光學(xué)部件子系統(tǒng)的連接可靠性是指在環(huán)境(溫度、沖擊和抖動(dòng))變化時(shí)光路的穩(wěn)定性。光路最敏感的部分是介于光纖端面和微透鏡數(shù)組之間的部分，因?yàn)檫@里的一點(diǎn)很小的變動(dòng)就可以讓經(jīng)過(guò)MEMS鏡片的光線(xiàn)發(fā)生很大的變動(dòng)。

　　所以，這一部分的定位和穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)光路子系統(tǒng)的可靠性都起?至關(guān)重要的作用。幸好，克服這些環(huán)境因素也不是很難：可以通過(guò)準(zhǔn)絕熱處理來(lái)穩(wěn)定溫度，并對(duì)外殼進(jìn)行絕緣/緩沖處理。

　　通過(guò)冗余備份，系統(tǒng)控制器的電子部件和軟件可以達(dá)到很高的可用性。電子模塊可以采用好幾種冗余備份方式。這些備份方式在其它電子系統(tǒng)中都很常用，在MEMS或OXC的應(yīng)用中沒(méi)有什么特殊之處。

　　基于MEMS的OXC是電信系統(tǒng)有史以來(lái)首次引入的可活動(dòng)部件。因此，MEMS鏡片的可靠性立刻受到了質(zhì)疑。MEMS鏡片的可靠性問(wèn)題包括種種機(jī)械方面的失效——事實(shí)上，這僅是其中的一類(lèi)故障。

　　MEMS的可靠性還涉及高反射率的鏡片涂層、鏡片變形以及角度指向偏差，這些可能是入射光功率過(guò)大或其它環(huán)境因素，例如溫度、沖擊和抖動(dòng)等造成的。在鏡片受驅(qū)動(dòng)的區(qū)域內(nèi)，邊沿充電效應(yīng)對(duì)可靠性的影響至關(guān)重大。這里，我們要通過(guò)分析兩種不同的鏡片結(jié)構(gòu)，對(duì)這些故障機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

　　有兩種制作MEMS的基本工藝技術(shù)：立體刻蝕和表面沉積。立體刻蝕方法就是將硅從襯底刻蝕掉，其制造的結(jié)構(gòu)厚度可以達(dá)到500μm甚至更大，以至可以制作出很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(圖片1)。表面沉積制造的結(jié)構(gòu)通過(guò)薄膜沉積，一般厚度小于6μm。

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　　(圖片1)

　　立體刻蝕方法與表面沉積方法的表較

　　下面對(duì)引發(fā)不可靠連接的立體刻蝕和表面沉積鏡片的故障機(jī)理進(jìn)行一下比較。我們從入射光功率過(guò)大開(kāi)始分析。下一代DWDM系統(tǒng)由于復(fù)用的光信號(hào)數(shù)量很大，所以需要的入射光功率也會(huì)較大。

　　處理光功率大小的能力受限于鏡片的散熱能力。詳細(xì)舉例來(lái)說(shuō)，Telcordia10732中規(guī)定OXC的最大允許光功率為25dBm，即大約300mW。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MEMS鏡片的金涂層可以吸收這個(gè)功率的2%，也就是6mW。

　　如果鏡片的熱敏電阻過(guò)高，鏡片的溫度就會(huì)超過(guò)它的運(yùn)作溫度。想要保證可靠的運(yùn)作，鏡片的熱敏電阻就必須足夠小。以此推斷，如果不希望鏡片溫度超過(guò)30°C，熱敏電阻就必須小于30°C/6mW=5°C/mW。

　　由于局部鏡片出現(xiàn)問(wèn)題以及隨之帶來(lái)的溫度升高問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致MEMS鏡片發(fā)生嚴(yán)重的故障。表面沉積鏡片厚度很小，它的熱敏電阻就很難做到很小;而立體刻蝕方法做出的鏡片的厚度較大，同時(shí)熱敏電阻較小。因此，在光功率較大的場(chǎng)合中要使用立體刻蝕方法做出的鏡片。

　　由于溫度升高引發(fā)了鏡片彎曲，所以，對(duì)可靠連接影響較大的插入損耗，也不可避免的受到鏡片表面光失真的影響。類(lèi)似的，MEMS鏡片的涂層帶來(lái)應(yīng)力，也會(huì)導(dǎo)致鏡片彎曲。這里，立體刻蝕鏡片就比較有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗溺R片厚一些，所以它受外界因素——高反射率的介質(zhì)涂敷層和溫度所引起的彎曲——的影響較小。

　　MEMS鏡片出現(xiàn)機(jī)械失效的主要原因是靜摩擦，經(jīng)過(guò)沖擊造成的微裂紋擴(kuò)張和接觸，會(huì)引發(fā)表面靜摩擦。通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)就可以預(yù)防靜摩擦，立體刻蝕鏡片一般就不存在這個(gè)問(wèn)題。可靠的鏡片必須在結(jié)構(gòu)上做到減少微裂痕產(chǎn)生和蔓延。

