DE60013943T2

DE60013943T2 - Optisches Querverbindungskoppelfeld mit einem elektrostatischen Oberflächenbebetätiger

Info

Publication number: DE60013943T2
Application number: DE60013943T
Authority: DE
Inventors: Storrs T. Brisbane Hoen
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: DE60013943D1; US6215222B1; EP1041707B1; EP1041707A3; US6362556B1; JP2000314842A; US20020047490A1; EP1041707A2

Description

BEREICH DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft allgemein optische Schalter und insbesondere einen optischen Schalter, der durch Mikroanlagen betriebene Spiegel aufweist.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Fortwährende Innovationen auf dem Gebiet der Lichtleitfasertechnologie haben zu einer wachsenden Anzahl von Anwendungen von Lichtleitfasern in unterschiedlichen Technologien beigetragen. Mit dem zunehmenden Einsatz von Lichtleitfasern kommt es zu einem Bedarf an offizienten peripheren Geräten, wie z.B. optischen Schaltern, die zur Übertragung von Daten durch diese Lichtleitfasern beitragen. Ein optischer Schalter führt ein selektives Koppeln einer Lichtleitfaser an eine von zwei oder mehrere alternative Lichtleitfasern aus, so daß die zwei gekoppelten Lichtleitfasern miteinander in Kommunikation sind.
Das Koppeln der Lichtleitfasern, das durch einen optischen Schalter ausgeführt wird, kann durch verschiedene Verfahren bewirkt werden. Eines der Verfahren, das von Interesse ist, schließt die Verwendung eines Spiegels ein, der vor einer Eingangslichtleitfaser angeordnet ist, um die optischen Signale aus der Eingangslichtleitfaser auf wenigstens eine von zwei Ausgangslichtleitfasern zu reflektieren. Die Eingangs- und Ausgangslichtleitfasern können entweder unidirektional oder bidirektional sein. In der einfachsten Ausführung des Spiegelverfahrens ist die Eingangslichtleitfaser in einer Fluchtlinie mit einer von zwei Ausgangslichtleitfasern ausgerichtet, so daß die beiden aufeinander ausgerichteten Lichtleitfasern in einem Kommunikationszustand sind, wenn der Spiegel nicht in einem Strahlengang zwischen diesen beiden aufeinander ausgerichteten Lichtleitfasern ist. Ist der Spiegel jedoch zwischen den beiden aufeinander ausgerichteten Lichtleitfasern angeordnet, dann lenkt, d.h. reflektiert der Spiegel die optischen Signale von der Eingangslichtleitfaser zu der anderen Ausgangslichtleitfaser. Das Positionieren des Spiegels innerhalb oder außerhalb des Strahlenganges zwischen den beiden aufeinander ausgerichteten Lichtleitfasern kann unter Verwendung einer Vorrichtung ausgeführt werden, welche den Spiegel mechanisch in eine gewünschte Lage bewegt.
In der US-Patentschrift Nr. 5,208,880 von Riza u.a. wird ein optischer Schalter beschrieben, der einen piezoelektrischen Aktuator verwendet, um einen Spiegel zu verschieben, um eine Eingangslichtleitfaser selektiv an ein jeweiliges optisches Ausgangssignal zu koppeln. Der piezoelektrische Aktuator von Riza u.a. enthält eine Anzahl piezoelektrischer Stäbe, die auch als Unimorphe bezeichnet werden, um den Spiegel geradlinig zu verschieben. In einer ersten Ausführungsform enthält der optische Schalter von Riza u.a. N Ausgangslichtleitfasern, die in einer Nebeneinanderanordnung senkrecht zu einer Eingangslichtleitfaser angeordnet sind. Der Spiegel ist auf der Achse der Eingangslichtleitfaser positioniert und weist eine Reflexionsoberfläche auf, die so orientiert ist, daß sie die optischen Signale aus der Eingangslichtleitfaser in einen rechten Winkel lenkt. Der Spiegel ist mit einem piezoelektrischen Aktuator gekoppelt, der in der Lage ist, den Spiegel längs der Achse der Eingangslichtleitfaser zu verschieben, um die Eingangslichtleitfaser an eine beliebige der Ausgangslichtleitfasern zu koppeln. Beim Einsatz verschiebt der piezoelektrische Aktuator den Spiegel geradlinig zu einer Stelle hin, wo die Achse der Eingangslichtleitfaser eine Achse einer ausgewählten Ausgangslichtleitfaser schneidet. Der Spiegel an der Schnittstelle reflektiert optische Signale aus der Eingangslichtleitfaser zur ausgewählten Ausgangslichtleitfaser, und er reflektiert optische Signale aus der ausgewählten Ausgangslichtleitfaser zur Eingangslichtleitfaser. Die Eingangslichtleitfaser kann optisch an eine andere Ausgangslichtleitfaser gekoppelt werden, indem der Spiegel geradlinig an eine neue Stelle verschoben wird, wo die Achse der Eingangslichtleitfaser eine Achse der anzukoppelnden Ausgangslichtleitfaser schneidet.
In einer zweiten Ausführungsform ist der optische Schalter von Riza u.a. so gestaltet, daß er zwei Eingangslichtleitfasern und zwei Ausgangslichtleitfasern aufnimmt. Die Lichtleitfasern sind in einer „X"-Konfiguration angebracht, so daß zwei Ausgangslichtleitfasern in dem oberen Teilbereich der Konfiguration und die zwei Eingangslichtleitfasern in dem unteren Teilbereich der Konfiguration angeordnet sind. In dieser Ausführungsform enthält der optische Schalter von Riza u.a. einen dünnen Spiegel, der Reflexionsoberflächen auf beiden Seiten aufweist. Der Spiegel kann durch den piezoelektrischen Aktuator so in den Strahlengängen zwischen den Lichtleitfasern positioniert werden, daß dann, wenn der Spiegel zum Zentrum der „X"-Konfiguration hin verschoben wird, die untere linke Lichtleitfaser an die obere linke Lichtleitfaser und die untere rechte Lichtleitfaser an die obere rechte Lichtleitfaser gekoppelt ist (der „Reflexionszustand"). Wird jedoch der Spiegel aus den Strahlengängen entfernt, dann ist die untere linke Lichtleitfaser an die obere rechte Lichtleitfaser und die obere rechte Lichtleitfaser an die obere linke Lichtleitfaser gekoppelt (der „passive Zustand").
Die US-Patentschrift Nr. 5,042,889 von Benzoni beschreibt einen optischen Schalter, der auch einen Spiegel zum Schalten der Strahlengänge zwischen den Lichtleitfasern verwendet. In einem Ausführungsbeispiel ist der optische Schalter eingerichtet, vier Lichtleitfasern aufzunehmen, die in der oben beschriebenen „X"-Konfiguration angeordnet sind. Im Gegensatz zu dem optischen Schalter von Riza u.a. verwendet der optische Schalter von Benzoni einen elektromagnetischen Mechanismus anstelle eines piezoelektrischen Aktuators, um den Spiegel in die Strahlengänge zwischen den Lichtleitfasern hinein und heraus zu bewegen. Der elektromagnetische Mechanismus bewirkt das Erzeugen einer magnetischen Anziehungskraft zwischen dem Mechanismus und dem Spiegel. Der obere Abschnitt des Spiegels enthält ein ferromagnetisches Material, das zum elektromagnetischen Mechanismus hin gezogen wird, wenn die magnetische Kraft erzeugt wird. Der elektromagnetische Mechanismus ist über dem Spiegel angeordnet, um den Spiegel anzuheben, wenn der Mechanismus aktiviert wird. Anfänglich ist der Spiegel so zwischen den Strahlengängen angeordnet, daß die vier Lichtleitfasern in dem Reflexionszustand gekoppelt sind. Wenn der elektromagnetische Mechanismus aktiviert ist, dann erzeugt die magnetische Anziehungskraft ein Anheben des Spiegels aus den Strahlengängen heraus, so daß die Lichtleitfasern in den passiven Zustand gesetzt werden.
US-A-5408355 legt auch einen optischen Schalter entsprechend dem Stand der Technik offen.
