DE602004011639T2

DE602004011639T2 - Opisches Weglenkung-Mechanismus mit integrierter Glasfaser Eingang/Ausgang Ausrüstung auf einer MEMS Matrix

Info

Publication number: DE602004011639T2
Application number: DE602004011639T
Authority: DE
Inventors: Michael L Boulder Kaplan
Original assignee: Altera Corp
Current assignee: Altera Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: US20040190819A1; CN1534918A; US6954563B2; CN1534918B; CN102075824B; DE602004011639D1; CN102075824A; EP1463372B1; EP1463372A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Anmeldung betrifft allgemein die Faseroptikkommunikation und betrifft insbesondere Verfahren und Systeme zum Routen verschiedener Spektralbänder eines optischen Signals an verschiedene Ausgabeanschlüsse.
Das Internet, und die Datenkommunikation erzeugen eine Explosion der globalen Nachfrage der Bandbreite. Bei den Faseroptik-Telekommunikationssystemen wird derzeit eine relativ neue Technologie angewendet, die dichtes Wellenlängen-Multiplexierungs-Verfahren (DWDM) genannt wird, um zur Stillung der Nachfrage die Kapazität neuer und existierender optischer Fasersysteme auszuweiten. Im DWDM transportieren multiple Wellenlängen des Lichts Information simultan durch eine einzelne optische Faser. Jede Wellenlänge arbeitet als ein einzelner einen Datenstrom tragenden Kanal. Die Tragekapazität einer Faser wird mit der Zahl der eingesetzten DWDM-Kanäle multipliziert. Gegenwärtig sind DWDM-Systeme von verschiedenen Herstellern verfügbar, die bis zu 80 Kanäle einsetzten, wobei zukünftig noch mehr versprochen werden.
In allen Telekommunikationsnetzwerken müssen einzelne Kanäle (oder Schaltkreise) mit einzelnen Bestimmungsorten, wie ein Endkunde, oder mit einem anderen Netzwerk verbunden werden. Systeme, die diese Funktionen ausführen, werden Kreuzverbindungen genannt. Es ist außerdem nötig, besondere Kanäle an einem Zwischenpunkt hinzuzufügen oder wegzulassen. Systeme, die diese Funktionen ausführen, werden Add/Drop-Multiplexer (ADMs) genannt. All diese Netzwerkfunktionen werden gegenwärtig durch die Elektronik ausgeführt – typisch ist ein elektronisches SONET/SDH-System.
Die SONET/SDH-Systeme sind jedoch dazu geschaffen, nur einen einzelnen optischen Kanal zu verarbeiten. Bei den Multiplexierungs-Wellenlängen- Systemen wird jedoch eine Vielzahl von SONET/SDH-Systemen erforderlich, die zur Verarbeitung der vielen optischen Kanäle parallel arbeiten. Dadurch wird es schwierig und teuer die SONET/SDH-Technologie zum Skalieren der DWDM-Netzwerke zu verwenden.
Die Alternative ist ein rein optisches Netz. Optische Netzwerke, die dazu gestaltet sind, auf Wellenlängen-Level zu arbeiten, werden allgemein „Wellenlängen-Routing-Netzwerke" oder optische Transport-Netzwerke" (OTN) genannt. In einem Wellenlängen-Routing-Netzwerk müssen die einzelnen Wellenlängen in einer DWDM-Faser handhabbar sein. Neue Typen photonischer Netzwerkelemente, die bei der Wellenlängen-Level arbeiten, müssen die Kreuzverbindungen, ADM und weitere Netzwerk-Schaltfunktionen ausführen. Zwei der primären Funktionen sind optische Add/Drop-Multiplexer (OADM) und selektive Wellenlängen-Kreuzverbindungen (WSXC).
Um heutzutage Wellenlängen-Routing-Funktionen optisch auszuführen, muss der Lichtstrom zuerst demultiplext oder in seine zahlreichen einzelnen Wellenlängen, jede auf eine einzelne optische Faser, gefiltert werden. Dann muss jede einzelne Wellenlänge zu ihrer Ziel-Faser hin gelenkt werden, wobei eine große Anzahl optischer Schalter eingesetzt wird, allgemein optische Kanalgruppenumsetzer (OXC) genannt. Schließlich müssen alle Wellenlängen erneut multiplext werden, bevor sie weiter zur Zielfaser laufen. Dieser Verbindungsprozess ist komplex, sehr teuer, vermindert die Verlässlichkeit des Systems und verkompliziert die Handhabung des Systems. Insbesondere der OXC ist eine technische Herausforderung. Ein typisches 40-80-Kanal-DWDM-System erfordert Tausende Schalter, um alle Wellenlängen komplett den Kreuzverbindungen zu unterwerfen. Opto-mechanische Schalter, die akzeptable optische Spezifikationen bereitstellen, sind zu groß, teuer und nicht verlässlich für den weit verbreiteten Einsatz. Es werden neue integrierte Festkörpertechnologien auf der Basis von neuen Materialien erforscht, sie sind jedoch noch weit von einer kommerziellen Anwendung entfernt.
Demzufolge wird in der Industrie intensiv nach einer Lösung für ein Gesamtoptisches Wellenlängen-Routen gesucht, welche eine kostengünstige und verlässliche Anwendung von Zählsystemen für hohe Wellenlängen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung stellen somit einen optischen Routing-Mechanismus nach Anspruch 13 und einen Wellenlängen-Router nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 16 zum Einsatz solcher Vorrichtungen bereit, das verschiedene Vereinfachungen bei der Fertigung erlaubt, während gleichzeitig bestimmte erwünschte optische Ausgestaltungen bereitgestellt werden. Wellenlängen-Router gemäß den Ausführungsformen der Erfindung sind ausgestaltet, um Licht zu empfangen, das eine Mehrzahl von Spektralbändern von einer Eingabefaser aufweist und um Teilsätze der Spektralbänder auf die jeweiligen einer Mehrzahl von Ausgabefasern auszurichten. Ein optischer Freiraum-Zug stellt optische Wege zum Routen der Spektralbänder zwischen der Eingabefaser und den Ausgabefasern zur Verfügung. Ein optischer Routing-Mechanismus, der eine Mehrzahl dynamisch konfigurierbarer Routing-Elemente aufweist, bestimmt, wie jedes Spektralband in Abhängigkeit vom Zustand des einzelnen Routing-Elements ausgerichtet wird. Gemäß einigen Ausführungsformen wird eine gemeinsame Oberfläche eingesetzt damit der optische Routing-Mechanismus den Endabschnitten der Eingabe- und Ausgabefasern zugeordnet ist. Eine solche Anordnung kann die effektive Planarisierung von einigen optischen Elementen ermöglichen, wobei die wirtschaftliche Fertigung ebener Objekte zu präzisen Toleranzgrenzen ermöglicht wird, insbesondere im Vergleich zu Anordnungen, die stattdessen allgemeine dreidimensionale Objekte einsetzen. Die Verringerung der Montagezeit, die Ähnlichkeit des Verfahrens und die genauere Wiederholbarkeit der Anordnung erlauben sowohl Kosteneinsparung als auch eine verbesserte Betriebssicherheit.
In einigen spezifischen Ausführungsformen wird zusätzlich eine Mehrzahl von Faser-Faltelementen über die gemeinsame Oberfläche angeordnet. Jedes Faser-Faltelement ist so orientiert, dass Licht zwischen einer jeweiligen Faser hindurch und einen Weg, der parallel zu einer optischen Achse des optischen Freiraum-Zugs verläuft, geführt wird. Solche Ausführungsformen können dort geeignet sein, wo die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente kippbare Mikrospiegel umfassen und der optische Routing-Mechanismus weiterhin eine Mehrzahl fester Spiegel aufweist, wobei jeder angeordnet ist, um in Abhängigkeit vom Zustand der Routing-Elemente auf besondere Spektralbänder zu treffen.
