MEMS 器件將在光纖網絡的發(fā)展中至關重要的作用

光纖系統在遠程傳輸和城市網絡中的快速推廣應用對光纖通信器件提出了新的要求。未來的網絡必須能更快地安裝，能在光纖布線層通過對光功率的控制和光路連接的實時管理重新定義帶寬。帶寬要求的增長已經超過了摩爾定律所描述的速度（即處理器中的元件密度每18個月就增加一倍）。若布設可遠程定義的光纖網絡，服務商就可以為最終用戶更快地提供更大的帶寬，同時通過在光纖層實施分布式保護來降低運營成本。
然而光纖網絡發(fā)展還需要采用新的技術。這些技術必須能提供高性能、集成多種功能、大規(guī)模的產品，而且能夠很快以更低的價格大批量供貨。目前一項引起廣泛重視的器件制造技術是MEMS（微電子機械系統）技術，它是指用與半導體工藝相兼容的方法在硅、金屬和玻璃等材料上制作微型的機械結構。所制成的光學器件具有很好的性能——低插入損耗、優(yōu)良的波長平坦度和極小的串擾，而且在集成化以及元件規(guī)模（Scalability）和可靠性的提高方面有很好的前景。由于這種技術的基礎是在半導體工業(yè)中經過多年驗證的制造方法和工藝，因此不難斷定，隨著產量的增加，成本將穩(wěn)步下降。
MEMS技術目前在光纖網絡中所發(fā)揮的作用——特別是這一技術在提高元件規(guī)模和光纖網絡的可管理性方面的潛力——正好符合運營商以更低的設備占有成本獲得最優(yōu)的性能和最大靈活性這一需求。

一 系統要求
象DWDM（密集波分復用）這樣的技術使得服務商可以通過增加每一根光纖中的波長數來增加光纖通過的信道數。各公司已經在城市網絡中引入了DWDM系統，從而以較低的價格提供帶寬并支持不同的協議，包括SONET、吉兆以太網、數字視頻和Escon。這些系統具有“透明地”添加或關斷一條特定信道的能力，并能夠對波長進行智能化管理以提高網絡效率。
DWDM系統中的光學器件必須滿足一整套苛刻的要求，其中包括插入損耗、極化相關損耗（PDL），波長平坦度（在C波段和L波段分別要達到1310nm和1550nm）。信道必須在很長的距離上保持一致性，因此，任何新器件不能給信道添加相位或強度噪聲，而且要保證信道間的串擾極小。器件的尺寸和功耗也必須很小，以便為用戶降低設備占地面積和運營成本。
光纖網絡的交換和衰減器已運用了多種器件技術，包括光機械、波導、液晶以及基于MEMS的技術。這些技術各自都有一些特點，可以在不同的應用中起到優(yōu)化性能的作用。

二 衡量光纖MEMS器件的關鍵指標
MEMS器件具有很強的吸引力，因為設計得當的話，它們可以在任何一個波段上保證極低的功耗——這對DWDM應用來說是十分關鍵的。MEMS器件的全面評估應該包括五個方面：性能、功能、元件規(guī)模、可靠性和成本，參見表1。
表1
MEMS在商業(yè)應用的條件
帶寬要持續(xù)增長，產量要不斷增加；元件規(guī)模還要提高；要發(fā)揮該技術在提高集成度、降低成本方面的潛力。
光學性能
在關鍵指標方面可與其他技術所能達到的最優(yōu)值相比，在次要指標方面亦可達到或優(yōu)于其他技術的性能。
功能
光開關、可變光衰減器、光纖介質對準器：有可能集多種功能于一身，或在單個芯片上集成多種器件。
元件規(guī)模
適用于小規(guī)模、中規(guī)模和大規(guī)模光纖網絡交換應用；所采用的半導體工藝可保證大批量生產。
可靠性
完全滿足Telcordia在可靠性和壽命方面的規(guī)定。
成本因素
半導體工藝的大批量生產能力保證了經濟性；光纖介質的連接將得到改善；由于組裝工作量的減小，產量將會提高。
制造與標準化
在MEMS技術中大量投資，有助于緩解光纖器件供應中的瓶頸現象；在生產中采用Telcordia質量標準可以保證器件的長期性能。

性能
評價一種器件時，性能是光纖系統和網絡設計者考慮的最基本因素。用戶往往更愿意選用性能更高而非更便宜的器件，因為這可以降低總的系統成本（也就是說，以較低的使系統總成本獲得更強的功能和更遠的傳輸距離）。例如，選用一個損耗較低而價格較貴的器件來減小中繼器中摻鉺光纖放大器噪聲時，總的系統成本會因為中繼距離加長而降低。
MEMS器件與采用其他技術的器件相比，在性能方面有其優(yōu)越之處，此外更具有尺寸小、適于大批量生產的優(yōu)點。在關鍵的性能指標方面——插入損耗、波長平坦度、PDL和串擾——MEMS技術能達到的性能可與其他技術所能達到的最高性能相比。據報道，一種MEMS技術制作的2×2光開關模塊的插入損耗為0.4dB，PDL<0.07dB，串擾<－70dB。表2列出了一種1×2/2×2 閉鎖式MEMS光開關的主要性能。

