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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen optische Schalter und insbesondere
optische Crossconnect-Schalter mit Mikrospiegeln, die einzeln manipuliert
werden.
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STAND DER
TECHNIK
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Fortlaufende
Innovationen im Bereich der Glasfasertechnik haben zu immer mehr
Lichtwellenleiter-Anwendungen in verschiedenen Technologien geführt. Mit
der immer häufiger
werdenden Verwendung von Lichtwellenleitern werden effektive optische Geräte erforderlich,
die die Übertragung
und das Schalten optischer Signale unterstützen. Derzeit gibt es eine
Nachfrage an optischen Schaltern, die Lichtsignale von einem Eingangslichtwellenleiter
zu einem von mehreren Ausgangslichtwellenleitern führen, ohne
dabei das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
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Die
Kopplung der Lichtwellenleiter durch einen Schalter läßt sich
mittels mehrerer Verfahren durchführen. Bei einem interessanten
Verfahren wird ein Mikrospiegel verwendet, der im Lichtweg eines Eingangswellenleiters
angeordnet wird und optische Signale von dem Eingangswellenleiter
zu einem von mehreren alternativen Ausgangswellenleitern spiegelt.
Bei den Eingangs- und Ausgangswellenleitern kam es sich um unidirektionale
oder bidirektionale Wellenleiter handeln. Bei der einfachsten Umsetzung des
Spiegelverfahrens wird der Eingangswellenleiter derart mit einem
von zwei Ausgangslichtwellenleitern ausgerichtet, daß die ausgerichteten
Wellenleiter miteinander kommunizieren, wenn sich der Spiegel nicht
im Lichtweg zwischen den beiden Wellenleitern befindet. Wenn sich
der Spiegel jedoch zwischen den beiden ausgerichteten Wellenleitern
befindet, lenkt (d.h. reflektiert) der Spiegel optische Signale
von dem Eingangswellenleiter zu einem zweiten Ausgangswellenleiter.
Die Positionierung des Spiegels in Bezug zu dem Weg des Eingangswellenleiters
läßt sich
durch Verwendung einer Vorrichtung erzielen, die den Spiegel mechanisch
bewegt. Es wird mehrfach vorgeschlagen, die Feinstbearbeitungstechnologie
zur Herstellung optischer Signale zu verwenden. Im allgemeinen fallen
die Vorschläge
in zwei Kategorien: planare Schalter für den freien Raum und planare
Schalter mit geführter
Welle. Optische Schalter für den
freien Raum sind durch die Aufweitung der Lichtstrahlen, wenn sich
diese im freien Raum ausbreiten, eingeschränkt. Bei planaren Ansätzen skaliert
die optische Weglänge
linear mit der Anzahl der Eingangswellenleiter. Für Schalter,
die größer als
30 × 30
sind, werden große
Spiegel und Lichtstrahldurchmesser in der Größenordnung von 1 Millimeter
(mm) erforderlich. Bei diesen planaren Ansätzen skaliert die Anzahl (N)
der Eingangswellenleiter linear mit der Strahlentaille und der Größe der optischen
Komponenten. Die Schaltergesamtgröße wächst also nach N2.
Man schätzt,
daß ein
100 × 100-Schalter
eine Fläche
von 1 m2 benötigen würde, was für einen Schalter sehr groß wäre. Des
weiteren gibt es Einschränkungen, wie
die optische Ausrichtung, die Spiegelgröße und die Aktorenkosten, die
die Größe des Schalters
um ein Vielfaches einschränken
können.
Ein planarer Ansatz beansprucht für sich, daß sich der optische Schalter
derart gestalten läßt, daß er nicht
mit dem Lichtgesamtweg, sondern mit der optischen Weglängendifferenz
skaliert. Wenn dies möglich
ist, würden sicherlich
größere Schalter
eingesetzt werden können.
Die optische Weglängendifferenz
skaliert bei einem planaren Ansatz jedoch ferner linear mit der
Anzahl der Eingangswellenleiter, so daß der Schalter sehr groß wird,
da er für
viele Wellenleiter skaliert wird.
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Bei
geführten
Wellen ist die Strahlaufweitung kein Problem. Ein Verlust an jedem
Kreuzpunkt und die Schwierigkeit, große Vorrichtungen für geführte Wellen
herzustellen, verringern jedoch wahrscheinlich die Anzahl der Eingangswellenleiter
in derartigen Schaltern.
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Bei
beiden Ansätzen
steigen für
gewöhnlich die
Einschränkungen,
wie Verlust, Größe der optischen
Komponente und Kosten, mit der Anzahl der Wellenleiter. Es besteht
also Bedarf an einem optischen Crossconnect-Schalter, der besser
mit der Anzahl der Eingangs- und Ausgangswellenleiter skaliert.
Bei einigen optischen Freiraumsystemen ist eine bessere Skalierung
möglich.
Diese Systeme nutzen die Tatsache, daß eine optische Lenkung in zwei
Richtungen verwendet werden kann, um die Anzahl der Lichtwellenleiter
zu erhöhen.
Kürzlich
sind optische Schalter mit derartigen Spiegeln angekündigt worden.
Die Systeme verwenden piezoelektrische Elemente oder magnetisch
oder elektrostatisch betätigte
Mikrospiegel. Das Betätigungsverfahren
bei diesen Ansätzen
ist oft ungenau. Um einen variablen Schalter zu erzielen, ist es
für gewöhnlich eine
sehr große
optische Rückkopplung
erforderlich.
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In
den US-Patentschriften 5,621,829 von Ford sowie 5,524,153 und 5,177,348
von Laor werden bekannte optische Schaltsysteme beschrieben. In
einer Ausführungsform
des Systems von Ford werden zwei Prismen mit Scannmechanismen verbunden,
die die Prismen drehen. Zum System gehören auch ein fest montierter
Spiegel. Das Licht aus den Eingangswellenleitern wird von den Prismen
umgeleitet und von dem fest montierten Spiegel zu einem bestimmten
Ausgangswellenleiter reflektiert. Die Drehungen der Prismen bestimmen
die optische Kopplung zwischen den Eingangswellenleitern und den
Ausgangswellenleitern. In einer anderen Ausführungsform wird die Funktion
der drehbaren Prismen und des fest montierten Spiegels von einem
drehbaren Spiegel übernommen.
Die Manipulation des drehbaren Spiegels bestimmt also die optische Kopplung
zwischen den Eingangs- und Ausgangswellenleitern. Bei dem Laor-System
kann ein Modul aus Eingangswellenleitern fest montierte und bewegliche
Spiegel zur Umlenkung abgegebener optischer Signale umfassen. Ein
Problem dabei ist, daß die physikalischen
Anforderungen der Spiegel den Mitte-Mitte-Abstand der optischen
Wellenleiter einschränken.
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In
WO 00/20899 wird ein optischer Schalter mit mehreren optischen Eingängen, einem
fest montierten Spiegel, mehreren drehbaren Spiegeln und mehreren
optischen Ausgängen
beschrieben, wobei der fest montierte Spiegel und die drehbaren
Spiegel derart angeordnet sind, daß ein Lichtweg von den Eingängen zu
den Ausgängen
gebildet wird, wobei jeder Lichtweg eine Reflexion von dem fest
montierten Spiegel zu mindestens zwei drehbaren Spiegeln umfaßt.
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Es
besteht Bedarf an einem optischen Schalter und einem Schaltverfahren,
der bzw. das eine große
Wellenleiterdichte zuläßt und keine
erhöhten
Herstellungstoleranzen erfordert, um einen optischen Eingangsleiter
mit einem beliebigen einer Menge alternativer optischer Ausgangsleiter
zu kuppeln.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegenden Erfindung stellt einen optischen Schalter nach Anspruch
1 und ein Verfahren zum Schalten optischer Signale nach Anspruch
6 bereit.
