DE60036683T2

DE60036683T2 - Gefalteter optischer Querverbinder mit gekrümmtem Spiegel

Info

Publication number: DE60036683T2
Application number: DE60036683T
Authority: DE
Inventors: Randy Clinton Whippany Giles; David Thomas Old Bridge Neilson
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: JP3762215B2; CA2325611A1; CA2325611C; EP1113302A3; US6836381B2; EP1113302A2; JP2001194600A; TW479158B; US20040085656A1; EP1113302B1; DE60036683D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Spiegelanordnungen und insbesondere Signalrouter.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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.
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 .
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.
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.
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.
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.
Kurzfassung der Erfindung
Ein optischer Schalter gemäß der Erfindung wird in dem unabhängigen Anspruch definiert. Bevorzugte Formen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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.
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 Z_R hinausgeht, ohne die optischen Signale zu streuen. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung ist eine Rayleigh-Entfernung Z_R 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.
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.
Diese und weitere Vorteile und Aufgaben werden Fachleuten aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den angefügten Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird bei Durchsicht der folgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:
1 eine Draufsicht einer Spiegelanordnung auf der Basis eines mikro-elektromechanischen Systems (MEMS);
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;
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;
4 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5(a), 5(b), 5(c) und 5(c) eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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.
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.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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 Z_R von der Spiegelanordnung 55 beabstandet. Genauso sind die Spiegelanordnung 55 und der Planspiegel 65 um eine Rayleigh-Entfernung Z_R 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 Z_R ungefähr 50 mm beträgt. Die Trennung durch eine Rayleigh-Entfernung Z_R ermöglicht, daß aus der Anordnung 55 austretende optische Signale den Spiegel 65 an ihrer Taille erreichen und umgekehrt, wodurch Streuung vermieden wird.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Außerdem ist zu beachten, daß durch Neigung im Uhrzeigersinn auf einen Winkel von α/2 der erste beispielhafte Spiegel 82 um eine Distanz y_α aus seiner Neutralstellung ausgelenkt wird. Der Spiegel 82 wird bei Neigung entgegen dem Uhrzeigersinn auf einen Winkel von β/2 auch um eine Distanz y_β 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 y_α oder y_β 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 y_α oder y_β zurücklegt. Bei einer Ausführungsform sind ein ankommender Winkel β und ein abgehender Winkel α beide ungefähr gleich 3,75 Grad und die Distanzen y_α und y_β sind beide ungefähr gleich 16,4 μm.
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.
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.
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.
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 Z_R 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 Z_R, 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.
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.
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.
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 Z_R, eine Rayleigh-Entfernung Z_R 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.
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 Z_R und Auslenkungsdistanz Z wird in der oben angeführten mathematischen Gleichung ausgedrückt.
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.
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.
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 Z_R 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.
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.
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.
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.
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 Z_R 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.
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.
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.
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.
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.
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 Z_R 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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Optischer Schalter (70; 300) mit mindestens einer Spiegelanordnung (75; 320, 340), die optisch an ein optisches Signal ankoppelbar ist; und einer optischen Komponente (80, 330), dadurch gekennzeichnet, daß die optische Komponente dafür verwendet wird, einen Teil des optischen Signals (72'; 315', 325'), der von der mindestens einer Spiegelanordnung reflektiert wird, zu empfangen, wobei die optische Komponente eine gekrümmte Oberfläche aufweist und von der mindestens einen Spiegelanordnung um eine Distanz (Z) beabstandet ist, die größer als eine Rayleigh-Entfernung (Z_R) mindestens des reflektierten Teils des optischen Signals (72'; 315', 325') von der mindestens einen Spiegelanordnung ist, wobei die gekrümmte Oberfläche einen Krümmungsradius aufweist, der auf der Basis einer Krümmung des reflektierten Teils des optischen Signals ausgewählt wird, dergestalt, daß Streuung des optischen Signals zwischen der mindestens einen Spiegelanordnung und der optischen Komponente verhindert wird.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die gekrümmte Oberfläche einen Krümmungsradius aufweist, der etwa gleich Z + (Z² _R/Z) ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die optische Komponente ein Spiegel (130) ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die gekrümmte Oberfläche konkav (180) ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 3, wobei die gekrümmte Oberfläche konvex ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 3, wobei der Spiegel ein Mangin-Spiegel ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 3, wobei der Spiegel ein zusammengesetzter Mangin-Spiegel ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die optische Komponente eine bikonvexe Linse (330) ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die optische Komponente ein Planarspiegel mit einer bikonvexen Linse (430) ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die bikonvexe Linse ferner einen strukturierten Spiegel (435) enthält.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die optische Komponente und die mindestens eine Spiegelanordnung zusammenarbeiten können, um das optische Signal als Reaktion auf ein Steuersignal an mindestens eine Spiegelanordnung zwischen einem ersten Port (160) und einem zweiten Port (200) zu routen.
Optischer Schalter nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine Spiegelanordnung mehrere reflektierende Elemente enthält und mindestens eines der mehreren reflektierenden Elemente dafür ausgelegt ist, das optische Signal als Reaktion auf das Steuersignal umzuleiten, um das Routen zu erleichtern.
Optischer Schalter nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine Spiegelanordnung eine erste MEMS-Spiegelanordnung (420) enthält, die optisch an eine zweite MEMS-Spiegelanordnung (440) angekoppelt ist, wobei die optische Komponente dazwischen liegt.
Optischer Schalter nach Anspruch 11, wobei der erste Port und der zweite Port separat angeordnete Eingangs- bzw. Ausgangsports sind.