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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Spiegelanordnungen und
insbesondere Signalrouter.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Das
Signalrouten ist eine wesentliche Komponente beim Netzwerkentwurf.
Beim Signalrouten werden Signale von einem Ort zu einem anderen
gelenkt. Traditionell verwendete das Signalrouten Halbleiter-Schalteinrichtungen.
Mit dem kommerziellen Drang nach schnelleren und besser ansprechenden Netzwerken,
die größere Bandbreite
bieten, wurden Halbleiter-Schalteinrichtungen jedoch als Engpaß identifiziert.
Als Folge der Schaltgeschwindigkeitsbegrenzungen von Halbleitereinrichtungen
entwickelt die Industrie Netzwerke, die eine größere Anzahl elektrooptischer
Komponenten verwenden, darunter Einrichtungen zum Signalrouten auf
optischer Basis.
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Eine
Klasse von für
Signalrouter vorgeschlagenen elektrooptischen Komponenten sind Spiegelanordnungen
auf der Basis eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS). Weitere
Informationen über
auf MEMS basierende Spiegelanordnungen, ihre Funktionsweise und
Herstellung finden sich in Aksyuk et al.,
US-Patent Nr. 5,912,094 , Aksyuk et
al.,
US-Patent Nr. 5,994,159 und
Aksyuk et al.,
US-Patent Nr.
5,995,688 , die alle zum selben Halter gehören wie
die vorliegende Erfindung und hiermit durch Bezugnahme aufgenommen
werden. Prinzipiell werden ein oder mehrere Spiegel in einer Spiegelanordnung
auf MEMS-Basis operativ durch eine elektrostatische Kraft gesteuert,
die durch eine assoziierte Reihe von Steuersignalen initiiert wird.
Als Reaktion auf eine Reihe von Steuersignalen werden der eine bzw.
die mehreren Spiegel der Anordnung auf eine spezifische Koordinate
um ein Achsenpaar herum geneigt. Dieser Neigemechanismus und Einzelheiten seiner
Funktionsweise im Bezug auf eine MEMS-Spiegelanordnung finden sich in der
EP-Anmeldung Nr. 00308683.2 .
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Mit
Bezug auf 1 ist eine Draufsicht einer Spiegelanordnung 10 auf
MEMS-Basis zum Reflektieren optischer Signale dargestellt. Die Anordnung 10 ist
eine Zwei-mal-zwei-Matrix von Spiegeln 15, die auf einem
gemeinsamen Substrat 20 ausgebildet ist. Einer oder mehrere
Spiegel 15 der Anordnung 10 neigt sich um eine
erste und/oder eine zweite Achse 25 und 30 als
Reaktion auf die Reihe von Steuersignalen. Ein ankommendes optisches
Signal kann deshalb in einer Richtung reflektiert werden, die durch die
Neigung eines jeweiligen Spiegels 15 der Anordnung 10 spezifiziert
wird, die durch die empfangene Reihe Steuersignale bestimmt wird.
Die Fähigkeit des
Spiegels 15, das reflektierte ankommende optische Signal
zu lenken, ermöglicht
die Verwendung der Anordnung 10 in einem optischen Signalrouter.
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Es
sind zusätzliche
Betrachtungen erforderlich, um einen optischen Signalrouter zu erwerben, der
eine Spiegelanordnung auf MEMS-Basis verwendet. Ein oder mehrere
Spiegel ist innerhalb eines Steuerbereichs neigbar, um die optischen
Signale zu routen. Der Grad, zu dem sich der eine oder die mehreren
Spiegel innerhalb seines Steuerbereichs neigen kann, entspricht
den Spannungen der Reihe jeweiliger Steuersignale. Diese Steuersignale
können sogar
150 V erreichen, um eine Neigung eines Spiegels in seinem gesamten
Steuerbereich zu ermöglichen.
Ferner werden die Spiegel der Spiegelanordnung auf MEMS-Basis in
enger Nähe
zueinander positioniert – ungefähr 1 mm.
Mit der Möglichkeit
hoher potentieller Spannungen und dem kleinen Abstand zwischen Spiegeln
können
deshalb während
der Herstellung oder Verpackung der Spiegelanordnungen auf MEMS-Basis
eingeführte
unerwünschte Partikel Überschläge zwischen
leitfähigen
Elementen angrenzender Spiegel ermöglichen.
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Als
Folge dieser Beschränkungen
wird eine Spiegelanordnung auf MEMS-Basis benötigt, bei der jeder Spiegel
einen kleineren Bereich als seinen Steuerbereich erfordert, um optische
Signale zu routen. Außerdem
wird eine Spiegelanordnung auf MEMS-Basis benötigt, bei der jeder Spiegel
Steuersignale zur Positionierung jedes Spiegels, um optische Signale
zu routen, erfordert, die kleiner als 150 V sind.
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Aus
JP-A-01 102 515 ist
ein faseroptischer Verbinder bekannt, der dafür ausgelegt ist, optische Fasern
durch Drehen eines Spiegels in einer beliebigen Kombination zu verbinden.
Der Verbinder umfaßt zwei
Gruppen, die jeweils mehrere optische Fasern umfassen, die in gleichen
Intervallen parallel angeordnet sind, deren Spitzen auf einer geraden
Linie geordnet werden, sowie Spiegel, die um einen vorgeschriebenen
Winkel nach rechts und links rotieren, die in einem gleichen Intervall
auf derselben Ebene zwischen den optischen Fasern angeordnet sind.
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Kurzfassung der Erfindung
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Ein
optischer Schalter gemäß der Erfindung wird
in dem unabhängigen
Anspruch definiert. Bevorzugte Formen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Es
wird eine optische Einrichtung zum Lenken optischer Signale zwischen
mehreren ersten Ports und mehreren zweiten Ports offenbart. Die
optische Einrichtung besitzt mindestens eine Anordnung von Spiegeln,
wie zum Beispiel eine Spiegelanordnung auf MEMS-Basis. Ein oder
mehrere Spiegel in der Anordnung können um eine erste und/oder eine
zweite Achse als Reaktion auf eine Reihe von Steuersignalen geneigt
werden. Das volle Ausmaß der
Neigung der Spiegel der Spiegelanordnung auf MEMS-Basis wird hier
als der Steuerbereich bezeichnet. Durch Steuern der Neigung jedes
Spiegels kann ein optisches Signal von einem Port der ersten Vielzahl
zu einem anderen Port der zweiten Vielzahl geroutet werden. Für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung sind die optischen Signale kollimierte
Gaußsche
Strahlen. Bei einer Ausführungsform
besitzen die optischen Signale eine Wellenlänge von 1550 nm.
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Die
optische Einrichtung enthält
mindestens eine gekrümmte
reflektierende Komponente. Durch die gekrümmte reflektierende Komponente
können ein
oder mehrere Spiegel der Spiegelanordnung auf MEMS-Basis ein optisches
Signal von einem beliebigen Port der Vielzahl erster Ports zu einem
beliebigen Port der Vielzahl zweiter Ports routen. Die Krümmung der
reflektierenden Komponente kann sphärisch, parabolisch und/oder
konisch sein. 3 zeigt eine beispielhafte
reflektierende Komponente 80. Durch Entwurf der reflektierenden
Komponente 80 mit einer sphärischen konkaven Krümmung kann
die Distanz, die die Komponente 80 und eine Spiegelanordnung 75 trennt,
um eine Auslenkungsdistanz Z erweitert werden, die über die
Rayleigh-Entfernung ZR hinausgeht, ohne
die optischen Signale zu streuen. Für die Zwecke der vorliegenden
Offenbarung ist eine Rayleigh-Entfernung ZR die
ungefähre
Distanz von dem schmalsten Punkt eines Gaußschen optischen Strahls (oder
der Taille) bis dorthin, wo der Durchmesser des Strahls sich um
die Wurzel von zwei erweitert. Bei einer Ausführungsform beträgt die Rayleigh-Entfernung
ungefähr
50 mm, die Auslenkungsdistanz Z ungefähr 20,7 mm und der Krümmungsradius
der reflektierenden Komponente 80 ungefähr 141,5 mm.
