NGN - Micro Electro Mechanical Systems
O DWDM usa um conjunto de comprimentos de onda ótica (ou canais) em torno de 1.553 nm com espaçamento de canal de 0,8 nm (100 GHz), cada comprimento de onda pode transportar informações de até 10 Gbps (STM 64). Mais de 100 canais podem ser combinados e transmitidos em uma única fibra. Esforços estão sendo feitos para comprimir ainda mais os canais e aumentar a taxa de bits de dados em cada canal.
Experimentalmente, a transmissão de 80 canais, cada um carregando 40 Gbps (equivalente a 3,2 Tbits / s) em uma única fibra, foi testada com sucesso em um comprimento de 300 km. A implantação de rede óptica DWDM baseada em anel e ponto a ponto requer um tipo mais novo de elementos de rede que podem manipular sinais em execução sem uma conversão OEO dispendiosa. Amplificadores ópticos, filtros, multiplexadores ópticos add drop, desmultiplexadores e cross connect óptico são alguns dos elementos essenciais da rede. MEMS desempenha um papel importante no projeto e desenvolvimento de tais elementos de rede.
MEMS é um acrônimo para Micro Electro Mechanical Systems. É usado para criar dispositivos ultra-miniaturizados, com dimensões de alguns mícrons a alguns centímetros de diâmetro. Eles são bastante semelhantes a um IC, mas com a capacidade de integrar partes mecânicas móveis no mesmo substrato.
A tecnologia MEMS tem suas raízes na indústria de semicondutores. Eles são fabricados usando um processo de fabricação em lote semelhante a um VLSI. Um MEMS típico é um microssistema integrado em um chip que pode incorporar partes mecânicas móveis, além de elementos elétricos, ópticos, fluídicos, químicos e biomédicos.
Funcionalmente, MEMS inclui uma variedade de mecanismos de transudação para converter sinais de uma forma de energia para outra.
Muitos tipos diferentes de micro-sensores e micro-atuadores podem ser integrados com processamento de sinal, subsistemas ópticos e micro-computação para formar um sistema funcional completo em um chip. A capacidade característica do MEMS é incluir peças mecânicas móveis no mesmo substrato.
Devido ao tamanho pequeno, é possível usar MEMS em locais onde dispositivos mecânicos são virtualmente impossíveis de colocar; como, por exemplo, dentro de um vaso sanguíneo de um corpo humano. O tempo de comutação e resposta dos dispositivos MEMS também é menor do que as máquinas convencionais e consomem menos energia.
Aplicação de MEMS
Hoje, os MEMS encontram aplicação em todas as esferas. Telecomunicação, biociências e sensores são os principais beneficiários. Sensores de movimento, aceleração e estresse baseados em MEMS estão sendo implantados maciçamente em aeronaves e espaçonaves para aumentar a segurança e a confiabilidade. Os satélites do Pico (pesando cerca de 250 g) são desenvolvidos como dispositivos de inspeção, comunicação e vigilância. Eles usam sistemas baseados em MEMS como carga útil, bem como para seu controle orbital. MEMS são usados em bicos de impressoras jato de tinta e cabeçotes de leitura / gravação de unidades de disco rígido. A indústria automotiva está usando MEMS em 'sistemas de injeção de combustível' e sensores de airbag.
Os engenheiros de projeto estão colocando MEMS em seus novos projetos para melhorar o desempenho de seus produtos. Reduz o custo e o tempo de fabricação. A integração de várias funções em MEMS fornece maior grau de miniaturização, menor contagem de componentes e maior confiabilidade.
Técnicas de Design e Fabricação
Nas últimas décadas, a indústria de semicondutores cresceu até a maturidade. O desenvolvimento de MEMS é amplamente beneficiado por essa tecnologia. Inicialmente, as técnicas e materiais usados para design e fabricação de circuitos integrados (IC) foram emprestados diretamente para o desenvolvimento de MEMS, mas agora muitas técnicas de fabricação específicas de MEMS estão sendo desenvolvidas. Micromaquinagem de superfície, micromaquinagem a granel, gravação iônica reativa profunda (DRIE) e micromoldagem são algumas das técnicas avançadas de fabricação de MEMS.
