DE60120097T2

DE60120097T2 - Optischer Schalter mit feste und schwenkbare Spiegel aufweisenden Trägerstrukturen

Info

Publication number: DE60120097T2
Application number: DE60120097T
Authority: DE
Inventors: Storrs T. Palo Alto Hoen
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: EP1220008A2; DE60120097D1; EP1220008A3; US20020181846A1; US6522802B2; JP2002202465A; EP1220008B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft im allgemeinen optische Schalter und insbesondere optische Crossconnect-Schalter mit Mikrospiegeln, die einzeln manipuliert werden.
STAND DER TECHNIK
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegenden Erfindung stellt einen optischen Schalter nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Schalten optischer Signale nach Anspruch 6 bereit.
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.
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.
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.
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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines optischen Schalters mit Spiegelzusammenstellungen gemäß der Erfindung.
2 ist eine Draufsicht des optischen Schalters von 1.
3 ist eine Draufsicht zweier Kollimatormodule von 2.
4 ist eine graphische Darstellung zweier Crossconnect-Größen als Funktion der Kollimatoranzahl in jedem Kollimatormodul.
5 ist eine Draufsicht zweier benachbarter Eingangskollimatormodule gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
6 ist eine Draufsicht eines optischen Schalters gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
7 ist eine Draufsicht eines Beispiels für ein Mikrospiegelfeld, das mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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.
9 ist eine Draufsicht, die das Aktorenpaar für die Manipulation des Mikrospiegels von 8 einzeln darstellt.
10 ist eine untere Ansicht eines Antriebselements von 8, die vertikal ausgerichtete Antriebselektroden und horizontal ausgerichtete Levitatorelektroden darstellt.
11 ist eine Seitenansicht des Antriebselements und Antriebssubstrats von 8, die die Spannungsmuster entlang den Antriebselektroden zu einem gegebenen Zeitpunkt darstellt.
12 ist eine Endsicht einer Anordnung der Levitatorelektroden auf einem Antriebselement und Antriebssubstrat von 8, die die möglichen Spannungsmuster entlang den Levitatorelektroden anzeigt.
13 ist eine Draufsicht eines Mikroprozeßors mit elektrostatisch angetriebenen Motoren, die einen Mikrospiegel um zwei Achsen bewegen.
14 ist eine Draufsicht eines der Antriebselemente und eines Rahmens des Mikroprozeßors von 13.
15 ist eine Seitenansicht des Antriebselements und des Rahmens von 14 in einer Ruheposition.
16 ist eine Seitenansicht des Antriebselements und des Rahmens von 15 in einem Betriebszustand.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 L_f 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 L_mod, 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 W_m 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 L_g ist eine Funktion des Winkels α, in dem der Lichtstrahl gebeugt ist, der Gesamtlänge L_m der Spiegelzusammenstellung und des Winkels β, den die Spiegelzusammenstellung in Bezug auf die Ebene parallel zur Vorderseite des Kollimatorfeldes bildet.
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 (W_m) 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.
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.
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 L_mod vergrößert, da die fest montierten Spiegel 108 und 110 verlängert werden müssen, um den Winkelbereich des Lichtstrahls aufzufangen.
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.
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.
BEISPIELE FÜR MIKROSPIEGELANORDNUNGEN
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. F_cap = –∊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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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°.
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°.

