DE60111649T2 - Rekonfigurierbares optisches mems-gitter - Google Patents

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Description

  • Gegenstand der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft optische Beugungs- und Reflexionsgitter und im besonderen betrifft diese Erfindung Bragg-Gitter.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bragg-Gitter und ähnliche faseroptische und andere optische Gitterstrukturen werden in Glass, Kunststoff oder Silizium hergestellt, um ein optisches Spektrum oder andere Strahlung zu spreizen. Diese Gitter bestehen gewöhnlich aus engen, parallelen Schlitzen oder engen, parallelen und reflektierenden Oberflächen, die Wellen brechen, wenn sie auftauchen.
  • Wie gut bekannt ist, wird Licht aller Wellenlängen unter allen Winkeln gestreut. Unter manchen Winkeln addiert sich Licht jedoch konstruktiv bei einer Wellenlänge, während andere Wellenlängen sich destruktiv aufaddieren (oder miteinander interferieren), wodurch die Lichtintensität auf Null oder beinahe Null herabgesetzt wird. Bei diesen Winkelbereichen, bei denen das Gitter ein Spektrum spreizt, kann ein allmählicher Wechsel der Wellenlänge des Winkels auftreten. Mit mehreren in einem Gitter gebildeten Rillen bzw. Riefen, wird das Licht in bestimmte Richtungen konzentriert und kann als optische Filter mit anderen gleichen optischen Geräten genutzt werden.
  • Ein allgemein verwendetes optisches Gitter ist ein Bragg-Gitter, das als ein periodisches Gitter, ein tschilpendes Gitter, ein verteiltes Rückkopplungsgitter („distributed feedback reflector"; DFF) oder ein verteiltes Bragg-Reflektor-Gitter („distributed Bragg reflector"; DBR) verwendet wird, wie beispielsweise mit einem Laser, als auch ein Fabry-Perot-Etalon-Gitter für einen Ringresonator, wie es für die Verwendung mit Einfüge-/Herausnahme-Multiplexern und ähnlichen optischen Geräten ausgestaltet ist. Ein Bragg-Gitter ist das optische Äquivalent zu einem akustischen Oberflächenwellen (OFW-) Bauelement. Durch Abstimmen des Gitters kann sich ein gewisser Ausgleich für Streuungsbedingungen ergeben. Einige optische Filter verwenden Bragg-Gitter, die während der Herstellung abgestimmt werden, Temperaturabgestimmt oder Druck/Dehnungs-abgestimmt sind.
  • EP0486356 beschreibt ein durch piezoelektronische Mittel abstimmbares Bragg-Gitter. EP0989437 und WO97/31289 beschreiben Faser-Bragg-Gitter, die durch Anlegen einer Dehnung an die Faser abstimmbar sind. Das Dokument ZHANG X M et al., „A MEMS Pitch-tunable Grating Add/Drop Multiplexers", IEEE/LEOS INTERNATIONAL CONFERENCE ON OPTICAL MEMS, Seiten 25–26, 21 August 2000, beschreibt ein dünnes durch MEMS Betätigungsglieder abstimmbares Gitter.
  • Lösungen nach dem Stand der Technik für die Abstimmung von Gittern, die Temperatur- oder Druck/Dehnungs-Verfahren verwenden, haben einen begrenzten Abstimmungsbereich von typischer Weise nur maximal Zehnen von Nanometern mit einem langsamen Abstimmungsbetrieb. Wie bekannt ist, werden die Temperatur- und Dehnungsänderungen bezüglich Bragg-Deflexion und -Änderung wie folgt bestimmt: ΔλBragg = kT ΔT + kσ Δσ
  • Ebenso sind mehrfache Anordnungen typischer Weise nicht in einem einzelnen Gerät nach dem Stand der Technik möglich.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung deutlich, wenn sie im Lichte der beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, in denen:
  • 1 ein Beispiel eines abstimmbaren optischen Gitters der vorliegenden Erfindung ist, das in einem Einfüge/Herausnahme-Multiplexer genutzt wird.
