DE10012623B4

DE10012623B4 - Vorrichtung zum Umschalten von optischen Signalen, optoelektrisches Computer-Netzwerk und Verfahren zum Umschalten von optischen Signalen

Info

Publication number: DE10012623B4
Application number: DE10012623A
Authority: DE
Inventors: Daniel Mcconnell; Charlie Munoz-Bustamante; David Carroll Challener
Original assignee: Lenovo Singapore Pte Ltd
Current assignee: Lenovo Singapore Pte Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: KR100323358B1; KR20000071443A; US6415070B1; DE10012623A1

Abstract

Vorrichtung zum Umschalten von optischen Signalen in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk (10), wobei das genannte optoelektrische Computer-Netzwerk (10) eine Vielzahl an Computern (11–19) umfasst, wobei jeder der vielen Computer (11–19) ein erstes Glasfaserkabel (11s) zum Senden optischer Signalstrahlen und ein zweites Glasfaserkabel (11r) zum Empfang optischer Signalstrahlen umfasst, weiterhin folgendes umfassend:
Ein Prisma (21) zum Aufteilen eines optischen Signalstrahls von einem ersten Glasfaserkabel (11s) von einem der vielen Computer (11–19) in eine Vielzahl von optischen Signalstrahlen, wobei jeder der vielen optischen Signalstrahlen über eine eindeutige Frequenz innerhalb eines Lichtspektrums verfügt; und
Ein Spiegel-Array (7) mit einer Vielzahl an verformbaren Spiegeln (22), die jeden der optischen Signalstrahlen zu einem entsprechenden zweiten Glasfaserkabel (11r) von mindestens einem der vielen Computer (11–19) leiten.