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Ein
optischer Schalter nutzt „Spiegelzusammenstellungen" (d.h. Stützstrukturen
mit einzeln bedienbaren, drehbaren Spiegeln auf einer Seite und einer
fest montierten Spiegelanordnung auf der anderen Seite), um eine
einfach zu skalierende Anordnung für die effektive Kopplung optischer
Eingänge mit
alternativen optischen Ausgängen
bereitzustellen. In der bevorzugten Ausführungsform werden einzelne
Spiegelzusammenstellungen mit mindestens einem fest montierten Spiegel
und mindestens zwei drehbaren Spiegeln, die den Lichtweg definieren,
in jeder Reflexion von einem optischen Eingang zu einem optischen
Ausgang verwendet. Die Einstellung des ersten vorliegenden drehbaren
Spiegels bestimmt den optischen Zielausgang, während durch die Manipulation
des zweiten drehbaren Spiegels der gewünschte Winkel für die Erzielung
einer Kopplung mit einem optischen Zielausgang unter getingem Verlust
eingestellt wird.
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Die
optischen Eingänge
können
auch in einer Reihe einzelner Module aus Eingangskollimatoren angeordnet
werden, und die optischen Ausgänge in
der entsprechenden Anzahl Module aus Ausgangskollimatoren, auch
wenn dies nicht entscheidend ist. Ein Lichtstrahl, der von einem
bestimmten Eingangskollimator abgegeben wird, trifft auf einen ersten
fest montierten Spiegel auf, der in einem derartigen Winkel angebracht
ist, daß der
Strahl zu einem ersten Mikrospiegel gelenkt wird, der so montiert ist,
daß er
sich um zwei senkrechte Achsen dreht. Der erste fest montierte Spiegel
und der erste Zweiachsen-Mikrospiegel befinden sich auf separaten Spiegelzusammenstellungen.
Durch Manipulation des ersten Zweiachsen-Mikrospiegels wird der Strahl zu einem
bestimmten zweiten Zweiachsen-Mikrospiegel umgelenkt, der dem Ausgangszielkollimator zugeordnet
ist. Der reflektierte Strahl von dem zweiten Zweiachsen-Mikrospiegel
trifft auf einem zweiten fest montierten Spiegel auf, der den Strahl
zu dem Ausgangszielkollimator umlenkt. In der bevorzugten Ausführungsform
verläuft
der Strahlenweg des ersten fest montierten Spiegels zu dem ersten
Mikrospiegel senkrecht zur Vorderseite des Eingangskollimatorfeldes,
wohingegen der Strahlenweg des zweiten Mikrospiegels zu dem zweiten
fest montierten Spiegel senkrecht zur Vorderseite des Ausgangszielkollimatorfeldes
verläuft.
Die fest montierten Spiegel sind also in einem 45°-Winkel zu
den zugehörigen Modulen
angeordnet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
werden die Lichtstrahlen aus den Eingangskollimatoren von einem
ersten Zweiachsen-Mikrospiegel reflektiert, bevor sie auf dem ersten
fest montierten Spiegel auftreffen. Verglichen mit der ersten Ausführungsform hat
diese Ausführungsform
den Nachteil, daß sich der
Modulabstand vergrößert, da
die Länge
des fest montierten Spiegels erweitert werden muß, um den Winkelbereich des
Lichtstrahls einzufangen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform
ist jedoch, daß die
Mikrospiegelgröße nicht
von dem Winkel des fest montierten Spiegels abhängt. Beispielsweise kam ein
keilförmiger
Abstandshalter zwischen den ersten fest montierten Spiegel und den
ersten Zweiachsen-Mikrospiegel befestigt werden. Dies bewirkt, daß sich der Winkelbereich
des Lichtstrahls, der von dem fest montierten Spiegel abgeht, um
einen Strahl zentriert, der nicht senkrecht zum Eingangskollimator
steht, von dem der Strahl ausging. Diese Ausführungsform hat den weiteren
Vorteil, daß der
Strahlenweg zwischen dem Eingangskollimatorfeld und dem Feld von ersten
Zweiachsen-Mikrospiegeln
im Vergleich zur ersten Ausführungsform
verkürzt
wird, so daß die mechanische
Ausrichtung der zwei Strukturen vereinfacht wird.
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In
einer dritten Ausführungsform
richtet sich der mögliche
Winkelbereich der Lichtstrahlen dauerhaft auf die Mitte der sich
gegenüberliegenden
Modulanordnungen von Kollimatoren. In dieser Ausführungsform
sind die Module symmetrisch um die Mitte des optischen Schalters
angeordnet. Ein Lichtstrahl aus einem Feld Eingangskollimatoren
trifft auf einem fest montierten Spiegel auf und bewegt sich von
der Mitte des optischen Schalters hin zu einem zugeordneten Zweiachsen-Mikrospiegel.
Vorzugsweise trifft der optische Strahl die Fläche des ersten Mikrospiegels
senkrecht zur Fläche,
die das Feld erster Zweiachsen-Mikrospiegel stützt. Bei mindestens einigen der
Spiegelzusammenstellungen werden die Mikrospiegelfelder in Relation
zu den fest montierten Spiegeln gedreht. Ein Vorteil dieser Ausführungsform
ist, daß die
sich gegenüberliegenden
Kollimatormodule das Sichtfeld jedes Mikrospiegels vollständig ausfüllen. Eine
unkomplizierte Änderung
dieser Ausführungsform
wäre, die
Spiegelzusammenstellungen derart auszurichten, daß die Strahlen
zur Schaltermitte wandern (und nicht von der Schaltemitte weg), nachdem
sie auf dem ersten fest montierten Spiegel aufgetroffen sind. Dieser
Aufbau hat den Vorteil, daß die
Länge des
optischen Strahlenwegs reduziert wird, aber auch den Nachteil, daß die Mikrospiegelfelder
schräg
zu den Strahlenwegen ausgerichtet werden müssen, wodurch größere Mikrospiegel
erforderlich werden.
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Ein
Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der fest montierte Spiegel
auf einer Seite einer Spiegelzusammenstellung die Strahlenwege knickt,
so daß die
Mikrospiegelfelder sehr nah an den Kollimatorfeldern angebracht
werden können.
Dadurch wird gewährleistet,
daß sich
der Großteil
der optischen Strahlenweglänge
zwischen den zwei Mikrospiegelfeldern befindet. Durch Zusammenfügung der
einzelnen fest montierten Spiegel mit jeweils einem Mikrospiegelfeld
zu nur einer Struktur, läßt sich
der Abstand zwischen den Modulen verringern. Durch die Verwendung
von Spiegelzusammenstellungen erhöht sich also die Höchstzahl
der optischen Eingänge und
der optischen Ausgänge
für Lichtstrahlen
mit definierten Taillen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines optischen
Schalters mit Spiegelzusammenstellungen gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine Draufsicht des optischen Schalters von 1.
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3 ist
eine Draufsicht zweier Kollimatormodule von 2.
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4 ist
eine graphische Darstellung zweier Crossconnect-Größen als
Funktion der Kollimatoranzahl in jedem Kollimatormodul.
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5 ist
eine Draufsicht zweier benachbarter Eingangskollimatormodule gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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6 ist
eine Draufsicht eines optischen Schalters gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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7 ist
eine Draufsicht eines Beispiels für ein Mikrospiegelfeld, das
mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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8 ist
eine Seitenansicht eines der Mikrospiegel von 7,
der mit einem Antriebssubstrat mit Aktoren für die Manipulation des Mikrospiegels
um zwei Achsen verbunden ist.
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9 ist
eine Draufsicht, die das Aktorenpaar für die Manipulation des Mikrospiegels
von 8 einzeln darstellt.
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10 ist
eine untere Ansicht eines Antriebselements von 8,
die vertikal ausgerichtete Antriebselektroden und horizontal ausgerichtete
Levitatorelektroden darstellt.
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11 ist
eine Seitenansicht des Antriebselements und Antriebssubstrats von 8,
die die Spannungsmuster entlang den Antriebselektroden zu einem
gegebenen Zeitpunkt darstellt.
