一種無阻塞MEMS 光開關(guān)的設(shè)計

梁海涵，卜勤練，肖清明，鄭 潔，吳曉平，王 震

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074；2.武漢光迅科技股份有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430205）

全光交換網(wǎng)絡(luò)是指信息在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸和數(shù)據(jù)交換時，始終以光的形式存在，中途不需要經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘枺@樣可以減少信號的損耗，提高傳輸速率[1]。

目前，全光網(wǎng)絡(luò)還沒有達(dá)到信息在整個傳輸網(wǎng)絡(luò)都以光的形式存在，而只是傳輸和交換過程在光路中進(jìn)行，控制部分還是用電路的方法來實現(xiàn)[2]。其中，光開關(guān)是全光網(wǎng)絡(luò)的核心器件。

1 基于MEMS的光開關(guān)技術(shù)

微機電系統(tǒng)技術(shù)（Mechanical Systems）一般也稱作MEMS 技術(shù)。其含義是指集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號控制電路，乃至接口、通信和電源于一體的微型器件或系統(tǒng)[1,3]。隨著光、機、電一體化技術(shù)的發(fā)展[4]，近些年MEMS 光開關(guān)技術(shù)得到了飛速發(fā)展。在市場方面，傳統(tǒng)機械式光開關(guān)在切換速度和體積上已經(jīng)漸漸滿足不了市場需求，市場份額逐年下降，而MEMS 光開關(guān)由于其體積小、穩(wěn)定性高等特點，需求量逐年上升。因此，對于企業(yè)來說，研究基于MEMS的光開關(guān)技術(shù)，就顯得尤為重要[5]。

MEMS 光開關(guān)通過電壓驅(qū)動控制可以活動的MEMS 芯片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、升降或移動[6]，改變光信號的傳播方向和角度，使其從不同的輸出通道輸出，以實現(xiàn)光路切換的功能。

2 設(shè)計方案

文中提出了一種基于MEMS 技術(shù)的光開關(guān)，可支持1×32、1×48、1×64、1×128 等多種輸出通道，以電壓驅(qū)動方式來控制MEMS 芯片。其主要基于鏡面反射的原理，當(dāng)加上適當(dāng)?shù)尿?qū)動電壓時，可以控制MEMS 芯片上的微反射鏡按照指定方向旋轉(zhuǎn)指定角度，從而將輸入光線反射到指定輸出光纖，完成光路切換[7]。

設(shè)計中的光開關(guān)主要由輸入輸出光纖、準(zhǔn)直器、MEMS 芯片、電路驅(qū)動控制單元組成。圖1 為MEMS光開關(guān)結(jié)構(gòu)，圖1(a)為光纖陣列，中間一根為輸入光纖，其余為輸出光纖，圖1(b)為準(zhǔn)直透鏡，可以對進(jìn)入透鏡的光進(jìn)行準(zhǔn)直，使光信號可以水平射入輸出光纖，圖1(c)是MEMS 芯片，可以對輸入的光信號進(jìn)行反射，使其從指定輸出光纖輸出。在實際工藝中，輸入、輸出光纖需要插入毛細(xì)管中進(jìn)行固定，并與準(zhǔn)直透鏡共同組成準(zhǔn)直器[8]。

圖1 MEMS光開關(guān)結(jié)構(gòu)

外部的電路驅(qū)動控制模塊的設(shè)計是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，該設(shè)計采用電壓驅(qū)動方式，由于MEMS 芯片對靜電敏感，而且極易損傷，所以電路在靜電防護(hù)方面要進(jìn)行一些處理。電路采用的是高壓靜電驅(qū)動，電路驅(qū)動控制單元主要對MEMS 芯片實現(xiàn)有效、精確地驅(qū)動，以及與上位機控制端的通信等功能[9]。

