TESTOVACÍ SYSTÉM PRO MEMS VOA

TESTOVACÍ SYSTÉM PRO MEMS VOA Ing. Petr Hliněný Ústav automatizace a měřící techniky, FEKT, VUT v Brně Kolejní 4, 612 00, Brno Email: xhline00@stud.feec.vutbr.cz V článku je představen nový způsob měření vychýlení pohyblivé části proměnného optického zeslabovače vyrobeného technologií MEMS s následným popisem celého zařízení, které k tomuto měření slouží. 1. ÚVOD Zvyšující se nároky na přenosové rychlosti počítačových sítí nutí výrobce hledat stále nové technologie, jak tyto rychlosti zvyšovat. Jako jedna z možností se jeví optická komunikace založená na přenosu dat pomocí světla. Tato technologie je velice náročná na přesnost a vlastnosti všech součástí, z kterých se skládá jakékoliv optické zařízení. 1.1. OPTICKÝ ZESLABOVAČ Optický zeslabovač je prvek, který redukuje sílu signálu ve vláknu vložením pevných, nebo proměnných ztrát. Je používán k nastavení velikosti síly optického signálu na výstupu světelného zdroje a elekticko-optických převodníků. Je také používán na testování linearity a dynamického rozsahu foto senzorů a foto detektorů. 1.2. VARIABLE OPTICAL ATTENUATOR (VOA) Jedná se o proměnný optický zeslabovač s pohyblivým prvkem, kterým můžeme regulovat velikost ztrát. Existuji dva základní typy: Blokující světlo prochází přes médium, jehož útlum je možné měnit bud mechanicky, nebo aplikováním elektrického, akustického nebo magnetického signálu. Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) je polovodičový čip který integruje mechanické prvky, senzory, akční členy a elektroniku na křemíkovém podkladu. Zatímco elektronika je vyráběna použitím technologie pro integrované obvody, mikromechanické části jsou vyráběny mikroobráběním, při kterém se odleptávají části křemíkové destičky a přidávají nové strukturální vrstvy k vytvoření mechanického a elektromechanického zařízení. Jejich použití je hlavně jako tlakové a chemické senzory, zařízení pro odrážení světla a přepínače. Dále jich může být použito jako mikro akčních členů malých mechanizmů, které uvádí do pohybu nějaký mechanický systém. Obecně je velikost MEMS součástky od mikrometrů po milimetry. MEMS zařízení může být tak malé, že se jich vejdou stovky na místo jednoho obyčejného zařízení, které provádí stejnou funkci. [4] 1.4. APLIKACE VOA Proměnný optický zeslabovač má široké použití v optických sítích. Je používán uvnitř optických zesilovačů, v multiplexerech, přepínačích a hlavně v DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex) systémech ke kontrole optického výkonu. Nejčastější aplikaci je vyrovnáni nestejnoměrného útlumu EDFA zesilovače na různých vlnových délkách. Reflexivní - jeho základem je miniaturní zrcátko, které je vychylováno a odráží požadované množství světla. Zrcátko je většinou vyrobeno pomoci MEMS technologie. Tímto typem VOA se zabývá tento článek. Ideální VOA má velmi nízké vložené ztráty (méně než jeden decibel), dále musí být schopny poskytnout zeslabení nezávislé na teplotě, polarizaci a vlnové délce světla. [1] 1.3. TECHNOLOGIE MEMS 37-1