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12 ist
eine Endsicht einer Anordnung der Levitatorelektroden auf einem
Antriebselement und Antriebssubstrat von 8, die die
möglichen Spannungsmuster
entlang den Levitatorelektroden anzeigt.
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13 ist
eine Draufsicht eines Mikroprozeßors mit elektrostatisch angetriebenen
Motoren, die einen Mikrospiegel um zwei Achsen bewegen.
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14 ist
eine Draufsicht eines der Antriebselemente und eines Rahmens des
Mikroprozeßors von 13.
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15 ist
eine Seitenansicht des Antriebselements und des Rahmens von 14 in
einer Ruheposition.
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16 ist
eine Seitenansicht des Antriebselements und des Rahmens von 15 in
einem Betriebszustand.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Mit
Bezug auf 1 weist ein optischer Schalter 10 eine
Anzahl Module 12, 14 und 16 von Eingangskollimatoren
und eine übereinstimmende Anzahl
Module 18, 20, 22 und 24 von
Ausgangskollimatoren auf. In der perspektivischen Darstellung von 1 werden
nur drei der Eingangskollimatormodule gezeigt. Die Module 12–16 werden
mit Eingangskollimatoren und die Module 18–24 mit
Ausgangskollimatoren beschrieben. Dies ist jedoch nicht wesentlich.
Bei den einzelnen optischen Leitern innerhalb der Module kann es
sich um bidirektionale Elemente handeln, so daß sich die Lichtstrahlen in
beide Richtungen ausbreiten. Ferner ist die Verwendung von Kollimatoren
nicht zwingend, wenn ein anderes Mittel zur Steuerung der Strahlenaufweitung
verfügbar
ist.
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Jedes
der Module 12–24 umfaßt ein 4 × 3-Kollimatorfeld.
Bei einem herkömmlicheren
Ansatz wird ein 4 × 4-Feld
gewählt,
die Anordnung der Kollimatoren innerhalb eines Moduls ist jedoch
nicht ausschlaggebend. Beim Betrieb wird jeder Kollimator mit einem
optischen Wellenleiter, wie Eingangswellenleiter 26 und 28 und
Ausgangswellenleiter 30, 32, 34 und 36,
verbunden. Der optische Schalter 10 funktioniert derart,
daß sich
ein optisches Signal, das sich entlang einem der Eingangswellenleiter 26 und 28 ausbreitet,
zu einem beliebigen der Anzahl von Ausgangswellenleitern 30–36 lenken
läßt. In 1 beispielsweise
wird ein Lichtstrahl 38 von einem Eingangskollimator, der
mit dem Wellenleiter 26 verbunden ist, an den Ausgangskollimator,
der mit dem Wellenleiter 36 verbunden ist, übertragen.
Die Kollimatormodule sind zwar so dargestellt, daß sie mit
nur einem Wellenleiter verbunden sind, es sind jedoch zwölf Wellenleiter
mit jedem Modul gekoppelt.
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Die
optische Kopplung zwischen einem Eingangswellenleiter 26 und 28 und
einem Ausgangswellenleiter 30–36 wird durch Verwendung
von Spiegelzusammenstellungen 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60 und 62 erzielt.
Die Spiegelzusammenstellungen weisen jeweils ein Feld Mehrfachachsen-Mikrospiegel
auf einer ersten Seite und eine Anordnung fest montierter Spiegel
auf einer zweiten Seite auf. Bei der Anordnung fest montierter Spiegel kann
es sich um eine durchgängige
Schicht eines reflektierendes Materials handeln, wie beispielsweise Gold.
Wahlweise kann es sich bei der Anordnung fest montierter Spiegel
um ein Feld einzelner reflektierender Elemente handeln. Während die
Anordnung fest montierter Spiegel meist planar ist, kann die Anordnung
derart konfiguriert sein, daß eine
gewisse optische Manipulation, wie beispielsweise eine Bündelung,
möglich
ist.
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Die
Mikrospiegel 64 drehen sich um eine senkrechte Achse. In 1 wird
der Lichtstrahl 38 durch die Drehung des Mikrospiegels,
der zuerst von dem Lichtstrahl getroffen wird (d.h. der Mikrospiegel der
Spiegelzusammenstellung 42), über eine waagrechte Mikrospiegelreihe
in der Spiegelzusammenstellung 56 hinweg bewegt, wenn sich
die Drehung um eine vertikale Achse vollzieht (d.h. die y-Achse). Wenn
die Drehung desselben Mikrospiegels jedoch um die horizontale Achse
erfolgt, so wird der Lichtstrahl 38 über eine senkrechte Mikrospiegelreihe
in der Spiegelzusammenstellung 56 hinweg bewegt. Vorzugsweise
reicht die Drehung um die y-Achse jedoch aus, um den Lichtstrahl 38 auf
die Mikrospiegel von mehr als einer der Spiegelzusammenstellungen zu
lenken. Beispiele von in der Erfindung zu verwendenden Mikrospiegeln
werden im Folgenden genauer beschrieben.
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Fachleuten
ist bekannt, daß optische
Kollimatoren den Strahl von einem Eingangswellenleiter 26 und 28 aufweiten
und eine gewisse Bündelung
bereitstellen. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet
sich die kleinste Taille eines Lichtstrahls 38 in etwa
der Hälfte
zwischen der Menge Eingangskollimatormodule 12–16 und
der Menge Ausgangskollimatormodule 18–24. Kollimatoren,
die den Lichtstrahl etwa 1 mm aufweiten, können ver wendet werden. Zwar
werden in der Ausführungsform
in 1 vier Eingangskollimatormodule verwendet, die
Anzahl der Module wird jedoch durch die gewünschte Anwendung, den Winkelbereich
der Mikrospiegel 64 und die größte Länge des optischen Strahlenweges
bestimmt.
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Nachdem
der Kollimator einen Lichtstrahl aus einem optischen Wellenleiter 26 und 28 aufgeweitet
hat, trifft der Strahl auf einem ersten fest montierten Spiegel
von einer der Spiegelzusammenstellungen 40–62 auf.
Die Spiegelzusammenstellungen können
Substrate mit einzeln zugreifbaren Mikrospiegeln auf einer ersten
Seite und einer Goldbeschichtung auf einer polierten zweiten Seite
sein. Bei dem Substrat kann es sich um ein Siliziumplättchen handeln.
Der fest montierte Spiegel ist vorzugsweise in einem 45°-Winkel zur
Vorderseite des Eingangskollimatormoduls 12, 14 und 16 angeordnet,
so daß der
Lichtstrahl von dem fest montierten Spiegel reflektiert wird und
sich parallel zur Vorderseite des Moduls bewegt.
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Vom
fest montierten Spiegel aus trifft der Lichtstrahl auf einen ersten
Zweiachsen-Mikrospiegel 64 auf.
Jeder der Mikrospiegel der Spiegelzusammenstellung 42 gehört zu einem
bestimmten Kollimator des Moduls 12. Entsprechend gehört jeder
Mikrospiegel der Spiegelzusammenstellung 44 zu einem bestimmten
Kollimator des Eingangskollimatormoduls 14, und jeder Mikrospiegel
auf der Spiegelzusammenstellung 48 gehört zu einem bestimmten Kollimator
des Eingangskollimatormoduls 16. Also lenkt jeder Mikrospiegel
in einem Mikrospiegelfeld einen Lichtstrahl seines funktionszugehörigen Kollimators. Ein
Mikrospiegelfeld befindet sich in einem etwa 45°-Winkel zu seinem zugehörigen Kollimatorfeld. Der
Teil des Strahlenweges von dem fest montierten Spiegel zu dem Mikrospiegel
ist also parallel zur Vorderseite des Moduls 12, während der
Teil des Strahlenweges von dem ersten Mikrospiegel zu dem zweiten
Mikrospiegel senkrecht zur Vorderseite des Moduls stehen würde, wenn
sich der Mikrospiegel in einer Ruheposition befindet.