Obwohl die bekannten optischen Schalter für ihren vorgesehenen Verwendungszweck gut arbeiten, wird ein optischer Schalter benötigt, welcher einen kompakten Aktuator enthält, um einen zugeordneten Spiegel unter Verwendung einer niedrigen Betriebsspannung genau zu positionieren, so daß der Aktuator mit einer komplementären Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Schaltung kompatibel ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein System und ein Verfahren zum Lenken von Lichtstrahlen, wie es im Anspruch 1 bzw. 6 offenbart ist, verwendet einen elektrostatischen Oberflächenaktuator zum mechanischen Schwenken eines Mikrospiegels, um einen empfangenen Lichtstrahl in eine vorgegebene Richtung selektiv umzulenken. In einer bevorzugten Anwendung ist das System ein optischer Spiegel, der eine Anzahl von ersten Lichtleitfasern an eine Anzahl von zweiten Lichtleitfasern in einer von vielen Konfigurationen optisch koppeln kann. Der elektrostatische Aktuator und der Mikrospiegel bilden eine Schaltvorrichtung des optischen Schalters, um die optischen Signale zwischen zwei Lichtleitfasern so umzulenken, daß die beiden Lichtleitfasern in Kommunikation sind.
In einem Ausführungsbeispiel enthält der optische Speicher sechzehn Schaltvorrichtungen in einer 4 × 4-Anordnung. Der optische Schalter ist mit einem ersten Satz von vier Lichtleitfasern verbunden, die auf der ersten Seite des optischen Schalters angeordnet sind. Der optische Schalter ist auch mit einem zweiten Satz von vier Lichtleitfasern verbunden, die an einer zweiten Seite des optischen Schalters angeordnet sind, welche senkrecht zu der ersten Seite des optischen Schalters ist. Die Lichtleitfasern des ersten und zweiten Satzes befinden sich über der oberen Oberfläche des optischen Schalters und weisen Achsen auf, die im Allgemeinen parallel zur oberen Oberfläche des optischen Schalters sind. Jede Schaltvorrichtung des optischen Schalters ist so zwischen dem ersten Satz von Lichtleitfasern und dem zweiten Satz von Lichtleitfasern angeordnet, daß beim Aktivieren eine vorgegebene Lichtleitfaser des ersten Satzes optisch an eine zugehörige Lichtleitfaser des zweiten Satzes gekoppelt wird. In dieser Ausführungsform kann jede Lichtleitfaser des ersten Satzes optisch an eine davon getrennte Lichtleitfaser des zweiten Satzes gekoppelt werden, indem selektiv vier Schaltvorrichtungen aktiviert werden. Die Kopplungskonfiguration der Lichtleitfasern kann verändert werden, indem in einer vorgegebenen Weise eine oder mehrere der aktivierten Schaltvorrichtungen deaktiviert und eine entsprechende Anzahl von nicht aktivierten Schaltvorrichtungen aktiviert werden, so daß wieder vier Schaltvorrichtungen aktiviert sind.
Das optische Koppeln der Lichtleitfasern wird ausgeführt, indem der Mikrospiegel aus einer Nichtreflexionsorientierung in eine Reflexionsorientierung geschwenkt wird. Die Nichtreflexionsorientierung ist die Lage des Mikrospiegels, in welcher die Reflexionsoberfläche des Mikrospiegels im Allgemeinen parallel zu der oberen Oberfläche des optischen Schalters ist. Weist der Mikrospiegel die Nichtreflexionsorientierung auf, dann kann ein beliebiges optisches Signal, das sich durch die Schaltvorrichtung hindurch ausbreitet, seine Ausbreitung in der ursprünglichen Richtung fortsetzen. Die Reflexionsorientierung ist die Lage des Mikrospiegels, in welcher die Reflexionsoberfläche des Mikrospiegels senkrecht auf der oberen Oberfläche des optischen Schalters steht. Bei dieser Orientierung reflektiert der Mikrospiegel ein beliebiges optisches Signal, das sich durch die Schaltvorrichtung hindurch ausbreitet, wodurch zwei Lichtleitfasern optisch gekoppelt werden, die Achsen aufweisen, welche sich am Ort des Mikrospiegels schneiden.
Jede Schaltvorrichtung enthält den schwenkbaren Mikrospiegel und den elektrostatischen Oberflächenaktuator. Der elektrostatische Aktuator enthält einen Ständer und einen Umsetzer. Der Umsetzer und der Ständer sind voneinander durch einen kurzen Abstand getrennt und befinden sich in einer solchen Orientierung, daß die untere Oberfläche des Umsetzers der oberen Oberfläche des Ständers gegenübersteht. Der Umsetzer ist so gestaltet, daß er eine Anzahl von Federelementen umfasst, die an Umsetzerhalterungen angebracht sind. Die Umsetzerhalterungen sind an der oberen Oberfläche des Ständers befestigt. Deshalb ist der Umsetzer durch die Umsetzerhalterungen am Ständer körperlich befestigt. Die Federelemente des Umsetzers ermöglichen es jedoch, daß der Umsetzer seitlich, d.h. in eine Richtung parallel zur oberen Oberfläche des Ständers, verschoben (verlagert) wird.
Der Mikrospiegel ist auch in einer Weise an der oberen Oberfläche des Ständers befestigt, die es ermöglicht, daß der Mikrospiegel zwischen der Nichtreflexionsorientierung und der Reflexionsorientierung geschwenkt wird. Außerdem ist der Mikrospiegel mechanisch am Umsetzer befestigt. Die mechanische Verbindung des Mikrospiegels und des Umsetzers erlaubt ein Schwenken des Mikrospiegels, wenn der Umsetzer seitlich verschoben wird. Befindet sich der Umsetzer in einer voreingestellten Lage, dann weist der Mikrospiegel die Nichtreflexionsorientierung auf. Wenn der Umsetzer jedoch um eine vorgegebene Länge seitlich verschoben wird, dann wird der Mikrospiegel in die Reflexionsorientierung geschwenkt.
Die gegenüberliegenden Oberflächen des Umsetzers und des Ständers enthalten Elektroden, welche elektrostatische Kräfte erzeugen, um den Umsetzer seitlich zu verschieben. Die Elektroden sind dünne Streifen aus leitfähigen Materialien, die in einer parallelen Anordnung ausgerichtet sind. Der Umsetzer enthält einen ersten Satz von Antriebselektroden, welche auf der unteren Oberfläche des Umsetzers angeordnet sind. Diese Elektroden sind auf der unteren Oberfläche des Umsetzers so angeordnet, daß die Längen der Elektroden senkrecht zur Bewegungsrichtung des Umsetzers sind. Der Ständer enthält einen zweiten Satz von Antriebselektroden, welche auf der oberen Oberfläche des Ständers angeordnet sind. Der zweite Satz von Antriebselektroden ist auf dem Ständer angeordnet, wobei die Längen dieser Elektroden auch senkrecht zur Bewegungsrichtung des Umsetzers sind. Die Anzahl der Antriebselektroden im ersten und zweiten Satz ist für die Erfindung nicht entscheidend.
Die Antriebselektroden sind elektrisch an eine oder mehrere Spannungsquellen gekoppelt, die verwendet werden, um ein einstellbares Spannungsmuster für mindestens einen Satz von Antriebselektroden bereitzustellen, um die elektrostatischen Kräfte zu verändern, die zwischen den Antriebselektrodensätzen erzeugt werden. Zum Beispiel kann der erste Satz von Antriebselektroden elektrisch mit einer Spannungsquelle verbunden werden, die den Elektroden ein festes Spannungsmuster bereitstellt. In diesem Beispiel kann der zweite Satz von Antriebselektroden elektrisch mit einem Mikrocontroller verbunden sein, der eine Spannungsquelle enthält. Der Mikrocontroller bewirkt ein Bereitstellen von Spannungen für den zweiten Satz von Antriebselektroden in einem vorgegebenen Spannungsmuster. Der Mikrocontroller ist jedoch in der Lage, das Spannungsmuster umzugestalten, indem selektiv unterschiedliche Spannungen an einige der Antriebselektroden des zweiten Satzes angelegt werden. Die Umgestaltung des Spannungsmusters verändert die elektrostatischen Kräfte zwischen Umsetzer und Ständer, wodurch sich der Umsetzer seitlich verschiebt. Der Umsetzer wird durch weiteres Verändern des umgestalteten Spannungsmusters zu einem anderen Spannungsmuster hin verschoben.
