NGN - Sistemi microelettromeccanici
DWDM utilizza un insieme di lunghezze d'onda ottiche (o canali) di circa 1.553 nm con spaziatura dei canali di 0,8 nm (100 GHz), ciascuna lunghezza d'onda può trasportare informazioni fino a 10 Gbps (STM 64). Più di 100 canali di questo tipo possono essere combinati e trasmessi su una singola fibra. Sono in corso sforzi per spremere ulteriormente i canali e aumentare il bit rate dei dati su ciascun canale.
Sperimentalmente, la trasmissione di 80 canali, ciascuno dei quali trasporta 40 Gbps (equivalenti a 3,2 Tbits / sec) su una singola fibra, è stata testata con successo su una lunghezza di 300 km. L'implementazione della rete ottica DWDM point-to-point e basata su anello richiede un nuovo tipo di elementi di rete in grado di manipolare i segnali durante la corsa senza una costosa conversione OEO. Amplificatori ottici, filtri, multiplexer ottici add drop, de-multiplexer e cross-connect ottico sono alcuni degli elementi di rete essenziali. MEMS gioca un ruolo importante nella progettazione e nello sviluppo di tali elementi di rete.
MEMS è l'acronimo di Micro Electro Mechanical Systems. Viene utilizzato per creare dispositivi ultra-miniaturizzati, con dimensioni da pochi micron a un paio di centimetri di diametro. Sono abbastanza simili a un circuito integrato, ma con la capacità di integrare parti meccaniche in movimento sullo stesso substrato.
La tecnologia MEMS ha le sue radici nell'industria dei semiconduttori. Questi sono fabbricati utilizzando un processo di fabbricazione in batch simile a un VLSI. Un tipico MEMS è un microsistema integrato su un chip che può incorporare parti meccaniche in movimento oltre a elementi elettrici, ottici, fluidici, chimici e biomedicali.
Funzionalmente, MEMS include una varietà di meccanismi di trasudazione per convertire i segnali da una forma di energia a un'altra.
Molti diversi tipi di microsensori e microattuatori possono essere integrati con, elaborazione del segnale, sottosistemi ottici e microcomputer per formare un sistema funzionale completo su un chip. La capacità caratteristica di MEMS è di includere parti meccaniche in movimento sullo stesso substrato.
A causa delle dimensioni ridotte, è possibile utilizzare MEMS in luoghi in cui è praticamente impossibile posizionare dispositivi meccanici; come, all'interno di un vaso sanguigno di un corpo umano. Anche il tempo di commutazione e di risposta dei dispositivi MEMS è inferiore rispetto alle macchine convenzionali e consumano meno energia.
Applicazione di MEMS
Oggi i MEMS trovano applicazione in ogni ambito. Telecomunicazioni, bioscienze e sensori sono i principali beneficiari. I sensori di movimento, accelerazione e stress basati su MEMS vengono utilizzati in modo massiccio su velivoli e veicoli spaziali per aumentare la sicurezza e l'affidabilità. I satelliti Pico (del peso di circa 250 gm) sono sviluppati come dispositivi di ispezione, comunicazione e sorveglianza. Questi utilizzano sistemi basati su MEMS come carico utile e per il loro controllo orbitale. I MEMS vengono utilizzati negli ugelli delle stampanti a getto d'inchiostro e nelle testine di lettura / scrittura delle unità disco rigido. L'industria automobilistica utilizza MEMS nei "sistemi di iniezione del carburante" e nei sensori degli airbag.
I progettisti stanno inserendo MEMS nei loro nuovi progetti per migliorare le prestazioni dei loro prodotti. Riduce i costi e i tempi di produzione. L'integrazione di più funzioni in MEMS fornisce un grado più elevato di miniaturizzazione, un numero inferiore di componenti e una maggiore affidabilità.