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Durch
eine genaue Positionierung des ersten Mikrospiegels 64 wird
der Lichtstrahl 38 auf einen zweiten Zweiachsen-Zielmikrospiegel 66 von
einem der Spiegelzusammenstellungen 52–62 gelenkt. Der zweite
Zielmikrospiegel 66 gehört
zu einem bestimmten Ausgangskollimatormodul 18, 20, 22 und 24. Ähnlich den
ersten Mikrospiegeln 64, sind die zweiten Mikrospiegel 66 innerhalb
eines bestimmten Feldes jeweils eins zu eins mit den Kollimatoren
in dem funktionszugehörigen
Ausgangskollimatormodul verbunden. Die zweiten Mikrospiegel werden
durch Drehung um die x- und y-Achse derart positioniert, daß gewährleistet
wird, daß der
Lichtstrahl 38 den zugehörigen Kollimator in einem Winkel
trifft, der zusichert, daß eine
Kopplung mit den Ausgangslichtwellenleitern 30, 32, 34 und 36 mit
geringem Verlust entsteht. Für
eine optimale Kopplung sollten die ersten und zweiten Mikrospiegel
derart angeordnet werden, daß der
Lichtstrahl, der von den Eingangswellenleitern 26 und 28 ausgesendet
wird, demselben Weg folgt, dem ein Lichtstrahl folgen würde, wenn
er von dem Ausgangswellenleiter emittiert werden würde.
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Nachdem
der Lichtstrahl 38 von dem zweiten Mikrospiegel 66 reflektiert
wurde, bewegt er sich in etwa parallel zur Vorderseite des Ausgangskollimatormoduls 18, 20, 22 und 24.
Der Lichtstrahl trifft dann auf einen zweiten fest montierten Spiegel,
der sich auf einer Seite einer anderen Spiegelzusammenstellung 52–62 befindet.
Der Lichtstrahl wird von einem zweiten fest montierten Spiegel so
umgelenkt, daß er
auf dem Ausgangszielkollimator auftrifft. Daher breitet sich der
Strahl zum gewünschten
Ausgangswellenleiter 30, 32, 34 und 36 aus.
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2 ist
eine Draufsicht des optischen Schalters von 1, aber
mit zusätzlichen
Eingangskollimator- und Ausgangskollimatormodulen. Die vier Innenleitungen,
die sich innerhalb der einzelnen Module horizontal erstrecken, stellen
die Kollimatoren der obersten Reihe innerhalb des Moduls dar. Wie
oben beschrieben werden die Lichtstrahlen von einem Eingangsmodul,
wie beispielsweise Modul n + 1, von einem fest montierten Spiegel
einer ersten Spiegelzusammenstellung 68 reflektiert, von
einem ersten Mikrospiegelfeld einer zweiten Spiegelzusammenstellung 40 gelenkt,
von einem zweiten Mikrospiegel einer dritten Spiegelzusammenstellung 70 genau
positioniert und von einem fest montierten Spiegel einer vierten
Spiegelzusammenstellung 72 reflektiert, um einen Zielkollimator
eines Zielmoduls, wie beispielsweise Modul m + 2, zu erreichen.
Dies ist der Weg, dem der Strahl 74 in 2 folgt.
Zwei weitere Beispiele für
die Ausbreitung von Lichtstrahlen 76 und 78 sind
ebenfalls dargestellt.
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Wenn
die Mikrospiegelfelder direkt vor die benachbarten Kollimatormodule
positioniert werden, lassen sich die Module eng aneinanderreihen.
Einer der wichtigsten Tests für
die Raumeffizienz bei der Anordnung von Modulen ist die Bestimmung
des Prozentsatzes des Gesamtsichtwinkels eines jeden Übertragungs-
(also Eingangs-) mikrospiegels, der von den Empfangs- (also Ausgangs-)
mikrospiegeln eingenommen wird. Idealerweise besitzt ein optischer
Crossconnect-Schalter genau so viele Eingangsports, wie für die entsprechende
Anwendung erfordert werden. Leider wird die Höchstzahl der Ports durch die
kleinste Strahlentaille, den Winkelbereich der Mikrospiegel, der
Anordnungsdichte der Lichtstrahlen und die Geometrie des optischen Schalters
bestimmt. Die mit Verweis auf 1 und 2 beschriebenen
Spiegelzusammenstellungen verbessern die Schaltergeometrie wesentlich,
wodurch mehr Ports möglich
sind.
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3 ist
eine Draufsicht zweier Eingangskollimatorfelder 80 und 82 mit
Bezeichnungen für
die Geometrien der Elemente. Die Geometrien wirken sich auf die
Gesamtzahl der Ports eines optischen Schalters gemäß der Erfindung
aus. Das Kollimatorfeld 80 wird mit einer Länge Lf dargestellt. Diese Länge hängt von der Anzahl der Kollimatoren
und dem Abstand der Kollimatoren innerhalb jeder Reihe des Feldes
ab. Leider entspricht die Länge
Lf nicht der Gesamtlänge
Lmod, die für ein der Kollimatorfelder und
seine zugehörigen
Spiegelzusammenstellungen 84 und 86 erforderlich
ist. Zusätzlicher
Raum wird für die
Berücksichtigung
von zwei Effekten benötigt.
Erstens müssen
die Kollimatorfelder 80 und 82 so weit voneinander
beabstandet sein, daß die
Breite Wm der Spiegelzusammenstellungen 84 und 86 aufgefangen werden
kann. Zweitens müssen
die benachbarten Spiegelzusammenstellungen 84 und 86 so
weit voneinander beabstandet sein, daß gewährleistet ist, daß der fest
montierte Spiegel 88 den Lichtstrahl 90 aus den
Mikrospiegeln 92 in dem Feld nicht ablenkt. Die zusätzliche
Länge Lg ist eine Funktion des Winkels α, in dem
der Lichtstrahl gebeugt ist, der Gesamtlänge Lm der
Spiegelzusammenstellung und des Winkels β, den die Spiegelzusammenstellung
in Bezug auf die Ebene parallel zur Vorderseite des Kollimatorfeldes
bildet.
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4 ist
eine graphische Darstellung der Gesamtzahl von Eingangs- und Ausgangsports,
die bei Anwendung der Geometrie von 3 verwendet werden
können.
Der Graph der Portanzahl wird als Funktion der Anzahl von Kollimatoren
pro Modul dargestellt. Die Gesamtzahl der Ports hängt nur
von der Anzahl der Kollimatoren in jedem Modul in horizontaler Richtung
ab. Dieser Graph berücksichtigt
die folgenden Annahmen: (1) Die größte Strahlentaille beträgt 0,5 mm;
(2) Die Dicke der Spiegelzusammenstellung (Wm)
beträgt
3 mm; und (3) Die Mikrospiegel besitzen einen Drehbereich von zehn
Grad in jede Richtung ab der Mitte. Ein Abstandsfaktor (k) legt
den Abstand zwischen den nächsten
benachbarten Strahlen in Bezug zur kleinsten Strahlentaille fest. Der
Abstandsfaktor k = 8 entspricht dem Abstand, der vorhanden wäre, wenn
im Handel erhältliche GRIN-Linsen
zur Kollimation der Strahlen verwendet werden würden, und der Abstandsfaktor
k = 4,24 den Kollimator- und Spiegelgrößen entspricht, die dreimal so
groß sind
wie die Strahlentaille an dem Kollimator.
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4 stellt
eine Reihe relevanter Eigenschaften dar. Insbesondere gibt es eine
Palette Modulgrößen, die
die größtmögliche Portanzahl
zulassen. Bei großen
Abständen
zwischen den Lichtstrahlen (k = 8) können Schaltergrößen von über 3000 × 3000 mit
Modulen erreicht werden, deren Breite zwischen zwei und sieben Kollimatoren
entspricht. Durch diese Geometrie wird die dreifache Portanzalil im
Vergleich zur in 1 dargestellten Geometrie möglich. Die
Grafik in 4 zeigt ebenfalls, wie wichtig
es ist, die Strahlen so nah wie möglich aneinander zu reihen.