Description

Technischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren und Vorrichtung für die Übertragung von Signalen im allgemeinen und mit einem Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung von optischen Signalen in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk im besonderen.
Stand der Technik
Bei einem optoelektrischen Computer-Netzwerk handelt es sich um ein Computer-Netzwerk, in dem digitale Datensignale sowohl über optische als auch über elektrisch leitende Pfade geleitet werden. Zumeist sind alle Computer in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk optoelektrische Computer. Ein optoelektrischer Computer ist ein Computersystem, in dem digitale Datensignale sowohl über elektrisch leitende Busse als auch über optische Busse (oder Pfade) geleitet werden. Typischerweise ist ein optoelektrischer Computer mit Möglichkeiten zur optischen Verknüpfung ausgestattet und kann beispielsweise Halbleitergeräte mit "Vertical Cavity Surface Emitting Lasers" (VCSELs) als Wandler für den optoelektrischen Austausch verwenden.
Optoelektrische Verbinder sind beispielsweise aus der US 5,093,879 bekannt. Glasfaserkabel und ein optoelektrisches Computer-Netzwerk sind beispielsweise aus der US 5,600,470 bekannt.
In einem optoelektrischen Computer-Netzwerk kann ein optischer Hub verwendet werden, um Informationen zwischen allen Computern innerhalb des Netzwerks auszutauschen. Der optische Hub arbeitet analog zu einem elektrischen Netzwerkschalter und ermöglicht die gleichzeitige Kommunikation zwischen mehreren Computern. In einem solchen optoelektrischen Computer-Netzwerk kann sich ein effizientes Zuweisen verfügbarer optischer Pfadressourcen zur Übertragung optischer Signale schwierig gestalten, vor allem dort, wo die Kapazitäten der optischen Pfade die Kapazitäten der elektrisch leitenden Pfade übertreffen, wie beispielsweise bei Bussen früherer Generationen an Datenverarbeitungssystemen. In vielen derzeit verwendeten optoelektrischen Computern werden ausgewählte Frequenzen des Lichtspektrums zugewiesen, um einen spezifischen Datenstrom zu erstellen. In diesen Fällen ist es notwendig, diese Datenströme über mehrere optische Pfade, wie etwa einen optischen Hub, zu leiten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umschalten optischer Signale innerhalb des optischen Hubs eines optoelektrischen Computer-Netzwerks anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein optoelektrisches Computer-Netzwerk umfasst mehrere Computer. Jeder der Computer umfasst ein erstes Glasfaserkabel zum Senden optischer Signalstrahlen sowie ein zweites Glasfaserkabel zum Empfangen von Signalstrahlen. In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Senden von Signalen innerhalb des optoelektrischen Computer-Netzwerks ein Prisma und ein Spiegel-Array. Das Prisma spaltet einen optischen Signalstrahl von einem ersten Glasfaserkabel von einem der Computer in mehrere optische Signalstrahlen auf. Jeder der optischen Signalstrahlen verfügt über eine eindeutige Frequenz innerhalb des Lichtspektrums. Das Spiegel-Array besteht aus einer Reihe von formbaren Spiegeln und leitet anschließend jeden einzelnen der optischen Signalstrahlen zum entsprechenden zweiten Glasfaserkabel der restlichen Computer des Netzwerks. Ein derartiges Spiegel-Array ist beispielsweise in der US 5,096,279 beschrieben.
Alle Ziele, Funktionen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung selbst sowie das bevorzugte Ausführungsbeispiel zur Anwendung, weitere Ziele und Vorteile dieser 5 Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, wobei:
1 ein Blockdiagramm eines optoelektrischen Computer-Netzwerks mit optischen Verknüpfungen darstellt, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegenden der Erfindung;
2 eine grafische Ansicht eines Netzwerk-Schaltmechanismus innerhalb des optischen Hubs aus 1 darstellt, n Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a bis 3c eine perspektivische Darstellung, einen Grundriss sowie eine Ansicht im Querschnitt darstellen, die alle ein einzelnes Pixel eines verformbaren Spiegels zeigen, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 eine schematische Ansicht einer Strahlablenkung ist, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
