NGN - Sistemas microelectromecánicos
DWDM utiliza un conjunto de longitudes de onda óptica (o canales) alrededor de 1,553 nm con un espaciado de canal de 0,8 nm (100 GHz), cada longitud de onda puede transportar información de hasta 10 Gbps (STM 64). Se pueden combinar y transmitir más de 100 de estos canales en una sola fibra. Se están realizando esfuerzos para reducir aún más los canales y aumentar la tasa de bits de datos en cada canal.
Experimentalmente, la transmisión de 80 canales, cada uno con 40 Gbps (equivalente a 3,2 Tbits / seg) en una sola fibra, se ha probado con éxito en una longitud de 300 km. La implementación de una red óptica DWDM de punto a punto y basada en anillo requiere un tipo más nuevo de elementos de red que puedan manipular señales sobre la marcha sin una costosa conversión OEO. Los amplificadores ópticos, los filtros, los multiplexores de caída de adición ópticos, los demultiplexores y la conexión cruzada óptica son algunos de los elementos esenciales de la red. MEMS juega un papel importante en el diseño y desarrollo de dichos elementos de red.
MEMS es un acrónimo de Micro Electro Mechanical Systems. Se utiliza para crear dispositivos ultraminiaturizados, con dimensiones desde unas pocas micras hasta un par de centímetros de ancho. Estos son bastante similares a un IC, pero con la capacidad de integrar partes mecánicas móviles en el mismo sustrato.
La tecnología MEMS tiene sus raíces en la industria de los semiconductores. Estos se fabrican mediante un proceso de fabricación por lotes similar a un VLSI. Un MEMS típico es un microsistema integrado en un chip que puede incorporar partes mecánicas móviles además de elementos eléctricos, ópticos, fluídicos, químicos y biomédicos.
Funcionalmente, MEMS incluye una variedad de mecanismos de trasudación para convertir señales de una forma de energía a otra.
Se pueden integrar muchos tipos diferentes de microsensores y microactuadores, procesamiento de señales, subsistemas ópticos y microinformática para formar un sistema funcional completo en un chip. La capacidad característica de MEMS es incluir partes mecánicas móviles en el mismo sustrato.
Debido al pequeño tamaño, es posible utilizar MEMS en lugares donde los dispositivos mecánicos son prácticamente imposibles de colocar; como, por ejemplo, dentro de un vaso sanguíneo de un cuerpo humano. El tiempo de respuesta y conmutación de los dispositivos MEMS también es menor que el de las máquinas convencionales y consumen menos energía.
Aplicación de MEMS
Hoy en día, los MEMS encuentran aplicación en todos los ámbitos. Las telecomunicaciones, las biociencias y los sensores son los principales beneficiarios. Los sensores de movimiento, aceleración y estrés basados en MEMS se están implementando masivamente en aeronaves y naves espaciales para aumentar la seguridad y confiabilidad. Los satélites Pico (que pesan alrededor de 250 g) se desarrollan como dispositivos de inspección, comunicación y vigilancia. Estos utilizan sistemas basados en MEMS como carga útil, así como para su control orbital. Los MEMS se utilizan en boquillas de impresoras de inyección de tinta y cabezales de lectura / escritura de unidades de disco duro. La industria automotriz está utilizando MEMS en 'sistemas de inyección de combustible' y sensores de bolsas de aire.
Los ingenieros de diseño están incorporando MEMS en sus nuevos diseños para mejorar el rendimiento de sus productos. Reduce el costo y el tiempo de fabricación. La integración de múltiples funciones en MEMS proporciona un mayor grado de miniaturización, menor número de componentes y mayor confiabilidad.
