化、系统性能跟踪以及环境控制。

　　子系统的可靠性

　　光学部件子系统的连接可靠性是指在环境（温度、冲击和抖动）变化时光路的稳定性。光路最敏感的部分是介于光纤端面和微透镜数组之间的部分，因为这里的一点很小的变动就可以让经过MEMS镜片的光线发生很大的变动。

　　所以，这一部分的定位和稳定性对整个光路子系统的可靠性都起至关重要的作用。幸好，克服这些环境因素也不是很难：可以通过准绝热处理来稳定温度，并对外壳进行绝缘/缓冲处理。

　　通过冗余备份，系统控制器的电子部件和软件可以达到很高的可用性。电子模块可以采用好几种冗余备份方式。这些备份方式在其它电子系统中都很常用，在MEMS或OXC的应用中没有什么特殊之处。

　　基于MEMS的OXC是电信系统有史以来首次引入的可活动部件。因此，MEMS镜片的可靠性立刻受到了质疑。MEMS镜片的可靠性问题包括种种机械方面的失效——事实上，这仅是其中的一类故障。

　　MEMS的可靠性还涉及高反射率的镜片涂层、镜片变形以及角度指向偏差，这些可能是入射光功率过大或其它环境因素，例如温度、冲击和抖动等造成的。在镜片受驱动的区域内，边沿充电效应对可靠性的影响至关重大。这里，我们要通过分析两种不同的镜片结构，对这些故障机理进行详细的说明。

　　有两种制作MEMS的基本工艺技术：立体刻蚀和表面沉积。立体刻蚀方法就是将硅从衬底刻蚀掉，其制造的结构厚度可以达到500μm甚至更大，以至可以制作出很复杂的结构（图片1）。表面沉积制造的结构通过薄膜沉积，一般厚度小于6μm。

　　(图片1)　　

　　立体刻蚀方法与表面沉积方法的表较

　　下面对引发不可靠连接的立体刻蚀和表面沉积镜片的故障机理进行一下比较。我们从入射光功率过大开始分析。下一代DWDM系统由于复用的光信号数量很大，所以需要的入射光功率也会较大。

　　处理光功率大小的能力受限于镜片的散热能力。详细举例来说，Telcordia　　10732中规定OXC的最大允许光功率为25dBm，即大约300mW。一个标准的MEMS镜片的金涂层可以吸收这个功率的2%，也就是6mW。

　　如果镜片的热敏电阻过高，镜片的温度就会超过它的运作温度。想要保证可靠的运作，镜片的热敏电阻就必须足够小。以此推断，如果不希望镜片温度超过30°C，热敏电阻就必须小于30°C/6mW＝5°C/mW。

　　由于局部镜片出现问题以及随之带来的温度升高问题，可能会导致MEMS镜片发生严重的故障。表面沉积镜片厚度很小，它的热敏电阻就很难做到很小；而立体刻蚀方法做出的镜片的厚度较大，同时热敏电阻较小。因此，在光功率较大的场合中要使用立体刻蚀方法做出的镜片。

　　由于温度升高引发了镜片弯曲，所以，对可靠连接影响较大的插入损耗，也不可避免的受到镜片表面光失真的影响。类似的，MEMS镜片的涂层带来应力，也会导致镜片弯曲。这里，立体刻蚀镜片就比较有优势，因为它的镜片厚一些，所以它受外界因素——高反射率的介质涂敷层和温度所引起的弯曲——的影响较小。

　　MEMS镜片出现机械失效的主要原因是静摩擦，经过冲击造成的微裂纹扩张和接触，会引发表面静摩擦。通过预先设计就可以预防静摩擦，立体刻蚀镜片一般就不存在这个问题。可靠的镜片必须在结构上做到减少微裂痕产生和蔓延。

　　通过保证所有的弯曲幅度都不超过硅的屈服应力，可以使镜片的寿命达到无限长。精心设计的单晶立体刻蚀硅镜片不存在因疲劳而产生的故障，因此，它比表面沉积镜片在这方面具有优势。图2展示的是一个立体刻蚀镜片经过1.06亿个运行周期后的偏差情况，并未发现镜片有任何退化。

