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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen optische Systeme und
genauer optische Mikropositionierungssysteme, die ein optisches
Element aufweisen, das bezüglich
einer optischen Quelle oder eines optischen Empfängers bewegt oder positioniert
werden kann.
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Allgemeiner Stand der Technik
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In
vielen Anwendungen wird gewünscht,
verschiedene Objekte präzise
auszurichten oder zu mikropositionieren. Wenngleich die Präzision,
mit der die Objekte positioniert werden müssen, je nach der Anwendung
variiert, müssen
die Objekte häufig
in einem Bereich von mehreren Mikrometern bis mehreren zehn Mikrometern
ausgerichtet werden. Eine typische Anwendung, die sich die Mikropositionierung zu
Nutze machen kann, betrifft die Ausrichtung einer Glasfaser wie
einer Einmoden-Glasfaser mit einem anderen elektrooptischen Element
wie einer Laserdiode oder einem Vertical Cavity Surface Emitting
Laser (VCSEL). Durch angemessenes Mikropositionieren der elektrooptischen
Vorrichtung mit der Glasfaser kann ein großer Anteil des optischen Signals
mit der entsprechenden Glasfaser verbunden werden.
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Wenngleich
mehrere Mikropositionierungsvorrichtungen für Glasfasersteckeranwendungen vorgeschlagen
worden sind, besteht noch immer ein Bedarf an Vorrichtungen zur
Glasfaserausrichtung, die verbesserte Mikropositionierungstechniken
einbeziehen. Zum Beispiel werden hinsichtlich der Präzision,
mit der Objekte wie Glasfasern ausgerichtet werden, immer höhere Anforderungen
gestellt. Aus diesem Grund besteht ein Bedarf an präziseren
Ausrichtungsvorrichtungen, die eine zuverlässige und wiederholbare Mikropositionierung
in Bereichen von wenigen Mikrometern bis mehreren zehn Mikrometern
bereitstellen.
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Eine
andere Anwendung, die aus der Mikropositionierung Nutzen ziehen
kann, ist die optische Schaltung. Jüngere Entwicklungen in Informationsnetzwerken
haben eine erhöhte
Nachfrage nach optischen Kommunikationssystemen bereitgestellt,
die eine große
Datenmenge übertragen
können.
In einem Beispiel wird nun die optische Freiraumverbindung benutzt,
um relativ kurze, jedoch schnelle Verbindungen innerhalb von Datenverarbeitungs- oder Kommunikationssystemen
herzustellen. Zu einigen der Vorteile von Freiraumverbindungen gehören direkte
Verbindungen zwischen Schaltplatten, willkürliche Verbindungsmuster, eine
Vielzahl von Ausgangsfächern,
Kanalisolierung und eine erhöhte Bandbreite.
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Optische
Schalter schalten in der Regel Licht aus zum Beispiel einer elektrooptischen
Vorrichtung wie einem VCSEL zu einem von mehreren optischen Empfängern oder
leiten es dorthin um. Die optischen Empfänger können Glasfasern, Resonant Cavity Photo
Detectors (RCPDs) oder jede beliebige andere Art von optischem Empfänger sein.
Einige optische Schalter benutzen eine Linsendezentrierung, um den Lichtstrahl
wunschgemäß zu lenken.
Siehe zum Beispiel "MEMS-Controlled
Microlens Array For Beam Steering and Precision Alignment in Optical
Interconnect Systems",
Tuantranont et al., Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Nilton
Head Island, South Carolina, 4.–8.
Juni 2000 (S. 101–104).
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Eine
wieder andere Anwendung, die sich die Mikropositionierung zu Nutze
machen kann, sind optische Abtastvorrichtungen, die zum Lesen und/oder Beschreiben
von CDs oder dergleichen benutzt werden. Die Mikropositionierung
kann benutzt werden, um die Ausrichtung der optischen Abtastvorrichtungen
bezüglich
der Spuren der CD zu verbessern.
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US-A-5726073 betrifft
eine mikroelektromechanische Mikroaktoranordnung mit zusammengesetzten
Stufen, die zu einer Bewegung entlang einer x-, y- und z-Achse fähig ist,
um integrierte elektromechanische Sensoren und Aktoren zu positionieren, und
aus suspendierten Einkristall-Siliziumstrahlen im Submikronenbereich
hergestellt ist.
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US-A-6091537 betrifft
eine mikrobearbeitete bewegliche Mikrolinsenanordnung, die auf einem
undotierten oder reinen Halbleitersubstrat gebildet ist.
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US-A-5734490 betrifft
eine mikrooptische Komponente, die eine Mikrolinse mit einer Brennachse
und einen Mikrostrahl aufweist, an dem die Mikrolinse einstückig befestigt
ist. Der Mikrostrahl verläuft entlang
einer Achse, die zu der Brennachse der Mikrolinse im Wesentlichen
senkrecht ist, und wird entlang einer Achse, die zu der Brennachse
der Mikrolinse und zu der Achse, entlang der der Mikrostrahl verläuft, im
Wesentlichen senkrecht ist, elastischen Verformungen unterzogen.
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Alle
oben erwähnten
und andere Anwendungen könnten
sich ein verbessertes Mikropositionierungssystem zu Nutze machen.
