NGN - 微机电系统

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DWDM 使用一组大约 1,553 nm 的光波长（或通道），通道间隔为 0.8 nm (100 GHz)，每个波长可以承载高达 10 Gbps (STM 64) 的信息。可以组合 100 多个这样的通道并在单根光纤上传输。人们正在努力进一步压缩通道并提高每个通道的数据比特率。

实验上，80 个通道的传输已在 300 公里的长度上成功测试，每个通道在单根光纤上承载 40 Gbps（相当于 3.2 Tbits/秒）。点对点和基于环的 DWDM 光网络的部署需要一种新型网络元件，该网络元件可以在运行时操纵信号，而无需进行昂贵的 OEO 转换。光放大器、滤波器、光分插复用器、解复用器和光交叉连接是一些重要的网络元件。MEMS 在此类网络元件的设计和开发中发挥着重要作用。

MEMS 是微机电系统的缩写。它用于制造超小型设备，尺寸从几微米到几厘米。它们与 IC 非常相似，但能够将移动机械部件集成在同一基板上。

MEMS 技术起源于半导体行业。它们是使用类似于 VLSI 的批量制造工艺制造的。典型的 MEMS 是芯片上的集成微系统，除了电气、光学、流体、化学和生物医学元件之外，还可以集成移动机械部件。

从功能上讲，MEMS 包括多种渗出机制，可将信号从一种形式的能量转换为另一种形式的能量。

许多不同类型的微传感器和微执行器可以与信号处理、光学子系统和微计算集成，形成完整的片上功能系统。MEMS 的特点是在同一基板上包含可移动的机械部件。

由于尺寸小，可以在几乎无法放置机械设备的地方使用MEMS；例如，在人体的血管内。MEMS 设备的开关和响应时间也比传统机器短，并且功耗更低。

微机电系统的应用

如今，MEMS 已在各个领域得到应用。电信、生物科学和传感器是主要受益者。基于 MEMS 的运动、加速度和应力传感器正在飞机和航天器中大量部署，以提高安全性和可靠性。微微卫星（重约 250 克）被开发为检查、通信和监视设备。它们使用基于 MEMS 的系统作为有效载荷以及轨道控制。MEMS用于喷墨打印机的喷嘴和硬盘驱动器的读/写头。汽车行业正在“燃油喷射系统”和安全气囊传感器中使用 MEMS。

设计工程师正在将 MEMS 融入他们的新设计中，以提高产品的性能。它降低了制造成本和时间。将多种功能集成到 MEMS 中可实现更高程度的小型化、更少的元件数量并提高可靠性。

设计和制造技术

在过去的几十年里，半导体行业已经发展成熟。MEMS的发展很大程度上受益于这项技术。最初，用于集成电路 (IC) 设计和制造的技术和材料直接用于 MEMS 开发，但现在许多 MEMS 专用的制造技术正在开发中。表面微机械加工、体微机械加工、深反应离子蚀刻 (DRIE) 和微成型是一些先进的 MEMS 制造技术。

使用微加工方法，沉积多层多晶硅（通常为 1-100 毫米厚）以形成具有金属导体、镜子和绝缘层的三维结构。精确的蚀刻工艺选择性地去除下衬膜（牺牲层），留下被称为能够机械运动的结构层的覆盖膜。

表面微机械加工用于商业批量制造各种 MEMS 设备。在蚀刻过程之前和之后可以看到多晶硅和金属层。

体微机械加工是另一种广泛使用的形成 MEMS 功能组件的工艺。对单晶硅进行图案化和成形，形成高精度三维部件，如通道、齿轮、薄膜、喷嘴等。这些部件与其他部件和子系统集成，以生产功能齐全的 MEMS。

MEMS 处理和 MEMS 组件的一些标准化构建块是多用户 MEMS 工艺 (MUMP)。这些是导致 MEMS 特定应用方法的平台的基础，该方法与在集成电路行业非常成功的特定应用方法 (ASIC) 非常相似。

全光 DWDM 网络和 MEMS

当今的电信专家面临着前所未有的挑战，需要适应电信网络中不断扩大的高带宽服务。由于互联网和互联网服务的扩展，带宽需求呈指数级增长。密集波分复用 (DWDM) 的出现解决了这一技术稀缺问题，并彻底改变了核心光网络的经济性。