Es gibt eine Anzahl von Spannungsmusterabfolgen, die zur seitlichen Verschiebung des Umsetzers verwendet werden können. Zum Beispiel ist das feste Spannungsmuster an dem ersten Satz von Antriebselektroden ein Wechselmuster aus fünf und null Volt, und der Teilungsabstand des zweiten Satzes von Antriebselektroden ist etwas kleiner als der Teilungsabstand des ersten Satzes von Antriebselektroden, so daß ungefähr sieben Elektroden in dem zweiten Satz von Antriebselektroden auf je sechs Elektroden in dem ersten Satz von Antriebselektroden kommen. In diesem Beispiel kann das anfängliche Spannungsmuster ein sich wiederholendes „5050550"-Muster sein, wobei eine „5" fünf Volt positiv und eine „0" null Volt bedeuten. Danach wird das Spannungsmuster am zweiten Satz von Antriebselektroden zu einem sich wiederholenden „5050500"-Muster verändert. Das neue Spannungsmuster verändert die durch das anfängliche Spannungsmuster erzeugten elektrostatischen Kräfte. Die Veränderung in den elektrostatischen Kräften verschiebt den Umsetzer seitlich nach links. Um den Umsetzer weiter zu verschieben, wird das Spannungsmuster noch einmal in ein sich wiederholendes „5050505"-Muster umgestaltet. Die Spannungsmusterabfolge dieses obigen Beispiels schließt ein Schalten einer jeden siebenten Antriebselektrode von fünf Volt auf null Volt oder von null Volt auf fünf Volt ein. Die Antriebselektroden, die geschaltet werden, sind die Antriebselektroden, die sich gleich rechts von den Elektroden befinden, welche zuvor geschaltet wurden. Auf diese Weise wird der Umsetzer aus der Voreinstellungslage des Umsetzers nach links verschoben.
In der bevorzugten Ausführungsform enthalten der Ständer und der Umsetzer außerdem Levitatorelektroden auf derselben Oberfläche wie die Antriebselektroden. Der Umsetzer enthält einen ersten Satz von Levitatorelektroden, welche auf der unteren Oberfläche des Umsetzers angeordnet sind. Der Ständer enthält einen zweiten Satz von Levitatorelektroden, welche auf der oberen Oberfläche des Ständers angeordnet sind. Anders als die Antriebselektroden sind die Levitatorelektroden mit der Länge der Levitatorelektroden parallel zur Bewegungsrichtung des Umsetzers angeordnet. Vorzugsweise weisen die Levitatorelektroden auf dem Umsetzer und die Levitatorelektroden auf dem Ständer denselben Teilungsabstand auf, so daß jede Levitatorelektrode auf dem Umsetzer senkrecht zu einer Levitatorelektrode auf dem Ständer ausgerichtet werden kann. Diese Levitatorelektroden sind elektrisch mit zwei oder mehreren Spannungsquellen verbunden, welche feste Spannungsmuster von abwechselnd hohen und niedrigen Spannungen für die Levitatorelektroden bereitstellen. Die festen Muster werden auf die Levitatorelektroden übertragen, so daß die Levitatorelektroden des Umsetzers mit der hohen Spannung senkrecht zur Levitatorelektrode des Ständers mit der hohen Spannung ausgerichtet ist, wodurch eine elektrostatische Abstoßungskraft zwischen den beiden Levitatorelektroden erzeugt wird. Jedoch muss die hohe Spannung, welche an die Levitatorelektroden des Umsetzers angelegt wird, nicht die gleiche hohe Spannung sein, welche an die Levitatorelektroden des Ständers angelegt wird. Zum Beispiel kann das Spannungsmuster an den Levitatorelektroden des Ständers eine Folge von abwechselnd fünf Volt und null Volt sein, und das Spannungsmuster an den Levitatorelektroden des Umsetzers kann eine Folge von abwechselnd sechs Volt und null Volt sein. In diesem Beispiel würden die Levitatorelektroden des Ständers mit sechs Volt senkrecht zu den Levitatorelektroden des Umsetzers mit fünf Volt ausgerichtet sein. Da die Levitatorelektroden parallel zur Bewegungsrichtung des Umsetzers sind, sind die Levitatorelektroden nicht fehlausgerichtet, wenn der Umsetzer seitlich verschoben wurde. Die elektrostatischen Abstoßungskräfte, welche durch die Levitatorelektroden zwischen dem Umsetzer und dem Ständer erzeugt werden, bewirken ein Ausheben beliebiger Anziehungskräfte, welche durch die Antriebselektroden erzeugt werden, wenn der Umsetzer seitlich verschoben wird.
In einer ersten Ausführungsform der Schaltvorrichtung enthält der Umsetzer eine Öffnung, die nahe der Mitte des Umsetzers angeordnet ist. Die Öffnung hat eine ausreichende Größe, so daß der Mikrospiegel in der Öffnung angeordnet werden kann. Wird der Umsetzer seitlich verschoben, dann schwenkt der Mikrospiegel aus der Öffnung des Umsetzers heraus in die Reflexionsorientierung. In einer zweiten Ausführungsform der Schaltvorrichtung wird der Mikrospiegel vor dem Umsetzer angeordnet. In beiden Ausführungsformen ist der Mikrospiegel durch zwei Betätigungsarme am Umsetzer befestigt, welche den Mikrospiegel schwenken, wenn der Umsetzer seitlich verschoben wird.
Obwohl die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung für optische Schaltvorgänge gut geeignet ist, kann die Schaltvorrichtung in anderen Anwendungen eingesetzt werden. Der Mikrospiegel der Schaltvorrichtung kann durch kurze seitliche Verschiebungen des Umsetzers stufenweise geschwenkt werden. Folglich kann ein Lichtstrahl durch die Schaltvorrichtung zu einer Anzahl von unterschiedlichen Zielorten hin reflektiert werden. Deshalb kann die Schaltvorrichtung in anderen Systemen eingebaut werden, um als eine Strahllenkvorrichtung zu arbeiten. Zum Beispiel kann die Schaltvorrichtung verwendet werden, um einen Signalstrahl auf einen Empfänger zu sperren, einen Laserstrahl für das UPC-Scannen zu streuen oder optische Signale zum Demultiplexen zu lenken.
Ein Vorzug der Erfindung ist, daß die Gestalt des elektrostatischen Aktuators und des Mikrospiegels eine Fertigung der Schaltvorrichtung als Mikromechanikanlage erlaubt. Darüber hinaus weist der elektrostatische Aktuator eine niedrige Betriebsspannung auf, so daß der elektrostatische Aktuator mit der komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Schaltung kompatibel ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Prinzipdarstellung eines optischen Schalters, der gemäß vorliegender Erfindung eine Anzahl von Schaltvorrichtungen aufweist.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Schaltvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Draufsicht der Schaltvorrichtung von 2.
4 ist eine Querschnittsansicht der Schaltvorrichtung von 2.
5 ist eine zweite Querschnittsansicht der Schaltvorrichtung von 2.
6 ist eine Draufsicht eines Ständers der Schaltvorrichtung von 2, welche die Anordnung der Ständerelektroden auf der oberen Oberfläche des Ständers veranschaulicht.
7 ist eine Unteransicht eines Umsetzers der Schaltvorrichtung von 2, welche die Anordnung der Umsetzerelektroden auf der unteren Oberfläche des Umsetzers veranschaulicht.
8 – 10 sind Querschnittsansichten der Schaltvorrichtung von 2, die Veränderungen in dem Spannungsmuster der Ständerelektroden zeigen, welche für die seitliche Verschiebung des Umsetzers verantwortlich sind.
11 – 13 sind Querschnittsansichten der Schaltvorrichtung von 2, welche das Schwenken eines Mikrospiegels der Schaltvorrichtung beim seitlichen Verschieben des Umsetzers veranschaulichen.
14 ist eine perspektivische Ansicht eines Betätigungsarmes der Schaltvorrichtung von 2 gemäß eines Ausführungsbeispiels.
15 ist eine perspektivische Ansicht einer Schaltvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine Draufsicht eines Ständers der Schaltvorrichtung von 15, welche die Anordnung der Ständerelektroden auf der oberen Oberfläche des Ständers veranschaulicht.
17 ist eine Unteransicht eines Umsetzers der Schaltvorrichtung von 15, welche die Anordnung der Umsetzerelektroden auf der unteren Oberfläche des Umsetzers veranschaulicht.
18 ist eine schematische Darstellung eines Spiegelschwenkmechanismus gemäß der Erfindung.
19 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Lenken optischer Signale unter Verwendung eines elektrostatischen Aktuators gemäß vorliegender Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf 1 wird ein beispielhafter optischer Schalter 10 gemäß vorliegender Erfindung dargestellt. Der optische Schalter 10 bewirkt ein selektives Koppeln der Lichtleitfasern 12, 14, 16 und 18 an die Lichtleitfasern 20, 22, 24 und 26 derart, daß jeweils eine der Lichtleitfasern 12 – 18 in Kommunikation mit einer der Lichtleitfasern 20 – 26 ist. Die Lichtleitfasern 12 – 26 können unidirektionale oder bidirektionale Fasern sein. Der Typ der Lichtleitfasern 12 – 26 ist für die Erfindung nicht entscheidend.
