一种无阻塞MEMS 光开关的设计

梁海涵，卜勤练，肖清明，郑 洁，吴晓平，王 震

（1.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074；2.武汉光迅科技股份有限责任公司，湖北 武汉 430205）

全光交换网络是指信息在网络中进行传输和数据交换时，始终以光的形式存在，中途不需要经过光电转换变为电信号，这样可以减少信号的损耗，提高传输速率[1]。

目前，全光网络还没有达到信息在整个传输网络都以光的形式存在，而只是传输和交换过程在光路中进行，控制部分还是用电路的方法来实现[2]。其中，光开关是全光网络的核心器件。

1 基于MEMS的光开关技术

微机电系统技术（Mechanical Systems）一般也称作MEMS 技术。其含义是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号控制电路，乃至接口、通信和电源于一体的微型器件或系统[1,3]。随着光、机、电一体化技术的发展[4]，近些年MEMS 光开关技术得到了飞速发展。在市场方面，传统机械式光开关在切换速度和体积上已经渐渐满足不了市场需求，市场份额逐年下降，而MEMS 光开关由于其体积小、稳定性高等特点，需求量逐年上升。因此，对于企业来说，研究基于MEMS的光开关技术，就显得尤为重要[5]。

MEMS 光开关通过电压驱动控制可以活动的MEMS 芯片进行旋转、升降或移动[6]，改变光信号的传播方向和角度，使其从不同的输出通道输出，以实现光路切换的功能。

2 设计方案

文中提出了一种基于MEMS 技术的光开关，可支持1×32、1×48、1×64、1×128 等多种输出通道，以电压驱动方式来控制MEMS 芯片。其主要基于镜面反射的原理，当加上适当的驱动电压时，可以控制MEMS 芯片上的微反射镜按照指定方向旋转指定角度，从而将输入光线反射到指定输出光纤，完成光路切换[7]。

设计中的光开关主要由输入输出光纤、准直器、MEMS 芯片、电路驱动控制单元组成。图1 为MEMS光开关结构，图1(a)为光纤阵列，中间一根为输入光纤，其余为输出光纤，图1(b)为准直透镜，可以对进入透镜的光进行准直，使光信号可以水平射入输出光纤，图1(c)是MEMS 芯片，可以对输入的光信号进行反射，使其从指定输出光纤输出。在实际工艺中，输入、输出光纤需要插入毛细管中进行固定，并与准直透镜共同组成准直器[8]。

图1 MEMS光开关结构

外部的电路驱动控制模块的设计是一个非常关键的环节，该设计采用电压驱动方式，由于MEMS 芯片对静电敏感，而且极易损伤，所以电路在静电防护方面要进行一些处理。电路采用的是高压静电驱动，电路驱动控制单元主要对MEMS 芯片实现有效、精确地驱动，以及与上位机控制端的通信等功能[9]。

总体电路设计框架如图2 所示。主要通过通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)串口、集成电路总线IIC（Inter-Integrated Circuit）接口等来接收上位机的控制指令及传输数据，然后通过微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)和数模转换器（DAC）芯片对MEMS 芯片进行外部电压控制[10]。上位机将控制要求传输给控制单元微处理器MCU，MCU 将数据信号处理后，对DAC 芯片输出驱动控制信号，DAC的作用是数模转换，将相应的数字信号转换为模拟电压信号，经过电压跟随器，最终输出模拟信号电压值，并施加到MEMS 芯片的电极上，通过上位机软件改变电压值，对MEMS 芯片中的微反射镜进行驱动[11]。

图2 电路设计框架

3 MEMS芯片工作原理

MEMS 芯片选用电压驱动的双轴扭臂芯片。该设计中的MEMS 芯片拥有两个转动轴（X轴和Y轴），这样可转动的角度范围更大，支持更多的通道数[12]。所以该设计可以支持芯片在4 个象限工作，象限图如图3 所示。

图3 象限图

该设计中，MEMS 芯片包含4 个梳状电极，每个梳状电极对应不同的旋转象限，通过对梳状电极加电，来控制芯片的旋转[13]。当4 个梳状电极都不加驱动电压时，此时没有静电力产生，微反射镜不动；当对某一梳状电极，如第一象限电极施加驱动电压时，微反射镜与梳状电极之间产生静电力，由于静电力总是吸引力，在吸引力的作用下，微反射镜向第一象限倾斜一定角度，输入光就可以被反射至相应位置的另一光纤中；而当对某两个梳状电极同时加电时，微反射镜就会向两个象限任意方向倾斜，输入光反射至相应输出光纤中。该设计中的MEMS 芯片拥有两个转动轴向，通过电压控制，可以实现任意方向的偏转[14]。每个通道点都会对应一个特定的X、Y轴的二维电压值坐标，通道点An对应的坐标可表示为（xn，yn）。可双轴旋转的1×N光开关示意图如图4所示[15]。

