集成位置感應(yīng)電子鏡用于光交換應(yīng)用

對于電信系統(tǒng)從10-Gbit速率過渡到40-Gbit速率，使用全光開關(guān)的信號路徑變得越來越有吸引力。 ADI公司開發(fā)了一種集成光學(xué)微機電系統(tǒng)（光學(xué)iMEMS）技術(shù)。它結(jié)合了鏡子，用于靜電偏轉(zhuǎn)的高壓CMOS和用于片上電容位置感應(yīng)的低壓CMOS。該技術(shù)可以大幅降低全光交換系統(tǒng)的成本，從2×2交換機到大型陣列。這里簡要描述了位置感知功能的方法和初始結(jié)果。

簡介

全光開關(guān)不需要轉(zhuǎn)換光學(xué)數(shù)據(jù)電信號和返回。它們通過消除重要的轉(zhuǎn)換瓶頸來提高網(wǎng)絡(luò)速度，并且它們與帶寬和協(xié)議無關(guān)。

許多全光交換機的核心部件是可移動鏡像。雖然正在開發(fā)沒有位置感應(yīng)能力的鏡子，但是它們的裝配和光纖對準成本預(yù)計會導(dǎo)致相對較高的價格。位置感應(yīng)用于包括高壓驅(qū)動電路和外部DSP的反饋控制回路，可將鏡子自然穩(wěn)定時間減少10倍，達到新的位置。與簡單地驅(qū)動鏡子的開環(huán)系統(tǒng)相比，這種類型的控制回路還可以提供更多的抗沖擊和振動保護 - 但是既不接收也不作用于位置信息。

我們在這里描述了第一個要開發(fā)的鏡子具有MEMS結(jié)構(gòu)的片上集成電容位置感應(yīng)。重點是電容感應(yīng)能力的方法和結(jié)果，我們認為這是降低全光開關(guān)成本的重要因素。

電容位置感應(yīng)

使用電容變化來測量鏡面位置與其他方法相比具有許多優(yōu)勢。它允許標準CMOS處理 - 而不是昂貴的自定義過程 - 用于使用該技術(shù)的設(shè)備。電容傳感在整個溫度范圍內(nèi)相對穩(wěn)定，而其他測量方法（如壓阻）可能需要復(fù)雜的連接才能消除一階溫度效應(yīng)。電容式傳感也適用于可增加穩(wěn)定性的片上電路技術(shù)。

在一個軸周圍完成角度位置測量的一種方法是在鏡子本身和下面的兩個感應(yīng)電極之間形成一個電容分壓器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。當鏡子圍繞平行于兩個電極之間的分界線的軸旋轉(zhuǎn)時，一個電容值增加而另一個電容值減小。該差分電容可用于測量鏡面旋轉(zhuǎn)。當然，在實際操作中，電極設(shè)計用于檢測多個旋轉(zhuǎn)軸（參見圖4）。

圖2顯示了測量差分電容的簡化版電路。相反的電壓脈沖施加到每個感測電極，并且任何差分電容將導(dǎo)致鏡節(jié)點自身上的過量正電荷或負電荷。該電荷通過片上放大器轉(zhuǎn)換為電壓。如果電容關(guān)系已知，電壓可以提供鏡子角位置的定量測量。

通過在芯片上集成放大器電路，可以獲得比可提供的更大的位置測量精度。片外檢測。主要原因是與鍵合線相關(guān)的寄生電容和交叉耦合路徑可以很容易地掩蓋被測量的微小位置電容。與片上互連相關(guān)的小得多的寄生電容導(dǎo)致信號完整性的顯著增加。

制造

如上所述的鏡子和位置感測電路已在ADI公司成功制造和測試。圖3顯示了用于制造這些鏡子的專有光學(xué)iMEMS工藝的橫截面。使用3層工藝 - 使用絕緣體上硅（SOI）鍵合 - 用于在同一襯底上制造鏡子，硅犧牲層和電路器件層。這些元件結(jié)合在一起，可以使精細的MEMS結(jié)構(gòu)和精密的高低壓BiCMOS電路共存于同一基板上，使電容鏡檢測成為可能。

掃描電子顯微鏡（SEM）制作的反射鏡陣列的圖像如圖4所示。該圖顯示了2軸反射鏡，位置感應(yīng)電子設(shè)備（底部）和鏡子下方的間隙，使其可以旋轉(zhuǎn)。如圖所示，它圍繞“Y”軸旋轉(zhuǎn)。雖然這里沒有顯示，但可以在同一基板上制造多個反射鏡，從而實現(xiàn)高端口數(shù)設(shè)計和ADI公司微加工產(chǎn)品的典型規(guī)模經(jīng)濟。

表1.設(shè)計目標和實驗結(jié)果。

圖5顯示了應(yīng)用的驅(qū)動器之間的關(guān)系電壓和位置感測接口的輸出。在這種情況下，負輸入電壓是指施加到負驅(qū)動電極的電壓。典型的靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu)的典型V×| V |平方律行為很容易在數(shù)據(jù)中觀察到。

結(jié)論

ADI公司微機械產(chǎn)品部門開發(fā)出第一款帶有片上電容位置傳感的反射鏡。該技術(shù)承諾采用全光開關(guān)的產(chǎn)品具有改進的插入損耗性能和高端口數(shù)。這些發(fā)展是大大降低全光開關(guān)組裝成本的第一步。