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Durch
die Krümmung
der beispielhaften reflektierenden Komponente 80 kann ein
optisches Signal von der durch die Auslenkungsdistanz Z erzeugten
erweiterten Distanz aus zurück
zu einem beispielhaften Spiegel auf der Spiegelanordnung 75 reflektiert
werden. In der erweiterten Distanz verläuft der optische Strahl durch
seine Taille und beginnt zu divergieren. Die Reflexion des optischen
Signals, das von der Anordnung 75 empfangen wird, wird
jedoch nicht gestreut. Das optische Signal streut sich nicht, weil
die Krümmung
des divergierenden optischen Signals mit der Krümmung der reflektierenden Komponente 80 übereinstimmt.
Bei der Erweiterung der Trennung über die Rayleigh-Entfernung hinaus,
ohne das optische Signal zu streuen, erfordert jeder Spiegel in
der Anordnung 75 weniger als den Steuerbereich zum Routen
eines optischen Signals mit der reflektierenden Komponente 80.
Der bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erforderliche Bereich beträgt ungefähr 7,5 Grad,
im Vergleich zu einer planaren reflektierenden Komponente 65 von 2(a) mit einem Steuerbereich von ungefähr 10,4 Grad.
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Diese
und weitere Vorteile und Aufgaben werden Fachleuten aus der folgenden
ausführlichen Beschreibung
in Verbindung mit den angefügten
Ansprüchen
und den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird bei Durchsicht der folgenden Beschreibung
nicht einschränkender
Ausführungsformen
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen besser verständlich.
Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht einer Spiegelanordnung auf der Basis eines mikro-elektromechanischen Systems
(MEMS);
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2(a) eine Querschnittsansicht einer optischen
Schalteinrichtung, die eine Spiegelanordnung auf MEMS-Basis verwendet,
während 2(b) eine Querschnittsansicht eines beispielhaften
Spiegels der Spiegelanordnung auf MEMS-Basis von 2(a) ist;
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3(a) eine Querschnittsansicht einer die Prinzipien
der vorliegenden Erfindung verwendenden optischen Schalteinrichtung,
während 3(b) eine Querschnittsansicht eines beispielhaften
Elements der optischen Schalteinrichtung von 3(a) ist;
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4 eine
Querschnittsansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5(a), 5(b), 5(c) und 5(c) eine
Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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6 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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7 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; und
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8(a) eine Querschnittsansicht einer weiteren
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, während 8(b) eine Querschnittsansicht einer in der
Ausführungsform
von 8(a) verwendeten Komponente ist.
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Es
sollte betont werden, daß die
Zeichnungen der vorliegenden Anmeldung nicht maßstabsgetreu, sondern lediglich
schematische Darstellungen sind und somit die spezifischen Parameter
oder strukturellen Einzelheiten der vorliegenden Erfindung, die
Fachleute bei Durchsicht der vorliegenden Informationen bestimmen
können,
nicht wiedergeben sollen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Mit
Bezug auf 2(a) ist eine Querschnittsansicht
einer optischen Einrichtung 40, die einen festen Planspiegel
verwendet, dargestellt. Die optische Schalteinrichtung 40 empfängt mehrere
optische Signale von einem ersten Teil eines Eingangs-/Ausgangsports 45 und
lenkt diese zu einem zweiten Teil des Eingangs-/Ausgangsports 54 zurück um. Mindestens
ein optisches Signal der Vielzahl kann unter Verwendung einer Anordnung
von Spiegeln 55 in Kombination mit einem festen Planarspiegel 65 geroutet
werden. Der Eingangs-/Ausgangsport 45 ist um
eine Rayleigh-Entfernung ZR von der Spiegelanordnung 55 beabstandet.
Genauso sind die Spiegelanordnung 55 und der Planspiegel 65 um
eine Rayleigh-Entfernung ZR voneinander
beabstandet. Die optischen Signale besitzen eine Gaußsche Verteilung
und beim Austritt aus dem Port 45 mit einer Breite von
ungefähr
0,5 mm und einer Wellenlänge von
ungefähr
1550 nm, so daß die
Rayleigh-Entfernung ZR ungefähr 50 mm
beträgt.
Die Trennung durch eine Rayleigh-Entfernung
ZR ermöglicht,
daß aus
der Anordnung 55 austretende optische Signale den Spiegel 65 an
ihrer Taille erreichen und umgekehrt, wodurch Streuung vermieden
wird.
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Wie
in
1 und dem vorliegenden begleitenden Text ersichtlich
ist, können
einer oder mehrere Spiegel in der Anordnung
55 auf eine
spezifische Koordinate um ein Achsenpaar herum positioniert werden.
Die Position oder Neigung jedes Spiegels in der Anordnung
55 legt
die Richtung fest, in die ein ankommendes optisches Signal reflektiert
werden kann. Das volle Ausmaß,
zu dem jeder Spiegel geneigt werden kann, wird als ein Steuerbereich ϕ bezeichnet.
Der Steuerbereich ϕ kann mathematisch durch die folgende
Gleichung ausgedrückt
werden:
wobei D die Breite der Spiegelanordnung
55 ist.
Für Fachleute
sollte erkennbar sein, daß der
Steuerbereich für
jeden Spiegel der Anordnung
55 umgekehrt proportional zu
der Distanz Z
R ist. Folglich ist der erforderliche
Steuerbereich um so kleiner, je größer die Distanz Z
R ist.
Bei einer Realisierung der Einrichtung
40 beträgt der Steuerbereich Φ ungefähr 10,4
Grad und die Breite D ungefähr
18,4 mm.
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Die
spezifischen Koordinaten bei der Positionierung jedes Spiegels innerhalb
seines Steuerbereichs Φ entsprechen
einer empfangenen Reihe von Steuersignalen. Außerdem sollte Fachleuten aus
der vorliegenden Offenbarung ersichtlich sein, daß mit zusätzlicher
Unterstützungselektronik,
wie zum Beispiel einem Puffer, ein Signal die spezifischen Koordinaten
und die Positionierung jedes des Spiegels der Anordnung steuern
kann. Für
die Zwecke der vorliegenden Offenbarung kann folglich ein Steuersignal austauschbar
mit einer Reihe von Steuersignalen verwendet werden.
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Es
folgt eine Darstellung der Wechselwirkung zwischen der Spiegelanordnung 55 und
dem Planspiegel 65 beim Routen eines optischen Signals 47 von
dem ersten Teil des Eingangs-/Ausgangsports 45 zu dem zweiten
Teil des Eingangs-/Ausgangsports 45 über das optische Signal 47'''.