基于MEMS器件的裝置占地面積很小，若設計得當，其功耗也極小?；?font face="Comic Sans MS">MEMS的系統還可以通過將光器件與執(zhí)行機構集成在單個芯片上或將多個裝置排成一個陣列的辦法來提高其規(guī)模。
功能度和元件規(guī)模（Scalability）
MEMS器件優(yōu)異的光學性能使之可以很好的滿足光纖網絡現在和未來發(fā)展中的要求。無論數據流速率或協議如何，上述的1×2/2×2 閉鎖式MEMS光開關允許采用小形狀因數光學保護。1×N的MEMS結構允許在一個網絡節(jié)點處的數根光纖或若干信道共用一個較昂貴的監(jiān)視器，從而有助于減小監(jiān)視設備尺寸，降低網絡監(jiān)測設備的費用。大規(guī)模的MEMS微鏡芯片（二維或三維設計）將使以波長粒度重新定義通信量的中等規(guī)模和大規(guī)模光纖網絡節(jié)點成為可能，從而能布設成本更低的網格結構。采用Clos架構后，基于兩種狀態(tài)位置的二維微鏡陣列的規(guī)?？蛇_數百個無阻塞的連接；插入損耗限制了規(guī)模的進一步提高。用于大節(jié)點的、具有上千連接端口的單級三維傾斜微鏡設計也在考慮之中。
在光纖網絡中難度較大的應用是遠程功率控制。MEMS器件可以產生獨立于波長或極化的衰減，辦法是控制插入光通路中的葉片或通過調整一個微鏡的傾斜角來控制反射回信號通路的光功率大小。MEMS也可以用來降低與光學芯片和光纖之間的連接有關的費用。光纖或器件的對準可以在芯片上實現，辦法是在一個硅的微型光學臺面上制作可移動的V形槽和平臺。MEMS技術能夠將不同的功能單元集成在單塊芯片上，有可能實現芯片級系統。
可靠性
MEMS器件的可靠性已在其他應用領域得到了部分展示。例如，該技術在汽車氣囊中的應用已有數年。由于在這種應用領域MEMS器件是做撓性的機械運動應用，故其壽命較長。此外，研究者已根據Telcordia Technologies （前身為Bellcore）建立的標準對MEMS 設計的可靠性進行了廣泛的驗證試驗，包括溫度循環(huán)、沖擊、振動和長期高溫貯藏。
成本
MEMS器件為降低系統成本提供了多種可能。MEMS芯片的功能度使得更低成本的網絡設置和架構以及光纖層的保護成為可能。MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系統的外形可以縮小，節(jié)省了中繼器和終端節(jié)點占用的地盤。MEMS器件的單批產量很高，經濟性好，而且器件與器件之間重復性好。執(zhí)行器與光器件集成在單個芯片上，可以在一個硅片上重復多次，從而可以提供價格更低的子器件。這些在成本方面的節(jié)約將使器件價格下降，最終使系統供應商受益。

三 新型MEMS光學器件
在光學器件中已將MEMS器件做為基本技術開發(fā)，其中包括可變光衰減器(VOA)、光開關和光纖交叉連接器。VOA在光纖網絡和系統中起到功率管理的作用，它們是光放大器的關鍵部件，用來使整個網絡中的功率電平保持一定。與工業(yè)標準的光機械器件類似，MEMS光衰減器的插入損耗低，衰減范圍寬，可靠性符合Telcordia質量標準。
光開關是另外一個元件領域，在這個領域中，MEMS實現光開關的可行途徑，而且提供了全新的設計思想。光機械器件在光開關市場中已占有重要地位，它們采用傳統技術封裝以便能在很寬的溫度范圍內工作。MEMS器件也將起到同樣的作用，而且還可以節(jié)約占用的印刷電路板面積。
最近有人報道，單個MEMS器件已能對數百路至一千多路的傳輸進行交換。MEMS光纖交叉連接器模塊已有4×4和32×32等不同結構可以提供。這些器件可以構成一個更大的256×256的交換結構。由于其架構是全光學式的，這些光纖交叉連接器模塊具有無限的帶寬、波長透明度和路由多樣性——這些正是下一代光纖網絡所要求的。

四 制造與標準
由于MEMS器件在光纖網絡升級方面的重要作用已得到證明，MEMS工業(yè)正致力于發(fā)展制造亞結構（infrastructure），以便使器件得到更廣泛的應用。主要的投資用于擴展MEMS芯片的制造能力和封裝能力?；?font face="Comic Sans MS">MEMS技術的產品代表了新一代可以大批量生產的光學器件。
MEMS器件向大生產方面發(fā)展所遇到的首要問題是工業(yè)標準問題。在通信工業(yè)中，Telcordia的規(guī)定一直是性能和可靠性方面事實上的標準。制造商和系統運營商已將一些標準細則很自然地引入光通信領域，例如，用于光纖分支元件的GR-1209和用于無源光學器件的GR—1221。然而這些嚴格的標準在制定時并為考慮到新興的技術。工業(yè)界正與客戶合作建立基于Telcordia標準的MEMS專用檢測程序。例如，像標準的半導體工業(yè)中那樣，采用升高溫度的辦法來作為一種老化手段，以檢驗其壽命性能。但是對于MEMS器件來說，其性能隨時間的退化規(guī)律與標準的半導體器件又有所不同，為此開發(fā)了一種推導熱驅動MEMS器件的激活能的方法，以根據Ahrenius定律預測與特定器件有關的老化過程。通過這種方式可以進行與半導體設備可靠性測試等效的壽命實驗。
同時，通信工業(yè)正引入TL9000 標準（專門為通信產品制定的標準ISD9000的版本）。用于通信工業(yè)中的MEMS器件供應商正紛紛進行TL9000認證，以便使那些重視質量標準的用戶確信他們的產品。

很顯然，MEMS器件不僅符合今天光纖網絡對性能的要求，也滿足下一代系統對元件規(guī)模、小尺寸和低功耗等方面的要求。在不久的將來，光纖網絡設備的供應商將可以充分利用MEMS器件所帶來的這些優(yōu)點。