子系统的可靠性 - 基于MEMS的OXC:解决可靠性差距

子系统的可靠性

　　光学部件子系统的连接可靠性是指在环境(温度、冲击和抖动)变化时光路的稳定性。光路最敏感的部分是介于光纤端面和微透镜数组之间的部分，因为这里的一点很小的变动就可以让经过MEMS镜片的光线发生很大的变动。

　　所以，这一部分的定位和稳定性对整个光路子系统的可靠性都起?至关重要的作用。幸好，克服这些环境因素也不是很难：可以通过准绝热处理来稳定温度，并对外壳进行绝缘/缓冲处理。

　　通过冗余备份，系统控制器的电子部件和软件可以达到很高的可用性。电子模块可以采用好几种冗余备份方式。这些备份方式在其它电子系统中都很常用，在MEMS或OXC的应用中没有什么特殊之处。

　　基于MEMS的OXC是电信系统有史以来首次引入的可活动部件。因此，MEMS镜片的可靠性立刻受到了质疑。MEMS镜片的可靠性问题包括种种机械方面的失效——事实上，这仅是其中的一类故障。

　　MEMS的可靠性还涉及高反射率的镜片涂层、镜片变形以及角度指向偏差，这些可能是入射光功率过大或其它环境因素，例如温度、冲击和抖动等造成的。在镜片受驱动的区域内，边沿充电效应对可靠性的影响至关重大。这里，我们要通过分析两种不同的镜片结构，对这些故障机理进行详细的说明。

　　有两种制作MEMS的基本工艺技术：立体刻蚀和表面沉积。立体刻蚀方法就是将硅从衬底刻蚀掉，其制造的结构厚度可以达到500μm甚至更大，以至可以制作出很复杂的结构(图片1)。表面沉积制造的结构通过薄膜沉积，一般厚度小于6μm。

　　

 

　　(图片1)

　　立体刻蚀方法与表面沉积方法的表较

　　下面对引发不可靠连接的立体刻蚀和表面沉积镜片的故障机理进行一下比较。我们从入射光功率过大开始分析。下一代DWDM系统由于复用的光信号数量很大，所以需要的入射光功率也会较大。

　　处理光功率大小的能力受限于镜片的散热能力。详细举例来说，Telcordia10732中规定OXC的最大允许光功率为25dBm，即大约300mW。一个标准的MEMS镜片的金涂层可以吸收这个功率的2%，也就是6mW。

　　如果镜片的热敏电阻过高，镜片的温度就会超过它的运作温度。想要保证可靠的运作，镜片的热敏电阻就必须足够小。以此推断，如果不希望镜片温度超过30°C，热敏电阻就必须小于30°C/6mW=5°C/mW。

　　由于局部镜片出现问题以及随之带来的温度升高问题，可能会导致MEMS镜片发生严重的故障。表面沉积镜片厚度很小，它的热敏电阻就很难做到很小;而立体刻蚀方法做出的镜片的厚度较大，同时热敏电阻较小。因此，在光功率较大的场合中要使用立体刻蚀方法做出的镜片。

　　由于温度升高引发了镜片弯曲，所以，对可靠连接影响较大的插入损耗，也不可避免的受到镜片表面光失真的影响。类似的，MEMS镜片的涂层带来应力，也会导致镜片弯曲。这里，立体刻蚀镜片就比较有优势，因为它的镜片厚一些，所以它受外界因素——高反射率的介质涂敷层和温度所引起的弯曲——的影响较小。

　　MEMS镜片出现机械失效的主要原因是静摩擦，经过冲击造成的微裂纹扩张和接触，会引发表面静摩擦。通过预先设计就可以预防静摩擦，立体刻蚀镜片一般就不存在这个问题。可靠的镜片必须在结构上做到减少微裂痕产生和蔓延。

　　通过保证所有的弯曲幅度都不超过硅的屈服应力，可以使镜片的寿命达到无限长。精心设计的单晶立体刻蚀硅镜片不存在因疲劳而产生的故障，因此，它比表面沉积镜片在这方面具有优势。图2展示的是一个立体刻蚀镜片经过1.06亿个运行周期后的偏差情况，并未发现镜片有任何退化。

　　MEMS镜片可以由静电传动器、磁电传动器、热传动器或压电传动器驱动。其中压电传动器和磁电传动器很难进行高密度的集成。此外，磁电传动器和热传动器还需要良好的屏蔽来消除镜片间的串扰。而静电传动器虽然有边沿充电效应的问题需要解决，但是它功耗最小，最适于大规模集成。

　　在高压下,边沿电荷在电极或传动器周围的绝缘电介质层中累积。这些100-400V的高压是驱动镜片的必要条件。在恒定电压下，电荷的累积会引起镜片位置的移动。由于漏电流非常小，放电时间常数可以达到数分钟甚至数天，因此这会导致不可靠和不可预计的连接。

　　从连接可靠性方面考虑，以静电传动器作为驱动的立体刻蚀镜片是镜片技术的首选。由于边沿电荷和其它环境因素所带来的不必要的镜片移动可以通过设计适当的镜片控制环路来消除。

　　镜片驱动的可靠性

　　镜片是用来实现连接的，当存在环境问题和长期漂移的时候，若镜片的驱动系统不能精确地倾斜镜片的话，就会使连接可靠性受到破坏。镜片控制有两种方案：开环和死循环。这两种镜片控制体系处理器件漂移和环境影响的方式是相当不同的。

　　开环配置结构中，MEMS应用预先设定的电压让它们倾斜到预定的角度。开环镜片控制要根据不同的温度，建立所有组件的精确映像。当温度发生变化时， MEMS镜片驱动电压也要进行调节以保持可靠的连接。因此需要使用大量的检查表和复杂的算法来计算由于温度变化而要调整的驱动电压。这些表格和算法必须在连接校准周期中定期更新，更新时系统要停机。

　　在死循环配置方法中，使用基于传感器的反馈系统来连续地监视和控制镜片的倾斜角度。因此，镜片定位的精确度就取决于传感器的精确度，这样就消除了大多数开环控制器所敏感的问题，如冲击、抖动以及由边沿充电效应和温度变化而产生的漂移。

　　此外，一个设计优良的死循环控制器可以控制镜片越过突降点。突降是当静电驱动力比恢复弹力大的时候发生的一种情况。一旦发生突降，镜片传动器就会倒塌到驱动电极上。

　　实际应用中有多种类型的位置传感器，从集成的镜片位置传感器到能够检测输出光纤中红外信号的传感器。不同的传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环来监视某些典型信道的旋光性能。

　　为了使系统校准达到最优化和插入损耗达到最小，需要对这些信道的性能进行跟踪和分析。即使存在冲击、抖动、温度变化和长期漂移的情况，一个良好的死循环镜片控制器也能提供最为可靠的连接。