NGN - Micro Electro Mechanical Systems النظام الميكانيكي الكهربائي المصغر

NGN - Micro Electro

 Mechanical Systems النظام الميكانيكي الكهربائي المصغر

 DWDM مجموعة من أطوال الموجات الضوئية (أو القنوات) حول 1،553 نانومتر مع تباعد قناة 0.8 نانومتر (100 جيجاهرتز) ، يمكن لكل طول موجة أن يحمل معلومات تصل إلى 10 جيجابت في الثانية (STM 64). يمكن دمج أكثر من 100 قناة من هذه القنوات ونقلها على ألياف واحدة. الجهود مستمرة للضغط على القنوات بشكل أكبر ولزيادة معدل بتات البيانات على كل قناة.

تجريبيًا ، تم اختبار إرسال 80 قناة ، تحمل كل منها 40 جيجابت في الثانية (ما يعادل 3.2 تيرا بايت / ثانية) على ألياف مفردة بنجاح على مدى 300 كيلومتر. يتطلب نشر شبكة DWDM الضوئية من نقطة إلى نقطة والقائمة على الحلقة نوعًا جديدًا من عناصر الشبكة التي يمكنها معالجة الإشارات أثناء التشغيل دون تحويل OEO المكلف. تعد المضخمات الضوئية والمرشحات ومضاعفات الإسقاط البصري ومضاعفات الإرسال والتوصيل البصري من بعض عناصر الشبكة الأساسية. تلعب MEMS دورًا مهمًا في تصميم وتطوير عناصر الشبكة هذه.

MEMS هو اختصار للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة. يتم استخدامه لإنشاء أجهزة فائقة الصغر ذات أبعاد تتراوح من بضعة ميكرونات إلى بضعة سنتيمترات. هذه تشبه إلى حد كبير IC ، ولكن مع القدرة على دمج الأجزاء الميكانيكية المتحركة على نفس الركيزة.

تعود جذور تقنية MEMS إلى صناعة أشباه الموصلات. يتم تصنيعها باستخدام عملية التصنيع الدفعي المشابهة لـ VLSI. نظام MEMS النموذجي عبارة عن نظام دقيق متكامل على شريحة يمكن أن يدمج الأجزاء الميكانيكية المتحركة بالإضافة إلى العناصر الكهربائية والضوئية والموائع والكيميائية والطبية الحيوية.

وظيفيًا ، تشتمل الأنظمة الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) على مجموعة متنوعة من آليات التحويل لتحويل الإشارات من شكل من أشكال الطاقة إلى شكل آخر.

يمكن دمج العديد من الأنواع المختلفة من أجهزة الاستشعار الدقيقة والمشغلات الدقيقة مع معالجة الإشارات والأنظمة الفرعية الضوئية والحوسبة الدقيقة لتشكيل نظام وظيفي كامل على شريحة. القدرة المميزة لـ MEMS هي تضمين الأجزاء الميكانيكية المتحركة على نفس الركيزة.

نظرًا لصغر حجمها ، من الممكن استخدام النظم الكهروميكانيكية الصغرى في الأماكن التي يستحيل فيها وضع الأجهزة الميكانيكية ؛ مثل داخل وعاء دموي لجسم الإنسان. كما أن وقت التبديل والاستجابة لأجهزة MEMS أقل من الأجهزة التقليدية وتستهلك طاقة أقل.

تطبيق MEMS

اليوم ، تجد MEMS تطبيقًا في كل مجال. الاتصالات ، والعلوم الحيوية ، وأجهزة الاستشعار هم المستفيدون الرئيسيون. يتم نشر مستشعرات الحركة والتسارع والضغط المستندة إلى MEMS على نطاق واسع في الطائرات والمركبات الفضائية لزيادة السلامة والموثوقية. تم تطوير أقمار بيكو (التي تزن حوالي 250 جم) كأجهزة تفتيش واتصالات ومراقبة. تستخدم هذه الأنظمة المستندة إلى MEMS كحمولة وكذلك للتحكم في مدارها. تُستخدم MEMS في فوهات طابعات نفث الحبر ورؤوس القراءة / الكتابة لمحركات الأقراص الثابتة. تستخدم صناعة السيارات نظام MEMS في "أنظمة حقن الوقود" وأجهزة استشعار الوسادة الهوائية.

يضع مهندسو التصميم MEMS في تصميماتهم الجديدة لتحسين أداء منتجاتهم. يقلل من تكلفة التصنيع والوقت. يوفر تكامل وظائف متعددة في MEMS درجة أعلى من التصغير ، وعدد أقل للمكونات ، وموثوقية متزايدة.