Der optische Schalter 10 enthält eine Anzahl von Schaltvorrichtungen 28, die – wenn sie aktiviert sind – optische Signale umlenken können. Die genaue Anzahl der Schaltvorrichtungen kann variieren in Abhängigkeit von der Anzahl von Lichtleitfasern, die durch den optischen Schalter gekoppelt werden, und der Anzahl von möglichen Kopplungskonfigurationen des optischen Schalters. Wie in 1 dargestellt ist, enthält der optische Schalter sechzehn Schaltvorrichtungen in einer 4 × 4-Anordnung. Jede Schaltvorrichtung enthält einen Mikrospiegel 30; der senkrecht mit Bezug auf die X-Y-Ebene angeordnet werden kann (die „Reflexionsorientierung"), um ein optisches Signal von einer der Lichtleitfasern 12 – 18 zu einer der Lichtleitfasern 20 – 26 zu reflektieren. Die Reflexionsorientierung des Mikrospiegels wird erzeugt, wenn die umgebende Schaltvorrichtung aktiviert ist. Ist sie deaktiviert, dann wird der Spiegel im Allgemeinen parallel zur X-Y-Ebene eingestellt (die „Nichtreflexionsanordnung), so daß ein optisches Signal durch die umgebende Schaltvorrichtung hindurch geleitet wird, ohne durch die Vorrichtung abgelenkt zu werden. Durch selektives Aktivieren von vier Schaltvorrichtungen kann jede Lichtleitfaser 12 – 18 an eine ausgewählte Lichtleitfaser 20 – 26 gekoppelt werden.
In 1 sind die vier aktivierten Schaltvorrichtungen 28 durch dickere Linien gekennzeichnet, wodurch dargestellt wird, daß die Mikrospiegel 30 in der Reflexionsorientierung stehen. Jede aktivierte Schaltvorrichtung koppelt optisch eine Lichtleitfaser 12 – 18, die seitlich an dieser Vorrichtung ausgerichtet ist, an eine Lichtleitfaser 20 – 26, die senkrecht zu dieser Vorrichtung ausgerichtet ist. Die aktivierten Schaltvorrichtungen wurden für eine optische Kopplung der Lichtleitfasern 12, 14, 16 und 18 an die jeweilig zugeordnete Lichtleitfaser 26, 22, 24 und 20 ausgewählt.
Der optische Schalter 10 enthält auch Linsen 32, die zwischen jeder Lichtleitfaser 12 – 26 und dem optischen Schalter angeordnet sind. Die Linsen dienen zum Bündeln der optischen Signale, die von den Lichtleitfasern 12 – 26 ausgestrahlt wurden und zum erneuten Bündeln der optischen Signale vor dem Eintritt in die Lichtleitfasern 12 – 26. Die Linsen sind für das Funktionieren des optischen Schalters nicht entscheidend.
Mit Bezug auf 2 wird nun eine Schaltvorrichtung 28 der optischen Vorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Schaltvorrichtung enthält einen Umsetzer 34 und einen Mikrospiegel 30, die an einem Ständer 36 angebracht sind. Der Umsetzer und der Ständer können aus Silizium hergestellt werden. Der Mikrospiegel kann auch aus Silizium mit einer Goldschicht als Reflexionsoberfläche hergestellt werden. Der Umsetzer ist durch acht Umsetzerhalterungen 38 am Ständer befestigt. Die Umsetzerhalterungen sind an der oberen Oberfläche des Ständers und an einem von vier E-förmigen Federelementen 40 des Umsetzers befestigt. Die Federelemente ermöglichen eine Bewegung des Umsetzers in X-Richtung, wobei der Ständer ortsfest bleibt. Zum Beispiel können die Federelemente eine Dicke von 2 um und eine Tiefe von 100 um aufweisen.
Der Mikrospiegel 30 ist durch einen (in 2 nicht dargestellten) Schwenkstreifen 42 am Ständer 36 befestigt, der es dem Mikrospiegel erlaubt, sich um die Seite des Mikrospiegels herum zu drehen, welche am Streifen befestigt ist. Der Schwenkstreifen kann ein dünner Film aus Siliziumnitrid (SiN) sein. Das Material, das zum Herstellen des Schwenkstreifens verwendet wird, ist für die Erfindung nicht entscheidend. Der Umsetzer 34 enthält eine Öffnung 44, die für den Mikrospiegel genug Platz bereitstellt, um aus der Nichtreflexionsorientierung, d.h. der in 2 dargestellten Orientierung, in die Reflexionsorientierung, d.h. eine senkrechte Orientierung, zu schwenken, so daß der Mikrospiegel parallel zur Y-Z-Ebene ist. Der Mikrospiegel ist auch am Umsetzer befestigt, wie es in 3 dargestellt ist. Das körperliche Befestigen des Mikrospiegels am Umsetzer erlaubt ein Schwenken des Mikrospiegels durch ein seitliches Verschieben des Umsetzers.
Der Umsetzer 34 und der Ständer 36 bilden einen elektrostatischen Oberflächenaktuator, welcher ein Schwenken des Mikrospiegels 30 entweder in die Reflexions- oder die Nichtreflexionsorientierung bewirkt. Der Umsetzer 34 und der Ständer 36 enthalten beide Elektroden (in den 6 und 7 dargestellt), die auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen des Umsetzers und des Ständers angeordnet sind. Wird der elektrostatische Aktuator aktiviert, dann können die elektrostatischen Kräfte, die durch Anlegen von Spannungen an die Elektroden von Umsetzer und Ständer erzeugt werden, eingestellt werden, daß sie den Umsetzer mit Bezug auf den Ständer seitlich in die X-Richtung verschieben. Der Verschiebevorgang des Umsetzers und des Ständers wird unten beschrieben. Die seitliche Bewegung des Umsetzers schwenkt den Mikrospiegel aus der Nichtreflexionsorientierung in die Reflexionsorientierung. Im deaktivierten Zustand ist der Umsetzer so ausgelegt, daß er sich in die negative X-Richtung zurück in die Ausgangslage bewegt. Dieses Zurückverschieben des Umsetzers schwenkt den Mikrospiegel aus der Reflexionsorientierung in die Nichtreflexionsorientierung. Das Schwenken des Mikrospiegels wird unten weiter beschrieben.
In den 3 – 7 sind verschiedene Ansichten der Schaltvorrichtung 28 dargestellt. 3 ist eine Draufsicht der Schaltvorrichtung. In 3 sind Betätigungsarme 46 dargestellt, die den Mikrospiegel 30 schwenken, wenn der Umsetzer 34 seitlich verschoben wird. Die 4 und 5 sind Querschnittsansichten der Schaltvorrichtung. Die Lagen der in den 4 und 5 gezeigten Querschnitte sind in 3 dargestellt. In 4 werden vier Sätze von Levitatorelektroden 48A, 50A, 48B und 50B gezeigt. Die Levitatorelektroden 48A und 50A sind an der unteren Oberfläche des Umsetzers 34 befestigt, während die Levitatorelektroden 48B und 50B an der oberen Oberfläche des Ständers 36 befestigt sind. Jede Levitatorelektrode ist ein dünner Streifen aus leitfähigem Material, der parallel zu den anderen Levitatorelektroden in dem Satz ist. Die genaue Anzahl von Levitatorelektroden, die in der Schaltvorrichtung enthalten sind, ist für die Erfmdung nicht entscheidend. Diese Elektroden erzeugen elektrostatische Kräfte, die nicht zur seitlichen Verschiebung des Umsetzers 34 beitragen. Stattdessen bewirken die Elektroden ein Bereitstellen von „Schwebekräften", die senkrecht auf den sich gegenüberstehenden Oberflächen des Umsetzers 34 und des Ständers 36 stehen. Die Levitatorelektroden 48A und 48B erzeugen einen ersten Satz von Abstoßungskräften, und die Levitatorelektroden 50A und 50B erzeugen einen zweiten Satz von Abstoßungskräften. Diese Abstoßungskräfte wirken einer starken Annäherung von Umsetzer und Ständer entgegen. In 4 ist auch eine Reflexionsschicht 52 und ein Spiegelsubstrat 54 des Mikrospiegels 30 dargestellt. Für einen Teilbereich des Spiegelsubstrats gibt es eine Sichtbehinderung durch den Schwenkstreifen 42, welcher den Mikrospiegel am Ständer befestigt. Die sichtbehinderte untere Oberfläche des Spiegelsubstrats ist in 4 durch die gestrichelte Linie dargestellt.