Tecniche di progettazione e fabbricazione
Negli ultimi decenni, l'industria dei semiconduttori è arrivata alla sua maturità. Lo sviluppo di MEMS è ampiamente beneficiato da questa tecnologia. Inizialmente, le tecniche ei materiali utilizzati per la progettazione e la fabbricazione di circuiti integrati (IC) sono stati presi direttamente in prestito per lo sviluppo di MEMS, ma ora sono in fase di sviluppo molte tecniche di fabbricazione specifiche per MEMS. La microlavorazione superficiale, la microlavorazione in massa, l'attacco a ioni reattivi profondi (DRIE) e il micro-stampaggio sono alcune delle tecniche avanzate di fabbricazione dei MEMS.
Usando il micromachining method, vari strati di polisilicio, tipicamente spessi 1-100 mm, vengono depositati per formare una struttura tridimensionale avente conduttori metallici, specchi e strati isolanti. Un preciso processo di incisione rimuove selettivamente una pellicola sottolineatura (strato sacrificale) lasciando una pellicola sovrapposta denominata strato strutturale capace di movimento meccanico.
Surface micromachiningviene utilizzato per produrre una varietà di dispositivi MEMS in volumi commerciali. Strati di polisilicio e metallo possono essere visti prima e dopo il processo di incisione.
Bulk micromachiningè un altro processo ampiamente utilizzato per formare componenti funzionali per MEMS. Un singolo cristallo di silicio è modellato e modellato per formare parti tridimensionali ad alta precisione come canali, ingranaggi, membrane, ugelli, ecc. Questi componenti sono integrati con altre parti e sottosistemi per produrre MEMS completamente funzionali.
Alcuni elementi costitutivi standardizzati per l'elaborazione MEMS e componenti MEMS sono processi MEMS multiutente (MUMP). Queste sono le basi di una piattaforma che sta portando a un approccio specifico per l'applicazione ai MEMS, molto simile all'approccio specifico per l'applicazione (ASIC), che ha avuto tanto successo nell'industria dei circuiti integrati.
Tutte le reti DWDM ottiche e MEMS
Gli esperti di telecomunicazioni di oggi si trovano ad affrontare una sfida senza precedenti per accogliere una gamma in continua espansione di servizi ad alta larghezza di banda nelle reti di telecomunicazione. La richiesta di larghezza di banda sta aumentando esponenzialmente a causa dell'espansione di Internet e dei servizi abilitati per Internet. L'arrivo del DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) ha risolto questa scarsità tecnologica e ha cambiato completamente l'economia della rete ottica centrale.
DWDM utilizza un insieme di lunghezze d'onda ottiche (o canali) intorno a 1553 nm con spaziatura dei canali di 0,8 nm (100 GHz), ciascuna lunghezza d'onda può trasportare informazioni fino a 10 Gbps (STM 64). Più di 100 canali di questo tipo possono essere combinati e trasmessi su una singola fibra. Sono in corso sforzi per spremere ulteriormente i canali e aumentare il bit rate dei dati su ciascun canale.
Sperimentalmente, la trasmissione di 80 canali, ciascuno dei quali trasporta 40 Gbit / sec (equivalenti a 3,2 Tbit / sec) su una singola fibra è stata testata con successo su una lunghezza di 300 km. L'implementazione della rete ottica DWDM point-to-point e basata su anello richiede un nuovo tipo di elementi di rete in grado di manipolare i segnali durante la corsa senza una costosa conversione OEO. Amplificatori ottici, filtri, multiplexer ottici add drop, de-multiplexer e cross connect ottici sono alcuni degli elementi di rete essenziali. MEMS gioca un ruolo importante nella progettazione e nello sviluppo di tali elementi di rete. Discuteremo in dettaglio Optical Add Drop Mux (OADM) e Optical Cross Connect (OXC).
Innovazione nella commutazione ottica
Un pratico interruttore ottico basato su MEMS è stato dimostrato dagli scienziati dei Bell Labs durante l'anno 1999. Funziona come una barra oscillante con uno specchio microscopico placcato in oro a un'estremità. Una forza elettrostatica tira verso il basso l'altra estremità della barra, sollevando lo specchio che riflette la luce ad angolo retto. La luce in entrata si sposta così da una fibra all'altra.
Il successo tecnologico è infatti un elemento costitutivo di una varietà di dispositivi e sistemi, come multiplexer add / drop della lunghezza d'onda, switch di provisioning ottico, cross-connect ottico ed equalizzatori di segnale WDM.