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Kurzdarstellung
der Erfindung In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt. Die vorliegende
Erfindung stellt ein verbessertes Mikropositionierungssystem bereit,
das ein optisches Element bezüglich
einer optischen Vorrichtung wie einer Laserdiode, einem Vertical
Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) oder einer anderen Art von
optischer Vorrichtung genau positionieren kann. Das optische Element
kann jede beliebige Art von optischem Element umfassen, einschließlich zum
Beispiel einer Linse, eines Filters wie eines Beugungsgitters oder
irgendeiner anderen Art von optischem Element.
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Allerdings
weist das optische Element mindestens ein Beugungsgitter auf, das
mindestens zwei Bereiche aufweist, wobei die optischen Eigenschaften
in den mindestens zwei Bereichen unterschiedlich sind.
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Es
wird ein Mikropositionierungssystem bereitgestellt, das das optische
Element bezüglich
einer Basis selektiv und unabhängig
sowohl in die X- als auch die Y-Richtung bewegt. Die Basis ist an
einer optischen Vorrichtung wie einem VCSEL befestigt. Folglich
kann das optische Element in einer Ausführungsform bezüglich der
optischen Vorrichtung sowohl in die X- als auch die Y-Richtung unabhängig bewegt
werden.
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Eine
unabhängige
Bewegung des optischen Elements wird durch einen Träger bereitstellt,
der über
der Basis beabstandet ist. Der Träger ist mit der Basis betriebsbereit
derart verbunden, dass der Träger
selektiv in die X-Richtung, im Wesentlichen jedoch nicht in die
Y-Richtung bewegt werden kann. Das optische Element ist dann mit
dem Träger
betriebsbereit derart verbunden, dass das optische Element bezüglich des
Trägers
selektiv in die Y-Richtung, jedoch im Wesentlichen nicht in die
X-Richtung bewegt werden kann. Ein X-Treiber wird dann benutzt,
um den Träger
bezüglich
der Basis selektiv in die X-Richtung zu bewegen, und ein Y-Treiber
wird benutzt, um das optische Element bezüglich des Trägers selektiv
in die Y-Richtung zu bewegen. Der Träger kann folglich benutzt werden,
um eine unabhängige
Bewegung des optischen Elements bezüglich der Basis sowohl in die
X- als auch die Y-Richtung bereitzustellen.
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Vorzugsweise
stellen der X-Treiber und der Y-Treiber die Bewegung mittels einer
elektrostatischen Kraft bereit. In einer Ausführungsform weist der X-Treiber
eine Anzahl ineinander geschobener Kammfinger auf. Einige der Kammfinger
sind mit dem Träger
mechanisch verbunden, während
andere mit der Basis mechanisch verbunden sind. Durch Bereitstellen
einer Spannungsdifferenz zwischen den Kammerfingern kann der X-Treiber
den Träger
bezüglich einer
Basis in eine Richtung (zum Beispiel nach links) "ziehen". Ein anderer Satz
von Kammfingern kann auf der gegenüberliegenden Seite des Trägers bereitgestellt
sein, um den Träger
gegebenenfalls in die entgegengesetzte Richtung (zum Beispiel nach rechts)
zu „ziehen". In ähnlicher
Weise kann der Y-Treiber eine Anzahl ineinander geschobener Kammfinger
aufweisen. Einige der Kammfinger sind mit dem Träger mechanisch verbunden, während andere
mit dem optischen Element mechanisch verbunden sind. Durch Bereitstellen
einer Spannungsdifferenz zwischen den Kammerfingern kann der Y-Treiber
das optische Element bezüglich
des Trägers
in eine Richtung (zum Beispiel nach oben) "ziehen". Ein anderer Satz von Kammfingern kann
auf der gegenüberliegenden
Seite des Trägers
bereitgestellt werden, um das optische Element gegebenenfalls in
die entgegengesetzte Richtung (zum Beispiel nach unten) zu „ziehen".
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Das
optische Element kann jede beliebige Art von optischem Element wie
eine Linse, einen optischen Filter wie ein Beugungsgitter, einen
optischen Polarisator oder irgendeine andere Art von optischem Element
umfassen. Allerdings weist das optische Element mindestens ein Beugungsgitter
auf, das mindestens zwei Bereiche aufweist, wobei die optischen
Eigenschaften in den mindestens zwei Bereichen unterschiedlich sind
und wobei der Winkel des Beugungsgitters in unterschiedlichen Bereichen des
optischen Elements unterschiedlich ist. In einem Beispiel kann das
optische Element ferner eine Linse aufweisen. Die optischen Eigenschaften
einer Linse variieren in der Regel über die Linse. Folglich wird
ein Lichtstrahl, der die Linse an einer ersten Stelle schneidet,
bei einem anderen Winkel gebrochen als ein Lichtstrahl, der die
Linse an einer zweiten Stelle schneidet.
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Während des
Betriebs kann das optische Element selektiv derart bewegt werden,
dass ein Lichtstrahl einen ausgewählten Bereich des optischen
Elements schneidet. Da die optischen Eigenschaften des optischen
Elements in unterschiedlichen Bereichen unterschiedlich sind, bringt
das optische Element unterschiedliche optische Ergebnisse hervor,
während
der Lichtstrahl zwischen Bereichen bewegt wird. Wenn das optische
Element zum Beispiel ferner eine Linse aufweist, wird der Lichtstrahl bei
unterschiedlichen Winkeln gebrochen und somit an unterschiedlichen
Stellen, während
die Linse bezüglich
des Lichtstrahls bewegt wird. Dies wird manchmal als Strahlführung bezeichnet.
