DE102021206926A1

DE102021206926A1 - Mems-optikschalter mit doppel-cantilever-kopplern

Info

Publication number: DE102021206926A1
Application number: DE102021206926.6A
Authority: DE
Inventors: Zilun Gong; Alexander Huebel; Tobias Graf; Ning Wang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2022-01-05
Also published as: US20220004077A1; CN113885124A; US11307483B2

Abstract

Ein optischer Schalter umfasst einen Buswellenleiter und eine optische Antenne, die von einem Substrat gestützt werden, einen ersten und zweiten Kopplungswellenleiter, eine erste und zweite Betätigungselektrode, und eine erste und zweite Reaktionselektrode. Der erste Kopplungswellenleiter ist parallel zum Substrat angeordnet und mit dem Buswellenleiter gefluchtet. Die erste Reaktionselektrode ist mit dem ersten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart. Der zweite Kopplungswellenleiter ist mit dem ersten Kopplungswellenleiter optisch verbunden und über der optischen Antenne aufgehängt und für eine optische Kopplung mit der optischen Antenne eingerichtet. Die zweite Reaktionselektrode ist mit dem zweiten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart. Die erste und die zweite Betätigungselektrode werden vom Substrat gestützt und sind dazu eingerichtet, die Position des ersten beziehungsweise zweiten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zu dem Buswellenleiter und der optischen Antenne über die erste und zweite Reaktionselektrode zu steuern.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
GEBIET DER TECHNIK
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und eine Vorrichtung zum Leiten und Abstrahlen von Lichtsignalen.
STAND DER TECHNIK
Lidar wird eine Schlüsselrolle für viele neue Technologien, wie autonome Fahrzeuge, zugeschrieben. Es wird davon ausgegangen, dass Chip-Lidar (auch bezeichnet als Festkörper-Lidar oder Lidar-on-a-Chip) in zukünftigen autonomen Fahrzeugen eine breite Verwendung findet. Es gibt jedoch nach wie vor viele Problemfragen bei der Schaffung eines praktischen Chip-Lidars, der den Ansprüchen von Fahrzeug-Erstausrüstern genügen kann. Eine der Herausforderungen ist die Strahllenkung. Es wurden verschiedene Verfahrensansätze zur Lenkung eines Strahls im Chip-Lidar entwickelt, wie Mikrospiegelarrays, optische phasengesteuerte Arrays, Wellenlängenabstimmung und photonische Kristallwellenleiter, wobei diese Verfahrensansätze jedoch mit Problemen wie einem begrenzten Sichtfeld, einer komplizierten Steuerelektronik und hohen Anforderungen an den Laser konfrontiert sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein optischer Schalter umfasst einen Buswellenleiter, der von einem Substrat gestützt wird, eine optische Antenne, die vom Substrat gestützt wird und im Verhältnis zum Substrat in gleicher Ebene mit dem Buswellenleiter liegt, einen ersten und zweiten Kopplungswellenleiter, eine erste und zweite Betätigungselektrode, und eine erste und zweite Reaktionselektrode. Der erste Kopplungswellenleiter ist parallel zum Substrat angeordnet und mit dem Buswellenleiter gefluchtet. Die erste Reaktionselektrode ist mit dem ersten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart. Der zweite Kopplungswellenleiter ist mit dem ersten Kopplungswellenleiter optisch verbunden und über der optischen Antenne aufgehängt und für eine optische Kopplung mit der optischen Antenne eingerichtet. Die zweite Reaktionselektrode ist mit dem zweiten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart. Die erste Betätigungselektrode wird vom Substrat gestützt und ist dazu eingerichtet, die Position des ersten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zum Buswellenleiter über die erste Reaktionselektrode zu steuern. Die zweite Betätigungselektrode wird vom Substrat gestützt und ist dazu eingerichtet, die Position des zweiten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zur optischen Antenne über die zweite Reaktionselektrode zu steuern; wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode kleiner als ein unterer Schwellenwert ist, ist der erste Kopplungswellenleiter in einer ersten Distanz zum Buswellenleiter positioniert, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode größer als ein oberer Schwellenwert ist, ist der erste Kopplungswellenleiter in einer zweiten Distanz zum Buswellenleiter positioniert, und die zweite Distanz ist kleiner als die erste Distanz.
Ein Strahllenkungssystem umfasst einen Buswellenleiter, der von einem Substrat gestützt wird, eine optische Antenne, die vom Substrat gestützt wird und im Verhältnis zum Substrat in Ebene mit dem Buswellenleiter liegt, einen ersten und zweiten Kopplungswellenleiter, eine erste und zweite Betätigungselektrode, eine erste und zweite Reaktionselektrode, einen optischen Baum, und ein Objektiv. Der erste Kopplungswellenleiter ist über dem Buswellenleiter aufgehängt. Die erste Reaktionselektrode ist mit dem ersten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart. Der zweite Kopplungswellenleiter ist mit dem ersten Kopplungswellenleiter optisch verbunden, wobei der zweite Kopplungswellenleiter über der optischen Antenne aufgehängt und für eine optische Kopplung mit der optischen Antenne eingerichtet ist. Die zweite Reaktionselektrode ist mit dem zweiten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart. Die erste Betätigungselektrode wird vom Substrat gestützt und ist dazu eingerichtet, die Position des ersten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zum Buswellenleiter über die erste Reaktionselektrode zu steuern. Die zweite Betätigungselektrode wird vom Substrat gestützt und ist dazu eingerichtet, die Position des zweiten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zur optischen Antenne über die zweite Reaktionselektrode zu steuern. Der optische Baum weist mindestens eine Art von optischem Schalter auf und ist dazu eingerichtet, Licht zur optischen Antenne zu verteilen. Das Objektiv ist zum Substrat beabstandet und dazu eingerichtet, aus der optischen Antenne empfangenes Licht zu beugen; wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode kleiner als ein unterer Schwellenwert ist, ist der erste Kopplungswellenleiter in einer ersten Distanz zum Buswellenleiter positioniert, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode größer als ein oberer Schwellenwert ist, ist der Kopplungswellenleiter in einer zweiten Distanz zum Buswellenleiter positioniert, und die zweite Distanz ist kleiner als die erste Distanz.
Ein Strahllenkungssystem umfasst einen Buswellenleiter, der von einem Substrat gestützt wird, eine optische Antenne, die vom Substrat gestützt wird und im Verhältnis zum Substrat komplanar zum Buswellenleiter ist, einen ersten und zweiten Kopplungswellenleiter, eine erste und zweite Betätigungselektrode, eine erste und zweite Reaktionselektrode, einen optischen Baum, und ein Objektiv. Der erste Kopplungswellenleiter ist über dem Buswellenleiter aufgehängt. Die erste Reaktionselektrode ist mit dem ersten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart. Der zweite Kopplungswellenleiter ist mit dem ersten Kopplungswellenleiter optisch verbunden und über der optischen Antenne aufgehängt und für eine optische Kopplung mit der optischen Antenne eingerichtet. Die zweite Reaktionselektrode ist mit dem zweiten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart. Die erste Betätigungselektrode wird vom Substrat gestützt und ist dazu eingerichtet, den ersten Kopplungswellenleiter im Verhältnis zum Buswellenleiter zu steuern. Die zweite Betätigungselektrode wird vom Substrat gestützt und ist dazu eingerichtet, die Position des zweiten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zur optischen Antenne zu steuern. Der optische Baum weist mindestens eine Art von optischem Schalter auf und ist dazu eingerichtet, Licht aus der optischen Antenne zu sammeln. Das Objektiv ist zum Substrat beabstandet, wobei das Objektiv dazu eingerichtet ist, das Licht zu beugen und das Licht zur optischen Antenne zu richten; wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode kleiner als ein unterer Schwellenwert ist, ist der erste Kopplungswellenleiter in einer ersten Distanz zum Buswellenleiter positioniert, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode größer als ein oberer Schwellenwert ist, ist der Kopplungswellenleiter in einer zweiten Distanz zum Buswellenleiter positioniert, und die zweite Distanz ist kleiner als die erste Distanz.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht eines optischen Schalterarray-Systems.
2 ist eine Seitenansicht eines optischen Schalterarray-Systems.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines siliciumphotonischen Schalterarrays.
4A ist eine Draufsicht eines optischen Schalters eines optischen Schalterarrays.
4B ist eine Seitenansicht eines optischen Schalters eines optischen Schalterarrays in einem ausgeschalteten Zustand (OFF).
4C ist eine Seitenansicht eines optischen Schalters eines optischen Schalterarrays in einem eingeschalteten Zustand (ON).
5A ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalters mit einem optischen gekoppelten Biegebalken (Cantilever) und einer feststehenden optischen Antenne in einem Schalterarray.
5B ist eine perspektivische Ansicht einer zweidimensionalen feststehenden optischen Antenne.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen gekoppelten Cantilevers mit einer feststehenden optischen Antenne.
7A ist eine Schnittansicht des optischen gekoppelten Cantilevers des MEMS-Schalters von 6 in einem Ruhezustand.
7B ist eine Schnittansicht des optischen gekoppelten Cantilevers des MEMS-Schalters von 6 in einem betätigten Zustand.
7C ist eine Schnittansicht der feststehenden optischen Antenne des MEMS-Schalters von 6 in einem Ruhezustand.
7D ist eine Schnittansicht der feststehenden optischen Antenne des MEMS-Schalters von 6 in einem betätigten Zustand.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems, das ein optisches Signal sendet.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems, das ein optisches Signal empfängt.
10 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems, das optische Signale empfängt und sendet.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems, das mindestens zwei Arten von optischen Schaltern aufweist.
12 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems, das einen Teilerbaum (Splitterbaum) und einen optischen Schalter aufweist.
13 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems, das einen Teilerbaum und mindestens zwei Arten von optischen Schaltern aufweist.
14 ist eine Ansicht eines Schalterarray-Systems, das dazu eingerichtet ist, Reihen und Spalten unabhängig anzusteuern.
15 ist ein Schaubild eines Schalterarray-Systems, das dazu eingerichtet ist, Teilarrays gleichzeitig anzusteuern.
16 ist eine perspektivische Ansicht eines Buswellenleiters und eines entsprechenden Kopplerwellenleiters.
17 ist eine grafische Darstellung eines Kopplungsfeldprofils in Bezug auf die Distanz.
18 ist eine Reihe von zweidimensionalen grafischen Darstellungen von Kopplungsfeldprofilen in Bezug auf eine Ausbreitungsstrecke.
19 ist eine grafische Darstellung der Kopplungseffizienz in Bezug auf die Länge des Koppel-Tapers.
20 ist eine grafische Darstellung des Transmissionsverlusts in Bezug auf die Wellenlänge.
21 ist eine grafische Darstellung des Energieverlusts in Bezug auf die Spaltgröße.
22 ist eine grafische Darstellung eines Strahlungsmusters in Bezug auf den Winkel.
23 ist eine Seitenansicht zur Darstellung eines Wellenleitergitters bezogen auf den Freiraumwinkel.
24 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrisch vorgespannten Balkenfeder.
25 ist eine grafische Darstellung einer Auslenkung entlang einer Z-Achse in Bezug auf die Schaltgeschwindigkeit.
26 ist eine Draufsicht einer Schalterarray-Anordnung mit detaillierter Darstellung eines Einzelelements.
27A ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays mit einem beweglichen optischem Koppler auf einer Aufhängungsschicht und einer feststehenden optischen Antenne auf einer Substratschicht.
27B ist eine Draufsicht eines Schalterarrays mit einem beweglichen optischen Koppler auf einer Aufhängungsschicht und einer feststehenden optischen Antenne auf einer Substratschicht.
28A ist eine Querschnittsansicht des beweglichen optischen Kopplers von 27 in OFF-Stellung.
28B ist eine Querschnittsansicht des beweglichen optischen Kopplers von 27 in ON-Stellung.
29 ist eine Draufsicht einer Schalterarray-Anordnung mit einem beweglichen optischen Koppler auf einer Aufhängungsschicht und einer feststehenden optischen Antenne auf einer Substratschicht mit detaillierter Darstellung eines Einzelelements.
30 ist eine Draufsicht einer Schalterarray-Anordnung mit einem beweglichen optischen Koppler auf einer Aufhängungsschicht und einer feststehenden optischen Antenne auf einer Substratschicht mit detaillierter Darstellung eines Einzelelements.
31 ist eine Draufsicht eines Elements einer Schalterarray-Anordnung mit einem beweglichen optischen Koppler auf einer Aufhängungsschicht und einer feststehenden optischen Antenne auf einer Substratschicht.
32 ist eine Querschnittsansicht des Elements von 31.
33 ist eine grafische Darstellung eines Feldprofils einer Gitterantenne in Bezug auf die X- und Y-Koordinaten.
34 ist eine perspektivische Ansicht einer illustrativen Auslenkung eines optischen Kopplers.
35 ist eine perspektivische Ansicht einer Gitterantenne mit der Darstellung von Abstrahlwinkeln.
36 ist eine grafische Darstellung der Intensität in Bezug auf Abstrahlwinkel.
39 ist eine Seitenansicht zur Darstellung eines Spiegels für die Kompensation eines Antennenabstrahlwinkels von ungleich null.
40 ist eine Seitenansicht zur Darstellung eines optischen Prismas für die Kompensation eines Antennenabstrahlwinkels von ungleich null.
41 ist eine Seitenansicht zur Darstellung eines Mikroprismenarrays für die Kompensation eines Antennenabstrahlwinkels von ungleich null.
42A ist eine Draufsicht eines Antennenarrays mit Teilerbäumen und Schaltern.
42B ist eine Draufsicht eines Antennenarrays mit mehreren Schalterarten.
42C ist eine Draufsicht eines Antennenarrays mit Teilerbäumen und mehreren Schalterarten.
43A ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays mit einem beweglichen Gitter, das mit mehreren Haltepositionen in Längsrichtung verfährt.
43B ist eine perspektivische Detailansicht eines beweglichen Gitters, das in Längsrichtung zum Buswellenleiter aus 43A mit mehreren Haltepositionen verfährt.
43C ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays mit einem beweglichen Gitter, das in Längsrichtung zum Buswellenleiter verfährt.
43D ist eine perspektivische Detailansicht von zwei beweglichen Gittern, die in Längsrichtung zum Buswellenleiter aus 43C verfahren.
43E ist eine Draufsicht eines beweglichen Gitters, das über gegenseitig verzahnte Elektroden in Längsrichtung zum Buswellenleiter verfährt.
44A ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays mit einem beweglichen Gitter, das in Querrichtung mit mehreren Haltepositionen zum Buswellenleiter verfährt.
44B ist eine perspektivische Detailansicht eines mit mehreren Haltepositionen in Querrichtung zum Buswellenleiter verfahrenden beweglichen Gitters des Schalterarrays aus 43A.
44C ist eine Draufsicht eines beweglichen Gitters, das über gegenseitig verzahnte Elektroden in Querrichtung zum Buswellenleiter verfährt.
45 ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays mit einem beweglichen Gitter, das in Querrichtung mit Haltepositionen in der und aus der Ebene von Wellenleitern verfährt.
46 ist eine perspektivische Ansicht eines Schalters mit elektrostatischer Levitation zur Steuerung einer Kopplungsdistanz zwischen einem Buswellenleiter und den Gittern.
47A ist eine perspektivische Ansicht eines Schalters mit einem Kammantrieb zur Steuerung einer Kopplungsdistanz zwischen einem Buswellenleiter und den Gittern.
47B ist eine Querschnittsansicht entlang eines Schnitts von 47A zur Darstellung des Kammantriebs.
48 ist eine Querschnittsansicht eines Schalterarray-Systems zur Darstellung der Verkapselung.
49 ist eine perspektivische Ansicht eines Doppelgitterschalters, der in Querrichtung mit Haltepositionen in der Ebene von Wellenleitern verfährt.
50 ist eine perspektivische Ansicht eines Doppelgitterschalters, der in Querrichtung mit Haltepositionen in der und aus der Ebene von Wellenleitern verfährt.
51 ist eine perspektivische Ansicht eines bimorphen Schalters, in dem ein Gitter eine Position in der Ebene ist.
52 ist eine perspektivische Ansicht eines bimorphen Schalters, der ein Gitter vertikal in einer aus der Ebene heraustretenden Position dreht.
53 ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays, in dem sich Gitterelemente um eine rechtwinklig zum Wellenleiter stehende Achse drehen.
54 ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays. in dem sich Gitterelemente um eine parallel zum Wellenleiter stehende Achse drehen.
55 ist eine Draufsicht eines Gitterarrays auf einer Drehscheibe, die einen Drehmechanismus für den Betrieb in der Ebene und aus der Ebene nutzt.
56A ist eine Querschnittsansicht eines Kopplerwellenleiters mit einer bistabilen Membran in OFF-Stellung.