Bei Empfang eines Steuersignals wird ein erster beispielhafter Spiegel 49 in
der Anordnung 55 so positioniert, daß er das optische Signal 47 empfängt und
reflektiert. Der erste beispielhafte Spiegel 49 lenkt das
optische Signal 47' auf
den Planspiegel 65. Das optische Signal 47' wird innerhalb
eines Bereichs von Orten 51a bis 51a' auf dem Planspiegel 65 gelenkt.
Der Spiegel 65 empfängt
das gelenkte optische Signal 47' von dem beispielhaften Spiegel 49 in
einem Einfallswinkel in bezug auf eine Normale einer Oberfläche des
Planspiegels 65. Unter Verwendung des Reflexionsgesetzes
wird ein optisches Signal 47'' von dem Planspiegel 65 in
einem Winkel reflektiert, der gleich dem Einfallswinkel ist. Weitere
Informationen über
das Reflexionsgesetz sowie geometrische Optik findet man in O'Shea, „Elements
of Modern Optical Design",
Wiley & Sons
1985 (im folgenden „O'Shea"), hiermit durch
Bezugnahme aufgenommen. Das optische Signal 47'', das von dem Planspiegel 65 reflektiert
wird, wird in Richtung eines Orts auf der Anordnung 55 zurückgelenkt.
Bei dem vorliegenden Beispiel bewirkt der Ort 51a auf dem
Planspiegel 65, daß das
optische Signal 47'' auf einen zweiten
beispielhaften Spiegel 53 gelenkt wird. Der zweite beispielhafte
Spiegel 53 wird als Reaktion auf ein Steuersignal so positioniert,
daß er
das optische Signal 47'' empfängt und
reflektiert. Bei Empfang des optischen Signals 47'' reflektiert der zweite beispielhafte
Spiegel 53 ein optisches Signal 47''' in dem zweiten
Teil des Eingangs-/Ausgangsports 45. Durch Positionieren
des ersten und des zweiten beispielhaften Spiegels 49 und 53 der
Anordnung 55 ist dadurch das Routen des optischen Signals 47 von
dem ersten Teil des Eingangs-/Ausgangsports 45 zu dem zweiten Teil
des Eingangs-/Ausgangsports 45 durch das optische Signal 47''' abgeschlossen.
Für Fachleute
sollte im Hinblick auf 2 und den begleitenden
Text ersichtlich sein, daß unter
Verwendung der Vielzahl von Spiegeln auf der Spiegelanordnung 55 in
Kombination mit dem Planspiegel 65 mehrere optische Signale geroutet
werden können.
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Mit
Bezug auf 2(b) ist eine Querschnittsansicht
dargestellt, die den Steuerbereich ϕ des beispielhaften
Spiegels 49 abbildet. Um ein optisches Signal an einen
Ort 51a auf dem Planspiegel 65 zu reflektieren,
neigt sich der beispielhafte Spiegel 49 entgegen dem Uhrzeigersinn
um einen Winkel von ϕ/2. Damit der beispielhafte Spiegel 49 ein
ankommendes optisches Signal an den Ort 51a' auf dem Planspiegel 65 reflektiert,
neigt sich ähnlich
der Spiegel 49 im Uhrzeigersinn um einen Winkel von ϕ/2. Somit
ist der Steuerbereich für
den beispielhaften Spiegel 49 die Summe von ϕ/2
und ϕ/2 oder ϕ.
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Außerdem sollte
beachtet werden, daß durch
Neigung im Uhrzeigersinn auf einen Winkel von ϕ/2 der Spiegel 49 um
eine Distanz x aus seiner Neutralstellung ausgelenkt wird. Ähnlich wird
der Spiegel 49 auch um eine Distanz x aus seiner Neutralstellung
ausgelenkt, wenn er entgegen dem Uhrzeigersinn auf einen Winkel
von ϕ/2 geneigt wird. Wie bereits erwähnt, neigt sich der Spiegel 49 als
Reaktion auf eine Spannung aus einem empfangenen Steuersignal. Die
von dem Spiegel 49 zurückgelegte Distanz
x entspricht der Spannung des empfangenen Steuersignals. Daher kann
eine Spannung von 150 V aus einem empfangenen Steuersignal erforderlich sein,
um zu bewirken, daß der
Spiegel 49 die Distanz x zurücklegt. Bei einem Steuerbereich ϕ von
ungefähr
10,4 Grad beträgt
die Distanz x, die der Spiegel 49 zurücklegt, ungefähr 22,8 μm.
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Mit
Bezug auf die 3(a) und 3(b) ist
eine Querschnittsansicht einer die Prinzipien der vorliegenden Erfindung
verwendenden optischen Schalteinrichtung 70 dargestellt.
Die optische Schalteinrichtung 70 enthält eine Anordnung von Spiegeln 75 und eine
gekrümmte
konkave reflektierende Komponente 80. Bei einer Ausführungsform
ist die reflektierende Komponente 80 ein sphärisch geformter
Spiegel mit einem Krümmungsradius.
Bei der Alternative kann auch ein parabolisch oder konisch geformter
Spiegel als die gekrümmte
reflektierende Komponente 80 verwendet werden.
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Die
Spiegelanordnung
75 ist um eine erweiterte Distanz als
die Rayleigh-Entfernung Z
R im Vergleich
zu der optischen Einrichtung
40 von
2(a) von
der gekrümmten
reflektierenden Komponente
80 beabstandet. Die Anordnung
75 und
die reflektierende Komponente
80 werden durch eine Distanz
getrennt, die gleich der Summe der Rayleigh-Entfernung Z
R und einer Auslenkungsdistanz Z ist. Die
vergrößerte Trennung
zwischen der Anordnung
75 und der reflektierenden Komponente
80 streut
zwischen den Spiegeln der Anordnung
75 und der reflektierenden
Komponente
80 reflektierte optische Signale nicht. Die
optischen Signale werden nicht gestreut, weil die Krümmung der
divergierenden optischen Signals gleich einer Krümmung der reflektierenden Komponente
80 ist.
Deshalb entspricht der Krümmungsradius
der reflektierenden Komponente
80 der Auslenkungsdistanz
Z und der Rayleigh-Entfernung Z
R, und diese
Beziehung kann durch die folgende mathematische Gleichung ausgedrückt werden:
wobei R der Krümmungsradius
ist. Für
Fachleute sollte aus diesem mathematischen Ausdruck ersichtlich
sein, daß die
durch die gekrümmte
reflektierende Komponente
80 erzeugte Auslenkungsdistanz
Z mit zunehmendem Radius R für
eine gegebene Rayleigh-Entfernung Z
R zunimmt.
Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung treten die optischen Signale aus einer
Quelle mit einer Breite von ungefähr 0,5 mm aus, so daß die Rayleigh-Entfernung
Z
R ungefähr
50 mm, die Auslenkungsdistanz Z ungefähr 20,7 mm und der Krümmungsradius
R ungefähr 141,5
mm betragen.
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Jeder
Spiegel in der Anordnung 75 erfordert einen kleineren Bereich
als den Steuerbereich ϕ jedes Spiegels der Anordnung 55 von 2(a). Der Bereich jedes Spiegels in der
Anordnung 75 ist als Ergebnis des zusätzlichen Abstands zwischen
der Anordnung 75 und der gekrümmten reflektierenden Komponente 80,
der durch die Auslenkungsdistanz Z verursacht wird, kleiner. Der
Bereich jedes Spiegels in der Anordnung 75 ist gleich der
Summe einer Hälfte
eines ankommenden Winkels β und
einer Hälfte
eines abgehenden Winkels α.