Die Strahlführung
kann in einer Reihe von Anwendungen nützlich sein, einschließlich der
optischen Ausrichtung, optischen Schaltung, einschließlich der
Raummultiplextechnik (Space Division Multiplexing = SDM) und anderen
Anwendungen.
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In ähnlicher
Weise wird der Winkel des Beugungsgitters in unterschiedlichen Bereichen
des optischen Elements verändert,
wobei die Polarisation des Lichtstrahls gesteuert werden kann. Dies
kann bei der Bereitstellung einer Polarisationsmultiplextechnik
(Polarization Division Multiplexing = PDM) nützlich sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Man
wird andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und viele dazugehörige Vorteile
der vorliegenden Erfindung ohne weiteres zu schätzen wissen, da diese durch
Bezugnahme auf die folgende ausführliche
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in
denen ähnliche
Bezugszeichen ähnliche
Teile der Figuren davon bezeichnen, besser verständlich sind. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Mikropositionierungssystems außerhalb
des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, das ein optisches Element
bezüglich
einer optischen Vorrichtung sowohl in die X- als auch die Y-Richtung
präzise
und unabhängig
positionieren kann.
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2 ein
schematisches Diagramm, das das Konzept der Strahlführung darstellt,
die in der Darstellung durch Bewegen einer Linse bezüglich eines
festgelegten Lichtstrahls erreicht wird;
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3 eine
schematische Ansicht eines optischen Elements, das ein Beugungsgitter
mit Bereichen aufweist, die unterschiedliche Beugungsgitterabstände und/oder
Beugungsgitterbreiten aufweisen;
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4 ein
schematisches Diagramm der vorliegenden Erfindung eines optischen
Elements, das ein Beugungsgitter mit Bereichen aufweist, die unterschiedliche
Gitterwinkel aufweisen;
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5 ein
schematisches Diagramm eines bevorzugten Mikropositionierungssystems,
das eine unabhängige
Steuerung einer optischen Vorrichtung sowohl in die X- als auch die Y-Richtung
bereitstellt;
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6 eine
erläuternde
Querschnittsansicht des Mikropositionierungssystems aus 5 entlang der
Linie 6-6;
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7 eine
andere erläuternde
Querschnittsansicht des Mikropositionierungssystems aus 5 entlang
der Linie 6-6;
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8A bis 8E ein
erläuterndes
Verfahren zum Herstellen eines Mikropositionierungssystems der vorliegenden
Erfindung; und
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9A bis 9E ein
anderes erläuterndes Verfahren
zum Herstellen eines Mikropositionierungssystems der vorliegenden
Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Mikropositionierungssystems außerhalb
des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, das ein optisches
Element bezüglich
einer optischen Vorrichtung unabhängig sowohl in die X- als auch
die Y-Richtung positionieren kann. Das Mikropositionierungssystem ist
im Allgemeinen bei 10 dargestellt und weist ein optisches
Element 12, einen X-Treiber 16 und einen Y-Treiber 18 auf.
Das erläuternde
optische Element 12 weist eine brechende Linse 14 auf.
Die Linse 14 ist im Allgemeinen über der optischen Vorrichtung 20 positioniert.
Die optische Vorrichtung 20 kann eine optische Quelle wie
ein VCSEL, eine Laserdiode oder dergleichen oder ein optischer Empfänger wie ein
RCPD, eine Photodiode, Glasfaser oder dergleichen sein. Die Mikropositionierungsvorrichtung 10 kann,
falls gewünscht,
in Anordnungen von Mikropositionierern hergestellt sein, die mit
Anordnungen von optischen Vorrichtungen 20 verbunden sind.
In einem Fall verläuft
ein Lichtstrahl vorzugsweise durch die Linse 14.
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Der
X-Treiber 16 bewegt das optische Element 14 bezüglich der
optischen Vorrichtung 20 selektiv in die X-Richtung. Der
Y-Treiber 18 bewegt das optische Element 14 bezüglich der
optischen Vorrichtung 20 selektiv in die Y-Richtung. Vorzugsweise kann
der X-Treiber 6 das
optische Element 14 unabhängig von dem Y-Treiber 18 bewegen
und der Y-Treiber 18 kann das optische Element 14 unabhängig von
dem X-Treiber 16 bewegen.
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Es
wird berücksichtigt,
dass das optische Element 12 jede beliebige Art von optischem
Element wie eine Linse 14, ein optischer Filter wie ein
Beugungsgitter, ein optischer Polarisator oder irgendeine andere
Art von optischem Element sein kann. Das optische Element weist mindestens
zwei Bereiche auf, wobei die optischen Eigenschaften in den mindestens
zwei Bereichen unterschiedlich sind. Während des Betriebs wird das
optische Element vorzugsweise selektiv derart bewegt, dass der Lichtstrahl
einen ausgewählten
Bereich des optischen Elements schneidet. Da die optischen Eigenschaften des
optischen Elements in unterschiedlichen Bereichen unterschiedlich
sind, bringt das optische Element unterschiedliche optische Ergebnisse
hervor, während
der Lichtstrahl zwischen unterschiedlichen Bereichen bewegt wird.