Obr. č. 1: Příklad použití VOA Obr. č. 3: MEMS VOA 1.5. MEMS VOA MEMS VOA je proměnný optický zeslabovač vyrobený pomocí technologie MEMS. Základem je mikrozrcátko, které je vychylováno mikromechanickými prvky podle napětí, které je na VOA přivedeno. Pomocí pohybu zrcátka, na které dopadá vstupní paprsek, můžeme regulovat velikost odraženého paprsku a tím měnit útlum signálu. Princip je znázorněn na obrázku č. 2. Na obrázku můžeme vidět zdrojové (první) vlákno, jehož paprsek dopadá přes optiku na zrcátko VOA a z něho se odráží a pokračuje přes optiku do druhého vlákna. Pokud vychýlíme zrcátko, do druhého vlákna už se nebude odrážet celý paprsek, ale jenom jeho část, tím docílíme zeslabení signálu. 2. TESTOVÁNÍ MEMS VOA Zařízení MEMS pracují na principu malého pohybu nebo deformace a je důležité provádět přesné měření k určení jejich základních vlastností. V našem případě je hlavní vlastnost vychýlení zrcátka při změně řídícího napětí. Správná funkce zařízení je velice závislá na přesném pohybu mikrozrcátka. 2.1. PŘÍMÉ MĚŘENÍ INTERFEROMETR Princip interferometrie je, že dvě vlny, které se překrývají se stejnou fází se navzájem zesílí, zatímco s opačnou fází se vyruší. Na začátku používala většina interferometrů bílé zdroje světla, pro dnešní výzkumy se používá monochromatické světlo laseru. Nejběžnější příklad interferometru je typ Michelson. Základními prvky jsou monochromatický zdroj, detektor, dvě zrcátka a polopropustné zrcátko (často zvané jako splitter). Na obrázku č. 4 je jejich rozestavení. Obr. č. 2: Princip funkce MEMS VOA Na obrázku č. 3 je fotografie MEMS VOA, který je připevněný na patici. Na vývody patice přivádíme napětí, které nám způsobí vychylování zrcátka. 37-2

vyhodnocuje pozici dopadu. Pokud dojde k vychýlení zrcátka, změní se úhel odražení paprsku a snímač polohy detekuje změnu místa dopadu odraženého paprsku. Díky známé vzdálenosti snímače od zrcátka a vzdálenosti dopadu původního a vychýleného paprsku můžeme vypočítat úhel α, který je důležitý pro další využití VOA. MEMS Tester je mikroprocesorem ovládané zařízení, které generuje řídící napětí pro vychylování zrcátka, měří hodnoty z detektoru polohy a tyto data posílá do PC, kde se vyhodnocují. Obr. č. 4: Interferometr typu Michelson Můžeme zde vidět dvě cesty ze světelného zdroje do detektoru. První, odražená od polopropustného zrcátka, jde k vrchnímu zrcátku (v našem případě to bude zrcátko MEMS VOA) a odráží se zpátky, prochází polopropustným zrcátkem do detektoru. Druhá prochází polopropustným zrcátkem do zrcátka napravo (referenční), odráží se zpátky do polopropustného zrcátka a následně se odrazí do detektoru. Pokud se tyto dvě cesty liší celým číslem vlnové délky, dochází ke konstruktivní interferenci a zesílení signálu v detektoru. Pokud se liší celým číslem a polovinou vlnové délky (0.5,1.5..) dochází k destruktivní interferenci a zeslabení signálu. [2] Vlastní měření se provátí tak, že vychylujeme zrcátko VOA (horní) a detektorem měříme rozdíl mezi odraženým paprskem z VOA a odraženým paprskem z referenčního zrcátka (zrcátko vpravo). Interferometry mají obrovskou přesnost a jsou schopny detekovat změnu paprsků, které odpovídá vychýlení zrcátka o setiny mikrometrů. Jejich největší nevýhoda je velká cena. 2.2. NEPŘÍMÉ MĚŘENÍ VOA MEMS TESTER Na rozdíl od interferometru, který porovnává dva odražené paprsky, základní princip MEMS Testeru je vychylovat zrcátko, na které dopadá paprsek z laseru a měřit