Aus Reflexionsgesetzen und der geometrischen Optik sollte Fachleuten
ersichtlich sein, daß,
um ein optisches Signal innerhalb eines Winkelbereichs zu reflektieren
oder umzulenken, sich ein Spiegel um die Hälfte des Winkels des gewünschten
Winkelbereichs neigen muß.
Siehe O'Shea. Wie
in 3(b) gezeigt, ist der Bereich jedes
Spiegels in der Anordnung 75 gleich der Summe der Neigung,
die erforderlich ist, damit jeder Spiegel ein ankommendes optisches
Signal empfängt, β/2 und der
Neigung, die erforderlich ist, damit jeder Spiegel ein abgehendes
optisches Signal lenkt, α/2.
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Der
ankommende Winkel β ist
der Winkel, für den
jeder Spiegel in der Anordnung
75 erforderlich ist, damit
ein optisches Signal von einem Ende der Anordnung
75 zum
anderen Ende der Anordnung
75 gelenkt wird. Zur Veranschaulichung
erlaubt der ankommende Winkel β das
Lenken eines optischen Signals von einem ersten beispielhaften Spiegel
82 zu einem
zweiten beispielhaften Spiegel
84. Der ankommende Winkel β kann mathematisch
durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
wobei D die Breite der Anordnung
75 ist.
Aus der obigen mathematischen Gleichung ist der ankommende Winkel β umgekehrt
proportional zu der Auslenkungsdistanz Z, so daß mit zunehmender Auslenkungsdistanz
Z der ankommende Winkel β abnimmt und
umgekehrt. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beträgt
die Breite D der Anordnung
75 ungefähr 18,4 mm und der ankommende Winkel β ungefähr 3,75
Grad.
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Der
abgehende Winkel α ist
der Winkel, der für
jeden Spiegel in der Anordnung
75 erforderlich ist, zur
Positionierung, um ein abgehendes optisches Signal von der gekrümmten reflektierenden
Komponente
80 zu empfangen. Der abgehende Winkel α kann durch
die folgende mathematische Gleichung ausgedrückt werden:
wobei der abgehende Winkel α durch die
Existenz von Auslenkungsdistanz gebildet wird. Für Fachleute sollte ersichtlich
sein, daß der
abgehende Winkel α direkt
proportional zu der Auslenkungsdistanz Z ist, so daß mit zunehmender
Auslenkungsdistanz Z die reflektierende Winkelabweichung α zunimmt
und umgekehrt. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beträgt
die Breite D der Anordnung
75 ungefähr 18,4 mm und der abgehende
Winkel α beträgt ungefähr 3,75
Grad.
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Außerdem ist
zu beachten, daß durch
Neigung im Uhrzeigersinn auf einen Winkel von α/2 der erste beispielhafte Spiegel 82 um
eine Distanz yα aus seiner
Neutralstellung ausgelenkt wird. Der Spiegel 82 wird bei
Neigung entgegen dem Uhrzeigersinn auf einen Winkel von β/2 auch um
eine Distanz yβ aus seiner
Neutralstellung ausgelenkt. Wie bereits erwähnt, neigt sich der Spiegel 82 als
Reaktion auf eine Spannung aus einem empfangenen Steuersignal. Die
von dem Spiegel 82 zurückgelegten
Distanzen yα oder
yβ entsprechen
jeweils der Spannung des empfangenen Steuersignals. Daher kann eine
Spannung von ungefähr
130 V aus einem empfangenen Steuersignal erforderlich sein, um zu
bewirken, daß der Spiegel 82 die
Distanz yα oder
yβ zurücklegt.
Bei einer Ausführungsform
sind ein ankommender Winkel β und
ein abgehender Winkel α beide
ungefähr
gleich 3,75 Grad und die Distanzen yα und
yβ sind
beide ungefähr
gleich 16,4 μm.
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Es
folgt eine Darstellung der Wechselwirkung zwischen der Spiegelanordnung 75 und
der gekrümmten
reflektierenden Komponente 80 beim Routen eines ankommenden
optischen Signals 72 durch die optische Schalteinrichtung 70 über das
abgehende optische Signal 72'''. Bei Empfang eines Steuersignals
wird ein erster beispielhafter Spiegel 82 in der Anordnung 75 so
positioniert, daß er
ein ankommendes optisches Signal 72 empfängt und
reflektiert. Der erste beispielhafte Spiegel 82 richtet
das optische Signal 72' auf
die gekrümmte
reflektierende Komponente 80. Das optische Signal 72' wird von dem
beispielhaften Spiegel 82 innerhalb eines Bereichs von Orten 74a bis 74a' auf der reflektierenden
Komponente 80 gelenkt. Die gekrümmte reflektierende Komponente 80 empfängt das
gelenkte optische Signal 72' von
dem beispielhaften Spiegel 82 in einem Einfallswinkel in
bezug auf eine Normale einer Oberfläche der gekrümmten reflektierenden
Komponente 80. Unter Verwendung des Reflexionsgesetzes
wird ein optisches Signal 72'' von der gekrümmten reflektierenden
Komponente 80 in einem Winkel reflektiert, der gleich dem
Einfallswinkel ist. Das optische Signal 72'' wird
zu einem Ort auf der Anordnung 75 zurückgelenkt. Bei dem vorliegenden
Beispiel bewirkt der Ort 74a auf der gekrümmten reflektierenden
Komponente 80, daß das
optische Signal 72'' zu einem zweiten
beispielhaften Spiegel 84 gelenkt wird. Der zweite beispielhafte
Spiegel 84 wird als Reaktion auf ein Steuersignal so positioniert,
daß er
das optische Signal 72'' empfängt und
reflektiert. Beim Empfang des optischen Reflexionssignals 72'' reflektiert der zweite beispielhafte
Spiegel 79 ein optisches Signal 72'''. Durch Positionierung
sowohl des ersten als auch des zweiten beispielhaften Spiegels 82 und 84 der
Anordnung 75 routet die optische Schalteinrichtung 70 somit
das ankommende optische Signal 72 zu dem abgehenden optischen
Signal 72'''. Für Fachleute sollte anhand der
vorliegenden Offenbarung ersichtlich sein, daß unter Verwendung einer Vielzahl von
Spiegeln auf der Spiegelanordnung 75 und der gekrümmten reflektierenden
Komponente 80 mehrere optische Signale geroutet werden
können.
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Mit
Bezug auf 4 ist eine Querschnittsansicht
einer optischen Einrichtung 100 zum Routen optischer Signale
dargestellt, die die Prinzipien der optischen Einrichtung 70 von 3(a) und 3(b) verwendet.
Die optische Einrichtung 100 routet mehrere optische Signale
aus einem ersten Teil eines Eingangs-/Ausgangsports 110 zu
einem zweiten Teil des Eingangs-/Ausgangsports 110. Bei
der vorliegenden Konfiguration sind der erste und der zweite Teil
des Eingangs-/Ausgangsports 110 in einem einzigen singulären Gehäuse konfiguriert.
Für Fachleute
sollte aus der nachfolgenden Offenbarung jedoch ersichtlich sein,
daß auch
alternative Konfigurationen verwendet werden können.