Durch Verringerung des Strahlenabstandes um das 3-fache der größten Taille
bzw. das 4,2-fache der kleinsten Taille erscheinen Schalter mit 11000 × 11000
Ports möglich.
Es erscheint ebenfalls besser, in diesem Fall Module zu verwenden,
die fünf bis
fünfzehn
Kollimatoren umfassen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Graphen
in 4 nur Schätzungen
sind, und daß sie
von der Breite der Spiegelzusammenstellungen, dem Winkelbereich der
Mikrospiegel und der Schaltergeometrie abhängen.
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5 stellt
eine weitere Ausführungsform dar.
In dieser Ausführungsform
trifft ein Lichtstrahl 94 von einem Kollimatormodul 96 und 98 auf
einem Mikrospiegel auf, bevor er von einem fest montierten Spiegel
reflektiert wird. Bei jeder der Spiegelzusammenstellungen 100 und 102,
die in 5 dargestellt werden, befinden sich also die Mikrospiegelfelder 104 und 106 neben
dem zugehörigen
Kollimatorfeld, wobei die fest montierten Spiegel 108 und 110 sich auf
der Rückseite
in Bezug auf die Eingangskollimator befinden. Der Vorteil dieser
Architektur besteht darin, daß der
Strahlenweg zwischen den Kollimatoren und den Mikrospiegeln im Vergleich
zu der oben beschriebenen Ausführungsform
verkürzt
wird. Dadurch wird die mechanische Ausrichtung der beiden Strukturen
vereinfacht. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Größe des Mikrospiegels nicht
von dem Winkel des fest montierten Spiegels abhängt. Daher kann ein keilförmiger Abstandshalter
zwischen dem fest montierten Spiegel 108 und dem Mikrospiegelfeld 104 angebracht
werden. Dies würde
bewirken, daß sich
der Winkelbereich der Lichtstrahlen 94, die von den fest
montierten Spiegeln 108 und 110 abgehen, um einen
Strahl zentriert, der nicht senkrecht zum Kollimatorfeld ist. Ein
Nachteil der Ausführungsform von 5 wäre andererseits,
daß sich
die Gesamtlänge
Lmod vergrößert, da die fest montierten
Spiegel 108 und 110 verlängert werden müssen, um
den Winkelbereich des Lichtstrahls aufzufangen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung wird in 6 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind
die Module symmetrisch um die Mitte des optischen Schalters angeordnet.
Daher trifft ein Lichtstrahl von einem Eingangskollimator auf den
fest montierten Spiegel und bewegt sich von der Schaltermitte weg.
Beispielsweise trifft der Lichtstrahl 112 auf einen fest
montierten Spiegel einer ersten Spiegelzusammenstellung 114 auf
und wird abwärts
(nach der Orientierung in 6) zu einem
Mikrospiegel einer zweiten Spiegelzusammenstellung 116 gelenkt.
Andererseits wird der Lichtstrahl 118 durch einen fest montierten
Spiegel einer Spiegelzusammenstellung 120 aufwärts (nach
der Orientierung in 6) zu einem Mikrospiegel einer
weiteren Spiegelzusammenstellung 122 gelenkt. Im Gegensatz
zur Reflexion an der Eingangsseite des optischen Schalters, lenkt
die Reflexion an der Ausgangsseite die Strahlen 112 und 118 zur
Schaltermitte. Daher reflektieren die Mikrospiegel der Spiegelzusammenstellungen 124 und 126 die
Strahlen 112 und 118 zur Mitte der Menge Ausgangsmodule.
Ein Vorteil der Ausführungsform
in 6 ist, daß die
Lichtstrahlen vorrangig in einem senkrechten Winkel zur Feldfläche auf
die Flächen der
Mikrospiegelfelder auftreffen. Eine unkomplizierte Änderung
der Anordnung wäre,
die Spiegelzusammenstellungen derart auszurichten, daß die Strahlen zur
Schaltermitte an der Eingangsseite und weg von der Schaltermitte
an der Ausgangsseite wandern, nachdem sie reflektiert wurden. Diese Änderung
hätte den
Vorteil, daß die
Länge des
Strahlenwegs verringert werden würde.
Der Nachteil liegt jedoch darin, daß die Mikrospiegelfelder schräg zu den
Strahlenwegen ausgerichtet wären,
und daher größere Mikrospiegel
erforderlich wären.
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In 6 können Strahlen
von jedem der Mikrospiegelfelder auf der Eingangsseite zu einem
beliebigen Mikrospiegelfeld auf der Ausgangsseite umgelenkt werden.
Im allgemeinen sollten die Mikrospiegelfelder in der Mitte des Schalters,
wie beispielsweise die Spiegelzusammenstellungen 114 und 116 in 6 oder
die Spiegelzusammenstellungen 40 und 42 in 2,
so ausgerichtet sein, daß, wenn
ein Mikrospiegel in die Mitte seines Bewegungsbereichs positioniert
wird, der diesem Mikrospiegel zugewiesene Lichtstrahl zur Mitte
des Feldes Ausgangsmodule gelenkt wird. Stimmen die Winkel aller
Mikrospiegelfelder überein,
wie beispielsweise in der Ausführungsform
in 2, so wird der Lichtstrahl, der einem Mikrospiegel
zugewiesen ist, der weit von der Mitte des Schalters entfernt ist,
nicht zur Mitte des Feldes von Ausgangsmodulen gelenkt. Angenommen,
daß die
Lenkung hin zur Mitte des Mikrospiegels erfolgt, wenn sich der Mikrospiegel
parallel zur Fläche
der weiteren Spiegelzusammenstellung befindet, wird der Lichtstrahl
von einem Eingangsmodul n – 2
zu dem optischen Ausgangsmodul m – 2, und nicht zu dem Ausgangsmodul
m gelenkt. Die Hälfte
des Winkelbereichs ist für
alle Mikrospiegel, die weit von der Mitte entfernt sind, unmaßgeblich,
da der Lichtstrahl von einem derartigen Mikrospiegel bis um fünfzig Prozent
der Mikrospiegel-Drehwinkel
außerhalb
des Bereichs des Ausgangsfeldes gelenkt wird. Im Gegensatz dazu
läßt die Ausführungsform
in 6 die volle Drehreichweite jedes zu verwendenden
Mikrospiegels zu. Die Spiegelzusammenstellungen 122 und 128 drehen
sich in Relation zu den anderen Spiegelzusammenstellungen. Auf diese
Weise wird der Lichtstrahl von einem Mikrospiegel am Ende der Mikrospiegelzusammenstellungen 122 und 128 zur
Mitte der Ausgangsseite gelenkt, wenn sich dieser Mikrospiegel in
der Mitte seines Bewegungsbereichs befindet. Dementsprechend drehen
sich die Ausgangsspiegelzusammenstellungen 124 und 126 an
den entgegengesetzten Enden der Mitte in Bezug auf die Spiegelzusammenstellungen
auf der gleichen Seite. Die Spiegelzusammenstellungen 122, 124, 126 und 128 weisen
keilförmige
Abstandshalter zwischen der Seite mit dem fest montierten Spiegel
und der Seite mit dem Zweiachsen-Mikrospiegel auf. Eine Einschränkung bei
der Anordnung von 6 ist, daß die Größe der Mikrospiegel und der
Abstand nahe den Rändern
des optischen Schalters möglicherweise
geändert
werden müssen,
da sich das Mikrospiegelfeld nicht mehr länger in einem 45°-Winkel zu
den Lichtstrahlen, die von den fest montierten Spiegeln stammen,
befindet. Jedoch würde
durch eine wechselnde Anordnung der fest montierten Spiegel und der
Mikrospiegelfelder, wie oben erwähnt,
gewährleistet
werden, daß der
Abstand der Mikrospiegel bei allen Modulen gleich bleiben könnte.
