NGN - Micro systèmes électromécaniques

DWDM utilise un ensemble de longueurs d'onde optiques (ou canaux) d'environ 1 553 nm avec un espacement de canal de 0,8 nm (100 GHz), chaque longueur d'onde peut transporter des informations jusqu'à 10 Gbps (STM 64). Plus de 100 de ces canaux peuvent être combinés et transmis sur une seule fibre. Des efforts sont déployés pour resserrer davantage les canaux et pour augmenter le débit binaire des données sur chaque canal.

Expérimentalement, la transmission de 80 canaux, chacun transportant 40 Gbit / s (équivalent à 3,2 Tbits / s) sur une seule fibre, a été testé avec succès sur une longueur de 300 km. Le déploiement d'un réseau optique DWDM point à point et en anneau nécessite un type plus récent d'éléments de réseau capables de manipuler les signaux en cours de route sans conversion OEO coûteuse. Les amplificateurs optiques, les filtres, les multiplexeurs optiques, les démultiplexeurs et les interconnexions optiques font partie des éléments essentiels du réseau. MEMS joue un rôle important dans la conception et le développement de ces éléments de réseau.

MEMS est un acronyme pour Micro Electro Mechanical Systems. Il est utilisé pour créer des appareils ultra-miniaturisés, ayant des dimensions de quelques microns à quelques centimètres de diamètre. Ceux-ci sont assez similaires à un circuit intégré, mais avec une capacité à intégrer des pièces mécaniques en mouvement sur le même substrat.

La technologie MEMS a ses racines dans l'industrie des semi-conducteurs. Ceux-ci sont fabriqués à l'aide d'un processus de fabrication par lots similaire à un VLSI. Un MEMS typique est un microsystème intégré sur une puce qui peut incorporer des pièces mécaniques mobiles en plus d'éléments électriques, optiques, fluidiques, chimiques et biomédicaux.

Fonctionnellement, MEMS comprend une variété de mécanismes de transsudation pour convertir les signaux d'une forme d'énergie à une autre.

De nombreux types différents de micro-capteurs et de micro-actionneurs peuvent être intégrés au traitement du signal, aux sous-systèmes optiques et à la micro-informatique pour former un système fonctionnel complet sur une puce. La capacité caractéristique du MEMS est d'inclure des pièces mécaniques mobiles sur le même substrat.

En raison de sa petite taille, il est possible d'utiliser des MEMS à des endroits où les dispositifs mécaniques sont pratiquement impossibles à installer; comme, à l'intérieur d'un vaisseau sanguin d'un corps humain. Le temps de commutation et de réponse des dispositifs MEMS est également inférieur à celui des machines conventionnelles et ils consomment moins d'énergie.

Application du MEMS

Aujourd'hui, les MEMS trouvent des applications dans tous les domaines. Les télécommunications, les sciences biologiques et les capteurs en sont les principaux bénéficiaires. Des capteurs de mouvement, d'accélération et de stress basés sur MEMS sont déployés massivement dans les avions et les engins spatiaux pour accroître la sécurité et la fiabilité. Les satellites Pico (pesant environ 250 g) sont développés comme dispositifs d'inspection, de communication et de surveillance. Ceux-ci utilisent des systèmes basés sur MEMS comme charge utile ainsi que pour leur commande orbitale. Les MEMS sont utilisés dans les buses des imprimantes à jet d'encre et dans les têtes de lecture / écriture des disques durs. L'industrie automobile utilise des MEMS dans les «systèmes d'injection de carburant» et les capteurs d'airbag.

Les ingénieurs concepteurs intègrent des MEMS dans leurs nouvelles conceptions pour améliorer les performances de leurs produits. Cela réduit les coûts et le temps de fabrication. L'intégration de plusieurs fonctions dans MEMS offre un degré plus élevé de miniaturisation, un nombre de composants plus faible et une fiabilité accrue.