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Jedes
optische Signal der mehreren optischen Signale wird unter Verwendung
einer Anordnung von Spiegeln 120 in Kombination mit einer
gekrümmten
konkaven reflektierenden Komponente 130 geroutet. Die Spiegelanordnung 120 ist
um eine Rayleigh-Entfernung von dem Port 110 beabstandet. Die
Spiegelanordnung 120 weist eine Matrix reflektierender
Elemente auf. Bei einer Ausführungsform wird
die Matrix reflektierender Elemente durch eine Spiegelanordnung
auf MEMS-Basis realisiert. Jeder Spiegel der Anordnung 120 neigt
sich als Reaktion auf ein Steuersignal auf eine Position. Sobald
ein beispielhafter Spiegel der Anordnung 120 auf eine spezifische
Position geneigt ist, kann der beispielhafte Spiegel unter Verwendung
des Reflexionsgesetzes ein ankommendes optisches Signal zu einem
bestimmten Ort auf der gekrümmten
reflektierenden Komponente 130 lenken. Zur Veranschaulichung enthält die Spiegelanordnung 120 einen
ersten bzw. einen zweiten beispielhaften Spiegel 125 bzw. 135.
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Die
reflektierende Komponente 130 weist eine gekrümmte konkave
Form auf. Die Krümmung der
reflektierenden Komponente 130 ermöglicht eine Zunahme des Abstands
zwischen der Anordnung 120 und der Komponente 130 auf
die Summe der Rayleigh-Entfernung ZR und
der Auslenkungsdistanz Z, ohne daß die zwischen den Spiegeln
der Anordnung 120 und der Komponente 130 reflektierte
optische Energie gestreut wird. Das optische Signal wird nicht gestreut,
weil die Krümmung
der divergierenden optischen Signale mit der Krümmung der Komponente 130 übereinstimmt.
Die Rayleigh-Entfernung
ZR, die Auslenkungsdistanz Z und der Krümmungsradius
R korrelieren mathematisch miteinander, so wie es in den oben aufgeführten mathematischen
Gleichungen ausgedrückt
wird. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die gekrümmte reflektierende Komponente 130 ein
sphärisch
geformter Spiegel. Für
Fachleute werden jedoch bei Durchsicht der vorliegenden Offenbarung verschiedene
Alternativen ersichtlich werden.
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Es
folgt eine Darstellung der Wechselwirkung zwischen der Spiegelanordnung 120 und
der gekrümmten
reflektierenden Komponente 130 beim Routen eines ankommenden
optischen Signals 115 von einem ersten Teil des Eingangs-/Ausgangsports 110 zu
einem zweiten Teil des Eingangs-/Ausgangsports 110. Beim
Empfang eines Steuersignals wird ein erster beispielhafter Spiegel 125 in
der Anordnung 120 so positioniert, daß er das ankommende optische
Signal 115 empfängt
und reflektiert. Der erste beispielhafte Spiegel 125 lenkt
das optische Signal 115' auf
die gekrümmte
reflektierende Komponente 130. Das optische Signal 115' wird durch
den beispielhaften Spiegel 125 innerhalb eines Bereichs
von Orten 117a bis 117a' auf der gekrümmten reflektierenden Komponente 130 gelenkt.
Die gekrümmte
reflektierende Komponente 130 empfängt das gelenkte optische Signal 115' von dem beispielhaften
Spiegel 125 in einem Einfallswinkel in bezug auf eine Normale
einer Oberfläche
der gekrümmten
reflektierenden Komponente 130. Unter Verwendung des Reflexionsgesetzes
wird ein optisches Signal 115'' in
einem Winkel von der reflektierenden gekrümmten Komponente 130 reflektiert,
der gleich dem Einfallswinkel ist. Das optische Signal 115'' wird zu einem Ort auf der Anordnung 120 zurückgelenkt.
Im vorliegenden Beispiel bewirkt der Ort 117a auf der gekrümmten reflektierenden
Komponente 130, daß das
optische Signal 115'' zu einem zweiten
beispielhaften Spiegel 135 gelenkt wird. Der zweite beispielhafte
Spiegel 135 wird als Reaktion auf ein Steuersignal so positioniert,
daß er
das optische Signal 115'' empfängt und reflektiert.
Beim Empfang des optischen Signals 115'' reflektiert
der zweite beispielhafte Spiegel 135 ein optisches Signal 115'''.
Durch Positionieren sowohl des ersten als auch des zweiten beispielhaften
Spiegels 125 und 135 der Anordnung 120 routet
also die optische Schalteinrichtung 130 das ankommende
optische Signal 115 von einem ersten Teil des Eingangs-/Ausgangsports 110 zu
einem zweiten Teil des Eingangs-/Ausgangsports 110. Für Fachleute
sollten im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung ersichtlich
sein, daß unter
Verwendung einer Vielzahl von Spiegeln auf der Spiegelanordnung 120 und
der gekrümmten
reflektierenden Komponente 130 mehrere optische Signale
geroutet werden können.
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Jeder
Spiegel in der Anordnung 120, einschließlich der beispielhaften Spiegel 125 und 135, erfordert
einen kleineren Bereich als den Steuerbereich ϕ jedes Spiegels
der Anordnung 55 von 2(a).
Der Bereich jedes Spiegels in der Anordnung 120 ist als
Folge des zusätzlichen
Abstands zwischen der Anordnung 120 und der gekrümmten reflektierenden
Komponente 130, der durch die Auslenkungsdistanz Z verursacht
wird, kleiner. Der Bereich jedes Spiegels in der Anordnung 120 ist
gleich der Summe der für
jeden Spiegel zum Empfang eines ankommenden optischen Signals erforderlichen
Neigung β/2
und der für
jeden Spiegel zum Lenken eines abgehenden optischen Signals erforderlichen
Neigung α/2.
Durch Neigung im Uhrzeigersinn auf einen Winkel von α/2 und entgegen
dem Uhrzeigersinn auf einen Winkel von β/2 legt jeder Spiegel auf der
Anordnung 120 von seiner Neutralstellung aus eine bestimmte
Distanz zurück.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung treten die optischen Signale aus dem
Port 110 mit einer Breite von ungefähr 0,5 mm und einer Wellenlänge von
ungefähr
1550 nm aus, so daß die Rayleigh-Entfernung
ZR, eine Rayleigh-Entfernung ZR von
ungefähr
50 mm, eine Auslenkungsdistanz Z von ungefähr 20,7 mm, die gekrümmte reflektierende Komponente 130 einen
Krümmungsradius
R von ungefähr
141,5 mm aufweist, eine Breite D der Anordnung 120 von
ungefähr
18,4 mm und ankommende und abgehende Winkel β und α jeweils gleich ungefähr 3,75
Grad. Wenn die ankommenden und abgehenden Winkel β und α jeweils
ungefähr
gleich 3,75 Grad sind, legt jeder Spiegel bei Neigung im Uhrzeigersinn
und Neigung entgegen dem Uhrzeigersinn jeweils ungefähr 16,4 μm zurück.