  • 2 eine isometrische Ansicht eines abstimmbaren optischen Gitters der vorliegenden Erfindung ist, die in Form eines Bragg-Gitters gezeigt wird.
  • 3, 4, 5 und 6 mehrere Ausgestaltungen zeigen, die mit einem einzelnen, abstimmbaren optischen Gitter der vorliegenden Erfindung möglich sind, sowie ein entsprechendes periodisches, tschilpendes, DFB, und Fabry-Perot-Etalon-Gitter zeigen.
  • 7 eine schematische Ansicht einer abstimmbaren Laser- und Filtervorrichtung der vorliegenden Erfindung ist, die ein abstimmbares Bragg-Gitter nutzt.
  • 8, 9 und 10 Beispiele von verschiedenen mikroelektromechanischen (MEMS) Betätigungsgliedern sind, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung wird nun im folgenden näher mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gezeigt werden. Die Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die hiernach folgenden Ausführungsbeispiele begrenzt ausgelegt werden. Vielmehr werden diese Ausführungsbeispiele bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig sein wird und den Bereich der Erfindung den Fachleuten vollständig vermitteln wird. Gleiche Ziffern beziehen sich durchgängig auf gleiche Elemente.
  • Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft und stellt ein abstimmbares Bragg-Gitter bereit, das mikroelektromechanische (MEMS) Betätigungsglieder verwendet, die fähig sind, das Gitter über einen viel weiteren Bereich, wie Hunderte von Nanometern, abzustimmen. Die vorliegende Erfindung erlaubt ebenso mehrfache Anordnungen innerhalb eines einzelnen Geräts.
  • Nun bezugnehmend auf die 1 und 2, wird in 1 bei 20 ein Einfüge/Herausnahme-Multiplexer dargestellt, der abstimmbare Bragg-Gitter 22a, 22b umfasst, wie in 2 gezeigt. Wie dargestellt, sind die abstimmbaren optischen Gitter 22a, 22b, gemäß der Erfindung, in dem optischen Übertragungsweg 24 als Teil eines optischen Gesamt-Übertragungssystems eingesetzt, das optische Zirkulatoren 26a, 26b nutzt. Verstärker 28 können auf der Eingabeseite 30 oder der Ausgabeseite 32 des Gitters angeordnet sein, das einen Teil der Einfüge/Herausnahme-Multiplexers 20 bildet. Die Gitter sind als reflektierende Bragg-Gitter ausgebildet und eingestellt, um Wellenlängen zu reflektieren, die innerhalb des ersten Zirkulators 26a herausgenommen werden, sowie Wellenlängen, die innerhalb des zweiten Zirkulators 26b eingefügt werden. Die Verstärker können dazu verwendet werden, jegliche Einfügungsverluste beim Einfügen/Herausnehmen und „Durch" lassen anzupassen. Es ist auch möglich, verschieden gerichtete, optische Koppler und optische Isolatoren zu verwenden – und zwar um wahlweise eine Einfüge/Herausnahme-Fähigkeit bereit zu stellen –, anstatt die beschriebenen und dargestellten optischen Zirkulatoren zu verwenden, wie es den Fachleuten bekannt ist. Ein zentraler Prozessor 29, wie beispielsweise ein Prozessor als Teil eines Personal Computers, Klein- oder Großrechners, ein ASIC oder ein anderes den Fachleuten bekanntes Bauelement steuert den Trennabstand zwischen Gitterstrukturen (2), indem individuelle MEMS Betätigungsglieder über Steuerleitungen 29a gesteuert werden.