polohu vychýleného paprsku. Na obrázku č. 5 můžeme tento princip vidět. Zdroj světla (v našem případě laser) vysílá paprsek, který dopadá na zrcátko, paprsek se dále odráží do snímače polohy, který Obr. č. 5: Princip MEMS Testeru 3. VOA MEMS TESTER VOA MEMS Tester se skládá z mechanické a hardwarové části. V mechanické části je uchycen vlastní VOA, na který je směrován laserový paprsek a ten následně mikrozrcátkem vychylován do snímače polohy. Hardwarová sestava provádí komunikaci s nadřazeným PC, nastavovaní napětí na D/A převodníku, čtení napětí z A/D převodníku a další funkce, ke kterým je naprogramována. 3.1. MECHANICKÁ ČÁST Mechanická sestava se skládá z držáku, na kterém je připevněná laserová dioda, držák s MEMS VOA a snímač polohy (PSD). Vše musí být sestaveno tak, aby se laserový paprsek z laserové diody odrážel díky mikrozrcátku v MEMS VOA přímo na snímač vzdálenosti a ten mohl vyhodnocovat jeho pohyb. Součásti jsou uchyceny v mechanické sestavě podle obrázku č. 5. Řídící jednotka má kromě komunikace s PC za úkol ovládat vychylování mikrozrcátka a zjišťovat polohy paprsku z PSD. Samotné vychylování zrcátka probíhá změnou napětí na vývodech patice. Jako s aktivní detekční oblastí 4 x 4 mm. PSD má 4 napěťové výstupy, z nichž se dále počítají souřadnice 37-3

bodů. Na obrázku č. 6 je fotografie snímače, rozměry snímače jsou 11 x 9 x 2 mm. [3] Obr. č. 6: Snímač polohy firmy Hamamatsu Jako zdroj světla je použita červená laserová dioda a jako testovaný vychylovací prvek je použit MEMS VOA firmy Active Optical Networks. na A/D převodníky a je dále zpracováváno. Měření probíhá postupným vychylováním mikrozrcátka z počáteční polohy do polohy maximální, což znamená v našem případě postupné zvyšování řídícího napětí MEMS VOA od 0V do přibližně 16V, velikost napětí záleží na konstrukčních parametrech. Po každém zvýšení řídícího napětí se zaznamená napětí z PSD a dojde k výpočtu polohy bodu, kde se nachází odražený paprsek. Vzorec pro výpočet pozice bodu z napětí na PSD: x L ( U * 2 U + U + U + U 2 + U 3 ) ( U1 + U 4 ) = (1) 1 2 3 4 3.2. HARDWAROVÁ ČÁST Systém je postavena na výkonném signálovém procesoru Blackfin 532 firmy Analog Devices. Zařízení dále obsahuje rychlý A/D převodník AD7490 firmy Analog Device, D/A převodník DAC8532, Ethernetový kontrolér ENC28J60 firmy Microchip a sériová flash paměť M25P10 firmy ST Microelectronics. Pro lepší představu o složení MEMS Testeru je na obrázku č. 7 zobrazeno blokové schéma. U1 až U4 je napětí na kanálech 1 až 4 A/D převodníku (4 napěťové výstupy PSD) x je souřadnice bodu na ose x aktivní plochy PSD L je konstanta PSD, v našem případě L = 4.5 mm Jelikož známe pozice dvou bodů, můžeme vypočítat jejich vzdálenost. Pokud známe vzdálenost bodů a vzdálenost zrcátka od PSD, můžeme vypočítat úhel, o který se paprsek posunul. Vycházíme-li z předpokladu, že úhel vychýlení zrcátka je poloviční oproti úhlu posunutí paprsku, můžeme vypočítat i úhel vychýlení zrcátka. Na obrázku č. 8 můžeme vidět označení jednotlivých stran pro výpočet úhlů. Výpočet jednotlivých úhlů: Obr. č. 7: Blokové schéma VOA MEMS Testeru 3.3. VLASTNÍ MĚŘENÍ MEMS VOA Princip měření je vysvětlen v části 2.2, nyní si přiblížíme praktickou realizaci toho měření. Základem je