MEMS 器件將在光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中至關(guān)重要的作用

光纖系統(tǒng)在遠(yuǎn)程傳輸和城市網(wǎng)絡(luò)中的快速推廣應(yīng)用對(duì)光纖通信器件提出了新的要求。未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)必須能更快地安裝，能在光纖布線(xiàn)層通過(guò)對(duì)光功率的控制和光路連接的實(shí)時(shí)管理重新定義帶寬。帶寬要求的增長(zhǎng)已經(jīng)超過(guò)了摩爾定律所描述的速度（即處理器中的元件密度每18個(gè)月就增加一倍）。若布設(shè)可遠(yuǎn)程定義的光纖網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)商就可以為最終用戶(hù)更快地提供更大的帶寬，同時(shí)通過(guò)在光纖層實(shí)施分布式保護(hù)來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本。
然而光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)展還需要采用新的技術(shù)。這些技術(shù)必須能提供高性能、集成多種功能、大規(guī)模的產(chǎn)品，而且能夠很快以更低的價(jià)格大批量供貨。目前一項(xiàng)引起廣泛重視的器件制造技術(shù)是MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)，它是指用與半導(dǎo)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(jī)械結(jié)構(gòu)。所制成的光學(xué)器件具有很好的性能——低插入損耗、優(yōu)良的波長(zhǎng)平坦度和極小的串?dāng)_，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(shù)的基礎(chǔ)是在半導(dǎo)體工業(yè)中經(jīng)過(guò)多年驗(yàn)證的制造方法和工藝，因此不難斷定，隨著產(chǎn)量的增加，成本將穩(wěn)步下降。
MEMS技術(shù)目前在光纖網(wǎng)絡(luò)中所發(fā)揮的作用——特別是這一技術(shù)在提高元件規(guī)模和光纖網(wǎng)絡(luò)的可管理性方面的潛力——正好符合運(yùn)營(yíng)商以更低的設(shè)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(tǒng)要求
象DWDM（密集波分復(fù)用）這樣的技術(shù)使得服務(wù)商可以通過(guò)增加每一根光纖中的波長(zhǎng)數(shù)來(lái)增加光纖通過(guò)的信道數(shù)。各公司已經(jīng)在城市網(wǎng)絡(luò)中引入了DWDM系統(tǒng)，從而以較低的價(jià)格提供帶寬并支持不同的協(xié)議，包括SONET、吉兆以太網(wǎng)、數(shù)字視頻和Escon。這些系統(tǒng)具有“透明地”添加或關(guān)斷一條特定信道的能力，并能夠?qū)ΣㄩL(zhǎng)進(jìn)行智能化管理以提高網(wǎng)絡(luò)效率。
DWDM系統(tǒng)中的光學(xué)器件必須滿(mǎn)足一整套苛刻的要求，其中包括插入損耗、極化相關(guān)損耗（PDL），波長(zhǎng)平坦度（在C波段和L波段分別要達(dá)到1310nm和1550nm）。信道必須在很長(zhǎng)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(qiáng)度噪聲，而且要保證信道間的串?dāng)_極小。器件的尺寸和功耗也必須很小，以便為用戶(hù)降低設(shè)備占地面積和運(yùn)營(yíng)成本。
光纖網(wǎng)絡(luò)的交換和衰減器已運(yùn)用了多種器件技術(shù)，包括光機(jī)械、波導(dǎo)、液晶以及基于MEMS的技術(shù)。這些技術(shù)各自都有一些特點(diǎn)，可以在不同的應(yīng)用中起到優(yōu)化性能的作用。

二 衡量光纖MEMS器件的關(guān)鍵指標(biāo)
MEMS器件具有很強(qiáng)的吸引力，因?yàn)樵O(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)脑?huà)，它們可以在任何一個(gè)波段上保證極低的功耗——這對(duì)DWDM應(yīng)用來(lái)說(shuō)是十分關(guān)鍵的。MEMS器件的全面評(píng)估應(yīng)該包括五個(gè)方面：性能、功能、元件規(guī)模、可靠性和成本，參見(jiàn)表1。
表1
MEMS在商業(yè)應(yīng)用的條件
帶寬要持續(xù)增長(zhǎng)，產(chǎn)量要不斷增加；元件規(guī)模還要提高；要發(fā)揮該技術(shù)在提高集成度、降低成本方面的潛力。
光學(xué)性能
在關(guān)鍵指標(biāo)方面可與其他技術(shù)所能達(dá)到的最優(yōu)值相比，在次要指標(biāo)方面亦可達(dá)到或優(yōu)于其他技術(shù)的性能。
功能
光開(kāi)關(guān)、可變光衰減器、光纖介質(zhì)對(duì)準(zhǔn)器：有可能集多種功能于一身，或在單個(gè)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(wǎng)絡(luò)交換應(yīng)用；所采用的半導(dǎo)體工藝可保證大批量生產(chǎn)。
可靠性
完全滿(mǎn)足Telcordia在可靠性和壽命方面的規(guī)定。
成本因素
半導(dǎo)體工藝的大批量生產(chǎn)能力保證了經(jīng)濟(jì)性；光纖介質(zhì)的連接將得到改善；由于組裝工作量的減小，產(chǎn)量將會(huì)提高。
制造與標(biāo)準(zhǔn)化
在MEMS技術(shù)中大量投資，有助于緩解光纖器件供應(yīng)中的瓶頸現(xiàn)象；在生產(chǎn)中采用Telcordia質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可以保證器件的長(zhǎng)期性能。

