MEMS光開關(guān)的控制

1、mems光開關(guān)的控制（micro-electro-mechanical systems，微機電系統(tǒng)）是指將微型機械、微型執(zhí)行器、信號處理和控制等集于一體的可批量制作的微型器件或系統(tǒng)。而moems是 micro-opto-electro- mechanical system的縮寫，意為微光機電系統(tǒng)，把微光學應用到微機電系統(tǒng)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(tǒng)或光系統(tǒng)，其應用將遍及光通信、光顯示、數(shù)據(jù)存儲、自適應光學及光學傳感等多個方面。隨著光通信的迅速進展，作為光網(wǎng)絡節(jié)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(xiàn)光的通斷和交

2、錯銜接的系統(tǒng)部件，不存在光電轉(zhuǎn)換。mems光開關(guān)具備了低損耗和高穩(wěn)定的優(yōu)點，且與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率和信號協(xié)議無關(guān)。有用化的mems光開關(guān)原理非常容易，其結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是一個二維微鏡片陣列，當舉行光交換時，通過移動或轉(zhuǎn)變鏡片角度，把光挺直送到或反射到光開關(guān)的不同輸出端。mems光開關(guān)是利用機械開關(guān)的原理，但又能像波導開關(guān)那樣，集成在單片硅基底上，因此兼有機械光開關(guān)和波導光開關(guān)的優(yōu)點，同時克服了它們所固有的缺點。mems光開關(guān)響應速度和牢靠性大大提高，插入損耗和串音低，偏振和波長相關(guān)損耗也十分低，對不同環(huán)境的適應能力良好，功率和控制較低，并具有閉鎖功能。2 mems光開關(guān)控制原理2.1 mems光開關(guān)簡介

3、典型的mems光開關(guān)器件可分為二維和三維結(jié)構(gòu)。二維mems的空間旋轉(zhuǎn)鏡通過表面微機械創(chuàng)造技術(shù)單片集成在硅基底上，準直光通過微鏡的適當旋轉(zhuǎn)被接到適當?shù)妮敵龆?。微鉸鏈把微鏡鉸接在硅基底上，微鏡兩邊有兩個推桿，推桿一端銜接微鏡鉸接點，另一端銜接可平移梳妝電極。轉(zhuǎn)換狀態(tài)通過調(diào)整梳妝電極使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動，當微鏡為水平常，可使光束從該微鏡上面通過，當微鏡旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，這些陣列通常是成對浮現(xiàn)，輸入光芒到達第一個陣列鏡面上被反射到其次個陣列的鏡面上，然后光芒被反射到輸出端口。 在多種可能的驅(qū)動辦法中，

4、靜電和磁感應法為主選計劃。靜電法依靠于電荷極性相反的機械元素之間的互相吸引，這是mems技術(shù)中用法的主要的驅(qū)動辦法，它具有可重復性和簡單屏蔽等優(yōu)點。磁感應驅(qū)動依靠于磁體或者電磁體之間的互相吸引。盡管磁感應驅(qū)動能夠產(chǎn)生更大的驅(qū)動力并具有較高的線性度，但因為磁感應應用中還有許多問題有待于解決，所以目前靜電驅(qū)動計劃仍然是牢靠設備的最佳挑選。本文闡述的控制計劃針對的是二維結(jié)構(gòu)、采納靜電法驅(qū)動的mems光開關(guān)。2.2 控制原理與過程mems 4×4光開關(guān)是oxc節(jié)點設備中的核心子系統(tǒng)之一。其在囫圇系統(tǒng)中負責將4種波長的光根據(jù)要求舉行路由切換，以達到光交換的目的。mems光開關(guān)的優(yōu)點在于光波路由

5、的切換是通過外部控制信息以及相應的凹凸電平控制內(nèi)部16塊微鏡片抬升與否來完成的。我們選用的mems光開關(guān)規(guī)定在控制信息的格式上，不管其內(nèi)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(shù)據(jù)來完成控制。依據(jù)mems光開關(guān)的詳細工作原理以及所需數(shù)字信號間的時序關(guān)系，所需的64位控制信息、以及其他信號（如clk、ena信號）可以由高速來提供。本控制系統(tǒng)在單板調(diào)試期間，由一臺pc機的相應程序模擬本地控制，發(fā)出相應的路由信息。pc機的信息通過串口發(fā)送給單片機，單片機再舉行進一步的控制動作。mems光開關(guān)路由勝利與否等信息由單片機讀取其內(nèi)部寄存器中的

6、64位控制數(shù)據(jù)，與原始的正確的64位數(shù)據(jù)舉行對照完成。操作完成后，又由單片機通過串口向pc機產(chǎn)生相應的反饋信息。形成人機、遠程與本地之間的交互。為了保持與囫圇oxc系統(tǒng)的兼容性，mems 子系統(tǒng)除了可以受控于本地單片機，應當還可以由特地的主控制電路中的芯片挺直控制。如此一來就可以做到確保子系統(tǒng)十拿九穩(wěn)。為此，電路設計上也將為其保留接口。3 控制系統(tǒng)設計基于前述原理，該子系統(tǒng)的設計將分為硬件和軟件設計兩方面。3.1 硬件設計計劃實驗階段將為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，為未來可能用到的fpga芯片控制

7、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(diào)試期間，路由與管理信息來自模擬網(wǎng)管的pc機軟件，而在實際應用中，一切路由與管理信息未來自主控制板。圖1是硬件設計框圖。雖然實驗與有用階段控制通道不止一個，但某一時期起作用的惟獨一個通道。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(guān)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(zhuǎn)換電路用于將單片機并行發(fā)出的控制信息轉(zhuǎn)換成mems要求的串行數(shù)據(jù)。這一功能由單片機和并-串轉(zhuǎn)換芯片共同完成 ；串-并轉(zhuǎn)換電路用于單片機并行讀入mems內(nèi)

8、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(zhuǎn)換芯片共同完成。3.2 軟件設計計劃：由于在調(diào)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接口舉行通信。程序間的通信協(xié)議制定如下：（1） pc發(fā)往單片機的數(shù)據(jù)pc機程序采納圖形界面，收發(fā)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醒。圖2給出pc機網(wǎng)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(fā)送mems需要的時鐘信號、使能信號等，又要發(fā)送64位微鏡片控制數(shù)據(jù)。這些信號之間有著嚴格的時序關(guān)系。編程時應當特殊注重延時程序和命令編寫技巧。單片機程序流程圖，3所示。4 結(jié)束語通過軟硬件的協(xié)調(diào)工作，mems光開關(guān)子系統(tǒng)可以順當完成對多路光波路由的隨意切換。調(diào)試階段管理員利用計算機軟件模擬網(wǎng)管發(fā)送路由控