In anderen Ausführungsformen sind die Enden der Eingabe und Ausgabefasern in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die orthogonal zu einer optischen Achse des optischen Freiraum-Zugs ist. Die gemeinsame Ebene kann parallel zur gemeinsamen Oberfläche verlaufen. In einer solchen Ausführungsform ist ein gemeinsames Faser-Faltelement über die gemeinsame Oberfläche angeordnet und so orientiert, um Licht zwischen jeder Faser und jedem Weg, die parallel zu einer optischen Achse des Freiraums des optischen Zugs verlaufen, auszurichten. Solche Ausführungsformen können dann geeignet sein, wenn die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente kippbare Mikrospiegel umfassen, die über die gemeinsame Oberfläche ausgebildet sind, und der optische Routing-Mechanismus einen ersten festen Spiegel hat, der angeordnet ist, um von jedem Spektralband getroffen zu werden, und eine Mehrzahl von zweiten festen Spiegeln, die in Abhängigkeit vom Zustand der Routing-Elemente von jeweiligen Spektralbändern getroffen werden. Solch ein System kann gestaltet sein, um die Effekte der konischen Beugung zu minimieren, die von der Fortpflanzung des Lichts durch den Freiraum des optischen Zugs hindurch herrührt. In einer dieser Ausführungsformen sind die festen Spiegel angeordnet, um das bestimmte Spektralband an Punkten zu treffen, die im Wesentlichen entlang einer konischen Manteloberfläche liegen. Bei bestimmten spezifischen Ausführungsformen umfasst die konische Manteloberfläche eine parabolische Manteloberfläche, wie in telezentrischen Anmeldungen, und in anderen spezifischen Ausführungsformen umfasst die konische Manteloberfläche eine elliptische Manteloberfläche, wie bei Anmeldungen, in denen eine Begrenzungs-Austrittsblende eingesetzt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um das Wesen und der Vorteile der vorliegenden Erfindung weiter zu verstehen, sollte Bezug auf die verbleibenden Abschnitte der Patentanmeldung und die Zeichnungen genommen werden, wobei gleiche Bezugszeichen bei allen Zeichnungen verwendet werden, um sich auf gleiche Komponenten zu beziehen. In einigen Fällen ist ein untergeordneter Name mit einem Bezugszeichen assoziiert und ist in Klammern eingefügt, um eine der Vielzahl von gleichen Komponenten zu kennzeichnen. Wenn auf ein Bezugszeichen ohne Hinweis auf existierende untergeordnete Namen Bezug genommen wird, soll auf alle gleichen Komponenten Bezug genommen werden.
1A und 1B sind schematische Draufsichten und Seitenansichten, die eine Ausführungsform eines Vier-Wege-Wellenlängen-Routers veranschaulichen;
2A und 2B sind schematische Diagramme, die den Betrieb eines optischen Routing-Mechanismus unter Einsatz von zwei festen Spiegeln veranschaulichen;
3A und 3B sind schematische Diagramme, die den Betrieb eines optischen Routing-Mechanismus unter Einsatz von zwei festen Spiegeln veranschaulichen und der gefaltete Spiegel hat;
4A–4C sind schematische Diagramme, die den Einsatz eines konischen Mantelabschnitts bei Gestaltelementen eines optischen Routing-Mechanismus veranschaulichen;
5 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform eines optischen Routing-Mechanismus unter Einsatz von drei festen Spiegeln veranschaulicht; und
6A–6C veranschaulichen geometrische Betrachtungen, die beim Konfigurieren eines optischen Routing-Mechanismus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1. Einführung
Die nachfolgende Beschreibung legt die Ausführungsformen einer optischen Routing-Struktur gemäß der Erfindung und gemäß den Ausführungsformen eines Gesamtoptischen Wellenlängen-Routers dar, der die optische Router-Struktur umfasst. Beispielhafte Ausführungsformen von Wellenlängen-Routern werden in dem gemeinsam übertragenen U.S.-Pat. Nr. 6,501,877 zur Verfügung gestellt. Der hier beschriebene optische Routing-Mechanismus kann auch in jeder geeigneten alternativen Wellenlängen-Router-Konfiguration eingesetzt werden.
Obwohl in der nachfolgenden Beschreibung auf „Eingabe"- und „Ausgabe"-fasern Bezug genommen wird, dient diese Sprache nicht dazu, die Richtung zu begrenzen, in die sich Licht fortpflanzt. Allgemeiner können die Funktionen der Eingabe- und Ausgabefasern umgekehrt sein, ohne über das beabsichtigte Ziel der Erfindung hinauszugehen. Es kann zum Beispiel eine Ausführungsform eines Wellenlängen-Routers, der mit einer „Eingabe"-faser und zwei „Ausgabe"-fasern gestaltet ist, eingesetzt werden, um Licht an der einzelnen Eingabefaser zu empfangen und das Licht zu den zwei Ausgabefasern hin zu lenken. Alternativ kann die gleiche Wellenlängen-Router-Ausführungsform eingesetzt werden, um Licht an den zwei Ausgabefasern zu empfangen und das Licht zu der einzelnen Eingabefaser hinzulenken.
Wellenlängen-Router-Funktionen können optisch mit einem optischen Freiraum-Zug und einem optischen Routing-Mechanismus ausgeführt werden. Der optische Freiraum-Zug kann luftisolierte Elemente beinhalten oder kann einen allgemein monolithischen Aufbau haben. Ein Beispiel eines Wellenlängen-Routers, der als ein Vier-Wege-Router 100 ausgestaltet ist, wird in den 1A und 1B gezeigt, die jeweils Draufsichten und Seitenansichten sind. Seine allgemeine Funktionalität ist es, Licht zu empfangen, das eine Mehrzahl N von Spektralbändern bei einem Eingabeintegral mit dem optischen Routing-Mechanismus 110 hat und mit dem optischen Routing-Mechanismus 110 Teilsätze der Spektralbänder zu gewünschten einer Mehrzahl von Ausgabeintegralen hinzulenken. Die Struktur des optischen Routing-Mechanismus in verschiedenen Ausführungsformen wird nachfolgend ausführlich behandelt. An der Eingabe erhaltenes Licht wird zum optischen Zug hingelenkt, wobei ein auseinander gehender Strahl 118 gebildet wird, der die verschiedenen Spektralbänder beinhaltet. Der Strahl 118 trifft auf eine Linse 120, die das Licht parallel richtet und es zu einem reflektiven Beugungsgitter 125 lenkt. Das Gitter 125 dispergiert das Licht, so dass parallel gerichtete Strahlen bei verschiedenen Wellenlängen mit verschiedenen Winkeln zurück zur Linse 120 gelenkt werden.
Zwei von solchen Strahlen werden explizit gezeigt und mit 126 und 126' bezeichnet, wobei letzteres gestrichelt dargestellt ist. Da diese parallel ausgerichteten Strahlen die Linse 120 in verschiedenen Winkeln trifft, werden sie zu verschiedenen Punkten hin in dem optischen Routing-Mechanismus 110 fokussiert. Die fokussierten Strahlen treffen auf die jeweiligen einer Mehrzahl dynamisch konfigurierbarer Routing-Elemente, die einen Teil einer Retroreflexionsvorrichtung bilden, um die einzelnen Strahlen als voneinander abweichende Strahlen zur Linse 120 zurückzulenken, wo sie parallel ausgerichtet und wieder zum Gitter 125 gelenkt werden. Beim zweiten Auftreffen auf das Gitter 125 wird die Winkel-Trennung zwischen den verschiedenen Strahlen aufgehoben und sie werden zurück zur Linse 120 gelenkt, welche sie fokussiert. Die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente können konfiguriert werden, um deren aufgefangenen Strahlen entlang eines umgekehrten Weges zu senden, der sie zum Ausrichten zu verschiedenen Ausgängen hin verschiebt.