تقنيات التصميم والتصنيع

في العقود القليلة الماضية ، نمت صناعة أشباه الموصلات إلى مرحلة النضج. استفاد تطوير النظم الكهروميكانيكية الصغرى بشكل كبير من هذه التكنولوجيا. في البداية ، تم استعارة التقنيات والمواد المستخدمة في تصميم وتصنيع الدوائر المتكاملة (IC) مباشرةً لتطوير النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) ، ولكن يتم الآن تطوير العديد من تقنيات التصنيع الخاصة بنظام MEMS. تعد المعالجة الدقيقة للسطح ، والتشكيل الدقيق بالجملة ، والحفر الأيوني التفاعلي العميق (DRIE) ، والقولبة الدقيقة من بعض تقنيات تصنيع النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) المتقدمة.

باستخدام طريقة micromachining ، يتم ترسيب طبقات مختلفة من البولي سيليكون ، عادة ما يكون سمكها من 1-100 مم ، لتشكيل هيكل ثلاثي الأبعاد به موصلات معدنية ، ومرايا ، وطبقات عازلة. تزيل عملية النقش الدقيقة بشكل انتقائي غشاء تسطير (طبقة ذوابة) تاركة غشاءً متراكبًا يُشار إليه بالطبقة الهيكلية القادرة على الحركة الميكانيكية.

تستخدم الآلات الدقيقة السطحية لتصنيع مجموعة متنوعة من أجهزة النظم الكهروميكانيكية الصغرى بأحجام تجارية. يمكن رؤية طبقات البولي سيليكون والمعدن قبل وبعد عملية النقش.

تعد الآلات الدقيقة السائبة عملية أخرى مستخدمة على نطاق واسع لتشكيل مكونات وظيفية للنظم الكهروميكانيكية الصغرى. يتم نمذجة بلورة السيليكون المفردة وتشكيلها لتشكيل أجزاء ثلاثية الأبعاد عالية الدقة مثل القنوات والتروس والأغشية والفوهات وما إلى ذلك. يتم دمج هذه المكونات مع أجزاء وأنظمة فرعية أخرى لإنتاج أنظمة كهروميكانيكية صغرى تعمل بشكل كامل.

بعض الكتل الإنشائية الموحدة لمعالجة النظم الكهروميكانيكية الصغرى ومكونات النظم الكهروميكانيكية الصغرى هي عمليات MEMS متعددة المستخدمين (MUMPs). هذه هي أسس النظام الأساسي الذي يؤدي إلى نهج خاص بالتطبيقات لنظام MEMS ، مشابه جدًا للنهج الخاص بالتطبيقات (ASIC) ، والذي حقق نجاحًا كبيرًا في صناعة الدوائر المتكاملة.

جميع شبكات DWDM البصرية و MEMS

يواجه خبراء الاتصالات اليوم تحديًا غير مسبوق لاستيعاب مجموعة دائمة التوسع من خدمات النطاق الترددي العالي في شبكات الاتصالات. يتزايد الطلب على النطاق الترددي بشكل كبير بسبب التوسع في الإنترنت والخدمات التي تدعم الإنترنت. أدى وصول تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM) إلى حل هذه الندرة التكنولوجية وتغيير اقتصاديات الشبكة الضوئية الأساسية تمامًا.

يستخدم DWDM مجموعة من الأطوال الموجية الضوئية (أو القنوات) حول 1553 نانومتر مع تباعد قناة 0.8 نانومتر (100 جيجاهرتز) ، يمكن لكل طول موجي نقل معلومات تصل إلى 10 جيجابت في الثانية (STM 64). يمكن دمج أكثر من 100 قناة من هذه القنوات ونقلها على ألياف واحدة. الجهود مستمرة للضغط على القنوات بشكل أكبر ولزيادة معدل بتات البيانات على كل قناة.

تجريبيًا ، تم اختبار إرسال 80 قناة ، تحمل كل منها 40 جيجابت / ثانية (ما يعادل 3.2 تيرا بايت / ثانية) على ليف واحد بنجاح على طول 300 كم. يتطلب نشر شبكة DWDM الضوئية من نقطة إلى نقطة والقائمة على الحلقة نوعًا جديدًا من عناصر الشبكة التي يمكنها معالجة الإشارات أثناء التشغيل دون تحويل OEO المكلف. تعد المضخمات الضوئية والمرشحات ومضاعفات الإضافة البصرية ومضاعفات الإرسال والتوصيل البصري من بعض عناصر الشبكة الأساسية. تلعب MEMS دورًا مهمًا في تصميم وتطوير عناصر الشبكة هذه. سنناقش Optical Add Drop Mux (OADM) و Optical Cross Connect (OXC) بالتفصيل.

اختراق في التحويل البصري

تم عرض مفتاح بصري عملي قائم على MEMS من قبل العلماء في Bell Labs خلال عام 1999. وهو يعمل مثل قضيب متأرجح به مرآة مجهرية مطلية بالذهب في أحد طرفيه. تسحب القوة الكهروستاتيكية الطرف الآخر من الشريط لأسفل ، وترفع المرآة التي تعكس الضوء بزاوية قائمة. وهكذا ينتقل الضوء الوارد من ألياف إلى أخرى.