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Mit
Bezug auf 5(a) bis 5(d) sind
Querschnittsansichten mehrerer Ausführungsformen einer gekrümmten reflektierenden
Komponente dargestellt. Jede dieser Realisierungen kann mit einer Spiegelanordnung
verwendet werden, um die Distanz zwischen einer Spiegelanordnung
und der gekrümmten
reflektierenden Komponente über
die Rayleigh-Entfernung hinaus zu erweitern, ohne ein optisches
Signal zu streuen. Diese Ausführungsformen enthalten
einen konvexen Spiegel in 4(a), einen Planarspiegel
mit bikonvexer Linse zum Produzieren eines konvergierenden reflektierten
optischen Signals in 4(b), einen Mangin-Spiegel
in 4(c) und einen zusammengesetzten
Mangin-Spiegel in 4(d). Weitere Informationen über Linsen-
und Spiegelentwurf allgemein und Mangin-Spiegel insbesondere findet
man in Smith, „Modern
Lens Design: A Resource Manual",
McGraw-Hill 1992 (im folgenden „Smith"), hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
Es sollte für
Durchschnittsfachleute ersichtlich sein, daß die in 5(a) bis 5(d) dargestellten Beispiele lediglich
veranschaulichend und nicht erschöpfend sind. Bei Verwendung
in einer optischen Einrichtung zum Routen von Signalen wie hier
erläutert
ohne optische Signale zu streuen, sind jede der gekrümmten reflektierenden
Komponenten, die in 5(a) bis 5(d) abgebildet sind, um eine Distanz von
einer Spiegelanordnung beabstandet, die dem Krümmungsradius der konkret ausgewählten gekrümmten reflektierenden
Komponente entspricht – die
Beziehung zwischen Krümmungsradius
R, Rayleigh-Entfernung ZR und Auslenkungsdistanz
Z wird in der oben angeführten
mathematischen Gleichung ausgedrückt.
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Mit
Bezug auf 6 ist eine Querschnittsansicht
einer optischen Einrichtung 150 zum Routen optischer Signale
dargestellt. Die optische Einrichtung 150 routet mehrere
optische Signale von einem ersten Port 160 zu einem zweiten
Port 200. Der erste und der zweite Port 160 und 200 sind
bei der vorliegenden Ausführungsform
im Gegensatz zu dem Eingangs-/Ausgangsport 110 von 4 nicht
kolokalisiert.
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Der
optische Schalter 150 enthält eine erste und eine zweite
Spiegelanordnung 170 und 190 in Kombination mit
einer gekrümmten
reflektierenden Komponente 180. Jede Spiegelanordnung weist
eine Matrix reflektierender Elemente oder Spiegel auf. Die erste
und/oder die zweite Spiegelanordnung 170 und/oder 190 können durch
eine auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildete Spiegelanordnung
auf MEMS-Basis realisiert werden. Jeder der Spiegel der Anordnungen 170 und 190 kann
sich als Reaktion auf ein Steuersignal neigen. Sobald die Spiegel
der Anordnung 170 positioniert sind, könnten ein oder mehrere ankommende
optische Signale aus dem ersten Port 160 durch das Reflexionsgesetz
zu einem bestimmten Ort(en) auf der gekrümmten reflektierenden Komponente 180 gelenkt
werden.
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Die
gekrümmte
reflektierende Komponente 180 weist eine konkave Form auf.
Die Krümmung
der Komponente 180 ermöglicht
eine Zunahme des Abstands zwischen der Anordnung 170 und
der reflektierenden Komponente 180 sowie des Abstands zwischen
der Anordnung 190 und der reflektierenden Komponente 180 auf
die Summe der Rayleigh-Entfernung ZR und
einer Auslenkungsdistanz Z, ohne die optische Energie zu streuen,
die zwischen den Spiegeln der Anordnung 170 und der reflektierenden Komponente 180 und
zwischen den Spiegeln der Anordnung 190 und der reflektierenden
Komponente 180 reflektiert wird. Bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die gekrümmte reflektierende Komponente 180 ein
sphärisch
geformter Spiegel. Fachleuten werden bei Durchsicht der vorliegenden
Offenbarung jedoch verschiedene Alternativen ersichtlich sein.
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Es
folgt eine Darstellung der Wechselwirkung zwischen der Spiegelanordnung 170,
der gekrümmten
reflektierenden Komponente 180 und der Spiegelanordnung 190 beim
Routen zweier ankommender optischer Signale 165 und 175 von
dem ersten Port 160 zu einem zweiten Port 200.
Beim Empfang eines Steuersignals werden ein erster und ein zweiter
beispielhafter Spiegel 205 und 210 jeweils so positioniert,
daß sie
die ankommenden Signale 165 und 175 empfangen
und reflektieren. Der erste beispielhafte Spiegel 205 lenkt
das optische Signal 165' auf
die gekrümmte
reflektierende Komponente 180, während der zweite beispielhafte
Spiegel 210 das optische Signal 175' auf die gekrümmte reflektierende Komponente 180 lenkt.
Das optische Signal 165' wird durch
den beispielhaften Spiegel 205 innerhalb eines Bereichs
von Orten 230a bis 230a' auf der gekrümmten reflektierenden Komponente 180 gelenkt.
Genauso wird das optische Signal 175' durch den beispielhaften Spiegel 210 innerhalb
eines Bereichs von Orten 230a bis 230a'' auf der gekrümmten reflektierenden Komponente 180 gelenkt.
Die gekrümmte
reflektierende Komponente 180 empfängt das gelenkte optische Signal 165' von dem beispielhaften
Spiegel 205 in einem Einfallswinkel mit Bezug auf die Normale
einer Oberfläche
der gekrümmten
reflektierenden Komponente 180. Die gekrümmte reflektierende Komponente 180 empfängt das
optische Signal 175' von
dem beispielhaften Spiegel 210 in einem Einfallswinkel
mit Bezug auf die Normale einer Oberfläche der gekrümmten reflektierenden
Komponente 180. Unter Verwendung des Reflexionsgesetzes
werden die optischen Signale 165'' und 175'' von der gekrümmten reflektierenden Komponente 180 in
Winkeln reflektiert, die gleich ihren Einfallswinkeln sind. Das
optische Signal 165'' wird seinerseits
zu einem ersten Ort auf der zweiten Anordnung 190 gelenkt, während das
optische Signal 175'' zu einem zweiten Ort
auf der zweiten Anordnung 190 gelenkt wird. Bei dem vorliegenden
Beispiel bewirkt der Ort 230a' auf der gekrümmten reflektierenden Komponente 180, daß das optische
Signal 165'' zu einem dritten
beispielhaften Spiegel 215 auf der zweiten Anordnung 190 gelenkt
wird, während
der Ort 230a'' auf der gekrümmten reflektierenden
Komponente 180 bewirkt, daß das optische Signal 175'' zu einem vierten beispielhaften
Spiegel 220 auf der zweiten Anordnung 190 gelenkt
wird. Der dritte beispielhafte Spiegel 215 wird als Reaktion
auf ein Steuersignal so positioniert, daß er das optische Signal 165'' empfängt und reflektiert. Der vierte
beispielhafte Spiegel 220 wird als Reaktion auf ein Steuersignal
so positioniert, daß er
das optische Signal 175'' empfängt und
reflektiert. Beim Empfang der optischen Signale 165'' und 175'' reflektieren
der dritte und der vierte beispielhafte Spiegel 215 und 220 die
optischen Signale 165''' und 175'''. Durch Positionieren
sowohl des dritten als auch des vierten beispielhaften Spiegels 215 und 220 der
Anordnung 190 routet die optische Schalteinrichtung 150 somit
die ankommenden optischen Signale 165 und 175 von
dem ersten Port 160 zu dem zweiten Port 160. Für Fachleute
sollte im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung ersichtlich sein,
daß unter
Verwendung einer Vielzahl von Spiegeln auf den Spiegel anordnungen 170 und 190 und
der gekrümmten reflektierenden
Komponente 180 mehrere optische Signale geroutet werden
können.