  • 2 stellt eine isometrische Ansicht eines abstimmbaren optischen Gitters 30 der vorliegenden Erfindung dar und hat einen optischen Wellenleiter 34 in der Form einer einzelnen Faseroptik, die einen Eingabeanschluss 35 bildet, der das optische Signal in Form eines Wellenlängen-Multiplex-Signals durch eine Kollimator- bzw. Einstelllinse 36 leitet. Die eingestellten Signale laufen dann durch eine Vielzahl von Gitterstrukturen 38, die als Bragg-Gitter (als ein nicht beschränkendes Beispiel von vier Gitterstrukturen dargestellt, die ein Bragg-Gitter bilden) ausgebildet sind, und in eine Sammellinse 40. Das optische Signal läuft durch einen Ausgabeanschluss 42, der durch einen weiteren optischen Wellenleiter in Form einer einzelnen Faseroptik definiert wird.
  • In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Gitterstrukturen 38 beweglich auf einem MEMS Siliziumsubstrat 44 ausgebildet, das MEMS Betätigungsglieder ausgebildet hat, und die so abgestimmt werden können, dass der Trennabstand zwischen den Bragg-Gitterstrukturen geändert werden kann, um das Bragg-Gitter auf eine gewünschte Bragg-Wellenlängenselektivität abzustimmen, wie durch ΛBRAGG gezeigt. Die Gitterstrukturen 38 können durch den Fachleuten bekannte Halbleiter- und photolithographische Techniken geformt werden und an MEMS Betätigungsgliedern angebracht werden, so dass die Gitterstrukturen zusammen mit der Bewegung der MEMS Betätigungsglieder beweglich sind.
  • Nun bezugnehmend auf die 3 – 6, werden vier verschiedene Arten von Gittern dargestellt, die, wie in 2 gezeigt, als ein einzelnes Bauelement definiert werden können, wobei der Trennabstand zwischen den individuellen Gitterstrukturen geändert wurde. 3 stellt ein einfaches periodisches Gitter dar, in dem der Abstand zwischen den Gitterstrukturen ungefähr dieselbe ist. 4 stellt ein tschilpendes Gitter dar, in dem die Gitter einen fortschreitend größeren Abstand voneinander haben, wenn Licht von links nach rechts hindurchlaufen würde. 5 stellt ein verteiltes Rückkopplungsgitter dar, das eine Trennung zwischen zwei Gruppen von rechten und linken Gittern zeigt.
  • 6 zeigt ein Fabry-Perot-Etalon, das eine große Lücke zwischen zwei Sätzen von Gittern zeigt, wie es in einer Fabry-Perot-Etalon-Gitterstruktur üblich ist.
  • Die 8 – 10 stellen verschiedene Arten von mikroelektromechanischen (MEMS) Betätigungsgliedern dar, die zum Ändern des Trennabstandes zwischen den verschiedenen Bragg-Gitterstrukturen 38 gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Obwohl die dargestellten MEMS Betätigungsglieder verschiedene Arten von Bewegungen von MEMS Betätigungsgliedern zeigen, sollte verstanden werden, dass viele verschiedene Arten von MEMS Betätigungsgliedern verwendet werden können, so wie sie von den Fachleuten vorgeschlagen werden. Die dargestellten Betätigungsglieder sind nicht begrenzende Beispiele zum Zwecke der Darstellung.
  • 8 zeigt eine flaches, einschichtiges Siliziumelement 50, das für eine Betätigungsgliedstruktur bestimmt sein kann. Wie den Fachleuten gut bekannt ist, hat Silizium einen relativ hohen Young'schen Modul, z.B. von ungefähr 139 bis 190 GPa, was eine gewisse Auslenkfähigkeit der Betätigungsglieder erlaubt. Zum Beispiel kann für eine Auslenkung von 50 Mikrometer (UM), eine 5 mm mal 5 mm mal 50 Mikrometer messende einschichtige Membran aus Silizium verwendet werden. Die Siliziummembran 50 wird während ihrer Verarbeitung definiert, um eine Balg-/Hebel-MEMS Struktur 52 zu erhalten. Die Balg-/Hebel-Struktur kann durch bekannte MEMS Herstellungstechniken hergestellt werden, um ein Betätigungsglied zu bilden, das die Gitterstrukturen um einen vorbestimmten Abstand bewegt, und zwar basierend auf Eingaben, die von einer Steuerung 29 empfangen werden. Die Bewegung kann sogar in der Größenordnung von wenigen Nanometern liegen. Wenn sich ein Balg bewegt, könnte es einen Hebel oder andere Verbindungselemente verschieben und die Gitterstruktur bewegen, mit der es in einem vorherbestimmten Abstand verbunden ist, um ein Gitter zu bilden, wie in den 3–6 dargestellt ist.