56B ist eine Querschnittsansicht eines Kopplerwellenleiters mit einer bistabilen Membran in ON-Stellung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hier werden detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung je nach Erfordernis offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen bloße Beispiele der Erfindung sind, die sich in verschiedenen und alternativen Formen ausführen lässt. Die Zeichnungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgerecht; einige Merkmale können übertrieben oder minimalistisch dargestellt sein, um Einzelheiten besonderer Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hier offenbarte spezielle aufbau- und funktionstechnische Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern ausschließlich als grundlegend repräsentativ, um einem Fachmann die verschiedene Nutzung der vorliegenden Erfindung vor Augen zu führen.
Zur Beschreibung von offenbarten oder beanspruchten Ausführungsformen wird hier der Ausdruck „im Wesentlichen“ gebraucht. Der Ausdruck „im Wesentlichen“ kann einen Wert oder eine in der vorliegenden Offenbarung offenbarte oder beanspruchte relative Charakteristik modifizieren. In solchen Fällen kann „im Wesentlichen“ bedeuten, dass der so modifizierte Wert oder die so modifizierte relative Charakteristik im Bereich von ± 0%, 0,1%, 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5% oder 10% des Werts oder der relativen Charakteristik liegt.
Obwohl in dieser Anmeldung unterschiedliche Ausführungsformen unter Verwendung von Silicium-MEMS-Strukturen veranschaulicht werden, kann es sich bei den MEMS-Strukturen um ein anderes MEMS-Material wie SiC, SiN handeln.
Diese Offenbarung umfasst mikroelektromechanische (MEMS) Schalter, Schalterarrays und Systeme, die MEMS-Schalter mit Kopplerfederbalken und mehreren feststehenden optischen Antennenkonfigurationen aufweisen. Solche MEMS-Schalter können verwendet werden, um in verschiedenen Anwendungen Licht von einem Wellenleiter auf einem photonischen integrierten Schaltkreischip (PIC-Chip) zum freien Raum auszukoppeln.
Lidar spielt eine Schlüsselrolle für viele neue Systeme wie das autonome Fahren. Es wird davon ausgegangen, dass Chip-Lidar (auch bezeichnet als Festkörper-Lidar Lidar-on-a-Chip) aufgrund der kompakten Baugröße und geringen Kosten in zukünftigen autonomen Fahrzeugen eine breite Verwendung finden wird. Dennoch gibt es nach wie vor zahlreiche Problemfragen bei der Schaffung eines praktischen Chip-Lidars, der den Ansprüchen von Fahrzeug-Erstausrüstern genügt.
Eine der Herausforderungen ist die Strahllenkung. Zur Strahllenkung im Chip-Lidar wurden verschiedene Verfahrensansätze entwickelt, wie Mikrospiegelarray, optischer phasengesteuerter Array, Wellenlängenabstimmung, photonische Kristallwellenleiter usw. Diese Verfahrensansätze stehen jedoch vor einer oder mehreren Herausforderungen, wie begrenztes Sichtfeld, komplizierte Steuerelektronik, hohe Laser-Anforderung, geringe technologische Reife usw.
Neben den oben genannten Verfahrensansätzen kann auch ein optisches Amplitudenarray einen optischen Strahl im Chip-Lidar lenken. 1 ist eine Draufsicht eines optischen Schalterarray-Systems 100. Das System 100 umfasst einen photonischen integrierten Schaltkreischip (PIC-Chip) 102, mehrere optische Quellen / optische Antennen 104 und ein Objektiv 106. 2 ist eine Seitenansicht eines optischen Schalterarray-Systems 200. Das System 200 umfasst einen photonischen integrierten Schaltkreischip (PIC-Chip) 202, mehrere optische Quellen / optische Antennen 204 und ein Objektiv 206.
Wie in 1 (Draufsicht) und 2 (Seitenansicht) dargestellt, besteht ein optisches Amplitudenarray aus einem Array optischer Quellen oder optischer Antennen (zum Beispiel 104, 204) (jede optische Quelle oder optische Antenne kann als ein „Pixel“ betrachtet werden) und einem Objektiv oder Linsensystem (zum Beispiel 106, 206) (in der folgenden Beschreibung wird der Einfachheit halber „Objektiv“ verwendet), wobei sich das optische Pixel-Array auf der Brennebene (oder in unmittelbarer Nähe der Brennebene) des Objektivs befindet. Die von jedem optischen Pixel abgestrahlte Lichtamplitude kann entweder 0 (keine Lichtabstrahlung) oder 1 (vollständige Lichtabstrahlung) sein. Das aus jedem optischen Pixel abgestrahlte Licht erfährt eine Brechung beim Durchlaufen des Objektivs und wird nach physikalisch-optischen Gesetzmäßigkeiten in eine bestimmte Richtung abgelenkt. Durch Einschalten eines optischen Pixels an unterschiedlichen Positionen kann Licht kontrolliert und in zwei unterschiedliche Richtungen im freien Raum gelenkt werden, und so wird eine Strahllenkung erreicht. Ein zweidimensional (2D) angeordnetes optisches Pixel-Array kann eine 2D-Strahllenkung realisieren.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Erstellung eines optischen Pixel-Arrays. Beispielsweise kann ein solches Array aus einem Array optischer Quellen, wie Vertical-External-Cavity Surface-Emitting-Laser (VECSELs), hergestellt werden. Ein solches Array kann auch aus einem Wellenleiterarray mit einem durch ein optisches Schalterarray gesteuerten optischen Antennenarray bestehen. In dieser Offenbarung werden Verfahren erforscht, die optische MEMS-Schalterarrays aufweisen, die dazu eingerichtet sind, die Lichtabstrahlung optischer Antennen zu steuern.
Die vorliegende Offenbarung umfasst eine Strahllenkung, die durch ein MEMS-Schalter-basiertes Amplitudenarray ermöglicht wird. Dieses MEMS-Schalter-basierte Amplitudenarray besteht aus einem Wellenleiterarray, bei dem MEMS-schaltbare Antennen auf oder in unmittelbarer Nähe der Brennebene eines Objektivs angeordnet sind. Das Einschalten optischer Antennen an unterschiedlichen Positionen kann den Strahl in unterschiedliche Richtungen lenken, wie in 1 und 2 dargestellt.
Im Vergleich zu der Mikrospiegelarray-basierten Strahllenkung kann die Amplitudenarray-Strahllenkung ein größeres Sichtfeld erreichen. Im Vergleich zur Strahllenkung durch ein optisches phasengesteuertes Array ist die für die Amplitudenarray-Strahllenkung benötigte Steuerelektronik weitaus einfacher. Im Vergleich zur wellenlängenabstimmungsbasierten Strahllenkung ist bei der Amplitudenarray-Strahllenkung keine große Wellenlängenabstimmbarkeit der Laserquelle nötig. Im Vergleich zur Strahllenkung auf Basis von photonischen Kristallwellenleitern ist die Amplitudenarray-Strahllenkung unkomplizierter und technisch stabiler.
Es gibt viele Wahlmöglichkeiten für optische Schalter. Die am weitesten verbreiteten Schalter, die in der Amplitudenarray-Anwendung verwendet werden können, umfassen mikrospiegelbasierte Schalter, Flüssigkristallschalter, thermooptische Schalter usw. Die mikrospiegelbasierten Schalter und Flüssigkristallschalter sind relativ groß, wie mehrere hundert Mikrometer groß, und erfordern eine Schaltzeit im Millisekundenbereich, sodass jedes Pixel zu groß und zu langsam für die Chip-Lidar-Anwendung ist. Die thermooptischen Schalter hingegen haben ein niedriges Auslöschverhältnis und einen hohen Einfügungsverlust, was für diese Anwendung auch nicht gut ist. Ein MEMS-Struktur-basierter optischer Schalter kann kompakt und schnellschaltend sein und ein hohes Auslöschverhältnis aufweisen, wodurch diese Technologie ein guter Kandidat für die Amplitudenarray-Anwendung ist.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines siliciumphotonischen integrierten (PIC- )Schalterarrays 300. Das Array weist Eingangsports 310, Durchgangsports 314 und Abgangsports 312 auf, so dass bei Aktivierung einer verlustarmen Kreuzung 316, wie eines optischen Schalters, das Licht vom Eingangsport 310 durch die verlustarme Kreuzung 316 zum Abgangsport 312 geht. Damit das Licht vom Eingangsport 310 zur verlustarmen Kreuzung 316 geht, muss ein MEMS-betätigter adiabatischer Koppler in einem bestimmten Abstand zum Buswellenleiter liegen. Ist eine verlustarme Kreuzung 316 nicht aktiviert, läuft das Licht vom Eingangsport 310 zum Durchgangsport 314.
Eine Nahansicht eines optischen Schaltelements des Arrays 304 umfasst einen MEMS-betätigten adiabatischen Koppler 318 und einen Buswellenleiter 320. Eine Darstellung zeigt den optischen Schalter in einem ausgeschalteten Zustand 306, in welchem Licht vom Eingang 310 zum Ausgang 314 gelangt, während der Cantilever-Koppler sich in einem Abstand 316 zum Buswellenleiter befindet, so dass die Kopplungseffizienz kleiner als 1 % ist. Eine Darstellung zeigt den optischen Schalter in einem eingeschalteten Zustand 308, in welchem Licht vom Eingang 310 zum Ausgang 312 gelangt, während der Cantilever-Koppler 318 aktiviert ist, so dass sich Licht vom Buswellenleiter mit einer Kopplungseffizienz von über 50 % mit dem Ausgang 312 koppelt.
Wie in 3 dargestellt, nutzt ein solches siliciumphotonisches MEMS-Schalternetz zwei orthogonale Sätze von Buswellenleitern und MEMS-betätigten vertikalen adiabatischen Kopplern. Der vertikale Spaltabstand kann durch elektrostatische MEMS-Aktoren und die mechanischen Anschläge gesteuert werden. Im ausgeschalteten (OFF) Zustand sind die adiabatischen Koppler weit über den Wellenleitern angeordnet, so breitet sich Licht weiter ohne Unterbrechung zum Durchgangsport hin aus. Im eingeschalteten (ON) Zustand werden die adiabatischen Koppler zu den Buswellenleitern hin bewegt, und Licht wird in die adiabatischen Koppler eingekoppelt und dann durch einen weiteren adiabatischen Koppler zum Abgangsport ausgekoppelt.
Mit Hilfe von MEMS-Schaltern kann Licht selektiv in und aus einem Wellenleiter in einem optischen Sende/Empfangs-Terminal ein- und ausgekoppelt werden. In einer Ausführungsform kann jeder optischer Schalter durch ein physisch verschiebbares optisches Gitter implementiert sein. Im OFF-Zustand liegt das verschiebbare optische Gitter weit über dem Buswellenleiter, und im ON-Zustand können MEMS-Aktoren das verschiebbare optische Gitter für eine effiziente Lichtkopplung zwischen dem Gitter und dem Buswellenleiter nach unten zum Buswellenleiter hin bewegen.
4A ist eine Draufsicht eines optischen Schalters 400. Der optische Schalter 400 weist ein Gitter 402 auf, das mehrere optische Kopplerelemente 404, 406, 408 umfasst, die zu einem Buswellenleiter 410 hin gefluchtet sind. 4B ist eine Seitenansicht des optischen Schalters 400 in einem OFF-Zustand. Eine Welle 412 bewegt sich in einer Richtung 414 im Buswellenleiter 410. Der Buswellenleiter ist auf einem Substrat 416 gelagert, das Gitter 402 liegt in einem Abstand 418 oberhalb des Buswellenleiters 410, so dass die Kopplungseffizienz zwischen dem Gitter 402 und dem Buswellenleiter 410 gering ist und die Welle sich weiter im Buswellenleiter 410 ausbreitet. 4C ist eine Seitenansicht des optischen Schalters 400 in einem ON-Zustand. In dieser Figur liegt das Gitter 402 in einem Abstand 420 oberhalb des Buswellenleiters 410, so dass die Kopplungseffizienz zwischen dem Gitter 402 und dem Buswellenleiter 410 hoch ist und die Welle sich aus dem Buswellenleiter 410 in den freien Raum bricht 422.
In der vorliegenden Offenbarung umfassen mehrere MEMS-Schalter-Ausführungsformen einen MEMS-Schalter mit Kopplerfederbalken und optischer Antenne. 5A veranschaulicht ein in optischen Terminals verwendetes Array solcher MEMS-Schalter. Als ein Beispiel zur Veranschaulichung des Konzepts werden hier Gitter als optische Antenne verwendet, andere optische Antennen (zum Beispiel 5B) funktionieren in diesem Konzept auch.
5A ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalters mit einem optischen gekoppelten Federbalken (Cantilever) und einer feststehenden optischen Antenne in einem Schalterarray 500. Das Schalterarray 500 kann sich auf einem einzelnen Substrat 502 befinden oder als Multichip-Modul ausgelegt sein, in dem mehrere optische Schalter monolithisch auf einem photonischen integrierten Schaltkreischip (PIC-Chip) integriert sind, der dann mit anderen PIC-Chips kombiniert wird, um das Arraysystem 500 auszubilden. Der auf einem Einzelsubstrat befindliche photonische integrierte Schaltkreischip (PIC-Chip) 502 umfasst einen Buswellenleiter, der zur Einleitung von Licht 504 und Verteilung des Lichts auf mehrere Reihen 510 und Spalten von optischen Schaltern ausgelegt ist. Hier sind drei Reihen vorgesehen, als eine erste Reihe 510a, eine zweite Reihe 510b und eine dritte Reihe 510c, wo jede Reihe drei Spalten von optischen Schaltern 506 aufweist.
5B ist eine perspektivische Ansicht einer zweidimensionalen feststehenden optischen Antenne 550. Die optische Antenne umfasst einen Koppler-Cantilever 552 und eine optische Antenne, die eine Länge 554 and Breite 556 aufweist. Das Verhältnis von Länge 554 zu Breite 556 kann im Wesentlichen 3:1, 5:2,2:1 oder ähnlich betragen. Mit einem Spalt 558 zwischen der optischen Antenne und der Seite, der im Wesentlichen 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6 der Breite 556 betragen kann. Die optische Antenne kann so eingerichtet sein, dass sie Licht im Wesentlichen mit einem Winkel in einer x-Achse 560 und mit einem Winkel in einer y-Achse 562 ausgibt oder empfängt.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines MEMS-Schalters 600 mit einem optischen gekoppelten Cantilever 614 und einer feststehenden optischen Antenne 616. Der MEMS-Schalter 600 weist ein Substrat 602 wie ein Siliciumsubstrat mit einer Isolierschicht 604 wie Siliciumdioxid auf. Oben auf der Isolierschicht 604 befinden sich Strukturschichten 606 wie Siliciumschichten. In den Strukturschichten 606 befinden sich Strukturen wie ein Buswellenleiter 608, eine MEMS-Betätigungselektrode 610, eine MEMS-Feder 612, der Kopplungsbalken 614 und die optische Antenne 616. In dieser Ausführungsform erfolgt die Bewegung oder Auslenkung des Kopplungswellenleiters 614 nach MEMS-Grundsätzen. Die MEMS-Betätigungselektrode 610 kann beispielsweise so eingerichtet sein, dass sie mit einer Reaktionselektrode zusammenwirkt, die neben dem Kopplungswellenleiter und zwischen der MEMS-Feder 612 und dem Kopplungswellenleiter 614 angeordnet ist. Wird zwischen der Reaktionselektrode und der Betätigungselektrode eine Spannungsdifferenz angelegt, die kleiner als ein unterer Schwellenwert ist, wird der Kopplungswellenleiter über elektrostatische Kräfte in einer ersten Distanz zum Buswellenleiter gehalten. Der untere Schwellenwert kann eine niedrige Differenzspannung wie 0 Volt oder eine beliebige niedrige Spannung um null Volt, wie -5, -4, -3, -2, -1, 1, 2, 3, 4 oder 5 Volt, betragen. Bei einer Spannung unterhalb dieses unteren Schwellenwerts kann der Kopplungscantilever entweder eine Ruhestellung beibehalten oder sich eventuell etwas bewegen, so dass die Kopplungseffizienz zwischen dem Buswellenleiter 608 und der optischen Antenne 616 über den Kopplungswellenleiter 614 kleiner als 1 % (zum Beispiel ausgeschaltet) ist. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Reaktionselektrode und der Betätigungselektrode 610 größer als ein oberer Schwellenwert ist, wird der Kopplungswellenleiter über elektrostatische Kräfte auf einer zweiten Distanz zum Buswellenleiter 608 gehalten, wobei die zweite Distanz kleiner als die erste Distanz ist. Bei der zweiten Distanz kann die Kopplungseffizienz zwischen dem Buswellenleiter 608 und der optischen Antenne 616 über den Kopplungswellenleiter 614 beispielsweise größer als 50 % (zum Beispiel eingeschaltet) sein.
In anderen Worten, 6 ist eine schematische Darstellung eines einzelnen MEMS-Schalters 600 der aus einem beweglichen optischen Koppler 614 und einer feststehenden optischen Antenne 616 besteht. Der optische Koppler 614 kann ausreichend nah an den Buswellenleiter heranbewegt werden, so dass eine ausreichende Lichtmenge aus dem Buswellenleiter 608 in den Kopplerwellenleiter 614 ausgekoppelt wird. Ein Beispiel eines solchen optischen Kopplers kann ein verjüngter Taper-Wellenleiter sein, und ein elektrostatisch betätigter Biegebalken (Cantilever) kann den optischen Koppler nach oben und unten bewegen. Die optische Antenne 616 befindet sich mit dem optischen Koppler auf der gleichen Schichtebene, ist aber feststehend. Das Licht aus dem optischen Koppler kann über die optische Antenne in den freien Raum abgestrahlt werden, und umgekehrt kann das Licht aus dem freien Raum über die optische Antenne zurück zum optischen Koppler gekoppelt werden, dann weiter zurück zum Buswellenleiter gekoppelt werden.