vychylování mikrozrcátka, které odráží paprsek na detektor pohybu. Tester obsahuje D/A převodníky s operačními zesilovači, díky kterým můžeme přivádět na vstup MEMS VOA námi požadované napětí a vychylovat zrcátko. Dopadající paprsek vyvolá na výstupu PSD změnu napětí, toho napětí je přivedeno X = arctan PSD _ DIST α (2) α β = (3) 2 kde α je úhel vychýlení paprsku β je úhel vychýlení zrcátka X je rozdíl na ose X prvního a druhého bodu PSD_DIST je konstanta udávající vzdálenost PSD od mikrozrcátka, PSD_DIST = 52 mm 37-4

V následující tabulce jsou porovnány výsledky měření pomocí interferometru a hodnoty naměřené VOA MEMS Testerem. Obr. č. 8: Pomocný obrázek pro výpočet úhlu Pro zadávání počátečních, konečných hodnot a dalšího nastavení je použit software na straně PC, který s testovacím systémem komunikuje po sériové lince nebo ethernetu. Tento software také ovládá průběh měření a vykresluje aktuální graf. Celý proces nastavování a čtení napětí se opakuje, až nastavované napětí dosáhne konečného napětí pro test. Uživateli se zobrazují aktuální hodnoty měření a graf, na kterém vidí celkové vychýlení zrcátka. MEMS Tester Interferometr řídící napětí [V] úhel [ ] úhel [ ] 0 0,00 0,00 2 0,00 0,00 4 0,01 0,02 6 0,04 0,04 8 0,07 0,06 10 0,11 0,11 12 0,16 0,16 14 0,24 0,24 16 0,33 0,34 18 0,44 0,45 20 0,58 0,59 Tabulka č. 1: Porovnání výsledků měření 3.4. VÝSLEDKY Funkčnost zařízení můžeme bez problémů ověřit díky hodnotám naměřeným interferometrem, tyto hodnoty by se měli co nejvíce shodovat, v nejlepším případě být stejné. Na grafu č. 1 můžeme vidět výsledek testu MEMS VOA. Graf nám ukazuje závislost vychýlení zrcátka na řídícím napětí přivedeným na vstup MEMS VOA. Graf č. 1: Závislost vychýlení zrcátka na řídícím napětí 4. ZÁVĚR V článku byla popsána nová metoda měření vychýlení proměnného optického zesilovače. Také zde byl uveden náznak praktické realizace měřícího systému. Pokud porovnáme výsledky měření s hodnotami získanými pomocí interferometru v tabulce č. 1, vidíme, že rozdíl je velmi nepatrný. Nutno ještě podotknout, že chyba měření ve velké míře závisí na uchycení VOA v držáku tak, aby se paprsek odrážel od mikrozrcátka pouze v jedné ose. Pokud vezmeme v úvahu, že měření jedné součástky pomocí interferometru trvá 5-10 minut a VOA MEMS Tester dokáže součástku otestovat asi za 10 sekund, je zřejmé, že zrychlení testu je opravdu velké. Navíc využíváme počítačový program, který může například uložit data do databáze, nebo provést jejich dalších zpracování, což vede k dalšímu zrychlení celé práce. Jak jsem také zmínil už dříve, Interferometr je velice drahé zařízení a zavedení MEMS testeru podstatně sníží náklady pro testování VOA. 37-5

[3] Manuál ke snímači polohy S5990-01. Dostupný z: (http://sales.hamamatsu.com/assets/pdf/parts_s/ S5990-01_S5991-01.pdf) [4] Technologie MEMS. Dostupné z: (http://www.memsnet.org/mems/what-is.html) PODĚKOVÁNÍ Článek vznikl s podporou výzkumného záměru MŠMT ČR MSM0021630529 a grantu GAČR 102/09/H081 SYNERGY LITERATURA [1] NEUKERMANS A., RAMASWAMI R. MEMS Technology for Optical Networking Applications. Dostupné z: (http://www.comsoc.org/ci/private/2001/jan/ram a.html) [2] Interferometrie. Dostupné z : (http://en.wikipedia.org/wiki/interferometry) 37-6