基于MEMS的OXC:解決可靠性差距
電信業(yè)的需求促使了其發(fā)展方向以光層架構(gòu)成本的大幅度下降為目標(biāo),而該目標(biāo)的核心就是要減少不必要的光電轉(zhuǎn)換。高度可重構(gòu)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(guān)鍵部件,并將在未來的網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)更多的功能,包括復(fù)用/解復(fù)用,上路/下路以及信道均衡。這些系統(tǒng)依賴其尺寸、成本、功耗以及可重構(gòu)性的優(yōu)勢,必將在電信網(wǎng)絡(luò)中占有一席之地,相比之下,傳統(tǒng)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(jīng)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(huán)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(huán)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(guān)的環(huán)境測試條件做了規(guī)定,通常在用戶說明書中,這些規(guī)定會更為嚴(yán)格。從具體的數(shù)據(jù)上講,運營商要求誤碼率要低于1×10-12,而系統(tǒng)的可用性要高于99.999%。
人們普遍認(rèn)為,微機電系統(tǒng)(MEMS)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大的規(guī)模效益、優(yōu)越的旋光性能以及降低電信光交換成本的必需技術(shù)。而當(dāng)前,以O(shè)EO交換、SONET以及下一代SONET為基礎(chǔ)的現(xiàn)有光架構(gòu)的高度可靠性,已經(jīng)為這種新的設(shè)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(tǒng)的連接可靠性的技術(shù)和工程設(shè)計方法。
OXC系統(tǒng)
一個基于MEMS的OXC系統(tǒng)包含光學(xué)部件、MEMS鏡片、鏡片驅(qū)動系統(tǒng)、封裝和一個系統(tǒng)控制器(圖1)。光學(xué)部件子系統(tǒng)負(fù)責(zé)以最小的耦合損耗,把輸入光耦合進相應(yīng)的輸出光纖。該光路的光經(jīng)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(yù)定的輸出光纖中,就需要兩個MEMS鏡片。
(圖1)
MEMS鏡片子系統(tǒng)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(qū)動子系統(tǒng)用于精確控制鏡片的反射角度。封裝子系統(tǒng)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(jié)構(gòu)、溫度控制和沖擊/抖動隔離部件。
系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)在分配的時間內(nèi)建立起正確的連接,還有連接的優(yōu)化、系統(tǒng)性能跟蹤以及環(huán)境控制。
子系統(tǒng)的可靠性
光學(xué)部件子系統(tǒng)的連接可靠性是指在環(huán)境(溫度、沖擊和抖動)變化時光路的穩(wěn)定性。光路最敏感的部分是介于光纖端面和微透鏡數(shù)組之間的部分,因為這里的一點很小的變動就可以讓經(jīng)過MEMS鏡片的光線發(fā)生很大的變動。
所以,這一部分的定位和穩(wěn)定性對整個光路子系統(tǒng)的可靠性都起至關(guān)重要的作用。幸好,克服這些環(huán)境因素也不是很難:可以通過準(zhǔn)絕熱處理來穩(wěn)定溫度,并對外殼進行絕緣/緩沖處理。
通過冗余備份,系統(tǒng)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(tǒng)中都很常用,在MEMS或OXC的應(yīng)用中沒有什么特殊之處。
基于MEMS的OXC是電信系統(tǒng)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(zhì)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(huán)境因素,例如溫度、沖擊和抖動等造成的。在鏡片受驅(qū)動的區(qū)域內(nèi),邊沿充電效應(yīng)對可靠性的影響至關(guān)重大。這里,我們要通過分析兩種不同的鏡片結(jié)構(gòu),對這些故障機理進行詳細(xì)的說明。
有兩種制作MEMS的基本工藝技術(shù):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(jié)構(gòu)厚度可以達到500μm甚至更大,以至可以制作出很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(圖片1)。表面沉積制造的結(jié)構(gòu)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(fā)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(tǒng)由于復(fù)用的光信號數(shù)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(xì)舉例來說,Telcordia 10732中規(guī)定OXC的最大允許光功率為25dBm,即大約300mW。一個標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)問題以及隨之帶來的溫度升高問題,可能會導(dǎo)致MEMS鏡片發(fā)生嚴(yán)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??;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(fā)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(yīng)力,也會導(dǎo)致鏡片彎曲。這里,立體刻蝕鏡片就比較有優(yōu)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(zhì)涂敷層和溫度所引起的彎曲——的影響較小。