Usando o micromachining method, várias camadas de polissilício, normalmente de 1-100 mm de espessura, são depositadas para formar uma estrutura tridimensional com condutores de metal, espelhos e camadas de isolamento. Um processo de corrosão preciso remove seletivamente um filme subjacente (camada sacrificial), deixando um filme de revestimento referido como a camada estrutural capaz de movimento mecânico.
Surface micromachiningé usado para fabricar uma variedade de dispositivos MEMS em volumes comerciais. Camadas de polissilício e metal podem ser vistas antes e depois do processo de corrosão.
Bulk micromachiningé outro processo amplamente usado para formar componentes funcionais para MEMS. Um único cristal de silício é padronizado e moldado para formar peças tridimensionais de alta precisão, como canais, engrenagens, membranas, bicos, etc. Esses componentes são integrados com outras peças e subsistemas para produzir MEMS completamente funcionais.
Alguns blocos de construção padronizados para processamento de MEMS e componentes MEMS são processos MEMS multiusuário (MUMPs). Esses são os alicerces de uma plataforma que está levando a uma abordagem específica do aplicativo para MEMS, muito semelhante à abordagem específica do aplicativo (ASIC), que tem tido tanto sucesso na indústria de circuitos integrados.
Todas as redes DWDM ópticas e MEMS
Os especialistas em telecomunicações de hoje estão enfrentando desafios sem precedentes para acomodar uma gama cada vez maior de serviços de alta largura de banda em redes de telecomunicações. A demanda por largura de banda está aumentando exponencialmente devido à expansão da Internet e dos serviços habilitados para Internet. A chegada da Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda Densa (DWDM) resolveu essa escassez tecnológica e mudou completamente a economia da rede óptica central.
O DWDM usa um conjunto de comprimentos de onda óticos (ou canais) em torno de 1553 nm com espaçamento de canal de 0,8 nm (100 GHz), cada comprimento de onda pode transportar informações de até 10 Gbps (STM 64). Mais de 100 canais podem ser combinados e transmitidos em uma única fibra. Esforços estão sendo feitos para comprimir ainda mais os canais e aumentar a taxa de bits de dados em cada canal.
Experimentalmente, a transmissão de 80 canais, cada um transportando 40 Gbits / seg (equivalente a 3,2 Tbits / seg) em uma única fibra foi testada com sucesso em um comprimento de 300 km. A implantação de rede óptica DWDM baseada em anel e ponto a ponto requer um tipo mais novo de elementos de rede que podem manipular sinais em execução sem uma conversão OEO dispendiosa. Amplificadores ópticos, filtros, multiplexadores ópticos add drop, desmultiplexadores e cross connect óptico são alguns dos elementos essenciais da rede. MEMS desempenha um papel importante no projeto e desenvolvimento de tais elementos de rede. Discutiremos o Optical Add Drop Mux (OADM) e o Optical Cross Connect (OXC) em detalhes.
Avanço em Comutação Ótica
Um interruptor óptico prático baseado em MEMS foi demonstrado por cientistas do Bell Labs durante o ano de 1999. Ele funciona como uma barra de gangorra com espelho microscópico banhado a ouro em uma extremidade. Uma força eletrostática puxa a outra extremidade da barra para baixo, levantando o espelho que reflete a luz em um ângulo reto. A luz que entra, portanto, se move de uma fibra para a outra.
O sucesso tecnológico é, na verdade, um bloco de construção de uma variedade de dispositivos e sistemas, como multiplexadores add / drop de comprimento de onda, switches de provisionamento óptico, cross-connect óptico e equalizadores de sinal WDM.