DWDM 使用一组 1553 nm 左右的光波长（或通道），通道间隔为 0.8 nm (100 GHz)，每个波长可以承载高达 10 Gbps (STM 64) 的信息。可以组合 100 多个这样的通道并在单根光纤上传输。人们正在努力进一步压缩通道并提高每个通道的数据比特率。

实验上，80 个通道的传输，每个通道在单根光纤上传输 40 Gbits/秒（相当于 3.2 Tbits/秒），已在 300 公里的长度上成功进行了测试。点对点和基于环的 DWDM 光网络的部署需要一种新型网络元件，该网络元件可以在运行时操纵信号，而无需进行昂贵的 OEO 转换。光放大器、滤波器、光分插复用器、解复用器和光交叉连接是一些重要的网络元件。MEMS 在此类网络元件的设计和开发中发挥着重要作用。我们将详细讨论光分插复用器 (OADM) 和光交叉连接 (OXC)。

光开关的突破

贝尔实验室的科学家于 1999 年展示了一种实用的基于 MEMS 的光开关。它的功能就像一根一端带有镀金微型镜子的跷跷板。静电力将杆的另一端向下拉，抬起镜子，以直角反射光线。因此，入射光从一根光纤移动到另一根光纤。

事实上，技术上的成功是各种设备和系统的构建模块，例如波长分插复用器、光配置交换机、光交叉连接和 WDM 信号均衡器。

光分插复用器

与基于环的SDH/SONET网络类似，基于DWDM的全光网络也开始起飞。SDH 网络设计者已经确立了基于环的网络相对于网状网络的优越性。在全光环中，可以预留带宽(ls)用于保护目的。光分插复用器 (OADM) 在功能上与 SDH/SONET 分插复用器 (ADM) 类似。可以从多波长光信号中添加或删除一组选定的波长(ls)。OADM 消除了昂贵的 OEO（光到电和反）转换。

如上所述的光开关的二维矩阵用于制造这种 OADM，提供的灵活性非常小。另一方面，可重新配置分插复用器 (R-OADM) 可实现充分的灵活性。可以访问、删除任何经过的通道，也可以添加新通道。可以更改特定通道的波长以避免阻塞。这种光开关或 OADM 被称为 2D 或 N2 开关，因为所需的开关元件数量等于端口数量的平方，并且因为光仅保留在二维平面中。

八端口 OADM 需要 64 个单独的微镜，并在 MEMS 设备上进行控制。它与电话交换机中使用的“交叉开关”交换机非常相似。

这种光开关经过了严格的机械和光学测试。平均插入损耗小于 1.4 db，在 100 万次循环中具有 ± 0.25 db 的出色重复性。具有大于32×32（1024个切换镜）的配置的2D/N2型OADM实际上变得难以管理且不经济。多层较小的交换结构用于创建更大的配置。

光交叉连接

贝尔实验室创新的光开关技术已经克服了 2D 型光开关的局限性。它通常被称为“自由空间 3-D MEMS”或“光束转向”。它采用一系列双轴微镜作为光开关。微镜通过一组扭力弹簧安装在一组交叉耦合的万向环的一个轴上。这种布置允许镜子沿着两个垂直轴以任何所需角度移动。镜子由施加在镜子下方四个象限的静电力驱动。使用 MEMS 技术复制完整的微镜单元，形成 128 或 256 个微镜的“交换结构”。

准直输入光纤阵列与一组镜子对齐，通过将镜子在 X 和 Y 轴上倾斜到与准直输出光纤对齐的第二组镜子，可以重新引导光线。通过将一组镜子精确对准输入和输出光纤，可以实现所需的光连接。这个过程称为“光束转向”。

3D MEMS开关的切换时间小于10毫秒，微镜极其稳定。与 OEO 型交叉连接相比，基于该技术的光交叉连接具有多种独特的优势。OXC 具有高容量、可扩展、真正独立于数据比特率和数据格式的特点。它可以智能地路由光通道，无需昂贵的 OEO 转换。低占地面积和低功耗是全光交换技术的额外优势。