NGN-微小電気機械システム

DWDMは、チャネル間隔0.8 nm（100 GHz）で約1,553 nmの光波長（またはチャネル）のセットを使用し、各波長は最大10 Gbps（STM 64）の情報を伝送できます。 100を超えるこのようなチャネルを組み合わせて、単一のファイバで送信できます。チャネルをさらに圧縮し、各チャネルのデータビットレートを上げる努力が続けられています。

実験的に、1つのファイバーで40 Gbps（3.2 Tbit/秒に相当）を伝送する80チャネルの伝送は、300 kmの長さで正常にテストされています。ポイントツーポイントおよびリングベースのDWDM光ネットワークの展開には、高価なO-E-O変換なしで実行中に信号を操作できる新しいタイプのネットワーク要素が必要です。光増幅器、フィルタ、光アドドロップマルチプレクサ、デマルチプレクサ、および光クロスコネクトは、重要なネットワーク要素の一部です。 MEMSは、このようなネットワーク要素の設計と開発において重要な役割を果たします。

MEMSは、Micro Electro Mechanical Systemsの頭字語です。寸法が数ミクロンから数センチメートルの超小型デバイスの作成に使用されます。これらはICと非常によく似ていますが、同じ基板上に移動する機械部品を統合する機能を備えています。

MEMSテクノロジーは、半導体産業にルーツを持っています。これらは、VLSIと同様のバッチ製造プロセスを使用して製造されます。典型的なMEMSは、電気的、光学的、流体的、化学的、および生物医学的要素に加えて可動機械部品を組み込むことができるチップ上の統合マイクロシステムです。

機能的には、MEMSには、ある形式のエネルギーから別の形式の信号に信号を変換するためのさまざまな変換メカニズムが含まれています。

多くの異なるタイプのマイクロセンサーとマイクロアクチュエータを信号処理、光学サブシステム、マイクロコンピューティングと統合して、チップ上に完全な機能システムを形成できます。 MEMSの特徴的な能力は、同じ基板上で動く機械部品を含めることです。

サイズが小さいため、機械的なデバイスを置くことが事実上不可能な場所でMEMSを使用することができます。例えば、人体の血管内。 MEMSデバイスのスイッチングおよび応答時間も従来のマシンよりも短く、消費電力も少なくなります。

MEMSの応用

今日、MEMSはあらゆる分野で応用されています。テレコミュニケーション、バイオサイエンス、およびセンサーは、主要な受益者です。安全性と信頼性を高めるために、MEMSベースの運動、加速度、および応力センサーが航空機および宇宙船に大規模に展開されています。 Pico衛星（重量約250 gm）は、検査、通信、および監視デバイスとして開発されています。これらは、軌道制御のためだけでなく、ペイロードとしてMEMSベースのシステムを使用します。 MEMSは、インクジェットプリンターのノズル、およびハードディスクドライブの読み取り/書き込みヘッドで使用されます。自動車産業は、「燃料噴射システム」およびエアバッグセンサーでMEMSを使用しています。

設計エンジニアは、製品のパフォーマンスを向上させるために、新しい設計にMEMSを使用しています。製造コストと時間を削減します。複数の機能をMEMSに統合すると、高度な小型化、部品点数の削減、信頼性の向上が実現します。

設計および製造技術

過去数十年で、半導体産業は成熟しました。 MEMSの開発は、この技術によって大きな恩恵を受けています。当初、集積回路（IC）の設計と製造に使用される技術と材料は、MEMS開発に直接借用されていましたが、現在、多くのMEMS固有の製造技術が開発されています。表面マイクロマシニング、バルクマイクロマシニング、ディープリアクティブイオンエッチング（DRIE）、およびマイクロ成形は、高度なMEMS製造技術の一部です。

マイクロマシニング法*を使用して、通常1〜100 mmの厚さのポリシリコンのさまざまな層が堆積され、金属導体、ミラー、および絶縁層を持つ3次元構造を形成します。精密なエッチングプロセスにより、下層膜（犠牲層）が選択的に除去され、機械的移動が可能な構造層と呼ばれる上層膜が残ります。

表面マイクロマシニング*は、さまざまなMEMSデバイスを量産するために使用されます。ポリシリコンと金属の層は、エッチングプロセスの前後に見ることができます。

バルクマイクロマシニング*は、MEMSの機能部品を形成するために広く使用されているもう1つのプロセスです。単一のシリコン結晶がパターン化および成形されて、チャネル、ギア、膜、ノズルなどの高精度の3次元部品が形成されます。これらのコンポーネントは他の部品やサブシステムと統合され、完全に機能するMEMSを生成します。

MEMS処理およびMEMSコンポーネントの標準化された一部のブロックは、マルチユーザーMEMSプロセス（MUMP）です。これらは、集積回路業界で大成功を収めている特定用途向けアプローチ（ASIC）と非常によく似た、MEMSへの特定用途向けアプローチにつながるプラットフォームの基盤です。

すべての光DWDMネットワークとMEMS

今日のテレコミュニケーションの専門家は、テレコミュニケーションネットワークで拡大し続ける高帯域幅サービスに対応するという前例のない課題に直面しています。インターネットおよびインターネット対応サービスの拡大により、帯域幅の需要は急激に増加しています。高密度波長分割多重（DWDM）の到来により、この技術的な不足が解決され、コア光ネットワークの経済性が完全に変わりました。