Optical Add Drop Multiplexer
Semelhante às redes SDH / SONET baseadas em anel, as redes baseadas em DWDM totalmente ópticas estão começando a decolar. A superioridade da rede baseada em anel sobre a rede mesh já foi estabelecida por projetistas de rede SDH. No anel totalmente óptico, as larguras de banda (ls) podem ser reservadas para fins de proteção. Os multiplexadores ópticos Add Drop (OADM) são funcionalmente semelhantes aos SDH / SONET Add Drop Multiplexers (ADM). Um grupo de comprimentos de onda selecionados (ls) pode ser adicionado ou retirado de um sinal de luz de vários comprimentos de onda. OADM elimina a dispendiosa conversão OEO (óptico para elétrico e reverso).
Uma matriz bidimensional de interruptores ópticos conforme descrito acima é usada para fabricar tal OADM e oferece muito pouca flexibilidade. Por outro lado, os Multiplexadores Add Drop reconfiguráveis (R-OADM) permitem total flexibilidade. Qualquer canal que esteja passando pode ser acessado, descartado ou novos canais podem ser adicionados. O comprimento de onda de um canal específico pode ser alterado para evitar o bloqueio. Os interruptores óticos ou OADM deste tipo são conhecidos como interruptores 2D ou N2 porque o número de elementos de comutação necessários é igual ao quadrado do número de portas e porque a luz permanece em um plano de apenas duas dimensões.
Um OADM de oito portas requer 64 micro espelhos individuais com seu controle em um dispositivo MEMS. É bastante semelhante aos interruptores de 'barra cruzada' usados em centrais telefônicas.
Os interruptores óticos deste tipo foram submetidos a rigorosos testes mecânicos e óticos. A perda média de inserção é inferior a 1,4 db com excelente repetibilidade de ± 0,25 db em 1 milhão de ciclos. OADM do tipo 2D / N2 com configuração maior do que 32 × 32 (1024 espelhos de comutação) torna-se praticamente impossível de gerenciar e não econômico. Várias camadas de switch fabrics menores são usadas para criar configurações maiores.
Optical Cross Connect
A limitação do switch ótico do tipo 2D foi superada por uma tecnologia de comutação ótica ainda inovadora da Bell Labs. É popularmente conhecido como‘Free Space 3-D MEMS’ ou ‘Light Beam Steering’. Ele usa uma série de micro-espelhos de eixo duplo como uma chave óptica. O micro-espelho é montado em um dos eixos de um conjunto de anéis de gimbal com acoplamento cruzado, por meio de um conjunto de molas de torção. Este arranjo permite que o espelho se mova ao longo de dois eixos perpendiculares em qualquer ângulo desejado. O espelho é acionado por força eletrostática aplicada em quatro quadrantes abaixo do espelho. A unidade de micro-espelho completa é replicada usando a tecnologia MEMS para formar uma 'estrutura de switch' de 128 ou 256 micro-espelhos.
Uma matriz de fibras de entrada colimadas é alinhada a um conjunto de espelhos que podem redirecionar a luz inclinando o espelho nos eixos X e Y para o segundo conjunto de espelhos alinhados às fibras de saída colimadas. Ao apontar precisamente um conjunto de espelho nas fibras de entrada e saída, uma conexão de luz desejada pode ser feita. Este processo é denominado 'direção do feixe de luz'.
O tempo de comutação do switch 3D MEMS é inferior a 10 ms e os micro-espelhos são extremamente estáveis. As conexões cruzadas ópticas com base nesta tecnologia oferecem várias vantagens exclusivas sobre as conexões cruzadas do tipo OEO. Os OXC são de alta capacidade, escalonáveis e realmente independentes de taxa de bits de dados e formato de dados. Ele roteia de forma inteligente os canais ópticos sem conversão OEO dispendiosa. Baixa pegada e consumo de energia são vantagens adicionais da tecnologia de comutação totalmente óptica.