Der MEMS-Schalter weist ein Substrat 700 wie ein Siliciumsubstrat mit einer Isolierschicht 702 wie Siliciumdioxid auf. Oben auf der Isolierschicht 702 befindet sich eine Siliciumschicht 704. Die ersten drei Schichten (700, 702, 704) können ein Silicon-on-Insulator-(SOI)-Substrat sein. Die nächste Schicht kann ein Oxid 706, wie ein Niedrigtemperaturoxid (LTO), sein, das zur Ausbildung von Ankerpunkten verwendet wird. Die oberste Schicht kann eine Siliciumschicht 708, wie eine Polysiliciumschicht, sein, die über plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) oder Niederdruckchemische Gasphasenabscheidung (Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD) abgeschieden werden kann. In dieser Ausführungsform befinden sich die Strukturen wie Buswellenleiter 608 und MEMS-Betätigungselektrode 610 in der Siliciumschicht 704, während sich die MEMS-Feder 612, der Kopplungscantilever 614, die Reaktionselektrode und die optische Antenne 616 in der Polysiliciumschicht 708 befinden.
7A ist eine Schnittansicht des optischen gekoppelten Cantilevers des MEMS-Schalters von 6 in einem Ruhezustand. Im Ruhe- oder Off-Zustand kann der Cantilever der Polysiliciumschicht 708 in einem ersten Abstand zum Buswellenleiter der Siliciumschicht 704 liegen, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der Reaktionselektrode und der Betätigungselektrode kleiner als der untere Schwellenwert ist. Und die Kopplungseffizienz zwischen dem Buswellenleiter 608 und der optischen Antenne 616 über den Kopplungswellenleiter 614 ist kleiner als 1 % (zum Beispiel ausgeschaltet).
7B ist eine Schnittansicht des optischen gekoppelten Cantilevers des MEMS-Schalters von 6 in einem betätigten Zustand. Im On-Zustand kann der Cantilever der Polysiliciumschicht 708 in einem zweiten Abstand zum Buswellenleiter der Siliciumschicht 704 liegen, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der Reaktionselektrode und der Betätigungselektrode größer als der obere Schwellenwert ist. Und die Kopplungseffizienz zwischen dem Buswellenleiter 608 und der optischen Antenne 616 über den Kopplungswellenleiter 614 ist größer als 50 % (zum Beispiel eingeschaltet).
7C ist eine Schnittansicht der feststehenden optischen Antenne des MEMS-Schalters von 6 in einem Ruhezustand. Im Off-Zustand kann sich die optische Antenne der Polysiliciumschicht 708 im Wesentlichen in einem ersten Abstand zum Buswellenleiter der Siliciumschicht 704 befinden.
7D ist eine Schnittansicht der feststehenden optischen Antenne des MEMS-Schalters von 6 in einem betätigten Zustand. Im ON-Zustand wird die optische Antenne der Polysiliciumschicht 708 im Wesentlichen auf dem ersten Abstand zum Buswellenleiter der Siliciumschicht 704 gehalten.
Die 7A-D veranschaulichen den Querschnitt des optischen Kopplers und der optischen Antenne in einem eingeschalteten (ON) beziehungsweise ausgeschalteten (OFF) Zustand. Der Vorteil dieses Konzepts liegt darin, dass dem MEMS-Schalter weniger konstruktive Einschränkungen auferlegt werden als im Stand der Technik. Die Betriebsfrequenz des Lidarsystems erfordert sehr hohe Schalt-/Bewegungsgeschwindigkeiten. Das äußert sich in einer Beschränkung der Verschiebemasse, was einen konstruktiven Kompromiss bei der Auslegung von Antenne und Koppler erfordert. In der vorliegenden Offenbarung jedoch bleibt die Antenne statisch und bietet deshalb eine weitaus größere Auslegungsfreiheit, beispielsweise kann sie eine größere Ausdehnung in der Ebene vertikal zum Buswellenleiter aufweisen, was sich in einem günstigen schlankeren Profil des ausgesendeten Lichtstrahls niederschlägt. Zum Beispiel kann für die Auslegung in 6 der Öffnungswinkel der optischen Antenne größer sein, die Antennenfläche kann sowohl entlang des Buswellenleiters als auch quer über den Wellenleiter größer sein, so dass der Ausgangsstrahl enger gebündelt wird. Der verengte Strahl ist günstig für die Erreichung einer besseren Winkelauflösung bei der Strahllenkung.
Bei nicht feststehender Antenne wird die Fläche der Antenne vorzugsweise auf 30 x 30 um² oder weniger begrenzt, mit der feststehenden Antenne gibt es keine derartige Beschränkung. Darüber hinaus kann die optische Antenne mehr Freiheit in puncto Perioden und Aspektverhältnis aufweisen, was ihre Abstrahlungseffizienz erhöhen kann. Da es für den Flächeninhalt und die Masse der feststehenden Antenne keine harte Begrenzung gibt, kann sie beispielsweise eine größere Ausdehnung entlang des Wellenleiters haben, also mehr Perioden aufweisen. Das Aspektverhältnis ist durch die Masse der Antenne begrenzt. Ohne Einschränkung bei der Masse kann das Aspektverhältnis überwiegend anhand der Abstrahlungseffizienz und statt einer Kompromisslösung zwischen Abstrahlungseffizienz und Antennenmasse ausgelegt werden. Und ohne bewegliche Antenne kann der optische Koppler kleinmaßiger und leichtgewichtiger ausgelegt werden, wodurch sich in dieser MEMS-Schalter-Ausgestaltung ein Schnellschaltbetrieb und eine optimierte Qualität des Ausgangsstrahls erreichen lässt.
In einer anderen Ausführungsform können an jede Antenne mehr als ein Kopplungscantilever angekoppelt werden. Sie können an entgegengesetzten Endseiten der Antenne angeschlossen werden und stellen einen separaten Sende- und Empfangskanal bereit. Der Sende-Cantilever wäre zur Laserquelle hin ausgerichtet, während der Empfangs-Cantilever zum Lichtdetektor hin ausgerichtet wäre, entweder unter Verwendung des gleichen Wellenleiters für die Lichtkopplung oder unter Verwendung separater Wellenleiter. Separate Sende- und Empfangskanäle könnten unabhängig betrieben werden und dabei zusätzliche Funktionalitäten ermöglichen. Das Licht könnte beispielsweise aus mehreren Pixeln empfangen werden, die das aktuelle Sendepixel umgeben, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Lichtsammlung erhöht wird.
Ein Array von MEMS-Schaltern kann in einem rechteckigen Muster (8),einem runden Muster oder einem anderen Muster in einem optischen Terminal organisiert sein. In Kombination mit einem Objektiv kann dieses Terminal als optischer Sender arbeiten, wobei der Sendestrahl in verschiedene Richtungen gelenkt wird (zum Beispiel 8). 8 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems 800, das ein optisches Signal sendet. Hier kann ein Substrat 802 ein monolithischer Chip wie ein Siliciumchip, Silicon-on-Insulator-(SoI)-Chip, Siliciumcarbid-Chip, Siliciumnitrid-Chip oder ein anderer monolithischer MEMS-Chip sein, oder das Substrat kann ein Multichip-Modul auf einem Substrat sein. Jede optische Antenne 806 ist es zum Beispiel einen ersten Buswellenleiter 810a, einen zweiten Buswellenleiter 810b, und einen dritten Buswellenleiter 810c. In dieser Ausführungsform ist jeder Buswellenleiter 810 über einen Typ-I-Schalter 818 mit einem Hauptbuswellenleiter gekoppelt. Dieser ist mit einer Lichtquelle 814 (zum Beispiel Laser, LED usw.) gekoppelt, so dass sich abgestrahltes Licht aus der Lichtquelle 814 entlang einer Richtung 812 bewegt und über die Typ-I-Schalter 818 zu den optischen Antennen 806 verteilt wird. In der Nähe des Chips ist ein Objektiv 804 positioniert, das dazu eingerichtet ist, über die Linse 804 einen gebündelten Strahl des Lichts 816 aus den optischen Antennen 806 zu erzeugen. In dieser Ausführungsform kann der Lichtstrahl 816 gebündelt werden, indem das Objektiv 804 entlang einer Achse 808 senkrecht zum Substrat 802 und den optischen Antennen 806 verschoben werden, oder indem das Substrat 802 und die optischen Antennen 806 entlang einer Achse 809 senkrecht zum Objektiv 804 verschoben werden.
Ein solches Terminal kann auch als optischer Empfänger arbeiten, der den aus den verschiedenen Richtungen zurückkehrenden Strahl empfangen und den Strahl zum PIC (9) zurückkoppeln kann. 9 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems 900, das ein optisches Signal empfängt. Hier kann ein Substrat 902 ein monolithischer Chip wie ein Siliciumchip, Silicon-on-Insulator-(SoI)-Chip, Siliciumcarbid-Chip, Siliciumnitrid-Chip oder ein anderer monolithischer MEMS-Chip sein, oder das Substrat kann ein Multichip-Modul auf einem Substrat sein. Jede optische Antenne 906 ist so ausgerichtet, dass sie mit einem Buswellenleiter 910 gefluchtet ist, in dieser Ausführungsform gibt es zum Beispiel einen ersten Buswellenleiter 910a, einen zweiten Buswellenleiter 910b, und einen dritten Buswellenleiter 910c. In dieser Ausführungsform ist jeder Buswellenleiter 910 über einen Typ-I-Schalter 918 mit einem Hauptbuswellenleiter gekoppelt. Dieser ist mit einem Lichtdetektor 924 (zum Beispiel Fotodiode, Fototransistor, CCD usw.) gekoppelt, so dass Licht aus dem Lichtdetektor 924 gesammelt wird, während sich das Licht entlang einer Richtung 922 bewegt, und über die Typ-I-Schalter 918 gesammelt wird, die über die optischen Antennen 906 erfasst haben. In der Nähe des Chips ist ein Objektiv 904 positioniert, das dazu eingerichtet ist, über die Linse 904 einen Strahl von Licht 920 zu optischen Antennen 906 zu sammeln. In dieser Ausführungsform kann der Lichtstrahl 920 fokussiert werden, indem das Objektiv 904 entlang einer Achse 908 senkrecht zum Substrat 902 und den optischen Antennen 906 verschoben wird, oder indem das Substrat 902 und die optischen Antennen 906 entlang einer Achse 909 senkrecht zum Objektiv 904 verschoben werden.
Ein solches Terminal kann auch als Transceiver arbeiten, der einen Strahl sowohl senden als auch empfangen kann (10). 10 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems 1000, das ein optisches Signal empfängt und sendet. Hier kann ein Substrat 1002 ein monolithischer Chip wie ein Siliciumchip, Silicon-on-Insulator-(SoI)-Chip, Siliciumcarbid-Chip, Siliciumnitrid-Chip oder ein anderer monolithischer MEMS-Chip sein, oder das Substrat kann ein Multichip-Modul auf einem Substrat sein. Jede optische Antenne 1006 ist so ausgerichtet, dass sie mit einem Buswellenleiter 1010 gefluchtet ist, in dieser Ausführungsform gibt es zum Beispiel einen ersten Buswellenleiter 1010a, einen zweiten Buswellenleiter 101 Ob und einen dritten Buswellenleiter 1010c. In dieser Ausführungsform ist jeder Buswellenleiter 1010 über einen Typ-I-Schalter 1018 mit einem Hauptbuswellenleiter gekoppelt. Dieser ist mit einem Lichtdetektor 1024 (zum Beispiel Fotodiode, Fototransistor, CCD usw.) gekoppelt, so dass Licht aus dem Lichtdetektor 1024 gesammelt wird, während sich das Licht entlang einer Richtung 1022 bewegt, und über die Typ-I-Schalter 1018 gesammelt wird, die über die optischen Antennen 1006 erfasst haben. In der Nähe des Chips ist ein Objektiv 1004 positioniert, das dazu eingerichtet ist, über die Linse 1004 einen fokussierten Strahl von Licht 1020 aus den optischen Antennen 1006 zu erfassen. In dieser Ausführungsform kann der Lichtstrahl 1020 fokussiert werden, indem das Objektiv 1004 entlang einer Achse 1008 senkrecht zum Substrat 1002 und den optischen Antennen 1006 verschoben wird, oder indem das Substrat 1002 und die optischen Antennen 1006 entlang einer Achse 1009 senkrecht zum Objektiv 1004 verschoben werden. Und es besteht eine Kopplung mit einer Lichtquelle 1014 (zum Beispiel Laser, LED usw.) dergestalt, dass sich von der Lichtquelle 1014 abgestrahltes Licht entlang einer Richtung 1012 bewegt und über die Typ-I-Schalter 1018 zu den optischen Antennen 1006 verteilt wird. In der Nähe des Chips ist ein Objektiv 1004 positioniert, das dazu eingerichtet ist, über die Linse 1004 einen gebündelten Strahl von Licht 1016 aus den optischen Antennen 1006 zu erzeugen. In dieser Ausführungsform kann der Lichtstrahl 1016 gebündelt werden, indem das Objektiv 1004 entlang einer Achse 1008 senkrecht zum Substrat 1002 und den optischen Antennen 1006 verschoben werden, oder indem das Substrat 1002 und die optischen Antennen 1006 entlang einer Achse 1009 senkrecht zum Objektiv 1004 verschoben werden. Wenn ein solches Terminal nur als Sender arbeitet, kann als Empfänger ein unabhängiger optischer Fotodetektor oder Fotodetektor-Array oder ein Empfänger wie der in 9 dargestellte Empfänger verwendet werden. Gleichermaßen kann, wenn ein solches Terminal nur als Empfänger verwendet wird, als unabhängiger Sender ein anderer optischer Strahler, ein Strahler-Array oder ein Sender ähnlich der Darstellung in 8 verwendet werden.
Obwohl nicht auf die vorgestellten Ausführungsformen beschränkt, können in den oben erwähnten konstruktiven Ausführungsformen das Objektiv und/oder der MEMS-Schalterarray-Chip in die mechanische Struktur integriert werden, so dass sich eines oder beide der Elemente entlang der z-Achse bewegen können, wie in den 8 bis 10 dargestellt. Der Vorteil des Vorliegens dieser Freiheit liegt darin, dass es möglich ist, die Distanz zwischen dem Objektiv und dem MEMS-Schalterarray-Chip so einzustellen, dass die Sendeleistung und Empfangsleistung aus jedem / in jedes Pixel maximiert wird.
Das vorgeschlagene System kann in einem Chip-Lidar-System verwendet werden, das mit Lichtlaufzeit (Time-of-Flight, ToF) und frequenzmodulierter Dauerstrichdetektion (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) arbeitet. In einem Chip-Lidar-System wird Licht auf einen Wellenleiter des PIC aufgekoppelt und dann in Subwellenleiter verteilt. Der vorgeschlagene MEMS-Schalter kann mit anderen Arten von Binärschaltern (11) oder optischen Teilerbäumen (12) oder Schaltern und optischen Teilerbäumen (13) zur Lichtverteilung kombiniert werden. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems 1100, das mindestens zwei Arten von optischen Schaltern aufweist. Hier ist ein Substrat 1102 mit einem Cantilever-Kopplungsschalter dargestellt, der mit einer optischen Antenne 1106 gekoppelt ist, die so eingerichtet ist, dass sie mit einem Buswellenleiter 1110 gefluchtet ist, in dieser Ausführungsform gibt es zum Beispiel einen ersten Buswellenleiter 1110a, einen zweiten Buswellenleiter 1110b und einen dritten Buswellenleiter 1110c. In dieser Ausführungsform ist jeder Buswellenleiter 1110 über einen Typ-I-Schalter 1118 mit einem Hauptbuswellenleiter gekoppelt.