Techniques de conception et de fabrication

Au cours des dernières décennies, l'industrie des semi-conducteurs a atteint sa maturité. Le développement de MEMS bénéficie largement de cette technologie. Au départ, les techniques et les matériaux utilisés pour la conception et la fabrication de circuits intégrés (CI) ont été empruntés directement pour le développement de MEMS, mais maintenant de nombreuses techniques de fabrication spécifiques aux MEMS sont en cours de développement. Le micro-usinage de surface, le micro-usinage en masse, la gravure ionique réactive profonde (DRIE) et le micro-moulage sont quelques-unes des techniques avancées de fabrication de MEMS.

En utilisant le micromachining method, diverses couches de silicium polycristallin, typiquement de 1 à 100 mm d'épaisseur, sont déposées pour former une structure tridimensionnelle comportant des conducteurs métalliques, des miroirs et des couches isolantes. Un processus de gravure précis enlève sélectivement un film de soulignement (couche sacrificielle) laissant un film de recouvrement appelé couche structurelle capable d'un mouvement mécanique.

Surface micromachiningest utilisé pour fabriquer une variété de dispositifs MEMS dans des volumes commerciaux. Des couches de silicium polycristallin et de métal peuvent être vues avant et après le processus de gravure.

Bulk micromachiningest un autre processus largement utilisé pour former des composants fonctionnels pour MEMS. Un cristal de silicium unique est modelé et façonné pour former des pièces tridimensionnelles de haute précision comme des canaux, des engrenages, des membranes, des buses, etc. Ces composants sont intégrés à d'autres pièces et sous-systèmes pour produire des MEMS complètement fonctionnels.

Certains blocs de construction standardisés pour le traitement MEMS et les composants MEMS sont des processus MEMS multi-utilisateurs (MUMP). Ce sont les fondements d'une plate-forme qui conduit à une approche spécifique aux applications des MEMS, très similaire à l'approche spécifique aux applications (ASIC), qui a connu un tel succès dans l'industrie des circuits intégrés.

Tous les réseaux optiques DWDM et MEMS

Les experts en télécommunications d'aujourd'hui sont confrontés à un défi sans précédent pour prendre en charge une gamme toujours croissante de services à large bande passante dans les réseaux de télécommunications. La demande de bande passante augmente de façon exponentielle en raison de l'expansion des services Internet et Internet. L'arrivée du multiplexage par répartition en longueur d'onde dense (DWDM) a résolu cette rareté technologique et a complètement changé l'économie du réseau optique central.

DWDM utilise un ensemble de longueurs d'onde optiques (ou canaux) autour de 1553 nm avec un espacement des canaux de 0,8 nm (100 GHz), chaque longueur d'onde peut transporter des informations jusqu'à 10 Gbps (STM 64). Plus de 100 de ces canaux peuvent être combinés et transmis sur une seule fibre. Des efforts sont déployés pour resserrer davantage les canaux et pour augmenter le débit binaire des données sur chaque canal.

Expérimentalement, la transmission de 80 canaux, chacun transportant 40 Gbits / s (équivalent à 3,2 Tbits / s) sur une seule fibre, a été testé avec succès sur une longueur de 300 km. Le déploiement d'un réseau optique DWDM point à point et en anneau nécessite un type plus récent d'éléments de réseau capables de manipuler les signaux en cours de route sans conversion OEO coûteuse. Les amplificateurs optiques, les filtres, les multiplexeurs optiques, les démultiplexeurs et les interconnexions optiques font partie des éléments essentiels du réseau. MEMS joue un rôle important dans la conception et le développement de ces éléments de réseau. Nous discuterons en détail de Optical Add Drop Mux (OADM) et Optical Cross Connect (OXC).

Percée dans la commutation optique

Un commutateur optique pratique basé sur MEMS a été démontré par des scientifiques de Bell Labs au cours de l'année 1999. Il fonctionne comme une barre de bascule avec un miroir microscopique plaqué or à une extrémité. Une force électrostatique tire l'autre extrémité de la barre vers le bas, soulevant le miroir qui réfléchit la lumière à angle droit. La lumière entrante se déplace ainsi d'une fibre à l'autre.

Le succès technologique est en fait un élément constitutif d'une variété de dispositifs et de systèmes, tels que des multiplexeurs d'ajout / de suppression de longueur d'onde, des commutateurs d'approvisionnement optique, des interconnexions optiques et des égaliseurs de signaux WDM.

