下一代網路 - 微機電系統

---

---

DWDM使用一組光波長（或通道），波長約為1553 nm，通道間隔為0.8 nm（100 GHz），每個波長可以承載高達10 Gbps（STM 64）的資訊。超過100個這樣的通道可以組合並傳輸在單根光纖上。人們正在努力進一步壓縮通道並提高每個通道的資料速率。

實驗表明，在單根光纖上成功地傳輸了80個通道，每個通道承載40 Gbps（相當於3.2 Tbits/秒），傳輸距離為300公里。點對點和環形DWDM光網路的部署需要一種新型的網路元件，這些元件可以在執行過程中操作訊號，而無需昂貴的O-E-O轉換。光放大器、濾波器、光新增/刪除複用器、解複用器和光交叉聯結器是一些必要的網路元件。MEMS在這些網路元件的設計和開發中發揮著重要作用。

MEMS是微機電系統（Micro Electro Mechanical Systems）的縮寫。它用於建立超小型化裝置，尺寸從幾微米到幾釐米不等。這些裝置與積體電路非常相似，但能夠在同一基板上整合可移動的機械部件。

MEMS技術起源於半導體行業。它們使用類似於VLSI的批次製造工藝製造。典型的MEMS是晶片上的整合微系統，除了電氣、光學、流體、化學和生物醫學元件外，還可以包含可移動的機械部件。

在功能上，MEMS包括各種轉導機制，用於將訊號從一種能量形式轉換為另一種能量形式。

許多不同型別的微感測器和微執行器可以與訊號處理、光學子系統和微計算整合，從而在晶片上形成一個完整的函式系統。MEMS的特性是能夠在同一基板上包含可移動的機械部件。

由於尺寸小巧，MEMS可以在機械裝置幾乎不可能放置的地方使用；例如，人體血管內部。MEMS器件的切換和響應時間也比傳統機器短，並且功耗更低。

MEMS的應用

如今，MEMS在各個領域都得到了應用。電信、生物科學和感測器是主要受益者。基於MEMS的運動、加速度和應力感測器正大量部署在飛機和航天器中，以提高安全性和可靠性。皮衛星（重約250克）被開發為檢查、通訊和監視裝置。它們使用基於MEMS的系統作為有效載荷，以及用於軌道控制。MEMS用於噴墨印表機的噴嘴和硬碟驅動器的讀/寫磁頭。汽車行業正在將MEMS應用於“燃油噴射系統”和安全氣囊感測器。

設計工程師正在將其新設計中加入MEMS，以提高其產品的效能。它降低了製造成本和時間。將多個功能整合到MEMS中可以提供更高程度的小型化、更少的元件數量以及更高的可靠性。

設計和製造技術

在過去的幾十年裡，半導體行業已經發展到成熟階段。MEMS的發展很大程度上得益於這項技術。最初，用於積體電路（IC）設計和製造的技術和材料直接借用於MEMS開發，但現在正在開發許多特定於MEMS的製造技術。表面微加工、體微加工、深反應離子刻蝕（DRIE）和微模塑是一些先進的MEMS製造技術。

使用微加工方法，沉積多層多晶矽，通常厚度為1-100毫米，以形成具有金屬導體、反射鏡和絕緣層的​​三維結構。精確的蝕刻過程選擇性地去除下層薄膜（犧牲層），留下被稱為結構層的覆蓋薄膜，該薄膜能夠進行機械運動。

表面微加工用於以商業規模製造各種MEMS器件。在蝕刻過程之前和之後可以看到多晶矽和金屬層。

體微加工是另一種廣泛使用的工藝，用於為MEMS形成功能部件。單個矽晶體被圖案化併成形以形成高精度的三維部件，如通道、齒輪、膜片、噴嘴等。這些元件與其他部件和子系統整合，以生產完全功能的MEMS。

MEMS處理和MEMS元件的一些標準化構建塊是多使用者MEMS工藝（MUMPs）。這些是平臺的基礎，該平臺正在導致對MEMS的特定於應用程式的方法，非常類似於在積體電路行業取得巨大成功的特定於應用程式的方法（ASIC）。

全光DWDM網路和MEMS

如今，電信專家面臨著前所未有的挑戰，需要在電信網路中容納不斷擴充套件的高頻寬服務陣列。由於網際網路和網際網路支援服務的擴充套件，頻寬需求呈指數級增長。密集波分複用（DWDM）的出現解決了這種技術短缺問題，並徹底改變了核心光網路的經濟狀況。