Técnicas de diseño y fabricación
En las últimas décadas, la industria de los semiconductores ha alcanzado su madurez. El desarrollo de MEMS se beneficia en gran medida de esta tecnología. Inicialmente, las técnicas y materiales utilizados para el diseño y fabricación de circuitos integrados (IC) se tomaron prestados directamente para el desarrollo de MEMS, pero ahora se están desarrollando muchas técnicas de fabricación específicas de MEMS. El micromaquinado de superficie, el micromaquinado a granel, el grabado de iones reactivos profundos (DRIE) y el micromoldeo son algunas de las técnicas avanzadas de fabricación de MEMS.
Utilizando el micromachining method, se depositan varias capas de polisilicio, típicamente de 1 a 100 mm de espesor, para formar una estructura tridimensional que tiene conductores metálicos, espejos y capas de aislamiento. Un proceso de grabado preciso elimina selectivamente una película subyacente (capa de sacrificio) dejando una película superpuesta denominada capa estructural capaz de movimiento mecánico.
Surface micromachiningse utiliza para fabricar una variedad de dispositivos MEMS en volúmenes comerciales. Se pueden ver capas de polisilicio y metal antes y después del proceso de grabado.
Bulk micromachininges otro proceso ampliamente utilizado para formar componentes funcionales para MEMS. Un solo cristal de silicio está modelado y moldeado para formar piezas tridimensionales de alta precisión como canales, engranajes, membranas, boquillas, etc. Estos componentes se integran con otras piezas y subsistemas para producir MEMS completamente funcionales.
Algunos bloques de construcción estandarizados para el procesamiento MEMS y los componentes MEMS son procesos MEMS multiusuario (MUMP). Estos son los cimientos de una plataforma que está dando lugar a un enfoque específico de aplicación para MEMS, muy similar al enfoque específico de aplicación (ASIC), que ha tenido tanto éxito en la industria de circuitos integrados.
Todas las redes ópticas DWDM y MEMS
Los expertos en telecomunicaciones de hoy se enfrentan a un desafío sin precedentes para acomodar una gama cada vez mayor de servicios de gran ancho de banda en las redes de telecomunicaciones. La demanda de ancho de banda está aumentando exponencialmente debido a la expansión de Internet y los servicios habilitados para Internet. La llegada de la multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) ha resuelto esta escasez tecnológica y ha cambiado por completo la economía de la red óptica central.
DWDM utiliza un conjunto de longitudes de onda ópticas (o canales) alrededor de 1553 nm con un espaciado de canal de 0,8 nm (100 GHz), cada longitud de onda puede transportar información de hasta 10 Gbps (STM 64). Se pueden combinar y transmitir más de 100 de estos canales en una sola fibra. Se están realizando esfuerzos para reducir aún más los canales y aumentar la tasa de bits de datos en cada canal.
Experimentalmente, la transmisión de 80 canales, cada uno con 40 Gbits / seg (equivalente a 3,2 Tbits / seg) en una sola fibra, se ha probado con éxito en una longitud de 300 km. La implementación de una red óptica DWDM de punto a punto y basada en anillo requiere un tipo más nuevo de elementos de red que puedan manipular señales sobre la marcha sin una costosa conversión OEO. Los amplificadores ópticos, los filtros, los multiplexores de caída de adición óptica, los demultiplexores y la conexión cruzada óptica son algunos de los elementos esenciales de la red. MEMS juega un papel importante en el diseño y desarrollo de dichos elementos de red. Hablaremos en detalle de Optical Add Drop Mux (OADM) y Optical Cross Connect (OXC).
Gran avance en conmutación óptica
Los científicos de Bell Labs demostraron un práctico interruptor óptico basado en MEMS durante el año 1999. Funciona como una barra de balancín con un espejo microscópico chapado en oro en un extremo. Una fuerza electrostática tira del otro extremo de la barra hacia abajo, levantando el espejo que refleja la luz en ángulo recto. La luz entrante se mueve así de una fibra a otra.
El éxito tecnológico es, de hecho, un componente básico de una variedad de dispositivos y sistemas, como multiplexores de adición / eliminación de longitud de onda, conmutadores de aprovisionamiento óptico, interconexión óptica y ecualizadores de señal WDM.