In 5 ist eine zweite Querschnittsansicht der Schaltvorrichtung 28 dargestellt. Zur Vereinfachung ist der Betätigungsarm 46 in 5 nicht dargestellt. In dieser Ansicht ist eine Seite des Mikrospiegels 30 deutlich dargestellt, wobei die Reflexionsschicht 52 und das Spiegelsubstrat 54 des Mikrospiegels gezeigt werden. Außerdem ist der Schwenkstreifen 42, der den Mikrospiegel mit dem Ständer 36 verbindet, in einer beispielhaften Anordnung dargestellt. Der beispielhafte Schwenkstreifen 42 weist eine „L"-Form auf, in welcher ein waagerechter Teilbereich des Schwenkstreifens am Ständer und ein oberer Teilbereich des Schwenkstreifens am Mikrospiegel befestigt ist. Andere Formen des Schwenkstreifens weisen den waagerechten Teilbereich des Schwenkstreifens vor dem Mikrospiegel anstatt unter dem Mikrospiegel auf, und/oder der obere Teilbereich ist an der unteren Oberfläche des Mikrospiegels angeordnet. Nach der Darstellung von 5 ist der Mikrospiegel in der Nichtreflexionsorientierung angeordnet. In dieser Orientierung ist der Mikrospiegel koplanar mit der oberen Oberfäche des Umsetzers 34 und folglich parallel zur oberen Oberfläche des Ständers.
In 5 sind auch zwei Sätze von Antriebselektroden 56A und 58A sowie zwei Sätze von Ständerelektroden 56B und 58B dargestellt. Die Antriebselektroden 56A und 58A sind auf der unteren Oberfläche des Umsetzers 34 angeordnet, während die Antriebselektroden 56B und 58B auf der oberen Oberfläche des Ständers 36 angeordnet sind. Diese Antriebselektroden erzeugen die elektrostatischen Kräfte, die den Umsetzer 34 seitlich verschieben, wodurch der Mikrospiegel 30 geschwenkt wird. Die Erzeugung von elektrostatischen Kräften durch die Antriebselektroden wird unten beschrieben. Jede Antriebselektrode ist ein dünner Streifen aus leitfähigem Material, der parallel zu den anderen Antriebselektroden im Satz ist.
In der bevorzugten Ausführungsform ist eine (nicht dargestellte) dünne Schicht aus isolierendem Material zwischen den Umsetzerelektroden 48A, 50A, 56A und 58A und dem Umsetzer 34 angeordnet. In gleicher Weise ist eine weitere (nicht dargestellte) Schicht aus isolierendem Material zwischen den Ständerelektroden 48B, 50B, 56B und 58B und dem Ständer 36 angeordnet. Diese Schichten isolieren jede Elektrode, so daß auf einer herausgegriffenen Elektrode keine elektrische Ladung über den Ständer oder den Umsetzer zu einer anderen Elektrode hin verloren geht.
In 6 ist die obere Oberfläche des Ständers 36 dargestellt. Auf der Oberfläche des Ständers 36 ist ein gestrichelter Umriss des Umsetzers 34 dargestellt, um die Lage des Umsetzers 34 mit Bezug auf die Elektroden 48B, 50B, 56B und 58B des Ständers zu veranschaulichen. In 7 ist die untere Oberfläche des Umsetzers 34 dargestellt. Die Umsetzerelektroden 48A, 50A, 56A und 58A sind spiegelbildlich zu den Ständerelektroden 48B, 50B, 56B und 58B angeordnet. Deshalb werden die Umsetzerelektroden 48A, 50A, 56A und 58A in der Schaltvorrichtung 28 eine Lage direkt über den jeweilig zugehörigen Ständerelektroden 48B, 50B, 56B und 58B einnehmen.
Die elektrostatischen Kräfte, welche den Umsetzer 34 seitlich verschieben, werden durch die Umsetzerantriebselektroden 56A und 58A sowie die Ständerantriebselektroden 56B und 58B erzeugt. Die elektrostatischen Kräfte zwischen den einander gegenüberstehenden Antriebselektroden 56A und 56B werden durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an diese Elektroden erzeugt. Die elektrostatischen Kräfte zwischen den einander gegenüberstehenden Elektroden 58A und 58B werden auf die gleiche Weise erzeugt. Durch Verändern der elektrostatischen Kräfte zwischen diesen Antriebselektroden kann der Umsetzer 34 in eine vorgegebene Richtung verschoben werden. Um sicherzustellen, daß die erzeugten elektrostatischen Kräfte optimal für ein seitliches Verschieben des Umsetzers 34 sind, ist es erwünscht, das Verhältnis aus dem Wiederholungsabstand, welcher den Umsetzerantriebselektroden 56A und 58A zugeordnet ist, und der Breite des Spaltes zwischen den Ständerantriebselektroden 56B und 58B und den Umsetzerantriebselektroden 56A und 58A in einem bestimmten Bereich zu halten. Der Wiederholungsabstand ist der Abstand zwischen der Mitte einer Umsetzerantriebselektrode 56A oder 58A, die auf einer bestimmten Spannung gehalten wird, und der Mitte der nächsten Umsetzerantriebselektrode 56A bzw. 58A, die auf etwa der gleichen Spannung gehalten wird. In der bevorzugten Ausfühurunsform, in der jede zweite Umsetzerantriebselektrode 56A oder 58A auf der gleichen Spannung gehalten wird, ist der Wiederholungsabstand das Doppelte des Mittenabstandes der Umsetzerantriebselektroden 56A und 58A, wobei angenommen wird, daß der Abstand konstant ist. Um die Kräfte in Y-Richtung zu minimieren, ist es erwünscht, den Wiederholungsabstand geteilt durch den Abstand zwischen den Ständerantriebselektroden 56B und 58B und den Umsetzerantriebselektroden 56A und 58A unter ungefähr sechzehn zu halten.
Es gibt zahlreiche Wege für das Anlegen der Spannungen an die Antriebselektroden, um die elektrostatischen Kräfte zu erzeugen und zu verändern. Ein beispielhaftes Verfahren zum Erzeugen und Verändern der elektrostatischen Kräfte zwischen den Antriebselektroden 56A, 56B, 58A und 58B, um den Umsetzer 34 zu verschieben, wird nun mit Bezug auf die 8, 9 und 10 beschrieben. In 8 sind Querschnittssegmente des Umsetzers 34 und des Ständers 36 dargestellt. Der Umsetzer ist mit einer Anzahl von Umsetzerelektroden 60, 62, 64, 66, 68, 70 und 72 dargestellt, die elektrisch abwechselnd entweder an eine Spannungsquelle 74 oder 76 gekoppelt sind. Diese Umsetzerelektroden stellen die Elektroden 56A oder 58A dar. Die Spannungsquelle 74 stellt eine konstante Spannung von fünf Volt positiv für die Elektroden 62, 66 und 70 bereit, während die Spannungsquelle 76 eine konstante Spannung von null Volt für die Elektroden 60, 64, 68 und 72 bereitstellt. Der Ständer 36 ist mit einer Anzahl von Ständerelektroden 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, 106, 108 und 110 dargestellt, die an einen Controller 112 gekoppelt sind. Der Controller 112 versorgt die Ständerelektroden 78 – 110 selektiv mit entweder null Volt oder fünf Volt positiv. Die Umsetzerelektroden 60 – 72 stehen in einem Abstand zueinander, so daß ungefähr sechs Umsetzerelektroden auf einer spezifischen Länge L angeordnet sind, während ungefähr sieben Ständerelektroden auf derselben Länge L untergebracht sind. Da der Ständer ortsfest bleibt, wenn der Umsetzer seitlich verschoben wird, wird die linke Kante der Ständerelektrode 94 als ein Bezugspunkt X_ref festgelegt.
Anfänglich legt der Controller 108 an den Ständerelektroden 76, 80, 84, 86, 90, 94, 98, 100 und 104 fünf Volt an, wie es in 8 dargestellt ist. Die mit fünf Volt versorgten Elektroden wurden schraffiert, um das Erkennen zu erleichtern. Um den Umsetzer 34 in die X-Richtung, d.h. nach links, zu verschieben, wird jede siebente Ständerelektrode aus der ursprünglichen Spannung von null oder fünf Volt durch den Controller 112 auf die andere Spannung von null oder fünf Volt geschaltet. Bei diesem Beispiel wurden die Ständerelektroden 90 und 104 von fünf Volt auf null Volt geschaltet, wie in 9 dargestellt ist. Diese Veränderung erzeugt eine resultierende elektrostatische Kraft auf den Umsetzer 34, welche den Umsetzer 34 einen Schritt in die X-Richtung verschiebt. Als nächstes wird jede siebente Ständerelektrode 78, 92 und 106 geschaltet, die gleich rechts von den zuvor geschalteten Ständerelektroden 90 und 104 liegt, um den Umsetzer weiter in X-Richtung zu verschieben. Die Ständerelektroden 78, 92 und 106 werden durch den Controller 112 von null Volt auf fünf Volt geschaltet. Das entstehende Spannungsmuster ist in 10 dargestellt. Ähnlich wie bei der vorhergehenden Veränderung verschiebt diese Veränderung im Spannungsmuster der Ständerelektroden 78 – 110 den Umsetzer um einen Schritt in X-Richtung. Auf diese Weise wird durch fortlaufendes Schalten der Spannungen für jede siebente Ständerelektrode der Umsetzer weiter in der X-Richtung bewegt. Jedoch gibt es eine Grenze für die Gesamtverschiebung des Umsetzers aus seiner Ausgangslage, weil der Umsetzer durch die Federelemente 40 und die Umsetzerhalterungen 38 körperlich an den Ständer 36 gekoppelt ist.