DWDM使用一組光波長（或通道），波長約為1553 nm，通道間隔為0.8 nm（100 GHz），每個波長可以承載高達10 Gbps（STM 64）的資訊。超過100個這樣的通道可以組合並傳輸在單根光纖上。人們正在努力進一步壓縮通道並提高每個通道的資料速率。

實驗表明，在單根光纖上成功地傳輸了80個通道，每個通道承載40 Gbits/秒（相當於3.2 Tbits/秒），傳輸距離為300公里。點對點和環形DWDM光網路的部署需要一種新型的網路元件，這些元件可以在執行過程中操作訊號，而無需昂貴的O-E-O轉換。光放大器、濾波器、光新增/刪除複用器、解複用器和光交叉聯結器是一些必要的網路元件。MEMS在這些網路元件的設計和開發中發揮著重要作用。我們將詳細討論光新增/刪除複用器（OADM）和光交叉聯結器（OXC）。

光開關的突破

1999年，貝爾實驗室的科學家演示了一種實用的基於MEMS的光開關。它像一個蹺蹺板，一端有一個鍍金的微型反射鏡。靜電力將杆的另一端向下拉，抬起反射鏡，反射鏡以直角反射光。因此，入射光從一根光纖移動到另一根光纖。

這項技術的成功實際上是各種裝置和系統的構建塊，例如波長新增/刪除複用器、光配置開關、光交叉連線和WDM訊號均衡器。

光新增/刪除複用器

與基於環形的SDH/SONET網路類似，全光DWDM網路也開始起步。SDH網路設計人員已經證實了基於環的網路優於網狀網路。在全光環中，可以為保護目的預留頻寬（ls）。光新增/刪除複用器（OADM）在功能上類似於SDH/SONET新增/刪除複用器（ADM）。可以從多波長光訊號中新增或刪除一組選定的波長（ls）。OADM消除了昂貴的O-E-O（光電轉換和反向轉換）。

如上所述，二維光開關矩陣用於製造此類OADM，靈活性非常有限。另一方面，可重構新增/刪除複用器（R-OADM）提供了完全的靈活性。可以訪問、刪除或新增任何透過的通道。可以更改特定通道的波長以避免阻塞。這種型別的光開關或OADM被稱為2D或N2開關，因為所需的開關元件數量等於埠數量的平方，並且因為光僅停留在二維平面上。

一個八埠OADM需要64個獨立的微鏡及其在MEMS器件上的控制。它與電話交換機中使用的“交叉連線”開關非常相似。

這種型別的光開關已經過嚴格的機械和光學測試。平均插入損耗小於1.4 db，在超過100萬次迴圈中具有±0.25 db的出色重複性。配置大於32×32（1024個開關鏡）的2D/N2型OADM變得實際上難以管理且不經濟。多層較小的開關結構用於建立更大的配置。

光交叉連線

貝爾實驗室已經克服了2D型光開關的侷限性，並開發了一種創新的光開關技術。它通常被稱為“自由空間3D MEMS”或“光束轉向”。它使用一系列雙軸微鏡作為光開關。微鏡安裝在一組交叉耦合萬向節環的一個軸上，透過一組扭轉彈簧。這種佈置允許鏡子沿兩個垂直軸以任何所需的角度移動。透過在鏡子下方的四個象限施加靜電力來驅動鏡子。使用MEMS技術複製完整的微鏡單元，形成一個由128或256個微鏡組成的“開關結構”。

一組準直輸入光纖與一組鏡子對齊，這些鏡子可以透過在X和Y軸上傾斜鏡子將光重定向到與準直輸出光纖對齊的第二組鏡子。透過精確地將輸入和輸出光纖上的一組鏡子對準，可以建立所需的燈光連線。此過程稱為“光束轉向”。

3D MEMS開關的切換時間小於10毫秒，微鏡非常穩定。基於此技術的全光交叉聯結器與O-E-O型交叉聯結器相比，具有多種獨特的優勢。OXC具有高容量、可擴充套件性，並且真正獨立於資料速率和資料格式。它以智慧的方式路由光通道，無需昂貴的O-E-O轉換。低佔用空間和低功耗是全光開關技術的其他優勢。