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Wenn
das optische Element zum Beispiel eine brechende Linse 14 ist,
wie in 1 und 2 dargestellt, variieren die
optischen Eigenschaften der Linse 14 über die Linse 14 in
monotoner Weise. Folglich wird, wie in 2 dargestellt,
ein Lichtstrahl, der die Linse 14 schneidet, je nach der
Position des Lichtstrahls bezüglich
der Linse 14 bei unterschiedlichen Winkeln gebrochen. Wenn
ein Lichtstrahl 22 das Zentrum der Linse 14 schneidet,
wie bei 26 dargestellt, wird der Lichtstrahl 22 gar
nicht gebrochen und geht zu einem zentralen optischen Zielort 28. Wenn
ein Lichtstrahl 30 einen Punkt rechts vom Zentrum der Linse 14 schneidet,
wie bei 32 dargestellt, wird der Lichtstrahl 30 nach
links gebrochen und geht zu einem linken optischen Zielort 34.
Wenn schließlich
ein Lichtstrahl 36 einen Punkt links vom Zentrum der Linse 14 schneidet,
wie bei 38 dargestellt, wird der Lichtstrahl 36 nach
rechts gebrochen und geht zu einem rechten optischen Zielort 40.
Dies wird manchmal als Strahlführung
bezeichnet. Die Strahlführung kann
in einer Reihe von Anwendungen nützlich
sein, einschließlich
der optischen Ausrichtung, optischen Schaltung, einschließlich der
Raummultiplextechnik (Space Division Multiplexing = SDM) und anderen Anwendungen.
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In
einem anderen Beispiel, das ebenfalls außerhalb des Schutzbereichs
der vorliegenden Erfindung fällt,
kann das optische Element 12 ein Beugungsgitter aufweisen,
das einen Gitterabstand und eine Gitterbreite aufweist. Der Gitterabstand und/oder
die Gitterbreite können
in unterschiedlichen Bereichen des optischen Elements 14 unterschiedlich
sein. 3 ist ein schematisches Diagramm eines optischen
Elements 41, das ein Beugungsgitter mit Bereichen 42a und 42b aufweist,
die unterschiedliche Gitterabstände
und/oder unterschiedliche Gitterbreiten aufweisen. In diesem Beispiel
weist der Bereich 42a einen Gitterabstand von 0,25 Mikrometern
und eine Gitterbreite von 1 Mikrometer auf, wie durch die unterhalb
und links von dem optischen Element 41 angegebenen Skalen
angezeigt. Im Gegensatz dazu weist der Bereich 42b einen
Gitterabstand von 2,0 Mikrometern und eine Gitterbreite von 10 Mikrometern
auf. Das beispielhafte optische Element weist einhundertsechzehn
(116) unterschiedliche Bereiche auf, wobei jeder eine unterschiedliche
Kombination von Gitterabstand und Gitterbreite aufweist.
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Während des
Betriebs wird das optische Element 41 bezüglich eines
Lichtstrahls vorzugsweise selektiv derart bewegt, dass der Lichtstrahl
einen ausgewählten
Bereich des optischen Elements schneidet. Da jeder der Bereiche
einen unterschiedlichen Gitterabstand und/oder eine unterschiedliche Gitterbreite
aufweist, kann der Lichtstrahl gemäß einer Wellenlänge selektiv
getrennt oder gefiltert werden. Dies kann zum Beispiel bei der Bereitstellung
einer Wellenlängenmultiplextechnik
(Wavelength Division Multiplexing = WDM) oder ähnlichem nützlich sein.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird in Betracht gezogen, dass jeder Bereich
ein Gitter aufweist, das bei einem unterschiedlichen Winkel verläuft. 4 ist
ein schematisches Diagramm eines optischen Elements 50,
das ein Beugungsgitter mit Bereichen aufweist, die unterschiedliche
Gitterwinkel aufweisen. In dem Bereich 52a verläuft das
Beugungsgitter 54a parallel (null Grad) zu einer horizontal
verlaufenden Achse. Das Beugungsgitter 54b des Bereichs 52b ist
bezüglich der
horizontal verlaufenden Achse um zehn (10) Grad versetzt. Das Beugungsgitter 54c des
Bereichs 52c ist bezüglich
der horizontal verlaufenden Achse um zehn (30) Grad versetzt. Es
wird berücksichtigt, dass
jede beliebige Anzahl von Bereichen bereitgestellt werden kann,
die jeweils ein Gitter aufweisen, das um einen unterschiedlichen
Winkel versetzt ist. Durch Variieren des Winkels des Beugungsgitters
in unterschiedlichen Bereichen des optischen Elements 50 kann
die Polarisation des Lichts, das durch das optische Element 50 übertragen
wird, gesteuert werden. Dies kann zum Beispiel bei der Bereitstellung
einer Polarisationsmultiplextechnik (Polarisation Division Multiplexing
= PDM) nützlich
sein.