　　通過(guò)保證所有的彎曲幅度都不超過(guò)硅的屈服應(yīng)力，可以使鏡片的壽命達(dá)到無(wú)限長(zhǎng)。精心設(shè)計(jì)的單晶立體刻蝕硅鏡片不存在因疲勞而產(chǎn)生的故障，因此，它比表面沉積鏡片在這方面具有優(yōu)勢(shì)。圖2展示的是一個(gè)立體刻蝕鏡片經(jīng)過(guò)1.06億個(gè)運(yùn)行周期后的偏差情況，并未發(fā)現(xiàn)鏡片有任何退化。

　　MEMS鏡片可以由靜電傳動(dòng)器、磁電傳動(dòng)器、熱傳動(dòng)器或壓電傳動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。其中壓電傳動(dòng)器和磁電傳動(dòng)器很難進(jìn)行高密度的集成。此外，磁電傳動(dòng)器和熱傳動(dòng)器還需要良好的屏蔽來(lái)消除鏡片間的串?dāng)_。而靜電傳動(dòng)器雖然有邊沿充電效應(yīng)的問(wèn)題需要解決，但是它功耗最小，最適于大規(guī)模集成。

　　在高壓下,邊沿電荷在電極或傳動(dòng)器周?chē)慕^緣電介質(zhì)層中累積。這些100-400V的高壓是驅(qū)動(dòng)鏡片的必要條件。在恒定電壓下，電荷的累積會(huì)引起鏡片位置的移動(dòng)。由于漏電流非常小，放電時(shí)間常數(shù)可以達(dá)到數(shù)分鐘甚至數(shù)天，因此這會(huì)導(dǎo)致不可靠和不可預(yù)計(jì)的連接。

　　從連接可靠性方面考慮，以靜電傳動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)的立體刻蝕鏡片是鏡片技術(shù)的首選。由于邊沿電荷和其它環(huán)境因素所帶來(lái)的不必要的鏡片移動(dòng)可以通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)溺R片控制環(huán)路來(lái)消除。

　　鏡片驅(qū)動(dòng)的可靠性

　　鏡片是用來(lái)實(shí)現(xiàn)連接的，當(dāng)存在環(huán)境問(wèn)題和長(zhǎng)期漂移的時(shí)候，若鏡片的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能精確地傾斜鏡片的話(huà)，就會(huì)使連接可靠性受到破壞。鏡片控制有兩種方案：開(kāi)環(huán)和死循環(huán)。這兩種鏡片控制體系處理器件漂移和環(huán)境影響的方式是相當(dāng)不同的。

　　開(kāi)環(huán)配置結(jié)構(gòu)中，MEMS應(yīng)用預(yù)先設(shè)定的電壓讓它們傾斜到預(yù)定的角度。開(kāi)環(huán)鏡片控制要根據(jù)不同的溫度，建立所有組件的精確映像。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)， MEMS鏡片驅(qū)動(dòng)電壓也要進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持可靠的連接。因此需要使用大量的檢查表和復(fù)雜的算法來(lái)計(jì)算由于溫度變化而要調(diào)整的驅(qū)動(dòng)電壓。這些表格和算法必須在連接校準(zhǔn)周期中定期更新，更新時(shí)系統(tǒng)要停機(jī)。

　　在死循環(huán)配置方法中，使用基于傳感器的反饋系統(tǒng)來(lái)連續(xù)地監(jiān)視和控制鏡片的傾斜角度。因此，鏡片定位的精確度就取決于傳感器的精確度，這樣就消除了大多數(shù)開(kāi)環(huán)控制器所敏感的問(wèn)題，如沖擊、抖動(dòng)以及由邊沿充電效應(yīng)和溫度變化而產(chǎn)生的漂移。

　　此外，一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的死循環(huán)控制器可以控制鏡片越過(guò)突降點(diǎn)。突降是當(dāng)靜電驅(qū)動(dòng)力比恢復(fù)彈力大的時(shí)候發(fā)生的一種情況。一旦發(fā)生突降，鏡片傳動(dòng)器就會(huì)倒塌到驅(qū)動(dòng)電極上。

　　實(shí)際應(yīng)用中有多種類(lèi)型的位置傳感器，從集成的鏡片位置傳感器到能夠檢測(cè)輸出光纖中紅外信號(hào)的傳感器。不同的傳感方法所能提供的性能也有所不同。此外，可以在外部使用慢速控制環(huán)來(lái)監(jiān)視某些典型信道的旋光性能。

　　為了使系統(tǒng)校準(zhǔn)達(dá)到最優(yōu)化和插入損耗達(dá)到最小，需要對(duì)這些信道的性能進(jìn)行跟蹤和分析。即使存在沖擊、抖動(dòng)、溫度變化和長(zhǎng)期漂移的情況，一個(gè)良好的死循環(huán)鏡片控制器也能提供最為可靠的連接。