DWDM использует набор оптических длин волн (или каналов) около 1553 нм с разносом каналов 0,8 нм (100 ГГц), каждая длина волны может передавать информацию до 10 Гбит / с (STM 64). Более 100 таких каналов могут быть объединены и переданы по одному волокну. Предпринимаются усилия для дальнейшего сжатия каналов и увеличения скорости передачи данных в каждом канале.
Экспериментально передача 80 каналов, каждый из которых передает 40 Гбит / с (эквивалентно 3,2 Тбит / с) по одному волокну, была успешно протестирована на длине 300 км. Развертывание двухточечной и кольцевой оптической DWDM-сети требует нового типа сетевых элементов, которые могут манипулировать сигналами в процессе работы без дорогостоящего преобразования OEO. Оптические усилители, фильтры, оптические аддитивные мультиплексоры, демультиплексоры и оптические перекрестные соединения являются одними из важных элементов сети. MEMS играет важную роль в проектировании и разработке таких элементов сети.
MEMS является аббревиатурой от Micro Electro Mechanical Systems. Он используется для создания ультра-миниатюрных устройств, имеющих размеры от нескольких микрон до пары сантиметров в поперечнике. Они очень похожи на микросхемы, но с возможностью интеграции движущихся механических частей на одной подложке.
MEMS технология имеет свои корни в полупроводниковой промышленности. Они изготовлены с использованием процесса серийного изготовления, аналогичного СБИС. Типичная MEMS представляет собой интегрированную микросистему на чипе, которая может включать в себя движущиеся механические части в дополнение к электрическим, оптическим, жидкостным, химическим и биомедицинским элементам.
Функционально MEMS включает в себя множество транссудационных механизмов для преобразования сигналов из одной формы энергии в другую.
Множество различных типов микродатчиков и микроприводов могут быть интегрированы с обработкой сигналов, оптическими подсистемами и микрокомпьютерами для формирования полноценной функциональной системы на чипе. Характерной способностью MEMS является включение движущихся механических частей на одну и ту же подложку.
Благодаря небольшому размеру MEMS можно использовать в местах, где механические устройства практически невозможно установить; например, внутри кровеносного сосуда человеческого тела. Время переключения и отклика MEMS-устройств также меньше, чем у обычных машин, и они потребляют меньше энергии.
Применение MEMS
Сегодня МЭМС находят применение во всех сферах. Телекоммуникации, биологические науки и датчики являются основными бенефициарами. МЭМС-датчики движения, ускорения и напряжения широко используются в самолетах и космических кораблях для повышения безопасности и надежности. Спутники Пико (весом около 250 г) разрабатываются в качестве устройств для осмотра, связи и наблюдения. Они используют системы на основе MEMS в качестве полезной нагрузки, а также для их орбитального контроля. MEMS используются в соплах струйных принтеров и головках чтения / записи жестких дисков. Автомобильная промышленность использует MEMS в «системах впрыска топлива» и датчиках подушек безопасности.
Инженеры-разработчики внедряют MEMS в свои новые конструкции, чтобы повысить производительность своих продуктов. Это снижает стоимость производства и время. Интеграция нескольких функций в MEMS обеспечивает более высокую степень миниатюризации, меньшее количество компонентов и повышенную надежность.
Дизайн и технологии изготовления
За последние несколько десятилетий полупроводниковая индустрия достигла зрелости. Разработка MEMS в значительной степени выигрывает от этой технологии. Первоначально методы и материалы, использованные для проектирования и изготовления интегральных микросхем (IC), были заимствованы непосредственно для разработки MEMS, но в настоящее время разрабатывается много специфических для MEMS технологий изготовления. Микрообработка поверхности, объемная микрообработка, глубокое реактивное ионное травление (DRIE) и микроформование являются одними из передовых технологий изготовления MEMS.
Используя метод микрообработки , различные слои поликремния, обычно толщиной 1-100 мм, наносятся для формирования трехмерной структуры, содержащей металлические проводники, зеркала и изоляционные слои. Точный процесс травления избирательно удаляет подчеркивающую пленку (жертвенный слой), оставляя перекрывающую пленку, называемую структурным слоем, способным к механическому перемещению.
Поверхностная микрообработка используется для производства различных MEMS-устройств в промышленных объемах. Слои поликремния и металла можно увидеть до и после процесса травления.
Массовая микрообработка является еще одним широко используемым процессом для формирования функциональных компонентов для MEMS. Монокристаллический кремний имеет структуру и форму для формирования высокоточных трехмерных деталей, таких как каналы, шестерни, мембраны, сопла и т. Д. Эти компоненты интегрированы с другими деталями и подсистемами для создания полностью функциональных MEMS.
Некоторые стандартизированные строительные блоки для обработки MEMS и компонентов MEMS являются многопользовательскими процессами MEMS (MUMP). Это основа платформы, которая ведет к прикладному подходу к MEMS, очень похожему на прикладной подход (ASIC), который был настолько успешным в индустрии интегральных микросхем.
Все оптические сети DWDM и MEMS
Перед сегодняшними экспертами в области электросвязи стоит беспрецедентная задача по размещению постоянно расширяющегося спектра услуг с высокой пропускной способностью в сетях электросвязи. Потребность в полосе пропускания экспоненциально увеличивается из-за расширения Интернета и интернет-услуг. Появление плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM) устранило этот технологический дефицит и в целом изменило экономику базовой оптической сети.