　　MEMS镜片可以由静电传动器、磁电传动器、热传动器或压电传动器驱动。其中压电传动器和磁电传动器很难进行高密度的集成。此外，磁电传动器和热传动器还需要良好的屏蔽来消除镜片间的串扰。而静电传动器虽然有边沿充电效应的问题需要解决，但是它功耗最小，最适于大规模集成。

　　在高压下,边沿电荷在电极或传动器周围的绝缘电介质层中累积。这些100-400V的高压是驱动镜片的必要条件。在恒定电压下，电荷的累积会引起镜片位置的移动。由于漏电流非常小，放电时间常数可以达到数分钟甚至数天，因此这会导致不可靠和不可预计的连接。

　　从连接可靠性方面考虑，以静电传动器作为驱动的立体刻蚀镜片是镜片技术的首选。由于边沿电荷和其它环境因素所带来的不必要的镜片移动可以通过设计适当的镜片控制环路来消除。

　　镜片驱动的可靠性

　　镜片是用来实现连接的，当存在环境问题和长期漂移的时候，若镜片的驱动系统不能精确地倾斜镜片的话，就会使连接可靠性受到破坏。镜片控制有两种方案：开环和死循环。这两种镜片控制体系处理器件漂移和环境影响的方式是相当不同的。

　　开环配置结构中，MEMS应用预先设定的电压让它们倾斜到预定的角度。开环镜片控制要根据不同的温度，建立所有组件的精确映像。当温度发生变化时， MEMS镜片驱动电压也要进行调节以保持可靠的连接。因此需要使用大量的检查表和复杂的算法来计算由于温度变化而要调整的驱动电压。这些表格和算法必须在连接校准周期中定期更新，更新时系统要停机。

　　在死循环配置方法中，使用基于传感器的反馈系统来连续地监视和控制镜片的倾斜角度。因此，镜片定位的精确度就取决于传感器的精确度，这样就消除了大多数开环控制器所敏感的问题，如冲击、抖动以及由边沿充电效应和温度变化而产生的漂移。

　　此外，一个设计优良的死循环控制器可以控制镜片越过突降点。突降是当静电驱动力比恢复弹力大的时候发生的一种情况。一旦发生突降，镜片传动器就会倒塌到驱动电极上。

　　实际应用中有多种类型的位置传感器，从集成的镜片位置传感器到能够检测输出光纤中红外信号的传感器。不同的传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环来监视某些典型信道的旋光性能。

　　为了使系统校准达到最优化和插入损耗达到最小，需要对这些信道的性能进行跟踪和分析。即使存在冲击、抖动、温度变化和长期漂移的情况，一个良好的死循环镜片控制器也能提供最为可靠的连接。

　　封装子系统的可靠性

　　封装可靠性问题的核心就是它与大量MEMS镜片连接所使用的高电压。其它的问题包括封装和对环境影响进行缓冲，可以采用稳定温度、密封和使用缓冲外罩的方法。

　　大型交叉连接器的端口数甚至可能超过1000。对于如此多的组件，MEMS数组的封装以及高压线焊，都成了保证可靠连接的重要因素了。MEMS镜片的封装有两种：第一种包括大量的高压线焊；第二种是集成镜片控制器芯片。

　　更确切的说，每个MEMS通常需要4个电连接器来驱动+X、-X、+Y和-Y传动器。这意味一个1000端口的开关在镜片数组和镜片数组封装之间就需要接近4000个高压线焊，而实际上，这种互连密度的可靠封装是不可能实现的。

　　所以，电子集成和互连管理对一个高可靠性的系统是非常有用的。它包括使用分立镜片传动器的集成镜片结构、高压和CMOS层。高压线路利用IC与镜片传动器相连接。CMOS层与高压电路也是通过IC相连的，它提供多路复用和必要的逻辑支持，从而以约为120的最小数量的线焊与高压控制器相连接。这类封装确保了OXC的可靠性。

　　图片2展示了层的顺序。底层是高阶CMOS层，上面第二层是驱动镜片的电极层，顶层是MEMS镜片数组。

　　连接可靠性是基于MEMS的OXC的一个关键要求。通过比较几种工程和设计方案，可以得出一些与关键OXC可靠性驱动器相关的结论，其中包括与死循环镜片控制器相结合的单晶‘立体刻蚀镜片’的优势。