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BEISPIELE FÜR MIKROSPIEGELANORDNUNGEN
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7 ist
eine Draufsicht eines beispielhaften Feldes mit sechzehn Mikrospiegeln 150,
die auf einem Mikrospiegelsubstrat 152 aufgereiht sind. 8 ist
eine Seitenansicht eines der Mikrospiegel und des Mechanismus für die Manipulation
der Mikrospiegeldrehungen. 9 ist eine
Draufsicht des Mechanismus für
die Manipulation der Mikrospiegeldrehungen. Mit Bezug auf 7 wird
jeder Mikrospiegel durch erste und zweite Drehstäbe 156 und 158 mit
einem Ringelement 154 verbunden. Die Positionen der Drehstäbe legen
die erste Drehachse des Spiegels 150 fest. In der Orientierung
von 7 ist die erste Achse die x-Achse. Das Ringelement 154 ist
durch dritte und vierte Drehstäbe 160 und 162,
die die zweite Achse bestimmen (d.h. die y-Achse) mit dem Substrat 152 verbunden.
In der Seitenansicht von 8 sind nur die dritten und vierten
Drehstäbe
zu sehen.
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Bei
den Drehstäben 156, 158, 160 und 162 handelt
es sich um dünne
Membranbiegeelemente, die zur Verbindung von einzelnen Elementen
verwendet werden. Geeignetes Material für die Drehbiegeelemente wären Siliziumnitrid,
Polysilizium oder einkristallines Silizium. Die Dic ke der Biegeelemente kann
zwischen etwa 1000 Å und
100 μm liegen.
Die Wahl der Dicke hängt
von der erforderlichen Schaltfrequenz ab. Man nimmt an, daß Beschichtungen
aus Siliziumnitrid und Polysilizium sehr resistent gegen periodische
Belastung sind. Da sich die Drehstäbe nur innerhalb der elastischen
Grenzen des Materials drehen, wird durch eine bestimmte Bewegung
der Akteure, die im Folgenden genauer beschrieben wird, dieselbe
Spiegelstellung eingenommen. Wenn sich die Drehstäbe im Ruhezustand
befinden, ist der Mikrospiegel 150 parallel zum festen
Bereich des Mikrospiegelsubstrats 152.
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In 8 kann
man erkennen, daß das
Mikrospiegelsubstrat 152 mit einem Antriebssubstrat 164 verbunden
ist. Wie die Substrate miteinander verbunden werden, ist für die Erfindung
nicht maßgeblich.
In 8 wird ein Silizumstab 166 mit zwei Zwischenschichten 168 und 170 verbunden.
Es können
jedoch auch andere Mechanismen für
die Zusammenfügung der
Substrate verwendet werden. Der Spiegel 150 kann eine Dicke
von etwa 100 Mikron aufweisen. Wie bereits oben erwähnt, ist
die Spiegelkrümmung
ein wesentlicher Faktor, da die Strahlenwege relativ lang sind.
Bei dem 1000 × 1000-Schalter
muß der
Krümmungsradius
des Spiegels mehr als 11 m betragen. Ein derart großer Krümmungsradius
läßt sich
einfach erreichen, da der Spiegel relativ dick ist und hauptsächlich einkristallines
Silizium umfaßt.
Eine dünne Metallschicht 172 wird
auf die belichtete Fläche
des Silizium-Mikrospiegels 150 aufgebracht, um die gewünschten
Reflexionseigenschaften zu erzielen. Ein geeignetes Metall wäre eine
Goldschicht 172 mit einer Dicke von bis zu 2000 Å, so daß die Beanspruchung
des Goldes auf weniger als 150 MPa gesenkt werden kann, um eine
Spiegelkrümmung
von mehr als 11 m zu erreichen. Diese Steuerung der Beanspruchung
ist unkompliziert, wenn viele der bekannten Beschichtungs- und Glühverfahren
verwendet werden.
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Vom
Spiegel 150 ausgehend nach unten erstreckt sich eine Projektion 174.
Durch Verwendung der Projektion kann der Mikrospiegel genau wie
ein Gerät,
das mit einem Steuerhebel gesteuert wird, manipuliert werden. Das
heißt,
wenn ein Druck auf die Projektion 174 ausgeübt wird,
so wird eine Drehung des Mikrospiegels 150 verursacht.
Der Drehgrad und die Drehachse hängen
von dem Bewegungsgrad und der Bewegungsrichtung der Projektion 174 ab.
Für die
Steuerung der Bewegung der Projektion 174 sind zwei Antriebselemente 176 und 178 vorgesehen.
Das Antriebselement 176 ist durch einen Verbindungsstab 180 derart
mit der Projektion verbunden, daß die Projektion sich dreht,
wenn das Antriebselement linear verschoben wird.
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Wird
das Antriebselement 176 aktiviert, so dreht sich der Mikrospiegel 150 relativ
zum Ringelement 154 und dem Mikrospiegelsubstrat 152.
In 7 erfolgt die Drehung um die x-Achse, die von den Steuerstäben 156 und 158 definiert
wird. Das zweite Antriebselement 178 wird elektrostatisch
angetrieben, um das Antriebselement in die Darstellung von 8 hinein
und wieder heraus zu verschieben. Durch die Verschiebung des zweiten
Antriebselements 178 wird also das Ringelement 154 (und
folglich auch der Mikrospiegel 150) um die y-Achse, die von
den Drehstäben 160 und 162 definiert
wird, gedreht.
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Der
für die
Achsendrehung des Mikrospiegels 150 verwendete Motor weist
zwei Elemente auf, einen Stator und einen Umsetzer. In der Ausführungsform
von 8 ist der Stator das Antriebssubstrat 164,
und es gibt zwei Umsetzer, nämlich
die Antriebselemente 176 und 178. Für einige
Anwendungen kann jedoch auch nur ein Antriebselement verwendet werden.
Beispielsweise kann das Ende der Projektion 174 mit nur
einem Antriebselement verbunden werden, das elektrostatisch aktiviert
wird, und eine Bewegung in eine von zwei Richtungen zuläßt. Der
im vorliegenden Dokument beschriebene Motor ist ein elektrostatischer
Flächenaktor,
da die Bewegung parallel zu den Flächen der zwei Elemente verläuft und
die Kraft durch das Anlegen von Spannungen an diese Flächen entsteht.
Elektrostatische Flächenaktore
werden auch in der US-Patentschrift 5,986,381 von Hoen et al beschrieben,
die dem Erwerber der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
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In 9 wird
eine Draufsicht der zwei Antriebselemente 176 und 178 sowie
die Vorrichtungen zur Verbindung der Antriebselemente mit der Projektion 174 dargestellt.
Die Antriebselemente werden oberhalb der Fläche des Antriebssubstrats (nicht
in 9 dargestellt) durch flexible Stabbiegelemente angebracht,
wodurch die Antriebselemente um 100 μm in die gewünschte Bewegungsrichtung verschoben
werden können,
aber die die Antriebselemente aus der Bewegung in andere Richtungen
aufweisen. Jeder der Verbindungsstäbe 180 und 183 muß in Bezug
auf die Verschiebungen entlang der zugehörigen gewünschten Bewegungsachse steif
sein, muß sich jedoch
Verschiebungen anpassen, die senkrecht zur gewünschten Bewegungsachse sind.
Der Verbindungsstab 180, der mit dem Antriebselement 176 verbunden
ist, muß beispielsweise
die Verschiebungen des Antriebselements 176 direkt mit
der Projektion 174 koppeln, und gleichzeitig die Verschiebungen,
die durch die Betätigung
des zweiten Antriebselements 178 entstehen und die Neigung
der Projektion 174, die bei der Verschiebung entsteht,
auffangen. Die Verbindungsstäbe 180 und 183 von 9 werden
durch erste dünne
Biegeelemente 185 und 187 mit den Antriebselementen 176 und 178 verbunden. Entsprechend
werden die Verbindungsstäbe
durch zweite dünne
Biegeelemente 189 und 191 mit den Enden der Projektion 174 verbunden.
