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1 引言 MEMS（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- Mechanical System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(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(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(hào)協(xié)議無(wú)關(guān)。實(shí)用化的MEMS光開關(guān)原理十分簡(jiǎn)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(guò)移動(dòng)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(zhǎng)相關(guān)損耗也非常低，對(duì)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。 2 MEMS光開關(guān)控制原理 2.1 MEMS光開關(guān)簡(jiǎn)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(guò)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(guò)微鏡的適當(dāng)旋轉(zhuǎn)被接到適當(dāng)?shù)妮敵龆恕Ｎ€q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(guò)調(diào)節(jié)梳妝電極使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)微鏡為水平時(shí)，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)出現(xiàn)，輸入光線到達(dá)第一個(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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)能夠產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)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(wèn)題有待于解決，所以目前靜電驅(qū)動(dòng)方案仍然是可靠設(shè)備的最佳選擇。 本文闡述的控制方案針對(duì)的是二維結(jié)構(gòu)、采用靜電法驅(qū)動(dòng)的MEMS光開關(guān)。 2.2 控制原理與過(guò)程 MEMS 4×4光開關(guān)是OXC節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的核心子系統(tǒng)之一。其在整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將4種波長(zhǎng)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(guò)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(lái)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(lái)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(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)）可以由高速單片機(jī)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)再進(jìn)行進(jìn)一步的控制動(dòng)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(duì)比完成。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(lái)就可以做到確保子系統(tǒng)萬(wàn)無(wú)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(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，為將來(lái)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(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將來(lái)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(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)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(guò)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(huì)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(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)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(yǔ) 通過(guò)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(duì)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MEMS光開關(guān)控制要求的指令，控制MEMS光開關(guān)內(nèi)部鏡片相應(yīng)動(dòng)作，從而完成光路的交叉連接。此過(guò)程無(wú)需進(jìn)行任何光-電轉(zhuǎn)換。 |