11 zeigt einen Anordnungsplan mit zwei Arten von Binärschaltern. Wenn man als Beispiel das Sendeterminal betrachtet, breitet sich Licht im Hauptwellenleiter aus. Am Schnittpunkt des Hauptwellenleiters und des Reihenwellenleiters befindet sich der Typ-I-Schalter, um das Licht selektiv in die ausgewählte Reihe zu führen (in diesem Beispiel ist die Reihe des Wellenleiters 1110b ausgewählt). Und dann breitet sich das Licht im ausgewählten Reihenwellenleiter aus, bis es den MEMS-Schalter (Schaltertyp II) erreicht, der sich im ON-Zustand befindet, und abstrahlt. Der Typ-I-Schalter kann entweder ein MEMS-Schalter oder andere Schalter wie ein thermooptischer Schalter, elektrooptischer Schalter usw. sein. 12 zeigt einen Anordnungsplan mit Teilerbäumen und binären MEMS-Schaltern. 12 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems 1200 das einen Teilerbaum und einen optischen Schalter aufwiest. Hier ist ein Substrat 1202 mit einem Cantilever-Kopplungsschalter dargestellt, der mit einer optischen Antenne 1206 gekoppelt ist, die so eingerichtet ist, dass sie mit einem Buswellenleiter 1210 gefluchtet ist, in dieser Ausführungsform gibt es zum Beispiel einen ersten Buswellenleiter 1210a, einen zweiten Buswellenleiter 1210b, einen dritten Buswellenleiter 1210c und einen vierten Buswellenleiter 1210d. In dieser Ausführungsform ist jeder Buswellenleiter 1210 über einen Teilerbaum 1218 mit einem Hauptbuswellenleiter gekoppelt. 12 zeigt auch eine Cantilever-Kopplung und optische Antenne 1206a in einem ausgeschalteten Zustand und eine Cantilever-Kopplung und optische Antenne 1206b in einem eingeschalteten Zustand, so dass Licht 1216 von der optischen Antenne 1206b über den mit dem Buswellenleiter 1210c gekoppelten Kopplungscantilever abgestrahlt wird, wenn der Kopplungscantilever und die optische Antenne 1206b eingeschaltet werden. Der Unterschied zwischen diesen beiden Anordnungen besteht darin, dass in der Teilerbaum-Anordnung die optische Leistung aus dem Laser gleichmäßig auf die Wellenleiter verteilt wird, während in der kombinierten Binärschalteranordnung das Licht vom Laser selektiv zu einem gewünschten Wellenleiter geführt wird.
Diese beiden Anordnungen können in einer dritten Anordnung kombiniert werden, wie in 13 dargestellt. 13 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Schalterarray-Systems 1300, das einen Teilerbaum und mindestens zwei Arten von optischen Schaltern aufweist. Hier ist ein Substrat 1302 mit einem Cantilever-Kopplungsschalter dargestellt, der mit einer optischen Antenne 1306 gekoppelt ist, die so eingerichtet ist, dass sie mit einem Buswellenleiter 1310 gefluchtet ist, in dieser Ausführungsform gibt es zum Beispiel einen ersten Buswellenleiter 1310a, einen zweiten Buswellenleiter 1310b und einen dritten Buswellenleiter 1310c. In dieser Ausführungsform ist jeder Buswellenleiter 1310 über einen Teilerbaum 1318 und einen Typ-I-Schalter 1328 mit einem Hauptbuswellenleiter gekoppelt. 13 zeigt auch eine Cantilever-Kopplung und optische Antenne 1306a in einem ausgeschalteten Zustand und eine Cantilever-Kopplung und optische Antenne 1306b, 1306c, 1306d und 1306e in einem eingeschalteten Zustand, so dass Licht von der optischen Antenne 1306b, 1306c, 1306d und 1306e über den mit dem Buswellenleiter 1310b, 1310e, 1310h und 1310j gekoppelten Kopplungscantilever abgestrahlt wird, wenn der Kopplungscantilever und die optische Antenne 1306b, 1306c, 1306d und 1306e eingeschaltet werden. In dieser Anordnung wird Licht vom Laser zu mehreren Abschnitten von Wellenleiter-Subarrays verteilt, dann werden in jedem Wellenleiter-Subarray Binärschalter verwendet, um das Licht selektiv zu gewünschten Wellenleitern zu führen. Mit dieser Anordnung lassen sich die MEMS-Schalter in verschiedenen Subarrays unabhängig und gleichzeitig steuern. All diese Anordnungen können in MEMS-Schalterarray-basierten Sende-, Empfangs- und Sende/Empfangs-Terminals funktionieren.
Ein Vorteil des MEMS-Schalterarrays ist die relativ einfache Steuerelektronik. 14 und 15 zeigen zwei Beispiele der elektronischen Steuerungen zur elektrostatischen Betätigung des MEMS-Schalterarrays.
14 ist eine Ansicht eines Schalterarray-Systems 1400, das dazu eingerichtet ist, Reihen und Spalten unabhängig anzusteuern. Dieses System 1400 steuert Spalten über ein Spaltenkontaktsteuergerät 1404 an und steuert Reihen über ein Reihenkontaktsteuergerät 1406 an. In dieser Abbildung wird das Spaltenkontaktsteuergerät 1404c aktiviert und schaltet dadurch ausgewählte oder alle mit diesen Spalten verknüpften Schalter ein, und das Reihenkontaktsteuergerät 1406.3 wird aktiviert und schaltet dadurch den mit diesem Schalter verknüpften Wellenleiter ein. Das Ergebnis umfasst das Einschalten des optischen Schalters 1408 unter Ermöglichung des Abstrahlens von Licht 1410 aus einem einzelnen optischen Schalter des Arrays. 15 ist eine Ansicht eines Schalterarray-Systems 1500, das dazu eingerichtet ist, Teilarrays gleichzeitig anzusteuern. Dieses System 1500 steuert Spalten über ein Spaltenkontaktsteuergerät 1504 an und steuert Reihen über ein Reihenkontaktsteuergerät 1506 an. In dieser Abbildung wird das Spaltenkontaktsteuergerät 1504b aktiviert und schaltet dadurch ausgewählte oder alle mit dieser Spalte verknüpften Schalter ein, und die Reihenkontaktsteuergeräte 1506.11, 1506.8, 1506.5 und 1506.3 werden aktiviert und schalten dadurch den mit diesen Schaltern verknüpften Wellenleiter ein. Das Ergebnis umfasst das Einschalten der optischen Schalter 1512a, 1512b, 1512c und 1512d und die Ermöglichung des Abstrahlens von Licht 1514a, 1514b, 1514c und 1514d aus einem einzelnen optischen Schalter des Arrays.
In anderen Worten, eine Möglichkeit zur Betätigung der MEMS-Schalter im Array besteht natürlich darin, jeden Schalter einzeln ansteuern zu lassen, das heißt, wenn sich MxN Schalter im Array befinden, wobei M die Zahl der Reihen und N die Zahl der Spalten ist, werden MxN Steuerungen benötigt. Ein beispielhafter Verfahrensansatz zur Vereinfachung der Steuerung ist die Ansteuerung von Reihen und Spalten (wie in 14 dargestellt), so dass MxN Schalter nur M+N Steuerungen benötigen. In 14 wird das aufleuchtende schaltbare Pixel aktiviert, indem der richtige Spannungsbetrag an Reihe-1406 und Spalte-1404 angelegt wird. Ein anderer beispielhafter Verfahrensansatz ist die Teilung des MEMS-Schalterarrays in Subarrays und das gleichzeitige Ansteuern des Schalters in mehreren Subarrays, wie in 15 dargestellt. In 15 leuchten vier schaltbare Pixel gleichzeitig auf, und sie werden aktiviert, indem geeignete Spannungen an Spalte-1504, Reihe-3, Reihe-5, Reihe-8 und Reihe-11 angelegt werden, um die entsprechenden MEMS-Schalter zu betätigen. Und die Subarrays können natürlich auch einzeln angesteuert werden. All diese elektronischen Steuerungsverfahren können in MEMS-Schalterarray-basierten Sende-, Empfangs- und Sende-Empfangs-Terminals funktionieren. Die Vorteile des in 14 und 15 dargestellten Steuerverfahrens liegen in der Einfachheit. Die Zahl der Steuerungen wird im Vergleich zu den einzeln angesteuerten Schaltern wesentlich vermindert.
16 ist eine perspektivische Ansicht eines Buswellenleiters und eines entsprechenden Kopplerwellenleiters an einem optischen Schalter 1600. Ein Substrat 1602 stützt einen Buswellenleiter 1604, mit dem Buswellenleiter 1604 gefluchtet ist ein Cantilever-Koppler 1610, der vom Buswellenleiter 1604 durch einen vertikalen Spalt 1606 getrennt ist. Der Cantilever-Koppler 1610 kann verjüngt (Taper) sein, so dass er eine schmale Spitze 1608 und eine breitere Basis 1612 aufweist. Die Spitze 1608 kann zum Beispiel eine Punktspitze sein, eine abgerundete Spitze sein, oder ein stumpfes Ende aufweisen, wobei ein Verhältnis von Spitze 1608 zu Basis 1612 1:3, 1:4, 1.5 usw. beträgt. Eine Spitzenbreite 1608 kann beispielsweise 0,08, 0,1, 0,15, 0,2 um betragen, während die Basis 1612 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 usw. betragen kann. Die Länge des Cantilever-Kopplers 1614 ist so gestaltet, dass der Cantilever-Koppler ausgelenkt werden kann, um den Spalt 1606 zu reduzieren, so dass eine Kopplungseffizienz zwischen dem Wellenleiter 1604 und dem Cantilever-Koppler 1610 einen Schwellenwert wie 50 %, 60 % oder höher übersteigt. Es ist zu beachten, dass sich auf dem Substrat 1602 parallel zum Buswellenleiter 1604 typischerweise zwei Betätigungselektroden, eine Elektrode auf jeder Seite des Buswellenleiters 1604, befinden, wobei die Länge der Elektroden etwa gleich der Länge des Cantilever-Kopplers 1610 ist. Gleichermaßen befinden sich auf dem Cantilever-Koppler 1610 im Wesentlichen parallel zum Buswellenleiter 1604 typischerweise zwei Reaktionselektroden, eine Elektrode auf jeder Seite des Cantilever-Kopplerwellenleiters, in der Kontur der schmalen Spitze 1608 und breiten Basis 1612. Die Länge der Reaktionselektroden ist etwa gleich der Länge des Cantilever-Kopplers 1610.
17 ist eine grafische Darstellung eines Kopplungsfeldprofils 1700 in Bezug auf vom Buswellenleiter zum Cantilever-Wellenleiter übertragen wird. Diese Darstellung steht in Verbindung mit dem Cantilever-Koppler von 16 mit einer Länge von 7,5 um und zeigt die Energieübertragung über die Länge des Cantilever-Kopplers. Gleichermaßen ist 18 eine Reihe von zweidimensionalen grafischen Darstellungen von Kopplungsfeldprofilen 1800 in Bezug auf die Ausbreitungsstrecke. Gezeigt ist ein Feldprofil, wenn ein Kopplungscantilever eingeschaltet wird und Energie von einem Buswellenleiter aus übertragen wird. Diese Darstellung steht in Verbindung mit dem Cantilever-Koppler von 16 mit einer Länge von 7,5 um und zeigt die Energieübertragung über die Länge des Cantilever-Kopplers.
19 ist eine grafische Darstellung 1900 einer Kopplungseffizienz 1902 in Bezug auf die Länge 1904 des koppelnden Tapers. Gezeigt ist eine Kopplungseffizienz 1906, wenn ein Kopplungscantilever mit verschiedenen Taperlängen eingeschaltet wird und Energie von einem Buswellenleiter aus übertragen wird. Diese Darstellung steht in Verbindung mit dem Cantilever-Koppler von 16 mit verschiedenen Taper-Längen und zeigt die Energieübertragung über die Länge des Cantilever-Kopplers. 20 ist eine grafische Darstellung 2000 eines Transmissionsverlusts 2002 in Bezug auf die Wellenlänge 2004. Gezeigt ist ein Transmissionsverlust 2002, wenn ein Kopplungscantilever eingeschaltet wird und Energie von einem Wellenleiter aus übertragen wird. Diese Darstellung steht in Verbindung mit dem Cantilever-Koppler von 16 mit einer Länge von 7,5 um und zeigt einen Transmissionsverlust 2002 über die Länge des Cantilever-Kopplers. Wie in dieser Offenbarung angegeben, ist der Cantilever-Koppler nicht auf Silicium beschränkt, aber in diesem Beispiel ist der Cantilever-Koppler ein Silicium-Cantilever-Koppler.
21 ist eine grafische Darstellung 2100 eines Energieverlusts 2102 in Bezug auf das Spaltmaß 2104. In dieser Darstellung weist die Energie zum Bus 2106 ein Minimum bei etwa 180 nm auf, an welchem Punkt die Energie zum MEMS 2108 abzuweichen und abzufallen beginnt. Auf dieser Grundlage wird während des „ON“-Zustands der Spalt im Wesentlichen bei 180 nm gehalten, um eine maximale Kopplungseffizienz zum MEMS-Wellenleiter sicherzustellen. In einem „OFF“-Zustand kehrt der Spalt zu einer Distanz oberhalb einer Distanz von zum Beispiel 650 nm zurück, so dass eine resultierende Energie zum MEMS kleiner als -30dB ist. 22 ist eine grafische Darstellung 2200 eines Strahlungsmusters 2206 in Bezug auf einen Winkel β 2202 (Winkel 562 wie in 5B dargestellt) und einen Winkel θ 2204 (Winkel 560 wie in 5B dargestellt). In 22 wird die Energieintensität anhand der Grauskala auf eine 1 normalisiert, und die Konturlinien sind als Strahlungsmuster 2206 dargestellt.
23 ist eine Seitenansicht zur Darstellung eines optischen Systems 2300, das ein Wellenleitergitter 2302 in einem Wellenleiter 2304 aufweist. Der Wellenleiter kann ein Material wie Silicium, Polysilicium, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder ein anderes Material sein, das so eingerichtet werden kann, dass es Energie leitet (zum Beispiel ein Wellenleiter). Das Gitter 2302 weist Spaltabstände 2310 auf, die von 100 nm bis 500 nm oder mehr schwanken können, mit einer Teilung 2312, die ein Faktor von 1,5, 2,0 oder 2,5 mal Spaltabstand 2310 sein kann. Der Spaltabstand kann über eine Ebene senkrecht zum darunterliegenden Wellenleiter schwanken. Die Leistung des Wellenleiters kann entlang einer Ebene 2314 im Wesentlichen parallel zum Substrat und einer Distanz 2316 oberhalb des Substrats ausgewertet werden. Die Energie wird im Wesentlichen in einem Einfallswinkel θ 2318 zur Ebene 2314 in den freien Raum diffraktiert. 24 ist eine perspektivische Ansicht einer Balkenfeder 2400 und zeigt eine Verschiebung infolge einer elektrischen Vorspannung zwischen einer Reaktionselektrode und einer Betätigungselektrode. Eine Spannungsdifferenz von 40 V zwischen der Reaktionselektrode und der Betätigungselektrode stellt zum Beispiel eine Verschiebung von im Wesentlichen 620 nm dar. 25 ist eine grafische Darstellung 2500 einer Verschiebung entlang einer Z-Achse 2502 in Bezug auf die Schaltgeschwindigkeit 2504. Diese grafische Darstellung zeigt die Verschiebung entlang der Z-Achse von 24 an verschiedenen Positionen des Cantilever-Wellenleiters. In diesem Beispiel sind drei Profile dargestellt, eine Verschiebung in der Nähe der Spitze des Cantilever-Wellenleiters 2506, eine Verschiebung in der Mitte hin zum Cantilever-Wellenleiter 2508 und eine Verschiebung in der Nähe des Endes, wo er mit der optischen Antenne 2510 verbunden ist.
26 ist eine Draufsicht einer Schalterarray-Anordnung 2600 mit mehreren optischen Schaltern auf einem Substrat 2602 und eine detaillierte Darstellung eines einzelnen Elements 2604. Der optische Schalter umfasst einen Wellenleiter 2606, der mit dem Substrat 2602 gekoppelt ist, wobei mit dem Substrat auch ein Ankerpunkt 2608 gekoppelt ist. Es ist eine mit einem Ankerpunkt 2608 gekoppelte MEMS-Feder 2610 dargestellt, während ein optisches Gitter 2612 mit einem anderen Ankerpunkt 2608 gekoppelt ist. Die MEMS-Feder 2610 umfasst ein erstes Ende, das mit dem Ankerpunkt 2608 gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das mit einem Cantilever-Koppler 2614 gekoppelt ist, der oberhalb des Buswellenleiters 2606 aufgehängt ist. Am Substrat 2602 ist auf. jeder der beiden Seiten des Buswellenleiters 2606 eine Betätigungselektrode montiert, und auf jeder der beiden Seiten des Cantilever-Kopplers 2614 ist eine Reaktionselektrode montiert, die dazu eingerichtet ist, mit der Betätigungselektrode zusammenzuwirken. In dieser Abbildung befindet sich das optische Gitter / die optische Antenne 2612 auf der gleichen Schicht wie der Cantilever-Koppler 2614. In einem optischen Schalterarray-System für Strahllenkungsanwendungen umfasst eine Ausführungsform ein System, in dem jeder optische Schalter aus einem beweglichen MEMS-optischen Koppler auf einer Aufhängungsschicht und einer optischen Antenne auf der Substratschicht besteht. Das durch den MEMS-optischen Koppler aktivierte Schalterarray kann verwendet werden, um in verschiedenen Anwendungen, die Lidar umfassen, Licht vom Wellenleiter auf dem photonischen integrierten Schaltkreischip (PIC-Chip) in den freien Raum auszukoppeln (oder umgekehrt).