Es sind andere Ausgestaltungen der Antriebselektroden und der angelegten Spannungen möglich, um seitliche Kräfte auf den beweglichen Umsetzer 34 auszuüben. Das oben beschriebene Verfahren zum Anlegen von Spannungen kann direkt auf Gruppen von Elektroden erweitert werden, in denen der erste Satz von Elektroden aus Gruppen von 2·n Elektroden und der zweite Satz von Elektroden aus Gruppen von 2·n±1 Elektroden besteht. Ähnlich zum obigen Verfahren wird ein Spannungswechselmuster an den ersten Elektrodensatz und ein Basis-Spannungswechselmuster an den zweiten Elektrodensatz angelegt. Da der zweite Elektrodensatz aus Gruppen mit einer ungeraden Zahl von Elektroden besteht, weisen zwei Elektroden in jeder Gruppe die gleiche Spannung auf wie eine ihrer nächsten Nachbarn. Ähnlich zum obigen Verfahren wird die Bewegung des Umsetzers durch Schalten der Spannung an den Elektroden hervorgerufen, welche die gleiche Spannung wie ihr nächster Nachbar aufweisen.
Andere elektrostatische Oberflächenantriebe sind für diese Erfindung auch geeignet. Ein Beispiel wird von Huguchi u.a. in der US-Patentschrift 5,448,124 beschreiben. In diesem Fall sind die Teilungsabstände des ersten und zweiten Satzes von Antriebselektroden ähnlich, und sowohl an den ersten als auch den zweiten Satz von Antriebselektroden werden dreiphasige zeitlich wechselnde Spannungen angelegt. Die Lage des Umsetzers wird durch Verändern der Phasendifferenz zwischen den Dreiphasensignalen gesteuert, die an den ersten und zweiten Elektrodensatz angelegt werden.
Die Abstoßungskräfte, die als Schwebekräfte wirken, um den Umsetzer 34 auf einem Abstand vom Ständer 36 zu halten, werden durch die Umsetzer-Levitatorelektroden 48A und 50A und die Ständer-Levitatorelektroden 48B und 50B erzeugt. Vorzugsweise weisen die Levitatorelektroden 48A und 50A des Umsetzers und die Levitatorelektroden 48B und 50B des Ständers den gleichen Teilungsabstand auf, so daß jede Umsetzerelektrode 48A und 50A direkt über einer der Ständerelektroden 48B und 50B angeordnet ist. Werden an die Umsetzerelektrode und die gegenüberliegende Ständerelektrode die gleichen Spannungen angelegt, dann wird zwischen ihnen eine Abstoßungskraft erzeugt. Da die Längen der Elektroden 48A, 48B, 50A, 50B parallel zur X-Achse sind, wird die Ausrichtung zwischen den Umsetzerelektroden 48A und 50A und den Ständerelektroden 48B und 50B nicht durch die seitliche Verschiebung des Umsetzers in der X-Richtung verändert. Somit werden die Abstoßungskräfte zwischen dem Umsetzer und dem Ständer im Allgemeinen über die seitliche Verschiebung des Umsetzers hinweg konstant sein. Zum Beispiel können die Levitatorelektroden 48A, 48B, 50A und 50B ein Spannungswechselmuster von null Volt und fünf Volt aufweisen, um die Abstoßungskräfte zu erzeugen. Jedoch können andere niedrige und hohe Spannungen an die Levitatorelektroden angelegt werden. Tatsächlich brauchen die an die Levitatorelektroden des Umsetzers angelegten niedrigen und hohen Spannungen nicht die gleichen zu sein wie die, welche an die Levitatorelektroden des Ständers angelegt werden.
Wie oben festgestellt wurde, verursacht die seitliche Verschiebung des Umsetzers 34 ein Einstellen des Mikrospiegels 30 aus der Nichtreflexionsorientierung in die Reflexionslage. Der Einstellvorgang des Mikrospiegels wird nun mit Bezug auf die 11, 12 und 13 beschrieben. Die 11 – 13 sind verschiedene Querschnittsansichten der Schaltvorrichtung 28, welche das Schwenken des Mikrospiegels veranschaulichen, wenn der Umsetzer seitlich verschoben wird. Der Betrachtungspunkt bei den 11 – 13 stimmt mit dem Betrachtungspunkt von 5 überein. Die gestrichelten Linien stellen einen Teilbereich des Umsetzers dar, der vom jeweiligen Betrachtungspunkt aus nicht sichtbar ist. Der Betätigungsarm 46 ist an einem Punkt 114 am Mikrospiegel befestigt, und er ist am Punkt 116 auch an dem Umsetzer 34 befestigt. Der Betätigungsarm ist vorzugsweise durch einen biegsamen Film an dem Mikrospiegel und dem Umsetzer 34 befestigt, so daß sich der Betätigungsarm um die Punkte 114 und 116 drehen kann. Zur Verdeutlichung sind die Elektroden 56A, 56B, 58A und 58B in den 11 – 13 nicht dargestellt. Außerdem sind die Reflexionsschicht 52 und das Spiegelsubstrat 54 des Mikrospiegels 30 nicht dargestellt.
In 11 befindet sich der Umsetzer 34 in der Ausgangslage. Die Ausgangslage ist die Ruhelage des Umsetzers, wenn es keine zwischen dem Umsetzer und dem Ständer 36 erzeugten elektrostatischen Kräfte gibt. In der Ausgangslage befindet sich eine innere Oberfläche 118 des Umsetzers direkt über einer Bezugslinie 120 des Ständers. Wenn elektxostatische Kräfte anfänglich durch Anlegen von Spannungen an die Elektroden 56A, 56B, 58A und 58B in einem ersten Spannungsmuster erzeugt werden, wie es in 8 dargestellt ist, dann kann sich der Umsetzer ein wenig in eine der beiden Richtungen längs der X-Achse bewegen, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Wird das Spannungsmuster umgestaltet, wie es in den 9 und 10 dargestellt ist, dann verschiebt die resultierende elektrostatische Kraft den Umsetzer längs der X-Achse nach links. Da der Betätigungsarm 46 an dem Umsetzer am Ort 116 angebracht ist, wird der Betätigungsarm in die X-Richtung verschoben. Die Bewegung des Betätigungsarms erzeugt ein Drehmoment zum Schwenken des Mikrospiegels in eine Richtung des Pfeils 122, welches durch den Umstand erzeugt wird, daß der Mikrospiegel am Ort 114 an dem Betätigungsarm und durch den Schwenkstreifen 42 auch an dem Ständer 36 befestigt ist.
In 12 wurde der Umsetzer 34 so verschoben, daß die innere Oberfläche 118 des Umsetzers 34 nun über einer Bezugslinie 124 des Ständers 36 angeordnet ist. Durch die Verschiebung des Umsetzers über den Abstand zwischen den Bezugslinien 120 und 124 wurde der Mikrospiegel 30 um einen beträchtlichen Wert geschwenkt, wie in 12 dargestellt ist. In 13 wurde der Mikrospiegel in eine aufrechte Stellung, d.h. die Reflexionsorientierung, geschwenkt. Zusätzlich wurde der Umsetzer weiter verschoben, so daß die innere Oberfläche 118 des Umsetzers nun über einer Bezugslinie 126 des Ständers angeordnet ist. Der Mikrospiegel ist jetzt in einem Zustand zum Reflektieren der optischen Signale, die sich längs der X-Achse ausbreiten.