2. Optischer Routing-Mechanismus
Eine Ausführungsform des optischen Routing-Mechanismus wird in 2A gezeigt und allgemein mit dem Bezugszeichen 110' bezeichnet. Diese Figur wird verwendet, um bestimmte geometrische Aspekte seines Vorgangs schematisch zu veranschaulichen. In dieser Ausführungsform wird die Retroreflexion der getrennten Strahlen mit einer Retroreflexionsanordnung erreicht, umfassend zwei feste Spiegel 214 und 216 und einen Satz dynamisch konfigurierbarer Routing-Elemente 220. Im Allgemeinen gibt es mindestens so viele dynamisch konfigurierbare Routing-Elemente 220 wie die Zahl getrennter Strahlen, so dass jeder getrennte Strahl unabhängig geroutet werden kann. In Abhängigkeit von dem Zustand eines jeden Routing-Elements 220 wird ein einzelner getrennter Strahl entweder zu dem ersten festen Spiegel 214 („A") oder zum zweiten festen Spiegel 216 ("B") gelenkt, wobei eine Verschiebung erreicht wird, die die Ausrichtung zu verschiedenen Ausgaben im Wellenlängen-Router erlaubt. In 2A werden eine Eingabefaser 208 und eine Mehrzahl von Ausgabefasern 212 explizit mit Pfeilen gezeigt, die das Fortpflanzen von Strahlen von der Eingabefaser 208 aus hin zum optischen Zug und hin zu den Ausgabefasern 212 von dem optischen Zug aus angeben.
In einigen Ausführungsformen umfassen die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente 220 kippbare Mikrospiegel, die unter Einsatz von mikroelektromechanischen Systemen („MEMS") hergestellt werden. Zum Beispiel können solche kippbaren Mikrospiegel wie die MEMS-Vorrichtungen hergestellt sein, die in dem U.S.Pat. US 200300772 mit dem Titel „SYSTEMS AND METHODS FOR OVERCOMING STICTION USING A LEVER"; eingereicht am 3. Juli 2001 von Bevan Staple et al; U.S.Pat. US 2003007721 mit dem Titel „FREE-SPACE WAVELENGTH ROUTER BASED ON STEPWISE CONTROLLED TILTING MIRRORS", eingereicht am 3. Juli 2001 von Victor Buzzetta et al.; U.S.Pat. US2003007226 , mit dem Titel TWO-DIMENSIONAL FREE-SPACE OPTICAL WAVELENGTH ROUTER BASED ON STEPWISE CONTROLLED TILTING MIRRORS", eingereicht am 3. Juli 2001 von Victor Buzzetta; U.S. Pat. US2003012488 , mit dem Titel „EMS-BASED, NONCONTACTING, FREE-SPACE OPTICAL SWITCH", eingereicht am 3. Juli 2001 von Bevan Staple und Richard Roth; U.S.Pat. US 2003011863 mit dem Titel „AJUSTABLE MICROMIRROR WITH CONTACTLESS STOPS", eingereicht am 3. Juli, 2001 von Lilac Müller; und U.S.Pat. US 2003007237 , mit dem Titel „METHODS AND APPARATUS FOR PROVIDING A MULTI-STOP MICROMIRROR", eingereicht am 3. Juli 2001 von David Paul Anderson, beschrieben werden.
Die kippbaren MEMS-Mikrospiegel sind auf einem MEMS-Werkzeug 204 gebildet, das auch als die Basis agieren kann, über welche die festen Spiegel gebildet werden. Spezifische Beispiele von Retroreflexionsvorrichtungen, die zwei feste Spiegel in Kombination mit einem Satz Mikrospiegel einsetzen, werden in den 4A, 4B und 5 des gemeinsam übertragenen Pat. Nr 6,439,728, mit dem Titel „MULTIMIRROR STACK FOR VERTICAL INTEGRATION OF MEMS DEVICES IN TWO-POSITION RETROREFLECTORS" gezeigt, eingereicht am 28. August 2001 von Frederick Kent Copeland (the "728 patent").
2A zeigt auch ein (x, y, z)-Kartesisches Koordinatensystem, das dazu eingesetzt wird, Orientierungen zu definieren, die nachfolgend in der Beschreibung eingesetzt werden. Die z-Achse entspricht der optischen Achse des optischen Zugs. Die xy-Ebene ist orthogonal zur optischen Achse, wobei die y-Achse in der Weise definiert ist, dass sie einer symmetrischen Achse entspricht, entlang welcher die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente 220 beabstandet sind. Die Richtung x muss die Anforderung eines rechtsseitigen Kartesischen Systems erfüllen. Somit entspricht die Draufsicht von 1A einer Ansicht, die parallel zur yz-Ebene ist, und die Seitenansicht von 1B entspricht einer Ansicht, die parallel zur xz-Ebene ist. Eine Endansicht in der xy-Ebene würde einer Ansicht entlang der optischen Achse des optischen Zugs entsprechen.
Bei der Betrachtung des Betriebs eines Wellenlängen-Routers gab es eine Anzahl von Design-Faktoren, mit denen der Erfinder konfrontiert wurde, wobei bestimmte Parameter wünschenswert sind, entweder, um die optischen Abweichungen zu verringern oder die Fertigung zu vereinfachen. Zum Beispiel ist es in 2A offenkundig, dass das Ende der Eingabefaser 208 bei einem anderen z-Wert ist als das Ende der Enden der Ausgabefasern 212, um Weglängen-Unterschiede in dem System anzupassen. Diese Ausgestaltung ist ein Beispiel für einen Ausgestaltungssatz, der in dem gleichzeitig anhängigen, gemeinsam übertragenen U.S.-Pat. US2005041914 , mit dem Titel „WAVELENGTH ROUTER WITH STAGGERED INPUT-OUTPUT FIBRES", eingereicht am 20. Dezember 2000 durch Robert Anderson and Samuel P. Weaver, ausführlicher erläutert wird. Zusätzlich bewirkt die Geometrie der Anordnung, die aus den Positionen der festen Spiegel 216 resultiert, dass die Faserenden in x-Richtung versetzt sind. Dieser Versatz ergibt eine Abweichung von der konischen Beugung, die durch das Auftreffen auf das Beugungsgitter 125 während des Fortpflanzen durch den optischen Zug hindurch, verursacht wird. Insbesondere aufgrund der Dispersion in x, bewirkt der erneute Zerfall der getrennten Strahlen durch das Beugungsgitter 125 ebenfalls eine entsprechende Verschiebung in die y-Richtung. Um diesen Effekt abzumildern, kann die in 2A gezeigte Anordnung durch das Positionieren der Eingabe- und Ausgabefasern mit getrennten Faserblöcken erzeugt werden, die dazu angeordnet sind, den Unterschied der Ausrichtung aufzuteilen.
Es ist jedoch wünschenswert, einen einzelnen Faserblock zu haben, der dazu eingesetzt werden kann, alle Eingabe- sowie Ausgabefasern zu positionieren. Der Einsatz eines gemeinsamen Faserblocks ermöglicht Effizienz im Hinblick auf die Fertigung, da das Polieren und das Beschichten der Fasern simultan in einer gemeinsamen Position ausgeführt werden kann. Ein weiteres Hindernis bei der Benutzung eines einzelnen Faserblocks kann in Bezug auf die Anforderungen der Parafokalisierung. Dies wird in 2B veranschaulicht, welche den Weg spezifischer optischer Strahlen in einem Abschnitt des optischen Routing-Mechanismus 110' parallel zur xz-Ebene zeigt. Das Koordinatensystem ist so ausgewählt, dass die fokale Position 242 des Strahls, die aus der Eingabefaser 208 hervorgeht x = z = 0 beträgt. Wie in der Figur angegeben, ist die Oberfläche des MEMS-Werkzeugs 204 in Bezug auf die x- und z-Achsen geneigt, wobei der Neigungswinkel θ in Bezug auf die z-Achse definiert ist.