MEMS鏡片出現(xiàn)機械失效的主要原因是靜摩擦,經(jīng)過沖擊造成的微裂紋擴張和接觸,會引發(fā)表面靜摩擦。通過預(yù)先設(shè)計就可以預(yù)防靜摩擦,立體刻蝕鏡片一般就不存在這個問題??煽康溺R片必須在結(jié)構(gòu)上做到減少微裂痕產(chǎn)生和蔓延。
通過保證所有的彎曲幅度都不超過硅的屈服應(yīng)力,可以使鏡片的壽命達到無限長。精心設(shè)計的單晶立體刻蝕硅鏡片不存在因疲勞而產(chǎn)生的故障,因此,它比表面沉積鏡片在這方面具有優(yōu)勢。圖2展示的是一個立體刻蝕鏡片經(jīng)過1.06億個運行周期后的偏差情況,并未發(fā)現(xiàn)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(qū)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?dāng)_。而靜電傳動器雖然有邊沿充電效應(yīng)的問題需要解決,但是它功耗最小,最適于大規(guī)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(zhì)層中累積。這些100-400V的高壓是驅(qū)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(shù)可以達到數(shù)分鐘甚至數(shù)天,因此這會導(dǎo)致不可靠和不可預(yù)計的連接。
從連接可靠性方面考慮,以靜電傳動器作為驅(qū)動的立體刻蝕鏡片是鏡片技術(shù)的首選。由于邊沿電荷和其它環(huán)境因素所帶來的不必要的鏡片移動可以通過設(shè)計適當(dāng)?shù)溺R片控制環(huán)路來消除。
鏡片驅(qū)動的可靠性
鏡片是用來實現(xiàn)連接的,當(dāng)存在環(huán)境問題和長期漂移的時候,若鏡片的驅(qū)動系統(tǒng)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(huán)和死循環(huán)。這兩種鏡片控制體系處理器件漂移和環(huán)境影響的方式是相當(dāng)不同的。
開環(huán)配置結(jié)構(gòu)中,MEMS應(yīng)用預(yù)先設(shè)定的電壓讓它們傾斜到預(yù)定的角度。開環(huán)鏡片控制要根據(jù)不同的溫度,建立所有組件的精確映像。當(dāng)溫度發(fā)生變化時, MEMS鏡片驅(qū)動電壓也要進行調(diào)節(jié)以保持可靠的連接。因此需要使用大量的檢查表和復(fù)雜的算法來計算由于溫度變化而要調(diào)整的驅(qū)動電壓。這些表格和算法必須在連接校準(zhǔn)周期中定期更新,更新時系統(tǒng)要停機。
在死循環(huán)配置方法中,使用基于傳感器的反饋系統(tǒng)來連續(xù)地監(jiān)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(shù)開環(huán)控制器所敏感的問題,如沖擊、抖動以及由邊沿充電效應(yīng)和溫度變化而產(chǎn)生的漂移。
此外,一個設(shè)計優(yōu)良的死循環(huán)控制器可以控制鏡片越過突降點。突降是當(dāng)靜電驅(qū)動力比恢復(fù)彈力大的時候發(fā)生的一種情況。一旦發(fā)生突降,鏡片傳動器就會倒塌到驅(qū)動電極上。
實際應(yīng)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(huán)來監(jiān)視某些典型信道的旋光性能。
為了使系統(tǒng)校準(zhǔn)達到最優(yōu)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(huán)鏡片控制器也能提供最為可靠的連接。
封裝子系統(tǒng)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(huán)境影響進行緩沖,可以采用穩(wěn)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(shù)甚至可能超過1000。對于如此多的組件,MEMS數(shù)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(qū)動+X、-X、+Y和-Y傳動器。這意味一個1000端口的開關(guān)在鏡片數(shù)組和鏡片數(shù)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(xiàn)的。
所以,電子集成和互連管理對一個高可靠性的系統(tǒng)是非常有用的。它包括使用分立鏡片傳動器的集成鏡片結(jié)構(gòu)、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(fù)用和必要的邏輯支持,從而以約為120的最小數(shù)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(qū)動鏡片的電極層,頂層是MEMS鏡片數(shù)組。
連接可靠性是基于MEMS的OXC的一個關(guān)鍵要求。通過比較幾種工程和設(shè)計方案,可以得出一些與關(guān)鍵OXC可靠性驅(qū)動器相關(guān)的結(jié)論,其中包括與死循環(huán)鏡片控制器相結(jié)合的單晶‘立體刻蝕鏡片’的優(yōu)勢。
圖片2
集成電子設(shè)備的鏡片數(shù)組在可靠性上優(yōu)于集成離散電子設(shè)備的無源鏡片數(shù)組,這主要是因為高壓線焊數(shù)量的減少。隔離抖動的最好方法就是通過鏡片控制環(huán)對MEMS鏡片進行緩沖處理。
綜上所述,在光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用基于MEMS的多端口OXC,是不存在基本的可靠性問題的?;贛EMS的全光開關(guān)的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實用的要求。
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