27A ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays 2700 mit einem beweglichen optischen Koppler 2714 auf einer Aufhängungsschicht 2716 und einer feststehenden optischen Antenne 2712 auf einer Substratschicht 2702. 27B ist eine Draufsicht des Schalterarrays 2700 mit einem beweglichen optischen Koppler auf einer Aufhängungsschicht und einer feststehenden optischen Antenne auf einer Substratschicht. Der optische Schalter umfasst einen Wellenleiter 2706, der mit dem Substrat 2702 gekoppelt ist, wobei mit dem Substrat auch ein Ankerpunkt 2708 gekoppelt ist. Es ist eine mit einem Ankerpunkt 2708 gekoppelte MEMS-Feder 2710 dargestellt. Die MEMS-Feder 2710 umfasst ein erstes Ende, das mit dem Ankerpunkt 2708 gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das über die Aufhängungsschicht 2716 mit einem Cantilever-Koppler 2714 gekoppelt ist, der oberhalb des Buswellenleiters 2706 aufgehängt ist. Am Substrat 2702 ist auf jeder der beiden Seiten des Buswellenleiters 2706 eine Betätigungselektrode 2718 montiert, und auf jeder der beiden Seiten des Cantilever-Kopplers 2714 ist eine Reaktionselektrode 2716 montiert, die dazu eingerichtet ist, mit der Betätigungselektrode 2718 zusammenzuwirken. In dieser Abbildung befindet sich das optische Gitter / die optische Antenne 2712 auf der gleichen Schicht wie der Buswellenleiter 2706.
Das MEMS-Schalterarray kann durch bewegliche MEMS-optische Koppler 2714 auf einer Aufhängungsschicht 2716 und feststehende optische Antennen 2712 auf der Substratschicht 2702 aktiviert werden. 27A und 27B zeigen eine perspektivische Ansicht beziehungsweise Draufsicht eines solchen MEMS-Schalters. Jeder MEMS-Schalter besteht aus einem beweglichen MEMS-optischen Koppler 2714 auf der Aufhängungsschicht 2716 (genannt „MEMS-Schicht“) und einer optischen Antenne 2712 auf der Substratschicht 2702. Hier wird zur Veranschaulichung des Konzepts beispielhafte eine Gitterantenne 2712 verwendet, andere Ausgestaltungen der optischen Antenne funktionieren für dieses Konzept auch. In einem OFF-Zustand sind die MEMS-Schicht, die Reaktionselektrode 2716 und der Cantilever-Koppler 2714 vom Buswellenleiter 2706 und der Betätigungselektrode 2718 weit entfernt, so dass sich Licht im Buswellenleiter 2706 ungestört ausbreiten kann. In einem ON-Zustand wird die Reaktionselektrode 2716 betätigt und bewegt den MEMS-optischen Koppler 2714 dicht an den Buswellenleiter 2706 heran, so dass Licht in den Kopplerwellenleiter 2714 auf der MEMS-Schicht mit der Reaktionselektrode 2716 eingekoppelt wird, ein zweiter Cantilever-Koppler koppelt zu einem abgesetzten Buswellenleiter aus, der mit der optischen Antenne 2712 verbunden ist, die das Signal in den freien Raum sendet. Dieser Lichtweg ist umgekehrt, wenn ein Signal empfangen wird.
28A ist eine Querschnittsansicht des beweglichen optischen Kopplers von 27 in OFF-Stellung. In einem OFF-Zustand befindet sich die MEMS-Schicht (die die Reaktionselektrode enthält) 2716 in einem ersten Abstand oberhalb der Oberkante des Buswellenleiters 2706. Der Abstand wird dadurch bewirkt, dass eine Spannungsdifferenz zwischen der Betätigungselektrode 2718 und der Reaktionselektrode 2716 unter einem Spannungsschwellenwert liegt, so dass der Cantilever-Koppler 2714 weit vom Buswellenleiter 2706 entfernt ist. Der erste Abstand ist so gestaltet, dass sich Licht im Buswellenleiter 2706 ungestört ausbreitet.
28B ist eine Querschnittsansicht des beweglichen optischen Kopplers von 27 in ON-Stellung. In einem ON-Zustand befindet sich die MEMS-Schicht (die die Reaktionselektrode enthält) 2716 in einem zweiten Abstand oberhalb der Oberkante des Buswellenleiters 2706. Der zweite Abstand kommt dadurch zustande, dass eine Spannungsdifferenz zwischen der Betätigungselektrode 2718 und der Reaktionselektrode 2716 oberhalb des Spannungsschwellenwerts liegt, so dass der Cantilever-Koppler 2714 zum Buswellenleiter 2706 hingezogen wird. Beim zweiten Abstand erfolgt die Einkopplung von Licht in den Kopplerwellenleiter 2714 auf der MEMS-Schicht mit der Reaktionselektrode 2716 und einem zweiten Cantilever-Koppler, der zu einem abgesetzten Buswellenleiter auskoppelt, der mit der optischen Antenne 2712 verbunden ist, die das Signal in den freien Raum sendet. Dieser Lichtweg ist umgekehrt, wenn ein Signal empfangen wird.
28A und 28B zeigen die Betätigung des optischen Kopplers im Querschnitt. Der Vorteil dieses Konzepts besteht darin, dass sich die optische Antenne auf der Substratschicht befindet, was kein zusätzliches Gewicht auf die Aufhängungsstruktur aufbringt und im Vergleich zu anderen Strukturen weniger Fertigungsprobleme bereitet. Die Betriebsfrequenz eines Lidarsystems erfordert sehr hohe Schalt-/Bewegungsgeschwindigkeiten. Das führt zu einer Beschränkung der Verschiebemasse. In der vorliegenden Offenbarung bleibt die optische Antenne jedoch auf der Substratschicht, so dass ihre Abmessung keinen Einfluss auf die Betriebsgeschwindigkeit hat. Infolgedessen kann die Antenne eine größere Grundfläche aufweisen, um ein günstiges Gaußsches Strahlprofil zu bilden, und die Abstrahlungseffizienz kann durch flexible Gitterperioden und/oder Tastverhältnis optimiert werden. Der Kopplerwellenleiter auf der Aufhängungsschicht ist klein und leicht, was auch eine hohe Schaltgeschwindigkeit verspricht. Der optische Koppler kann elektrostatisch, piezoelektrisch oder durch andere Mechanismen betätigt werden. Er kann ein zweiseitiger Biegebalken (Doppel-Cantilever) sein, bei dem das Mittelteil verankert ist, so dass beide Enden zusammen betrieben werden können oder beide Enden unabhängig betrieben werden können. Er kann auch ein Balken sein, bei dem sich der gesamte Kopplerwellenleiter während des Betriebs bewegt (wie in 27B dargestellt).
Die hier beschriebenen Konzepte können in alternativen Ausführungsformen realisiert werden. Eine andere Ausführungsform ist in den 29 und 30 dargestellt. 29 ist eine Draufsicht einer Schalterarray-Anordnung 2900 mit einem beweglichen optischen Koppler 2914 auf einer Aufhängungsschicht und einer feststehenden optischen Antenne 2912 auf einer Substratschicht 2902 mit detaillierter Darstellung eines einzelnen Elements. Der optische Schalter umfasst einen Wellenleiter 2906, der mit dem Substrat 2902 gekoppelt ist, wobei mit dem Substrat auch ein Ankerpunkt 2908 gekoppelt ist. Es ist eine mit einem Ankerpunkt 2908 gekoppelte MEMS-Feder 2910 dargestellt. Die MEMS-Feder 2910 umfasst ein erstes Ende, das mit dem Ankerpunkt 2908 gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das über die Aufhängungsschicht 2916 mit einem Cantilever-Koppler 2914 gekoppelt ist, der oberhalb des Buswellenleiters 2906 aufgehängt ist. Am Substrat 2902 ist auf jeder der beiden Seiten des Buswellenleiters 2906 eine Betätigungselektrode 2918 montiert, und auf jeder der beiden Seiten des Cantilever-Kopplers 2914 ist eine Reaktionselektrode montiert, die dazu eingerichtet ist, mit der Betätigungselektrode 2918 zusammenzuwirken. In dieser Abbildung liegt das optische Gitter / die optische Antenne 2912 auf der gleichen Schicht wie der Buswellenleiter 2906.
30 ist eine Draufsicht einer Schalterarray-Anordnung 3000 mit einem beweglichen optischen Koppler auf einer Aufhängungsschicht und einer feststehenden optischen Antenne auf einer Substratschicht mit detaillierter Darstellung eines einzelnen Elements. Der optische Schalter umfasst einen Wellenleiter 3006, der mit dem Substrat 3002 gekoppelt ist, wobei mit dem Substrat auch ein Ankerpunkt 3008 gekoppelt ist. Es ist eine mit einem Ankerpunkt 3008 gekoppelte MEMS-Feder 3010 dargestellt. Die MEMS-Feder 3010 umfasst ein erstes Ende, das mit dem Ankerpunkt 3008 gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das über die Aufhängungsschicht 3016 mit einem Cantilever-Koppler 3014 gekoppelt ist, der oberhalb des Buswellenleiters 3006 aufgehängt ist. Am Substrat 3002 ist auf jeder der beiden Seiten des Buswellenleiters 3006 eine Betätigungselektrode 3018 montiert, und auf jeder der beiden Seiten des Cantilever-Kopplers 3014 ist eine Reaktionselektrode montiert, die dazu eingerichtet ist, mit der Betätigungselektrode 3018 zusammenzuwirken. In dieser Abbildung liegt das optische Gitter / die optische Antenne 3012 auf der gleichen Schicht wie der Buswellenleiter 3006.
Die Anordnung in 29 besteht aus einem Array von geradlinigen Wellenleitern mit einem Array optischer Antennen 2912, die in einem versetzten Abstand zu den Wellenleitern 2906 angeordnet sind. In dieser Auslegung macht der Kopplerwellenleiter 2914 eine Kurve, um Licht vom Buswellenleiter 2906 aufzunehmen und an die Antenne 2912 auszukoppeln. Alternativ besteht die Anordnung in 30 aus einem Array von gekrümmten Buswellenleitern 3006 mit einem Array optischer Antennen 3012, die mit den geradlinigen Teilen des Buswellenleiters 3006 gefluchtet sind. In dieser Auslegung ist der Kopplerwellenleiter geradlinig.
31 ist eine Draufsicht eines Elements einer Schalterarray-Anordnung 3100 mit einem optischen Koppler 3126 auf einer Aufhängungsschicht 3124 und einer feststehenden optischen Antenne 3104 auf einer Substratschicht. Die optische Antenne 3104 deckt einen Winkel 3106, wie 45 Grad, 60 Grad oder 90 Grad, ab und weist eine Basis oder Verjüngung 3108 auf, nach der das Gitter beginnt. Der optische Koppler 3126 kann ein einzelnes Element sein oder aus mehreren Segmenten bestehen. Hier weist der optische Koppler 3126 drei Segmente auf, das erste Segment 3112 ist das Segment, das bei Aktivierung nach unten gezogen wird, um an die optische Antenne 3104 anzukoppeln. Das zweite Segment 3114 verbindet das erste Segment 3112 mit dem dritten Segment 3116. Das dritte Segment 3116 ist das Segment, das sich nach unten bewegt, um an den Buswellenleiter 3102 anzukoppeln. Das zweite Segment 3114 kann stationär und direkt mit einem Ankerpunkt gekoppelt sein, so dass sich der Abstand vom zweiten Segment 3114 zum Substrat nicht verändert, oder in einer anderen Ausführungsform ist das zweite Segment 3114 in der Schwebe und bewegt sich mit der Bewegung des ersten 3112 und des dritten Segments 3116 mit. Der Buswellenleiter 3102 kann an einem Punkt, wo die Spitze des optischen Kopplers 3126 bei Aktivierung ankoppeln wird, eine Breite 3118 aufweisen, und diese Breite kann sich vor einer Radiuskrümmung 3122 zu einer Breite 3120 verengen, so dass die Krümmung im Wesentlichen adiabatisch ausgelegt ist. Die Transmission durch den optischen Koppler 3126 kann einen ersten Verlust 3128 über das dritte Segment 3116, einen zweiten Verlust 3130 über das zweite Segment 3114 und einen dritten Verlust 3132 über das erste Segment 3112 aufweisen. Diese Verluste können ein Bruchteil eines dB sein, der erste 3128 und dritte 3132 können beispielsweise 0,1 dB betragen, während der Verlust im zweiten Segment 3130 kleiner als 0,02 dB sein kann. 32 ist eine Querschnittsansicht des Elements 3200 von 31. Hier ist der optische Koppler 3126 mit der Aufhängungsschicht 3124 gekoppelt und oberhalb des Buswellenleiter 3102 ausgerichtet. Der optische Buswellenleiter 3102 weist eine Höhe 3210 auf, und die Aufhängungsschicht 3124 liegt einen Abstand 3212 über dem Buswellenleiter 3102, dieser Abstand ändert sich mit dem Zustand, im eingeschalteten Zustand zum Beispiel kann der Abstand 3212 kleiner als 0,2 µm sein, und im ausgeschalteten Zustand kann der Abstand 3212 größer als 0,6 µm sein. Die Aufhängungsschicht 3124 kann eine Dicke 3214 aufweisen, so dass sie eine Abstützung bieten kann, aber dennoch für eine optische Kopplung zwischen dem Buswellenleiter 3102 und dem optischen Koppler 3126 sorgt. Der optische Koppler 3126 kann eine Dicke von 3216 aufweisen.
31 und 32 zeigen ein Beispiel eines einzelnen MEMS-optischen Kopplers und einer feststehenden Gitterantenne in der Anordnung von 30. Die in 31 ausgewiesenen Abmessungen sind ein Beispiel, 17 und 18 zeigen die Kopplungseffizienz mit dem MEMS-optischen Koppler in einer Entfernung von 180 nm zum Buswellenleiter, und 33 zeigt die elektrische Feldverteilung am Gitter. 33 ist eine grafische Darstellung eines Feldprofils 3300 einer Gitterantenne in Bezug auf die X- Koordinaten 3304 und Y-Koordinaten 3302. 34 ist eine perspektivische Ansicht einer illustrierenden Verschiebung eines optischen Kopplers 3400 wie des optischen Kopplers von 31. 34 ist eine Simulation der Verschiebung eines MEMS-optischen Kopplers. In Abhängigkeit von unterschiedlichen Auslegungen variiert die optische Kopplungslänge im Allgemeinen von einigen Mikrometern bis zu Hunderten von Mikrometern, und der Abstand zwischen dem Kopplerwellenleiter und dem Buswellenleiter/Antennenwellenleiter beträgt im ON-Zustand einige Nanometer bis einige Mikrometer.
Einige optische Antennen weisen einen Abstrahlwinkel θ ungleich null auf, wie in 35 und 36 dargestellt, was im Amplitudenarray-Terminal zu einem Problem werden kann. 35 ist eine perspektivische Ansicht einer Gitterantenne 3500 einer MEMS-Struktur 3502 und zeigt die Abstrahlwinkel β 3504 and θ 3506. 36 ist eine grafische Darstellung der Intensität 3600 in Bezug auf die Abstrahlwinkel β 3602 und θ 3604. Diese Figuren zeigen 10 Perioden, wobei die Intensität über eine Graustufenskala veranschaulicht wird.
Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, den Strahlungswirkungsgrad der optischen Antenne und die Fernfeld-Strahlqualität zu opfern, um einen Abstrahlwinkel von null zu erhalten. Die zweite Lösung besteht in der Hinzufügung einer zusätzliche Struktur zur Erzwingung einer vertikalen Lichtabstrahlung, wie insbesondere eines Bodenreflektors, einer zusätzlichen oberen dielektrischen Schicht, einer extrafeinen Ätzrille. Die dritte Lösung besteht darin, das Objektiv entsprechend auszulegen, damit der Abstrahlwinkel von ungleich null ausgeglichen wird. Aufgrund von Fertigungsschwankungen ist dieser Ansatz jedoch für die Kompensation unterschiedlicher Abstrahlwinkel nicht flexibel genug. Hier schlagen wir vor, zur Kompensation des von null abweichenden Abstrahlwinkels einen Spiegel oder ein Prisma zwischen dem Antennenarray und dem Objektiv zu verwenden, wie in 39, 40, 41 dargestellt. 39 ist eine Seitenansicht 3900 zur Darstellung eines Spiegels für die Kompensation eines Antennenabstrahlwinkels von ungleich null. Hier wird ein telezentrisches Objektiv 3902 verwendet, um das Licht vom Antennenarray oder photonischen integrierten Schaltkreis über einen Spiegel hin zum freien Raum zu bündeln (Senden) oder von einem Spiegel 3904 hin zu einem Antennenarray oder photonischen integrierten Schaltkreis (PIC) 3910 zu reflektieren (Empfangen). Hier wird ein virtuelles Bild 3906 des PIC 3910 auf einer virtuellen Ebene 3908 dargestellt. 40 ist eine Seitenansicht zur Darstellung eines optischen Prismasystems 4000 für die Kompensation eines Antennenabstrahlwinkels von ungleich null. Hier wird ein telezentrisches Objektiv 4002 verwendet, um das Licht vom Antennenarray über ein Prisma hin zum freien Raum zu bündeln (Senden) oder über ein Prisma hin zu einem Antennenarray 4004 (PIC) zu fokussieren (Empfangen). 41 ist eine Seitenansicht 4100 zur Darstellung eines Mikroprismenarrays für die Kompensation eines Antennenabstrahlwinkels von ungleich null. Hier wird ein telezentrisches Objektiv 4102 verwendet, um das Licht von einem Antennenarray über Mikroprismen hin zum freien Raum zu bündeln (Senden) oder Licht über Mikroprismen hin zu einem Antennenarray 4104 (PIC) zu fokussieren (Empfangen).
