MEMS光開(kāi)關(guān)的控制

1、mems光開(kāi)關(guān)的控制（micro-electro-mechanical systems，微機(jī)電系統(tǒng)）是指將微型機(jī)械、微型執(zhí)行器、信號(hào)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(xiě)，意為微光機(jī)電系統(tǒng)，把微光學(xué)應(yīng)用到微機(jī)電系統(tǒng)中，這是mems在光通信中的重要應(yīng)用。微光電機(jī)械芯片通常是指包含一個(gè)以上微機(jī)械元件的光系統(tǒng)或光系統(tǒng)，其應(yīng)用將遍及光通信、光顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自適應(yīng)光學(xué)及光學(xué)傳感等多個(gè)方面。隨著光通信的迅速進(jìn)展，作為光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的光互連與光交換的地位越來(lái)越重要。光交換器件是以光為核心實(shí)現(xiàn)光的通斷和交

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

3、典型的mems光開(kāi)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(guò)表面微機(jī)械創(chuàng)造技術(shù)單片集成在硅基底上，準(zhǔn)直光通過(guò)微鏡的適當(dāng)旋轉(zhuǎn)被接到適當(dāng)?shù)妮敵龆?。微鉸鏈把微鏡鉸接在硅基底上，微鏡兩邊有兩個(gè)推桿，推桿一端銜接微鏡鉸接點(diǎn)，另一端銜接可平移梳妝電極。轉(zhuǎn)換狀態(tài)通過(guò)調(diào)整梳妝電極使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)微鏡為水平常，可使光束從該微鏡上面通過(guò)，當(dāng)微鏡旋轉(zhuǎn)到與硅基底垂直時(shí)，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該微鏡對(duì)應(yīng)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(duì)浮現(xiàn)，輸入光芒到達(dá)第一個(gè)陣列鏡面上被反射到其次個(gè)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(dòng)辦法中，

4、靜電和磁感應(yīng)法為主選計(jì)劃。靜電法依靠于電荷極性相反的機(jī)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(dòng)辦法，它具有可重復(fù)性和簡(jiǎn)單屏蔽等優(yōu)點(diǎn)。磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)依靠于磁體或者電磁體之間的互相吸引。盡管磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)能夠產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)力并具有較高的線性度，但因?yàn)榇鸥袘?yīng)應(yīng)用中還有許多問(wèn)題有待于解決，所以目前靜電驅(qū)動(dòng)計(jì)劃仍然是牢靠設(shè)備的最佳挑選。本文闡述的控制計(jì)劃針對(duì)的是二維結(jié)構(gòu)、采納靜電法驅(qū)動(dòng)的mems光開(kāi)關(guān)。2.2 控制原理與過(guò)程mems 4×4光開(kāi)關(guān)是oxc節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的核心子系統(tǒng)之一。其在囫圇系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將4種波長(zhǎng)的光根據(jù)要求舉行路由切換，以達(dá)到光交換的目的。mems光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)在于光波路由

5、的切換是通過(guò)外部控制信息以及相應(yīng)的凹凸電平控制內(nèi)部16塊微鏡片抬升與否來(lái)完成的。我們選用的mems光開(kāi)關(guān)規(guī)定在控制信息的格式上，不管其內(nèi)部有多少個(gè)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(lái)完成控制。依據(jù)mems光開(kāi)關(guān)的詳細(xì)工作原理以及所需數(shù)字信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系，所需的64位控制信息、以及其他信號(hào)（如clk、ena信號(hào)）可以由高速來(lái)提供。本控制系統(tǒng)在單板調(diào)試期間，由一臺(tái)pc機(jī)的相應(yīng)程序模擬本地控制，發(fā)出相應(yīng)的路由信息。pc機(jī)的信息通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再舉行進(jìn)一步的控制動(dòng)作。mems光開(kāi)關(guān)路由勝利與否等信息由單片機(jī)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(duì)照完成。操作完成后，又由單片機(jī)通過(guò)串口向pc機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信息。形成人機(jī)、遠(yuǎn)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(jī)，應(yīng)當(dāng)還可以由特地的主控制電路中的芯片挺直控制。如此一來(lái)就可以做到確保子系統(tǒng)十拿九穩(wěn)。為此，電路設(shè)計(jì)上也將為其保留接口。3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于前述原理，該子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將分為硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面。3.1 硬件設(shè)計(jì)計(jì)劃實(shí)驗(yàn)階段將為mems設(shè)計(jì)四個(gè)控制通道，其中保留廠家的測(cè)試板電路并以此作為一個(gè)控制通道 ；為本地單片機(jī)不同類型的控制信息提供兩個(gè)通道；此外，為未來(lái)可能用到的fpga芯片控制

7、信息預(yù)留一個(gè)通道。實(shí)際應(yīng)用階段將只保留一個(gè)單片機(jī)通道與一個(gè)fpga控制通道。在單板調(diào)試期間，路由與管理信息來(lái)自模擬網(wǎng)管的pc機(jī)軟件，而在實(shí)際應(yīng)用中，一切路由與管理信息未來(lái)自主控制板。圖1是硬件設(shè)計(jì)框圖。雖然實(shí)驗(yàn)與有用階段控制通道不止一個(gè)，但某一時(shí)期起作用的惟獨(dú)一個(gè)通道。通道的切換通過(guò)手動(dòng)跳線完成。單片機(jī)選用高速低耗雙串口多中斷的單片機(jī)。此單片機(jī)將為mems光開(kāi)關(guān)提供64位控制信息以及所需的其他控制信號(hào)，如時(shí)鐘clk信號(hào)、路由使能信號(hào)等。并-串轉(zhuǎn)換電路用于將單片機(jī)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(jī)和并-串轉(zhuǎn)換芯片共同完成 ；串-并轉(zhuǎn)換電路用于單片機(jī)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(jī)和串-并轉(zhuǎn)換芯片共同完成。3.2 軟件設(shè)計(jì)計(jì)劃：由于在調(diào)試中需要人機(jī)交互，所以需要pc機(jī)程序和單片機(jī)控制程序各一套。兩套程序通過(guò)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(jī)的數(shù)據(jù)pc機(jī)程序采納圖形界面，收發(fā)的各種信息將會(huì)在程序界面上給管理員作出相應(yīng)的實(shí)時(shí)提醒。圖2給出pc機(jī)網(wǎng)管模擬程序流程圖。單片機(jī)控制程序與pc機(jī)程序相比，難度在于其既要發(fā)送mems需要的時(shí)鐘信號(hào)、使能信號(hào)等，又要發(fā)送64位微鏡片控制數(shù)據(jù)。這些信號(hào)之間有著嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系。編程時(shí)應(yīng)當(dāng)特殊注重延時(shí)程序和命令編寫(xiě)技巧。單片機(jī)程序流程圖，3所示。4 結(jié)束語(yǔ)通過(guò)軟硬件的協(xié)調(diào)工作，mems光開(kāi)關(guān)子系統(tǒng)可以順當(dāng)完成對(duì)多路光波路由的隨意切換。調(diào)試階段管理員利用計(jì)算機(jī)軟件模擬網(wǎng)管發(fā)送路由控