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Mit
Bezug auf 7 ist eine Querschnittsansicht
einer optischen Einrichtung 300 zum Routen optischer Signale
dargestellt. Die optische Einrichtung 300 routet mehrere
optische Signale von einem ersten Port 310 zu einem zweiten
Port 350. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung werden optische Signale von dem ersten Port 310 zu
dem zweiten Port 350 gelenkt. Bei alternativer Ausführungsform
können
mehrere optische Signale von einem ersten Teil des ersten Ports 310 zu
einem ersten Teil des zweiten Ports 350 gelenkt werden,
während andere
optische Signale von einem zweiten Teil des zweiten Ports 350 zu
einem zweiten Teil des zweiten Ports 310 gelenkt werden
können,
so daß der
Port 310 optische Signale von dem Port 350 lenkt
und empfängt
und der Port 350 optische Signale von dem Port 310 lenkt
und empfängt.
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Der
optische Schalter 300 enthält eine erste und eine zweite
Spiegelanordnung 320 und 340 in Kombination mit
einer optischen Komponente 330. Jede Spiegelanordnung 320 und 340 weist
eine Matrix reflektierender Elemente oder Spiegel auf. Die erste
und/oder die zweite Spiegelanordnung 320 und/oder 340 können durch
eine Spiegelanordnung auf MEMS-Basis realisiert werden. Die optische Komponente 330 wird
durch eine bikonvexe optische Linse realisiert. Fachleuten werden
jedoch bei Durchsicht der vorliegenden Offenbarung verschiedene
Alternativen ersichtlich sein. Jeder der Spiegel der Anordnungen 320 und 340 kann
sich als Reaktion auf ein Steuersignal neigen. Sobald die Spiegel
der Anordnung 320 positioniert sind, könnte mindestens ein ankommendes
optisches Signal aus dem ersten Port 310 durch das Reflexionsgesetz
durch die bikonvexe optische Linse 330 hindurch zu der
Anordnung 340 und danach zu dem zweiten Port 350 gelenkt
werden.
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Die
bikonvexe optische Linse 330 besitzt konvergierende Eigenschaften.
Die konvergierenden Eigenschaften ermöglichen eine Zunahme des Abstands
zwischen der Anordnung 320 und der optischen Linse 330 sowie
des Abstands zwischen der Anordnung 340 und der optischen
Linse 330 auf die Summe der Rayleigh-Entfernung ZR und einer Auslenkungsdistanz Z. Die Zunahme
des Abstands streut jedoch nicht die optische Energie, die zwischen den
Spiegeln der Anordnung 320 und der optischen Linse 330 und
zwischen den Spiegeln der Anordnung 340 und der optischen
Linse 330 reflektiert wird.
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Es
folgt eine Darstellung der Wechselwirkung zwischen der ersten Spiegelanordnung 320, der
bikonvexen optischen Linse 330 und der zweiten Spiegelanordnung 340 beim
Routen zweier ankommender optischer Signale 315 und 325 von
dem ersten Port 310 zu einem zweiten Port 350.
Bei Empfang eines Steuersignals werden ein erster und ein zweiter beispielhafter
Spiegel 355 und 360 jeweils so positioniert, daß sie die
ankommenden optischen Signale 315 und 325 empfangen
und reflektieren. Der erste beispielhafte Spiegel 355 lenkt
das optische Signal 315 innerhalb des Bereichs von 315a' und 315b' zu der bikonvexen
optischen Linse 330 abhängig
von der Position des ersten beispielhaften Spiegels 355. Ähnlich lenkt
der zweite beispielhafte Spiegel 360 das optische Signal 325 innerhalb
des Bereichs von 325a' und 325b' zu der bikonvexen
optischen Linse 330 abhängig
von der Position des zweiten beispielhaften Spiegels 360.
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Die
bikonvexe optische Linse 330 lenkt von dem ersten und dem
zweiten beispielhaften Spiegel 355 und 360 reflektierte
optische Signale zu der zweiten Spiegelanordnung 340. Mit
Bezug auf den ersten beispielhaften Spiegel 355 bildet,
wenn das optische Signal 315 den Weg 315a' nimmt, die
Linse 330 das optische Signal 315a''.
Folglich wird das optische Signal 315a'' von
der Linse 330 zu einem dritten beispielhaften Spiegel 365 auf
der Spiegelanordnung 340 gelenkt. Der beispielhafte Spiegel 365 empfängt das
optische Signal 315a'' und bildet
ein reflektiertes optisches Signal 345, das zu einem ersten
Teil des Ports 350 gelenkt wird. Wenn als Alternative das
optische Signal optische Signal 315 den Weg 315b' nimmt, bildet
die Linse 330 das optische Signal 315b'', das zu einem vierten beispielhaften
Spiegel 370 auf der Spiegelanordnung 340 gelenkt
wird. Der beispielhafte Spiegel 370 empfängt das
optische Signal 315b'' und bildet
ein reflektiertes optisches Signal 335, das zu einem zweiten
Teil des Ports 350 gelenkt wird. Mit Bezug auf die zweiten
beispielhaften Spiegel 360 bildet, wenn das optische Signal 325 den Weg 325a' nimmt, die
Linse 330 das optische Signal 325a''.
Folglich wird das optische Signal 325a'' durch die
Linse 330 zu dem vierten beispielhaften Spiegel 370 gelenkt.
Der beispielhafte Spiegel 370 empfängt das optische Signal 325a'' und bildet das reflektierte Signal 335,
das zu dem zweiten Teil des Ports 350 gelenkt wird. Als
Alternative bildet die Linse 330 das optische Signal 325b'', wenn das optische Signal den Weg 325b' nimmt. Das
optische Signal 325b'' wird zu dem
dritten beispielhaften Spiegel 365 gelenkt. Der beispielhafte
Spiegel 365 empfängt
das optische Signal 325b'' und bildet
ein reflektiertes optisches Signal 345, das zu dem ersten
Teil des Ports 350 gelenkt wird. Für Fachleute sollte im Hinblick
auf die vorliegende Offenbarung ersichtlich sein, daß unter
Verwendung einer Vielzahl von Spiegeln auf den Spiegelanordnungen 320 und 340 und
der bikonvexen Linsenkomponente 330 mehrere optische Signale geroutet
werden können.
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Mit
Bezug auf 8(a) und 8(b) ist
eine Querschnittsansicht einer optischen Schalteinrichtung 400 zum
Routen optischer Signale dargestellt. Die optische Einrichtung 400 routet
mehrere optische Signale zwischen einem ersten und einem zweiten Port 410 und 450.
Genauer gesagt routet die Einrichtung 400 optische Signale
von einem ersten Teil eines ersten Ports 410 zu einem ersten
Teil eines zweiten Ports 450, einen zweiten Teil des zweiten
Ports 450 zu einem zweiten Teil des ersten Ports 410.
Die Einrichtung 400 routet außerdem optische Signale von
einem dritten Teil von dem ersten Port 410 zu einem vierten
Teil des ersten Ports 410 und einen dritten Teil von dem
zweiten Port 450 zu einem vierten Teil des ersten Ports 450.