Der Spiegel oder das Prisma kann das Licht so beugen, dass die reflektierten oder gebrochenen Strahlen mit Einfallswinkel null auf das Linsensystem auftreffen. Da Spiegel oder Prisma drehbar sind, können sie in der Kalibrierphase verstellt werden, um die Fertigungsfehler auszugleichen. Gleichzeitig kann ein telezentrisches Objektiv verwendet werden, um das schräggestellte Abstrahlungsarray anzupassen. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es keine komplizierte Auslegung des Objektivs benötigt.
Das vorgeschlagene System kann in einem Chip-Lidar-System verwendet werden, das mit Lichtlaufzeit (Time-of-Flight, ToF) und frequenzmodulierter Dauerstrichdetektion (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) arbeitet. In einem Chip-Lidar-System wird Licht auf einen Wellenleiter des PIC aufgekoppelt und dann in Subwellenleiter verteilt. 42A ist eine Draufsicht eines Antennenarrays 4200 mit Teilerbäumen 4202 und optischen Schaltern 4204. 42B ist eine Draufsicht eines Antennenarrays 4230 mit mehreren Arten von Schaltern, im vorliegenden Beispiel gibt es Typ-I-Schalter 4206 und optische Schalter 4204. 42C ist eine Draufsicht eines Antennenarrays 4360 mit Teilerbäumen 4202 und mehreren Schalterarten wie Typ-I-Schaltern 4206 und optischen Schaltern 4204. Der vorgeschlagene MEMS-Schalter kann mit Teilerbäumen (42A) oder anderen Arten von Binärschaltern (42B) oder Schaltern und Teilerbäumen (42C) zur Lichtverteilung kombiniert werden. 42B zeigt einen Anordnungsplan mit zwei Arten von Binärschaltern. Wie unter Verweis auf das Sendeterminal beispielhaft zu sehen, breitet sich Licht im Hauptwellenleiter aus. Am Schnittpunkt des Hauptwellenleiters und des Reihenwellenleiters kann der Typ-I-Schalter das Licht selektiv in die ausgewählte Reihe führen (in der Zeichnung ist die zweite Reihe von oben ausgewählt). Dann breitet sich das Licht im ausgewählten Reihenwellenleiter aus, bis es den eingeschalteten MEMS-Schalter (Schaltertyp II) erreicht und abstrahlt. Der Typ-I-Schalter kann entweder ein MEMS-Schalter oder andere Schalter wie ein thermooptischer Schalter, elektrooptischer Schalter usw. sein. 42A zeigt einen Anordnungsplan mit Teilerbäumen. Der Unterschied zwischen diesen beiden Anordnungen besteht darin, dass in der Teilerbaum-Anordnung die optische Leistung aus dem Laser gleichmäßig in die Wellenleiter verteilt wird, während in der kombinierten Binärschalteranordnung das Licht vom Laser zu einem Zeitpunkt jeweils selektiv zu einem Lichtwellenleiter geführt wird. Diese beiden Anordnungen können zu einer dritten Anordnung kombiniert werden, wie in 42C dargestellt. In dieser Anordnung wird Licht vom Laser in mehrere Abschnitte von Wellenleiter-Subarrays verteilt, dann werden in jedem Wellenleiter-Subarray Binärschalter verwendet, um das Licht selektiv zu gewünschten Wellenleitern zu führen. Mit dieser Anordnung lassen sich die MEMS-Schalter in verschiedenen Subarrays unabhängig und gleichzeitig steuern. All diese Anordnungen können in den MEMS-Schalterarray-basierten Sende/Empfangs-Terminals funktionieren. In der Anordnung von 42B und 42C wird die aktive Reihe vom Typ-I-Schalter angewählt, während die aktive Spalte von den Typ-II-Schaltern ausgewählt wird. Dadurch ist die Steuerkomplexität für ein Array M x N mit der Array-Größe linear skaliert (O(M+N)) statt quadratisch (O(MxN)).
Dieser Abschnitt offenbart MEMS-Schalter und Arrays, die sich für die optische Kopplung in der Ebene bewegen. Der vorgeschlagene MEMS-Schalter können verwendet werden, um in verschiedenen Anwendungen Licht von Wellenleitern auf einem photonischen integrierten Schaltkreischip (PIC-Chip) zum freien Raum auszukoppeln.
43A ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays mit einem beweglichen Gitter, das mit mehreren Haltepositionen in Längsrichtung verfährt. In dieser Ausführungsform verfährt das Gitter 4308 in Längsrichtung dergestalt, dass es mehrere Haltepositionen gibt, diese Darstellung zeigt 3 Haltepositionen, 4308a, 4308b und 4308c. In dieser Ausführungsform kann 4308a die neutrale Position sein, so dass eine an die verzahnten Elektroden angelegte Spannung das Gitter zu den anderen Positionen 4308b und 4308c bewegen wird. Das Gitter kann auch so ausgestaltet sein, dass die neutrale Position in der Mitte 4308b ist, so dass eine positive Spannung über die miteinander verzahnten Elektroden das Gitter zu einer Position (zum Beispiel 4308a) bewegt und eine negative Spannung über die verzahnten Elektroden das Gitter zu der anderen Position (zum Beispiel 4308c) bewegt. In dieser Abbildung bewegt sich das Licht den Wellenleiter 4304 entlang und zu drei Buswellenleitern 4306a, 4306b und 4306c. Wie weiter oben beschrieben, kann sich das Licht über einen Strahlteiler (Splitter) oder einen optischen Schalter fortbewegen, und das Licht kann sich auch in der entgegengesetzten Richtung von 4304 bewegen. 43B ist eine perspektivische Detailansicht eines beweglichen Gitters 4314, das in Längsrichtung 4312 mit mehreren Haltepositionen zum Buswellenleiter 4316 aus 43A verfährt. Der Buswellenleiter 4316 wird vom Substrat gestützt. Das Substrat stützt einen Anker 4318, der mit den gegenseitig verzahnten Elektroden 4320 gekoppelt ist.
43C ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays mit einem beweglichen Gitter 4328, das in Längsrichtung 4322 zum Buswellenleiter 4326 verfährt. Diese Darstellung zeigt 2 Haltepositionen, 4328a und 4328b. In dieser Ausführungsform kann 4328a die neutrale Position sein, so dass eine an die gegenseitig verzahnten Elektroden angelegte Spannung das Gitter zu der anderen Position 4328b bewegen wird. In dieser Abbildung bewegt sich das Licht den Wellenleiter 4324 entlang und zu drei Buswellenleitern 4326a, 4326b und 4326c. Wie bereits beschrieben, kann sich das Licht über einen Strahlteiler (Splitter) oder einen optischen Schalter bewegen, und das Licht kann sich auch in der entgegengesetzten Richtung von 4324 bewegen. 43D ist eine perspektivische Detailansicht von zwei beweglichen Gittern 4342, die sich in Längsrichtung zum Buswellenleiter 4316 aus 43C bewegen. Der Buswellenleiter 4316 wird vom Substrat gestützt. Das Substrat stützt einen Anker 433 8, der mit den verzahnten Elektroden 4334 gekoppelt ist. 43E ist eine Draufsicht eines beweglichen Gitters 4342, das sich über miteinander verzahnte Elektroden 4334 in Längsrichtung 4332 zum Buswellenleiter 4336 bewegt. Der Buswellenleiter 4336 wird vom Substrat gestützt. Das Substrat stützt einen Anker 4338, der mit den gegenseitig verzahnten Elektroden 4334 gekoppelt ist. Eine Feder 4340 ist auf einer Seite mit dem Gitter 4342 und auf der anderen Seite mit einem Anker 4338 gekoppelt.
44A ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays mit einem beweglichen Gitter 4408, das sich in Querrichtung 4402 zum Buswellenleiter 4406 mit mehreren Haltepositionen bewegt. In dieser Ausführungsform verfährt das Gitter 4408 in Querrichtung dergestalt, dass es mehrere Haltepositionen gibt, diese Abbildung zeigt 3 Haltepositionen, 4408a, 4408b und 4408c. In dieser Ausführungsform kann 4408a die neutrale Position sein, so dass eine an die gegenseitig verzahnten Elektroden angelegte Spannung das Gitter zu den anderen Positionen 4408b und 4408c bewegen wird. Das Gitter kann auch so ausgestaltet sein, dass die neutrale Position in der Mitte 4408b liegt, so dass eine positive Spannung über die gegenseitig verzahnten Elektroden das Gitter zu einer Position (zum Beispiel 4408a) bewegt und eine negative Spannung über die gegenseitig verzahnten Elektroden das Gitter zu der anderen Position (zum Beispiel 4408c) bewegt. In dieser Abbildung bewegt sich das Licht den Wellenleiter 4404 entlang und zu drei Buswellenleitern 4406a, 4406b und 4406c. Wie bereits beschrieben, kann sich das Licht über einen Strahlteiler (Splitter) oder einen optischen Schalter bewegen, und das Licht kann sich auch in der entgegengesetzten Richtung von 4404 bewegen. 44B ist eine perspektivische Detailansicht eines beweglichen Gitters 4408, das sich in Querrichtung 4402 zum Buswellenleiter 4406 mit mehreren Haltepositionen des Schalterarrays aus 44A bewegt. Der Buswellenleiter 4406 wird vom Substrat gestützt. Das Substrat stützt einen Anker 4418, der mit den gegenseitig verzahnten Elektroden 4420 gekoppelt ist. 44C ist eine Draufsicht eines beweglichen Gitters 4442, das sich über gegenseitig verzahnte Elektroden 4434 in Querrichtung zum Buswellenleiter 4436 bewegt. In dieser Abbildung ist eine Feder 4440 mit einem Anker 4438 gekoppelt, der mit dem Substrat gekoppelt ist. Das andere Ende der Feder 4440 ist mit dem Gitter 4442 so gekoppelt, dass eine an die gegenseitig verzahnten Elektroden 4434 angelegte Kraft das Gitter 4442 zu einer Position oberhalb eines Buswellenleiters 4436 bewegt, wie oben beschrieben.
45 ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays mit einem beweglichen Gitter, das in Querrichtung 4502 mit Haltepositionen in und aus der Ebene von Wellenleitern 4506 verfährt. In dieser Ausführungsform bewegt sich Licht durch den Buswellenleiter in eine Richtung 4504 und wird zu drei Buswellenleitern 4506a, 4506b und 4506c verteilt. In dieser Ausführungsform sind Gitter, die sich aus der Ebene bewegen, als 4510 dargestellt und mit keinem Buswellenleiter 4506 gefluchtet. Gitter in der Ebene sind als 4508 dargestellt und mit einem Buswellenleiter 4506 gefluchtet, so dass eine optische Kopplung zwischen dem Gitter 4508 und dem Buswellenleiter 4506b besteht.
43, 44 und 45 zeigen drei Beispiele für in der Ebene bewegliche MEMS-Schalter in der Amplitudenarray-Lidar-Anwendung. In all diesen drei Figuren werden als Beispiele für die Veranschaulichung der Schalterkonzepte Gitterantennen verwendet, für diese Schalterkonzepte würden auch andere Antennenauslegungen funktionieren. In all diesen drei Auslegungen ist die MEMS-Schalterschicht oberhalb der Wellenleiterschicht aufgehängt. Der Spaltabstand zwischen der MEMS-Schalterschicht und der Buswellenleiterschicht beträgt einige Nanometer bis einige hundert Nanometer, so dass die Kopplungseffizienz zwischen MEMS-Schalter und Buswellenleiter ausreichend ist, um mehr als 50 % des Lichts von der Buswellenleiterschicht zur MEMS-Schalterschicht zu koppeln. In 43 können die MEMS-Schalter sich entlang des Wellenleiters bewegen, und die Pixel sind virtuelle Pixel, die durch die Halteposition des MEMS-Schalters definiert sind. Sobald ein MEMS-Schalter anhält, wird das Licht aus dieser Position ausgekoppelt und das entsprechende virtuelle Pixel eingeschaltet. Je nach Abmessung des Wellenleiters und des Bewegungsbereichs des MEMS-Schalters können ein (43A und 43B) oder mehr als ein (43C und 43D) MEMS-Schalter eine Wellenleiterlänge abdecken. In 44 können sich die MEMS-Schalter in der Ebene entlang der x-Richtung über mehrere Wellenleiter hinweg bewegen. Ähnlich wie bei der Auslegung in 43 sind die Pixel wieder virtuelle Pixel, die durch die Halteposition des MEMS-Schalters definiert sind. Je nach Abmessung des Wellenleiter-Arrays und des Bewegungsbereichs des MEMS- Schalters, kann ein MEMS-Schalter sämtliche Wellenleiter im Array oder einen Teil der Wellenleiter im Array abdecken. Ein Vorteil des in 43 und 44 dargestellten MEMS-Schalters besteht darin, dass die Schalter sich in der Ebene bewegen, was sich leichter implementieren lässt als die aus der Ebene beweglichen Schalter. Die virtuellen Schalterstopps machen es auch möglich, dass Schalter flexibel an einer beliebigen Position entlang der Bewegungsstrecke anhalten können.
45 zeigt eine andere Gestaltung von MEMS-Schaltern in der Ebene. Anders als bei der Auslegung in 44 sind die Pixel hier Realpixel, die durch die relative Überlappung von MEMS-Schaltern und Buswellenleitern definiert sind. Im OFF-Zustand sind die Schalter versetzt zu den Wellenleitern angeordnet, und im ON-Zustand bewegt sich der Schalter so, dass er eine Überlappung mit dem Wellenleiter aufweist. Die Vorteile liegen darin, dass die Bewegungsstrecke für jeden Schalter so klein ist, dass die Schalter sich leichter implementieren lassen.
Die vorgeschlagenen In-Plane-MEMS-Schalter können für die Strahllenkung in optischen Sende-, Empfänger oder Sende/Empfänger-Terminals auch in einem Array organisiert und mit Objektiven kombiniert sein. Alle Konzepte der Schalterkombination und Teilerbaumkombination und Reihen/Spalten-Verdrahtung funktionieren auch mit den vorgeschlagenen In-Plane-MEMS-Schaltern.
Die Konzepte eines vertikal beweglichen MEMS-Schalters mit Cantilever-Koppler und feststehender optischer Antenne, wie in der vorliegenden Offenbarung vorgestellt, erfordern einen Stopp des Cantilever-Kopplers. Bei den vertikal beweglichen MEMS-Schaltern (zum Beispiel 4A-4C, 6) muss das Anhalten des MEMS-Schalters oder optischen Cantilevers in einem bestimmten Abstand über dem Buswellenleiter gesteuert werden. Es können mechanische Stopper (Puffer) verwendet werden, um die MEMS-Schalter mechanisch zu stoppen. Da jedoch die Aufhängungsschicht die mechanischen Anschläge in jedem Arbeitsvorgang anfahren wird, können sich die mechanischen Stopper abnutzen und dadurch die Lichtkopplungseffizienz des Systems verschlechtern. Hier wird als MEMS-Schalter-Stopper in der MEMS-Schalter-Lichtkopplungsanwendung ein System und Verfahren der elektrostatischen Levitation verwendet.
46 ist eine perspektivische Ansicht eines Schalters 4600 mit elektrostatischer Levitation zur Steuerung einer Kopplungsdistanz zwischen einem Buswellenleiter und den Gittern. Der elektrostatische Levitationsschalter 4600 umfasst ein Substrat 4602, das untere seitliche oder Abstoßungselektroden 4604, einen Buswellenleiter 4606, untere mittige oder Aktivierungselektroden 4608 und Anker 4614 lagert. Oberhalb des Buswellenleiters 4606 ist ein optisches Gitter 4610 gelagert, das über eine Feder 4612 aufgehängt ist, die mit dem Anker 4614 gekoppelt ist. Auf dem Gitter 4610 ist eine obere oder Reaktionselektrode 4616 angeordnet. Nun werden die Verfahren zur Ansteuerung der Halteposition von vertikal beweglichen MEMS-Schaltern mit nichtmechanischen Stoppern beschrieben. Ein Verfahren zur Nutzung der elektrostatischen Levitation ist in 46 dargestellt (das Konzept wird mit Hilfe eines schaltbaren MEMS-Gitters beispielhaft veranschaulicht). In einer solchen Auslegung wird die MEMS-Struktur mit Hilfe der unteren mittigen Elektroden und der oberen Elektroden elektrostatisch in den Einzugszustand oder über den Einzugszustand hinaus betätigt, dann werden die unteren mittigen Elektroden und die oberen Elektroden auf dem gleichen Spannungspegel (zum Beispiel beide auf Masse) gehalten, und an die unteren seitlichen Elektroden wird eine hohe positive Spannung angelegt. Das von der unteren seitlichen Elektrode erzeugte große elektrische Feld drückt dadurch die MEMS-Struktur nach oben und hält schließlich die Struktur auf einem bestimmten Abstand über dem Buswellenleiter. Der Vorteil des elektrostatischen Levitationsstoppers liegt darin, dass die Aufhängungsschicht die untere Buswellenleiterschicht nicht physisch berührt, so dass es während des MEMS-Betriebs keine Probleme mit Haftreibung oder materieller Abnutzung gibt. Dieses Verfahren verlangt jedoch eine relativ hohe Spannung, um die Aufhängungsschicht an einer bestimmten Position zu halten.