Wenn wie veranschaulicht, einer der getrennten Strahlen 250 parallel reflektiert wird, trifft er auf das entsprechende dynamisch konfigurierbare Routing-Element 220', das schematisch als ein kippbarer Mikrospiegel gezeigt ist und zu einem der festen Spiegel 214 oder 216 gelenkt wird. Die parallel reflektierten Strahlen 252 werden in Bezug auf die xy-Ebene parafokalisiert mit der spezifischen Bedeutung, dass sie alle eine virtuelle fokale Zwischenposition auf einer gemeinsamen Ebene parallel zur xy-Ebene teilen, die in 2B gezeigt ist und sich bei –z₀ befindet. Obwohl die Veranschaulichung die möglichen Parallelreflexionen für eins der dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente 220' zeigt, sind ähnlich mögliche parallelen Reflexionen für jedes dynamisch konfigurierbare Routing-Element, das entlang der y-Achse senkrecht zur Seite verschoben wurde, verfügbar. Die Konfigurierung des Satzes der dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente 220' bestimmt, welche Spektralbänder von dem festen Spiegel „A" reflektiert werden und welche von dem festen Spiegel „B" reflektiert werden.
Nach dem erneuten Zerfall der einzelnen Strahlen mit dem Beugungsgitter 125, werden die Strahlen zu den Ausgabefasern 212 hingelenkt, mit den virtuellen fokalen Positionen am Punkt 244 (entsprechend den Spektralbändern, die von dem festen Spiegel „A" reflektiert wurden) und am Punkt 246 (entsprechend den Spektralbändern, die von dem festen Spiegel „B" reflektiert wurden). Da diese Strahlen in Bezug auf die xy-Ebene parafokalisiert werden, wobei beide bei +z'₀, fokussiert werden, werden sie nicht parafokalisiert mit Bezug auf die Oberfläche des MEMS-Werkzeugs 204, wobei sie jeweils in Abständen Δ_A und Δ_B von der Oberfläche positioniert werden. Die Parafokalisierung der Strahlen mit Bezug auf die xy-Ebene wäre wünschenswert, da es die Fertigung des optischen Routing-Mechanismus mit einem einzelnen Faserblock vereinfachen würde, als es die Parafokalisierung nur mit Bezug auf die Oberfläche des MEMS-Werkzeugs 204 tun würde.
Die 3A und 3B werden dazu verwendet, eine Ausführungsform für einen optischen Routing-Mechanismus 110'', der dem von 2A gleicht, aber mit dem zusätzlichen Merkmal, dass die Eingabe- und Ausgabefasern 208 und 212 in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Oberfläche der MEMS-Werkzeugs 204 liegen. Um dieser zusätzlichen Einschränkung Rechnung zu tragen, sind Faltelemente 262 und 264 vorgesehen, um die Eingabe- und Ausgabestrahlen jeweils entlang der optischen Achse z des optischen Zugs zurückzulenken. Die Faltelemente 262 und 264 kommen einen Oberflächenspiegel, ein Prisma oder ähnliche optische Elemente umfassen, die so wirken, dass der Strahl zwischen den jeweiligen Fasern und Wegen parallel zur optischen Achse des optischen Zugs gelenkt wird.
Die allgemeine Gestaltung einer Ausführungsform eines solchen optischen Routing-Mechanismus 110'' wird in 3A, mit 3B gezeigt, wobei die geometrische Beziehung des Faltelements zur Faser ausführlich veranschaulicht wird. Während 3B eine Ausgabefaser 212 und ein entsprechendes Faltelement 264 zeigt, gelten die veranschaulichten Prinzipien gleichfalls für die Eingabefaser 208 und das zugeordnete Faltelement 262. Die Ausrichtung von jedem Faltelement 264, die durch die Ausrichtung einer Oberflächennormalen n in Ausführungsformen definiert werden kann, wo das Faltelement 264 einen Faltspiegel umfasst, ist abhängig sowohl von der Ausrichtung der entsprechenden Faser 212, als auch von der Ausrichtung θ der optischen Achse in Bezug auf das MEMS-Werkzeug 204. Für eine Faser 212, die mit einem eine Höhe δ oberhalb der MEMS-Werkzeugoberfläche 204 aufweisenden Kern positioniert ist, ist das entsprechende Faltelement 264 so ausgerichtet, dass der entlang der optischen Achse z ausgerichtete Strahl eine virtuelle fokale Position in einer Entfernung Δ oberhalb der Oberfläche 204 aufweist. In bestimmten Ausführungsformen entspricht dieser Abstand Δ dem Abstand Δ_A oder Δ_B, die in Bezug auf 2B erläutert wurden, so dass die Kombination des Konfigurierens der optischen Fasern in einer Ebene parallel zum Werkzeug 204 und das Beinhalten der Faltelemente 264 die optische Geometrie von 2B effektiv reproduziert. Die Eingabefaser 208 kann in ähnlicher Weise in einer Entfernung δ, oberhalb der Werkzeugoberfläche 204 positioniert sein, so dass der zum optischen Zug fortgepflanzte Strahl eine virtuelle fokale Position in einer Entfernung Δ₁ oberhalb der Werkzeugoberfläche 204 aufweist.
Obwohl die Illustration in 3A einen optischen Routing-Mechanismus zeigt, der integral einer Eingabefaser und zwei Ausgabefasern zugeordnet ist, ist es für einen Fachmann offenkundig, dass die Prinzipien auf eine beliebige Anzahl von Eingabe- und Ausgabefasern angewendet werden können. Solch eine größere Anzahl von Fasern wird allgemein auch passen, wenn zusätzliche feste Spiegel in der Retroreflexionsanordnung beinhaltet sind.
Für eine beliebige Ausrichtung θ der optischen Achse z mit Bezug auf die Werkzeugoberfläche 204 ist jeder Faseranschluss mit einem separaten Faltelement und einer Fasertragehöhe relativ zur Werkzeugoberfläche 204 versehen. Der Erfinder hat weiterhin erkannt, dass in dem Fall, in dem θ im Wesentlichen gleich 90° beträgt, es weiterhin möglich ist, ein gemeinsames Faltelement für alle Fasern, sowohl für die Eingabe- und Ausgabefasern, einzusetzen. Er hat weiterhin erkannt, dass zusätzliche vorteilhafte Merkmale ausgeführt werden können, wo bei der Retroreflexionsanordnung ein zusätzlicher fester Spiegel zugefügt wird, wie in den 6A und 6B des '728-Patents gezeigt wird. Unerwarteterweise ermöglicht der zusätzliche Freiheitsgrad, der durch den zusätzlichen festen Spiegel zur Verfügung gestellt wird, von dem Erfinder entdeckte Ausgestaltungen, die die Parafokalisierung von Strahlen in Bezug auf die Oberfläche der MEMS-Werkzeugs zur Verfügung stellen und die gleichzeitig den Effekt der konischen Verzerrung reduzieren. Eine Variation anderer aus den Ausgestaltungen hervorgehenden Vorteile, die von dem Erfinder entdeckt wurden, gehen eindeutig aus der nachfolgenden Erläuterung hervor.
3. Konischer Mantelabschnitt
Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung setzen vorteilhafterweise einen einen konischen Abschnitt aufweisenden Mantel ein, um Anordnungen optischer Elemente zu definieren. Die Prinzipien für den, konischen Abschnitt, die verwertet werden, werden schematisch in den 4A–4C für drei verschiedene konische Abschnitte veranschaulicht. Der konische Mantel beschreibt einen Oberflächen-Normalenvektor an jedem Punkt entlang der Oberfläche, der der Zeigerichtung der flachen Facetten der festen Spiegel zugeordnet werden kann. In Fällen, in denen die Oberfläche eines festen Spiegels eben ist, wird eine Leistung oder ein Zylinder nicht zu dem Strahlenweg addiert.