1 ist ein detailliertes Blockdiagramm eines optoelektronischen Computer-Netzwerks mit optischen Verknüpfungen in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei einem optoelektronischen Computer-Netzwerk 10 kann es sich um ein Local Area Network (LAN) oder ein Wide Area Network (WAN) handeln. Wie in 1 dargestellt, umfasst ein optoelektrisches Netzwerk die Computer 11 bis 19 sowie einen optischen Hub 5. Bei jedem der Computer 11 bis 19 kann es sich um einen Personal Computer, einen Computer mittlerer Größe oder einen Großcomputer handeln. Vorzugsweise verfügt jeder der Computer 11 bis 19 über Möglichkeiten zur optischen Verknüpfung, so dass alle Computer 11 bis 19 mit Hilfe eines optischen Hubs 5 miteinander verbunden werden können. Die optische Verknüpfung zwischen einem der Computer 11 bis 19 und einem, optischen Hub 5 besteht aus mindestens zwei Glasfaserkabeln, eines zur Übertragung optischer Signale zum optischen Hub 5 kund das andere zum Empfang optischer Signale vom optischen Hub 5. Ein Glasfaserkabel 11s beispielsweise sendet optische Signale vom Computer 11 an den optischen Hub 5, und ein Glasfaserkabel 11r leitet optische Signals vom optischen Hub 5 an den Computer 11. Die gesamte Kommunikation zwischen den Computern 11 bis 19 wird über den optischen Hub 5 durchgeführt. Im wesentlichen arbeitet der optische Hub als Netzwerk-Schalter für die Computer 11 bis 19 innerhalb 5 des optoelektrischen Computer-Netzwerks 10.
2 zeigt eine grafische Darstellung eines Netzwerk-Schaltmechanismus innerhalb eines optischen Hubs 5, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, umfasst der Netzwerk-Schaltmechanismus 20 ein Prisma 21 und einen Spiegel-Array 7. Bei dem Spiegel-Array 7 handelt es sich vorzugsweise um ein verformbares Spiegelgerät (Deformable Mirror Device = DMD) mit mehreren Spiegeln, wie etwa Spiegel 22, in regelmäßiger Anordnung. Einzelheiten eines DMD werden später beschrieben. Ein Glasfaserbündel 8 umfasst eine Gruppe von Glasfaserkabeln, wobei jedes einzelne der Kabel einem der Computer 11 bis 19 aus 1 zugeordnet ist. Jedes Glasfaserkabel überträgt Signale vom zugeordneten Computer zum Spiegel-Array 7. Das Glasfaserkabel 11s beispielsweise überträgt optische Signale vom Computer 11 (aus 1) an den Spiegel-Array 7. Weiterhin umfasst das Glasfaserbündel 9 eine Reihe von Glasfaserkabeln, die einem der Computer 11 bis 19 aus 1 zugeordnet sind. Jedes der Glasfaserkabel aus dem Glasfaserbündel 9 leitet optische Signale vom Spiegel-Array 7 zum entsprechenden Computer weiter. Jeder Spiegel innerhalb des Spiegel-Arrays 7 kann unabhängig von den anderen angepasst werden, um ein optisches Signal von einem Glasfaserkabel im Glasfaserbündel 8 zu einen Glasfaserkabel im Glasfaserbündel 9 zu reflektieren. Wenn vorn Computer 11 (aus 1) bestimmte Informationen an einen der anderen Computer innerhalb des Netzwerks 10 zu versenden sind, sendet der Computer 11 zunächst das entsprechende optische Signal über das Glasfaserkabel 11s. Wenn unterschiedliche Informationen in einem einzigen optischen Signal untergebracht werden sollen, wird jede einzelne der Informationen innerhalb des Signals unter einer eindeutigen Lichtfrequenz moduliert. Das optische Signal wird dann mit Hilfe des Prismas 21 in mehrere optische Signalstrahlen unterteilt, wobei jeder vorzugsweise über eine andere Frequenz verfügt. Wie gezeigt, beinhalten die optischen Signalstrahlen, die aus dem Prisma 21 austreten, einen roten, einen grünen und einen blauen Strahl. Die optischen Signalstrahlen werden nacheinander vom Spiegel-Array 7 reflektiert. Jedes DMD innerhalb des Spiegel-Arrays 7 wird unabhängig an einen Winkel angepasst, so dass alle optischen Signalstrahlen vom Prisma 21 an ein entsprechendes Glasfaserkabel innerhalb eines Glasfaserbündels 9 geleitet werden. Dies hat zum Ergebnis, dass die Informationen vom Computer 11 zu den empfangenden Computern im Computer-Netzwerk 10 gesendet werden.
Wie zuvor bereits erwähnt, handelt es sich bei dem Spiegel-Array 7 vorzugsweise um einen DMD. Ein DMD ist ein Transducer, der ein auftretendes Licht in ein räumliches Muster umwandelt, das einem elektrischen oder optischen Input entspricht. Das auftretende Licht kann in seiner Phase, Intensität, Polarisierung oder Richtung moduliert werden und die Lichtmodulation kann durch eine Reihe von Materialien mit optoelektrischer oder optomagnetischer Wirkung sowie durch Material, das Licht durch Oberflächenverformung moduliert, hervorgerufen werden. Ein DMD wird normalerweise aus Bereichs- Arrays aus Pixeln (oder Spiegeln) gebildet, wobei jeder Pixel einzeln verwendet werden kann und über mindestens einen ablenkbaren Reflektierstrahl verfügt. Ein DMD arbeitet mit Reflektieren von Licht von den Pixeln, und das reflektierte Licht wird durch variierte Ablenkung der ablenkbaren Strahlen moduliert. Die 3a–3c zeigen einen einzelnen Pixel eines