Diese Biegeelemente fangen etwas der Projektionsneigung auf. Des
weiteren wird ein Bereich jedes Verbindungsmechanismus dünner gemacht,
so daß er
in Bezug auf die Verschiebungen, die durch die Betätigung des Antriebselements,
dem er nicht zugeordnet ist, verursacht werden, relativ nachgiebig
ist. Dieser dünnere Bereich
ist ebenfalls in Bezug auf die Stäbe relativ nachgiebig, so daß Drehungen
der Projektion aufgefangen werden können.
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Die
unteren Flächen
der Antriebselemente 176 und 178 weisen Elektrodenreihen 182 auf.
Die Elektrodenreihen sind generell mit den Elektrodenreihen 184 entlang
der Oberfläche
des Substrats 164 ausgerichtet. Durch Manipulation der
Spannungsmuster von einer der beiden Elektrodenreihen, die mit einem
Antriebselement verbunden sind, kann das Antriebselement in Bewegung
versetzt werden.
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In 10 wird
eine Ausführungsform
eines Elektrodenmusters auf einem Antriebselement 176 bzw. 178 dargestellt.
Die untere Fläche
des Antriebselements weist zwei voneinander getrennte Elektrodenmengen
auf. Nach der Orientierung von 10 erstrecken
sich die Antriebselektroden 182 parallel zur x-Achse und
die Levitatorelektroden 186 parallel zur y-Achse. Ähnliche
Elektrodenreihen sind in den entsprechenden Bereichen des Antriebssubstrats 164 ausgelegt.
Die Antriebselektroden 182 sind senkrecht zur Bewegungsrichtung
ausgerichtet und werden verwendet, um das Antriebselement in die Bewegungsrichtung
zu positionieren. Werden geeignete Spannungsmuster an diese Antriebselektroden angelegt,
erzeugen die Elektroden eine Reihe von Potentialsenken, die sich
in der Antriebselementposition periodisch wiederholen.
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Ein
Spannungsmuster für
die Antriebselektroden wird in 11 dargestellt.
Die Elektroden sind derart konfiguriert, daß es für jeweils sechs Antriebselektroden 182 auf
dem Antriebselement 176 sieben Antriebselektroden 184 entlang
dem Substrat 164 gibt. Die Antriebselementelektroden besitzen Spannungsmuster,
die räumlich
alternieren. Das heißt,
daß, wenn
eine bestimmte Elektrode eine Spannung von 12 V besitzt, die nächste Nachbarelektrode
eine Spannung von 0 V erhält.
Dieses Muster wiederholt sich entlang der unteren Fläche des Antriebselements.
Ein ähnliches
Spannungsmuster gilt für
die Substratelektroden 184.
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Das
Substratspannungsmuster weist jedoch eine einmalige Unterbrechung
auf, d.h. eine Stelle, an der das alternierende Muster unterbrochen
wird. Diese Unterbrechung findet in dieser bestimmten Ausführungsform
einmal pro sieben Elektroden statt, es können jedoch auch andere Anordnungen
verwendet werden. Um das Antriebselement 176 zu verschieben,
werden diese Unterbrechungen in die eine oder die andere Richtung
weitergegeben. In 11 wird die Unterbrechung von
einem mittigen Elektrodenpaar gebildet, das unter einer Vorspannung
von 12 V steht. Um die Unterbrechung nach rechts zu verschieben,
wird die Elektrode auf der rechten Seite des mittleren Paares von
12 V auf 0 V geschaltet. Die Unterbrechung würde nun von einem Paar benachbarter
Elektroden gebildet, die beide die Vorspannung 0 V aufweisen. Entsprechend
kam die Unterbrechung auch sukzessiv nach rechts verschoben werden.
Durch Verschiebung der Unterbrechung nach rechts, wird das Antriebselement
nach links verschoben. Die Größe des Verschiebungssprunges wird
von dem Elektrodenabstand entlang dem Antriebselement und von der
Anzahl an Substratelektroden in einer Gruppe bestimmt. Im Einzelnen
ist die Größe des Verschiebungssprunges
der Abstand der Antriebselementelektrode geteilt durch die Anzahl der
Substratelektroden in einer Gruppe. Beispielsweise wird bei der
Spannungsmusterschaltung, die in 11 dargestellt
wird, der Umsetzer bei einem Antriebselementabstand von einem Mikron
um 0,143 Mikron verschoben.
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Ein
weiteres Merkmal dieses elektrostatischen Antriebs ist, daß die Position
des Antriebselements linear von der relativen Spannung, die an die gestörte Elektrode
angelegt wurde, abhängt.
Werden beispielsweise 35% der Antriebsspannung an die gestörte Elektrode
angelegt, so bewegt sich der Umsetzer um 35% des gesamten Sprungabstandes,
oder 50 nm in diesem Fall. Es sei darauf hingewiesen, daß die Position
des Antriebselements durch die gleichmäßige Änderung der Antriebsspannung
für jede Elektrode 182 und 184 nicht
geändert
wird, da sich dadurch nur der Betrag der Kraft, die das Antriebselement
aufbringen kann, ändert.
Ein zweites Merkmal dieser Antriebskonfiguration ist, daß sie für eine vorgegebene
Spannung eine große
Kraft liefert. Die größte Kraft,
die durch Elektrostatik aufgebracht werden kann, ist die Anziehungskraft
zwischen zwei Kondensatorplatten, d.h. Fcap = –∊0 AV2/(2d2), wobei A der Flächenbereich des Kondensators
und d der Abstand zwischen den Platten ist. Die von diesem Motor aufgebrachte
Kraft beträgt
~25% dieser Maximalkraft und wird lateral aufgebracht.
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Wenn
eine Energetisierung stattfindet, bringen auch die Antriebselektroden 182 und 184 eine beträchtliche
Anziehungskraft zwischen dem Antriebselement 176 und dem
Antriebssubstrat 164 auf. Diese Anziehungskraft würde den
Ausbreitungsbereich einschränken,
wenn die Antriebselektroden das einzige elektrostatische Element
wären,
da es einen engen Anziehungskraftbereich gibt, innerhalb welchem die
stützenden
Biegeelemente stabil sind. Wie oben bereits erwähnt, wird das Antriebselement 176 oberhalb
des Substrats 164 vorzugsweise von Biegeelementen gestützt. Werden
Levitatorelektroden (abstoßende
Elektroden) zum System hinzugefügt,
werden die Anziehkräfte
aufgehoben und eine größere Bewegungsfreiheit
sowie viel stärkere
laterale Kräfte möglich. Eine
Konfiguration der Levitatorelektroden ist in 10 und 12 dargestellt.
Der Abstand der Levitatorelektroden auf dem Rotor (d.h. dem Antriebselement 176)
entspricht dem Abstand der Levitatorelektroden auf dem Stator (d.h.
dem Substrat 164). An die Rotorelektroden 186 und
die Statorelektroden (nicht dargestellt) werden Spannungsmuster
angebracht, so daß die
vorgespannten Elektroden auf dem Rotor direkt gegenüber den
vorgespannten Elektroden des Stators positioniert werden. Entsprechend
werden auch die geerdeten Elektroden auf den beiden Flächen einander
direkt gegenüber
positioniert. Durch Auswahl der geeigneten Elektrodenspannungen
und Elektrodenabstände
ist es möglich, eine
abstoßende
Kraft zwischen den beiden Elementen 164 und 176 durch
elektrostatische Spannungen zu erzeugen. Dieser Effekt zeigt sich
auf Grund der Streufelder zwischen den Elektroden. Die Levitatorelektroden,
die in 10 und 12 dargestellt
werden, erzeugen bis zu 30% der Höchstkraft, die von einem Kondensator ähnlicher
Größe geleistet
wird, und die Kraft drückt
die beiden Elemente in diesem Fall direkt auseinander. Die Levitatorelektroden
sind durch das Antriebselement 176 parallel zur Bewegungsrichtung
ausgerichtet. Also bleibt die Kraft, die die Elektroden aufbringen,
während
der lateralen Verschiebung des Antriebselements konstant.