  • 9 stellt im Blockformat ein Schwenkplattenbetätigungsglied 60 dar, bei dem eine Verbindung 62 das Schwenkplattenbetätigungsglied 60 mit einer Gitterstruktur 38 mechanisch verbindet und zusammenschaltet. Das Betätigungsglied 60 übermittelt eine Bewegung in der Ebene an die Verbindung 62, um eine horizontale Vorwärts- und Rückwärts- Schwingbewegung auszubilden, die die Gitterstruktur 38 in die gewünschte Lage bewegt. Das Bewegungsglied könnte durch zwei vertikal ausgerichtete Elektroden gebildet werden, wobei eine der Elektroden beweglich und die andere Elektrode fest ist, wie den Fachleuten bekannt ist. Spannung kann über die Elektroden durch eine gesteuerte Spannungsquelle zugeführt werden, und die bewegliche Elektrode würde sich zu der befestigten Elektrode bewegen oder schwingen. Diese horizontale Verschiebung der beweglichen Elektrode wird durch eine Verbindung auf die Gitterstruktur übertragen, wo sie dann in eine gewünschte Stellung gebracht wird.
  • Es ist auch möglich, ein auslenkbares MEMS Balkenelement 70, wie in 10 gezeigt, zu verwenden, indem man ein Silizium-, Glass- oder Quarzmaterial verwendet, wie den Fachleuten bekannt ist. Das MEMS Betätigungsglied kann ein Anker- 72 und ein Balkenelement 74 umfassen, das verschiebbar oder anderweitig relativ zum Anker wirkend verbunden ist, und das durch eine elektrostatische Ladung betrieben wird, die in Verbindung mit einer MEMS Elektrode 76 arbeitet, wie es den Fachleuten bekannt ist.
  • Es ist möglich, diese oder andere MEMS Betätigungsglieder durch den Fachleuten bekannte Techniken einschließlich einer standardmäßigen photolithographischen Technik zu bilden. Diese Techniken können ionenreaktive Tiefätzungen von verschiedenen Kanälen und Löchern und die Ablagerung von verschiedenen Thermaloxidfilmen, photolithographischen Techniken, einschließlich photoresistenten Anwendungen und Plasmaätzungen, einschließen.
  • 7 zeigt eine abstimmbare halbleitende Laser und Filter-Vorrichtung 80, in dem eine Reflexion bei einer Bragg-Wellenlänge auftritt, wie es den Fachleuten bekannt ist. Falls ein Halbleiterpolymerlaser mit verteilter Rückkopplung („semiconducting polymer distributed feedback"; DFB) benutzt wird, dann treten die Reflexionen bei der Bragg-Wellenlänge: λBRAGG = 2neff Λ auf, wobei neff der effektive Brechungsindex ist. 7 zeigt die Verwendung eines verteilten Bragg-Gitterbereichs 81.