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5 ist
ein schematisches Diagramm eines bevorzugten Mikropositionierungssystems 100,
das eine unabhängige
Steuerung einer optischen Vorrichtung 102 sowohl in die
X- als auch die Y-Richtung bereitstellt. Eine unabhängige Bewegung
des optischen Elements wird durch Bereitstellen eines Trägers oder
Gestells 104 erreicht, das über der Basis 106 beabstandet
ist (siehe 6). Der Träger 104 ist mit der
Basis 106 betriebsbereit derart verbunden, dass der Träger 104 selektiv
in die X-Richtung, im Wesentlichen jedoch nicht in die Y-Richtung
bewegt werden kann. Dies wird vorzugsweise durch Verbinden des Trägers 104 mit
der Basis 106 mit zum Beispiel vier (4) gefalteten Strahlfedern
oder schlangenförmigen
Federn 110a bis 110d erreicht. Ein Ende (zum Beispiel 112a bis 112d)
jeder schlangenförmigen
Feder 110a bis 110d ist an der Basis 106 verankert
und das andere Ende (zum Beispiel 114a bis 114d)
ist an dem Träger 104 verankert.
Die schlangenförmigen
Federn 110a bis 110d sind vorzugsweise derart
gestaltet, dass sie eine Bewegung des Trägers 104 außerhalb
der Ebene der Struktur im Wesentlichen verhindern und eine Bewegung
in die Ebene der Y-Richtung im Wesentlichen verhindern. Folglich
kann sich der Träger 104 nur
seitlich entlang der X-Richtung
bewegen.
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Die
linke Seite 116 des Trägers 104 weist eine
Anzahl von Kammfingern wie den Kammfinger 118 auf, die
nach links verlaufen. In ähnlicher
Weise weist die rechte Seite 120 des Trägers 104 eine Anzahl
von Kammfingern wie den Kammfinger 122 auf, die nach rechts
verlaufen. Jeder der Kammfinger 118 und 122 ist
an dem Träger 104 befestigt
und mit dem Träger 104 vorzugsweise
einstückig
ausgebildet.
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Eine
Anzahl von Kammfingern wie der Kammfinger 124 verläuft von
links nach rechts und ist in die linken Kammfinger 118 des
Trägers 104 geschoben.
In ähnlicher
Weise verläuft
eine Anzahl von Kammfingern wie der Kammfinger 126 von
rechts nach links und ist in die rechten Kammfinger 122 des Trägers 104 geschoben.
Vorzugsweise sind die Kammfinger 124 und 126 an
der Basis 106 befestigt.
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Um
den Träger 104 nach
links zu bewegen, stellt ein X-Treiber
eine Spannungsdifferenz zwischen den statischen Kammfingern 124 und
den linken Kammfingern 118 bereit. Da die Kammfinger 118 an
dem Träger 104 befestigt
sind, bewirkt die elektrostatische Wirkung, dass sich der Träger 118 bezüglich der
Basis in eine neue, nach links gerichtete Position bewegt. In ähnlicher
Weise, um den Träger 104 nach
rechts zu bewegen, stellt der X-Treiber eine Spannungsdifferenz
zwischen den statischen Kammfingern 126 und den rechten
Kammfingern 122 bereit. Da die Kammfinger 122 an
dem Träger 104 befestigt sind,
bewirkt die elektrostatische Wirkung, dass sich der Träger 118 bezüglich der
Basis in eine neue, nach rechts gerichtete Position bewegt. Gemäß einer ersten
Ordnung ist die Position des Trägers 104 proportional zu
der Kraft, die proportional zum Quadrat der angelegten Spannung
ist.
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Ein
optisches Element wie die Linse 102 ist mit dem Träger 104 vorzugsweise
betriebsbereit derart verbunden, dass das optische Element 102 bezüglich des
Trägers 104 selektiv
in die Y-Richtung, jedoch im Wesentlichen nicht in die X-Richtung
bewegt werden kann. Dies wird vorzugsweise durch verbinden des optischen
Elements 102 mit dem Träger 104 mittels
zum Beispiel vier (4) schlangenförmigen
Federn 130a bis 130d erreicht. Ein Ende (zum Beispiel 132a bis 132d)
jeder schlangenförmigen
Feder 130a bis 130d ist mit dem Träger 104 verankert
und das andere Ende (zum Beispiel 134a bis 134d)
ist mit dem optischen Element 102 verankert, wie dargestellt.
Die schlangenförmigen
Federn 130a bis 130d sind vorzugsweise derart
gestaltet, dass sie eine Bewegung des optischen Elements 102 außerhalb
der Ebene der Struktur im Wesentlichen verhindern und auch eine
Bewegung in die Ebene der X-Richtung im Wesentlichen verhindern.
Folglich kann sich das optische Element 102 bezüglich des
Trägers 104 nur entlang
der Y-Richtung bewegen.
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In
einem Ausführungsbeispiel
weist das optische Element eine obere Stützbrücke 136, die zwischen
den oberen schlangenförmigen
Federn 130a bis 130b verläuft, und eine untere Stützbrücke 140 auf,
die zwischen den unteren schlangenförmigen Federn 130c und 130d verläuft. Die
obere Stützbrücke 136 des
optischen Elements weist eine Anzahl von Kammfingern wie den Kammfinger 138 auf,
die nach oben verlaufen. In ähnlicher
Weise weist die untere Stützbrücke 140 des
optischen Elements 102 weist eine Anzahl von Kammfingern
wie den Kammfinger 142 auf, die unten oben verlaufen. Jeder
der Kammfinger 138 und 142 ist an der entsprechenden Stützbrücke befestigt
und vorzugsweise einstückig damit
ausgebildet.