So wird in 4A die Verwendung eines parabolischen konischen Abschnitts veranschaulicht. Die Mantellinie oder fokale Oberfläche hat das Bezugszeichen 302, und die parabolische Manteloberfläche wird mit 308 bezeichnet. Die parabolische Manteloberfläche weist einen Fokus 304 auf und entspricht einem Schaltpunkt für die optische Anordnung. Für den parabolischen konischen Abschnitt befindet sich der Austrittsblendenvertex im Unendlichen, wobei die Anordnung insbesondere für telezentrische Gestaltungen geeignet ist.
In 4B wird die Verwendung eines elliptischen konischen Abschnitts gezeigt. In diesem Fall befindet sich der Schaltpunkt 304' an einem der Foki der elliptischen Manteloberfläche 310, und der Ausgangsblendenvertex befindet sich am anderen Vertex. In diesem Fall ist die Anordnung nicht telezentrisch, so dass die Mantellinie oder die gemeinsame Weglängen-Fokusoberfläche 303 in Bezug auf die ebene Oberfläche 302 gekrümmt ist. Durch Nichttelezentrizität der optischen Anordnung ist dieses insbesondere für Anschluss-Multiplexer-Anordnungen geeignet.
In 4C, wird der Einsatz eines hyperbolischen konischen Abschnitts gezeigt. In diesem Fall befindet sich der Schaltpunkt 304'' an einem Fokus der hyperbolischen Manteloberfläche 312, und der Ausgangsblendenvertex 306'' ist in einem endlichen Abstand von dem Schaltpunkt 304'' positioniert. Wie für die elliptische Manteloberfläche 310, die in 3B gezeigt wird, ist die Mantellinie oder die gemeinsame Weglängen-Brennoberfläche in Bezug auf die ebene Oberfläche 302 gebogen.
Es gibt eine Menge Betrachtungen, die die Wahl von konischen Mantelabschnitten beeinflussen können, die in einer gegebenen Anwendung verwendet werden sollen. Eine Hauptbetrachtung ist, ob die optische Anordnung in einer telezentrischen Anordnung verwendet werden kann, oder um einen endlichen Linsenausgangsabstand aufzuweisen. Die Faktoren, die solch eine Wahl beeinflussen, sind den Fachleuten gut bekannt. Zum Beispiel schlägt die optische Anordnung für den in Verbindung mit den 1A–1B beschriebenen Wellenlängen-Router den Einsatz einer telezentrischen Anordnung vor. Solch eine Wahl reflektiert die Tatsache, dass die telezentrischen Hauptstrahlen in einem spektralen Schaltraum die spektrale Zurückverfolgung ermöglichen und ein zerfallenes Spektrum an Vier-Wege-Ausgabebilder-Punkten. Die spezifischen geometrischen Parameter des konischen Mantelabschnitts können gemäß den physikalischen Bedingungen auf der geometrischen Anordnung bestimmt werden. Zum Beispiel in einer Anordnung, wie durch den Wellenlängen-Router der 1A–1B bereitgestellt, können räumliche Trennungen von Hauptstrahlen auf eine Beabstandung von Faser zu Faser und dem ausgewählten konischen Abschnitt basieren. Solche Faser-zu-Faser Beabstandungen können durch solche Faktoren wie zum Beispiel die Dicke der Hüllenschicht auf jeder Faser beeinflusst sein. Die Winkeltrennung der Hauptstrahlen kann auf Anschluss-Trennung und damit verbundene Anforderungen verbunden sein. Die fokalen Längen des konischen Abschnitts, und sogar die Zahl der konischen Abschnitte, die eingesetzt werden können, können auf den physikalischen Dimensionen der optischen Fasern und den relativen Brennpunkten basieren.
Demgemäß ermöglicht der Einsatz eines Mantels mit konischem Abschnitt eine Bestimmung für jede Anwendung einer optimierten Anordnung für die optischen Elemente. Dies wird nachfolgend für eine Anordnung erläutert, die in dem im Zusammenhang mit den 1A–1B beschriebenen Wellenlängen-Router eingesetzt werden kann. In dieser Ausführungsform wird sowohl das gemeinsame Faltelement als auch der dritte feste Spiegel („C"), der vorstehend erläutert und in den 6A und 6B des '728-Patents gezeigt wurde. Die optische Anordnung wird in perspektivischer Ansicht in 5 gezeigt, wo der optische Routing-Mechanismus allgemein mit dem Bezugszeichen 110'' versehen ist. Insbesondere, weil θ im Wesentlichen gleich 90° ist, ist die xy-Ebene im Wesentlichen parallel zu (oder stimmt überein mit) der Oberflächenebene des Werkzeugs 204. Somit wird Licht von der Eingabefaser 208 aus so ausgerichtet, um auf das gemeinsame Faltelement 266 zu treffen, welches in der Ausführungsform gezeigt wird, wo es einen gemeinsamen Faltspiegel umfasst, der den Strahl zurück parallel zur z-Achse zum optischen Zug richtet. Wenn θ im Wesentlichen 90° entspricht, pflanzt sich dieser Strahl im Wesentlichen orthogonal zur Oberflächenebene 204 fort. Der optische Zug dispergiert den Stahl entlang der y-Achse und richtet die getrennten Strahlen hin zur Retroreflexionsanordnung entlang eines Wegs, der im Wesentlichen orthogonal zur Oberflächenenbene des Werkzeugs 204 ist. Aufgrund dieser Orthogonalität kann, wie in dem '728-Patent erläutert, kann ein Fenster zur hermetischen Abdichtung der Retroreflexionsanordnung im Wesentlichen parallel zur Oberflächenebene des Werkzeugs 204 beinhaltet sein, wobei Abweichungen begrenzt werden, die sonst aus einem gebeugten Abdichtungsfenster resultieren würden.
Jeder getrennte Strahl trifft auf den festen Spiegel „C" 217, der die Strahlen zu den jeweiligen dynamisch konfigurierbaren Routing-Elementen 220 ausrichtet. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung der dynamisch konfigurierbaren Elemente 220 werden die einzelnen getrennten Strahlen dann jeweils zu jeweiligen festen Spiegeln „A" 214 oder zu festen Spiegeln „B" 216 ausgerichtet. Die drei festen Spiegel 214, 216 und 217 werden in der Anordnung angeordnet, so dass sie von den jeweiligen Strahlen an Punkten getroffen werden, die entlang des konischen Mantelabschnittes 269 liegen, was in der Anordnung des parabolischen Mantelabschnittes gemäß der Telezentrizität der Anordnung gezeigt wird. Die Tatsache, dass es einen Unterschied bei x-Verschiebungen für Strahlen gibt, die auf den festen Spiegel „A" 214 oder den festen Spiegel „B" 216 gerichtet sind, wird aufrechterhalten, wenn die y-Dispersion bei der weiteren Fortpflanzung durch den optischen Zug entfernt wird. Dementsprechend sind Spektralbänder, die von jenen Strahlen umfasst sind, die auf den festen Spiegel „A" 214 gerichtet sind, in dem Strahl beinhaltet, der zur ersten Ausgabefaser 212(1) gerichtet ist, und Spektralbänder, die von jenen Strahlen umfasst sind, die zu dem festen Spiegel „B" 216 hin gerichtet sind, in dem Strahl beinhaltet, der auf die zweite Ausgabefaser 212(2). Da jene Strahlen entlang der optischen Achse z des optischen Zugs fortgepflanzt werden, wird das gemeinsame Faltelement 266 dazu eingesetzt, um sie wieder auf die optischen Ausgabefasern 212 auszurichten. Da die veranschaulichte Ausführungsform optische in der xy-Ebene angeordnete Ausgabefasern 212 nutzt, wird das Faltelement 266 als ein Faltspiegel gezeigt, der eine Neigung von 45° mit Bezug auf die Werkzeugoberfläche 204 aufweist.