Der Mikrospiegel 30 kann schrittweise in die in 11 dargestellte Nichtreflexionsorientierung zurückgesetzt werden, indem der Umsetzer 34 in die negative X-Richtung verschoben wird, so daß die innere Oberfläche 118 des Umsetzers 34 über der Bezugslinie 120 auf dem Ständer 36 angeordnet wird. Der Umsetzer kann in die negative X-Richtung verschoben werden, indem an den Ständerantriebselektroden 56B und 58B Spannungen in der umgekehrten Reihenfolge der Spannungsmuster angelegt werden, die in den 8 – 10 dargestellt wurden. In einer alternativen Arbeitsweise können die Spannungen, welche an den Antriebselektroden 56A, 56B, 58A und 58B anliegen, abgeschaltet werden, um die elektrostatischen Kräfte auszuschalten, welche für die seitliche Bewegung des Umsetzers verantwortlich sind. Werden diese elektrostatischen Kräfte beseitigt, dann kehren die Federelemente 40 des Umsetzers in den Normalzustand zurück, wodurch sie den Umsetzer seitlich in die Ausgangslage verschieben.
In 14 ist eine Detailansicht des Betätigungsarmes 46 entsprechend einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Betätigungsarm 46 ist an dem Mikrospiegel 30 und dem Umsetzer 34 (in 14 nicht dargestellt) durch dünne biegsame Filme 128 und 130 befestigt. Die biegsamen Filme können aus SiN bestehen. Das Material der biegsamen Filme ist für die Erfindung nicht entscheidend. Der Film 128 ist an dem Betätigungsarm 46 und einem hervorstehenden Bauteil 132 befestigt, das an den Mikrospiegel gekoppelt ist. Der Film 130 ist an dem Betätigungsarm und an einem hervorstehenden Bauteil 134 befestigt, das an den Umsetzer gekoppelt ist. Die Filme 128 und 130 ermöglichen ein Schwenken des Mikrospiegels, während sich der Betätigungsarm um die Bauteile 132 und 134 dreht.
In 15 ist eine Schaltvorrichtung 136 der optischen Vorrichtung 10 entsprechend einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Für die in 15 dargestellten gleichen Komponenten werden die gleichen Bezugsziffern von 2 verwendet. Die Schaltvorrichtung 136 enthält einen Ständer 138, einen Umsetzer 140 und den Mikrospiegel 30. Der Umsetzer und der Ständer können aus Silizium bestehen. Ähnlich zur Schaltvorrichtung 28 bewirkt die Schaltvorrichtung 136 ein Schwenken des Mikrospiegels 30 zwischen der Nichtreflexionsorientierung und der Reflexionsorientierung, indem der Umsetzer seitlich mit Bezug auf den Ständer entlang der X-Achse verschoben wird.
Der Mikrospiegel 30 ist durch den Schwenkstreifen 42 am Ständer 138 befestigt, welcher ein Schwenken des Mikrospiegels um den Streifen herum erlaubt. Der Umsetzer 140 enthält Federelemente 142, welche an Umsetzerhalterungen 144 befestigt sind. Die Umsetzerhalterungen 144 sind am Ständer befestigt. Die Federelemente erlauben jedoch eine Bewegung des Umsetzers längs der X-Achse, indem sie sich verbiegen, wenn der Umsetzer durch elektrostatische Kräfte seitlich verschoben wird. Der Mikrospiegel und der Umsetzer sind mechanisch durch ein Paar Betätigungsarme 146 gekoppelt. Wird der Umsetzer seitlich verschoben, dann zwingen die Betätigungsarme den Mikrospiegel zum Schwenken in eine andere Orientierung. Die Betätigungsarme können in der gleichen Weise am Mikrospiegel und am Umsetzer befestigt sein, wie der Betätigungsarm 46 der Schaltvorrichtung 28, wie in 14 dargestellt ist. Der einzige wesentliche Unterschied würde darin bestehen, daß dieselben Seiten der Betätigungsarme 146 am Mikrospiegel 30 und am Umsetzer 140 befestigt sind. Dieser Unterschied verändert nicht die Wirkungsweise der Betätigungsarme 146 beim Schwenken des Mikrospiegels 30 zwischen der Reflexionsorientierung und der Nichtreflexionsorientierung.
Ähnlich zu den Elektroden 48A, 48B, 50A, 50B, 56A, 56B, 58A und 58B der Schaltvorrichtung 28 enthalten der Umsetzer 140 und der Ständer 138 Elektrodensätze, die elektrostatische Kräfte zum Verschieben und Schweben erzeugen. In 16 ist die obere Oberfläche des Ständers 138 dargestellt. Der Ständer enthält Sätze von Ständerelektroden 148B, 150B und 152B. Auf der Oberfläche des Ständers 138 ist ein gestrichelter Umriss des Umsetzers 140 dargestellt, um die Lage des Umsetzers mit Bezug auf die Ständerelektroden 148B, 150B und 152B zu veranschaulichen. In 17 ist die untere Oberfläche des Umsetzers 140 dargestellt. Der Umsetzer enthält Sätze von Umsetzerelektroden 148A, 150A und 152A. Die Umsetzerelektroden 148A, 150A und 152A sind direkt über den jeweiligen Ständerelektroden 148B, 150B und 152B angeordnet, wenn der Umsetzer in der Ausgangslage über dem Ständer ist. Die Umsetzerelektroden 148A und 152A sowie die Ständerelektroden 148B und 152B sind Levitatorelektroden, welche die Abstoßungskräfte erzeugen, um die Anziehungskräfte zwischen dem Umsetzer und dem Ständer während des seitlichen Verschiebens des Umsetzers aufzuheben. Die Umsetzerelektroden 150A und die Ständerelektroden 150B erzeugen elektrostatische Kräfte, die für das seitliche Verschieben des Umsetzers verantwortlich sind.
Beim Einsatz werden Spannungen an die Elektroden 148A, 148B, 150A, 150B, 152A und 152B angelegt. An die Elektroden 148A, 148B, 152A und 152B werden feste Spannungen angelegt, um die Schwebekräfte zu erzeugen, während die Spannungen, die an die Elektroden 150A und 150B angelegt werden, selektiv verändert werden, um die elektrostatischen Kräfte zu erzeugen, welche den Umsetzer 140 seitlich verschieben. Das feste Spannungsmuster an den Elektroden 148A, 148B, 152A, 152B kann mit dem festen Spannungsmuster übereinstimmen, das an die Elektroden 48A, 48B, 50A und 50B der Schaltvorrichtung 28 angelegt wird, in welchem Spannungen von abwechselnd fünf und null Volt angelegt werden. An jede Umsetzerelektrode 148A und 152A und eine Ständerelektrode 148B und 152B, welche senkrecht zueinander ausgerichtet sind, wird die gleiche Spannung angelegt, so daß eine Abstoßungskraft zwischen ihnen erzeugt wird. Das anfängliche Spannungsmuster und das darauffolgende Spannungsmuster, das an die Elektroden 150A und 150B angelegt wird, um den Umsetzer 140 seitlich zu verschieben, kann mit den Spannungsmustern übereinstimmen, welche an die Elektroden 56A, 56B, 58A und 58B der Schaltvorrichtung 28 angelegt werden, wie in den 8 – 10 dargestellt ist.
Wird der Umsetzer 140 durch Verändern der elektrostatischen Kräfte zwischen den Elektroden 150A und 150B seitlich verschoben, dann werden auch die Betätigungsarme 146 seitlich verschoben, weil die Enden der Betätigungsarme körperlich mit dem Umsetzer verbunden sind. Das seitliche Verschieben der Betätigungsarme schwenkt den Mikrospiegel 30 auf die gleiche Weise wie bei den Betätigungsarmen 46 der Schaltvorrichtung 28, wie in den 11 – 13 veranschaulicht ist.
Die Schaltvorrichtungen 28 und 136 können strukturell abgewandelt werden, ohne die Gesamtwirkungsweise der Vorrichtungen zu beeinträchtigen. Zum Beispiel kann der Spiegelschwenkmechanismus, d.h. der Schwenkstreifen 42, abgeändert werden, wie es in 18 dargestellt ist. In dieser abgewandelten Version des Spiegelschwenkmechanismus ist ein Schwenkstreifen 154 an der oberen Oberfläche des Mikrospiegels 30 statt an der Seite oder an der unteren Oberfläche des Mikrospiegels befestigt. Der Schwenkstreifen 154 ist auch an einer Halterungsstruktur 156 angebracht, die an dem Ständer 36 befestigt ist. Der Schwenkstreifen 154 ermöglicht es, daß der Mikrospiegel in die Reflexionsorientierung geschwenkt wird, wie es durch den gestrichelten Umriss des Mikrospiegels dargestellt ist. Wenn der Schwenkstreifen 154 und die Halterungsstruktur in der Schaltvorrichtung 28 eingesetzt werden, dann wird die Halterungsstruktur so auf dem Ständer angeordnet, daß sie sich in der Öffnung 44 des Umsetzers 34 befindet.