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Der
optische Schalter 400 enthält eine erste und eine zweite
Spiegelanordnung 420 und 440 in Kombination mit
einer optischen Komponente 430. Jede Spiegelanordnung 420 und 440 weist
eine Matrix reflektierender Elemente oder Spiegel auf. Die erste
und/oder die zweite Spiegelanordnung 420 und/oder 440 können durch
eine Spiegelanordnung auf MEMS-Basis realisiert werden. Die optische Komponente 430 enthält eine
bikonvexe optische Linse mit einem darin eingebetteten zweiseitigen strukturierten
Spiegel 435. Wie in 8(b) gezeigt, weist
der strukturierte Spiegel 435 eine Schachbrettkonfiguration
mit nicht reflektierenden Linsenteilen 436, die sich mit
reflektierenden Spiegelteilen 438 abwechseln, auf. Die
reflektierenden Spiegelteile 438 reflektieren auf beiden
Seiten, so daß ein
aus der Anordnung 420 hervortretendes beispielhaftes optisches
Signal zurück
zu der Anordnung 420 reflektiert werden kann, während ein
aus der Anordnung 440 hervortretendes beispielhaftes optisches
Signal zurück
zu der Anordnung 440 reflektiert werden kann. Die Abmessungen
der Linsenteile 436 und der reflektierenden Spiegelteile 438 sind
vorteilhafterweise mindestens gleich den Abmessungen eines optischen
Strahls, während
er sich den Teilen 436 oder 438 des strukturierten
Spiegels 435 nähert.
Bei einer Ausführungsform
weisen die nicht reflektierenden Linsenteile 436 und die
reflektierenden Spiegelteile 438 jeweils eine Abmessung
von 0,5 mm mal 0,5 mm auf.
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Die
bikonvexe optische Linse 430 weist konvergierende Eigenschaften
auf. Die konvergierenden Eigenschaften ermöglichen eine Zunahme des Abstands
zwischen der Anordnung 420 und der optischen Linse 430 sowie
des Abstands zwischen der Anordnung 440 und der optischen
Linse 430 auf die Summe der Rayleigh-Entfernung ZR und einer Auslenkungsdistanz Z. Die Zunahme
des Abstands streut jedoch nicht die optische Energie, die zwischen den
Spiegeln der Anordnung 420 und der optischen Linse 430 und
zwischen den Spiegeln der Anordnung 440 und der optischen
Linse 430 reflektiert wird.
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Es
folgt eine Darstellung der Wechselwirkung zwischen der ersten Spiegelanordnung 420, der
bikonvexen optischen Linse 430 und der zweiten Spiegelanordnung 440 beim
Routen optischer Signale 415 und 455. Im Hinblick
auf die vorliegende Offenbarung sollte Fachleuten jedoch ersichtlich
sein, daß unter
Verwendung einer Vielzahl von Spiegeln auf den Spiegelanordnungen 420 und 440 und
einer Linse 430 mehrere optische Signale geroutet werden können. Bei
Empfang eines Steuersignals wird ein erster beispielhafter Spiegel 475 der
Spiegelanordnung 420 so positioniert, daß er das
optische Signal 415 empfängt und reflektiert. Der erste
beispielhafte Spiegel 475 lenkt das optische Signal 415 innerhalb eines
Bereichs von 415a' und 415b' zu der bikonvexen
optischen Linse 430, abhängig von der Position des ersten
beispielhaften Spiegels 475. Wenn das optische Signal 415 den
Weg 415a' nimmt,
verläuft das
optische Signal 415a' durch
einen nicht reflektierenden Linsenteil 436 der bikonvexen
optischen Linse 430, um das optische Signal 415a'' zu bilden. Folglich lenkt die
Linse 430 das optische Signal 415a'' zu
einem zweiten beispielhaften Spiegel 495 der Anordnung 440.
Der beispielhafte Spiegel 495 empfängt das optische Signal 415a'' und wird als Reaktion auf ein
Steuersignal so positioniert, daß er ein reflektiertes optisches
Signal 445 bildet, das zu einem ersten Teil des Ports 450 gelenkt
wird.
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Als
Alternative wird, wenn das optische Signal 415 den Weg 415b' nimmt, das
optische Signal 415b' von
einem Spiegelteil 438 der Linse 430 reflektiert,
um das optische Signal 415b'' zu bilden.
Folglich wird das optische Signal 415b'' durch
den Spiegelteil 438 der Linse 430 zu einem dritten
beispielhaften Spiegel 480 der Anordnung 420 gelenkt.
Der beispielhafte Spiegel 480 empfängt das optische Signal 415b'' und wird als Reaktion auf ein
Steuersignal so positioniert, daß er ein reflektiertes optisches
Signal 425 bildet, das zu einem zweiten Teil des Ports 410 gelenkt
wird.
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Ähnlich wird
bei Empfang eines Steuersignals ein vierter beispielhafter Spiegel 500 der
Spiegelanordnung 440 so positioniert, daß er das
optische Signal 455 empfängt und reflektiert. Der beispielhafte
Spiegel 500 lenkt das optische Signal 455 innerhalb
eines Bereichs von 455a' und 455b' abhängig von
der Position des ersten beispielhaften Spiegels 500 zu
der bikonvexen optischen Linse 430. Wenn das optische Signal 455 den
Weg 455a' nimmt, verläuft das
optische Signal 455a' durch
einen nicht reflektierenden Linsenteil 436 der bikonvexen
optischen Linse 430, um das optische Signal 455a'' zu bilden. Folglich lenkt die
Linse 430 das optische Signal 455a'' zu
dem dritten beispielhaften Spiegel 480 der Anordnung 420.
Der beispielhafte Spiegel 480 empfängt das optische Signal 455a'' und wird als Reaktion auf ein
Steuersignal so positioniert, daß er ein reflektiertes optisches
Signal 425 bildet, das zu einem zweiten Teil des Ports 410 gelenkt
wird. Wenn dagegen das optische Signal 455 den Weg 455b' nimmt, wird
das optische Signal 455b' von
einem Spiegelteil 438 der Linse 430 reflektiert,
um das optische Signal 455b'' zu bilden.
Folglich wird das optische Signal 455b'' durch
den Spiegelteil 438 der Linse 430 zu dem zweiten
beispielhaften Spiegel 495 der Anordnung 440 gelenkt.
Der beispielhafte Spiegel 495 empfängt das optische Signal 455b'' und wird als Reaktion auf ein
Steuersignal so positioniert, daß er ein reflektiertes optisches
Signal 445 bildet, das zu einem zweiten Teil des Ports 450 gelenkt
wird.
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Obwohl
die konkrete Erfindung mit Bezug auf Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, soll die vorliegende Beschreibung nicht im einschränkenden Sinne
aufgefaßt
werden. Es versteht sich, daß Durchschnittsfachleuten
bei Bezugnahme auf die vorliegende Beschreibung verschiedene Modifikationen
der Ausführungsbeispiele
sowie zusätzliche Ausführungsformen
der Erfindung ersichtlich sein werden, ohne von der Erfindung abzuweichen,
so wie sie in den angefügten
Ansprüchen
angeführt
wird. Obwohl sie detailliert ist, gilt die vorliegende Erfindung
somit für
einen optischen Schalter zum Routen optischer Signale zwischen einem
Eingangs-/Ausgangsport, sollte somit Durchschnittsfachleuten ersichtlich
sein, daß die
vorliegende Erfindung auch auf beliebige Vorrichtungen zur Strahlsteuerung
elektromagnetischer Energie, wie zum Beispiel Flüssigkristalleinrichtungen,
angewandt werden kann.