In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform ist zu sehen, dass die optischen Fasern 208 und 212 in V-förmigen Nuten 270 gestützt werden, die direkt in der MEMS-Werkzeugoberfläche 204 geformt sind. Verschiedene alternative Anordnungen können eingesetzt werden. Ein separater V-Block kann beispielsweise ausgestaltet sein, um die optischen Fasern an den gewünschten x- und z-Positionen zu stützen und ist direkt auf der MEMS-Werkzeugoberfläche 204 positioniert. In einer weiteren Ausführungsform, können sowohl das MEMS-Werkzeug, als auch der V-Block auf einer Mikrobank positioniert sein, wobei die Dicke des MEMS-Werkzeugs und die Anordnung des V-Blocks ausgestaltet ist, um die gewünschten x- und y-Positionen für die optischen Fasern zu erreichen.
Obwohl die Veranschaulichung in 5 einen optischen Routing-Mechanismus zeigt, der integral einer Eingabefaser und zwei Ausgabefasern zugeordnet ist, ist es für den Fachmann klar, dass dieselben Prinzipien auf eine beliebige Anzahl von Eingabe- und Ausgabefasern angewandt werden können. In einigen von diesen Ausführungsformen können unter Einsatz einer größeren Anzahl von Fasern, eine größere Anzahl fester Spiegel in der Retroreflexionsanordnung eingesetzt werden, obwohl weiterhin nur ein einzelnes gemeinsames Faltelement 266 eingesetzt wird.
Ein Merkmal der oben beschriebenen optischen Routing-Mechanismen ist, dass ein gemeinsamer zusammenpassende Wert ermöglicht wird, der sowohl für die optischen Eingabe- als auch die optischen Ausgabefasern 208 und 212 und für die Retroreflexionsanordnung eingesetzt werden kann. Dies wiederum ermöglicht eine Reihe von Vereinfachungen bei der Fertigung für einen Wellenlängen-Router, bei dem ein integrierter optischer Routing-Mechanismus verwendet wird. Nachfolgend werden weitere Vorteile erläutert, die durch einen optischen Routing-Mechanismus möglich wurden, der gemäß Ausführungsformen der Erfindung gefertigt wurde. Es werden insbesondere mit Bezug auf die 6A–6C geometrische Anordnungen erörtert, die konische Beugungs- und Parafokalisierungsprobleme behandeln.
6A stellt eine schematische parallel zur xy-Ebene gezeigte Illustrierung einer Ausführungsform zur integralen Anordnung der Eingabe und Ausgabefasern mit dem optischen Routing-Mechanismus dar. Mit Bezug auf den Ursprung des (x, y, z)-Koordinatensystems, wird die x-Position der optischen Eingabefaser 208 mit –x₁ bezeichnet und die x-Position der ersten optischen Ausgabefaser 212(1) mit +x₂, wobei die Trennung zwischen den zweiten und ersten optischen Fasern 212(2) und 212(1) mit x₃ bezeichnet werden. Der Effekt der konischen Beugung, der durch den Zerfall von optischen Strahlen erzeugt wurde, die in x durch den optischen Zug verschoben wurden, wird durch eine Kurve 278 in 6A gezeigt. Insbesondere verursacht die Verschiebung eines Strahls in x durch die Retroreflexionsanordnung eine entsprechende Verlagerung in y, wie durch die Kurve 278 gezeigt wird, wonach der verschobene Strahl sich zurück durch den optischen Zug fortpflanzt.
Wenn man beispielsweise einen Strahl betrachtet, der sich durch einen Wellenlängen-Router von einer ein Ende (x, y) = (–x₁, –y₀) aufweisenden Eingabefaser fortpflanzt. Wenn die Retroreflexionsanordnung keine Verschiebung in x erzeugt, kehrt der Strahl zu (x, y) = (–x₁, –y₀) nach der Fortpflanzung durch den optischen Zug zurück. Um die gewünschten Routing-Funktionen zu bewirken, werden jedoch getrennte Strahlen durch verschiedene Mengen durch die Retroreflexionsanordnung bewegt, so dass die Strahlen nach der Fortpflanzung zurück durch die optischen Züge diese an verschiedenen Punkten auf der Kurve 278 fokussiert werden. In der Veranschaulichung produziert die gewünschte Trennung unter der Mehrzahl von Ausgabefasern x3 eine resultierende Trennung in y von Δy. Um die Wirkung der konischen Beugung zu minimieren, wird die Gesamtdispersion von Brennpunkten in y unter sowohl dem Eingabestrahl als auch den Ausgabestrahlen minimiert. Dies wird in einer Ausführungsform mit der Bedingung
erreicht, wobei sichergestellt ist, dass die y-Position für den Fokus des Eingabestrahls dazwischen liegt und etwa gleich weit von den y-Positionen für die Foki der Ausgabestrahlen liegt. Darüber hinaus, wenn diese Bedingung weiterhin, erfüllt ist, gibt es viele Anmeldungen, in denen die maximale Abweichung des Fokus zwischen dem Eingabestrahl und einem der Ausgabestrahlen, d. h. Δy/2, geringer als ein Budget für einen annehmbaren Ausrichtungsfehler mit einer Wellenlängen-Router-Anordnung ist. In solchen Anmeldungen, können die Fasern so konfiguriert sein, dass sie ihre Enden an einer gemeinsamen y-Position haben, wobei die Fertigung des integrierten optischen Routing-Mechanismus weiter vereinfacht wird. In einer solchen Ausführungsform, fällt die gemeinsame y-Position im Wesentlichen mit dem Fokus des Eingabestrahls zusammen. Es sei angemerkt, dass in einer Ausführungsform, die mehr als zwei optische Ausgabefasern 212 einsetzt, die gleiche Bedingung angewandt werden kann, in der x₂ die Position der ersten Ausgabefaser und x₃ die Trennung von der letzten Ausgabefaser ist, wobei alle anderen Ausgabefasern dazwischen liegend angeordnet werden; es ist nicht nötig, dass alle Ausgabefasern in gleicher Weise von einander getrennt sind, um die Bedingung zu erfüllen.
Die Parafokalisierung der Eingabe- und Ausgabestrahlen mit Bezug auf die MEMS-Werkzeugoberfläche 204 wird in den 6B und 6C mit Ansichten im Abschnitt von der xz-Ebene veranschaulicht. Die Figuren zeigen schematisch die Retroreflektor-Anordnung für einen einzelnen getrennten Strahl, mit den Normalen für feste Spiegel „A" 214, „B" 216 und „C" 217, die jeweils mit n_A, n_B und n_C bezeichnet sind. Der Strahl 282 fällt von dem optischen Zug auf den festen Spiegel „C" 217 und wird auf das dynamisch konfigurierbare Element 220' hin und darauf entsprechend dem getrennten Strahl fokussiert. Die parafokale Bildebene 283 wird als gestrichelte Linie unterhalb der MEMS-Werkzeugfläche 204 gezeigt. Für einen parabolischen Mantelabschnitt 269 befindet sich der parafokale Bildabschnitt 283 bei einer Länge, die zweimal der parabolischen fokalen Länge entspricht, wobei sich der parabolische Fokus am MEMS-Schaltpunkt befindet. Der Strahl, der von dem festen Spiegel „B" 216 reflektiert wird, besitzt das Bezugszeichen 286 und der Gegenpart-Strahl, der von dem festen Spiegel „A" 214 reflektiert wird, hat das Bezugszeichen 287. Wie vorstehend angemerkt, können sowohl die einfallenden als auch die reflektierten Strahlen 282, 286 und 287 sich im Wesentlichen normal zur MEMS-Werkzeugoberfläche 204 fortpflanzen, so dass ein hermetisches Fenster 280 im Wesentlichen parallel zur MEMS-Werkzeugoberfläche 204, wie gezeigt, beinhaltet sein kann.
