NGN - 微机电系统

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。

在实验中，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 O-E-O 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 Micro Electro Mechanical Systems 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。

MEMS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 融入到他们的新设计中，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。

表面微加工用于商业批量制造各种 MEMS 器件。 在蚀刻过程之前和之后都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用于形成 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。

在实验中，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 Gbits/sec（相当于 3.2 Tbits/sec）。 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 O-E-O 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。

技术上的成功实际上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。

光纤分插复用器

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 O-E-O（光到电再转换）转换。

如上所述的光开关的二维矩阵用于制造这种 OADM，灵活性非常低。 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

贝尔实验室的创新光开关技术克服了 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。 基于该技术的光交叉连接与O-E-O型交叉连接相比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 O-E-O 转换。 低占地面积和低功耗是全光交换技术的额外优势。