總體電路設(shè)計框架如圖2 所示。主要通過通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)串口、集成電路總線IIC（Inter-Integrated Circuit）接口等來接收上位機的控制指令及傳輸數(shù)據(jù)，然后通過微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）芯片對MEMS 芯片進(jìn)行外部電壓控制[10]。上位機將控制要求傳輸給控制單元微處理器MCU，MCU 將數(shù)據(jù)信號處理后，對DAC 芯片輸出驅(qū)動控制信號，DAC的作用是數(shù)模轉(zhuǎn)換，將相應(yīng)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，經(jīng)過電壓跟隨器，最終輸出模擬信號電壓值，并施加到MEMS 芯片的電極上，通過上位機軟件改變電壓值，對MEMS 芯片中的微反射鏡進(jìn)行驅(qū)動[11]。

圖2 電路設(shè)計框架

3 MEMS芯片工作原理

MEMS 芯片選用電壓驅(qū)動的雙軸扭臂芯片。該設(shè)計中的MEMS 芯片擁有兩個轉(zhuǎn)動軸（X軸和Y軸），這樣可轉(zhuǎn)動的角度范圍更大，支持更多的通道數(shù)[12]。所以該設(shè)計可以支持芯片在4 個象限工作，象限圖如圖3 所示。

圖3 象限圖

該設(shè)計中，MEMS 芯片包含4 個梳狀電極，每個梳狀電極對應(yīng)不同的旋轉(zhuǎn)象限，通過對梳狀電極加電，來控制芯片的旋轉(zhuǎn)[13]。當(dāng)4 個梳狀電極都不加驅(qū)動電壓時，此時沒有靜電力產(chǎn)生，微反射鏡不動；當(dāng)對某一梳狀電極，如第一象限電極施加驅(qū)動電壓時，微反射鏡與梳狀電極之間產(chǎn)生靜電力，由于靜電力總是吸引力，在吸引力的作用下，微反射鏡向第一象限傾斜一定角度，輸入光就可以被反射至相應(yīng)位置的另一光纖中；而當(dāng)對某兩個梳狀電極同時加電時，微反射鏡就會向兩個象限任意方向傾斜，輸入光反射至相應(yīng)輸出光纖中。該設(shè)計中的MEMS 芯片擁有兩個轉(zhuǎn)動軸向，通過電壓控制，可以實現(xiàn)任意方向的偏轉(zhuǎn)[14]。每個通道點都會對應(yīng)一個特定的X、Y軸的二維電壓值坐標(biāo)，通道點An對應(yīng)的坐標(biāo)可表示為（xn，yn）。可雙軸旋轉(zhuǎn)的1×N光開關(guān)示意圖如圖4所示[15]。

圖4 可雙軸旋轉(zhuǎn)的1×N光開關(guān)示意圖

4 光開關(guān)的阻塞問題及解決辦法

MEMS 光開關(guān)在進(jìn)行通道切換的過程中，由于光纖陣列結(jié)構(gòu)的限制，很容易出現(xiàn)非目標(biāo)通道探測到信號光而造成阻塞。圖5 是一個簡單的3×3 光纖陣列，中間的通道5 為COM 端，當(dāng)光輸出從通道1 切換到通道3 時，如果直接切換，會經(jīng)過通道2，這就形成了阻塞。

圖5 3×3光纖陣列

圖6 為光開關(guān)在有阻塞時，通過N合一光功率計測得的光信號波形圖，N合一光功率計的作用是將1×N的光開關(guān)全部輸出通道的光功率用一條波形顯示。從波形可以看出，當(dāng)開始改變加電電壓時，光信號開始切換通道，此時N條通道都沒有光，但在切換的某一時刻，某一通道檢測到了瞬時光功率，說明在切換到目標(biāo)通道過程中，光信號經(jīng)過了其他通道，形成了阻塞。

圖6 有阻塞光開關(guān)的光信號波形

該設(shè)計提出了一種選取無干擾點的方法，以解決MEMS 光開關(guān)的阻塞問題。無干擾點是指從光纖陣列中選取一點或多點，使光信號從該點到任意通道切換時，不會經(jīng)過其他所有通道。這樣光信號在通道切換時，先從初始通道切換到無干擾點，再切換到目標(biāo)通道，這樣就不會產(chǎn)生阻塞，達(dá)到了無阻塞的目的。