Der Parafokalisierungszustand kann auferlegt werden, indem beansprucht wird, dass der virtuelle Fokus von jedem Strahl, der festen Spiegel „A", „B", „C" zugeordnet ist, coplanar mit demselben Abstand von der MEMS-Werkzeugoberfläche 204. So kann der Eingabewinkel gemäß der in 6B dargestellten Geometrie bestimmt werden. In der Figur entspricht der Winkel θ_die dem Haupt-Eingabe-Strahlen-Weg relativ zur MEMS-Werkzeugoberflächennormalen. Der Winkel θ_in entspricht dem Winkel der Eingabestrahlen relativ zur MEMS-Werkzeugebene 204. Der Wert von θ_in kann auf der Basis von winkelförmigen Schaltzuständen der Vorrichtung und Packungs-Erwägungen basiert sein. Der Winkel θ_slope definiert die Neigung des konischen Abschnitts, womit er die Zielrichtung des festen Spiegels C 217 repräsentiert und auf den in der MEMS-Werkzeugebene 204 Bezug genommen wird. Die Winkel θ_inc und θ_ref entsprechen jeweils den Einfallwinkeln und Reflexionswinkeln auf den festen Spiegel C 217 und erfüllen die Bedingung, dass θ_inc = θ_ref. Basierend auf der Supplementarität von Winkeln innerhalb eines Dreiecks, θdie + θin = θinc + θref.
Die Steigung des festen Spiegels C halbiert den Apex-Winkel von diesen Dreiecken, so dass θslopeC = 90° – [180° – (θdie + θin)]/2.
So, wenn beispielsweise der Eingabewinkel θ_in = 45° ist, dann ist die Steigung des festen Spiegels C 217 θ_slopeC = 67,5°. Wenn der Eingabewinkel in ähnlicher Weise θ_in = 25° beträgt, dann beträgt die Neigung des festen Spiegels C 217 θ_slopeC 57,5°.
Der konische Mantelabschnitt 269 kann dazu eingesetzt werden, die x-Koordinate des Eingabestrahlungswegs zu bestimmen und somit die Position des festen Spiegels C 217. Die allgemeine Gleichung für den konischen Abschnitt lautet
wobei k den Typ mit konischem Abschnitt definiert und r den Krümmungsradius des konischen Hauptabschnitts darstellt. Für eine Parabel ist k = –1, so dass die Gleichung auf
vereinfacht wird.
Die Neigung der Parabel wird durch die Ableitung um den Punkt x_c
ausgedrückt.
Somit beträgt bei einem bestimmten Radius der parabolischen Mantelfunktion, oder entsprechend einer bestimmten fokalen Länge der Parabel, die x-Koordinate des Wegs des Eingabestrahls xC = rtan θslopeC.
Eine ähnliche Analyse kann für die festen Spiegel A und B 214 und 216 durchgeführt werden, um die Positionen der Ausgabefasern 212 unter Verwendung der in 6C gezeigten Geometrie zu bestimmen. In der 6C entspricht θ_die wieder der Eingabestrahlweg-Hauptstrahlen-Richtung in Bezug auf die Normale der MEMS-Werkzeugoberfläche. Der Winkel θ_unswitched entspricht dem Winkel der Eingabestrahlung nach der Reflexion durch das Routing-Element 220 und wird relativ zur MEMS-Werkzeugebene 204 gemessen. Für ebene Spiegel beträgt θ_unswitched = θ_in. Dieser Wert kann basierend auf dem winkelförmigen Schaltzustand und den Packungs-Betrachtungen ausgewählt werden, wie, wie viele Zustande oberhalb der Ebene des MEMS-Werkzeugs 204 existieren könnten. Nach der Reflexion durch das Routing-Element 220 werden die Winkel der Strahlen mit θ_A und θ_B jeweils für die Strahlen, die auf den festen Spiegel A 214 und den festen Spiegel B 216 treffen, bezeichnet, wobei θ_A und θ_B in Bezug auf θ_unswitched definiert werden. In einer Ausführungsform haben die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente einen 2 ×-Vergrößerer über einen mechanischen Schaltwinkel, so dass für ein symmetrisches Schaltdesign θ_A = –θ_B = 2α ist. Die Winkel für die Strahlen, die jeweils auf die festen Spiegel A und B 214 und 216 treffen, betragen deshalb θout A = θunswitched – θA θout B = θunswitched + θB.
Aus der ähnlichen Geometrie, die dazu eingesetzt wird, θ_slopeC zu bestimmen, sind die folgenden Ergebnisse selbstverständlich: θslopeA = 90° – [180° – (θdie + θoutA)]/2 θslopeA = 90° – [180° – (θdie + θoutB)]/2
Wenn somit beispielsweise θ_in = 45°, θ_die = 90° und α = 5,5°, dann beträgt θ_outA = 34°, θ_outB = 56°, θ_slopeA = 62° und θ_slopeB = 73°.
Die oben angegebene Gleichung für den allgemein konischen Abschnitt kann auf dieselbe Art zur Bestimmung der x-Stellen des Eingabeanschlusses verwendet werden, um die x-Stellen der Ausgabeschalter zu bestimmen. Somit wird dieselbe Technik eingesetzt: xA = rtan θslopeA xB = rtan θslopeB.
Die spezifische Erläuterung zur Berechnung der obigen Positionen wurde gemäß einem Beispiel zur Verfügung gestellt, bei dem der konische Mantelabschnitt einen parabolischen Mantelabschnitt umfasst. Solch ein Mantel ist zum Beispiel für telezentrische Anwendungen geeignet. Für Fachleute ist es eindeutig, dass die gleichen Berechnungen in ähnlicher Weise ausgeführt werden können, wenn andere konische Mantelabschnitte verwendet werden, wie ein Mantel mit elliptischem Abschnitt, was zum Beispiel für Anwendungen geeignet ist, die eine endliche Ausgangslinse aufweisen.
