MEMS交换机是如何工作的?MEMS规范遵守一下!

对于MEMS,小编在往期文章中,已经带来了诸多介绍,如MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS振荡器等.为增进大家对MEMS的认识,本文将对MEMS交换机、MEMS交换机的原理、MEMS规范予以介绍.如果你对MEMS具有兴趣,不妨和小编一起继续往下阅读哦.

一、MEMS交换,MEMS交换原理是什么?

采用微电子机械技术(MEMS)的光交换。这种光交换的结构实质上是一个二维易镜片阵，当进行光交换时，通过移动光纤末端或改变镜片角度，把光直接送到或反射到交换机的不同输出端。采用微电子机械系统技术可以在极小的晶片上排列大规模机械矩阵，其响应速度和可靠性大大提高。

这种光交换实现起来比较容易，插入损耗低，串音低，消光比好，偏振和基于波长的损耗也非常低，对不同环境的适应能力良好，功率和控制电压较低，并具有闭锁功能，缺点是交换速度只能达到ms级。

微镜阵列通过静电或磁力控制微小镜元，属于微电机械系统(MEMS)技术。如果这些镜元只能有开关两种状态，微镜阵列被称为二维MEMS，如果镜元能绕两个轴旋转停在多个位置，则称此微镜阵列为三维MEMS。而二维微镜阵列是最为常用的光交换方式。微小镜元置于两根光纤之间，当开关断开时，微小镜元不工作，让光信号从一根光纤传到另一根光纤，当开关闭合时，通过静电场作用，将微小镜元支起，使光信号被反射回去。通过光开关阵列即可实现交换。

3D MEMS 光交换单元主要由三部分组成：I/O光纤阵列、 MEMS微平面镜阵列及一折叠平面镜。其中，I/O阵列中每根光纤接有一个校准微透镜。 当一束光进入光纤阵列时， 受微透镜校准后照射到 MEMS 微平面镜振列 中的一个平面镜上。该镜受控倾斜，将入射光反射到折叠平面镜上。折叠平面镜反过来又将光反射到MEMS另外一个微平面镜上，由该平面镜将光线反射到合适的输出光纤/透镜上，由此耦合到输出单模光纤输出。

MEMS技术除了用于光交换外，还可用于DGEF(动态增益均衡滤波器)，可变光衰减器，可编程光分插复用模块，动态色散补偿器件等。

广泛的应用和不断成熟的技术使得MEMS的制作成本有望在不久的将来大幅度降低。这将真正使得原来只能用于骨干通信领域的昂贵的全光交换系统走入高性能计算机系统内部，甚至走入寻常百姓家。

二、MEMS规范概述

许多拥有晶圆厂的半导体制造商寻求通过为无晶圆厂MEMS开发商制造MEMS器件来利用他们旧生产线的产能，但是若想成功远非掌握制造机械学那么简单。MEMS制造合作伙伴必须定量地理解某种应用所需的规范，并在MEMS器件规范与最终用户系统设计之间寻求平衡点。制造商必须能创建出精确的MEMS器件模型，以确保可重复的制造能力。

MEMS的多级效应要求MEMS器件的客户与有经验的MEMS制造商根据共同的实践经验来精心制定一个规范。这样的规范能够区别可量产器件与不可量产器件的不同。

设计和制造MEMS的技术与生产IC所用的技术大部分相同。然而，MEMS是机械器件，要求设计人员全面理解器件的电气特性与机械特性之间的必然因果关系。

设计MEMS器件需要利用一系列物理学及交叉学科的知识进行建模和物理仿真，例如结构力学、静电学、静磁学、热力学、机电学、电热学、压阻热力学和热电力学等。

我们可以看一个案例。客户为制造商准备了一个规范，用以制造一种微加工的可变光衰减器(VOA)。基于MEMS的VOA具有速度快、尺寸小、成本低等优势。它们可以使光放大器的增益平坦，还能在密集波分复用(DWDM)光通信系统中实现多信道的功率均衡。

MEMS VOA包含一个绝缘体硅(SOI)单晶光闸片，该光闸片被安装在一个微加工的拉桥激励器上，并被放置于一条光纤的端面。当给激励器施加一个驱动电压时，它将光闸片移进光路，挡住一部分激光束，从而使信号衰减。

在这个应用中，非常详细的功能规范包括偏振相关损耗(PDL)和反射回损(ORL)。其中，PDL是指所有偏振状态下最大和最小输出光功率之比;ORL是指入射光功率与反射光功率之比，单位为dB。

通过引入小反射，MEMS VOA器件能影响ORL和PDL。这些小反射被称为后向散射，是由光闸片本身的不均匀性(例如杂散粒子或物理缺陷)所导致的。反射光能使主激光信号的调制和光谱特征出现失真，并影响数据传输质量和信息吞吐量。

对于这类应用，在评估关键的ORL和PDL约束条件时，必须要了解MEMS器件的哪些因素将影响ORL 和PDL，以及在MEMS制造过程中如何测量这些因素。我们已经发现，MEMS器件对ORL和PDL的影响直接与由材料特性和光闸片表面粗糙度引起的后向散射量有关。原始的器件规范已经被修改，以使MEMS器件中的缺陷和杂散粒子的数量及密度降到最低。此外，为了改善ORL和PDL，我们还为光闸片表面设计了一种特殊涂层。

MEMS器件的可靠性和性能是关键问题。要彻底解决这个问题只有直接测量小样本，而且小样本的尺寸必须与要制造的微器件处于同一个数量级。这些样本依赖于制造和工艺条件，包括基底类型、沉积温度、掺杂、退火和化学蚀刻。

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