下一代网络 - 微机电系统

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DWDM使用一组光波长（或信道），波长约为1553 nm，信道间隔为0.8 nm（100 GHz），每个波长可以承载高达10 Gbps（STM 64）的信息。超过100个这样的信道可以组合并传输在单根光纤上。人们正在努力进一步压缩信道并提高每个信道的数据速率。

实验表明，在单根光纤上成功地传输了80个信道，每个信道承载40 Gbps（相当于3.2 Tbits/秒），传输距离为300公里。点对点和环形DWDM光网络的部署需要一种新型的网络元件，这些元件可以在运行过程中操作信号，而无需昂贵的O-E-O转换。光放大器、滤波器、光添加/删除复用器、解复用器和光交叉连接器是一些必要的网络元件。MEMS在这些网络元件的设计和开发中发挥着重要作用。

MEMS是微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems）的缩写。它用于创建超小型化设备，尺寸从几微米到几厘米不等。这些设备与集成电路非常相似，但能够在同一基板上集成可移动的机械部件。

MEMS技术起源于半导体行业。它们使用类似于VLSI的批量制造工艺制造。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外，还可以包含可移动的机械部件。

在功能上，MEMS包括各种转导机制，用于将信号从一种能量形式转换为另一种能量形式。

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，从而在芯片上形成一个完整的函数系统。MEMS的特性是能够在同一基板上包含可移动的机械部件。

由于尺寸小巧，MEMS可以在机械设备几乎不可能放置的地方使用；例如，人体血管内部。MEMS器件的切换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在各个领域都得到了应用。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大量部署在飞机和航天器中，以提高安全性和可靠性。皮卫星（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，以及用于轨道控制。MEMS用于喷墨打印机的喷嘴和硬盘驱动器的读/写磁头。汽车行业正在将MEMS应用于“燃油喷射系统”和安全气囊传感器。

设计工程师正在将其新设计中加入MEMS，以提高其产品的性能。它降低了制造成本和时间。将多个功能集成到MEMS中可以提供更高程度的小型化、更少的组件数量以及更高的可靠性。

设计和制造技术

在过去的几十年里，半导体行业已经发展到成熟阶段。MEMS的发展很大程度上得益于这项技术。最初，用于集成电路（IC）设计和制造的技术和材料直接借用于MEMS开发，但现在正在开发许多特定于MEMS的制造技术。表面微加工、体微加工、深反应离子刻蚀（DRIE）和微模塑是一些先进的MEMS制造技术。

使用微加工方法，沉积多层多晶硅，通常厚度为1-100毫米，以形成具有金属导体、反射镜和绝缘层的​​三维结构。精确的蚀刻过程选择性地去除下层薄膜（牺牲层），留下被称为结构层的覆盖薄膜，该薄膜能够进行机械运动。

表面微加工用于以商业规模制造各种MEMS器件。在蚀刻过程之前和之后可以看到多晶硅和金属层。

体微加工是另一种广泛使用的工艺，用于为MEMS形成功能部件。单个硅晶体被图案化并成形以形成高精度的三维部件，如通道、齿轮、膜片、喷嘴等。这些组件与其他部件和子系统集成，以生产完全功能的MEMS。

MEMS处理和MEMS组件的一些标准化构建块是多用户MEMS工艺（MUMPs）。这些是平台的基础，该平台正在导致对MEMS的特定于应用程序的方法，非常类似于在集成电路行业取得巨大成功的特定于应用程序的方法（ASIC）。

全光DWDM网络和MEMS

如今，电信专家面临着前所未有的挑战，需要在电信网络中容纳不断扩展的高带宽服务阵列。由于互联网和互联网支持服务的扩展，带宽需求呈指数级增长。密集波分复用（DWDM）的出现解决了这种技术短缺问题，并彻底改变了核心光网络的经济状况。

DWDM使用一组光波长（或信道），波长约为1553 nm，信道间隔为0.8 nm（100 GHz），每个波长可以承载高达10 Gbps（STM 64）的信息。超过100个这样的信道可以组合并传输在单根光纤上。人们正在努力进一步压缩信道并提高每个信道的数据速率。

实验表明，在单根光纤上成功地传输了80个信道，每个信道承载40 Gbits/秒（相当于3.2 Tbits/秒），传输距离为300公里。点对点和环形DWDM光网络的部署需要一种新型的网络元件，这些元件可以在运行过程中操作信号，而无需昂贵的O-E-O转换。光放大器、滤波器、光添加/删除复用器、解复用器和光交叉连接器是一些必要的网络元件。MEMS在这些网络元件的设计和开发中发挥着重要作用。我们将详细讨论光添加/删除复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）。

光开关的突破

1999年，贝尔实验室的科学家演示了一种实用的基于MEMS的光开关。它像一个跷跷板，一端有一个镀金的微型反射镜。静电力将杆的另一端向下拉，抬起反射镜，反射镜以直角反射光。因此，入射光从一根光纤移动到另一根光纤。

这项技术的成功实际上是各种设备和系统的构建块，例如波长添加/删除复用器、光配置开关、光交叉连接和WDM信号均衡器。

光添加/删除复用器

与基于环形的SDH/SONET网络类似，全光DWDM网络也开始起步。SDH网络设计人员已经证实了基于环的网络优于网状网络。在全光环中，可以为保护目的预留带宽（ls）。光添加/删除复用器（OADM）在功能上类似于SDH/SONET添加/删除复用器（ADM）。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（光电转换和反向转换）。

如上所述，二维光开关矩阵用于制造此类OADM，灵活性非常有限。另一方面，可重构添加/删除复用器（R-OADM）提供了完全的灵活性。可以访问、删除或添加任何通过的信道。可以更改特定信道的波长以避免阻塞。这种类型的光开关或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，并且因为光仅停留在二维平面上。

一个八端口OADM需要64个独立的微镜及其在MEMS器件上的控制。它与电话交换机中使用的“交叉连接”开关非常相似。

这种类型的光开关已经过严格的机械和光学测试。平均插入损耗小于1.4 db，在超过100万次循环中具有±0.25 db的出色重复性。配置大于32×32（1024个开关镜）的2D/N2型OADM变得实际上难以管理且不经济。多层较小的开关结构用于创建更大的配置。

光交叉连接

贝尔实验室已经克服了2D型光开关的局限性，并开发了一种创新的光开关技术。它通常被称为“自由空间3D MEMS”或“光束转向”。它使用一系列双轴微镜作为光开关。微镜安装在一组交叉耦合万向节环的一个轴上，通过一组扭转弹簧。这种布置允许镜子沿两个垂直轴以任何所需的角度移动。通过在镜子下方的四个象限施加静电力来驱动镜子。使用MEMS技术复制完整的微镜单元，形成一个由128或256个微镜组成的“开关结构”。

一组准直输入光纤与一组镜子对齐，这些镜子可以通过在X和Y轴上倾斜镜子将光重定向到与准直输出光纤对齐的第二组镜子。通过精确地将输入和输出光纤上的一组镜子对准，可以建立所需的灯光连接。此过程称为“光束转向”。

3D MEMS开关的切换时间小于10毫秒，微镜非常稳定。基于此技术的全光交叉连接器与O-E-O型交叉连接器相比，具有多种独特的优势。OXC具有高容量、可扩展性，并且真正独立于数据速率和数据格式。它以智能的方式路由光信道，无需昂贵的O-E-O转换。低占用空间和低功耗是全光开关技术的其他优势。