通道數(shù)較少的MEMS 光開關(guān)的無干擾點選取較為簡單，可以采用人工篩選，而對于通道數(shù)量較多的1×NMEMS 光開關(guān)，用人工篩選的方法選取無干擾點計算量巨大、工作效率低，而且篩選結(jié)果不夠準(zhǔn)確。文中提出一種通過軟件自動選取合格通道和無干擾點的方法，可解決現(xiàn)有人工篩選方法中存在的各類問題。

具體步驟是：讀取所有通道點Aa對應(yīng)的二維電壓值坐標(biāo)（xa，ya），表示光信號切換到通道點Aa對應(yīng)的通道時，需要分別在X軸和Y軸施加的電壓值為xa和ya，其中，n∈{1,2,3,…,A}。

篩選出滿足各項指標(biāo)要求的通道B個，記錄B個通道點對應(yīng)的電壓值坐標(biāo)，將這些通道點分為若干個小組，小組的數(shù)量可以根據(jù)光開關(guān)通道點的數(shù)量確定，每個小組選出一個無干擾點，以便于光開關(guān)的通道切換。第C個小組如式（1）所示。

式中，i為小組C中通道點的數(shù)量，ACi為小組C中第i個通道點，ACi的坐標(biāo)如式（2）所示。

對每一個小組，分別建立小組的柵格點矩陣，柵格點矩陣的大小可以根據(jù)實際需求確定，決定是需要快速尋找無干擾點，還是尋找精確度高的無干擾點。在小組C中，令X軸最小值為XCmin，Y軸最小值為YCmin，柵格點之間的距離為M，則列出小組C中的柵格點矩陣GC如式（3）所示。

式（3）中，m和n為矩陣的列數(shù)和行數(shù)，則柵格點矩陣中的第i行和第j列柵格點Pij的坐標(biāo)如式（4）所示。

建立第一預(yù)設(shè)條件：對通道點與柵格點之間的距離和夾角進(jìn)行限定，選取每個小組中滿足該條件的所有通道點，加入該小組的備選通道點集合中；另選取每個小組中滿足該條件的所有柵格點，加入該小組的備選無干擾點集合。

建立第二預(yù)設(shè)條件：對任意兩個小組中的備選無干擾點之間的關(guān)系進(jìn)行設(shè)定，例如對任一小組中的備選無干擾點和另一小組的備選無干擾點的連線，與途中經(jīng)過的任一備選通道點之間的最小距離進(jìn)行限定。將每個小組中滿足該條件的備選無干擾點作為該小組的無干擾點，每個小組選取一個最優(yōu)的無干擾點。光開關(guān)無干擾點選取方法的流程如圖7所示。

圖7 光開關(guān)無干擾點選取方法流程

由此可以實現(xiàn)對1×NMEMS 光開關(guān)無干擾點的自動選取，可大大提高篩選速度和準(zhǔn)確度，保證光開關(guān)通道切換時的信號準(zhǔn)確性和無干擾性。圖8 為光開關(guān)選取無干擾點之后，通過N合一光功率計測得的光信號波形圖，從波形圖可以看出，光開關(guān)經(jīng)過選取無干擾點之后，光信號在通道切換時不會產(chǎn)生阻塞。

圖8 無阻塞光開關(guān)的光信號波形

5 結(jié)束語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，光通信行業(yè)正在向全光交換的方向發(fā)展，而MEMS 光開關(guān)已經(jīng)逐漸成為核心光交換器件中的主流。在未來，光開關(guān)必然向著更高交換速度，更大交叉容量，更高集成度等方向發(fā)展[15-18]。文中對多通道、無阻塞的MEMS 光開關(guān)的研究，有很重要的實際意義。