性能
評(píng)價(jià)一種器件時(shí)，性能是光纖系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者考慮的最基本因素。用戶(hù)往往更愿意選用性能更高而非更便宜的器件，因?yàn)檫@可以降低總的系統(tǒng)成本（也就是說(shuō)，以較低的使系統(tǒng)總成本獲得更強(qiáng)的功能和更遠(yuǎn)的傳輸距離）。例如，選用一個(gè)損耗較低而價(jià)格較貴的器件來(lái)減小中繼器中摻鉺光纖放大器噪聲時(shí)，總的系統(tǒng)成本會(huì)因?yàn)橹欣^距離加長(zhǎng)而降低。
MEMS器件與采用其他技術(shù)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(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。在關(guān)鍵的性能指標(biāo)方面——插入損耗、波長(zhǎng)平坦度、PDL和串?dāng)_——MEMS技術(shù)能達(dá)到的性能可與其他技術(shù)所能達(dá)到的最高性能相比。據(jù)報(bào)道，一種MEMS技術(shù)制作的2×2光開(kāi)關(guān)模塊的插入損耗為0.4dB，PDL<0.07dB，串?dāng)_<－70dB。表2列出了一種1×2/2×2 閉鎖式MEMS光開(kāi)關(guān)的主要性能。

基于MEMS器件的裝置占地面積很小，若設(shè)計(jì)得當(dāng)，其功耗也極小。基于MEMS的系統(tǒng)還可以通過(guò)將光器件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成在單個(gè)芯片上或?qū)⒍鄠€(gè)裝置排成一個(gè)陣列的辦法來(lái)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(xué)性能使之可以很好的滿(mǎn)足光纖網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在和未來(lái)發(fā)展中的要求。無(wú)論數(shù)據(jù)流速率或協(xié)議如何，上述的1×2/2×2 閉鎖式MEMS光開(kāi)關(guān)允許采用小形狀因數(shù)光學(xué)保護(hù)。1×N的MEMS結(jié)構(gòu)允許在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的數(shù)根光纖或若干信道共用一個(gè)較昂貴的監(jiān)視器，從而有助于減小監(jiān)視設(shè)備尺寸，降低網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)設(shè)備的費(fèi)用。大規(guī)模的MEMS微鏡芯片（二維或三維設(shè)計(jì)）將使以波長(zhǎng)粒度重新定義通信量的中等規(guī)模和大規(guī)模光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成為可能，從而能布設(shè)成本更低的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。采用Clos架構(gòu)后，基于兩種狀態(tài)位置的二維微鏡陣列的規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)百個(gè)無(wú)阻塞的連接；插入損耗限制了規(guī)模的進(jìn)一步提高。用于大節(jié)點(diǎn)的、具有上千連接端口的單級(jí)三維傾斜微鏡設(shè)計(jì)也在考慮之中。
在光纖網(wǎng)絡(luò)中難度較大的應(yīng)用是遠(yuǎn)程功率控制。MEMS器件可以產(chǎn)生獨(dú)立于波長(zhǎng)或極化的衰減，辦法是控制插入光通路中的葉片或通過(guò)調(diào)整一個(gè)微鏡的傾斜角來(lái)控制反射回信號(hào)通路的光功率大小。MEMS也可以用來(lái)降低與光學(xué)芯片和光纖之間的連接有關(guān)的費(fèi)用。光纖或器件的對(duì)準(zhǔn)可以在芯片上實(shí)現(xiàn)，辦法是在一個(gè)硅的微型光學(xué)臺(tái)面上制作可移動(dòng)的V形槽和平臺(tái)。MEMS技術(shù)能夠?qū)⒉煌墓δ軉卧稍趩螇K芯片上，有可能實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)系統(tǒng)。
可靠性
MEMS器件的可靠性已在其他應(yīng)用領(lǐng)域得到了部分展示。例如，該技術(shù)在汽車(chē)氣囊中的應(yīng)用已有數(shù)年。由于在這種應(yīng)用領(lǐng)域MEMS器件是做撓性的機(jī)械運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，故其壽命較長(zhǎng)。此外，研究者已根據(jù)Telcordia Technologies （前身為Bellcore）建立的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MEMS 設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行了廣泛的驗(yàn)證試驗(yàn)，包括溫度循環(huán)、沖擊、振動(dòng)和長(zhǎng)期高溫貯藏。
成本
MEMS器件為降低系統(tǒng)成本提供了多種可能。MEMS芯片的功能度使得更低成本的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和架構(gòu)以及光纖層的保護(hù)成為可能。MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系統(tǒng)的外形可以縮小，節(jié)省了中繼器和終端節(jié)點(diǎn)占用的地盤(pán)。MEMS器件的單批產(chǎn)量很高，經(jīng)濟(jì)性好，而且器件與器件之間重復(fù)性好。執(zhí)行器與光器件集成在單個(gè)芯片上，可以在一個(gè)硅片上重復(fù)多次，從而可以提供價(jià)格更低的子器件。這些在成本方面的節(jié)約將使器件價(jià)格下降，最終使系統(tǒng)供應(yīng)商受益。