Ein anderes Verfahren ist die Verwendung eines Kammantriebs, ein Beispiel ist in den 47A und 47B dargestellt. 47A ist eine perspektivische Ansicht eines Schalters 4700 mit einem Kammantrieb zur Steuerung einer Kopplungsdistanz zwischen einem Buswellenleiter 4706 und den Gittern 4710. Der elektrostatische Kammlevitationsschalter 4700 umfasst ein Substrat 4702, das untere seitliche oder Aktivierungskammelektroden 4704, einen Buswellenleiter 4706 und Anker 4714 lagert. Über dem Buswellenleiter 4706 ist ein optisches Gitter 4710 gelagert, das über eine Feder 4712 aufgehängt ist, die mit dem Anker 4714 gekoppelt ist. Mit dem optischen Gitter 4710 ist eine obere oder Reaktionskammelektrode 4708 gekoppelt. 47B ist eine Querschnittsansicht entlang eines Schnitts von 47A zur Darstellung des Kammantriebs, in dem die unteren seitlichen oder Aktivierungskammelektroden 4704 mit der oberen oder Reaktionskammelektrode 4708 angrenzend zum Buswellenleiter 4706 verzahnt sind. In dieser Ausführungsform stehen die Lamellen des Kammantriebs rechtwinklig zum Buswellenleiter 4706, aber die Lamellen können auch parallel zum Buswellenleiter 4706 eingerichtet sein.
An der beweglichen Aufhängungsschicht (obere Elektroden) und feststehenden Substratschicht (untere Elektroden) sind Fingerelektroden ausgebildet. Die elektrische Feldrichtung zwischen oberen und unteren Elektroden kann durch die Polarität der an die Elektroden angelegten Spannungen gesteuert werden. Wenn die an die oberen Elektroden angelegte Spannung höher ist als bei den unteren Elektroden, wanderte das elektrische Feld nach unten und kann die Aufhängungsschicht anziehen, so dass sich diese zum Buswellenleiter hin bewegt. Sobald sie eine bestimmte Position erreicht und die Spannung der oberen Elektroden so geändert wird, dass sie kleiner als bei den unteren Elektroden ist, wandert das elektrische Feld nach oben und kann dabei helfen, die Schwerkraft zu überwinden und die Aufhängungsschicht an einer bestimmten Position zu halten. Der Vorteil des Kammantriebs besteht darin, dass er keine so hohe Spannung wie die elektrostatische Levitation verlangt, und auch er ist ein nichtmechanischer Anschlag.
In dieser Offenbarung wurden verschiedene Auslegungen von MEMS-Schaltern und Schalterarrays offenbart. Diese verschiedenen Auslegungen werden in den optischen Sende-, Empfangs- und Sende/Empfangs-Terminals verwendet werden. Nun werden Verfahren zum Integrieren der MEMS-Schalter und Schaltarrays in ein Chip-Lidar-System und zum Gehäuseeinbau (Packaging) eines solchen Systems beschrieben.
MEMS-Schalterarray-basierte Chip-Lidar-Systeme integrieren MEMS-Strukturen auf einer siliciumphotonischen Plattform. Diese Kombination von MEMS-Struktur und siliciumphotonischer Plattform führt zu neuen Herausforderungen, die es in reinen MEMS-Systemen und in reinen siliciumphotonischen Systemen nicht gibt. Deshalb müssen die Systemintegration und das Packaging in Auslegung und Processing sachgerecht erfolgen. 48 ist eine Querschnittsansicht eines Schalterarray-Systems zur Darstellung von Integration und Packaging eines MEMS-Schalterarray-basierten Chip-Lidar-Moduls 4800.
MEMS-Strukturen können viele Versagensmechanismen (zum Beispiel Staub, Feuchte) aufweisen, deshalb müssen alle Komponenten des Chip-Lidars zusammen gepackt und hermetisch gehäust werden. Ein hermetisch gehäustes LIDAR-Modul 4800 umfasst eine Wärmesenke/Substratplattform 4802, eine Lichtquelle 4804 (zum Beispiel Laser, LED oder eine andere gemeinhin verwendete Lichtquelle), ein Lichtkopplungsbauteil 4806, einen photonischen integrierten Schaltkreischip (PIC-Chip) mit MEMS-Schalter und ASIC-Steuerung 4808, ein Objektiv 4810, eine innere Antireflexionsbeschichtung 4812, eine äußere Antireflexionsbeschichtung 4814, einen oder mehrere Fotodetektor(en) 4816 (zum Beispiel Fotodiode, Fototransistor, ladungsgekoppelten Baustein oder einen anderen üblicherweise verwendeten Fotodetektor) und andere notwendige Kopplungsbausteine. Die Lichtquelle 4804 kann kohärent und polarisiert sein.
Ein Beispiel von Systemintegration und Gehäuseeinbau ist in 48 dargestellt. Alle Komponenten werden auf eine Substratplattform mit Wärmeableitungsmechanismen integriert und in einem Package hermetisch gehäust. Der Deckel des Gehäuses enthält einen Fensterbereich, der für die im LIDAR-Chip verwendete Wellenlänge durchlässig ist, so dass Licht aus dem Gehäuse austreten und zum PIC-Chip zurückkehren kann. Der Fensterbereich kann einen Teil oder die gesamte Oberfläche des Deckels ausmachen. Antireflexionsbeschichtungen an der Innen- und Außenfläche des Fensters können dabei helfen, die Reflexion beim Lichtdurchgang durch das Fenster zu reduzieren. Unterschiedliche Teile des Systems können in unterschiedliche Druckniveaus und mit unterschiedlichen Gaszusammensetzungen gepackt werden. Das MEMS-Schalterarray/PIC 4808 benötigt beispielsweise ein bestimmtes Druckniveau (zum Beispiel über 1 Torr) zum Induzieren einer Dämpfung, so dass MEMS-Schalter an der Position zur Einschaltung des Schalters anhalten können. Um diesen Zweck zu erreichen, wird die Kammer mit Schwergasen wie Stickstoff, Argon usw. gefüllt, bis das benötigte Druckniveau erreicht wird. Außerhalb dieses Bereichs (d. h. innerhalb des hermetisch geschlossenen Moduls 4800) kann der Druck ein Unterdruckniveau (zum Beispiel unterhalb 1 mTorr) aufweisen, um den Einfluss von Teilchen und Feuchtigkeit zu minimieren. Die Temperatur zur hermetischen Abdichtung von 4800 sollte niedriger sein als die Temperaturgrenzwerte, die das Leistungsverhalten der anderen Bauteile (zum Beispiel PIC 4808, Lichtquelle 4804, Fotodetektor 4816) im System beeinträchtigen können. Es wird zum Beispiel empfohlen, dass die Dichtungstemperatur unter 300 °C bleibt, damit das Leistungsverhalten des Lasers nicht beeinträchtigt wird. Bei der Integration einer ASIC kann ein Die-Bonden über Siliciumdurchsätze den Einfluss elektrischer Pfade auf die Schaltgeschwindigkeit und die Schaltleistung minimieren.
Der vorliegende Abschnitt schlägt mehrere Auslegungen und Konzepte von MEMS-Schaltern und Schalterarrays für die optische Kopplung vor. Diese vorgeschlagenen Strukturen können in optischen Terminals für die optische Strahllenkung verwendet werden. Hier werden unterschiedliche Auslegungs- und Anordnungsverfahren für MEMS-Schalter und MEMS-Schalterarray beschrieben. All diese Verfahren können beim Bau von optischen Strahllenkungsterminals verwendet werden.
Ein Beispiel der MEMS-Schalterarray-Auslegung ist in 49 dargestellt. 49 ist eine perspektivische Ansicht eines Doppelgitterschalters 4900, der in Querrichtung 4906 mit Haltepositionen in Ebene mit Wellenleitern 4912 verfährt. Das Substrat 4902 weist mehrere Typ-I-Schalter (zum Beispiel 4910a, 4910b) auf, um Licht zu Buswellenleitern 4912a, 4912b, 4912c und 4912d zu leiten. In dieser Abbildung ist das Doppelgitter 4914a und 4914b entweder so ausgerichtet, dass das Gitter 4914a mit einem Buswellenleiter 4912a gefluchtet ist, oder so, dass das Gitter 4914b mit dem Buswellenleiter 4912b gefluchtet ist, so dass Licht 4904 gekoppelt wird.
Zur Veranschaulichung des Konzepts werden hier die Gitter als mit dem MEMS-Schalter integrierte optische Koppler/Antennen verwendet. Bei diesem Konzept funktionieren auch andere Auslegungen der optischen Koppler/Antennen. In dem in 49 dargestellten MEMS-Schalterarray trägt jeder MEMS-Schalter zwei optische Antennen und ist für zwei Pixel oben auf zwei benachbarten Buswellenleitern zuständig. Jeder MEMS-Schalter kann horizontal betätigt werden und die beiden Gitterkoppler/Antennen entlang der x-Richtung über die beiden Wellenleiter hinweg bewegen. Die MEMS-Schalter weisen zwei Stellungen (4914a und 4914b) auf. ein Gitter überlappt einen der beiden Wellenleiter (ein Pixel ist ON, Position 4914a und Position 4914b). Um zum Beispiel das zweite Pixel oberhalb des Wellenleiters 4912b einzuschalten, wird der Reihenschalter 4910b eingeschaltet, und der MEMS-Schalter wird betätigt, um die beiden Gitterkoppler/Antennen zur -x-Richtung zu bewegen, so dass ein/e Gitterkoppler/Antenne eine ausreichende Überlappung mit dem Wellenleiter 4912b aufweisen kann und sich ausreichend Licht vom Wellenleiter 4912b zu diesem Gitter auskoppeln kann und dann in den freien Raum abstrahlt. Je nachdem, welches Pixel eingeschaltet wird, wird der Schalter bis zu einem bestimmten Anschlag gegen eine mechanische Feder ausgelenkt (wie in der Einzelschalterskizze von 49 dargestellt). Zur Ansteuerung der Schalterbewegung in der Ebene kann ein aktorischer Kammantrieb verwendet werden. Da das Gitter größer als der Wellenleiter ist, hat eine Hin- und Herbewegung nur einen sehr geringen Einfluss auf das Leistungsverhalten. Die Auslenkung kann elektrostatisch, induktiv, piezoelektrisch oder ähnlich erfolgen. Der Abstand zwischen der Gitterschicht und der Buswellenleiterschicht sollte klein genug sein, um sicherzustellen, dass ausreichend Licht vom Buswellenleiter zum Gitter auskoppelt, wenn sich der Schalter entweder in Position 4914a oder in Position 4914b befindet. Der Vorteil bei dieser Auslegung liegt darin, dass die Anzahl von MEMS-Schaltern nur halb so groß wie die Anzahl von Pixeln ist.
Eine andere Auslegung des MEMS-Schalterarrays ist in 50 dargestellt, wo die MEMS-Schalter auch so betätigt werden, dass sie sich horizontal entlang der x-Achse bewegen und ein MEMS-Schalter mehr als eine/n optische/n Koppler/Antenne trägt (hier wird zur Veranschaulichung des Konzepts wiederum beispielhaft ein Gitter als Koppler/Antenne verwendet).
50 ist eine perspektivische Ansicht eines Doppelgitterschalters 5000, der sich in Querrichtung 5006 mit Haltepositionen in und aus der Ebene von Wellenleitern 5012 bewegt. Das Substrat weist mehrere Typ-I-Schalter (zum Beispiel 5010a, 5010b) auf, um Licht zu Buswellenleitern 5012a, 5012b, 5012c und 5012d zu leiten. In dieser Darstellung ist das Doppelgitter 5014a und 5014b entweder so ausgerichtet, dass das Gitter 5014a mit einem Buswellenleiter 5012a gefluchtet ist, das Gitter 5014a und 5014b zwischen den benachbarten Buswellenleitern 5012a und 5012b zentriert ist, so dass kein Licht gekoppelt wird, oder so, dass das Gitter 5014b mit dem Buswellenleiter 5012b gefluchtet ist, so dass Licht gekoppelt wird. Diese MEMS-Schalter 5000 weisen drei Stellungen auf, wie in 50 dargestellt: neutrale Position, in der zwei Gitter zwischen zwei Wellenleitern angeordnet sind und keinen von beiden überlappen (beide Pixel sind OFF, Position 5014), ein Gitter überlappt einen Wellenleiter (ein Pixel ist ON, Position 1 und Position 5014a). Je nachdem, welches Pixel eingeschaltet wird, wird der Schalter gleichermaßen bis zu einem bestimmten Anschlag gegen eine mechanische Feder ausgelenkt (wie in der Skizze mit dem Einzelschalter in 50 dargestellt). Da das Gitter größer als der Wellenleiter ist, hat eine Hin- und Herbewegung nur einen sehr geringen Einfluss auf das Leistungsverhalten. Die Auslenkung kann elektrostatisch, induktiv, piezoelektrisch oder ähnlich erfolgen. In dieser Auslegung sind jedoch die Reihenschalter nicht notwendig, da die Position 5014 eine komplette OFF-Position ist (keines der beiden Gitter überlappt irgendeinen der beiden Buswellenleiter). Die Wellenleiter können durch Teilerbäume verbunden sein, und durch Stellen des Schalters auf Position 5014a und 5014b zum Einschalten unterschiedlicher Pixel. In diesem Fall ist der MEMS-Schalter ein Dreiwegeschalter. Und natürlich sollte der Abstand zwischen der Gitterschicht und der Buswellenleiterschicht klein genug sein, um sicherzustellen, dass ausreichendes Licht vom Buswellenleiter zum Gitter auskoppelt, wenn sich der Schalter entweder in Position 5014a oder in Position 5014b befindet.
51 ist eine perspektivische Ansicht eines bimorphen Schalters 5100, in dem ein Gitter 5108 eine Position in der Ebene aufweist. Der bimorphe Schalter 5100 umfasst ein Substrat 5102 und oberhalb des Substrats 5102 ist ein Gitter 5108 auf einer Aufhängungsschicht 5104 aufgehängt, die einen bimorphen piezoelektrischen Aktor 5106 aufweist. Wenn der bimorphe piezoelektrische Aktor 5106 aktiviert wird 5110, bewegt sich der bimorphe Schalter 5100 zu 52. 52 ist eine perspektivische Ansicht eines bimorphen Schalters 5200, der ein Gitter 5208 vertikal in einer aus der Ebene heraustretenden Position dreht. Der bimorphe Schalter 5200 umfasst ein Substrat 5202 und oberhalb des Substrats 5202 ist ein Gitter 5208 auf einer Aufhängungsschicht 5204 aufgehängt, die einen bimorphen piezoelektrischen Aktor 5206 aufweist.
53 ist eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays 5300, in dem sich Gitterelemente um eine rechtwinklig zum Wellenleiter stehende Achse drehen (zum Beispiel um die x-Achse drehen). Ein Substrat 5302 stützt Buswellenleiter 5312, so dass Licht, das sich in einer Richtung 5310 bewegt, auf jeden Buswellenleiter 5312a 5312b, 5312c und 5312d verteilt werden kann. Hier sind Gitter 5316, 5304, 5314 so eingerichtet, dass sie sich um die x-Achse drehen 5306, und, wenn aktiv, wie Gitter 5314, wird Licht 5308 aus dem Buswellenleiter 5312b ausgeleitet. Obwohl mit dem Senden von Licht dargestellt, ist eine Verwendung auch zum Empfangen von Licht möglich. Gleichermaßen ist 54 eine perspektivische Ansicht eines Schalterarrays 5400, in dem sich Gitterelemente um eine parallel zum Wellenleiter stehende Achse drehen (zum Beispiel um die y-Achse drehen). Ein Substrat 5402 stützt Buswellenleiter 5412, so dass Licht, das sich in einer Richtung 5410 bewegt, auf jeden Buswellenleiter 5412a 5412b, 5412c und 5412d verteilt werden kann. Hier sind Gitter 5416, 5404, 5414 so eingerichtet, dass sie sich um die y-Achse drehen 5406, und, wenn aktiv, wie Gitter 5414, wird Licht 5408 aus dem Buswellenleiter 5412b ausgeleitet. Obwohl mit dem Senden von Licht dargestellt, ist auch eine Verwendung zum Empfangen von Licht möglich.
