集成位置感应电子镜用于光交换应用

对于电信系统从10-Gbit速率过渡到40-Gbit速率，使用全光开关的信号路径变得越来越有吸引力。 ADI公司开发了一种集成光学微机电系统（光学iMEMS）技术。它结合了镜子，用于静电偏转的高压CMOS和用于片上电容位置感应的低压CMOS。该技术可以大幅降低全光交换系统的成本，从2×2交换机到大型阵列。这里简要描述了位置感知功能的方法和初始结果。

简介

全光开关不需要转换光学数据电信号和返回。它们通过消除重要的转换瓶颈来提高网络速度，并且它们与带宽和协议无关。

许多全光交换机的核心部件是可移动镜像。虽然正在开发没有位置感应能力的镜子，但是它们的装配和光纤对准成本预计会导致相对较高的价格。位置感应用于包括高压驱动电路和外部DSP的反馈控制回路，可将镜子自然稳定时间减少10倍，达到新的位置。与简单地驱动镜子的开环系统相比，这种类型的控制回路还可以提供更多的抗冲击和振动保护 - 但是既不接收也不作用于位置信息。

我们在这里描述了第一个要开发的镜子具有MEMS结构的片上集成电容位置感应。重点是电容感应能力的方法和结果，我们认为这是降低全光开关成本的重要因素。

电容位置感应

使用电容变化来测量镜面位置与其他方法相比具有许多优势。它允许标准CMOS处理 - 而不是昂贵的自定义过程 - 用于使用该技术的设备。电容传感在整个温度范围内相对稳定，而其他测量方法（如压阻）可能需要复杂的连接才能消除一阶温度效应。电容式传感也适用于可增加稳定性的片上电路技术。

在一个轴周围完成角度位置测量的一种方法是在镜子本身和下面的两个感应电极之间形成一个电容分压器结构，如图1所示。当镜子围绕平行于两个电极之间的分界线的轴旋转时，一个电容值增加而另一个电容值减小。该差分电容可用于测量镜面旋转。当然，在实际操作中，电极设计用于检测多个旋转轴（参见图4）。

图2显示了测量差分电容的简化版电路。相反的电压脉冲施加到每个感测电极，并且任何差分电容将导致镜节点自身上的过量正电荷或负电荷。该电荷通过片上放大器转换为电压。如果电容关系已知，电压可以提供镜子角位置的定量测量。

通过在芯片上集成放大器电路，可以获得比可提供的更大的位置测量精度。片外检测。主要原因是与键合线相关的寄生电容和交叉耦合路径可以很容易地掩盖被测量的微小位置电容。与片上互连相关的小得多的寄生电容导致信号完整性的显着增加。

制造

如上所述的镜子和位置感测电路已在ADI公司成功制造和测试。图3显示了用于制造这些镜子的专有光学iMEMS工艺的横截面。使用3层工艺 - 使用绝缘体上硅（SOI）键合 - 用于在同一衬底上制造镜子，硅牺牲层和电路器件层。这些元件结合在一起，可以使精细的MEMS结构和精密的高低压BiCMOS电路共存于同一基板上，使电容镜检测成为可能。

扫描电子显微镜（SEM）制作的反射镜阵列的图像如图4所示。该图显示了2轴反射镜，位置感应电子设备（底部）和镜子下方的间隙，使其可以旋转。如图所示，它围绕“Y”轴旋转。虽然这里没有显示，但可以在同一基板上制造多个反射镜，从而实现高端口数设计和ADI公司微加工产品的典型规模经济。

表1.设计目标和实验结果。

参数	目标（结果如果不同）
Mirror Diameter	800μm
最大角度	5度
固有频率	500 Hz（519 Hz）
输出噪音	2μV/μHz（2.6μV/μHz）

图5显示了应用的驱动器之间的关系电压和位置感测接口的输出。在这种情况下，负输入电压是指施加到负驱动电极的电压。典型的静电驱动结构的典型V×| V |平方律行为很容易在数据中观察到。

结论

ADI公司微机械产品部门开发出第一款带有片上电容位置传感的反射镜。该技术承诺采用全光开关的产品具有改进的插入损耗性能和高端口数。这些发展是大大降低全光开关组装成本的第一步。