Obwohl die Schaltvorrichtungen 28 und 136 als Komponenten des optischen Schalters 10 beschrieben wurden, werden andere Anwendungen der Schaltvorrichtungen 28 und 136 in Betracht gezogen. In beiden Vorrichtungen kann der Mikrospiegel 30 durch eine kurze seitliche Verschiebung des Umsetzers 34 oder 140 schrittweise geschwenkt werden. Folglich kann ein Lichtstrahl durch diese Schaltvorrichtungen zu einer Anzahl von unterschiedlichen Zielorten hin reflektiert werden. Diese Fähigkeit ermöglicht den Schaltvorrichtungen, als Strahllenkvorrichtungen zu arbeiten. Zum Beispiel kann die Schaltvorrichtung verwendet werden, um einen Signalstrahl auf einen Empfänger zu sperren, einen Laserstrahl für das UPC-Scannen zu streuen oder optische Signale zum Demultiplexen zu lenken.
Ein Verfahren zum Lenken von Lichtstrahlen unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung wird mit Bezug auf 19 beschrieben. Im Schritt 158 werden elektrostatische Antriebskräfte zwischen einem Umsetzer und einem Ständer der Schaltvorrichtung erzeugt. Der Umsetzer und der Ständer legen einen elektrostatischen Aktuator fest. Als nächstes werden im Schritt 160 elektrostatische Abstoßungskräfte erzeugt, die senkrecht auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Umsetzers und des Ständers stehen. Die Abstoßungskräfte bewirken ein Auslöschen beliebiger induzierter Anziehungskräfte zwischen dem Umsetzer und dem Ständer. Im Schritt 162 wird der Umsetzer durch Verändern der elektrostatischen Antriebskräfte seitlich verschoben. Im Schritt 164 wird dann durch den verschobenen Umsetzer ein Mikrospiegel der Schaltvorrichtung selektiv aus der Nichtreflexionsorientierung in die Reflexionsorientierung geschwenkt. Vorzugsweise ist der Umsetzer körperlich an den Mikrospiegel gekoppelt, so daß die seitliche Verschiebung des Umsetzers den Mikrospiegel mechanisch schwenkt. Im Schritt 166 wird durch die Schaltvorrichtung ein optisches Signal von einer ersten Lichtleitfaser empfangen. Das optische Signal breitet sich zum Mikrospiegel hin aus. Im Schritt 168 wird das optische Signal durch den Mikrospiegel reflektiert, wodurch das optische Signal zu einer zweiten Lichtleitfaser hin umgelenkt wird.

Claims

Optische Mikroanlage (28; 136) zum Lenken optischer Strahlen, die folgendes umfasst: ein Reflexionselement (30) mit einer reflektierenden Oberfläche (52), um einen optischen Strahl aus einer ursprünglichen Richtung in eine zweite Richtung abzulenken, und einen elektrostatischer Oberflächenaktuator (34 und 36; 138 und 140), der betriebsfähig mit dem Reflexionselement gekoppelt ist, um das Reflexionselement in einem Weg des optischen Strahls selektiv zu beeinflussen, wobei der elektrostatische Oberflächenaktuator ein bewegliches Teil (34; 140) aufweist, das linear entlang einer Ebene, im wesentlichen parallel zu einem statischen Element (36; 138) des elektrostatischen Aktuators in Reaktion auf elektrostatische Kräfte verlagert werden kann, wobei das bewegliche Element eine erste Gruppe von Elektroden (56A und 58A; 150A) auf einer ersten Oberfläche des beweglichen Elements aufweist und das stationäre Element eine zweite Gruppe von Elektroden (56B und 58B; 150B) auf einer zweiten Oberfläche des stationären Elements aufweist, die der ersten Oberfläche des beweglichen Elements gegenüber liegt, wobei die erste und zweite Gruppe der Elektroden zur Erzeugung der lateralen elektrostatischen Kräfte konfiguriert sind, um das bewegliche Element in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der ersten und zweiten Oberfläche zu verlagern, wobei das bewegliche Element mechanisch an dem Reflexionselement so angebracht ist, daß das Reflexionselement selektiv in dem Weg des optischen Strahls durch Verlagern des beweglichen Elements beeinflusst wird.
Mikroanlage nach Anspruch 1, bei der das Reflexionselement (30) so konfiguriert ist, daß es von dem elektrostatischen Oberflächenaktuator (34 und 36; 38 und 140) in wenigstens eine Normalorientierung (120) und eine Reflexionsorientierung (126) so geschwenkt werden kann, daß der optische Strahl in die zweite Richtung gelenkt wird, wenn das Reflexionselement in der Reflexionsorientierung positioniert ist.
Mikroanlage nach Anspruch 2, bei der das Reflexionselement (30) so konfiguriert ist, daß es zwischen einer Ausgangsorientierung, in der die reflektierende Oberfläche (52) des Reflexionselements im wesentlichen parallel zu einem Propagationsweg des optischen Strahls liegt, und einer Endorientierung, in der die reflektierende Oberfläche des Reflexionselement im wesentlichen senkrecht zu dem Propagationsweg des optischen Strahls liegt, geschwenkt werden kann, wobei die Ausgangsorientierung die Normalorientierung (120) und die Endorientierung die Reflexionsorientierung (126) ist.
Mikroanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die erste Gruppe der Elektroden (56A und 58A; 150A) auf der ersten Oberfläche des beweglichen Elements (34; 140) so angeordnet ist, daß ein Wiederholungsabstand, der mit der ersten Gruppe der Elektroden verknüpft ist, dividiert durch einen Lückenabstand zwischen der ersten Gruppe der Elektroden und der zweiten Gruppe der Elektroden (56B und 58B; 150B) kleiner als ungefähr 16 ist.
Mikroanlage nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, die weiterhin eine erste Gruppe von Levitatorelektroden (48A und 50A; 148A und 152A) an der ersten Oberfläche des beweglichen Elements (34; 140) und eine zweiten Gruppe von Levitatorelektroden (48B und 50B; 148B und 152B) auf der zweiten Oberfläche des stationären Elements (36; 138) aufweist, wobei die Levitatorelektroden konfiguriert sind, um abstoßende elektrostatische Kräfte zwischen dem beweglichen Element und dem stationären Element zu erzeugen.
Verfahren zum Lenken optischer Strahlen unter Verwendung eines elektrostatischen Oberflächenaktuators (34 und 36; 138 und 140), das folgende Schritte umfaßt: Empfangen (166) eines optischen Strahls, Verlagern (162) eines beweglichen Elements (34; 140) des elektrostatischen Oberflächenaktuators in eine Richtung allgemein parallel zu einer Oberfläche des beweglichen Elements, die zu einem stationären Element (36; 138) des elektrostatischen Oberflächenaktuators weist; selektives Beeinflussen eines Reflexionselements (30) in einem Weg des optischen Strahls in Reaktion auf das Verlagern des beweglichen Elements des elektrostatischen Oberflächenaktuators und Ablenken (168) des optischen Strahls durch Reflexion des optischen Strahls von dem Reflexionselement in eine Richtung, die wenigstens teilweise durch das selektive Beeinflussen des Reflexionselements festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt zum selektiven Beeinflussen des Reflexionselements (30) einen Schritt umfaßt zum selektiven Schwenken (164) des Reflexionselements in eine spezielle Orientierung (124 und 126) durch den elektrostatischen Oberflächenaktuator (34 und 36; 138 und 140).
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt zum selektiven Schwenken (164) des Reflexionselements (30) ein schrittweises Schwenken des Reflexionselements umfaßt, so daß das Reflexionselement einen vorgegebenen Winkel gegenüber der Oberfläche des beweglichen Elements (34 und 140) einnimmt, wobei der vorgegebene Winkel die spezielle Orientierung (120, 124 und 126) des Reflexionselements festlegt.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei dem der Schritt zum Ablenken (168) des optischen Strahls in die besagte Richtung ein Schritt zum Ablenken des optischen Strahls zu einem von mehreren Waveguides (12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 und 26) ist, wobei der optische Strahl ein optisches Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, das weiterhin einen Schritt zum Erzeugen (160) abstoßender elektrostatischer Kräfte umfaßt, die allgemein normal zu sich gegenüberliegenden Oberflächen des beweglichen Elements (34; 140) und des stationären Elements (36; 138) sind, um induzierte anziehende Kräften zwischen dem beweglichen Element und dem stationären Element des elektrostatischen Aktuators (34 und 36; 138 und 140) auszugleichen.