图4 可双轴旋转的1×N光开关示意图

4 光开关的阻塞问题及解决办法

MEMS 光开关在进行通道切换的过程中，由于光纤阵列结构的限制，很容易出现非目标通道探测到信号光而造成阻塞。图5 是一个简单的3×3 光纤阵列，中间的通道5 为COM 端，当光输出从通道1 切换到通道3 时，如果直接切换，会经过通道2，这就形成了阻塞。

图5 3×3光纤阵列

图6 为光开关在有阻塞时，通过N合一光功率计测得的光信号波形图，N合一光功率计的作用是将1×N的光开关全部输出通道的光功率用一条波形显示。从波形可以看出，当开始改变加电电压时，光信号开始切换通道，此时N条通道都没有光，但在切换的某一时刻，某一通道检测到了瞬时光功率，说明在切换到目标通道过程中，光信号经过了其他通道，形成了阻塞。

图6 有阻塞光开关的光信号波形

该设计提出了一种选取无干扰点的方法，以解决MEMS 光开关的阻塞问题。无干扰点是指从光纤阵列中选取一点或多点，使光信号从该点到任意通道切换时，不会经过其他所有通道。这样光信号在通道切换时，先从初始通道切换到无干扰点，再切换到目标通道，这样就不会产生阻塞，达到了无阻塞的目的。

通道数较少的MEMS 光开关的无干扰点选取较为简单，可以采用人工筛选，而对于通道数量较多的1×NMEMS 光开关，用人工筛选的方法选取无干扰点计算量巨大、工作效率低，而且筛选结果不够准确。文中提出一种通过软件自动选取合格通道和无干扰点的方法，可解决现有人工筛选方法中存在的各类问题。

具体步骤是：读取所有通道点Aa对应的二维电压值坐标（xa，ya），表示光信号切换到通道点Aa对应的通道时，需要分别在X轴和Y轴施加的电压值为xa和ya，其中，n∈{1,2,3,…,A}。

筛选出满足各项指标要求的通道B个，记录B个通道点对应的电压值坐标，将这些通道点分为若干个小组，小组的数量可以根据光开关通道点的数量确定，每个小组选出一个无干扰点，以便于光开关的通道切换。第C个小组如式（1）所示。

式中，i为小组C中通道点的数量，ACi为小组C中第i个通道点，ACi的坐标如式（2）所示。

对每一个小组，分别建立小组的栅格点矩阵，栅格点矩阵的大小可以根据实际需求确定，决定是需要快速寻找无干扰点，还是寻找精确度高的无干扰点。在小组C中，令X轴最小值为XCmin，Y轴最小值为YCmin，栅格点之间的距离为M，则列出小组C中的栅格点矩阵GC如式（3）所示。

式（3）中，m和n为矩阵的列数和行数，则栅格点矩阵中的第i行和第j列栅格点Pij的坐标如式（4）所示。

建立第一预设条件：对通道点与栅格点之间的距离和夹角进行限定，选取每个小组中满足该条件的所有通道点，加入该小组的备选通道点集合中；另选取每个小组中满足该条件的所有栅格点，加入该小组的备选无干扰点集合。

建立第二预设条件：对任意两个小组中的备选无干扰点之间的关系进行设定，例如对任一小组中的备选无干扰点和另一小组的备选无干扰点的连线，与途中经过的任一备选通道点之间的最小距离进行限定。将每个小组中满足该条件的备选无干扰点作为该小组的无干扰点，每个小组选取一个最优的无干扰点。光开关无干扰点选取方法的流程如图7所示。

图7 光开关无干扰点选取方法流程

由此可以实现对1×NMEMS 光开关无干扰点的自动选取，可大大提高筛选速度和准确度，保证光开关通道切换时的信号准确性和无干扰性。图8 为光开关选取无干扰点之后，通过N合一光功率计测得的光信号波形图，从波形图可以看出，光开关经过选取无干扰点之后，光信号在通道切换时不会产生阻塞。

图8 无阻塞光开关的光信号波形

5 结束语

随着技术的进步，光通信行业正在向全光交换的方向发展，而MEMS 光开关已经逐渐成为核心光交换器件中的主流。在未来，光开关必然向着更高交换速度，更大交叉容量，更高集成度等方向发展[15-18]。文中对多通道、无阻塞的MEMS 光开关的研究，有很重要的实际意义。