MEMS-Schalter können auch kippbar oder klappbar ausgelegt sein, wie in 53 und 54 dargestellt. In der Auslegung von 53 werden die MEMS-Schalter so betätigt, dass sie sich in der y-z-Ebene um die x-Achse drehen. Wenn der MEMS-Schalter parallel zur y-Achse steht, besteht eine Überlappung zwischen Gitter und Buswellenleiter, und falls der Abstand zwischen dem Gitter und dem Wellenleiter klein genug gehalten wird, kann Licht vom Buswellenleiter zum Gitter auskoppeln und weiter zum freien Raum abstrahlen, somit wird der MEMS-Schalter eingeschaltet (51). Wenn der MEMS-Schalter zu einem ausreichend großen Winkel geneigt wird, so dass die Lichtkopplung sehr schwach ist, ist der MEMS-Schalter OFF (52). Gleichermaßen, wie in 54 dargestellt, werden die MEMS-Schalter so betätigt, dass sie sich in der x-z-Ebene um die y-Achse drehen. Der MEMS-Schalter kann durch bimorphe piezoelektrische Aktoren, wie in 51 und 52 dargestellt, oder durch elektroaktive Polymere angetrieben werden.
Die Schalter können auch in der Ebene gedreht werden und sich über den Wellenleiter schieben (wie eine Kreiselscheibe), nicht nur auf einen 90-Grad-Winkel. Ähnlich wie in 55, nur in einem anderen Maßstab. 55 ist eine Draufsicht eines Gitterarrays 5500 auf einer Drehscheibe 5502, die einen Drehmechanismus für die Abstimmung des In-Plane- und Off-Plane-Betriebs nutzt. Die Drehscheibe 5502 umfasst Gitter 5504, die in einem Array dergestalt angeordnet sind, dass eine Drehung 5508 der Scheibe bewirkt, dass die Gitter 5504 sich zu den Buswellenleitern 5506 so ausrichten, dass sie Licht senden oder empfangen. Ein Vorteil besteht darin, dass die Antennen durch nur einen Motor gesteuert werden, statt dass jede Antenne durch einen Schalter gesteuert wird. Die Antennen können mit einem bestimmten Muster ausgelegt sein, damit während der Drehung die Polarisierung nicht beeinträchtigt wird.
Zudem können die MEMS-schaltbaren Gitter eine bistabile Membran verwenden, um den Stromverbrauch im Betrieb zu reduzieren. In diesem Fall kann die MEMS-Schalterbetätigung eine Kombination von zwei Verfahren sein, um den ON- oder OFF-Zustand zu erreichen. 56A ist eine Querschnittsansicht eines Kopplerwellenleiters 5600 mit einer bistabilen Membran 5612 in OFF-Stellung. Ein Substrat 5602 stützt einen Buswellenleiter 5604, eine Betätigungselektrode 5606 und einen mechanischen Anschlag 5608. Auf einer Aufhängungsschicht befindet sich die bistabile Membran 5612, die eine Reaktionselektrode 5607, einen mechanischen Anschlag 5608 und einen Kopplerwellenleiter 5610 umfasst. 56B ist eine Querschnittsansicht eines Kopplerwellenleiters mit einer bistabilen Membran 5612 in ON-Stellung. Der in 56A dargestellte Schalter weist den Kopplerwellenleiter 5610 (mit Gittern) auf einer flexiblen oberen Membran 5612 auf. Im OFF-Zustand ist der Kopplerwellenleiter 5610 vom Buswellenleiter 5604 getrennt. Um den Schalter in den ON-Zustand zu bringen, muss der Kopplerwellenleiter 5610 nach unten zum Buswellenleiter 5604 in 56B gezogen werden. Ein Betätigungsverfahren besteht in einer elektrostatischen Anzugskraft, die von den Elektroden 5606 und 5607 angelegt wird, aber hier ist ein konstanter Stromfluss notwendig, um den Schalter eingeschaltet zu halten. Das würde den Stromverbrauch für den Betrieb der Vorrichtung erhöhen. Um die Notwendigkeit eines konstant anzulegenden Stroms zur Aufrechterhaltung des Einschaltzustands der Vorrichtung zu umgehen, kann eine Feineinstellung der Membranspannung (Stress-Tuning) vorgenommen werden, um so eine bistabile Membran zu erzeugen. Dazu wäre ein druckgespannter Film 5612 auf die oberseitige Fläche des Membrankopplerwellenleiters 5610 aufzubringen. Die Spannung muss so eingestellt werden, dass die Membran im Verhältnis zur unterseitigen Fläche entweder parallel oder ganz leicht aufgewölbt ist. Diese Membran hat bistabile Eigenschaften, das heißt, sie kann flach oder leicht aufgewölbt sein, wenn keine Betätigungskraft anliegt, und wenn sie mit elektrostatischer Betätigung nach unten gezogen wird, bleibt sie unten, auch wenn der von Elektrode 5606 und 5607 angelegte Strom unterbrochen wird. Dieser Verfahrensansatz ermöglicht, dass der Schalter mit nur einem kurzen Leistungsimpuls eingeschaltet und nach unten gezogen wird, und dass während des ON-Zustands des Schalters kein Strom erforderlich ist, da der Schalter durch die bistabile Membran eigenständig im eingeschalteten Zustand gehalten wird. Zum Zurückführen der Membran in den separierten ausgeschalteten Zustand wird eine gepulste elektrostatische Abstoßungskraft verwendet, um die Membran in den beabstandeten OFF-Modus zu drücken.
Diese vorgeschlagenen In-Plane-MEMS-Schalter können für die Strahllenkung in optischen Sende-, Empfänger oder Sende/Empfänger-Terminals auch in einem Array organisiert und mit Objektiven kombiniert sein. Alle Konzepte der Schalterkombination und Teilerbaumkombination und Reihen/Spalten-Verdrahtung funktionieren auch mit den vorgeschlagenen In-Plane-MEMS-Schaltern.
Während die gesamte Erfindung durch eine Beschreibung verschiedener Ausführungsformen veranschaulicht wurde und diese Ausführungsformen in erheblichem Detail beschrieben wurden, liegt es nicht in der Absicht des Anmelders, den Umfang der angehängten Ansprüche in irgendeiner Weise auf diesen Detailgrad zu beschränken. Für den Fachmann sind zusätzliche Vorteile und Abwandlungen leicht ersichtlich. Deshalb ist die Erfindung in ihren breiteren Aspekten nicht auf die dargestellten und beschriebenen speziellen Details, repräsentativen Vorrichtungen und Verfahren und illustrativen Beispiele beschränkt. Dementsprechend kann von diesen Details abgewichen werden, ohne vom Wesen oder Umfang des allgemeinen erfinderischen Konzepts abzuweichen.

Claims

Optischer Schalter umfassend: einen Buswellenleiter, der von einem Substrat gestützt wird; eine optische Antenne, die vom Substrat gestützt wird und im Verhältnis zum Substrat in gleicher Ebene mit dem Buswellenleiter liegt; einen ersten Kopplungswellenleiter, der parallel zum Substrat angeordnet und mit dem Buswellenleiter gefluchtet ist; eine erste Reaktionselektrode, die mit dem ersten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart ist, einen zweiten Kopplungswellenleiter, der mit dem ersten Kopplungswellenleiter optisch verbunden und über der optischen Antenne aufgehängt und für eine optische Kopplung mit der optischen Antenne eingerichtet ist; eine zweite Reaktionselektrode, die mit dem zweiten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart ist, eine erste Betätigungselektrode, die vom Substrat gestützt wird und dazu eingerichtet ist, die Position des ersten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zum Buswellenleiter über die erste Reaktionselektrode zu steuern; und eine zweite Betätigungselektrode, die vom Substrat gestützt wird und dazu eingerichtet ist, die Position des zweiten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zur optischen Antenne über die zweite Reaktionselektrode zu steuern, wobei, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode kleiner als ein unterer Schwellenwert ist, der erste Kopplungswellenleiter in einer ersten Distanz zum Buswellenleiter positioniert ist, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode größer als ein oberer Schwellenwert ist, der erste Kopplungswellenleiter in einer zweiten Distanz zum Buswellenleiter positioniert ist und die zweite Distanz kleiner als die erste Distanz ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei der erste Kopplungswellenleiter und der zweite Kopplungswellenleiter entlang einer Ebene auslenken.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei der erste Kopplungswellenleiter entlang einer ersten Ebene auslenkt, der zweite Kopplungswellenleiter entlang einer zweiten Ebene auslenkt, und die zweite Ebene im Verhältnis zur ersten Ebene in einem Winkel ausgerichtet ist und der Winkel zur ersten Ebene kleiner als 180 Grad ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei der erste Kopplungswellenleiter entlang einer ersten Ebene auslenkt, der zweite Kopplungswellenleiter entlang einer zweiten Ebene auslenkt, die optische Antenne dazu eingerichtet ist, Energie entlang einer dritten Ebene abzustrahlen, die zweite Ebene im Verhältnis zur ersten Ebene in einem ersten Winkel ausgerichtet ist und der erste Winkel kleiner als 10 Grad ist, und die dritte Ebene im Verhältnis zur ersten Ebene in einem zweiten Winkel ausgerichtet ist und der zweite Winkel kleiner als 10 Grad ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die erste Kopplung entlang einer ersten Ebene auslenkt, die zweite Kopplung entlang einer zweiten Ebene auslenkt, die optische Antenne dazu eingerichtet ist, Energie entlang einer dritten Ebene abzustrahlen, die zweite Ebene im Verhältnis zur ersten Ebene in einem ersten Winkel ausgerichtet ist und der ersten Winkel kleiner als 100 Grad ist, und die dritte Ebene im Verhältnis zur ersten Ebene in einem zweiten Winkel ausgerichtet ist und der zweite Winkel zwischen 10 Grad und 100 Grad beträgt.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode größer als der obere Schwellenwert ist, eine Kopplungseffizienz zwischen dem Buswellenleiter und dem ersten Kopplungswellenleiter größer als 50 Prozent ist, und wenn die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode kleiner als der untere Schwellenwert ist, die Kopplungseffizienz zwischen dem Buswellenleiter und dem ersten Kopplungswellenleiter kleiner als 1 Prozent ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die untere Schwellenspannung 5 Volt beträgt und die obere Schwellenspannung 15 Volt beträgt.
Strahllenkungssystem, umfassend: einen Buswellenleiter, der von einem Substrat gestützt wird; eine optische Antenne, die vom Substrat so gestützt wird, dass sie komplanar zum Buswellenleiter ist, einen über dem Buswellenleiter aufgehängten ersten Kopplungswellenleiter; eine erste Reaktionselektrode, die mit dem ersten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart ist, einen zweiten Kopplungswellenleiter, der mit dem ersten Kopplungswellenleiter optisch verbunden ist, wobei der zweite Kopplungswellenleiter über der optischen Antenne aufgehängt und für eine optische Kopplung mit der optischen Antenne eingerichtet ist; eine zweite Reaktionselektrode, die mit dem zweiten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart ist; eine erste Betätigungselektrode, die vom Substrat gestützt wird und dazu eingerichtet ist, die Position des ersten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zum Buswellenleiter über die erste Reaktionselektrode zu steuern; eine zweite Betätigungselektrode, die vom Substrat gestützt wird und dazu eingerichtet ist, die Position des zweiten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zur optischen Antenne über die zweite Reaktionselektrode zu steuern; einen optischen Baum, der mindestens eine Art von optischem Schalter aufweist und dazu eingerichtet ist, Licht zur optischen Antenne zu verteilen; und ein Objektiv, das zum Substrat beabstandet ist und dazu eingerichtet ist, das aus der optischen Antenne empfangene Licht zu beugen, wobei, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode kleiner als ein unterer Schwellenwert ist, der erste Kopplungswellenleiter in einer ersten Distanz zum Buswellenleiter positioniert ist, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und zu der ersten Betätigungselektrode größer als ein oberer Schwellenwert ist, der Kopplungswellenleiter in einer zweiten Distanz zum Buswellenleiter positioniert ist und die zweite Distanz kleiner als die erste Distanz ist.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 8, wobei die optische Antenne ein Array optischer Antennen ist, die in mindestens einer Reihe und in mindestens einer Spalte angeordnet sind, und der optische Baum dazu eingerichtet ist, eine der mindestens einen Reihe oder eine der mindestens einen Spalte selektiv zu aktivieren.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 8, das ferner ein Kontaktsteuergerät umfasst, und wobei die optische Antenne ein Array optischer Antennen ist, die in mindestens einer Reihe und in mindestens einer Spalte angeordnet sind, und das Kontaktsteuergerät dazu eingerichtet ist, eine der mindestens einen Reihe oder eine der mindestens einen Spalte selektiv zu aktivieren.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 8, das ferner einen Spiegel umfasst, der dazu eingerichtet ist, einen Abstrahlwinkel so einzustellen, dass Licht mit einem Winkel von 0 Grad auf das Objektiv einfällt.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 8, wobei das Objektiv dazu eingerichtet ist, sich entlang eines zum Substrat rechtwinkligen Vektors zu verschieben, und sich ein Abstand des Objektivs zum Substrat verändert, wenn sich das Objektiv entlang des Vektors verschiebt.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 8, wobei das Substrat dazu eingerichtet ist, sich entlang eines zum Objektiv rechtwinkligen Vektors zu verschieben, und sich ein Abstand des Substrats zum Objektiv verändert, wenn sich das Substrat entlang des Vektors verschiebt.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 13, wobei die optische Antenne ein eindimensionales Gitter ist, das einen Gaußschen Strahlfleck in einem Fernfeld bereitstellt, und der Gaußsche Strahlfleck auf die optische Antenne fokussiert ist, wenn sich das Substrat entlang des Vektors verschiebt.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 9, ferner umfassend: einen empfangenden Buswellenleiter, der von einem Substrat gestützt wird und zum Buswellenleiter beabstandet ist; einen empfangenden Kopplungswellenleiter, der über dem empfangenden Buswellenleiter aufgehängt ist; und eine empfangende Betätigungselektrode, die vom Substrat gestützt wird und dazu eingerichtet ist, den empfangenden Kopplungswellenleiter im Verhältnis zum empfangenden Buswellenleiter zu steuern, wobei, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten empfangenden Betätigungselektrode den oberen Schwellenwert überschreitet, eine Kopplungseffizienz zwischen dem empfangenden Buswellenleiter und dem empfangenden Kopplungswellenleiter größer als 50 Prozent ist.
Strahllenkungssystem, umfassend: einen Buswellenleiter, der von einem Substrat gestützt wird; eine optische Antenne, die vom Substrat gestützt wird und so, dass sie komplanar zum Buswellenleiter ist; einen über dem Buswellenleiter aufgehängten ersten Kopplungswellenleiter; eine erste Reaktionselektrode, die mit dem ersten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart ist; einen zweiten Kopplungswellenleiter, der mit dem ersten Kopplungswellenleiter optisch verbunden und über der optischen Antenne aufgehängt und für eine optische Kopplung mit der optischen Antenne eingerichtet ist; eine zweite Reaktionselektrode, die mit dem zweiten Kopplungswellenleiter gekoppelt und zu diesem benachbart ist; eine erste Betätigungselektrode, die vom Substrat gestützt wird und dazu eingerichtet ist, den ersten Kopplungswellenleiter im Verhältnis zum Buswellenleiter zu steuern; eine zweite Betätigungselektrode, die vom Substrat gestützt wird und dazu eingerichtet ist, die Position des zweiten Kopplungswellenleiters im Verhältnis zur optischen Antenne zu steuern; einen optischen Baum, der mindestens eine Art von optischem Schalter aufweist und dazu eingerichtet ist, Licht aus der optischen Antenne zu sammeln; und ein Objektiv, das zum Substrat beabstandet ist, wobei das Objektiv dazu eingerichtet ist, das Licht zu beugen und das Licht zur optischen Antenne zu richten, wobei, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode kleiner als ein unterer Schwellenwert ist, der erste Kopplungswellenleiter in einer ersten Distanz zum Buswellenleiter positioniert ist, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Reaktionselektrode und der ersten Betätigungselektrode größer als ein oberer Schwellenwert ist, der Kopplungswellenleiter in einer zweiten Distanz zum Buswellenleiter positioniert ist und die zweite Distanz kleiner als die erste Distanz ist.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 16, wobei die optische Antenne ein Array optischer Antennen ist, die in mindestens einer Reihe und in mindestens einer Spalte angeordnet sind, und der optische Baum dazu eingerichtet ist, eine der mindestens einen Reihe oder eine der mindestens einen Spalte selektiv zu aktivieren.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 16, das ferner ein Prisma umfasst, das dazu eingerichtet ist, einen Abstrahlwinkel so einzustellen, dass Licht mit einem Winkel von 0 Grad auf das Objektiv einfällt.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 16, wobei das Objektiv dazu eingerichtet ist, sich entlang eines zum Substrat rechtwinkligen Vektors zu verschieben, und sich der Abstand des Objektivs zum Substrat verändert, wenn sich das Objektiv entlang des Vektors verschiebt.
Strahllenkungssystem nach Anspruch 19, wobei die optische Antenne ein zweidimensionales Gitter ist, das einen Gaußschen Strahlfleck in einem Fernfeld bereitstellt, und der Gaußsche Strahlfleck auf die optische Antenne fokussiert ist, wenn sich das Objektiv entlang des Vektors verschiebt.