MEMS光開關(guān)控制原理解析-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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1引言MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems，微機(jī)電系統(tǒng)）是指將微型機(jī)械、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路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-MechanicalSystem的縮寫，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)或光電子系統(tǒng)，其應(yīng)用將遍及光通信、光顯示、數(shù)據(jù)存儲、自適應(yīng)光學(xué)及光學(xué)傳感等多個(gè)方面。

隨著光通信的快速發(fā)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越重要。光交換器件是以光為實(shí)現(xiàn)光的通斷和交叉連接的系統(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(diǎn)，且與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率和信號協(xié)議無關(guān)。實(shí)用化的MEMS光開關(guān)原理十分簡單，其結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)二維微鏡片陣列，當(dāng)進(jìn)行光交換時(shí)，通過移動或改變鏡片角度，把光直接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(jī)械開關(guān)的原理，但又能像波導(dǎo)開關(guān)那樣，集成在單片硅基底上，因此兼有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了它們所固有的缺點(diǎn)。MEMS光開關(guān)響應(yīng)速度和可靠性大大提高，插入損耗和串音低，偏振和波長相關(guān)損耗也非常低，對不同環(huán)境的適應(yīng)能力良好，功率和控制電壓較低，并具有閉鎖功能。

2MEMS光開關(guān)控制原理2.1MEMS光開關(guān)簡介

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(jī)械制造技術(shù)單片集成在硅基底上，準(zhǔn)直光通過微鏡的適當(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，推桿一端連接微鏡鉸接點(diǎn)，另一端連接可平移梳妝電極。轉(zhuǎn)換狀態(tài)通過調(diào)節(jié)梳妝電極使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動，當(dāng)微鏡為水平時(shí)，可使光束從該微鏡上面通過，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出現(xiàn)，輸入光線到達(dá)個(gè)陣列鏡面上被反射到第二個(gè)陣列的鏡面上，然后光線被反射到輸出端口。

在多種可能的驅(qū)動方法中，靜電和磁感應(yīng)法為主選方案。靜電法依賴于電荷極性相反的機(jī)械元素之間的相互吸引，這是MEMS技術(shù)中使用的主要的驅(qū)動方法，它具有可重復(fù)性和容易屏蔽等優(yōu)點(diǎn)。磁感應(yīng)驅(qū)動依賴于磁體或者電磁體之間的相互吸引。盡管磁感應(yīng)驅(qū)動能夠產(chǎn)生更大的驅(qū)動力并具有較高的線性度，但由于磁感應(yīng)應(yīng)用中還有許多問題有待于解決，所以目前靜電驅(qū)動方案仍然是可靠設(shè)備的選擇。

本文闡述的控制方案針對的是二維結(jié)構(gòu)、采用靜電法驅(qū)動的MEMS光開關(guān)。

2.2控制原理與過程

MEMS4&mes;4光開關(guān)是OXC節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的子系統(tǒng)之一。其在整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將4種波長的光按照要求進(jìn)行路由切換，以達(dá)到光交換的目的。

MEMS光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)在于光波路由的切換是通過外部控制信息以及相應(yīng)的高低電平控制內(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(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)來完成控制。

依據(jù)MEMS光開關(guān)的具體工作原理以及所需數(shù)字信號間的時(shí)序關(guān)系，所需的64位控制信息、以及其他信號（如CLK、ENA信號）可以由高速單片機(jī)來提供。

本控制系統(tǒng)在單板調(diào)試期間，由一臺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)的信息通過串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再進(jìn)行進(jìn)一步的控制動作。MEMS光開關(guān)路由成功與否等信息由單片機(jī)讀取其內(nèi)部寄存器中的64位控制數(shù)據(jù)，與原始的正確的64位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比完成。操作完成后，又由單片機(jī)通過串口向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。

為了保持與整個(gè)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)該還可以由專門的主控制電路中的FPGA芯片直接控制。如此一來就可以做到確保子系統(tǒng)萬無一失。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)方案

試驗(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，為將來可能用到的FPGA芯片控制信息預(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將來自主控制板。圖1是硬件設(shè)計(jì)框圖。

雖然試驗(yàn)與實(shí)用階段控制通道不止一個(gè)，但某一時(shí)期起作用的只有一個(gè)通道。通道的切換通過手動跳線完成。

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光開關(guān)提供64位控制信息以及所需的其他控制信號，如時(shí)鐘CLK信號、路由使能信號等。

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)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)方案：

因?yàn)樵谡{(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RS-232接口進(jìn)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)程序采用圖形界面，收發(fā)的各種信息將會在程序界面上給管理員作出相應(yīng)的實(shí)時(shí)提示。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、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(yán)格的時(shí)序關(guān)系。編程時(shí)應(yīng)該特別注意延時(shí)程序和指令編寫技巧。單片機(jī)程序流程圖，如圖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)可以順利完成對多路光波路由的任意切換。調(diào)試階段管理員利用計(jì)算機(jī)軟件模擬網(wǎng)管發(fā)送路由控制指令給MEMS控制板上的單片機(jī)，實(shí)際應(yīng)用中此路由控制指令由系統(tǒng)中的主控制板發(fā)出。單片機(jī)收到指令后，發(fā)出具體的、符合M