DMD in perspektivischer Darstellung, als Grundriss sowie als Ansicht im Querschnitt, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die 3c ist ein Querschnitt entlang der Linie c-c, die in den 3a und 3b dargestellt wird. Ein Pixel in einem DMD ist ein Träger (oder eine Platte), der eine flache Wanne abdeckt. Wie gezeigt, umfasst ein Pixel 40 ein Siliziumsubstrat 41, einen isolierenden Abstandshalter 42, eine bewegliche Metallschicht 43, eine Metallträgerschicht 44, einen Träger 45 und mehrere Plasma-Ätz-Zugriffsöffnungen 46 im Träger 45. Die Teile 47 und 48 der beweglichen Schicht 43, die von der Trägerschicht 44 abgedeckt werden, bilden Torsionsgelenke (Torsionsstangen), die den Träger 45 mit den Teilen der Schichten 43 und 44 auf dem Abstandshalter 42 verbinden. Die Elektroden 54 bewegen sich zwischen dem Abstandhalter 42 und dem Substrat 44 und sind vom Substrat 41 durch eine Schicht aus Siliziumoxid 50 isoliert. Bevorzugte Abmessungen für Pixel 40 sind die folgenden: Träger 45 ist ein Quadrat, dessen Seiten 12,5 Micron lang sind, der Abstandhalter 42 ist 4,0 Micron dick, die bewegliche Schicht 43 ist 800 Ä dick, die Trägerschicht 44 ist 3.600 Ä dick, jede der beweglichen Schichten 47, 48 ist 4,6 Micron lang und 5 1,8 Micron breit, die Plasma-Ätz-Zugriffsöffnungen 46 haben einen Durchmesser von 2,0 Micron und die Plasma-Ätz-Lücke 55 (der Platz zwischen Träger 45 und dem Rest der Trägerschicht 44) ist 2,0 Micron breit. Andere mögliche Abmessungen für Pixel 40, um einen maximalen Strahlablenkungswinkel von ca. 10 Grad zu erzielen, sind die folgenden: Träger 45 ist ein Quadrat, dessen Seiten 19 Micron lang sind, der Abstandshalter 42 ist 2,3 Micron dick, die bewegliche Schicht 43 ist 750 Ä dick, die Trägerschicht 44 ist 3.000 Ä dick, jede der beweglichen Schichten 47, 48 ist 4,6 > Micron lang und 1,0 Micron breit, die Plasma-Ätz-Zugriffsöffnungen 46 haben einen Durchmesser von 1,5 Micron und die Plasma-Ätz-Lücke 55 ist 1,0 Micron breit.
Das Substrat 41 besteht aus Silizium mit einem Widerstand von ca. 10 Ohm-cm. Der Abstandhalter 42 dient der Isolation; sowohl die bewegliche Schicht 43 als auch die Trägerschicht 44 bestehen aus einer Legierung aus Aluminium, Titanium und Silizium (Ti: Si: Al) mit 1% Ti und 1% Si. Diese Legierung hat einen Koeffizienten für die thermische Ausdehnung, der sich von dem des Abstandhalters 42 nicht wesentlich unterscheidet und somit die Spannung zwischen den Metallschichten und dem Abstandhalter 42 während des Herstellungsprozesses minimiert. Es ist zu beachten, dass jede Spannung zwischen den Schichten im Träger oder den beweglichen Schichten ein Abknicken oder Abbiegen des freien Teils des Metalls über der Wanne bewirken kann.
Pixel 40 arbeitet, indem eine Spannung zwischen den Metallschichten 43, 44 und den Elektroden 53 oder 54 auf dem Substrat 41 angelegt wird; Träger 45 und die Elektroden bilden die beiden Platten für einen Luftlückenkondensator, und die gegensätzlichen Ladungen auf den beiden Platten durch die angelegte Spannung erzeugt einen Träger mit elektrostatischer Anziehung 45 auf das Substrat 41, wobei die Elektroden 51 und 52 über die gleiche Spannung verfügen wie der Träger 45. Diese Anziehungskraft bewirkt, dass sich der Träger 45 an den beweglichen Schichten 47, 48 dreht und zum Substrat 41 abgelenkt wird.
4 zeigt eine schematische Ansicht der oben genannten Ablenkung zusammen mit einer Angabe der Ladungen, die in den Regionen der schmälsten Lücken konzentriert werden, für eine positive Ladung an der Elektrode 53. Für Ladungen im Bereich von 20 Volt bewegt sich die Ablenkung in einem Bereich von 2 Grad. Wenn jedoch die bewegliche Schicht 47 länger, dünner oder schmaler wird, kann die Ablenkung größer werden, da die Anpassung der beweglichen Schicht 47 linear und entgegengesetzt zu seiner Breite und direkt mit dem Quadrat seiner Länge und entgegengesetzt mit der dritten Potenz der Dicke variiert. Es ist zu beachten, dass die Dicke von Träger 45 größere Abbiegungen des Trägers 45 verhindert, indem Oberflächenspannung bei der Herstellung erzeugt wird, doch dass eine dünne bewegliche Schicht 47 eine große Anpassung ermöglicht. 4 zeigt auch die Reflexion von Licht vom abgelenkten Träger 45, wie sie beim Betrieb auftreten kann.
Wie beschrieben, bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umschalten von Signalen in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben und erläutert wurde, sollte den Fachleuten klar sein, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne Ziel und Zweck der Erfindung nachhaltig zu verändern.

