NGN-微小電気機械システム

DWDMは、0.8 nm（100 GHz）のチャネル間隔で約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、1本のファイバで送信できます。チャネルをさらに絞り込み、各チャネルのデータビットレートを上げるための努力が続けられています。

実験的に、それぞれが1本のファイバで40 Gbps（3.2 Tbits /秒に相当）を伝送する80チャネルの伝送は、300kmの長さにわたって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、コストのかかるOEO変換なしで実行時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 MechanicalSystemsの頭字語です。これは、直径が数ミクロンから数センチメートルの超小型デバイスを作成するために使用されます。これらはICと非常に似ていますが、可動機械部品を同じ基板上に統合する機能を備えています。

MEMS技術は半導体産業にその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、光学、流体、化学、および生物医学の要素に加えて、可動の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、信号をある形式のエネルギーから別の形式のエネルギーに変換するためのさまざまな漏出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およびマイクロアクチュエーターを、信号処理、光学サブシステム、および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することができます。MEMSの特徴は、同じ基板上に可動機械部品を含めることです。

サイズが小さいため、機械装置を配置することが事実上不可能な場所でMEMSを使用することが可能です。人体の血管内など。MEMSデバイスのスイッチングと応答時間も従来のマシンよりも短く、消費電力も少なくて済みます。

MEMSの応用

今日、MEMSはあらゆる分野での用途を見出しています。電気通信、生物科学、センサーが主な受益者です。MEMSベースのモーション、加速度、および応力センサーは、安全性と信頼性を高めるために航空機や宇宙船に大規模に展開されています。ピコ衛星（重さ約250g）は、検査、通信、監視装置として開発されています。これらは、MEMSベースのシステムをペイロードとしてだけでなく軌道制御にも使用します。MEMSは、インクジェットプリンタのノズル、およびハードディスクドライブの読み取り/書き込みヘッドに使用されます。自動車産業は、「燃料噴射システム」とエアバッグセンサーに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、MEMSを新しい設計に取り入れています。製造コストと時間を削減します。複数の機能をMEMSに統合することで、より高度な小型化、より少ないコンポーネント数、および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、半導体産業は成熟するまで成長しました。MEMS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開発のため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、深掘り反応性イオンエッチング（DRIE）、およびマイクロ成形は、高度なMEMS製造技術の一部です。

を使用して micromachining method、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、および絶縁層を備えた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、下線を引くフィルム（犠牲層）が選択的に除去され、機械的な動きが可能な構造層と呼ばれるオーバーレイフィルムが残ります。

Surface micromachiningさまざまなMEMSデバイスを商業的に製造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られます。

Bulk micromachiningは、MEMSの機能コンポーネント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、メンブレン、ノズルなどの高精度の3次元部品を形成します。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て、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ビルディングブロックには、マルチユーザーMEMSプロセス（MUMP）があります。これらは、集積回路業界で非常に成功し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

今日の電気通信の専門家は、電気通信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、帯域幅の需要は飛躍的に増加しています。高密度波長分割多重（DWDM）の登場により、この技術的な不足が解消され、コア光ネットワークの経済性が一変しました。

DWDMは、チャネル間隔が0.8 nm（100 GHz）の1553 nm付近の光波長（またはチャネル）のセットを使用します。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、1本のファイバで送信できます。チャネルをさらに絞り込み、各チャネルのデータビットレートを上げるための努力が続けられています。

実験的に、それぞれが1本のファイバで40ギガビット/秒（3.2テラビット/秒に相当）を伝送する80チャネルの伝送は、300kmの長さにわたって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、コストのかかるOEO変換なしで実行時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。光アドドロップマルチプレクサ（OADM）と光クロスコネクト（OXC）について詳しく説明します。

光スイッチングの飛躍的進歩

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。これは、一端に金メッキされた顕微鏡ミラーを備えた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もう一方のファイバに移動します。

技術的な成功は、実際には、波長アド/ドロップマルチプレクサ、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のさまざまなデバイスとシステムの構成要素です。

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の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、帯域幅（ls）を保護目的で予約できます。光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、多波長光信号から追加または削除できます。OADMは、コストのかかるOEO（光から電気およびその逆）への変換を排除します。

上記の光スイッチの2次元マトリックスは、このようなOADMを製造するために使用され、柔軟性は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（R-OADM）により、完全な柔軟性が得られます。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を変更して、ブロッキングを回避できます。この種の光スイッチまたはOADMは、必要なスイッチング要素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デバイスを制御する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」スイッチと非常によく似ています。

この種の光スイッチは、厳格な機械的および光学的テストを受けています。平均挿入損失は1.4db未満で、100万サイクルにわたって±0.25dbの優れた再現性を備えています。32×32（1024スイッチングミラー）を超える構成の2D / N2タイプのOADMは、実質的に管理できなくなり、不経済になります。より大きな構成を作成するために、より小さなスイッチファブリックの複数のレイヤーが使用されます。

光クロスコネクト

T 2Dタイプの光スイッチの限界は、ベル研究所による革新的な光スイッチング技術によって克服されました。それは一般的に知られています‘Free Space 3-D MEMS’ または ‘Light Beam Steering’。光スイッチとして一連の2軸マイクロミラーを使用します。マイクロミラーは、一連のねじりばねを介して、一連の交差結合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2つの垂直軸に沿って任意の角度で移動できます。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のアレイは、ミラーをX軸とY軸に傾けて、コリメートされた出力ファイバに位置合わせされた2番目のミラーのセットに光を向け直すことができるミラーのセットに位置合わせされます。入力ファイバと出力ファイバにミラーのセットを正確に向けることにより、目的の光接続を行うことができます。このプロセスは「光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ミリ秒未満であり、マイクロミラーは非常に安定しています。この技術に基づく光クロスコネクトは、OEOタイプのクロスコネクトに比べてさまざまな独自の利点を提供します。OXCは、大容量でスケーラブルで、真にデータビットレートとデータフォーマットに依存しません。コストのかかるOEO変換を行わずに、光チャネルをインテリジェントにルーティングします。低フットプリントと消費電力は、全光スイッチング技術の追加の利点です。