三 新型MEMS光學(xué)器件
在光學(xué)器件中已將MEMS器件做為基本技術(shù)開(kāi)發(fā)，其中包括可變光衰減器(VOA)、光開(kāi)關(guān)和光纖交叉連接器。VOA在光纖網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)中起到功率管理的作用，它們是光放大器的關(guān)鍵部件，用來(lái)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的功率電平保持一定。與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的光機(jī)械器件類(lèi)似，MEMS光衰減器的插入損耗低，衰減范圍寬，可靠性符合Telcordia質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
光開(kāi)關(guān)是另外一個(gè)元件領(lǐng)域，在這個(gè)領(lǐng)域中，MEMS實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的可行途徑，而且提供了全新的設(shè)計(jì)思想。光機(jī)械器件在光開(kāi)關(guān)市場(chǎng)中已占有重要地位，它們采用傳統(tǒng)技術(shù)封裝以便能在很寬的溫度范圍內(nèi)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(bào)道，單個(gè)MEMS器件已能對(duì)數(shù)百路至一千多路的傳輸進(jìn)行交換。MEMS光纖交叉連接器模塊已有4×4和32×32等不同結(jié)構(gòu)可以提供。這些器件可以構(gòu)成一個(gè)更大的256×256的交換結(jié)構(gòu)。由于其架構(gòu)是全光學(xué)式的，這些光纖交叉連接器模塊具有無(wú)限的帶寬、波長(zhǎng)透明度和路由多樣性——這些正是下一代光纖網(wǎng)絡(luò)所要求的。

四 制造與標(biāo)準(zhǔn)
由于MEMS器件在光纖網(wǎng)絡(luò)升級(jí)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(jié)構(gòu)（infrastructure），以便使器件得到更廣泛的應(yīng)用。主要的投資用于擴(kuò)展MEMS芯片的制造能力和封裝能力。基于MEMS技術(shù)的產(chǎn)品代表了新一代可以大批量生產(chǎn)的光學(xué)器件。
MEMS器件向大生產(chǎn)方面發(fā)展所遇到的首要問(wèn)題是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)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(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。制造商和系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商已將一些標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則很自然地引入光通信領(lǐng)域，例如，用于光纖分支元件的GR-1209和用于無(wú)源光學(xué)器件的GR—1221。然而這些嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)在制定時(shí)并為考慮到新興的技術(shù)。工業(yè)界正與客戶(hù)合作建立基于Telcordia標(biāo)準(zhǔn)的MEMS專(zhuān)用檢測(cè)程序。例如，像標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工業(yè)中那樣，采用升高溫度的辦法來(lái)作為一種老化手段，以檢驗(yàn)其壽命性能。但是對(duì)于MEMS器件來(lái)說(shuō)，其性能隨時(shí)間的退化規(guī)律與標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體器件又有所不同，為此開(kāi)發(fā)了一種推導(dǎo)熱驅(qū)動(dòng)MEMS器件的激活能的方法，以根據(jù)Ahrenius定律預(yù)測(cè)與特定器件有關(guān)的老化過(guò)程。通過(guò)這種方式可以進(jìn)行與半導(dǎo)體設(shè)備可靠性測(cè)試等效的壽命實(shí)驗(yàn)。
同時(shí)，通信工業(yè)正引入TL9000 標(biāo)準(zhǔn)（專(zhuān)門(mén)為通信產(chǎn)品制定的標(biāo)準(zhǔn)ISD9000的版本）。用于通信工業(yè)中的MEMS器件供應(yīng)商正紛紛進(jìn)行TL9000認(rèn)證，以便使那些重視質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的用戶(hù)確信他們的產(chǎn)品。

很顯然，MEMS器件不僅符合今天光纖網(wǎng)絡(luò)對(duì)性能的要求，也滿(mǎn)足下一代系統(tǒng)對(duì)元件規(guī)模、小尺寸和低功耗等方面的要求。在不久的將來(lái)，光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供應(yīng)商將可以充分利用MEMS器件所帶來(lái)的這些優(yōu)點(diǎn)。