  • Die Gitter können einen hohen Reflexionsgrad und Wellenlängenselektivität zur Verfügung stellen. Diese abstimmbare Laser- und Filtervorrichtung kann ein Halbleiter substrat 82 und eine auf dem Substrat ausgebildete Laserstruktur 84 umfassen. Diese Laserstruktur umfasst eine aktive Schicht 86, wie sie den Fachleuten bekannt ist, und eine Vielzahl von Bragg-Gitterstrukturen 88, die entlang der aktiven Schicht gebildet werden, um ein Bragg-Gitter zu bilden, und optische Reflexionen bei der gewünschten Bragg-Wellenlänge zur Verfügung zu stellen. Ein mikroelektromechanisches (MEMS) Betätigungsglied 90 ist mit jeder Bragg-Gitterstruktur wirkverbunden, um die Trennung zwischen den Bragg-Gitterstrukturen zu ändern und das Bragg-Gitter auf die gewünschte Wellenlängenselektivität abzustimmen und die Laserausgabeleistung auf einen ausgewählten Schmalbandmodus zu begrenzen. Die Vorrichtung kann einen optischen Verstärkungsbereich 92 umfassen und ebenso einen Phasenanpassungsbereich 94, die jeweils wahlweise über Elektroden 96, 97 gesteuert werden. Eine Elektrode 98 ist ebenfalls mit dem verteilten Bragg-Gitter 81 verbunden. Elektroden 100 steuern das MEMS Betätigungsglied.
  • Wie den Fachleuten bekannt, kann ein oberflächenabstrahlender Halbleiterlaser der beschriebenen Art auf hohen Leistungspegeln und mit hoher Effizienz arbeiten und kann eine einzelne Fernfeldkeule in einem einzigen Modus bilden. Das verteilte Rückkopplungsgitter in der Form des Bragg-Gitters wird aus regelmäßig abwechselnden Gitterelementen gebildet, um die optische Rückkopplung als Gitter zweiter Ordnung zur Verfügung zu stellen. Passive verteilte Bragg-Reflexionsgitter können angrenzend an das verteilte Rückkopplungsgitter gebildet werden und eine Einheitlichkeit im Nahfeld zur Verfügung stellen, während eine hohe Effizienz beibehalten wird. Das MEMS Betätigungsglied für jeweilige Gitterstrukturen kann durch standardmäßige photolithographische Techniken, wie sie den Fachleuten bekannt sind, gebildet werden.
  • Die Anwendungen von verteilten Rückkopplungslasern werden in den weiter fortgeschrittenen Telekommunikationssystemen gebräuchlicher, als auch zur Verwendung bei dichten Wellenlängenmultiplexverfahren („dense wavelength division multiplexing"; DWDM), die eine effiziente Kombination von Mehrkanal- (Mehrträgerfrequenzen) und hochbitratigen Signalen auf einer optischen Faser ermöglichen. Die Laserquellen arbeiten typischer Weise bei 1310 Nanometern und 1550 Nanometern, um digitale Information bei sehr hohen Übertragungsraten, sogar höher als 2,5 Gigabits pro Sekunde, zu übertragen. Die Laser strahlen Licht im Mehrfachlongitudinalmodus und im Schmalbandwellenlängencluster um eine Mittelwellenlänge herum aus. Die Interferenz zwischen den verschiedenen Wellenlängen begrenzt die Anzahl von Kanälen, die über die optische Faser übertragen werden können. Die verteilten Rückkopplungslaser nutzen, wie gezeigt, das Gitter im Lasermedium, um als ein Filter zu wirken, um die Laserausgabeleistung auf einen einzelnen Schmalbandmodus zu begrenzen, der für Langstrecken- und Hochgeschwindigkeitstelekommunikation erforderlich ist.
  • Das abstimmbare optische Gitter der vorliegenden Erfindung hat spezielle Anwendungen, um Bragg-Gitter abzustimmen, und kann zum Beispiel beim optischen Streuungsausgleich und beim optischen Breitband-Strahlbilden für Phasenfeldantennen verwendet werden. Andere Anwendungen des abgestimmten Gitters könnten, gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Optoverstärker-Verstärkerspektrumsglättung umfassen. Sie könnten auch einen adaptiven optische Ausgleich und ein rekonfigurierbares optisches Einfüge/Herausnahme-Multiplexen einschließen, so wie in 1 gezeigt, sowie andere den Fachleuten bekannte Beispiele. Es könnte bei Kanalsimultation und optischen Sensoren wie auch als abstimmbare optische Bandpass- und Bandstopfilter genutzt werden. Es könnte ebenso bei aktivem Temperaturausgleich von DFB Bauteilen verwendet werden. Dies sind alles den Fachleuten bekannte Technologiebereiche, und die MEMS-Technologie ist speziell für diese Systeme anwendbar.
