集成位置感應(yīng)電子鏡用于光交換應(yīng)用

對(duì)于電信系統(tǒng)從10-Gbit速率過(guò)渡到40-Gbit速率，使用全光開(kāi)關(guān)的信號(hào)路徑變得越來(lái)越有吸引力。 ADI公司開(kāi)發(fā)了一種集成光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)（光學(xué)iMEMS）技術(shù)。它結(jié)合了鏡子，用于靜電偏轉(zhuǎn)的高壓CMOS和用于片上電容位置感應(yīng)的低壓CMOS。該技術(shù)可以大幅降低全光交換系統(tǒng)的成本，從2×2交換機(jī)到大型陣列。這里簡(jiǎn)要描述了位置感知功能的方法和初始結(jié)果。

簡(jiǎn)介

全光開(kāi)關(guān)不需要轉(zhuǎn)換光學(xué)數(shù)據(jù)電信號(hào)和返回。它們通過(guò)消除重要的轉(zhuǎn)換瓶頸來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)速度，并且它們與帶寬和協(xié)議無(wú)關(guān)。

許多全光交換機(jī)的核心部件是可移動(dòng)鏡像。雖然正在開(kāi)發(fā)沒(méi)有位置感應(yīng)能力的鏡子，但是它們的裝配和光纖對(duì)準(zhǔn)成本預(yù)計(jì)會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較高的價(jià)格。位置感應(yīng)用于包括高壓驅(qū)動(dòng)電路和外部DSP的反饋控制回路，可將鏡子自然穩(wěn)定時(shí)間減少10倍，達(dá)到新的位置。與簡(jiǎn)單地驅(qū)動(dòng)鏡子的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比，這種類(lèi)型的控制回路還可以提供更多的抗沖擊和振動(dòng)保護(hù) - 但是既不接收也不作用于位置信息。

我們?cè)谶@里描述了第一個(gè)要開(kāi)發(fā)的鏡子具有MEMS結(jié)構(gòu)的片上集成電容位置感應(yīng)。重點(diǎn)是電容感應(yīng)能力的方法和結(jié)果，我們認(rèn)為這是降低全光開(kāi)關(guān)成本的重要因素。

電容位置感應(yīng)

使用電容變化來(lái)測(cè)量鏡面位置與其他方法相比具有許多優(yōu)勢(shì)。它允許標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理 - 而不是昂貴的自定義過(guò)程 - 用于使用該技術(shù)的設(shè)備。電容傳感在整個(gè)溫度范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，而其他測(cè)量方法（如壓阻）可能需要復(fù)雜的連接才能消除一階溫度效應(yīng)。電容式傳感也適用于可增加穩(wěn)定性的片上電路技術(shù)。

在一個(gè)軸周?chē)瓿山嵌任恢脺y(cè)量的一種方法是在鏡子本身和下面的兩個(gè)感應(yīng)電極之間形成一個(gè)電容分壓器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。當(dāng)鏡子圍繞平行于兩個(gè)電極之間的分界線(xiàn)的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，一個(gè)電容值增加而另一個(gè)電容值減小。該差分電容可用于測(cè)量鏡面旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，在實(shí)際操作中，電極設(shè)計(jì)用于檢測(cè)多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（參見(jiàn)圖4）。

圖2顯示了測(cè)量差分電容的簡(jiǎn)化版電路。相反的電壓脈沖施加到每個(gè)感測(cè)電極，并且任何差分電容將導(dǎo)致鏡節(jié)點(diǎn)自身上的過(guò)量正電荷或負(fù)電荷。該電荷通過(guò)片上放大器轉(zhuǎn)換為電壓。如果電容關(guān)系已知，電壓可以提供鏡子角位置的定量測(cè)量。

通過(guò)在芯片上集成放大器電路，可以獲得比可提供的更大的位置測(cè)量精度。片外檢測(cè)。主要原因是與鍵合線(xiàn)相關(guān)的寄生電容和交叉耦合路徑可以很容易地掩蓋被測(cè)量的微小位置電容。與片上互連相關(guān)的小得多的寄生電容導(dǎo)致信號(hào)完整性的顯著增加。

制造

如上所述的鏡子和位置感測(cè)電路已在ADI公司成功制造和測(cè)試。圖3顯示了用于制造這些鏡子的專(zhuān)有光學(xué)iMEMS工藝的橫截面。使用3層工藝 - 使用絕緣體上硅（SOI）鍵合 - 用于在同一襯底上制造鏡子，硅犧牲層和電路器件層。這些元件結(jié)合在一起，可以使精細(xì)的MEMS結(jié)構(gòu)和精密的高低壓BiCMOS電路共存于同一基板上，使電容鏡檢測(cè)成為可能。

掃描電子顯微鏡（SEM）制作的反射鏡陣列的圖像如圖4所示。該圖顯示了2軸反射鏡，位置感應(yīng)電子設(shè)備（底部）和鏡子下方的間隙，使其可以旋轉(zhuǎn)。如圖所示，它圍繞“Y”軸旋轉(zhuǎn)。雖然這里沒(méi)有顯示，但可以在同一基板上制造多個(gè)反射鏡，從而實(shí)現(xiàn)高端口數(shù)設(shè)計(jì)和ADI公司微加工產(chǎn)品的典型規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

表1.設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5顯示了應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器之間的關(guān)系電壓和位置感測(cè)接口的輸出。在這種情況下，負(fù)輸入電壓是指施加到負(fù)驅(qū)動(dòng)電極的電壓。典型的靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的典型V×| V |平方律行為很容易在數(shù)據(jù)中觀察到。

結(jié)論

ADI公司微機(jī)械產(chǎn)品部門(mén)開(kāi)發(fā)出第一款帶有片上電容位置傳感的反射鏡。該技術(shù)承諾采用全光開(kāi)關(guān)的產(chǎn)品具有改進(jìn)的插入損耗性能和高端口數(shù)。這些發(fā)展是大大降低全光開(kāi)關(guān)組裝成本的第一步。