用于新一代光交换机的MEMS技术
目前，全光交叉连接器正在逐步实现。今年，微电机系统（MEMS：Micro-electromechanical System）技术有了重大进展，并且已经在光交换应用中进入了现场试验阶段。基于MEMS的光交换机已经能够传递实际的业务数据流。在不远的将来有希望实现对成百上千的光数据通道端口进行交换，这一过程在光层完成，而对波长、数据速率和信号格式都呈透明。
MEMS是一种新的技术，它可以在一个很小的空间内构建复杂的机械结构，系统的尺寸要用微米来度量。尽管MEMS技术没有得到广泛的宣传，但在过去十年中它已经应用于安全气囊传感器（加速计）、压力传感器、显示器、自适应光器件、扫描仪、打印机以及数据存储器等。
典型的MEMS设备是由电子电路和机械器件构成的。对于光交换机而言，关键的机械器件是基于MEMS的微型镜子，这些镜子使用了传统的超大规模集成电路（VLSI）CMOS制造工艺在硅芯片上形成的。
商用化的MEMS全光交换机原理十分简单：交换机将光束从一根光纤转移至另一根光纤。交换过程是这样实现的：首先引导光束通过一个校准透镜到达一个可转动的反射镜，然后将光束转移到N个可能的输出端口中的一个。
利用上述原理实现光交换机有两种方法：一种是二维（2-D）或数字方式（N2结构），另一种是三维（3-D）或模拟方式（2N结构）。两种方法各有其优缺点，若将这两种完全不同但又相互补充的产品结合起来则能提供一个完善的光交换方案。
二维数字方案
在二维数字方式中,微镜子和光纤是在同一个平面上,在任何时候镜子都只能有两种状态(开或关)。在这种方式下，一个MEMS微镜子矩阵被用来连接N条输入光纤和N条输出光纤。由于使用了N×N个独立的镜子，这种结构也称为N2结构。举例来说，一个8×8的二维交换机使用了64个镜子。这种结构的一个极大优点就是它的控制比较简单，它只需要一些非常简单的TTL驱动和相关的电子变频器来为每一个MEMS微镜子提供所需的电压。
N×N交换机的系列产品包括具有4×4，8×8，16×16和32×32端口的交换机，这些产品都使用了一个输入和一个输出光纤端口，除此之外，2维平面方案还在一个基本N×N交换机中引入了第三个和第四个光纤端口（参见图1）。这些特征允许一个镜子矩阵以小尺寸和密封的用户交换结构取代笨重、昂贵和离散的交换机（参见图2）。
尽管简单的二维设计方案十分灵活，但它面临的最大挑战是如何扩展交换机的端口数。当端口数增加一倍时，光线的传输距离将随之而增大。考虑到信号传输通道的长度以及对MEMS镜子自身角度公差和角度的一致性的要求，目前大家公认32端口是二维技术中单芯片方案的最大容量。
但这并不是说二维方案就限制在32端口以下。相反，有一些结构（包括著名的Clos方案）可以通过串联多台小的二维交换机将系统扩展至数百端口。西门子的Transexpress MODIF光业务节点就是一个例子。
在一个二维方案中，介入损耗主要由以下三个因素决定：透镜的耦合损耗、高斯光传播损耗以及由镜子角度偏差而引起的损耗。其它的一些因素包括矩阵的镜子角度一致性以及由于通路长度不一致引起的传输距离变化等。尽管有以上因素的影响，光微机械公司（OMM）已经在它的16×16交换系统中演示了平均为5dB以下的介入损耗。
三维模拟方案
三维模拟方案在许多方面都和二维方案十分相似。它使用了相同的原理来转动镜子以改变光束的方向。三维方案使用了2×N个镜子连接N个输入光纤和N个输出光纤，因此又被称为2N结构（见图3）。但在这种结构中，每一个镜子都至少有N个可能的位置。采用这种方案，当端口数量增加时，对光线传播距离的扩展没有什么限制。这种结构可以扩展到成千上万个端口，这些端口损耗较低（6dB或以下），并且具有较高的一致性。
然而，这些优点的代价是成本增加。由于镜面必须有许多可能的位置，因此必须使用一种复杂的模拟驱动结构来确保镜子随时都处于正确的位置。
静电和磁场感应驱动
在多种可能的驱动MEMS光交换机的方法中，静电和磁感应法逐渐成了商用化的主选方案。
静电法依赖于电荷极性相反的机械元素之间的相互吸引。这是MEMS设备中使用的主要的驱动方法。它具有可重复性和容易屏蔽等优点。
磁感应驱动依赖于磁体或者电磁体之间的相互吸引。尽管磁感应驱动能够产生更大的驱动力并具有较高的线性度，但是MEMS设备中一般不采用这种方案，这是由于集成工艺十分复杂，并且要想屏蔽相邻设备以消除串扰几乎是不可能的。此外，应用于MEMS设备中的磁感应驱动器的可靠性还不能确定。许多开发商还对磁感应磁性材料结构中的磁滞现象有所顾虑。确保可靠性的唯一办法是通过长时间的测试和现场考验。迄今为止，静电驱动是唯一大规模生产和应用的MEMS驱动法。多年以来，开发者为解决静电驱动的问题投入了大量的人力，目前已经有许多使用静电驱动的产品投入市场。
然而，由于静电驱动的驱动能力比较低，并不是每一个公司都采用这种方案。合适的结构与正确的处理过程相结合对于设计者来说是必需的。举例来说，如果结构过于复杂，这就需要更大的驱动力，这时就可能要采用磁感应驱动。MEMS设计者需要权衡利弊，要么选择驱动能力较弱的静电驱动，要么就加强系统的屏蔽和封装并解决与磁感应相关的长时间可靠性问题。由于磁感应应用中还有许多问题有待于解决，所以目前静电驱动方案仍然是可靠设备的最佳选择。
采用静电驱动，还需要解决光电子封装的问题。由于MEMS结构比较紧凑，一点水或是灰尘都会造成极大的危害。要预防这些潜在因素造成的危害，将MEMS芯片密封起来是十分必要的。
在MEMS设备的光电封装过程中，自动化对于降低生产成本、缩短生产周期、提高产品质量和一致性都非常重要。OMM公司已经开发出了一种车间测试设备，它可在几个小时内完成全部光性能的测试。
光交换的新时代
尽管在实现完全基于MEMS的全光交叉连接设备的过程中还会有许多障碍，但在光学和硅技术上取得的进步每天都在推动我们向这一目标迈进。今年1月份，在一个无人值守的端局内的现场试验第一次演示了基于MEMS子系统的光交换机成功地传送了业务数据流。OMM公司为现场试验提供了一套包括4×4和8×8全光交叉连接交换机的光交叉连接子系统。这次试验是由国家透明光网络联盟（NTONC）主持的。NTONC包括北电网络、GST电信公司、Sprint通信公司、Lawrence Livermore国家实验室和BART公司等。
在整个试验过程中光交换机的工作都很正常。这次试验验证了MEMS的高可靠性和出色的光性能，预示着光交换的新时代已经到来了。
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