DWDM использует набор оптических длин волн (или каналов) около 1553 нм с разносом каналов 0,8 нм (100 ГГц), каждая длина волны может передавать информацию до 10 Гбит / с (STM 64). Более 100 таких каналов могут быть объединены и переданы по одному волокну. Предпринимаются усилия для дальнейшего сжатия каналов и увеличения скорости передачи данных в каждом канале.
Экспериментально, передача 80 каналов, каждый из которых несет 40 Гбит / с (эквивалентно 3,2 Тбит / с) по одному волокну, была успешно протестирована на длине 300 км. Развертывание двухточечной и кольцевой оптической DWDM-сети требует нового типа сетевых элементов, которые могут манипулировать сигналами в процессе работы без дорогостоящего преобразования OEO. Оптические усилители, фильтры, оптические аддитивные мультиплексоры, демультиплексоры и оптические кросс-коммутаторы являются одними из основных элементов сети. MEMS играет важную роль в проектировании и разработке таких элементов сети. Мы обсудим Optical Add Drop Mux (OADM) и Optical Cross Connect (OXC) в деталях.
Прорыв в оптическом переключении
Ученые из Bell Labs в 1999 году продемонстрировали практичный оптический переключатель на основе MEMS. Он функционирует как качающийся стержень с позолоченным микроскопическим зеркалом на одном конце. Электростатическая сила тянет другой конец стержня вниз, поднимая зеркало, которое отражает свет под прямым углом. Поступающий свет, таким образом, перемещается из одного волокна в другое.
Технологический успех на самом деле является строительным блоком различных устройств и систем, таких как мультиплексоры ввода / вывода с длиной волны, оптические переключатели инициализации, оптическое перекрестное соединение и эквалайзеры сигналов WDM.
Оптический мультиплексор Add Drop
Подобно кольцевым сетям SDH / SONET, полностью оптические сети на основе DWDM начинают набирать обороты. Превосходство кольцевой сети над ячеистой сетью уже было установлено разработчиками сетей SDH. В полностью оптическом кольце полосы пропускания (ls) могут быть зарезервированы для целей защиты. Оптические мультиплексоры ввода-вывода (OADM) функционально аналогичны мультиплексорам ввода-вывода SDH / SONET (ADM). Группа выбранных длин волн (ls) может быть добавлена или удалена из многоволнового светового сигнала. OADM исключает дорогостоящее преобразование OEO (оптическое в электрическое и обратно).
Двумерная матрица оптических переключателей, как описано выше, используется для изготовления таких OADM, которые обеспечивают очень небольшую гибкость. Переконфигурируемый Add Drop Multiplexers (R-OADM), с другой стороны, обеспечивает полную гибкость. Любой канал, проходящий через, может быть доступен, удален или могут быть добавлены новые каналы. Длина волны определенного канала может быть изменена, чтобы избежать блокировки. Оптические переключатели или OADM такого типа известны как двумерные или N2-переключатели, потому что количество требуемых переключающих элементов равно квадрату количества портов, и потому что свет остается только в плоскости двух измерений.
Для восьмипортового OADM требуется 64 отдельных микрозеркала с управлением на устройстве MEMS. Это очень похоже на «поперечные» переключатели, используемые на телефонных станциях.
Оптические переключатели такого типа прошли строгие механические и оптические испытания. Средняя вносимая потеря составляет менее 1,4 дБ с превосходной повторяемостью ± 0,25 дБ в течение 1 миллиона циклов. OADM типа 2D / N2 с конфигурацией больше 32 × 32 (1024 переключающихся зеркала) становятся практически неуправляемыми и неэкономичными. Несколько слоев меньших коммутационных тканей используются для создания больших конфигураций.
Оптический кросс-коннект
Ограничение оптического переключателя 2D-типа было преодолено инновационной технологией оптической коммутации, разработанной Bell Labs. Он широко известен как «3-D MEMS свободного пространства» или «Управление лучом света» . Он использует серию двухосного микро-зеркала в качестве оптического переключателя. Микрозеркало установлено на одной из осей из набора поперечно соединенных карданных колец с помощью набора торсионных пружин. Такое расположение позволяет зеркалу перемещаться вдоль двух перпендикулярных осей под любым желаемым углом. Зеркало приводится в действие электростатической силой, приложенной в четырех квадрантах под зеркалом. Весь микрозеркальный блок реплицируется с использованием технологии MEMS для формирования «коммутационной матрицы» из 128 или 256 микрозеркал.
Массив коллимированных входных волокон выровнен с набором зеркал, которые могут перенаправить свет, наклонив зеркало по оси X и Y ко второму набору зеркал, выровненных с коллимированными выходными волокнами. Благодаря точному нацеливанию набора зеркал на входное и выходное волокно можно получить желаемое световое соединение. Этот процесс называется «управление лучом света».
Время переключения 3D MEMS-переключателя составляет менее 10 мс, а микрозеркала чрезвычайно стабильны. Оптические перекрестные соединения, основанные на этой технологии, предлагают различные уникальные преимущества по сравнению с перекрестными соединениями типа OEO. OXC отличаются высокой пропускной способностью, масштабируемостью, скоростью передачи данных и независимостью от формата данных. Он интеллектуально маршрутизирует оптические каналы без дорогостоящего преобразования OEO. Низкая занимаемая площадь и энергопотребление являются дополнительными преимуществами полностью оптической технологии коммутации.