Claims

Vorrichtung zum Umschalten von optischen Signalen in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk (10), wobei das genannte optoelektrische Computer-Netzwerk (10) eine Vielzahl an Computern (11–19) umfasst, wobei jeder der vielen Computer (11–19) ein erstes Glasfaserkabel (11s) zum Senden optischer Signalstrahlen und ein zweites Glasfaserkabel (11r) zum Empfang optischer Signalstrahlen umfasst, weiterhin folgendes umfassend: Ein Prisma (21) zum Aufteilen eines optischen Signalstrahls von einem ersten Glasfaserkabel (11s) von einem der vielen Computer (11–19) in eine Vielzahl von optischen Signalstrahlen, wobei jeder der vielen optischen Signalstrahlen über eine eindeutige Frequenz innerhalb eines Lichtspektrums verfügt; und Ein Spiegel-Array (7) mit einer Vielzahl an verformbaren Spiegeln (22), die jeden der optischen Signalstrahlen zu einem entsprechenden zweiten Glasfaserkabel (11r) von mindestens einem der vielen Computer (11–19) leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Spiegel-Array (7) um eine verformbare Spiegelvorrichtung (Deformable Mirror Device = DMD) handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der genannte optische Signalstrahl die durch eine Vielzahl von Lichtfrequenzen modulierte Informationen enthält.
Optoelektrisches Computer-Netzwerk (10), folgendes umfassend: eine Vielzahl an Computern (11–19), wobei jeder der vielen Computer (11–19) ein erstes Glasfaserkabel (11s) zum Sen den optischer Signalstrahlen und ein zweites Glasfaserkabel (11r) zum Empfang optischer Signalstrahlen umfasst; und ein optischer Hub (5), der mit der Vielzahl an Computern (11–19) gekoppelt ist, wobei der genannte optische Hub (5) folgendes umfasst: ein Prisma (21) zur Aufteilung eines optischen Signalstrahls von einem ersten Glasfaserkabel (11s) von einem der vielen Computer (11–19) in eine Vielzahl von Signalstrahlen, wobei jeder der vielen Signalstrahlen über eine eindeutige Frequenz innerhalb eines Lichtspektrums verfügt; und ein Spiegel-Array (7) mit einer Vielzahl an verformbaren Spiegeln (22), die jeden einzelnen der optischen Signalstrahlen zum entsprechenden zweiten Glasfaserkabel (11r) von mindestens einem der vielen Computer (11–19) leitet.
Optoelektrisches Computer-Netzwerk (10) nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem genannten Spiegel-Array (7) um eine verformbare Spiegelvorrichtung (DMD) handelt.
Optoelektrisches Computer-Netzwerk (10) nach Anspruch 4, wobei der genannte optische Signalstrahl unter einer Vielzahl von Lichtfrequenzen modulierte Informationen umfasst.
Verfahren zum Umschalten von optischen Signalen in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk (10), wobei das genannte optoelektrische Computer-Netzwerk (10) eine Vielzahl von Computern (11–19) umfasst, wobei jeder der vielen Computer (11–19) ein erstes Glasfaserkabel (11s) zum Senden optischer Signalstrahlen und ein zweites Glasfaserkabel (11r) zum Empfang optischer Signalstrahlen umfasst, wo bei dieses Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst: Aufteilen eines optischen Signalstrahls von einem ersten Glasfaserkabel (11s) von einen der genannten zahlreichen Computer (11–19) in eine Vielzahl an optischen Signalstrahlen, wobei jeder der genannten vielen optischen Signalstrahlen über eine eindeutige Frequenz in einem Lichtspektrum verfügt; und Verwenden eines Spiegel-Arrays (7) mit einer Vielzahl an verformbaren Spiegeln (22), um jeden der optischen Signalstrahlen zu einem entsprechenden zweiten Glasfaserkabel (11r) von mindestens einem der restlichen Computer (11–19) weiterzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der genannte Spiegel-Array (7) eine verformbare Spiegelvorrichtung (DMD) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der genannte optische Signalstrahl die unter einer Vielzahl von Lichtfrequenzen modulierten Informationen umfasst.