MEMS光开关控制原理解析

1 引言

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）是指将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路等集于一体的可批量制作的微型器件或系统。而MOEMS是 Micro-Opto-Electro- Mechanical System的缩写，意为微光机电系统，把微光学应用到微机电系统中，这是MEMS在光通信中的重要应用。微光电机械芯片通常是指包含一个以上微机械元件的光系统或光电子系统，其应用将遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感等多个方面。

随着光通信的快速发展，作为光网络节点的光互连与光交换的地位越来越重要。光交换器件是以光为核心实现光的通断和交叉连接的系统部件，不存在光电转换。MEMS光开关具备了低损耗和高稳定的优点，且与传输的数据速率和信号协议无关。实用化的MEMS光开关原理十分简单，其结构实质上是一个二维微镜片阵列，当进行光交换时，通过移动或改变镜片角度，把光直接送到或反射到光开关的不同输出端。MEMS光开关是利用机械开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时克服了它们所固有的缺点。MEMS光开关响应速度和可靠性大大提高，插入损耗和串音低，偏振和波长相关损耗也非常低，对不同环境的适应能力良好，功率和控制电压较低，并具有闭锁功能。

2 MEMS光开关控制原理

2.1 MEMS光开关简介

典型的MEMS光开关器件可分为二维和三维结构。二维MEMS的空间旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上，准直光通过微镜的适当旋转被接到适当的输出端。微铰链把微镜铰接在硅基底上，微镜两边有两个推杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接可平移梳妆电极。转换状态通过调节梳妆电极使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束从该微镜上面通过，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。三维MEMS的镜面能向任何方向偏转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。

在多种可能的驱动方法中，静电和磁感应法为主选方案。静电法依赖于电荷极性相反的机械元素之间的相互吸引，这是MEMS技术中使用的主要的驱动方法，它具有可重复性和容易屏蔽等优点。磁感应驱动依赖于磁体或者电磁体之间的相互吸引。尽管磁感应驱动能够产生更大的驱动力并具有较高的线性度，但由于磁感应应用中还有许多问题有待于解决，所以目前静电驱动方案仍然是可靠设备的最佳选择。

本文阐述的控制方案针对的是二维结构、采用静电法驱动的MEMS光开关。

2.2 控制原理与过程

MEMS 4×4光开关是OXC节点设备中的核心子系统之一。其在整个系统中负责将4种波长的光按照要求进行路由切换，以达到光交换的目的。

MEMS光开关的优点在于光波路由的切换是通过外部控制信息以及相应的高低电平控制内部16块微镜片抬升与否来完成的。我们选用的MEMS光开关规定在控制信息的格式上，不管其内部有多少个微镜片，都需要由一系列“1”和“0”组成的 64位串行数据来完成控制。

依据MEMS光开关的具体工作原理以及所需数字信号间的时序关系，所需的64位控制信息、以及其他信号（如CLK、ENA信号）可以由高速单片机来提供。

本控制系统在单板调试期间，由一台PC机的相应程序模拟本地控制，发出相应的路由信息。PC机的信息通过串口发送给单片机，单片机再进行进一步的控制动作。MEMS光开关路由成功与否等信息由单片机读取其内部寄存器中的64位控制数据，与原始的正确的64位数据进行对比完成。操作完成后，又由单片机通过串口向PC机产生相应的反馈信息。形成人机、远程与本地之间的交互。

为了保持与整个OXC系统的兼容性，MEMS 子系统除了可以受控于本地单片机，应该还可以由专门的主控制电路中的FPGA芯片直接控制。如此一来就可以做到确保子系统万无一失。为此，电路设计上也将为其保留接口。

3 控制系统设计

基于前述原理，该子系统的设计将分为硬件和软件设计两方面。

3.1 硬件设计方案

试验阶段将为MEMS设计四个控制通道，其中保留厂家的测试板电路并以此作为一个控制通道 ；为本地单片机不同类型的控制信息提供两个通道；此外，为将来可能用到的FPGA芯片控制信息预留一个通道。实际应用阶段将只保留一个单片机通道与一个FPGA控制通道。

在单板调试期间，路由与管理信息来自模拟网管的PC机软件，而在实际应用中，一切路由与管理信息将来自主控制板。图1是硬件设计框图。

虽然试验与实用阶段控制通道不止一个，但某一时期起作用的只有一个通道。通道的切换通过手动跳线完成。

单片机选用高速低耗双串口多中断的单片机。此单片机将为MEMS光开关提供64位控制信息以及所需的其他控制信号，如时钟CLK信号、路由使能信号等。

并-串转换电路用于将单片机并行发出的控制信息转换成MEMS要求的串行数据。这一功能由单片机和并-串转换芯片共同完成 ；串-并转换电路用于单片机并行读入MEMS内部寄存器中的串行原始路由信息。这一功能由单片机和串-并转换芯片共同完成。

3.2 软件设计方案：

因为在调试中需要人机交互，所以需要PC机程序和单片机控制程序各一套。两套程序通过RS-232接口进行通信。程序间的通信协议制定如下：

（1） PC发往单片机的数据

PC机程序采用图形界面，收发的各种信息将会在程序界面上给管理员作出相应的实时提示。图2给出PC机网管模拟程序流程图。

单片机控制程序与PC机程序相比，难度在于其既要发送MEMS需要的时钟信号、使能信号等，又要发送64位微镜片控制数据。这些信号之间有着严格的时序关系。编程时应该特别注意延时程序和指令编写技巧。单片机程序流程图，如图3所示。

4 结束语

通过软硬件的协调工作，MEMS光开关子系统可以顺利完成对多路光波路由的任意切换。调试阶段管理员利用计算机软件模拟网管发送路由控制指令给MEMS控制板上的单片机，实际应用中此路由控制指令由系统中的主控制板发出。单片机收到指令后，发出具体的、符合MEMS光开关控制要求的指令，控制MEMS光开关内部镜片相应动作，从而完成光路的交叉连接。此过程无需进行任何光-电转换。