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In 13–16 wird
ein weiteres Beispiel für
einen Mikrospiegelaufbau gezeigt, der im Rahmen der Erfindung verwendet
werden kann. In dieser Ausführungsform
wird eine Seite eines Mikrospiegels 190 durch einen Rahmen 194 in
Relation zu einem Substrat 192 gestützt. Die Struktur des Mikrospiegels kann
sich mit der oben beschriebenen decken. Das heißt, der Mikrospiegel kann aus
einkristallinem Silizium mit einer Dicke von etwa 100 Mikron aufgebaut sein,
der eine dünne
Beschichtung (z.B. 2000 Å)
eines reflektierenden Materials, wie beispielsweise Gold, aufweist.
Der Mikrospiegel ist eine Vorrichtung mit zwei Achsen. Die Ausführungsform
umfaßt
zwei Antriebselemente 196 und 198, die sich parallel
bewegen. Weitere Ausführungsformen
sind derzeit jedoch in der Planungsphase. Beispielsweise können die
Antriebselemente derart an dem Mikrospiegel 190 befestigt
werden, daß die
Mikrospiegel entlang senkrechten Wegen verlaufen. In einer anderen
Ausführungsform
liegt nur ein An triebselement vor, das je nach Aufbringung elektrostatischer
Kräfte
senkrecht verschoben werden kann.
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Jedes
Antriebselement 196 und 198 wird oberhalb des
Substrats 192 durch drei Stabbiegeelemente 200, 202 und 204 gestützt. Jedes
Stabbiegeelement liegt in E-Form vor, wobei die Seitenausläufer mit
dem Substrat verbunden sind und der mittlere Ausläufer mit
dem zugehörigen
Antriebselement verbunden ist. Die Biegeelemente weisen eine Dicke von
2 μm und
eine Tiefe von 100 μm
auf.
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Das
Antriebselement 196 ist mit dem Mikrospiegel 190 durch
einen Spiegelantriebsstab 206 und ein dünnes Membranbiegeelement 208 verbunden. Entsprechend
ist das Antriebselement 198 mit dem Rahmen 194 durch
einen Rahmenantriebsstab 210 und zwei dünne Membranbiegeelemente 212 verbunden.
Die dünnen
Membranbiegeelemente 208 und 212 sind im wesentlichen
mit den Drehstäben 156, 158, 160 und 162 identisch,
die mit Bezug auf 7 beschrieben werden. Die Membranbiegeelemente
sind an den oberen Flächen
der Stäbe 206 und 210 gebildet.
Was in 13 nicht deutlich dargestellt
wird, ist, daß zusätzliche
Membranbiegeelemente entlang den unteren Flächen der Antriebselemente gebildet
sind, um die Antriebselemente mit den Antriebsstäben 206 und 210 zu
verbinden. Bei dem Material kann es sich wiederum um Siliziumnitrid
oder Polysilizium mit einer Beschichtungsdicke von etwa 1000 Å handeln.
Durch das ineinander greifende Muster eines Gelenks, das den Rahmen 194 mit
einem Stützelement 222,
wie in 13 und 14 dargestellt,
verbindet, können
Verdichtungskräfte
und Ziehkräfte
auf das Gelenk wirken. Das heißt,
es können
Kräfte
an beiden Seiten des Gelenks aufgebracht werden, wodurch die beiden
Gelenksseiten auseinander gezogen werden, und es können Kräfte an dem
Gelenk aufgebracht werden, wodurch die beiden Gelenksseiten zusammengedrückt werden.
Das dargestellte Gelenk weist ein T-förmiges Vorsprungselement 218 auf,
das zum Einsatz kommt, wenn das Gelenk Verdichtungskräften unterliegt,
sowie ein zweites Vorsprungselement 220, das zum Einsatz
kommt, wenn das Gelenk Ziehkräften
unterliegt.
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Wie
in 14–16 dargestellt,
sind die Vorsprungselemente 218 und 220 des Gelenks
durch Membranbiegeelemente 224 an das Stützelement 222 gekoppelt.
Das Stützelement 222 ist über eine Verbindungsschicht 226 mit
dem Substrat 192 verbunden. Ein Membranbiegeelement 228 wird
ebenfalls verwendet, um das Antriebselement 198 mit einem
Gelenkbereich 230 des Rahmenantriebsstabs 210 zu
verbinden.
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Die
Anordnung zur Manipulation des Mikrospiegels 190 wird in 15 in
einer Ruheposition dargestellt. Die elektrostatische Flächenanordnung, die
das Antriebselement 198 antreibt, weist eine Elektrodenmenge 214 auf
dem Antriebselement und eine zweite Elektrodenmenge 216 auf
dem Substrat 192 auf. Die Elektrodenmuster stimmen vorzugsweise
mit den mit Bezug auf 10 beschriebenen Mustern überein.
Für jeweils
sechs Antriebselementelektroden 214 gibt es also sieben
Substratelektroden 216. Dabei handelt es sich um die bevorzugte
Ausführungsform,
es können
jedoch auch andere Anordnungen verwendet werden, ohne dabei von
der Erfindung abzuweichen. Bei den Elektrodenmengen 214 und 216 handelt
es sich um Antriebselektroden. Zwar wird dies nicht in den 15 und 16 dargestellt, jedoch
weisen das Antriebselement 198 und das Substrat 192 auch
Leviatorelektroden auf. Das Antriebselement 196 von 13 umfaßt eine ähnliche elektrostatische
Flächenanordnung
zum Anheben und Antreiben des Antriebselements.
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Befindet
sich das Antriebselement 198 in einer Ruheposition, so
ist die reflektierende Fläche
des Mikrospiegels 190 parallel zur oberen Fläche des
Antriebselements. Das heißt,
der Rahmen 194 und der Mikrospiegel befinden sich in den
in 15 dargestellten Positionen. Wird das Antriebselement
jedoch durch Variieren der Spannungsmuster entlang einer oder beiden
Mengen Antriebselektroden 214 und 216 energetisiert,
so bringt das Antriebselement eine Kraft entlang dem Rahmenantriebsstab 210 auf. Durch
Bewegung des Antriebselements nach rechts, dreht die Kraft, die
an dem Rahmenantriebsstab aufgebracht wird, den Rahmen 194 und
den Mikrospiegel aus der Ebene des Antriebselements heraus. Durch
die Membranbiegeelemente 212, 224 und 228 kann
der Rahmen 194 in die Position außerhalb der Ebene, wie in 16 dargestellt,
gedreht werden. Der Mikrospiegel kann sich vorzugsweise um mindestens
20° von
der Ruheposition in 15 aus drehen. Bevorzugter wäre eine
Drehung um mindestens 30°.
In der am meisten bevorzugten Ausführungsform erreicht die Drehung
45°.
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Mit
erneutem Bezug auf 13 entspricht die Bewegung des
Antriebselements 196 im allgemeinen genau der Bewegung
des Antriebselements 198. Es liegt jedoch eine gewisse
zusätzliche
Komplexität
vor. Die Biegeverbindung zwischen dem Spiegelantriebsstab 206 und
dem Mikrospiegel 190 ist schwieriger, da die Verbindung
zwischen dem Antriebselement 196 und dem Mikrospiegel 190 eine gewisse
Verdrehung zulassen muß,
wenn der Mikrospiegel in Bezug auf den Rahmen 194 und das
Substrat 192 gekippt wird. Ein entlasteter Bereich 232 entlang
dem Spiegelantriebstab 206 unterstützt das Biegen, wenn der Mikrospiegel
gekippt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Drehung des Mikrospiegels
durch das Antriebselement 196 nicht angestoßen werden
sollte, wenn der Rahmen 194, der Mikrospiegel 190 und
der Rahmenantriebsstab 210, wie in 15 dargestellt,
auf einer Ebene befinden, da der Rahmenantriebsstab die Bewegung
des Rahmens 194 stört.
Daher sollte der Mikrospiegel also vor der ersten Bewegung des Antriebselements 196 gekippt werden.
Vorzugsweise kann das Antriebselement 196 den Mikrospiegel 190 um
mindestens 20° bewegen.
Bevorzugter wäre
eine Drehung um mindestens 30°.