Claims

Optischer Schalter (10) mit: einer Vielzahl von optischen Eingängen (12 und 14; 80 und 82); einer Vielzahl von festen Spiegelanordnungen (88, 108 und 110); einer Vielzahl von schwenkbaren Spiegeln (64, 66, 150 und 190); und einer Vielzahl von optischen Ausgängen (18 und 20); wobei die festen Spiegelanordnungen und die schwenkbaren Spiegel angeordnet sind, um Lichtwege von den Eingängen zu den Ausgängen zu bilden, und jeder Lichtweg eine Reflexion von mindestens einer festen Spiegelanordnung und mindestens zwei schwenkbaren Spiegeln umfaßt; und wobei eine erste Gruppierung von schwenkbaren Spiegeln und eine erste feste Spiegelanordnung auf verschiedenen Seiten einer gemeinsamen Tragstruktur (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60 und 62) angeordnet sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von Tragstrukturen (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60 und 62), wobei jede Tragstruktur eine Gruppierung von schwenkbaren Spiegeln (64, 66, 150 und 190), die entlang einer ersten Oberfläche angeordnet sind, und eine der festen Spiegelanordnungen (88, 108 und 110) auf einer zweiten Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, aufweist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder schwenkbare Spiegel (64, 66, 150 und 190) für eine Bewegung um eine erste und eine zweite Achse angeordnet ist, wobei diese senkrecht zueinander verlaufen.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Eingänge eine Vielzahl von Matrizen von Eingangskollimatoren (12 und 14; 80 und 82) und die optischen Ausgänge eine Vielzahl von Matrizen von Ausgangskollimatoren (18 und 20) aufweisen.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder schwenkbare Spiegel (64, 66, 150 und 190) ein einzeln gesteuerter Mikrospiegel ist.
Verfahren zum Schalten von optischen Signalen von einem aus einer Vielzahl von optischen Eingängen (12 und 14; 80 und 82) zu irgendeinem von ausgewählten optischen Ausgängen (18 und 20) mit den Schritten von: Bereitstellen einer Vielzahl von Gruppierungen von schwenkbaren Spiegeln (64, 66, 150 und 190) und einer Vielzahl von festen Spiegeln (88, 108 und 110), umfassend ein Bereitstellen von Tragstrukturen (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60 und 62), die eine der Gruppierungen auf einer ersten Seite und mindestens einen der festen Spiegel auf einer zweiten Seite aufweisen; und bezogen auf einen Lichtstrahl (38) von irgendeinem der optischen Eingänge die folgenden Schritte von: Reflektieren des Lichtstrahls von den schwenkbaren Spiegeln von mindestens zwei der Gruppierungen und von mindestens einem der festen Spiegel; und Betätigen der schwenkbaren Spiegel, um den Lichtstrahl zu einem ausgewählten der optischen Ausgänge zu leiten.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens der Tragstrukturen (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60 und 62) ein Bilden einer jeden Tragstruktur derart umfaßt, daß diese eine Reflexionsschicht auf der zweiten Seite und eine Matrix von elektrostatisch betätigten Mikrospiegeln (64, 66, 150 und 190) auf der ersten Seite umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Reflektierens des Lichtstrahls (38) und des Betätigens der schwenkbaren Spiegel (64, 66, 150 und 190) umfassen: Leiten des Lichtstrahls von einem der optischen Eingänge (12 und 14, 80 und 82) zu einem ersten der festen Spiegel; Reflektieren des optischen Signals von dem ersten der festen Spiegel (88, 108 und 110) zu einem ersten der schwenkbaren Spiegel; Betätigen des ersten der schwenkbaren Spiegel, um einen Winkel zu bilden, um den Lichtstrahl zu einem ausgewählten zweiten der schwenkbaren Spiegel zu leiten; Reflektieren des Lichtstrahls von dem ersten und ausgewählten zweiten der schwenkbaren Spiegel auf einen zweiten der festen Spiegel; und Reflektieren des Lichtstrahls von dem zweiten der festen Spiegel auf den ausgewählten der optischen Ausgänge (18 und 20), wobei der Schritt des Betätigens des ersten der schwenkbaren Spiegel den ausgewählten der optischen Ausgänge festlegt.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Schritt des Betätigens des ausgewählten der schwenkbaren Spiegel (64, 66, 150 und 190), um eine Kopplung des Lichtstrahls (38) mit dem ausgewählten der optischen Ausgänge (18 und 20) zu verstärken.
Verfahren nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, ferner umfassend Schritte des Anordnens der optischen Eingänge (12 und 14; 80 und 82) in einer Vielzahl von Gruppierungen von Eingangskollimatoren und des Anordnens der optischen Ausgänge (18 und 20) in einer Vielzahl von Gruppierungen von Ausgangskollimatoren.