MEMS光開關簡介 MEMS光開關控制的基本工作原理

1 引言

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統）是指將微型機械、微型執行器、信號處理和控制電路等集于一體的可批量制作的微型器件或系統。而MOEMS是 Micro-Opto-Electro- Mechanical System的縮寫，意為微光機電系統，把微光學應用到微機電系統中，這是MEMS在光通信中的重要應用。微光電機械芯片通常是指包含一個以上微機械元件的光系統或光電子系統，其應用將遍及光通信、光顯示、數據存儲、自適應光學及光學傳感等多個方面。

隨著光通信的快速發展，作為光網絡節點的光互連與光交換的地位越來越重要。光交換器件是以光為核心實現光的通斷和交叉連接的系統部件，不存在光電轉換。MEMS光開關具備了低損耗和高穩定的優點，且與傳輸的數據速率和信號協議無關。實用化的MEMS光開關原理十分簡單，其結構實質上是一個二維微鏡片陣列，當進行光交換時，通過移動或改變鏡片角度，把光直接送到或反射到光開關的不同輸出端。MEMS光開關是利用機械開關的原理，但又能像波導開關那樣，集成在單片硅基底上，因此兼有機械光開關和波導光開關的優點，同時克服了它們所固有的缺點。MEMS光開關響應速度和可靠性大大提高，插入損耗和串音低，偏振和波長相關損耗也非常低，對不同環境的適應能力良好，功率和控制電壓較低，并具有閉鎖功能。

2 MEMS光開關控制原理

2.1 MEMS光開關簡介

典型的MEMS光開關器件可分為二維和三維結構。二維MEMS的空間旋轉鏡通過表面微機械制造技術單片集成在硅基底上，準直光通過微鏡的適當旋轉被接到適當的輸出端。微鉸鏈把微鏡鉸接在硅基底上，微鏡兩邊有兩個推桿，推桿一端連接微鏡鉸接點，另一端連接可平移梳妝電極。轉換狀態通過調節梳妝電極使微鏡發生轉動，當微鏡為水平時，可使光束從該微鏡上面通過，當微鏡旋轉到與硅基底垂直時，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該微鏡對應的輸出端口輸出。三維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉，這些陣列通常是成對出現，輸入光線到達第一個陣列鏡面上被反射到第二個陣列的鏡面上，然后光線被反射到輸出端口。

在多種可能的驅動方法中，靜電和磁感應法為主選方案。靜電法依賴于電荷極性相反的機械元素之間的相互吸引，這是MEMS技術中使用的主要的驅動方法，它具有可重復性和容易屏蔽等優點。磁感應驅動依賴于磁體或者電磁體之間的相互吸引。盡管磁感應驅動能夠產生更大的驅動力并具有較高的線性度，但由于磁感應應用中還有許多問題有待于解決，所以目前靜電驅動方案仍然是可靠設備的最佳選擇。

本文闡述的控制方案針對的是二維結構、采用靜電法驅動的MEMS光開關。

2.2 控制原理與過程

MEMS 4&mes;4光開關是OXC節點設備中的核心子系統之一。其在整個系統中負責將4種波長的光按照要求進行路由切換，以達到光交換的目的。

MEMS光開關的優點在于光波路由的切換是通過外部控制信息以及相應的高低電平控制內部16塊微鏡片抬升與否來完成的。我們選用的MEMS光開關規定在控制信息的格式上，不管其內部有多少個微鏡片，都需要由一系列“1”和“0”組成的 64位串行數據來完成控制。

依據MEMS光開關的具體工作原理以及所需數字信號間的時序關系，所需的64位控制信息、以及其他信號（如CLK、ENA信號）可以由高速單片機來提供。

本控制系統在單板調試期間，由一臺PC機的相應程序模擬本地控制，發出相應的路由信息。PC機的信息通過串口發送給單片機，單片機再進行進一步的控制動作。MEMS光開關路由成功與否等信息由單片機讀取其內部寄存器中的64位控制數據，與原始的正確的64位數據進行對比完成。操作完成后，又由單片機通過串口向PC機產生相應的反饋信息。形成人機、遠程與本地之間的交互。

為了保持與整個OXC系統的兼容性，MEMS 子系統除了可以受控于本地單片機，應該還可以由專門的主控制電路中的FPGA芯片直接控制。如此一來就可以做到確保子系統萬無一失。為此，電路設計上也將為其保留接口。

3 控制系統設計

基于前述原理，該子系統的設計將分為硬件和軟件設計兩方面。

3.1 硬件設計方案

試驗階段將為MEMS設計四個控制通道，其中保留廠家的測試板電路并以此作為一個控制通道 ；為本地單片機不同類型的控制信息提供兩個通道；此外，為將來可能用到的FPGA芯片控制信息預留一個通道。實際應用階段將只保留一個單片機通道與一個FPGA控制通道。

在單板調試期間，路由與管理信息來自模擬網管的PC機軟件，而在實際應用中，一切路由與管理信息將來自主控制板。圖1是硬件設計框圖。

雖然試驗與實用階段控制通道不止一個，但某一時期起作用的只有一個通道。通道的切換通過手動跳線完成。

單片機選用高速低耗雙串口多中斷的單片機。此單片機將為MEMS光開關提供64位控制信息以及所需的其他控制信號，如時鐘CLK信號、路由使能信號等。

并-串轉換電路用于將單片機并行發出的控制信息轉換成MEMS要求的串行數據。這一功能由單片機和并-串轉換芯片共同完成 ；串-并轉換電路用于單片機并行讀入MEMS內部寄存器中的串行原始路由信息。這一功能由單片機和串-并轉換芯片共同完成。

3.2 軟件設計方案：

因為在調試中需要人機交互，所以需要PC機程序和單片機控制程序各一套。兩套程序通過RS-232接口進行通信。程序間的通信協議制定如下：

（1） PC發往單片機的數據

PC機程序采用圖形界面，收發的各種信息將會在程序界面上給管理員作出相應的實時提示。圖2給出PC機網管模擬程序流程圖。

單片機控制程序與PC機程序相比，難度在于其既要發送MEMS需要的時鐘信號、使能信號等，又要發送64位微鏡片控制數據。這些信號之間有著嚴格的時序關系。編程時應該特別注意延時程序和指令編寫技巧。單片機程序流程圖，如圖3所示。

4 結束語

通過軟硬件的協調工作，MEMS光開關子系統可以順利完成對多路光波路由的任意切換。調試階段管理員利用計算機軟件模擬網管發送路由控制指令給MEMS控制板上的單片機，實際應用中此路由控制指令由系統中的主控制板發出。單片機收到指令后，發出具體的、符合MEMS光開關控制要求的指令，控制MEMS光開關內部鏡片相應動作，從而完成光路的交叉連接。此過程無需進行任何光-電轉換。