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Eine
Anzahl von Kammfingern wie die Kammfinger 150 verläuft von
der Oberseite 152 des Trägers 104 nach unten
und ist in die Kammfinger 138 geschoben, die von dem oberen
Stützglied 136 des
optischen Elements nach oben verlaufen. In ähnlicher Weise verläuft eine
Anzahl von Kammfingern wie Kammfinger 160 von der Unterseite 162 des
Trägers 104 nach
oben und ist in die Kammfinger 142 geschoben, die von dem
unteren Stützglied 140 des optischen
Elements nach unten verlaufen.
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Um
das optische Element 102 in eine Aufwärtsrichtung zu bewegen, stellt
ein Y-Treiber eine Spannungsdifferenz zwischen den Kammfingern 150,
die von der Oberseite 152 des Trägers 104 nach unten
verlaufen, und den Kammfingern 138 bereit, die von dem
oberen Stützglied 136 des
optischen Elements nach oben verlaufen. Die elektrostatische Wirkung
bewirkt, dass sich das optische Element 102 bezüglich des
Trägers 104 in
eine neue, nach oben gerichtete Position bewegt. In ähnlicher
Weise stellt der Y-Treiber eine Spannungsdifferenz zwischen den Kammfingern 160,
die von der Unterseite 162 des Trägers 104 nach oben
verlaufen, und den Kammfingern 142 bereit, die von dem
unteren Stützglied 140 des
optischen Elements nach unten verlaufen. Die elektrostatische Wirkung
bewirkt, dass sich das optische Element 102 bezüglich des
Trägers 104 in
eine neue, nach unten gerichtete Position bewegt. Gemäß einer
ersten Ordnung ist die Position des optischen Elements 102 bezüglich des
Trägers 104 proportional
zu der Kraft, die zu dem Quadrat der angelegten Spannung proportional
ist.
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Vorzugsweise
sind der Träger 104,
die schlangenförmigen
Federn 110a bis 110d und 130a bis 130d,
die Kammfinger 118, 122, 124, 126, 138, 142, 150 und 160 und
die obere und die untere Stützbrücke 136 und 140 alle
von einer einfach dotierten Siliziumschicht gemustert. Um die Lieferung
einer angemessenen Spannung für
die verschiedenen Elemente des Mikropositionierungssystems 100 zu
unterstützen,
sind für
die Verbindungsanschlüsse
des Mikropositionierungssystems 180 bis 190 auf
der Oberseite der Siliziumschicht vorzugsweise Metallspuren bereitgestellt.
Diese Metallspuren sind von der Siliziumschicht elektrisch isoliert,
indem eine dielektrische Schicht zwischen der Siliziumschicht und den
Metallspuren bereitgestellt wird.
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In
einem Ausführungsbeispiel
sind die Metallspuren mit der Siliziumschicht an den Erdungsanschlüssen 180 und 182 verbunden.
Dies erdet in effektiver Weise verschiedene Teile des Mikropositionierungssystems,
durch die Siliziumschicht, von dem Erdungsanschluss 180,
entlang der schlangenförmigen
Feder 110a, die linke Seite 116 des Trägers 104 hoch,
entlang der schlangenförmigen
Federn 130a und 130c, dann die obere und untere
Stützbrücke 136 und 140 hinunter,
entlang der schlangenförmigen
Federn 130b und 130d und die rechte Seite 120 des
Trägers 104 hinunter.
Die Verbindung geht auch weiter über
die schlangenförmige
Feder 110d zu dem Erdungsanschluss 182. Eine andere
Metallspur kann sich mit der Siliziumschicht an dem X-NEG-Anschluss 184 und
mit den Kammfingern 124 durch die Siliziumschicht elektrisch
verbinden. Eine wieder andere Metallspur kann sich mit der Siliziumschicht
an dem X-POS-Anschluss 186 und mit den Kammfingern 126 durch
die Siliziumschicht elektrisch verbinden. Eine andere Metallspur
kann sich mit der Siliziumschicht an dem Y-POS-Anschluss 188 verbinden und
mit der schlangenförmigen
Feder 110c, die Oberseite 152 des Trägers 104 hinunter
und schließlich
mit den Kammfingern 150 durch die Siliziumschicht verbinden.
Schließtuch
kann sich eine andere Metallspur mit der Siliziumschicht an dem
Y-NEG-Anschluss 190 verbinden und sich mit der schlangenförmigen Feder 110b,
die Unterseite 162 des Trägers 104 hinunter
und schließlich
mit den Kammfingern 160 durch die Siliziumschicht verbinden.
