子系統(tǒng)的可靠性 - 基于MEMS的OXC:解決可靠性差距

　　光學部件子系統(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。在鏡片受驅動的區(qū)域內(nèi)，邊沿充電效應對可靠性的影響至關重大。這里，我們要通過分析兩種不同的鏡片結構，對這些故障機理進行詳細的說明。

　　有兩種制作MEMS的基本工藝技術：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，其制造的結構厚度可以達到500μm甚至更大，以至可以制作出很復雜的結構(圖片1)。表面沉積制造的結構通過薄膜沉積，一般厚度小于6μm。

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　　(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。詳細舉例來說，Telcordia10732中規(guī)定OXC的最大允許光功率為25dBm，即大約300mW。一個標準的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，可能會導致MEMS鏡片發(fā)生嚴重的故障。表面沉積鏡片厚度很小，它的熱敏電阻就很難做到很小;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鏡片的涂層帶來應力，也會導致鏡片彎曲。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。通過預先設計就可以預防靜摩擦，立體刻蝕鏡片一般就不存在這個問題?？煽康溺R片必須在結構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力，可以使鏡片的壽命達到無限長。精心設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擾。而靜電傳動器雖然有邊沿充電效應的問題需要解決，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層中累積。這些100-400V的高壓是驅動鏡片的必要條件。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，因此這會導致不可靠和不可預計的連接。

　　從連接可靠性方面考慮，以靜電傳動器作為驅動的立體刻蝕鏡片是鏡片技術的首選。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計適當?shù)溺R片控制環(huán)路來消除。

　　鏡片驅動的可靠性

　　鏡片是用來實現(xiàn)連接的，當存在環(huán)境問題和長期漂移的時候，若鏡片的驅動系統(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不同的。

　　開環(huán)配置結構中，MEMS應用預先設定的電壓讓它們傾斜到預定的角度。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。當溫度發(fā)生變化時， MEMS鏡片驅動電壓也要進行調節(jié)以保持可靠的連接。因此需要使用大量的檢查表和復雜的算法來計算由于溫度變化而要調整的驅動電壓。這些表格和算法必須在連接校準周期中定期更新，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和溫度變化而產(chǎn)生的漂移。

　　此外，一個設計優(yōu)良的死循環(huán)控制器可以控制鏡片越過突降點。突降是當靜電驅動力比恢復彈力大的時候發(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動電極上。

　　實際應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。