Obwohl die Erfindung mit einer besonderen Form eines Wellenlängen-Routers veranschaulicht wurde, ist es für Aspekte der Erfindung möglich, diese an eine Varietät von Designs für Wellenlängen-Router anzupassen. Dementsprechend dient die obige Beschreibung nicht dazu, das Ziel der Erfindung zu begrenzen, das in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Ein Wellenlängen-Router (100) zum Empfangen von Licht von einer Eingabefaser (208), wobei das Licht eine Mehrzahl von Spektralbändern aufweist, und zum Ausrichten von Teilsätzen der Spektralbänder auf die jeweiligen einer Mehrzahl von Ausgabefasern (212), der Wellenlängen-Router (100) umfassend: einen optischen Freiraum-Zug, beinhaltend Spektralband-Demultiplexierungsmittel, die dazu angeordnet sind, optische Wege zum Routen der Spektralbänder zwischen der Eingabefaser (208) und den Ausgabefasern (212) zur Verfügung zu stellen; einen optischen Routing-Mechanismus (110), umfassend: ein Substrat (204); eine über dem Substrat gebildete Retroreflexionsanordnung, beinhaltend eine Mehrzahl dynamisch konfigurierbarer Routing-Elemente (220) und eine Mehrzahl fester Spiegel (214, 216); und eine Faser-Eingabe-Ausgabeanordnung; dadurch gekennzeichnet, dass die Faser-Eingabe-Ausgabeanordnung integral einer Oberfläche des Substrats zugeordnet ist, um die Endabschnitte einer Eingabefaser (208) und eine Mehrzahl von Ausgabefasern (212) zu tragen, wobei die Oberfläche des Substrats (204) als ein gemeinsamer Zuordnungspunkt für die Retroreflexionsanordnung und die Faser-Eingabe- und Ausgabe- Anordnung wirkt; und die Retroreflexionsanordnung dazu gestaltet ist, im Wesentlichen Licht zu parafokalisieren, das auf die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente (220) fällt, mit Licht, das von den festen Spiegeln (214, 216) relativ zur Oberfläche des Substrats (204) reflektiert wird.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Mehrzahl von Faser-Faltelementen (262), die über die gemeinsame Oberfläche (204) angeordnet sind, von denen jedes Faser-Faltelement so orientiert ist, dass Licht zwischen einer jeweiligen Faser hindurch und einen Weg, der parallel zu einer optischen Achse des optischen Freiraum-Zugs verläuft, geführt wird.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 2, wobei: die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente (220) kippbare Mikrospiegel umfassen, die über die gemeinsame Oberfläche (204) angeordnet sind; und jeder aus der Mehrzahl der feste Spiegel angeordnet ist, um in Abhängigkeit vom Zustand des Routing-Elements auf ein bestimmtes Spektralband zu treffen.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 1, wobei die Enden der Eingabe- und Ausgabefasern (208, 212) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die orthogonal zu einer optischen Achse des Freiraums des optischen Freiraum-Zugs ist.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 4, weiterhin umfassend ein gemeinsames Faser-Faltelement (264), das über die gemeinsame Oberfläche angeordnet ist und so orientiert ist, dass das Licht zwischen jeder Faser und jedem Weg, die parallel zu einer optischen Achse des Freiraums des optischen Zugs verlaufen, ausgerichtet wird.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 5, wobei: die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente (220) kippbare Mikrospiegel umfassen, die über die gemeinsame Oberfläche (204) gebildet sind; und die Mehrzahl von festen Spiegeln einen ersten festen Spiegel umfasst, der dazu angeordnet ist, um auf jedes Spektralband zu treffen, und eine Mehrzahl von zweiten festen Spiegeln, wobei jeder zweite feste Spiegel so angeordnet ist, dass er in Abhängigkeit vom Zustand des Routing-Elements auf ein bestimmtes Spektralband trifft.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 6, wobei der erste feste Spiegel und die Mehrzahl der zweiten festen Spiegel angeordnet sind, um auf das bestimmte Spektralband an Punkten zu treffen, die im Wesentlichen entlang einer konischen Manteloberfläche liegen.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 7, wobei die konische Manteloberfläche eine parabolische Manteloberfläche umfasst.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 7, wobei die konische Manteloberfläche eine elliptische Manteloberfläche aufweist.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 4, wobei Enden der Fasern im Wesentlichen nach dem Verhältnis x₁ = x₂ + ½ x₃, wo jedes x₁ einen Abstand entlang einer Achse misst, die parallel zur gemeinsamen Ebene und orthogonal zu einer Symmetrieachse ist, entlang welcher die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente angeordnet sind, wobei x₁ einen Abstand zwischen der Symmetrieachse und der Eingabefaser darstellt, x₂ einen Abstand zwischen der Symmetrieachse und einer nächst gelegenen Ausgabefaser zur Symmetrieachse und x₃ einen Abstand zwischen der nächst gelegenen Ausgabefaser und einer am entferntesten gelegenen Ausgabefaser von der Symmetrieachse darstellt.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 5, weiterhin umfassend ein Fenster, das im Wesentlichen orthogonal zur optischen Achse angeordnet ist und dazu angepasst ist, den optischen Routing-Mechanismus hermetisch abzudichten.
Der Wellenlängen-Router (100) nach Anspruch 4, wobei die gemeinsame Ebene im Wesentlichen parallel zur gemeinsamen Oberfläche ist.
Ein optischer Routing-Mechanismus (110), umfassend: ein Substrat (204); eine über das Substrat gebildete Retroreflexionsanordnung, beinhaltend eine Mehrzahl dynamisch konfigurierbarer Routing-Elemente (220) und eine Mehrzahl fester Spiegel (214, 216); und eine Faser-Eingabe-Ausgabeanordnung; dadurch gekennzeichnet, dass die Faser-Eingabe-Ausgabeanordnung integral einer Oberfläche des Substrats zugeordnet ist, um die Endabschnitte einer Eingabefaser (208) und eine Mehrzahl von Ausgabefasern (212) zu tragen, wobei die Oberfläche (204) als ein allgemeiner Zuordnungspunkt für die Retroflexionsanordnung und für die Faser-Eingabe- und Ausgabe-Anordnung wirkt; und die Retroflexionsanordnung gestaltet ist, um im Wesentlichen Licht zu parafokalisieren, das auf die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente (220) fällt, mit Licht, das von den festen Spiegeln (214, 216) relativ zur Oberfläche des Substrats (204) reflektiert wird.
Der optische Routing-Mechanismus (110) nach Anspruch 13, weiterhin umfassend eine Mehrzahl von Faser-Faltelementen (262), die über das Substrat (204) angeordnet sind, wobei jedes Faser-Faltelement (262) angeordnet ist, um Licht aufzufangen das einer jeweiligen Faser entspricht.
Der optische Routing-Mechanismus (110) nach Anspruch 13, weiterhin umfassend ein gemeinsames Faser-Faltelement (264), das über dem Substrat angeordnet ist und so orientiert ist, dass es entsprechend den Eingabe- und Ausgabefasern Licht auffangt.
Ein Verfahren zum Routen von Licht, das eine Mehrzahl von Spektralbändern von einer Eingabefaser (208) aufweist, das Verfahren umfassend: Fortpflanzen des Lichts von der Eingabefaser (208) aus durch einen optischen Zug, beinhaltend Spektralband-Demultiplexierungsmittel, die dazu gestaltet sind, das Licht in die Mehrzahl von Spektralbändern aufzuteilen und die Spektralbänder auf einen optischen Routing-Mechanismus (110) zu richten, wobei der optische Routing-Mechanismus umfasst: Ein Substrat (204); eine Retroreflexionsanordnung, die über das Substrat gebildet ist, beinhaltend eine Mehrzahl dynamisch konfigurierbarer Router-Elemente (220) und eine Mehrzahl fester Spiegel (214, 216); und eine Faser-Eingabe-Ausgabe-Anordnung, die einer Oberfläche des Substrats integral zugeordnet ist, um Endabschnitte einer Eingabefaser (208) und eine Mehrzahl von Ausgabefasern (212) zu tragen, wobei die Oberfläche des Substrats (204) als ein gemeinsamer Zuordnungspunkt für die Retroreflexionsanordnung und die Faser-Eingabe-Ausgabeanordnung wirkt; das Routen von wenigstens einem der Spektralbänder (212) von dem optischen Routing-Mechanismus (110) durch den optischen Zug; und das Ausrichten des wenigstens einen Spektralbandes auf eine Ausgabefaser (212); wobei Licht, das auf die dynamisch konfigurierbaren Routing-Elemente (220) fällt, im Wesentlichen durch die Retroreflexionsanordnung mit Licht parafokalisiert wird, das von den festen Spiegeln (214, 216) relativ zur Oberfläche des Substrats (204) reflektiert wird.
Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Fortpflanzen des Lichts von der Eingabefaser durch den optischen Zug, das Wiederausrichten des Lichts mit einem ersten Faser-Faltelement auf einen ersten Weg, der parallel zu einer optischen Achse des optischen Zugs verläuft und das Ausrichten des wenigstens einen Spektralbands zur Ausgabefaser das Wiederausrichten eines Strahls umfasst, beinhaltend das mindestens eine Spektralband von einem zweiten Weg, der parallel zu der optischen Achse mit einem zweiten Faserfalt-Element verläuft.
Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Fortpflanzen des Lichts von der Eingabefaser durch den optischen Zug das Wiederausrichten des Lichts mit einem Faserfalt-Element auf einen ersten Weg, der parallel zu einer optischen Achse des optischen Zugs verläuft, umfasst und das Ausrichten des mindestens einen Spektralbands auf die Ausgabefaser das Wiederausrichten eines Strahls umfasst, beinhaltend das mindestens eine Spektralband von einem zweiten Weg, der parallel zur optischen Achse mit dem Faser-Faltelement verläuft.
Das Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend die Kompensation der konischen Beugung eines Strahls, beinhaltend das wenigstens eine Spektralband.