Multiplexer ottico Add Drop
Analogamente alle reti SDH / SONET basate su anello, le reti completamente ottiche basate su DWDM stanno iniziando a decollare. La superiorità della rete ad anello rispetto alla rete mesh è già stata stabilita dai progettisti di reti SDH. Nell'anello completamente ottico, le larghezze di banda (ls) possono essere riservate a scopo di protezione. I multiplexer Add Drop ottici (OADM) sono funzionalmente simili ai multiplexer Add Drop (ADM) SDH / SONET. È possibile aggiungere o eliminare un gruppo di lunghezze d'onda selezionate (ls) da un segnale luminoso a più lunghezze d'onda. OADM elimina la costosa conversione OEO (da ottica a elettrica e posteriore).
Una matrice bidimensionale di interruttori ottici come descritto sopra viene utilizzata per fabbricare tali OADM che offrono una flessibilità molto ridotta. D'altro canto, i multiplexer Add Drop (R-OADM) riconfigurabili consentono la massima flessibilità. È possibile accedere a qualsiasi canale che passa attraverso, eliminare o aggiungere nuovi canali. La lunghezza d'onda di un canale specifico può essere modificata per evitare il blocco. Gli interruttori ottici o OADM di questo tipo sono noti come interruttori 2D o N2 perché il numero di elementi di commutazione richiesti è uguale al quadrato del numero di porte e perché la luce rimane solo su un piano di due dimensioni.
Un OADM a otto porte richiede 64 micro mirror individuali con il loro controllo su un dispositivo MEMS. È abbastanza simile agli interruttori a "barra trasversale" utilizzati nelle centrali telefoniche.
Gli interruttori ottici di questo tipo sono stati sottoposti a severi test meccanici e ottici. La perdita di inserzione media è inferiore a 1,4 db con un'eccellente ripetibilità di ± 0,25 db su 1 milione di cicli. Gli OADM di tipo 2D / N2 con configurazione maggiore di 32 × 32 (1024 specchi di commutazione) diventano praticamente ingestibili e antieconomici. Più strati di tessuto switch più piccoli vengono utilizzati per creare configurazioni più grandi.
Optical Cross Connect
La limitazione degli interruttori ottici di tipo 2D è stata superata da una tecnologia di commutazione ottica ancora innovativa dei Bell Labs. È popolarmente noto come‘Free Space 3-D MEMS’ o ‘Light Beam Steering’. Utilizza una serie di micro-specchi a doppio asse come interruttore ottico. Il micro-specchio è montato su uno degli assi di una serie di anelli cardanici accoppiati a croce, tramite una serie di molle di torsione. Questa disposizione consente allo specchio di muoversi lungo due assi perpendicolari a qualsiasi angolo desiderato. Lo specchio è azionato dalla forza elettrostatica applicata ai quattro quadranti sotto lo specchio. L'intera unità micro-specchio viene replicata utilizzando la tecnologia MEMS per formare un "tessuto di commutazione" di 128 o 256 micro-specchi.
Una serie di fibre di ingresso collimate è allineata a una serie di specchi che possono reindirizzare la luce inclinando lo specchio sugli assi X e Y alla seconda serie di specchi allineati alle fibre di uscita collimate. Puntando con precisione una serie di specchi sulle fibre di ingresso e di uscita, è possibile realizzare un collegamento della luce desiderato. Questo processo è chiamato "sterzo a fascio luminoso".
Il tempo di commutazione dell'interruttore 3D MEMS è inferiore a 10 ms ei micro-specchi sono estremamente stabili. Le connessioni incrociate ottiche basate su questa tecnologia offrono vari vantaggi esclusivi rispetto alle connessioni incrociate di tipo OEO. Gli OXC sono ad alta capacità, scalabili, con bit rate dei dati e indipendenti dal formato dei dati. Instrada in modo intelligente i canali ottici senza costose conversioni OEO. Il basso ingombro e il consumo energetico sono ulteriori vantaggi della tecnologia di commutazione completamente ottica.