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Zur
Bereitstellung einer elektrischen Isolierung zwischen den verschiedenen
Teilen der Mikropositionierungsstruktur kann eine Anzahl von Isolierungsgliedern
bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann ein Isolierungsglied 200 benutzt
werden, um die Unterseite 162 des Trägers 104 von der linken
Seite 116 des Trägers 104 elektrisch
zu isolieren. In ähnlicher
Weise kann ein Isolierungsglied 202 benutzt werden, um
die linke Seite 116 des Trägers 104 von der Oberseite 152 des
Trägers 104 elektrisch
zu isolieren. Ein wieder anderes Isolierungsglied 204 kann benutzt
werden, um die Oberseite 152 des Trägers 104 von der rechten
Seite 120 des Trägers 104 elektrisch
zu isolieren. Schließlich
kann ein Isolierungsglied 206 benutzt werden, um die rechte
Seite 120 des Trägers 104 von
der Unterseite 156 des Trägers 104 elektrisch
zu isolieren. Man wird erkennen, dass die Verbindungsanschlüsse 180 bis 190 und
die verschiedenen äußeren Kämme 124 und 126 voneinander
isoliert sein müssen,
insbesondere wenn sie alle mittels der gleichen oberen Siliziumschicht
gebildet sind. Solch eine Isolierung kann in jeder beliebigen Anzahl
von Art und Weisen erreicht werden, zum Beispiel mittels Grabenisolierungstechniken.
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6 ist
eine erläuternde
Querschnittsansicht des Mikropositionierungssystems aus 5 entlang
der Linie 6-6. Das Mikropositionierungssystem ist vorzugsweise mittels
einer SOI-artigen Scheibe gebildet. Die SOI-Scheibe weist vorzugsweise
ein Siliziumsubstrat oder -basis 106 und eine dünne Oxidschicht 250 auf,
die von einer oberen Siliziumschicht 252 bedeckt ist. Die
schlangenförmigen
Federn 110a bis 110d, der Träger 104, die schlangenförmigen Federn 130a bis 130d,
die obere und die untere Stützbrücke 136 und 140 und
in einigen Fällen das
optische Element 102 sind aus der oberen Siliziumschicht 252 gebildet.
Die obere Siliziumschicht 252 ist vorzugsweise ausreichend
dotiert, um n-leitend zu sein. Anordnungen der Vorrichtung des Mikropositionierungssystems
könnten
auch zusammen in dem gleichen Substrat gefertigt sein.
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In 6 ist
das optische Element 102 als eine Linse dargestellt. Die
Linse ist vorzugsweise aus einem Material gebildet, das die gewünschten
optischen Eigenschaften bei der gewünschten Wellenlänge liefert.
Zu beispielhaften Materialien gehören Silizium, Polysilizium
und Siliziumdioxid. Wie in 6 zu sehen
ist, schweben der Kammfinger 260, das optische Element 102 und
der Kammfinger 262 über
einem offenen Raum 270. Die Kammfinger 260 und 262 sind
beide durch die Siliziumschicht mit den Erdungsanschlüssen 180 und 182 elektrisch
verbunden, wie oben in Bezug auf 5 beschrieben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Substrat oder die Basis 106 an dem Substrat 300 durch
anodisches Verbinden, Klebeverbinden, Lötverbinden, Flip-Chip-Lötverbinden oder irgendein anderes
geeignetes Mittel befestigt. Das Substrat 300 weist eine
optische Vorrichtung darin auf. Das Substrat 300 könnte eine
Anordnung optischer Vorrichtungen aufweisen, die darin ausgebildet
sind und in Ausrichtung mit einer Anordnung der Mikropositionierer hergestellt
sein könnten.
Wie oben erwähnt,
kann die optische Vorrichtung jede beliebige Art von optischer Vorrichtung
sein, einschließlich
eines VCSELs, RCPDs, einer Laserdiode usw. Die optische Vorrichtung
stellt einen Lichtstrahl 302 durch das optische Element 102 bereit.
Das Mikropositionierungssystem kann dann benutzt werden, um das
optische Element 102 bezüglich des Lichtstrahls 302 zu
bewegen, um eine Strahlführung
oder dergleichen auszuführen.
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7 fällt außerhalb
des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung und ist eine andere
erläuternde
Querschnittsansicht des Mikropositionierungssystems aus 5 entlang
der Linie 6-6. In diesem Beispiel weist das optische Element 102 ein
Beugungsgitter auf. Die Eigenschaften des Beugungsgitters verändern sich
vorzugsweise in verschiedenen Bereichen des optischen Elements 102,
wie bei 102 dargestellt. Das Beugungsgitter kann durch
Hinzufügen eines
Gitters auf der oberen Siliziumschicht 252 gebildet sein
oder ersatzweise durch Ätzkanäle in der Oberfläche der
oberen Siliziumschicht 252 gebildet sein (nicht dargestellt).
Andere Verfahren zur Bildung eines Beugungsgitters werden ebenfalls
berücksichtigt.
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8A bis 8E fallen
außerhalb
des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung und zeigen ein erläuterndes
Verfahren zum Herstellen eines Mikropositionierungssystems. In dem
erläuternden Beispiel
ist das Ausgangsmaterial eine SOI-Siliziumscheibe, die im Allgemeinen
bei 350 dargestellt ist. Die SOI-Scheibe 350 weist
ein Siliziumsubstrat oder -basis 106 und eine dünne Oxidschicht 250 auf,
die mit einer oberen Siliziumschicht 252 bedeckt ist.
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Vorzugsweise
werden die Isolierungsglieder 200 bis 206 (siehe 5)
zuerst gebildet. Dies kann durch Anwenden mehrerer Verfahren ausgeführt werden.
In einem ersten Verfahren wird ein Graben durch die obere Siliziumschicht 252 an
den gewünschten
Stellen geätzt.