  • Viele Modifizierungen und andere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem Fachmann einfallen, die die Verwendung der in den vorhergehenden Beschreibungen und den beigefügten Zeichnungen vorgestellten Lehre haben. Daher versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die speziellen offengelegten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, und dass die Modifizierungen und Ausführungsbeispiele in den Umfang der abhängigen Ansprüche eingeschlossen werden sollen.

Claims (11)

  1. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter enthaltend: eine Mehrzahl optischer Gitterstrukturen, die innerhalb eines optischen Übertragungswegs enthalten sind, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen ebenes mikroelektromechanisches (MEMS) Substrat, auf dem die Gitterstrukturen ausgebildet und darauf verschieblich bewegbar sind, und das eine Mehrzahl von steuerbaren mikroelektromechanischen (MEMS) Betätigungsgliedern aufweist, die mit der Mehrzahl von Gitterstrukturen wirkverbunden sind, so dass jedes Betätigungsglied mit einer entsprechenden Gitterstruktur wirkverbunden ist, um die entsprechende Gitterstruktur durch Verschieben relativ zu dem MEMS Substrat in einer gesteuerten Weise und relativ zu einer angrenzenden Gitterstruktur körperlich zu bewegen, wodurch sich der Trennabstand zwischen den Gitterstrukturen verändert und das optische Gitter auf eine gewünschte Wellenlängenselektivität abgestimmt wird und mehrere Anordnungen ermöglicht sind.
  2. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter gemäß Anspruch 1, wobei die Gitterstrukturen ein periodisches Gitter bilden.
  3. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter gemäß Anspruch 1, wobei die Gitterstrukturen ein tschilpendes Gitter bilden.
  4. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter gemäß Anspruch 1, wobei die Gitterstrukturen ein verteiltes Rückkopplungsgitter bilden.
  5. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter gemäß Anspruch 1, wobei die Gitterstrukturen eine Fabry-Perot-Etalon-Einfüge/Herausnahme-Gitterstruktur bilden.
  6. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter gemäß Anspruch 1, wobei das MEMS Betätigungsglied photolithographisch auf dem MEMS Substrat gebildet ist.
  7. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter gemäß Anspruch 1, wobei das MEMS Betätigungsglied eine flache, einschichtige Siliziummembranstruktur enthält.
  8. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter gemäß Anspruch 1, wobei das MEMS Betätigungsglied mindestens eine Ankerhalterung und ein Stegbauteil enthält, das mit einer Gitterstruktur wirkverbunden ist und durch die Ankerhalterung gehalten ist und damit bewegbar ist, um die Gitterstruktur körperlich relativ zu einer anderen Gitterstruktur zu bewegen.
  9. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter gemäß Anspruch 1, wobei das MEMS Betätigungsglied ein Schwenkplattenbetätigungsglied enthält, das mit jeder Gitterstruktur wirkverbunden ist.
  10. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter gemäß Anspruch 1, und weiter enthaltend einen optischen Wellenleiter der einen Eingabeanschluss definiert, durch den ein optisches Signal durch die Gitterstrukturen passiert, und einen optischen Wellenleiter, der einen Ausgabeanschluss zum Empfangen des optischen Signals von den Gitterstrukturen definiert.
  11. Ein abstimmbares optisches Bragg-Gitter gemäß Anspruch 10, und weiter enthaltend eine Kollimatorlinse, die mit dem Eingabeanschluss wirkverbunden ist, und eine Sammellinse, die mit dem Ausgabeanschluss wirkverbunden ist.
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