Multiplexeur optique Add Drop

À l'instar des réseaux SDH / SONET en anneau, les réseaux entièrement optiques DWDM commencent à décoller. La supériorité du réseau en anneau sur le réseau maillé a déjà été établie par les concepteurs de réseaux SDH. Dans l'anneau tout optique, les bandes passantes (ls) peuvent être réservées à des fins de protection. Les multiplexeurs à ajout optique (OADM) sont fonctionnellement similaires aux multiplexeurs à ajout de goutte SDH / SONET (ADM). Un groupe de longueurs d'onde sélectionnées (ls) peut être ajouté ou supprimé à partir d'un signal lumineux à plusieurs longueurs d'onde. OADM élimine la conversion coûteuse d'OEO (optique vers électrique et arrière).

Une matrice bidimensionnelle de commutateurs optiques telle que décrite ci-dessus est utilisée pour fabriquer de tels OADM offrant très peu de flexibilité. Les multiplexeurs d'ajout de goutte reconfigurables (R-OADM) permettent une flexibilité totale. N'importe quel canal passant peut être accédé, supprimé, ou de nouveaux canaux peuvent être ajoutés. La longueur d'onde d'un canal spécifique peut être modifiée pour éviter le blocage. Les commutateurs optiques ou OADM de ce type sont appelés commutateurs 2D ou N2 car le nombre d'éléments de commutation nécessaires est égal au carré du nombre de ports, et parce que la lumière reste dans un plan de deux dimensions uniquement.

Un OADM à huit ports nécessite 64 micro-miroirs individuels avec leur contrôle sur un dispositif MEMS. Il est assez similaire aux commutateurs «cross bar» utilisés dans les centraux téléphoniques.

Les commutateurs optiques de ce type ont subi des tests mécaniques et optiques rigoureux. La perte d'insertion moyenne est inférieure à 1,4 dB avec une excellente répétabilité de ± 0,25 dB sur 1 million de cycles. Un OADM de type 2D / N2 ayant une configuration supérieure à 32x32 (1024 miroirs de commutation) devient pratiquement ingérable et non économique. Plusieurs couches de tissus de commutation plus petits sont utilisées pour créer des configurations plus grandes.

Connexion croisée optique

La limitation du commutateur optique de type 2D a été surmontée par une technologie de commutation optique encore innovante de Bell Labs. Il est populairement connu comme‘Free Space 3-D MEMS’ ou ‘Light Beam Steering’. Il utilise une série de micro-miroirs à deux axes comme interrupteur optique. Le micro-miroir est monté sur l'un des axes d'un ensemble d'anneaux de cardan à couplage croisé, via un ensemble de ressorts de torsion. Cet agencement permet au miroir de se déplacer le long de deux axes perpendiculaires à n'importe quel angle souhaité. Le miroir est actionné par une force électrostatique appliquée à quatre quadrants sous le miroir. L'unité de micro-miroir complète est répliquée à l'aide de la technologie MEMS pour former une «matrice de commutation» de 128 ou 256 micro-miroirs.

Un réseau de fibres d'entrée collimatées est aligné sur un ensemble de miroirs qui peuvent rediriger la lumière en inclinant le miroir sur les axes X et Y vers un second ensemble de miroirs alignés sur des fibres de sortie collimatées. En orientant précisément un ensemble de miroirs sur les fibres d'entrée et de sortie, une connexion lumineuse souhaitée peut être établie. Ce processus est appelé «direction du faisceau lumineux».

Le temps de commutation du commutateur MEMS 3D est inférieur à 10 ms et les micro-miroirs sont extrêmement stables. Les interconnexions optiques basées sur cette technologie offrent divers avantages uniques par rapport aux interconnexions de type OEO. Les OXC sont de haute capacité, évolutifs, réellement indépendants du débit binaire et du format de données. Il achemine intelligemment les canaux optiques sans conversion OEO coûteuse. Un faible encombrement et une faible consommation d'énergie sont des avantages supplémentaires de la technologie de commutation tout optique.