Die Wände
des Grabens werden dann mit einer Nitridschicht bedeckt und der Graben
wird mit einem undotierten Polysiliziummaterial gefüllt. In
einem anderen Verfahren wird eine Aluminiumschicht über den
gewünschten
Stellen bereitgestellt. Danach wird ein Wärmegradient von der Oberseite
zu der Unterseite aufgebracht. Der Wärmegradient bewirkt, dass das
Aluminium in die obere Siliziumschicht 252 wandert. Dadurch
wird ein p-leitendes Material in den Stellen der Isolierungsbereiche 200 bis 206 gebildet.
Wenn die obere Siliziumschicht 252 n-leitend ist, wird
eine Rücken-an-Rücken-Diodenstruktur
gebildet, um die gewünschte elektrische
Isolierung bereitzustellen. Der Ansatz der thermischen Aluminiumwanderung
wird bevorzugt, da angenommen wird, dass die mechanische Unversehrtheit
der oberen Siliziumschicht nicht beeinträchtigt werden kann.
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Sobald
die Isolierungsbereiche 200 bis 206 gebildet sind,
wie in 8B dargestellt, werden die Metallverbindungsspuren,
die oben mit Bezug auf 5 erläutert worden sind, abgeschieden
und gemustert. Beispielhafte Metallschichten sind bei 352 dargestellt.
Danach wird ein Beugungsgitter bereitgestellt und in dem Bereich
des optischen Elements 102 gemustert. Anstatt des Bereitstellens
einer getrennten Schicht kann das Beugungsgitter durch Ätzen beabstandeter
Kanäle
in die obere Siliziumschicht 252 gebildet werden.
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Nachdem
das Beugungsgitter gebildet ist und wie in 8C dargestellt,
wird die obere Siliziumschicht 252 gemustert, um die schlangenförmigen Federn 110a bis 110d,
den Träger 104,
die schlangenförmigen
Federn 130a bis 130d, die obere und die unter
Stützbrücke 136 und 140 und
in einigen Fällen
das optische Element 102 zu bilden.
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Danach
wird, wie in 8D dargestellt, von der Rückseite
der SOI-Scheibe 350 durch die Substrat- oder Basisschicht 106 ein
Loch geätzt.
Die Ätzung
endet vorzugsweise bei der Oxidschicht 250. Danach wird,
wie in 8E dargestellt, die Oxidschicht
entfernt, um die Struktur freizugeben. Wenngleich das optische Element
in 8A bis 8E ein
Beugungsgitter aufweist, wird in Betracht gezogen, dass das optische
Element ferner eine Linse oder irgendeine andere Art von optischem
Element aufweisen kann.
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9A bis 9E fallen
außerhalb
des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung und zeigen ein anderes
erläuterndes
Verfahren zum Herstellen eines Mikropositionierungssystems. Wieder
ist das beispielhafte Ausgangsmaterial eine SOI-Siliziumscheibe, die im Allgemeinen
bei 450 dargestellt ist. Die SOI-Scheibe 450 weist
ein Siliziumsubstrat oder -basis 106 und eine dünne Oxidschicht 250 auf, die
mit einer oberen Siliziumschicht 252 bedeckt ist.
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Danach
werden vorzugsweise die Isolierungsglieder 200 bis 206 (siehe 5)
gebildet, wie oben beschrieben. Sobald die Isolierungsbereiche 200 bis 206 gebildet
sind, wie in 9B dargestellt, werden die Metallverbindungsspuren
abgeschieden und gemustert. Beispielhafte Metallschichten sind bei 42 dargestellt.
Danach, wie in 8C dargestellt, wird die obere
Siliziumschicht 252 gemustert, um die schlangenförmigen Federn 110a bis 110d,
den Träger 104,
die schlangenförmigen
Federn 130a bis 130d und die obere und die untere
Stützbrücke 136 und 140 zu
bilden. Zur Bildung des optischen Elements oder in diesem Fall einer
Polymerlinse wird in der Stelle des optischen Elements eine Polymerschicht 460 bereitgestellt.
Danach wird Wärme
angewendet, um die Polymerschicht 460 zur Bildung der Linse
wieder fließfähig zu machen,
wie in 9D dargestellt.
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Danach
wird die Oxidschicht 252 weggeätzt, um die Struktur freizugeben,
wie in 9E dargestellt. Vorzugsweise
wird die Oxidätzung
für einen ausreichenden
Zeitraum angewendet, um die Oxidschicht unter der Linse 460 und
der restlichen Struktur zu entfernen. Die Oxidschicht bleibt vorzugsweise um
den Rand der Struktur zurück,
wie bei 470a und 470b dargestellt.
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Die
in 8A bis 8E und 9A bis 9E dargestellten
Verfahren liegen außerhalb
des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung und dienen nur der
Erläuterung.
Andere Verfahren zum Bilden des Mikropositionierungssystems der
vorliegenden Erfindung werden berücksichtigt.
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Nachdem
somit die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, wird der Fachmann
ohne weiteres zu schätzen
wissen, dass die hierin vorliegenden Lehren auf wieder andere Ausführungsformen
angewendet werden können,
die jedoch innerhalb des Schutzbereichs der hier beiliegenden Ansprüche fallen.