النجاح التكنولوجي هو في الواقع لبنة بناء لمجموعة متنوعة من الأجهزة والأنظمة ، مثل معددات الإرسال والإسقاط لطول الموجة ، ومفاتيح التزويد الضوئية ، والتوصيل البصري المتقاطع ، ومعادلات الإشارة WDM.

إضافة قطرة بصري معدد

على غرار شبكات SDH / SONET القائمة على الحلقات ، بدأت الشبكات القائمة على DWDM البصرية بالكامل في الإقلاع. لقد تم بالفعل تحديد تفوق الشبكة القائمة على الحلقة عبر الشبكة المعشقة بواسطة مصممي شبكة SDH. في الحلقة الضوئية بالكامل ، يمكن حجز عرض النطاق الترددي (ls) لغرض الحماية. تعد معددات الإضافة البصرية (OADM) مشابهة وظيفيًا لمضاعفات إضافة الإسقاط SDH / SONET (ADM). يمكن إضافة أو إسقاط مجموعة من الأطوال الموجية المحددة (ls) من إشارة ضوئية متعددة الأطوال الموجية. يلغي OADM التحويل المكلف OEO (البصري إلى الكهربائي والعكسي).

يتم استخدام مصفوفة ثنائية الأبعاد للمفاتيح الضوئية كما هو موضح أعلاه لتصنيع مثل OADM مما يوفر القليل جدًا من المرونة. تتيح ميزة إضافة Drop Multiplexers (R-OADM) القابلة لإعادة التكوين من ناحية أخرى المرونة الكاملة. يمكن الوصول إلى أي قناة تمر عبرها أو حذفها أو إضافة قنوات جديدة. يمكن تغيير الطول الموجي لقناة معينة لتجنب الحجب. تُعرف المفاتيح الضوئية أو OADM من هذا النوع بالمفاتيح ثنائية الأبعاد أو N2 لأن عدد عناصر التبديل المطلوبة يساوي مربع عدد المنافذ ، ولأن الضوء يظل في مستوى ذي بعدين فقط.

يتطلب OADM ذو الثمانية منافذ 64 مرآة صغيرة فردية مع تحكمهم في جهاز MEMS. إنه مشابه تمامًا للمفاتيح "المتقاطعة" المستخدمة في بدالات الهاتف.

وقد خضعت المفاتيح الضوئية من هذا النوع لاختبارات ميكانيكية وبصرية صارمة. متوسط ​​خسارة الإدخال أقل من 1.4 ديسيبل مع قابلية تكرار ممتازة تبلغ ± 0.25 ديسيبل على مدى مليون دورة. 2D / N2 type OADM ذات التكوين الأكبر من 32 × 32 (1024 تبديل المرايا) تصبح عمليا غير قابلة للإدارة وغير اقتصادية. تُستخدم طبقات متعددة من أقمشة المفاتيح الأصغر لإنشاء تكوينات أكبر.

عبر الاتصال البصري

تم التغلب على قيود التبديل البصري من النوع ثنائي الأبعاد من خلال تقنية التبديل البصري المبتكرة من قبل Bell Labs. ومن المعروف شعبياً باسم "Free Space 3-D MEMS" أو "Light Beam Steering" . إنها تستخدم سلسلة من المرآة الدقيقة ثنائية المحور كمفتاح ضوئي. يتم تثبيت المرآة الصغيرة على أحد محاور مجموعة من الحلقات المحورية المتقاطعة ، عبر مجموعة من نوابض الالتواء. يسمح هذا الترتيب للمرآة بالتحرك على محورين متعامدين بأي زاوية مطلوبة. يتم تشغيل المرآة بواسطة القوة الكهروستاتيكية المطبقة على أربعة أرباع أسفل المرآة. يتم نسخ وحدة المرآة الدقيقة الكاملة باستخدام تقنية MEMS لتشكيل "نسيج تبديل" من 128 أو 256 مرآة دقيقة.

يتم محاذاة مجموعة من ألياف الإدخال الموازية لمجموعة من المرايا التي يمكنها إعادة توجيه الضوء عن طريق إمالة المرآة في المحور X و Y إلى المجموعة الثانية من المرايا المحاذية لألياف الإخراج الموازاة. من خلال توجيه مجموعة من المرآة بدقة على ألياف الإدخال والإخراج ، يمكن إجراء توصيل الضوء المطلوب. هذه العملية تسمى "توجيه شعاع الضوء".

وقت تبديل تبديل MEMS ثلاثي الأبعاد أقل من 10 مللي ثانية والمرايا الدقيقة مستقرة للغاية. توفر الوصلات البصرية المستندة إلى هذه التقنية العديد من المزايا الفريدة على الوصلات المتقاطعة من نوع OEO. OXC ذات سعة عالية وقابلة للتطوير ومعدل بت بيانات حقيقي وصيغة بيانات مستقلة. يقوم بتوجيه القنوات الضوئية بذكاء دون تحويل OEO المكلف. تعد المساحة المنخفضة واستهلاك الطاقة من المزايا الإضافية لتقنية التبديل الضوئي بالكامل.