Multiplexor de caída óptico
Al igual que las redes SDH / SONET basadas en anillo, las redes totalmente ópticas basadas en DWDM están comenzando a despegar. Los diseñadores de redes SDH ya han establecido la superioridad de la red basada en anillo sobre la red en malla. En el anillo totalmente óptico, los anchos de banda (ls) se pueden reservar con fines de protección. Los multiplexores ópticos de adición de caída (OADM) son funcionalmente similares a los multiplexores de adición de caída (ADM) SDH / SONET. Se puede agregar o eliminar un grupo de longitudes de onda seleccionadas (ls) de una señal de luz de múltiples longitudes de onda. OADM elimina la costosa conversión OEO (óptica a eléctrica y posterior).
Una matriz bidimensional de interruptores ópticos como se describe anteriormente se utiliza para fabricar tal OADM que ofrece muy poca flexibilidad. Por otro lado, los multiplexores Add Drop reconfigurables (R-OADM) permiten una flexibilidad total. Se puede acceder a cualquiera de los canales que atraviesan, eliminarlos o agregar nuevos canales. La longitud de onda de un canal específico se puede cambiar para evitar el bloqueo. Los interruptores ópticos u OADM de este tipo se conocen como interruptores 2D o N2 porque el número de elementos de conmutación necesarios es igual al cuadrado del número de puertos y porque la luz permanece en un plano de dos dimensiones únicamente.
Un OADM de ocho puertos requiere 64 micro espejos individuales con su control en un dispositivo MEMS. Es bastante similar a los interruptores de 'barra transversal' utilizados en las centrales telefónicas.
Los interruptores ópticos de este tipo se han sometido a rigurosas pruebas mecánicas y ópticas. La pérdida de inserción promedio es inferior a 1,4 db con una excelente repetibilidad de ± 0,25 db en 1 millón de ciclos. Los OADM de tipo 2D / N2 con una configuración superior a 32 × 32 (espejos de conmutación 1024) se vuelven prácticamente inmanejables y antieconómicos. Se utilizan varias capas de estructuras de conmutadores más pequeñas para crear configuraciones más grandes.
Conexión cruzada óptica
La limitación del interruptor óptico de tipo 2D ha sido superada por una tecnología de conmutación óptica innovadora de Bell Labs. Es conocido popularmente como‘Free Space 3-D MEMS’ o ‘Light Beam Steering’. Utiliza una serie de microespejos de doble eje como interruptor óptico. El microespejo está montado en uno de los ejes de un conjunto de anillos de cardán acoplados en cruz, a través de un conjunto de resortes de torsión. Esta disposición permite que el espejo se mueva a lo largo de dos ejes perpendiculares en cualquier ángulo deseado. El espejo es accionado por una fuerza electrostática aplicada en cuatro cuadrantes debajo del espejo. La unidad completa de microespejos se replica utilizando tecnología MEMS para formar una 'estructura de conmutación' de 128 o 256 microespejos.
Una matriz de fibras de entrada colimadas se alinea con un conjunto de espejos que pueden redirigir la luz inclinando el espejo en los ejes X e Y al segundo conjunto de espejos alineados con las fibras de salida colimadas. Apuntando con precisión un juego de espejos a las fibras de entrada y salida, se puede realizar la conexión de luz deseada. Este proceso se denomina "dirección del haz de luz".
El tiempo de conmutación del conmutador MEMS 3D es inferior a 10 ms y los microespejos son extremadamente estables. Las conexiones cruzadas ópticas basadas en esta tecnología ofrecen varias ventajas únicas sobre las conexiones cruzadas de tipo OEO. OXC son de alta capacidad, escalables, verdaderamente independientes de la velocidad de bits y del formato de datos. Enruta de forma inteligente los canales ópticos sin una costosa conversión OEO. La huella y el consumo de energía reducidos son ventajas adicionales de la tecnología de conmutación totalmente óptica.