DWDMは、チャネル間隔0.8 nm（100 GHz）で1553 nm前後の光波長（またはチャネル）のセットを使用し、各波長は最大10 Gbps（STM 64）の情報を伝送できます。 100を超えるこのようなチャネルを組み合わせて、単一のファイバで送信できます。チャネルをさらに圧縮し、各チャネルのデータビットレートを上げる努力が続けられています。

実験的に、80チャンネルの伝送は、それぞれが単一ファイバーで40ギガビット/秒（3.2テラビット/秒に相当）を伝送し、300 kmの長さで正常にテストされています。ポイントツーポイントおよびリングベースのDWDM光ネットワークの展開には、高価なO-E-O変換なしで実行中に信号を操作できる新しいタイプのネットワーク要素が必要です。光増幅器、フィルタ、光アドドロップマルチプレクサ、デマルチプレクサ、および光クロスコネクトは、重要なネットワーク要素の一部です。 MEMSは、このようなネットワーク要素の設計と開発において重要な役割を果たします。 Optical Add Drop Mux（OADM）およびOptical Cross Connect（OXC）について詳しく説明します。

光スイッチングのブレークスルー

実用的なMEMSベースの光スイッチは、1999年にベル研究所の科学者によって実証されました。それは、一端に金メッキされた顕微鏡の鏡を持つシーソーバーのように機能します。静電気力がバーのもう一方の端を引き下げ、ミラーを持ち上げて、光を直角に反射します。したがって、入射光は一方のファイバから他方のファイバに移動します。

実際、技術的な成功は、波長追加/ドロップマルチプレクサー、光プロビジョニングスイッチ、光クロスコネクト、WDM信号イコライザーなど、さまざまなデバイスとシステムのビルディングブロックです。

光アドドロップマルチプレクサ

リングベースのSDH/SONETネットワークと同様に、全光DWDMベースのネットワークが普及し始めています。メッシュネットワークに対するリングベースネットワークの優位性は、SDHネットワーク設計者によってすでに確立されています。全光リングでは、保護のために帯域幅（ls）を予約できます。オプティカルアドドロップマルチプレクサ（OADM）は、SDH/SONETアドドロップマルチプレクサ（ADM）と機能的に類似しています。選択した波長（ls）のグループは、多波長光信号に追加またはドロップできます。 OADMは、高価なO-E-O（光から電気への変換）を排除します。

上記のような光スイッチの2次元マトリックスは、このようなOADMの製造に使用され、柔軟性がほとんどありません。一方、再構成可能なアドドロップマルチプレクサー（R-OADM）は、完全な柔軟性を実現します。通過するチャネルのいずれかにアクセス、ドロップ、または新しいチャネルを追加できます。特定のチャネルの波長は、ブロッキングを回避するために変更できます。この種の光スイッチまたはOADMは、必要なスイッチングエレメントの数がポートの数の2乗に等しく、光が2次元の平面にのみ残るため、2DまたはN2スイッチとして知られています。

8ポートOADMには、MEMSデバイスで制御する64個の個別のマイクロミラーが必要です。これは、電話交換で使用される「クロスバー」スイッチに非常に似ています。

この種の光スイッチは、厳しい機械的および光学的試験を受けています。平均挿入損失は1.4 db未満で、100万サイクルにわたって±0.25 dbの優れた再現性を備えています。 32×32（1024個のスイッチングミラー）を超える構成を持つ2D/N2タイプのOADMは、実際には管理不能で不経済になります。小規模なスイッチファブリックの複数の層を使用して、より大きな構成を作成します。

光クロスコネクト

2Dタイプの光スイッチの制限は、Bell Labsによるまだ革新的な光スイッチング技術によって克服されました。一般に、「フリースペース3-D MEMS」*または「ライトビームステアリング」*として知られています。一連の2軸マイクロミラーを光スイッチとして使用します。マイクロミラーは、ねじりバネのセットを介して、交差結合されたジンバルリングの軸の1つに取り付けられています。この配置により、ミラーは任意の角度で2つの垂直軸に沿って移動できます。ミラーは、ミラーの下の4つの象限に加えられた静電力によって作動します。完全なマイクロミラーユニットは、MEMSテクノロジーを使用して複製され、128または256個のマイクロミラーの「スイッチファブリック」を形成します。

コリメートされた入力ファイバーのアレイは、ミラーをXおよびY軸に傾けてコリメートされた出力ファイバーにアライメントされた2番目のミラーセットに光をリダイレクトできるミラーのセットにアライメントされます。入力ファイバと出力ファイバに一連のミラーを正確に向けることにより、目的の光接続を確立できます。このプロセスは「ライトビームステアリング」と呼ばれます。

3D MEMSスイッチのスイッチング時間は10 ms未満であり、マイクロミラーは非常に安定しています。この技術に基づいた光クロスコネクトは、O-E-Oタイプのクロスコネクトを超えるさまざまな独自の利点を提供します。 OXCは、大容量、スケーラブル、真のデータビットレートおよびデータ形式に依存しません。コストのかかるO-E-O変換を行うことなく、光チャネルをインテリジェントにルーティングします。フットプリントと消費電力が低いことは、全光スイッチング技術の追加の利点です。

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